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CROMATOGRAFIA Curso: Tecnólogo em Alimentos Disciplina: Análise Instrumental Professora: Fabiana Casarin Acadêmicas: Cleusa Franzen, Edinéia Zanin e Marina Zuffo CROMATOGRAFIA Definição: A cromatografia envolve uma série de processos de separação de misturas. Acontece pela passagem de uma mistura através de duas fases: uma estacionária (fixa) e outra móvel. KROMA + GRAPH (COR) (ESCREVER) CROMATOGRAFIA • A interação dos componentes da mistura com estas duas fases é influenciado por diferentes forças intermoleculares, incluindo iônica, bipolar, apolar, e específicos efeitos de afinidade e solubilidade. CROMATOGRAFIA Definição: É um método físico-químico de separação dos componentes de uma mistura por interação entre uma fase estacionária e uma fase móvel. • Fase Estacionária: sólido (ou líquido impregnado com sólido) que permanece dentro da coluna de separação. • Fase Móvel: solvente (gás ou líquido) que se move através da coluna, carregando os solutos. CROMATOGRAFIA • A cromatografia pode ser utilizada para a identificação de compostos, por comparação com padrões previamente existentes, para a purificação de compostos, separando-se as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura. CROMATOGRAFIA • 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 PRINCIPAIS FATOS HISTÓRICOS 1897-1903 David Talbot Day Separação de HC do petróleo Separação de pigmentos; proposição do termo cromatografia Mikhail Tswett 1903-1906 1930 Kuhn e Lederer Cromatografia em coluna Cromatografia em papel Izmailov e Shraiber 1938 1941 Martin e Synge Particição em cromatografia líquida; Princípios de fase gasosa Primeira publicação em fase gasosa Martin e Synge 1952 1958 Egon Stahl Cromatografia em camada delgada CROMATOGRAFIA 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) CROMATOGRAFIA CROMATOGRAFIA As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerando-se diversos critérios: • Classificação pela forma física do sistema cromatográfico; • Classificação pela fase móvel empregada; • Classificação pela fase estacionária utilizada; • Classificação pelo modo de separação. CROMATOGRAFIA GASOSA (convencional) CROMATOGRAFIA GASOSA Técnica de separação e análise de misturas por interação dos seus componentes entre uma fase estacionária e uma fase móvel. CROMATOGRAFIA GASOSA • Método físico de separação dos componentes de uma mistura através de uma fase gasosa móvel sobre um solvente estacionário. • É uma das técnicas analíticas mais utilizadas. Além de possuir um alto poder de resolução, é muito atrativa devido à possibilidade de detecção em escala de nano a picogramas. CROMATOGRAFIA GASOSA 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 • Utilizada para analisar individualmente e separar componentes voláteis em mistura; • Dificuldade de analisar substâncias não voláteis, que se decompõem em altas temperaturas ou possuem elevado peso molecular; “Estima-se que apenas cerca de 20% das substâncias orgânicas conhecidas podem ser separadas sem tratamento prévio” (RODRIGUEZ-AMAYA,1993). CROMATOGRAFIA GASOSA • Dispõe de detectores que diferenciam faz móvel (gás inerte) através da medida de uma propriedade do soluto (condutividade térmica, ionização de chama, captura de elétrons e outros); • A fase móvel (gás arraste) apenas transporta o soluto e não influi na separação; • É necessário trocar a coluna conforme a aplicação. Caracterizada pela: • Rapidez; • Alto poder de separação; • Separação de várias classes de compostos em uma análise; • Sensibilidade (ppm - ppb); • Facilidade de registrar dados; • Variedade de detectores (especificidade); • Voláteis; • Compostos termicamente estáveis; • Técnicas auxiliares para identificação. CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA • Em seu início foi dividida em duas categorias principais: – cromatografia gás-líquido (CGL), ocorre a partição de uma amostra entre uma fase gasosa móvel e uma camada delgada de liquido não volátil que recobre um suporte inerte. – Cromatografia gás-sólido (CGS), emprega um sólido com grande área superficial como fase estacionária. CG: Sólida Líquida Cromatografia Gás-Sólido (CGS) Cromatografia Gás-Líquido (CGL) FE sólida com uma grande área superficial e a separação baseia-se em mecanismos de adsorção das substâncias neste sólido. FE líquida pouco volátil recobrindo um suporte sólido ou as paredes da coluna capilar. A separação baseia-se em mecanismo de partição das substâncias entre a fase líquida e gasosa. CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA Aplicações práticas: • Química: – Determinação de antioxidantes, nutrientes ou contaminantes em alimentos. • Indústria: – Monotorização de processos industriais. • Saúde: – Análises dos constituintes do sangue; – Análise forense. • Ambiente: – Determinação de resíduos de pesticidas em produtos alimentares, águas ou esgotos. – Determinação de gases e solventes orgânicos na atmosfera, solos ou rios. Aplicações práticas: • Alimentos – Análise de ácidos graxos e triglicerídeos – Análise de compostos voláteis responsáveis pelo aroma característico de alimentos – Análise de açúcares e aminoácidos • Farmacêutica • Química Forense/Toxicologia • Química Industrial • Petroquímica CROMATOGRAFIA GASOSA Quais misturas podem ser separadas por CG ? Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS (“evaporáveis”) (para uma substância qualquer poder ser “arrastada” por um fluxo de um gás ela deve se dissolver - pelo menos parcialmente - nesse gás) DE FORMA GERAL: CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que sejam termicamente estáveis. CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA • O principal mecanismo de separação da cromatografia gasosa está baseado na partição dos componentes de uma amostra entre a fase móvel gasosa e a fase estacionária líquida. A utilização de fases estacionárias sólidas, as quais levariam à separação por adsorção, apresenta poucas aplicações. FASE MÓVEL injeção separação eluição Fase estacionária DETECTOR CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA APARELHAGEM Cromatógrafo de Fase Gasosa: CROMATOGRAFIA GASOSA Em linhas gerais, o gás de arraste ao entrar no cromatógrafo passa pelo injetor, que deve estar aquecido de modo a promover a rápida vaporização da amostra, e chega à coluna arrastando consigo o aerossol da amostra.CROMATOGRAFIA GASOSA Depois de separados na coluna, os componentes atravessam o detector e o sinal é então enviado e registrado na forma de uma cromatografia. 1 2 3 4 6 5 1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão. 2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra. 3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna. 4 - Detector. 5 - Eletrônica de Tratamento de Sinal. 6 - Registro Principais componentes de um cromatógrafo gasoso Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amostra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GÁS DE ARRASTE 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 DCE H2O, O2 hidrocarbonetos ruído no sinal de DIC CROMATOGRAFIA GASOSA Gás de arraste Requisitos: CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser muito caros. COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento. C U S T O PUREZA A B C A = 99,995 % (4.5) B = 99,999 % (5.0) C = 99,9999 % (6.0) Gás de Arraste: CROMATOGRAFIA GASOSA 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 Primário 3 - “Traps” para eliminar impurezas do gás 4 - Regulador de Pressão Secundário 5 - Regulador de Vazão 6 - Medidor de Vazão (Rotâmetro) Gás de Arraste: CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA Gás de Arraste: O gás de arraste usado é o hélio, o nitrogênio ou o argônio. A escolha do gás depende de fatores tais como: – Disponibilidade – Pureza exigida – Consumo – Tipo de detector empregado. 1 2 3 4 MICRO-SERINGA 1 - Septo (silicone) 2 - Alimentação de gás de arraste) 3 - Bloco metálico aquecido 4 - Ponta da coluna cromatográfica Injetor: CROMATOGRAFIA GASOSA êmbolo corpo (pirex) agulha (inox 316) Microseringa de 10 L: CROMATOGRAFIA GASOSA TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize imediatamente, mas sem ocasionar a sua 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 COLUNA Amostras Gasosas Amostras Líquidas empacotada = 3,2 mm (1/4”) 0,1 ml ... 50 mL 0,2 L ... 20 L capilar = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1 mL 0,01 L ... 3 L Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução CROMATOGRAFIA GASOSA COLUNAS A separação efetiva dos componentes da amostra é efetuada na coluna cromatográfica, onde a natureza do tubo, do suporte sólido, o tipo e a quantidade da fase líquida, o método de recheio, o comprimento e a temperatura são fatores importantes para se ter a resolução desejada. CROMATOGRAFIA GASOSA Foram desenvolvidos muitos tipos de colunas para a cromatografia gasosa, porém é possível dividi-las em dois grupos principais: – Colunas recheadas – Colunas tubulares abertas CROMATOGRAFIA GASOSA RECHEADAS = 3 a 6 mm L = 0,5 m a 5 m Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio) ABERTAS = 0,1 a 0,5 mm L = 5 m a 100 m Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de m) de FE líquida ou sólida Colunas: CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA • O material dos tubos é geralmente cobre, aço inox, alumínio e vidro. • O material usado como suporte inerte deve ter granulometria uniforme, ter boas características operacionais (resistência suficiente para não quebrar durante a operação) e ser capaz de constituir um leito uniforme na coluna. Colunas (parâmetros): 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 química do analito Temperatura da coluna Temperatura da coluna Pressão de vapor Velocidade de migração ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO) CROMATOGRAFIA GASOSA T E M P E R A T U R A D A C O L U N A CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER BOA SEPARAÇÃO EM CG Colunas (parâmetros): CROMATOGRAFIA GASOSA CROMATOGRAFIA GASOSA FORNO DE COLUNAS A coluna está em um forno com controle termostático, de modo que sua temperatura é reprodutível. Nos cromatógrafos modernos esta reprodutibilidade é de variável 0,01ºCA temperatura CROMATOGRAFIA GASOSA FORNO DE COLUNAS A temperatura de operação pode ir da ambiente até 450ºC; na operação isotérmica, a temperatura se mantém constante durante o processo de separação. É muito comum o uso da programação da temperatura, quando a temperatura é variada a uma taxa constante. CROMATOGRAFIA GASOSA FORNO DE COLUNAS Nos cromatógrafos atuais dotados de microprocessadores é possível estabelecer várias rampas de temperatura em uma mesma análise. CROMATOGRAFIA GASOSA DETECTORES Situado na saída da coluna de separação, é um dispositivo que indica os componentes separados pela coluna. Examinam continuamente o material, gerando um sinal na passagem de substâncias que foram separadas. CROMATOGRAFIA GASOSA DETECTORES 3 tipos: • Universais – geram um sinal para qualquer composto. • Seletivos – geram um sinal apenas para compostos com determinadas características. • Específicos – geram um sinal para compostos que tenham um determinado elemento na sua estrutura CROMATOGRAFIA GASOSA DETECTORES • O sinal da saída do detector é enviado a um registrador ou sistema de dados. • O tipo de detector depende de fatores tais como a natureza dos componentes separados e o nível de concentração a ser medido. CROMATOGRAFIA GASOSA DETECTORES • Transformam as moléculas que chegam á câmara de detecção, em sinal elétrico. Alguns dos detectores mais usados são: • Condutividade térmica(DCT) • Ionização em chama (DIC) • Captura de elétrons (DCE) • Nitrogênio e fósforo (DNP) Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA Idealmente: cada substância separada aparece como um PICO no cromatograma. Detectores: CROMATOGRAFIA GASOSA UNIVERSAIS: Geram sinal para qualquer substância eluída. SELETIVOS: Detectam apenas substâncias com determinada propriedade físico-química. ESPECÍFICOS: Detectam substâncias que possuam determinado elemento ou grupo funcional em suas estruturas Detectores: CROMATOGRAFIA GASOSA ~ 60 detectores já usados em CG ~ 15 equipam cromatógrafos comerciais 4 respondem pela maior parte das aplicações DCT TCD Detector por Condutividade Térmica DIC FID Detector por Ionização em Chama DCE ECD Detector por Captura de Eletrons EM MS Detector Es- pectrométrico de Massas Detectores: Detectores: DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) •É um Detector de 2 canais •mede a diferença, em Condutividade Térmica , entre o Gás de Arraste (Referência) e o do Gás de Arraste + Amostra(analítico) •possui 2 pares de filamentos, 1 em cada canal , formando uma ponte. • As vazões dos 2 canais devem ser praticamente iguais •A presença de um componente, dissolvido no Gás de arraste, ao atingir o canal analítico muda a resistência deste filamento , provocando um desequilíbrio na ponte que gera um sinal proporcional a quantidade deste • A sua sensibilidade depende da corrente do Filamento , concentração dos componentes e da diferença da Condutividade Térmica entre o Gás de arraste e o componente . TCD: DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC OU FID) . Detectores: •baseia-se no princípio de que a concentração de um composto é diretamente proporcional a concentração das partículas ionizadas presentes no mesmo •O Gás de arraste e os componentes que eluem da Coluna atingem a chama . Esta ioniza (queima) as moléculas orgânicas presentes na corrente gasosa . •As partículas ionizadas, entre os eletrodos, gera uma corrente que é medida através de uma resistência Hydrogen in Air in Collector Flame jet Column connection FID: DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD) Detectores: •É um Detector seletivo, específico para análises de Compostos Eletrofílicos (como os Halogênios nos Clorados) . • A cela do ECD é revestida internamente por uma lâmina do isótopo radioativo de “Ni-63”. •As “Partículas Beta” emitidas pelo isótopo ionizam o Carrier e os Íons e Elétrons resultantes migram para o anodo coletor por influencia de uma voltagem polarizada pulsante , aplicada entre a fonte e o coletor •A freqüência de pulsação é controlada para manter a corrente constante e é a geradora do sinal analítico . •É um Detector não destrutivo e altamente sensível, ideal para análise de pesticidas e agrotóxicos clorados Collector 63Nickel foil Make-up gas in Column connection ECD: CROMATOGRAFIA GASOSA TÉCNICAS DE CROMATOGRAFIA GASOSA Ao se instalar a coluna, deve-se verificar se não há defeito (problemas na cobertura de proteção ou partida) e se a vedação nas conexões do injetor e detector não apresentam vazamento. A coluna deve ser instalada sempre com o mesmo lado sendo a sua entrada. CROMATOGRAFIA GASOSA TÉCNICAS DE CROMATOGRAFIA GASOSA Antes de se introduzir a amostra ajustar as variáveis do sistema e aguardar que o mesmo atinja o equilíbrio. Acertar as vazões na coluna, purga do divisor e purga do septo seguindo as orientações básicas do fabricante do instrumento. CROMATOGRAFIA GASOSA TÉCNICAS DE CROMATOGRAFIA GASOSA Da mesma forma, definir as temperaturas do injetor, detector e o programa de aquecimento do forno de colunas; acertar parâmetros do detector e do sistema de aquisição/registro do sinal do detector. CROMATOGRAFIA GASOSA TÉCNICAS DE CROMATOGRAFIA GASOSA • Do ponto de vista prático, os seguintes cuidados devem ser observados na operação de injetores por vaporização: – Verificar se o septo de silicone está com bom aspecto e vedação adequada. Seu uso contínuo resulta em furo permanente que não é mais fechado por aperto da porca de fixação; ao atingir essa situação, esfriar o injetor e trocar o septo. CROMATOGRAFIA GASOSA – Perfurar o septo de silicone, flexível, com agulha de seringa para cromatografia. Enfiar a agulha quase até que o corpo da seringa toque na peça de fixação do septo, contar até três e de um só golpe pressionar o êmbolo “injetando” a amostra. Imediatamente remover a agulha do septo e iniciar o programa de temperatura. CROMATOGRAFIA GASOSA – Lavar a seringa imediatamente após o uso para evitar a formação de depósitos difíceis de solubilizar. – Caso o comportamento da análise indique possíveis problemas de alargamento de picos ou redução (ou até desaparecimento), esfriar o injetor, desmontar e fixação do septo e verificar se o encamisamento (linear) está sujo, em caso positivo, substituir por um limpo. Vídeo 1 https://www.youtube.com/watch?v=iC4tfkb F5hQ CROMATOGRAFIA GASOSA = CROMATOGRAFIA GASOSA DE ALTA RESOLUÇÃO CROMATOGRAFIA GASOSA A CG quase foi substituída integralmente pela Cromatografia Gasosa de Alta Resolução (CGAR) CROMATOGRAFIA GASOSA • A diferença entre CG e CGAR está na coluna (tubos longos de metais como aço ou cobre, vidro ou teflon). Colunas de CGAR são maiores em comprimento, menores em diâmetro, possuem a fase líquida como um filme aplicado diretamente às paredes do tubo da coluna e são mais eficientes. CROMATOGRAFIA GASOSA DE ALTA RESOLUÇÃO • Diferenciada da CG por apresentar picos muito mais finos, aumentando enormemente a resolução. • A CGAR só pode ocorrer em colunas capilares de alta resolução, pois colunas convencionais e mesmo colunas capilares de sílica fundida de maior diâmetro só apresentaram resolução medíocre, pouco acima daquela das colunas recheadas da CG. REFERÊNCIAS • COLLINS, C.H.; BRAGA, G.L. e BONATO, P.S. Introdução a métodos cromatográficos. 5ª ed. Campinas: Editora da Unicamp, 1993. • LOUGH, W.J. e WAINER, I.W. High Performance liquid chromatography: fundamental principles and practice. Blackie Academic and Professional, 1995. • CHAVES, M.H.; Análise de extratos de plantas por CCD: uma metodologia aplicada à disciplina “Química Orgânica”. Química Nova, v. 20, n. 5, p. 560-562, 1997. REFERÊNCIAS • ANDRADE, J.B.; PINHEIRO, H.L.C.; LOPES, W.A.; MARTINS, S.; AMORIM, A.M.M. e BRANDÃO, A.M. Determinação de cafeína em bebidas através de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Química Nova, v. 18, n. 4, p. 379-381, 1995. • NETO, F.R.A.; CGAR em análise de resíduos. Química Nova, v. 18, n. 1, p.65-67, 1995. REFERÊNCIAS • MAIA, E. L.; RODRIGUEZ-AMAYA, D. B. Avaliação de um método simples e econômico para a metilação de ácidos graxos com lipídios de diversas espécies de peixes. Revista do Instituto Adolfo Lutz, São Paulo, v. 53, n. 1/2, p. 27-35, 1993. REFERÊNCIAS • CECCHI, H. M. Fundamentos teóricos e práticos em análise de alimentos. 2ª Ed. rev. Campinas – SP: Editora UNICAMP, 2003. • SOARES, L. V. Curso básico de Instrumentação para analista de alimentos e fármacos. Barueri, SP: Editora Manole, 2006.
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