Instrumentação. Mary Santiago Silva 16/04/2010. Cromatografia gasosa 1 CROMATOGRAFIA GASOSA

Transcrição

1 CROMATOGRAFIA GASOSA Prof. Marcelo da Rosa Alexandre Departamento de Química - UFS Instrumentação Cromatografia gasosa 1

2 Escolha do gás de arraste Inerte em relação à fase e à amostra Disponível em alto grau de pureza Baixo custo Compatível com detector utilizado N 2, He, e H 2 são os mais utilizados Nitrogênio: mais baixo H, velocidade lenta Hélio: melhor velocidade que N 2, H um pouco mais alto Hidrogênio: o melhor para colunas capilares Por quê? H 2 apresenta um ligeiro aumento do termo C Isto permite usar fluxos mais altos com menor perda de resolução H 2 resulta em 4 vezes mais pratos/segundo quando comparado com He, por causa de velocidade d ótima mais alta, permitindo análises mais rápidas mais barato que He problema: segurança quanto a vazamentos Cromatografia gasosa 2

3 Injetor Liners Split só tem sucesso se a amostra estiver totalmente na fase vapor e misturada homogeneamente com o gas de arraste. Isto é assegurado pelo liner Funções do liner: - prover transferência de calor eficiente - promover a homogeneização do gas de arraste com a amostra -reter componentes não volatizáveis Cromatografia gasosa 3

4 Saturação do liner Manter o volume da amostra < volume do liner Regra geral: volume expandido abaixo de 0.5 ml Expansão de alguns solventes comuns (250 o C e 13 psig) água 1277:1 AcEt 235:1 MeOH 567:1 Pentano 197:1 MeCl 2 360:1 hexano 176:1 MeCl 3 286:1 isooctano 139:1 Cromatografia gasosa 4

5 Sistema de introdução da amostra Injeção: banda única e estreita quantidade injetada não deve ultrapassar a capacidade da coluna deve ser reprodutível a eficiência na coluna é afetada pelo volume injetado:menor volume, maior eficiência gases: válvulas ou seringas líquidos/soluções: seringas Sistemas especiais para VOCs: headspace;purge-and-trap e dessorção térmica micro extração em fase sólida (SPME) Cromatografia gasosa 5

6 Cromatografia gasosa 6

7 Métodos de Injeção O método de injeção dependerá do tipo de amostra e das condições de análise Saduiche (solvent flush): solvente-ar- amostra. Esta técnica, além de garantir que todo o volume da amostra foi tranferido para o liner, lava a agulha com o solvente Sanduiche 2 (air flush): ar-amostra-ar. Não aconselhável para solventes/analitos muito voláteis hot needle : deixar a aqulha aquecer (3-5 s) antes de injetar. Previne discriminação da amostra por PE cold needle : introduz e tira rapidamente a seringa agulha cheia: agulha é cheia da amostra, introduzida no injetor e deixada alii. A amostra sai por evaporação Cromatografia gasosa 7

8 Método hot needle Tomar a amostra Tomar 2-3 μl de ar insertar a agulha no injetor e deixar aquecer por alguns segundo (3-5) Injetar a amostra rapidamente e tirar a agulha do injetor -> Assegura que toda amostra foi injetada e a agulha quente auxilia na volatilização do solvente Colunas capilares: modos split e splitless Injeção split: reduz a quantidade de amostra que entra na coluna Injeção splitless: toda a amostra entra na coluna Injeção split/splitless (injeção de Grob): reduz a quantidade de solvente que entra na coluna Cromatografia gasosa 8

9 Injeção split É difícil injetar volumes menores de 1 μl diretamente O mesmo efeito pode ser obtido se for feito a divisão (split), reduzindo o volume que entra na coluna Depois da volatização e mistura com o gas de arraste, uma parte do fluxo entra na coluna e o restante é descartado pelo vent Cromatografia gasosa 9

10 Modo Splitless Simplesmente deliga o split e toda a amostra é introduzida na coluna Muito danoso à coluna Baixa reprodutibilidade Grande quantidade de solvente satura a coluna e a fase gasosa Modo splitless/split Injeção Grob Duas etapas: 1. Injeção inicial no modo splitless 2. Muda para split após periodo de tempo fixado (tempo de purga) Vantagem: introduz a maior parte dos solutos, mas não o solvente Splitless/split O solvente deve ser mais volátil que os compostos de interesse Injetor deve volatilizar todos os componentes de interesse Sob estas condições somente uma pequena parte do solvente entra na coluna--> focalização dos solutos Cromatografia gasosa 10

11 Cromatografia gasosa 11

12 Tempo de purga Deve ser suficiente para que os componentes da amostra entrem na coluna Se é muito longo, o solvente também entra e a focalização é pobre Para escolher o melhor tempo de purga, injetar várias vezes variando este parâmetro Em geral: segundos Colunas Coração do processo de separação Inúmeras fases Classificação: diâmetro do tubo e tipo de empacotamento Cromatografia gasosa 12

13 Tipos de colunas COLUNAS Empacotadas FE sólida / porosa FE líquida sobre suporte sólido PLOT - Porous Layer Open Tubular WCOT - wall coated open tubular SCOT - support-coated open tubular Tubos abertos FE sólida / porosa (PLOT) FE líquida sobre suporte sólido (SCOT) FE líquida sobre a face Interna da coluna (WCOT) Tipos de colunas WCOT Coated: filme apenas depositado sobre a parede interna Bonded ou crosslinked: fase quimicamente ligada à parede interna Bonded: resiste a temperaturas mais altas, vida útil mais longa, menor sangria da coluna. Geralmente fases apolares ou de baixa polaridade Cromatografia gasosa 13

14 Tipos de colunas Empacotada Aberta comprimento, m ID, mm Fluxo, ml/min pressão.psig pratos teóricos capacidade 10μg/pico 100ng/pico gp esp. Filme, μm Vantagens baixo custo alta eficiência + fácil de fazer + mais rápida + fácil de usar + mais inerte melhor para melhor para gases e amostras amostras simples complexas Escolha de colunas: Empacotada vs capilar Fatores a considerar: concentração e complexidade da amostra Empacotada: amostras simples, relativamente concentradas Capilar: amostras complexas, bastante diluídas Cromatografia gasosa 14

15 Escolha de colunas: fase Escolha da fase: semelhante dissolve semelhante Constantes de McReynolds: método para avaliar uma grande quantidade de fases baseado na medida da performance para um conjunto representativo de substâncias Tabelas são encontradas nos catálogos dos fabricantes Cromatografia gasosa 15

16 Escolha de colunas capilares: espessura do filme Aumento na espessura do filme = aumento da largura do pico; do tempo de retenção; da capacidade da coluna e da temperatura de eluição. Diminui a temperatura máxima => maior sangria filmes finos ( μm): amostras simples ou analitos com alto PE (>300 o C) filmes grossos (1-5μm): baixo PE (VOCs e gases) e alta concentração Cromatografia gasosa 16

17 Escolha de colunas capilares: comprimento Análise isotérmica aumenta em 40% a resolução de colunas de 30 para de 60 m. R s aumenta com a raiz quadrada de L. Aumenta o tempo de análise e necessita de pressão mais elevada do gás de arraste. Colunas mais longas custo mais elevado. L N tr * Vel. P (m) (x 10 3 ) (min) (cm/s) (psi) ============================= ============================= * C13, coluna SPB-5, 0.25mm x 1.0 μm (β = 62.5), temperat.coluna 145 o C Cromatografia gasosa 17

18 Temperatura da coluna Forte efeito sobre a análise: t r = L (k+1) onde k α 1/T V pode ser usada para controlar o t r o aumento da temperatura reduz o t r sendo que o fator de alteração não é o mesmo para todos os compostos Cromatografia gasosa 18

19 Programação de temperatura da coluna Compostos homólogos: t r aumenta exponencialmente com o número de carbonos o t r aumenta, w aumenta e a altura do pico diminui, tornando impossível a detecção após a eluição de alguns picos como a solubilidade de um gás em um líquido diminui com o aumento da temperatura, o t r pode ser reduzido pelo aumento da T coluna Programação de temperatura da coluna Fatores a considerar: variação na solubilidade mudança na volatilidade estabilidade térmica mudanças no fluxo do gás de arraste estabilidade da fase estacionária A programação deve estar entre T min e T max da coluna Escolha da programação de temperatura 1. Determinar a temperatura e tempo iniciais que produza a melhor separação dos 2 primeiros picos 2. Repetir o procedimento 1 para os últimos 2 picos 3. Experimentar com várias rampas de aquecimento para otimizar para os demais componentes Cromatografia gasosa 19

20 Detectores Qualquer método para monitoramento direto ou indireto dos eluentes que deixam a coluna Podem ser classificados em : destrutivos vs não destrutivos universal vs seletivo universal vs específico Detectores Propriedades de um bom detector: alta sensibilidade - possível seletividade resposta rápida a mudanças de concentração estável quanto ao ruído e linha de base baixa sensibilidade a variações no fluxo, pressão e temperatura produzir sinal facilmente transformável Detectores Sensibilidade: resposta/massa (ou concentração) limite de detecção (detectabilidade): ASTM: LD = 2 x ruído IUPAC: LD = 3 x Sb/m, onde Sb é o desvio de Y e m é o coeficiente angular da reta da resposta vs concentração (ou massa) faixa de linearidade (linear dynamic range) Cromatografia gasosa 20

21 Detector de Condutividade Térmica (TCD) Universal Não destrutivo Limite detecção ~ 400 pg/ml Linearidade id d ~10 6 Modo de detecção Mudança na resistência de um fio, que será afetada pela variação na termocondutividade do gás que elui da coluna Aplicação: em geral análises de gases Cromatografia gasosa 21

22 TCD Apesar do H 2 ter o maior valor de TC o He é mais usado por ser menos reativo Detector com canal duplo: duas colunas (analítica e branco). Exige otimização para mudanças devido a variações de temperatura e sangramento da coluna Existe TCD com um só canal que fazem correção para variação de temperatura Detectores de Ionização Diferentes métodos de geração da corrente iônica, mas em todos os casos o sinal corresponde à flutuação desta corrente na presença de vapores orgânicos Ionização de chama (FID) Ionização termoiônica (TSD) fotoionização (PID) captura de elétrons (ECD) Detector de Ionização de Chama (FID) Universal (+ popular) Destrutivo LD ~ 5 pg carbono/s Linearidade ~10 7 Modo de detecção: Produção de íons em uma chama resulta em corrente entre o coletor e a chama. Corrente geralmente aumenta de para 10-5 A. Gas auxiliar (make-up) é necessário para manter o fluxo ótimo p/ colunas capilares Ótiimo para hidrocarbonetos. Cromatografia gasosa 22

23 FID Compostos que têm resposta ruim ou nula no FID: gases nobres NH 3 CO CO 2 NO x CS 2 H 2 O O 2 compostos halogenados ácido fórmico formaldeído FID Fatores que influenciam a detecção: relação ar/ H 2 / gas de arraste o tipo de gas de arraste (TC) geometria do detector a resposta pode ser otimizada com otimização do fluxo de H 2 Cromatografia gasosa 23

24 Detector de ionização termoiônica - TSD (também chamado NPD) Específico : N e P Destrutivo LD ~0.4 pg N/s ~0.2 pg P/s Linearidade: 10 4 Modo de operação: Funciona como o FID. Entre a chama e o coletor há um sal alcalino dopando um cilindro de cerâmica, que emite sinal negativo em relação ao coletor Cromatografia gasosa 24

25 Detector de captura de elétrons - ECD Seletivo: halocompostos, nitrocompostos, Linearidade: 10 7 Sensibilidade: Modo de detecção: Ionização do gás de arraste por radiação β proveniente de uma fonte de Ni 63 o que gera um plasma de íons positivos, radicais e elétrons térmicos. Quando uma molécula eletronegativa entra no detector, ela captura os eletrons termoiônicos, diminuindo a corrente Cromatografia gasosa 25

26 ECD Respostas relativas 10 0 HC 10 1 esteres, éteres 10 2 álcoois, cetonas, monocl, aminas 10 3 monobr, dicl 10 4 anidridos, tricl poli-cl e Br, mono e di-i Cromatografia gasosa 26

27 Detector Fotométrico de chama(fpd) Específico: P, S e Sn Destrutivo Limites de detecção: ~ 20 pg S/seg ~ 0.9 pg P/seg Linearidade: ~ 10 4 P e ~10 3 S Modo de operação: medida direta da luz produzida durante a combustão dos compostos contendo S, P ou Sn Cromatografia gasosa 27

28 Detector de Fotoionização (PID) Específico: compostos ionizados por UV LD ~2 pg C/s Linearidade ~10 7 Modo de detecção: UV é usada para ionizar diretamente os componentes da amostra. A corrente resultante é medida Cromatografia gasosa 28

29 Sensibilidade: PID > para > n o de carbonos alcanos<alcenos< aromáticos alcanos< alcoois< ésteres< aldeídos< cetonas cíclicos> alifáticos F< Cl < Br < I para aromáticos: grupos doadores de elétrons aumentam a sensibilidade, receptores, diminuem. Exceção: aromáticos halogenados Muito utilizado para análise de traços de PAHs Outros detectores Condutividade Térmica(TCD):gases Quimiluminescência (TEA):emissão de fótons, nitrosaminas Emissão Atômica (AED): organometálicos Eletroquímicos: Hall (mais sensível que ECD para clorados) Espectrometria de massas Análise Qualitativa - tempo de retenção Pode ser utilizado para algumas análises qualitativas, quando a comparação com o padrão nas mesmas condições analíticas for possível. Ex: controle de qualidade d (analito já conhecido, poucos compostos na amostra) Reproducibilidade depende de vários parâmetros experimentais. Cromatografia gasosa 29

30 Análise qualitativa - Tempo de retenção relativa R x,std = tr x tr std É o parâmetro mais utilizado, por ser mais simples e necessitar de apenas um padrão Análise qualitativa -Índice de retenção Para séries homólogas, log tr = a + bn log tr Número de carbonos (n) Para determinar um n desconhecido: x = n 1 + (n 2 -n 1 ) log tr x - log tr n1 log tr n2 - log tr n1 tal que: n 2 > x > n 1 Análise qualitativa - Índices de retenção Para outros compostos que não os n- alcanos, pode-se também calcular um índice de retenção, utilizando as parafinas como padrões. O valor não necessariamente será um número inteiro Cromatografia gasosa 30

31 Índice de retenção de Kovats Como calculá-lo: I R = 100 log tr x - log tr n n log tr n+1 - log tr n alcanos são utilizados como padrões de referência e devem estar antes (n) e depois (n+1) do composto desconhecido I R determinado para muitos compostos a várias temperaturas--> Tabelas para comparação de eficiência de separação Quando utilizar índices de retenção O padrão deve fazer parte da amostra -> padrão interno Para cálculo do Ir para vários compostos, deve eluir no meio do cromatograma, caso contrário vários padrões devem ser utilizados Cromatografia gasosa 31

32 Outros métodos de análise qualitativa Gráficos de retenção --> qualquer serie homóloga (idem alcanos). Ex: índice de retenção de Lee (PAHs) Identificação pós-coluna --> detectores que forneçam informações atômicas/moleculares: MS, EA, AA, UV/Vis, FTIR Cromatografia gasosa 32