cromatografia gasosa

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Prof. Msc. Fernando Machado
Módulo 6.
Cromatografia Gasosa
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Na cromatografia gasosa (CG), os componentes de uma amostra vaporizada são separados em consequência de sua partição entre uma fase móvel gasosa e uma fase estacionária líquida ou sólida contida dentro da coluna.
“Para uma mistura qualquer poder ser arrastada por um fluxo de um gás ela deve se dissolver pelo menos parcialmente nesse gás”.
“Misturas cujos volumes sejam voláteis e termicamente estáveis”.
Existem dois tipos de cromatografia gasosa: cromatografia gás-líquido (CGL) e cromatografia gás-sólido (CGS).
Na CGL, a fase móvel é um gás, enquanto a fase estacionária é um líquido retido na superfície de um sólido inerte por adsorção ou ligação química.
Na CGS, a fase móvel é um gás, ao passo que a fase estacionária é um sólido que retém os analitos por adsorção física. A CGS permite a separação de gases de baixa massa molecular, como os componentes do ar, monóxido de carbono e óxido de nitrogênio.
Princípios
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Constituição simplificada de um CG:
Instrumentação
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Figura 1. Esquema simplificado da constituição de um CG.
Figura 2. Fotografia de um CG.
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Gás de arraste:
Alta pureza (≥ 99,995%);
Não interagem com a amostra (inertes);
Compatíveis com os detectores;
Argônio, hélio, hidrogênio e nitrogênio.
Impurezas típicas em gás de arraste e seus efeitos:
H2O e O2: oxida/hidrolisa algumas FE; incompatível com Detector de Captura de Elétrons.
Hidrocarbonetos: ruído no sinal de Detector por Ionização em Chama.
Instrumentação
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Figura 3. Cilindros utilizados na CG.
Controlador de vazão:
Reguladores de pressão, manômetros e medidores de vazão constante são necessários para controlar a vazão do gás.
As pressões de entrada geralmente situam-se na faixa de 10 a 50 psi (libras/polegada2) acima da pressão ambiente, o que produz vazões de 25 a 150 mL/min em colunas recheadas e de 1 a 25 mol/min para as colunas de capilares de tubo aberto.
Figura 4. Medidor de vazão.
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Injetor da amostra:
Contém um vaporizador que trabalha 50 ºC acima do ponto de ebulição do analito menos volátil.
Uma injeção ideal deve:
Gerar banda única e estreita;
Quantidade de amostra não deve ultrapassar a capacidade da coluna;
Reprodutível;
Aquecimento para vaporização total da amostra.
Tipos de injetores:
Injetor direto (splitless);
Injetor indireto (splitter);
Injeção em coluna fria (on column).
Instrumentação
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Figura 5. Seção transversal de um injetor vaporizador.
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Coluna cromatográfica:
Separa os constituintes da amostra. Está posicionada dentro do forno.
Tipos de colunas:
Empacotada:
Aço inox ou cobre;
Diâmetro de 3 a 6 mm;
Comprimento de 0,5 a 5 metros;
FE sólida ou líquida sobre sólido.
Capilar:
Material metálico;
Diâmetro de 0,1 a 0,5 mm;
Comprimento de 5 a 100 metros;
FE líquida sobre sólido;
Mais utilizada e melhor resolução.
Instrumentação
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Figura 6. Coluna empacotada.
Os dois tipos de colunas podem apresentar:
 
FE polar: polifenóis;
FE apolar: hidrocarbonetos saturados;
FE intermediária: cetonas e ác. carboxílicos.
Figura 7. Coluna capilar.
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Forno:
A temperatura da coluna é uma variável importante que deve ser controlada dentro de poucos décimos de grau para se obter boa precisão. Assim, a coluna é abrigada em um forno termostatizado.
A temperatura ótima da coluna depende do ponto de ebulição da amostra e do grau de separação requerido.
A programação da temperatura em cromatografia gasosa envolve o aumento da temperatura da coluna continuamente ou em etapas durante a eluição.
Geralmente, a resolução ótima está associada com uma temperatura mínima. O preço de se reduzir a temperatura, contudo, é um aumento no tempo de eluição e, portanto, no tempo necessário para se completar a análise.
Instrumentação
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Figura 8. Efeito da temperatura nos cromatogramas de CG. (a) Isotérmica a 45 °C, (b) isotérmico a 145 °C e (c) programado de 30 °C a 180 °C.
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Detectores:
Responsável pela detecção dos componentes conforme saem da coluna.
Cada pico no cromatograma é referente a uma substância diferente;
Posicionado após a coluna;
Também fica aquecido (evitar condensação);
Podem ser universais, seletivos e específicos.
O detector ideal para a cromatografia gasosa apresenta as seguintes características:
1) Sensibilidade adequada;
2) Boa estabilidade e reprodutibilidade;
3) Resposta linear aos solutos que se estenda a várias ordens de grandeza;
4) Faixa de temperatura desde a ambiente até pelo menos 400 ºC;
5) Tempo de resposta curto e independente da vazão;
6) Alta confiabilidade e facilidade de uso;
7) Similaridade de resposta a todos os solutos;
8) Não deve destruir a amostra.
Instrumentação
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Detectores:
A tabela abaixo apresenta os detectores para CG.
Instrumentação
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Tabela 1. Detectores para CG.
Detector por Ionização em Chama (DIC ou FID)
É o mais empregado na CG;
Variação da corrente pelos íons e elétrons formados na chama de H2/ar;
Seletivo-Universal;
Robusto, fácil de se usar e apresenta alta sensibilidade (~10-13 g/s);
Destrói a amostra na etapa de combustão.
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Detector de Captura de Elétrons (DCE ou ECD)
Variação de corrente de elétrons lentos devido à afinidade dos organohalogenados por elétrons;
Seletivo, os compostos halogenados, peróxidos, quinonas e grupos nitro são detectados com alta sensibilidade;
Insensível a grupos funcionais como amina, álcoois e hidrocarbonetos;
Não é destrutivo, solutos podem ser coletados após sua detecção;
Alta sensibilidade.
Instrumentação
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Detectores:
Detector de Condutividade Térmica (DCT ou TCD)
Condutividade térmica devido aquecimento de filamento de Pt, Au ou W;
Universal, resposta abrangente a espécies orgânicas e inorgânicas;
Não é destrutivo, solutos podem ser coletados após sua detecção;
Baixa sensibilidade (104 a 107 vezes menor que os demais).
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Instrumentação
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Detectores:
Espectrometria de Massas (CG-MS)
É dos detectores mais poderosos para a CG;
O espectrômetro de massas varre as massas repetidamente durante o experimento cromatográfico (se o cromatograma ocorre em 10 minutos, por exemplo, e uma varredura é obtida a cada segundo, 600 espectros de massas serão registrados);
Figura 9. Esquema de um instrumento CG-MS.
A abundância dos íons em cada espectro pode ser somada e colocada em um gráfico em função do tempo para fornecer um cromatograma do total de íons (similar a um cromatograma convencional).
Por fim, pode-se relacionar um único íon e monitorá-lo durante o experimento cromatográfico. Esta técnica é chamada de monitoramento de íon selecionado.
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CG x CLAE
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Quadro 1. Relação de alguns parâmetros da CG a CLAE (HPLC).
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Correlações na Cromatografia
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Correlação entre comprimento da coluna (L) e número de pratos teóricos (N):
					L1: comprimento da coluna inicial
					L2: comprimento da coluna final
					N1: número de pratos teóricos inicial
					N2: número de pratos teóricos final
Correlação entre resolução (Rs) e número de pratos teóricos (N):
					Rs1: resolução inicial
					Rs2: resolução final
					N1: número de pratos teóricos inicial
					N2: número de pratos teóricos final
Correlação entre tempo de retenção (tR) e resolução (Rs):
					tR1: tempo de retenção inicial							tR2: tempo de retenção final
					Rs1: resolução inicial
					Rs2: resolução final
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Exercícios:
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1) Os seguintes dados foram obtidos para a cromatografia gás-líquido em uma coluna recheada de 40 cm:
 
		Composto tR Largura base pico (W)
		 Ar 1,9 -------
	 Metilciclo-hexano 10,0 0,76
	 Metilciclo-hexeno 10,9 0,82
		 Tolueno 13,4 1,06
 
Calcule:
 a) O número médio dos pratos a partir dos dados.
 b) A altura média de prato da coluna.
   
2) Considerando os dados do exercícios anterior, se a resolução de 1,5 for
desejada para separação de metilciclo-hexano e metilciclo-hexeno:
 a) quantos pratos teóricos são necessários?
 b) qual o comprimento da coluna se o mesmo recheio for empregado?
 c) qual o tempo de retenção para o metilciclo-hexeno na coluna para o item (b)?
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