Post on 07-Jul-2015
description
CROMATOGRAFIA:Fundamentos e
aplicações
Eng. Bruno Cortez
Depto. de Engenharia Química Escola de Engenharia de Lorena – EEL/USP
DEFINIÇÃO
Conjunto de técnicas de separação cujo princípio depende da distribuição diferenciada dos componentes de uma mistura entre duas fases, uma considerada estacionária, e a outra, móvel.
KROMA + GRAPH (COR) (ESCREVER)
DEFINIÇÃO
Diferenças nas propriedades das fases móvel e estacionária possibilitam com que os componentes da amostra se desloquem através do material cromatográfico com velocidades desiguais, gerando a separação
ANÁLISE CROMATOGRÁFICA
AFINIDADE ⇒ SEPARAÇÃO
LÍQUIDA
CROMATOGRAFIA
PLANAR COLUNA
LÍQUIDA GÁS FLUÍDO SUPERCRÍTICO
Líquida (CP)
Sólida (CCD)
Ligada (CCD)
Ligada (CSFL)Sólido (CSS)
Líquida (CGL)
Sólida (CGS)
Ligada (CGFL) Líquida (CLL)
Sólida (CLS, CE)
Ligada (CFLF, CTI e CB)
TIPOS DE CROMATOGRAFIASIGLA NOME TIPO DE SEPARAÇÃO
CP Papel Partilha
CCD Camada Delgada Partilha
CCD-FL Camada Delgada com Fase Quimicamente Ligada Partilha e Adsorção
CGL Gás-Líquido Distribuição
CGS Gás-Sólido Adsorção
CGFL Gasosa com Fase Quimicamente Ligada Adsorção
CSS Sólida com Fase Móvel Super-crítica Adsorção
CSFL CSS com Fase Quimicamente Ligada Adsorção
CLL Líquido-Líquido Partilha
CLS Líquido-Sólido Adsorção
CE Exclusão Permeação
CLFL Líquida com Fase Quimicamente Ligada Partilha e Adsorção
CTI Troca Iônica Interações Polares
CB Bioafinidade Bioatividade
TIPOS DE SEPARAÇÃO Os princípios físico-químico básicos de separação são:
Adsorção: O soluto é retido pela superfície da fase estacionária através de interações químicas ou físicas.
Partição: O soluto se dissolve na parte líquida que envolve a superfície do suporte sólido.
Troca iônica: O íon da amostra se liga à carga fixa (grupo funcional) da fase estacionária.
Exclusão moléculas: As moléculas são separadas por tamanho, havendo retenção das maiores.
Bioafinidade: Ocorre uma ligação molecular específica e reversível entre o soluto e o ligante fixado à fase estacionária.
Cromatografia Gasosa (CG)
Técnica de separação, em que substâncias capazes de se volatilizarem, percolam em uma corrente de gás através da fase estacionária.
Dependendo da natureza da fase estacionária, a cromatografia gasosa pode ser dividida em 2 grupos: Cromatografia gás-líquido (GLC) Cromatografia gás-sólido (GSC)
Cromatografia Gasosa (CG)
O QUE ANALISAR? Compostos voláteis de pontos de ebulição de
até 350 ºC e pesos moleculares menores que 500
Compostos que possam produzir derivados voláteis
Compostos termicamente estáveis na condições de trabalho
Cromatografia Gasosa (CG)
ALGUMAS APLICAÇÕES Indústria Petroquímica Alimentos e Bebidas Biocidas Medicamentos Meio ambiente
Cromatografia Gasosa (CG)
DESCRIÇÃO DE UM CROMATÓGRAFO: Cilíndro contendo gás carreador (hidrogênio,
hélio, argônio ou nitrogênio), com fluxo controlado e regulador de pressão
Sistema de injeção de amostra Coluna cromatográfica Detectores
Condutividade térmica Ionização de chama
Registrador
Cromatografia Gasosa (CG)
Cromatografia Gasosa (CG)
GÁS DE ARRASTE FASE MÓVEL EM CG: NÃO interage com a amostra –
apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como gás de arraste
INERTE: Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento
PURO: Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária
Cromatografia Gasosa (CG)
Impurezas típicas em gases e seus efeitos: H2O, O2 ⇒ oxida/hidrolisa
algumas FE, incompatíveis com DCE
Hidrocarbonetos ⇒ ruído no sinal de DIC
Cromatografia Gasosa (CG)GASES - FILTROS
Cromatografia Gasosa (CG)
CUSTO: Gases de altíssima pureza podem ser muito caros
Cromatografia Gasosa (CG)
COMPATÍVEL COM UM DETECTOR: Cada detector demanda um gás de arraste
específico para melhor funcionamento
Cromatografia Gasosa (CG)
Alimentação do gás de arraste
Cromatografia Gasosa (CG)
Dispositivos de Injeção de Amostra Os dispositivos para injeção (INJETORES ou
VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica
Cromatografia Gasosa (CG)
SISTEMAS DE INJEÇÃO
Cromatografia Gasosa (CG)INJETOR “ON-COLUMN” CONVENCIONAL
Cromatografia Gasosa (CG)
Injeção “on-column” de líquidos
Cromatografia Gasosa (CG) INJETORES SPLIT/SPLITLESS
Cromatografia Gasosa (CG)
SPLIT Amostras concentradas onde a diluição com solvente
é impossível particularmente devido a co-eluição SPLITLESS
Amostras diluídas ou análise de traços Análise em ampla faixa de ponto de ebulição e
polaridade Adequado para análide de amostras complexas
(multicomponentes)
Cromatografia Gasosa (CG)
Parâmetros de Injeção TEMPERATURA DO INJETOR: Deve ser
suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição REGRA GERAL: Tinj=50 ºC acima da temperatura de
ebulição do componente menos volátil VOLUME INJETADO: Depende do tipo de coluna e do
estado físico da amostra
Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução
Cromatografia Gasosa (CG)
MICROSSERINGAS PARA INJEÇÃO LÍQUIDOS: capacidades típicas ⇒ 1μL, 5 μL e 10 μL
Cromatografia Gasosa (CG)
COLUNAS CROMATOGRÁFICAS
Colunas empacotadas
Cromatografia Gasosa (CG)
Cromatografia Gasosa (CG)
COLUNAS CROMATOGRÁFICAS Coluna Empacotada
VANTAGENS Simples preparação e uso Tecnologia clássica Grande número de fases líquidas Capacidade alta e longa durabilidade Usada para análise de gases com DCT
DESVANTAGENS Número de pratos limitado Exige controle da vazão da fase móvel Análises relativamente demoradas Baixa resolução para amostras complexas
Cromatografia Gasosa (CG)
Temperatura da Coluna Além da interação da FE, o tempo que um
analito demora para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p0)
Cromatografia Gasosa (CG)
Temperatura da Coluna
CONTROLE CONFIÁVEL
DA TEMPERATURA DA
COLUNA É ESSENCIAL
PARA OBTER BOA
SEPARAÇÃO EM CG
Cromatografia Gasosa (CG)
FORNO DA COLUNA Características desejáveis de um forno:
Ampla faixa de temperatura de uso: Pelo menos de Tamb até 400 ºC. Sistemas criogênicos (T < Tamb) podem ser necessários em casos especiais
Temperatura independente dos demais módulos: Não deve ser afetado pela temperatura do injetor e detector
Temperatura uniforme em seu interior: Sistemas de ventilação interna muito eficientes para manter a temperatura homogênea em todo forno
Cromatografia Gasosa (CG) FORNO DA COLUNA
Características desejáveis de um forno: Fácil acesso à coluna: A operação de troca de
coluna pode ser freqüente Aquecimento e resfriamento rápido: Importante
tanto em análises de rotina e durante o desenvolvimento de metodologias analíticas novas
Temperatura estável e reprodutível: A temperatura deve ser mantida com precisão e exatidão de ± 0,1 ºC
EM CROMATÓGRAFOS MODERNOS (DEPOIS DE 1980) O CONTROLE DE TEMPERATURA DO FORNO É
TOTALMENTE OPERADO POR MICROCOMPUTADORES
Cromatografia Gasosa (CG)
Programação Linear de Temperatura Misturas complexas (constituintes com
volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:
Cromatografia Gasosa (CG)
Programação Linear de Temperatura A temperatura do forno pode ser variada
linearmente durante a separação:
Cromatografia Gasosa (CG)
Programação Linear de Temperatura
POSSÍVEIS PROBLEMAS ASSOCIADOS À PLT
Cromatografia Gasosa (CG)
DETECTORES: Dispositivos que examinam continuamente o material eluído, gerando sinal quando da passagem de substâncias que não o gás de arraste
Cromatografia Gasosa (CG) DETECTORES MAIS IMPORTANTES:
Detector por condutividade térmica (DCT ou TCD): Variação da condutividade térmica do gás de arraste
Detector por Ionização de Chama (DIC ou FID): Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar
Detector por Captura de Elétrons (DCE ou ECD): Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS
Cromatografia Gasosa (CG)
Características de uma FE ideal SELETIVA: Deve interagir diferencialmente
com os componentes da amostra
REGRA GERAL: A FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático...)
Cromatografia Gasosa (CG)
Características de uma FE ideal AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO: Maior
flexibilidade na otimização da separação BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E TÉRMICA: Maior
durabilidade da coluna, não reage com componentes da amostra
POUCA VISCOSIDADE: Colunas mais eficientes (menor resistência à transferência do analito entre fases)
DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU DE PUREZA: Colunas reprodutíveis; ausência de picos “fantasma” nos cromatogramas
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS: ADSORÇÃO O fenômeno físico-químico responsável pela interação
do analito + FE sólida é a ADSORÇÃO
A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS: ADSORÇÃO
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS Características Gerais:
Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm)
Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g)
Cromatografia Gasosa (CG)
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS LÍQUIDAS: ABSORÇÃO O fenômeno físico-químico responsável pela interação
do analito + FE sólida é a ABSORÇÃO
A ABSORÇÃO OCORRE NO INTERIOR DO FILME DE FE LÍQUIDA (FENÔMENO INTRAFACIAL)
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS LÍQUIDAS: ABSORÇÃO
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS QUIRAIS
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS QUIRAIS
Cromatografia Gasosa (CG)
FASES ESTACIONÁRIAS QUIRAIS
Cromatografia Gasosa (CG)
Cromatografia Gasosa (CG)
COLUNAS EMPACOTADAS Tubo de material inerte recheado com FE sólida
granulada ou FE líquida depositada sobre um suporte sólido
Cromatografia Gasosa (CG)
COLUNAS EMPACOTADAS FE Líquidas: SUPORTE
Cromatografia Gasosa (CG)
COLUNAS CAPILARES
Cromatografia Gasosa (CG)
COLUNAS CAPILARES DIÂMETRO INTERNO
Cromatografia Gasosa (CG) APLICAÇÃO DA CROMATOGRAFIA GASOSA NA
CARACTERIZAÇÃO DE POLÍMEROS Os polímeros possuem peso molecular muito alto e, portanto,
pressão de vapor muito baixa. Eles não podem ser analisados diretamente pela CG
Determinação de pureza de monômeros, solventes e aditivos. Análise de componentes voláteis nos polímeros, tais como
monômero residual, plastificantes, antioxidantes e solventes residuais em adesivos e tintas.
Acompanhamento da cinética de reação de polimerização. Pirólise do polímero e caracterização de sua estrutura Análise do polímero como fase estacionária –
CROMATOGRAFIA GASOSA INVERSA
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Método popular para separação e análise de materiais poliméricos
Determinação simultânea Peso molecular numérico médio Peso molecular ponderal médio Distribuição do peso molecular
Conhecida popularmente por CROMATOGRAFIA DE PERMEAÇÃO EM GEL (GPC)
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
MECANISMO DA SEPARAÇÃO
O recheio das colunas éconstituído de partículascontendo poros de diver-sos tamanhos.
O volume total da fase móvel corresponde ao volume de poros (Vp), mais o volume intersticial(Vo), também conhecidopor volume morto
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
MOLÉCULAS MAIORES: não sãoretidas pelos poros. Logo, são ELUÍDAS primeiro.
MOLÉCULAS MENORES: sãocapazes de permear totalmenteno recheio.Logo, são ELUÍDAS por último.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
VOLUME DE ELUIÇÃO: Ve = Vo + KVp
Onde: Ve é o volume de eluição; Vo é o volume intersticial; K é o coeficiente de distribuição do soluto; Vp é o volume dos poros.
O valor de K situa-se na faixa entre 0 e 1. K=0.....o soluto é totalmente excluído dos poros K=1.....o soluto é totalmente permeado nos poros 0<K<1 faixa de separação
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Exemplo: Coluna de separação para SEC, do tipo
ultrastyragel®, fabricada pela Waters Inc. contém aproximadamente 6 mL de solvente dentro dos poros (volume dos poros) e 6 mL de solvente nos interstícios entre as partículas que compõem o recheio.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Conclusão: Nenhuma molécula poderá eluir antes de 6 mL ou
depois de 12 mL. Moléculas de tamanho intermediário eluirão a um volume entre 6 e 12 mL.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
TIPOS DE FASE ESTACIONÁRIA PARA SEC O tamanho dos poros deve ser comparável ao tamano da
macromolécula a ser analisada. A distribuição de tamanho de poros deve ser de tal forma
que forneça uma dependência linear do volume de eluição com o logaritmo do tamanho molecular dos polímeros investigados.
A fase estacionária não deve exibir qualquer interação, do tipo adsorção, com a substância a ser analisada.
A fase estacionária deve possuir resistência mecânica e estabilidade térmica e química.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
TIPOS DE FASE ESTACIONÁRIA PARA SEC Polímero macroporoso
Possuem estrutura tri-dimensional, e são preparados por copolimeração ou reticulação de macromoléculas.
Podem ser semi-rígidos ou do tipo soft-gel
Silicato macroporoso São rígidos e não incham na presença de solventes. Tamanho dos poros não são influenciados pela
temperatura ou pelo solvente.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
SELEÇÃO DA COLUNA Colunas disponíveis com vários tamanhos de
poros A escolha depende do tamanho das
macromoléculas do soluto a serem analisadas Pode-se usar várias colunas dispostas em séries
e com tamanhos de poros variados, OU uma coluna com gradiente de porosidade ao longo de seu comprimento
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
CURVAS DE CALIBRAÇÃO Não é um método absoluto...REQUER a
construção de uma curva de calibração para converter os dados fornecidos pelo instrumento em valores de massa molar e sua distribuição.
A partir dos valores de Vr de amostras monodispersas de massa molar conhecida (PADRÕES), é possível determinar a massa molar de amostras desconhecidas
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Exemplo: Curva construída
usando-se padrões de poliestireno de massa molar conhecida e de distribuição estreita, praticamente monodispersos
A injeção de cada padrão fornece uma curva, cujo pico é considerado o volume de eluição, Vr
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Os valores de Vr, colocados em gráfico contra a massa molar dos padrões, fornecem a curva de calibração.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
A curva de calibração assim construída corresponde ao poliestireno analisado naquelas condições específicas de solvente e tamanho dos poros.
Poderá ser usada para outros polímeros??? Devido à especificidade dessas condições, a
aplicação direta da curva de calibração exemplificada, a polímeros de estrutura diferente poderá levar a resultados fictícios.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
CURVA DE CALIBRAÇÃO UNIVERSAL Baseada no volume hidrodinâmico
Na verdade os polímeros são eluídos em função de seu volume hidrodinâmico, e não de sua massa VOLUME HIDRODINÂMICO PODE SER EXPRESSO EM
TERMOS DO PRODUTO DA MASSA MOLECULAR [M] E A VISCOSIDADE INTRÍSECA [n] DA AMOSTRA DO POLÍMERO
Dois polímeros diferentes que aparecem no mesmo volume de eluição, no mesmo solvente, e nas mesmas condições instrumentais terão o mesmo volume hidrodinâmico e as mesmas características de [n]M
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
CURVA DE CALIBRAÇÃO UNIVERSAL
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC) FASE MÓVEL
TOLUENO não absorve água e não degrada com facilidade. Não pode ser utilizado quando o sistema de detectores é constituído por
detectores UV. TETRAHIDROFURANO
Pode ser utilizado com detectores UV e de índice de refração. Absorve água com muita facilidade. Utilizar o solvente recém-destilado e adição de estabilizante para peróxidos.
CLOROFÓRMIO Não absorve água com tanta facilidade e pode ser usado com detector UV Com o tempo pode ocorrer decomposição, com liberação de ácido clorídrico,
extremamente prejudicial às colunas. ÁGUA
Análise de polímeros hidrossolúveis.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
APLICAÇÕES Caracterização de materiais poliméricos Determinação dos pesos moleculares numérico e
ponderal médios, e distribuição do peso molecular.
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
EFEITO DA DISTRIBUIÇÃO DO PESO MOLECULAR NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
EFEITO DAS CONDIÇÕES DE PROCESSAMENTO NA DEGRADAÇÃO DE UM POLÍMERO
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
CONTROLE DE QUALIDADE(a) Cromatograma de uma amostra de PVC contendo plastificante.
(b) Cromatograma de uma mistura de plastificantes comuns
1 – ftalato de dioctila2 – ftalato de dibutila3 – ftalato de dietila4 – ftalato de dimetila
Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
ACOMPANHAMENTO DE REAÇÃO