QUI 154 Química Analítica V Análise Instrumental. Aula 5 Métodos de Separação Parte 2

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química QUI 154 Química Analítica V Análise Instrumental Aula 5 Métodos de Separação Parte 2 Ângela Maria Ferreira de Oliveira Lourdes Juiz de Fora,

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3 Cromatografia gasosa (GC): 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. Utiliza uma variedade de gases para o seu funcionamento, de acordo com o analisador e o tipo de detector específico. O uso de gás especial e equipamentos ideais na realização da GC melhoram sensivelmente a precisão dos resultado analíticos. 3

4 Vantagens: Alto poder de resolução (análise de muitos componentes de uma única amostra); Sensibilidade ( g); Pequenas quantidades de amostra; Análise quantitativa (pg a mg); Variedade de detectores (Especificidade); 4

5 Limitações: Substâncias voláteis e estáveis termicamente (ou formar um derivado com estas características); Requer preparo da amostra [interferências e contaminações]; Tempo e custo elevado; Eficiência qualitativa limitada; 5

6 Aplicações Análise Ambiental: pesticidas, organoclorados, hidrocarbonetos, aminas e fenóis; Análise de Alimentos: ácidos graxos, trigliceres, compostos voláteis responsáveis por aromas, açucar e aminoácidos; Análise de farmacos; Química forese e toxicologia: doping, metabólitos de drogas; Química industrial e petroquímica; 6

7 Corrente de gás passa pela coluna Arraste da amostra através da coluna Substâncias são separadas Registrador É gerado um sinal Detector 7

8 FE FM Injeção Separação Eluição Detector 8

9 Cromatografia gasosa isotérmica A temperatura da coluna permanece constante durante a análise. 9

10 Cromatografia gasosa com programação de temperatura Variação linear ou não; Melhora a separação; - T Solutos mais voláteis Diminui o tempo de análise; Maior simetria nos picos; - T Solutos menos voláteis Melhor detectabilidade; Amostra composta de substancias com grandes diferenças em seus pontos de ebulição; Pode provocar decomposição térmica dos solutos; 10

11 (a) GC isotérmica (b) GC com temperatura programada 11

12 Cromatografia gás-líquido (CGL): FE = líquido não-volátil suportado num sólido inerte; Processo: absorção; Encontra amplo uso em todas as áreas da ciência; Cromatografia gás-sólido (CGS): FE = sólido adsorvente. É baseada em uma FE na qual a retenção dos analitos ocorre por adsorção; Limitações: retenção semipermanente de moléculas polares ativas e efeito de cauda severo nos picos de eluição (como conseqüência da natureza não-linear do processo de adsorção). 12

13 Processos físicos (sorção) Baseiam-se em forças eletrostáticas ou dipolares (forças de van der Waals) Adsorção: FE é sólida e a adsorção ocorre na interface, entre FE e FM Partição (absorção): diferentes solubilidades dos componentes da amostra na FE 13

14 Fase estacionária líquida: Líquido pouco volátil, recobrindo um suporte sólido; Deve solubilizar seletivamente as substâncias; Termicamente estável; Quimicamente inerte; FE ligada/ligações entrecruzadas risco de sangramento polidimetilsiloxano Silanol 14

15 Formação de caudas; Regra semelhante dissolve semelhante ; Constante de distribuição (K) 15

16 Adsorção Interação das moléculas do soluto e as que estão na FE. Partição(absorção) Solubilidade entre as moléculas do soluto e as que estão na FE. 16

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18 6 2 1 (1) Gás de arraste- FM (2) Sistema de Injeção de amostra; (3) Coluna cromatográfica; (4) Detector; (5) Processador de sinal; (6) Registro cromatograma;

19 FM: não interage com amostra, apenas passa pela coluna; Propriedades: Inerte; Isento de impurezas que degradam a FE e compatíveis com o detector; Gases mais utilizados: N 2, He, H 2 e Ar; 19

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21 Caracteristicas Amostras: líquidas, gasosa, sólida dissolvidas em solvente adequado; Volume de amostra e tipo de injeção variam de acordo com a coluna e o estado físico da amostra; A temperatura deve ser suficiente para causar a vaporização imediata da amostra. 21

22 Injeção Gerar banda única e estreita tempo e volume Quantidade de amostra não deve ultrapassar a capacidade da coluna Reprodutível Aquecimento para vaporização total da amostra (pressão de vapor) Divisor de amostra microvolumes (Soluto 0,1% da amostra) Sem divisor de amostra solutos traço com PE ( o C) Injeção direta na coluna solutos termicamente instáveis Seringas ou válvulas: Líquidos Seringas (T PE ( o C)) componente menos volátil) Válvula de amostragem maior precisão 22

23 A porta de admissão da amostra ordinariamente é mantida a cerca de 50 C acima do PE do componente menos volátil da amostra. Para as colunas analíticas recheadas normais, o tamanho da amostra pode variar de poucos décimos de microlitro até 20 ml. Figura 1. Vista da secção transversal de uma injetor vaporizador direto tipo microflash. 23

24 Figura 2. Válvula de amostragem tipo rotatória: A válvula permanece na posição (a) para que a alça ACB seja preenchida com a amostra; na posição (b) a amostra é introduzida na coluna. Esses dispositivos possibilitam uma reprodutibilidade relativa do volume injetado da amostra melhor que 0,5%. 24

25 Colunas Colunas recheadas Colunas tubulares abertas/colunas capilares Tamanho 2 a 100 m Material Aço inoxidável, vidro, sílica fundida, teflon Em forma de boninas (10 a 30 cm) Forno Programação de temperatura 25

26 Coluna recheada: recheada com um sólido pulverizada (FE sólido ou líquido depositado sobre as partículas do recheio); Coluna capilar: paredes internas recobertas com um filme fino (FE sólido ou líquido); 26

27 FE: Apolar: hidrocarbonetos não aromáticos; Polar: grande quantidades de grupos polares interações tipo hidrogênio; Intermediária: grupos polares ou potencialmente polares em esqueletos apolares; Escolha da coluna: Polaridade da FE; Diâmetro e espessura do filme quantidade de amostras, tempo de análise e velocidade da FM; Comprimento- eficiência da coluna; 27

28 Controle da temperatura Boa precisão; A temperatura ótima da coluna depende do PE da amostra e do grau de separação requerido; Uma temperatura igual ou ligeiramente superior ao ponto de ebulição médio da amostra proporciona tempos de eluição razoáveis (2 a 30 min); 28

29 Para as amostras com uma ampla faixa de PE, é freqüentemente desejável que se empregue uma programação de temperatura; 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. 29

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31 Figura 3. Efeito da temperatura nos cromatogramas a gás. (a) Isotérmico a 45 C; (b) isotérmico a 145 C; (c) programado de 30 C a 180 C. (De W. E. Harris e H. W. Habgood, Programmed Temperature Gas Chromatography, p. 10. Nova York: Wiley, Reproduzido com permissão do autor.) 31

32 I = relaciona o tempo de retenção (t r ) de um soluto com o tempo de retenção de alcanos lineares. I = índice de retenção de Kovats. n = numero de átomos de carbono no menor alcano. N = numero de átomos de carbono no maior alcano. t r = Tempo de retenção ajustado (x = desconhecido). 32

33 Exemplo: Considerando que em um cromatograma o t r (CH 4 ) é 0,5 min, o t r do octano é 14,3 min, o t r da amostra desconhecida é 15,7 min e o t r do nonano é igual a 18,5 min, encontre o índice de retenção (I) da amostra. R =

34 São dispositivos que examinam continuamente o material que sai da coluna, gerando sinal para cada substância em relação ao tempo de retenção na coluna; 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 C; 34

35 5. Um tempo de resposta curto e independente da vazão.; 6. Uma alta confiabilidade e facilidade de uso. O detector deve, na medida do possível, tolerar a ação de operadores inexperientes; 7. Similaridade de resposta a todos os solutos ou, alternativamente, uma resposta altamente previsível e seletiva a uma ou mais classes de solutos; 8. Não deve destruir a amostra; 35

36 UNIVERSAIS: Geram sinal para qualquer substância eluída; SELETIVA: Detectam apenas substâncias com determinada propriedade físico-química; ESPECÍFICOS: Detectam substâncias que possuem determinado elemento ou grupo funcional em suas estruturas. 36

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38 Detector de ionização em chama FID (quase universal): formação de íons pela combustão da amostra na presença de H 2 e O 2. O sinal é gerado a partir da corrente elétrica produzida pelos íons que é proporcional à concentração alta sensibilidade; O detector de ionização exibe uma sensibilidade alta (10 13 g s 1 ); Larga faixa linear de resposta (10 7 ) e baixo ruído; Geralmente é robusto e fácil de se usar; Desvantagem: destrói a amostra durante a etapa de combustão. 38

39 Figura 4. Um detector de ionização em chama típico. (Cortesia da Agilent Technologies, Palo Alto, CA.) 39

40 Detectores por condutividade térmica TCD (Universal): mede a diferença de condutividade térmica entre o gás de arraste e o gás de arraste + amostra; Figura 5. Esquema de uma cela de um detector de condutividade térmica. Esse dispositivo consiste em uma fonte aquecida eletricamente cuja temperatura à potência elétrica constante depende da condutividade térmica do gás que a envolve. O elemento aquecido pode ser um fio fino de platina, ouro ou tungstênio ou, alternativamente, um pequeno termistor. 40

41 Detectores por condutividade térmica Vantagens: Simplicidade; Ampla faixa dinâmica linear (cerca de cinco ordens de grandeza) na sua resposta abrangente a espécies orgânicas e inorgânicas; Não-destrutiva; Limitação: sensibilidade relativamente baixa. 41

42 Detector por captura de elétrons ECD (Seletivo): específicos para análise de grupos funcionais eletronegativos; N 2 é ionizado por partículas betas produzindo elétrons (ânodo); Gera corrente, resultando na linha de base (constante); Moléculas eluindo da coluna capturam elétrons e diminuem a corrente: Sinal gerado é proporcional à concentração; Bastante usado para análise de pesticidas; 42

43 Detector por captura de elétrons ECD Vantagens: Altamente sensíveis; Não alterar a amostra significativamente; Limitação: Resposta linear do detector é limitada a cerca de duas ordens de grandeza. 43

44 Detectores por espectrometria de massa CG-MS é uma técnica muito utilizada para a detecção e detalhamento da estrutura dos componentes na amostra. Um espectrômetro de massas mede a razão massa/carga (m/z) de íons que são produzidos pela amostra; 44

45 MS: as moléculas da amostra entram em uma fonte de ionização que ioniza a amostra. As fontes de ionização para a espectrometria de massas moleculares são energéticas o suficiente para quebrar as ligações químicas das moléculas da amostra, mas não suficientemente energéticas para decompor as moléculas da amostra em seus átomos constituintes, assim como acontece em espectrometria atômica 45

46 MS: as moléculas da amostra entram em uma fonte de ionização que ioniza a amostra. As fontes de ionização para a espectrometria de massas moleculares são energéticas o suficiente para quebrar as ligações químicas das moléculas da amostra, mas não suficientemente energéticas para decompor as moléculas da amostra em seus átomos constituintes, assim como acontece em espectrometria atômica 46

47 Figura 6. Espectro de massas do CO2. Observe que o íon molecular aparece na razão m/z = 44 (C= 12, O =16). Os íons de fragmentos aparecem a valores de m/z = 28, 16 e 12. Estes correspondem ao CO +, O - e C, respectivamente. 47

48 Detectores por espectrometria de massa CG-MS Sistemas de Entrada CG; Sólidos:inseridos na câmara de vácuo e evaporados ou sublimados por aquecimento; Líquidos podem ser introduzidos através de entradas com fluxo controlado ou podem ser desorvidos de uma superfície sobre a qual foram colocados, formando um filme fino. 48

49 Detectores por espectrometria de massa CG-MS Fontes de Ionização Analisadores Detectores de Íons 49

50 Detectores por espectrometria de massa CG-MS Intensidade do sinal x Tempo 50

51 Análise qualitativa Análise do tempo de retenção do analito com um composto padrão; Pode-se fazer uma analise do composto que se imagina ter na amostra e verificar o aumento do pico; Análise quantitativa Análise da área do pico característico do analito; Faz-se relação com a amostra padrão de concentração conhecida ou insere o valor da área do pico em uma curva padrão (área pico x concentração do analito); 51

52 - Silva, L.L.R. Notas de Aula. FACET, UFVJM, Juliano, V. F. Notas de Aula. Depto de Química. UFMG Faria, L.C. Notas de Aula. Instituto de Química. UFG D. A. SKOOG, F. J. HOLLER e T. A. NIEMAN Princípios de Análise Instrumental, 5 a ed., Saunders, A. I. VOGEL - Análise Analítica Quantitativa, LTC, 6ª ed., Rio de Janeiro. - Galen W. Ewing. Métodos Instrumentais de Análise Química (Volume 1). Editora Edgard Blücher/Ed. da Universida - Cadore, S. Notas de Aula. IQ, UNICAMP, SKOOG, D. A; HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A., Princípios de Análise Instrumental, 5ª edição, Editora Bookman, COLLINS, H. C.; BRAGA, G. L.; BONATO, P. S., Fundamentos de Cromatografia, Editora Unicamp,