Gc fracassi

$: Gc fracassi$
CROMATOGRAFIA GASOSACROMATOGRAFIA GASOSA

Instituto de Química Instituto de Química -- UnicampUnicampCaixa Postal 6154 Caixa Postal 6154 -- 1308413084--971 Campinas SP971 Campinas SP

�� [email protected]@iqm.unicamp.br

Fabio AugustoFabio Augusto

©© Fabio Augusto (IQ Fabio Augusto (IQ -- Unicamp), 2005 Unicamp), 2005 -- 20102010

$: Gc fracassi$
CROMATOGRAFIA GASOSAAplicabilidade

Quais misturas podem ser separadas por GC ?

Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS (=“evaporáveis”)

(para uma substãncia qualquer poder ser “arrastada” por um fluxo de um gás ela deve ser dissolver - pelo menos parcialmente - nesse gás)

DE FORMA GERAL:GC é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS

DE EBULIÇÃO de até 300oC e que sejam termicamente estáveis.© Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

$: Gc fracassi$
O Cromatógrafo a Gás

1

2

3

4

6

5

1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão 4 - Detector2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra 5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna 6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador)

Observação: em vermelho: temperatura controlada

©Fa

bio Augusto (IQ

-Unicam

p), 2005 -2010

$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOGás de Arraste

Fase Móvel em GC: NÃO interage com a amostra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GÁS DEGÁS DE ARRASTEARRASTE

Requisitos:

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.

Impurezas típicas em

gases e seus efeitos:

oxida / hidroliza algumas FE

incompatíveis com DCEH2O, O2

hidrocarbonetos ruído no sinal de FID

© Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

$: Gc fracassi$
CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser muito caros.

COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento.

Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector:

He , H2DCT

FID N2 , H2

DCE N2 (SS), Ar + 5% CH4

CUSTO

PUREZA

A

B

C

A = 99,995 % (4.5)

B = 99,999 % (5.0)

C = 99,9999 % (6.0)

INSTRUMENTAÇÃOGás de Arraste


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOAlimentação de Gás de Arraste

Componentes necessários à linha de gás:

controladores de vazão / pressão de gás

dispositivos para purificação de gás (“traps”)

1

2

3

4

5

6

1 - Cilindro de Gás 2 - Regulador de Pressão Primário3 - “Traps” para eliminar impurezas do gás 4 - Regulador de Pressão Secundário5 - Regulador de Vazão (Controlador Diferencial de Fluxo) 6 - Medidor de Vazão (Rotâmetro)

Nota: Tubos e Conexões: Aço Inox ou Cobre

©Fa

bio Augusto (IQ

-Unicam

p), 2005 -2010

$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOMicrosseringas para Injeção

LÍQUIDOS Capacidades típicas: 1 µµµµL, 5 µµµµL e 10 µµµµL

êmbolo

corpo (pirex)

agulha (inox 316)

Microseringa

de 10 µµµµ L:

Microseringa de 1 µµµµ L (seção ampliada):

corpo

guia

êmbolo (fio de aço soldado ao guia)

agulha


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃODispositivos de Injeção de Amostra

Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica

Injeção instantânea:

t = 0

t = x

Injeção lenta:

©Fa

bio Augusto (IQ

-Unicam

p), 2005 -2010

$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOParâmetros de Injeção

TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição

Regra Geral: Tinj = 50oC acima da temperatura de ebulição do

componente menos volátil

VOLUME INJETADO Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra

COLUNAAmostrasGasosas

AmostrasLíquidas

empacotada∅ = 3,2 mm (1/4”) 0,1 ml ... 50 mL0,2 µL ... 20 µL

capilar∅ = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1 mL0,01 µL ... 3 µL

Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado einjeta-se a solução


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOInjetor “on-column” Convencional

1

2

3

4

1 - Septo (silicone)2 - Alimentação de gás de arraste)3 - Bloco metálico aquecido4 - Ponta da coluna cromatográfica


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOInjeção “on-column” de líquidos

1 - Ponta da agulha da microseringa é

introduzida no início da coluna

2 - Amostra injetada e vaporizada

instantâneamente no início da coluna.

3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás

de arraste a fluir pela coluna.

1 2 3


$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESInjetor com Divisão (Split Injector)

Permite introdução de ~nL de amostras fluidas com microseringas convencionais de 1 - 10 µµµµL

9

1

2

3

58

6

4

7

1 Corpo aquecido do injetor

2 Controle de vazão total de gás de arraste

4 Misturador (liner) de vidro

3 Septo de silicone

5 Válvula solenóide diversora (no modo split)

7 Manômetro (pressão na cabeça da coluna)

6 Controle de vazão da purga do septo

9 Coluna capilar

8 Controle de pressão na cabeça da coluna

$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESInjetor com Divisão (Split Injector)

No modo split, o fluxo total de gás de arraste é dividido

em três componentes:

FtotalVazão total de entrada

FseptoVazão de purga do septo

FpurgaVazão de purga do injetor

FcolVazão da coluna

Ftotal

Fsepto

Fpurga

Fcol

$: Gc fracassi$
Agulha de microseringa contendo amostra líquida / gasosa

introduzida no injetor através do septo - ponta da agulha deve penetrar no recheio do liner

1

COLUNAS CAPILARESInjeção com Divisão (Split Injector)


$: Gc fracassi$
Amostra é injetada no recheio do liner, onde se vaporiza

instantaneamente (?) e se dilue homogeneamente (?) no gás de arraste que passa pelo liner

2



$: Gc fracassi$

A amostra vaporizada e diluída no gás de arraste emerge do liner

3


$: Gc fracassi$

O plugue de vapor de amostra diluído no gás de arraste se divide

entre os dois fluxos de saída: parte do material entra na coluna e parte vai para a purga do injetor,

sendo desprezado

4


$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESInjeção com Divisão: Razão de Divisão

A quantidade de amostra introduzida na coluna depende do volume injetado e da razão de divisão (fração da amostra não descartada):

( )

+=

col

colpurga

F

FFSR :1

SR Razão de Divisão

Fpurga Vazão da Purga do Injetor

Fcol Vazão na Coluna

( )

+

=11

111451

.

.:SR SR = 1 : 133Fcol = 1.1 mL min-1

Fpurga = 145 mL min-1EXEMPLO

Se Vinj = 0.5 µL, o volume de amostra introduzido na coluna é (0.5/133) = 0.0038 µL = 38 nL !!!

VALORES ADMISSÍVEIS TÍPICOS PARA RAZÕES DE DIVISÃO

Colunas convencionais (dc = 0.25 - 0.32 mm): 1:50 ... 1:500

Colunas de diâmetro alto (dc = 0.53 mm) ou filmes espessos de FE: 1:5 ... 1:50

Colunas para Fast GC (dC = 0.10 - 0.05 mm): até 1:1000© Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

$: Gc fracassi$
Operação e otimização de parâmetros operacionais relativamente simples.☺☺☺☺Espécies em concentração reduzida na amostra podem não ser detectadas, já que as quantidades efetivamente cromatografadas são reduzidas.

Exatidão e precisão piores que as de outras técnicas de injeção;para análise quantitativa é mandatório o uso de padronização interna.

��

Apesar de suas deficiências, provavelmente ainda é a técnica de injeção mais popular em Cromatografia Gasosa de Alta Eficiência

É quase mandatória quando a maior parte dos constituintes presentes na mistura deve ser detectada (óleos essenciais, materiais

petroquímicos, screening de amostras ambientais, etc.)

COLUNAS CAPILARESInjeção com Divisão: Prós e Contras

©Fa

bio Augusto (IQ

-Unicam

p), 2005 -2010

$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOColunas: Definições Básicas

EMPACOTADA∅∅∅∅ = 3 a 6 mmL = 0,5 m a 5 m

Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas

do recheio)

CAPILAR∅∅∅∅ = 0,1 a 0,5 mmL = 5 m a 100 m

Paredes internas recober-tas com um filme fino (fra-ção de µµµµm) de FE líquida ou sólida


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOTemperatura da Coluna

Além da interação com a FE, o tempo que um analito demora

para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR

(p0).

p0 = f

Estrutura químicado analito

Temperatura da coluna

Temperaturada

coluna

Pressãode

vapor

Velocidadede

migração

ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO)


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃOProgramação Linear de Temperatura

Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:

TCOL BAIXA:

- Componentes mais voláteis são separados

- Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo como picos mal definidos

TCOL ALTA:

- Componentes mais voláteis não são separados

- Componentes menos voláteis eluem mais rapidamente

$: Gc fracassi$
A temperatura do forno pode ser variada

linearmente durante a separação:

Consegue-se boa separação dos

componentes da amostra em menor tempo


Parâmetros de programação:

TINI Temperatura Inicial

TFIM Temperatura Final

tINI Tempo Isotérmico Inicial

tFIM Tempo Final do Programa

R Velocidade de AquecimentoTEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A

tINI tFIM

TINI

TFIM

R


$: Gc fracassi$

Possíveis problemas associados à PLT:

VARIAÇÕES DE VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE

A viscosidade de um gás aumenta com a temperatura. viscosidade vazão

DERIVA (“DRIFT”) NA LINHA DE BASE Devido ao aumento de volatilização de FE líquida


$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESDefinições Básicas

Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sólida depositada sobre as paredes internas

MATERIALDO

TUBO

ø = 0,1 mma 0,5 mm

L = 5 ma 100 m

sílica fundidavidro pirexaço inoxNylon

Silcosteel

Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de poliimida para aumentar resistência mecânica e química

Capilaresx

Empacotadas:CAPILARES

�� L = �� N Colunas mais eficientes

FC = 1 ... 10 mL.min-1 Controle de vazão mais difícil

�� Vi Dispositivos especiais de injeção

Famílias de Colunas Capilares

PLOT (Porous layer open tube) Camada de FE sólida presa às paredes internas

SCOT (Support coated open tube) Predes internas revestidas com material de recheio similar ao das empacotadas

WCOT (Wall coated open tube) FE liquida depositada (ligada // entrecruzada) sobre as paredes internas.

$: Gc fracassi$
FASES ESTACIONÁRIASConceitos Gerais

LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas capilares)

SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo (capilar)

Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é:

Entrecruzada: as cadeias poliméricas são quimicamente

ligadas entre si

Quimicamente ligadas: as cadeias poliméricas são “presas” ao suporte por

ligações químicas

SUPORTESólido inerte poroso

Tubo capilar de material inerte

FElíquida


$: Gc fracassi$
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas

POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação; ainda muito importantes. Principais: Polietilenoglicol (nomes comerciais: Carbowax, AT-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.)

CH2 CH2OH OH

n

Estrutura Química:

ACETATOS (© Alltech)Coluna: AT-Wax (30 m x 0,32 mm x 1,00 µµµµm)TCOL: 5 min a 40

oC→→→→ 10oC. min-1 →→→→ 180oCGás de Arraste: He @ 1,6 mL.min-1

Detector: FID Amostra: 0,5 µµµµL sol. CS2 / SR = 1:50

1 - C2 2 - t-C4 3 - C3 2 - s-C45 - C2 acril. 6 - i-C4 5 - C4 8 - i-C5

9 - C5 10 - 2-etoxietil

PIRIDINAS E ANILINAS (© Alltech)Coluna: AT-Wax (30 m x 0,53 mm x 1,20 µµµµm)

TCOL: 40oC→→→→ 10oC. min-1 →→→→ 200oC

Gás de Arraste: He @ 20 mL.min-1

Detector: FID

1 - Py 2 - 2-MePy 3 - 4-MePy 4 - DMBA5 - NNDMA 6 - anilina 7 - o-MeAn 8 - 2,6DMA

9 - 2,4DMA 10 - 3,5DMA


$: Gc fracassi$
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas

SILICONES (polisiloxanas) As FE mais empregadas em GC. Cobrem ampla faixa de polaridades e propriedades químicas diversas.

Si

CH3

H3C

CH3

O Si

R1

R2

O Si

CH3

CH3

CH3n

R1, R2 = qualquerradical orgânico

- Ligação Si-O extremamente estável = elevada estabilidade térmica e química das FE.

- Silicones são fabricados em larga escala para diversas aplicações = minimização de custo do produto + tecnologia de produção e purificação largamente estudada e conhecida.

- Praticamente qualquer radical orgânico ou inorgânico pode ser ligado à cadeia polimérica = FE “ajustáveis” a separações específicas

- Facilidade de imobilização por entrecruzamento e ligação química a suportes© Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESDiâmetro Interno

dC = 0,10 mm

dC = 0,25 mm

Aumento no diâmetro da coluna causa alargamento de pico e diminuição da retenção

= MENOR EFICIÊNCIA

= MENOR RESOLUÇÃO

© SGE Australia © Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESEspessura do filme de FE

�� df = �� Eficiência

mas também

�� df = �� Retenção

�� df = �� Seletividade

df = 0,25 µµµµm

df = 0,50 µµµµm

df = 1,00 µµµµm

© SGE Australia © Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESComprimento da Coluna

© SGE Australia

L = 15 m

L = 30 m

L = 60 m

�� L = �� Tempo de Análise

porém

�� L = �� Seletividade

�� L = �� Resolução

�� L = �� Número de pratos


$: Gc fracassi$
COLUNAS CAPILARESFast GC: Colunas Capilares Finas

Necessário controle acurado de vazão (controle eletrônico de pressão) e altas velocidades de aquecimento da coluna

Óleo Essencial de Limão

Separação Convencional: Coluna DB-5 (60 m x 0,25 mm x 0,25 µµµµm); Gás de Arraste: He @ 25 cm/s;

Forno: 8 min @ 75°C →→→→ 4°C/min →→→→5 min @ 200°C; Vinj = 1 µµµµL (SR =

1/150)

Separação Rápida: Coluna DB-5 (20 m x 0,10 mm x 0,10 µµµµm); Gás de Arraste: H2 @ 60 cm/s; Forno: 3

min @ 40°C →→→→ 30°C/min →→→→ 3 min @ 185°C; Vinj = 1 µµµµL (SR = 1/275)

© Agilent

$: Gc fracassi$
DETECTORESDefinições Gerais

Dispositivos que geram um sinal elétrico proporcional à quantidade eluida de um analito

FID FIDDetector porIonização em

Chama

EM MSDetector Es-

pectrométrico de Massas

DCT TCDDetector porCondutividade

Térmica

DCE ECDDetector porCaptura deEletrons

~ 60 detectores já usados em GC

~ 15 equipam cromatógrafos comerciais

4 respondem pela maior parte das aplicações


$: Gc fracassi$
DETECTORESClassificação

UNIVERSAIS: Geram sinal para qualquersubstância eluida.

SELETIVOS: Detectam apenas substâncias com determinada propriedade físico-química.

ESPECÍFICOS: Detectam substâncias quepossuam determinado elemento ou grupo estrutural


$: Gc fracassi$
INSTRUMENTAÇÃODetectores

Mais Importantes:

DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD) Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos.

DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) Variação da condutividade térmica do gás de arraste.

DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (FID OU FID) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar.

REGISTRODE

SINAL

ANALÓGICORegistradores XY

DIGITALIntegradoresComputadores


$: Gc fracassi$
DETECTORESDetector por Ionização em Chama

PRINCÍPIO Formação de íons quando um analito é queimado em uma chama de hidrogênio e oxigênio

O efluente da coluna é misturado com H2 e O2 e queimado. Como numa chama de H2 +

O2 não existem íons, ela não conduz corrente elétrica.

Quando um composto orgânico elui, ele também é queimado. Como na sua queima

são formados íons, a chama passa a conduzir corrente elétrica


$: Gc fracassi$
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do FID

SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 107 e 108 (pg a mg)

SELETIVIDADE Seletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura.(como virtualmente todas as substâncias analizáveis por GC são orgânicas, na prática o FID é UNIVERSAL)

Compostos que NÃO geram resposta no FID:

Gases nobres

H2, O2, N2

CO, CO2, CS2

CCl4, peralogenados

NH3, NxOy

SiX4 (X = halogênio)

H2O

HCOOH, HCHO *

FID

TCD

N2

CH4

CO2

O2


$: Gc fracassi$
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do FID

FATORES DE RESPOSTA O fator de resposta de um composto é aproximadamente proporcional ao número átomos de carbono. Presença de heteroelementos diminui o fator de resposta.

Número Efetivo de Carbonos (NEC)Prevê com ~20% de aproximação o fator

de resposta de um composto.

Átomo X

C alifático +1,00C aromático +1,00C olefiníco +0,95C carbonila +0,00

O álcool prim. -0,60Cl alifático -0,12

(X = Contribuição de cada átomo ao NEC)

C2H6 →→→→ NEC = 2,00

C2H5OH →→→→ NEC = 1,40

CH3CHO →→→→ NEC = 1,00

Mistura com quantidades equimolares de:


$: Gc fracassi$
DETECTORESParâmetros Básicos de Desempenho

QUANTIDADE MÍNIMA DETECTÁVEL Massa de um analito que gera um pico com altura igual a três vezes o nível de ruído

SINAL (S)

RUÍDO (N)

= 3S

NRUÍDO Qualquer componente do sinal gerado pelo detector que não se origina da amostra

Fontesde

Ruído

Contaminantes nos gases

Impurezas acumuladas no detector

Aterramento elétrico deficiente


$: Gc fracassi$

LIMITE DE DETEÇÃO Quantidade de analito que gera um pico com S/N = 3 e wb = 1 unidade de tempo

Mesmo detector, nível de ruído e massa de analito MAS

diferentes larguras de base:

wb

QMD = fDetector (sinal gerado, ruído)

Largura do pico cromatográfico

Definindo limite de detecção como:

LD é independente da eficiência do sistema cromatográfico !

[QMD] =massa

(ng, pg ...)

[LD] = massa / tempo(ng.s-1, pg.s-1 ...)


$: Gc fracassi$

SENSIBILIDADE Relação entre o incremento de área do pico e o incremento de massa do analito

Na ausência de erros determinados:

A = área do pico cromatográfico

m = massa do analito

MASSA

ÁREA Fator de Resposta, S:

inclinação da reta Área do pico x Massa do

analito

o mesmo incremento de massa causa um maior incremento de área

Sensibilidade

S


$: Gc fracassi$
ANÁLISE QUALITATIVAConceitos Gerais


Fontes de Informações Qualitativas

RETENÇÃO Uso de dados de retenção de um analito para sua identificação

DETECÇÃO Detectores que fornecem informações estruturais sobre as substâncias eluídas

Identificação individual das espécies contidas na amostra

Determinação da identidade da amostra propriamente dita

Aplicações Qualitativas

de GC

Para análise qualitativa confiável por GC é recomendável combinação de dados provenientes de pelo menos duas fontes

$: Gc fracassi$
ANÁLISE QUALITATIVATempos de Retenção


t’R = fInterações analito / FE

Pressão de vapor do analito

Condições operacionais (TCOL, FC ...)

Fixas as condições operacionais, o tempo de retenção ajustado doanalito é uma constante

AMOSTRA

PADRÃO

Comparação de cromatogramas da amostra e de uma solução padrão do analito suspeito

$: Gc fracassi$


Identificação por t’R é muito pouco confiável:

Dependência com FC e TCOL Variações nestas condições afetam os t’R

VARIAÇÃO DE ±±±±

1% NO t’R

∆∆∆∆TCOL = ±±±± 0,1%

∆∆∆∆FC = ±±±± 1%

Sobrecarga na coluna Aumento excessivo na massa eluida deforma o pico e altera o seu t’R

MASSA

Saturação da coluna cromatográfica com aumento de massa

eluida provoca “cauda frontal” no pico

$: Gc fracassi$


Comparação de t’R usando dopagem (“spiking”) da amostra com o analito suspeito: aumento da confiabilidade de identificação.

Amostra complexa: incerteza nos t’Rmedidos pode levar a identificação

errônea

Comparação com cromatograma da amostra dopada permite identificação

mais confiável do desconhecido

$: Gc fracassi$
ANÁLISE QUALITATIVAÍndice de Retenção de Kovàts


O índice de retenção de Kovàts I para um analito é definido por:

t’R (A) Tempo de retenção ajustado do analito A

t’R (N) Tempo de retenção ajustado do n-alcano com N carbonos

t’R (n) Tempo de retenção ajustado do n-alcano com n carbonos (n = N + 1)

Ex.: um analito com I = 874 teria um tempo de retenção ajustado equivalente ao de um n-alcano hipotético com cadeia de 8,74 átomos de carbono

Interpolação

logarítmica dos t’R

Gc fracassi

Education

Transcript of Gc fracassi