CROMATOGRAFIA GASOSA Profa. Denise Moritz

Introdução CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS Espectroanalíticos - Colorimetria Espectrofotometria no visível e ultravioleta Espectrofotometria no infravermelho - Espectrofluorimetria Espectroscopia de absorção atômica Espectroscopia de emissão atômica Espectroanalíticos - Cromatografia Líquida - Cromatografia Gasosa Cromatográficos - Eletrogravimetria Amperometria Condutimetria - Coulometria - Potenciometria - Voltametria - Polarografia Eletroanalíticos

Introdução HISTÓRICO M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados. éter de petróleo CaCO3 mistura de pigmentos pigmentos separados Cromatografia = kroma [cor] + graph [escrever] (grego) Profa. Denise Moritz

Introdução 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. 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. Profa. Denise Moritz

Histórico 1940 1950 1960 “CGS” rudimentar CGL proposta (Martin e Synge) Separação de ácidos orgânicos por CGL: primeiro cromatógrafo (Martin e James) Primeiro equipamento comercial (Griffin & George) Detector por Densidade de Gás (Martin e James) Detector por Ionização em Chama (McWillian e Dewar) Detector por Captura de Eletrons (Lovelock e Lipsky) Colunas Capilares (Golay) Presentemente: Vendas de equipamentos e acessórios para CG nos EUA estimadas em mais de US$ 750.000.000 (1995). Profa. Denise Moritz

Introdução INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE Estímulo Resposta Fonte de características físicas e químicas do analito Informação interpretada pelo homem Instrumento Informação armazenada Estímulo Resposta Fonte de energia Sistema em estudo Informação analítica

Introdução Tempo de retenção - tempo que decorre desde a injecção até meia eluição; Tempo morto; - (tm) = tempo necessário para um produto “não retido” atravessar a coluna Vazão volumétrica; Fase móvel (eluente); Fase Estacionária (fase fixa – ex.Coluna) Seletividade da coluna; Eficiência da coluna – número de pratos; Número de separação; Tempo de análise. Profa. Denise Moritz

Tempo de Retenção Ajustado, tR‘ Introdução Tempo de Retenção Ajustado, tR‘ O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’: tR = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a in-jeção e o ápice do pico cromatográfico) SINAL TEMPO Profa. Denise Moritz

Introdução CONCEITOS Tempo de retenção: É o tempo que a amostra leva para percorrer a coluna (é retida do sistema) Os componentes da amostra são comparados com o de padrões anteriores testados no aparelho.file://localhost/Users/Denise/Análise Instrumental Unisul/slide 3.ppt Profa. Denise Moritz

COLLEGE OF CHARLESTON DEPARTMENT OF CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY COLLEGE OF CHARLESTON DEPARTMENT OF CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY. Determination of methyl salicylate in rubbing alcohol by gas chromatography using the method oh standard addtions Disponível em:<http://kinardf.people.cofc.edu/221LabCHEM/CHEM221L%20Gas%20Chromatography%20of%20Methyl%20Salicylate.htm>. Data de acesso; 24/04/2011 Profa. Denise Moritz

ÁREA Profa. Denise Moritz

Introdução 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. Profa. Denise Moritz

VOLÁTEIS (=“evaporáveis”) Aplicabilidade Quais misturas podem ser separadas por CG ? (para uma substãncia qualquer poder ser “arrastada” por um fluxo de um gás ela deve ser dissolver - pelo menos parcialmente -nesse gás) Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS (=“evaporáveis”) DE FORMA GERAL: CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que termicamente estáveis. Profa. Denise Moritz

Classificação As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerando-se diversos critérios: 1. Classificação pela forma física do sistema cromatográfico 2. Classificação pela fase móvel empregada 3. Classificação pela fase estacionária utilizada 4. Classificação pelo modo de separação Profa. Denise Moritz

Modalidades e Classificação Cromatografia Líquida FM = Líquido Cromatografia Gasosa (CG) FM = Gás Cromatografia Gás-Sólido (CGS) Sólida Em CG a FE pode ser: Cromatografia Gás-Líquido (CGL) Líquida Profa. Denise Moritz

Classificação pela forma física do Sistema cromatográfico Em relação à forma física do sistema,a cromatografia pode ser subdividida em cromatografia em coluna e cromatografia planar. EM COLUNA: cromatografia líquida, gasosa e supercrítica. PLANAR: Centrífuga, em papel e camada delgada. Profa. Denise Moritz

Classificação pela fase móvel empregada São de 3 tipos: cromatografia gasosa, cromatografia líquida e a cromatografia supercrítica (CSC). A cromatografia líquida apresenta uma importante subdivisão: a cromatografia líquida clássica (CLC) e a cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). No caso de fases móveis gasosas, separações podem ser obtidas por cromatografia gasosa (CG) e por cromatografia gasosa de alta resolução (CGAR). Profa. Denise Moritz

COLUNAS CROMATOGRÁFICAS Profa. Denise Moritz

Classificação pela fase estacionária empregada Quanto à fase estacionária, distingue- se entre fases estacionárias sólidas, líquidas e quimicamente ligadas. No caso da fase estacionária ser constituída por um líquido, este pode estar simplesmente adsorvido sobre um suporte sólido ou imobilizado sobre ele. Suportes modificados são considerados separadamente, como fases quimicamente ligadas, por normalmente diferirem dos outros dois em seus mecanismos de separação. Profa. Denise Moritz

Colunas cromatográficas Empacotadas: Fabricadas depositando-se um filme da fase estacionária líquida sobre um material inerte chamado suporte. De comprimento e diâmetro otimizados p/ análise da amostra de interesse. Capilares: Fabricadas depositando um filme finíssimo de 0,1 e 5 microns na fase estacionária nas paredes de um tubo capilar. Tubos: aço inoxidável, vidro, níquel e sílica gel. Muito mais eficientes. Profa. Denise Moritz

Princípio Básico Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás). Profa. Denise Moritz

Fases estacionárias utilizadas Parafinas – apolares Poliglicóis – polares Poliésteres - polares Silicones – cobrem ampla faixa de polaridade. Profa. Denise Moritz

Colunas Cromatográficas Contém fase estacionária; Metal, vidro, sílica fundida; Colunas empacotadas; Colunas micro-empacotadas; Colunas capilares; Seletividade e eficiência. COLUNA Amostras Gasosas Líquidas empacotada 0,1 ml ... 50 mL 0,2 L ... 20 L capilar 0,001 ml ... 0,1 mL 0,01 L ... 3 L Profa. Denise Moritz

Colunas Empacotadas Diâmetros: 2, 3 ou 4mm; Comprimento: 0,5m - 5m; O suporte não polar deve ser totalmente desativado se for analisar compostos polares. EMPACOTADA L = 0,5 m a 5 m Profa. Denise Moritz

Colunas Capilares Flexíveis; Mecanicamente duráveis; Quimicamente inertes; Diâmetro interno de 0,25 – 0,32 mm/ L= 5m – 100m; Picos mais finos = melhor separação; Aumenta a velocidade de análise; Mais de 100.000 pratos; Melhor forma de pico, melhor estabilidade da coluna; Bom para separar misturas com muitos componentes. CAPILAR L = 5 m a 100 m Profa. Denise Moritz

Características das Colunas CAPILARES EMPACOTADAS Diâmetro Comprimento Material Fase estacionária 0.10 a 0.50 mm 5 a 100 m Silica fundida ou aço Paredes internas recobertas com um filme fino ( m ) de FE sólida ou líquida 3 a 6 mm 0.5 a 5 m Vidro ou metal Recheada com um sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio) Profa. Denise Moritz

Colunas LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas capilares) FE líquida SUPORTE Sólido inerte poroso Tubo capilar de material inerte 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 SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo (capilar) Profa. Denise Moritz

VANTAGENS DESVANTAGENS Empacotada Mais econômica Maior capacidade de carga Maior quantidade de amostra Menor eficiência Análise mais lenta Capilar Maior comprimento => maior eficiência Separação de misturas complexas Análise mais rápida Maior separação Menor quantidade de amostra Profa. Denise Moritz

1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão. O Cromatógrafo a Gás 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 (Amplificação) de Sinal. 6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador). Observação: em vermelho: temperatura controlada Profa. Denise Moritz

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Colunas CROMATOGRAFIA Técnica de fracionamento Em diferentes velocidades com que cada uma se move através de uma fase estacionária (porosa) ao serem arrastadas por uma fase móvel. A distribuição de um soluto entre a parte móvel e a estacionária pode envolver fenômenos de : Partição, Adsorção Exclusão e troca iônica Profa. Denise Moritz

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Utilizada na separação e identificação de substâncias: CROMATOGRAFIA GASOSA Utilizada na separação e identificação de substâncias: Que possam ser volatilizadas sem sofrer decomposição; Não voláteis que possam ser convertidas em derivados voláteis. A fase móvel é um gás que percola a coluna. Profa. Denise Moritz

Técnica de: Alta eficiência Efetuada num tempo razoável Utilizando mínimas quantidades. Profa. Denise Moritz

Características de uma FE ideal SELETIVA Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra. FE Seletiva: separação adequada dos constituintes da amostra FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com coluna de boa eficiência Regra geral: a FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático ...) Profa. Denise Moritz

Características de uma FE ideal FASES ESTACIONÁRIAS Características de uma FE ideal AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO Maior flexibilidade na otimização da separação. BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E TÉRMICA Maior durabilidade da coluna, não reage com componentes da amostra POUCO VISCOSA Colunas mais eficientes (menor resistência à transferência do analito entre fases) DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU DE PUREZA Colunas reprodutíveis; ausência de picos “fantasma” nos cromatogramas. Profa. Denise Moritz

Características de uma FE ideal Fase Estacionária SÓLIDA - O fenômemo físico-químico responsável pela interação analito + FE sólida é a ADSORÇÃO A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida ADSORÇÃO Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros) Solutos polares Sólidos com grande número de sítios ativos (hidroxilas, pares de eletrons...) Profa. Denise Moritz

EXEMPLOS - FE ideal Características Gerais: Mais usados: - Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm). - Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g). Mais usados: Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divi-nilbenzeno), Tenax (polióxido de difenileno) Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitizados), Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa) Principais Aplicações: - Separação de gases fixos - Compostos leves - Séries homólogas GASES DE REFINARIA Coluna:Carboxen-1000 60-80 mesh; 15’ x 1/8” TCOL: 35oC a 225oC / 20oC. min-1 Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1 Detector: TCD Profa. Denise Moritz

Exemplos - FASES ESTACIONÁRIAS Famílias de FE Líquidas POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação; ainda muito importantes. Principal: Polietilenoglicol (nomes comerciais: Carbowax, DB-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.) Estrutura Química: AMINAS ALIFÁTICAS Coluna:4 % Carbowax 20M s/ Carbopack B + 0,8% KOH TCOL: 200oC (isotérmico) Gás de Arraste: N2 @ 20 mL.min-1 Detector: FID Amostra: 0,01 mL da mistura de aminas Profa. Denise Moritz

Fase Móvel Profa. Denise Moritz

EXEMPLOS DE FASES MÓVEIS GÁS DE ARRASTE: Hidrogênio Nitrogênio Argônio Hélio Pressurizados em torpedos de aço c/ pressão aproximada entre 120 e 200 atm. Fluxo Coluna: 0,5 – 80 mL/min Profa. Denise Moritz

Detectores Profa. Denise Moritz

Detector Dispositivo que transforma um sinal elétrico conveniente a variação da composição do gás de arraste ao sair da coluna cromatográfica. O sinal é registrado e a área dos picos, integrada para fins de quantificação. Existem em torno de 20 tipos, porém apenas 5 ou 6 tem aplicação em grande quantidade. Profa. Denise Moritz

Os principais detectores são: Condutividade térmica – DCT Captura de elétrons – DCE Fotômetro de chama DFC Termoiônico - DFC Ionização de chama – DIC Profa. Denise Moritz

DIC ou FID O gás de arraste proveniente da coluna (N2) é queimado em presença de ar e H2. A chama produzida encontra-se num campo elétrico. Durante a combustão de compostos orgânicos contendo H2 há formação de radicais livres – ionizados pelo campo elétrico – formando sinais – amplificados produzindo picos. Profa. Denise Moritz

Detectores Dispositivos que examinam continuamente o material eluido, gerando sinal quando da pas-sagem de substâncias que não o gás de arraste Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA Idealmente: cada substância separada aparece como um PICO no cromatograma. Profa. Denise Moritz

Detectores – Mais comuns DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) Variação da condutividade térmica do gás de arraste. DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC OU FID) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar. DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD) Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos. REGISTRO DE SINAL ANALÓGICO Registradores XY DIGITAL Integradores Computadores Profa. Denise Moritz

INJETOR / INJEÇÃO Profa. Denise Moritz

INJETOR / INJEÇÃO Profa. Denise Moritz

PROCESSO CROMATOGRÁFICO Introduz-se a fase estacionária num tubo A fase móvel é bombeada continuamente a uma velocidade constante e controlada. As substâncias começam a migrar de acordo c/ as interações de suas propriedades físico-químicas (c/ as da FM e FE) Passam por um detector no final da coluna, que são captados por um registrador. O sinal é proporcional à sua concentração. O gráfico Obtido - CROMATOGRAMA Profa. Denise Moritz

Condições operacionais Temperaturas: Detector: Cerca de 200C acima da temperatura de operação da coluna. A temperatura máxima é determinada pelo fabricante. Coluna: Determinada pelo processo cromatográfico levando-se em consideração o ponto de ebulição da amostra. Injetor: Dependerá da amostra a ser analisada. Profa. Denise Moritz

Protocolo de Operação Tomar conhecimento das características da amostra a fim de escolher o método mais conveniente. Fazer os seguintes questionamentos: Ex. Natureza da amostra recebida Odor característico de tintas De onde vem? Efluente industrial Solúvel em água? Muito pouco Profa. Denise Moritz

Solúvel em solventes polares? É volátil? A que temperatura? Sim metanol e acetona É volátil? A que temperatura? Sim, completamente entre 50 e 2200 C. Quais os principais compostos? Hidrocarbonetos, álccois, cetonas, aldeídos e não contém ácidos. Conhece a técnica de análise? Não Qual o objetivo da análise? Determinar o conteúdo de tolueno (g/L) – os outros compostos são irrelevantes. Profa. Denise Moritz

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4- FAIXA DE CONCENTRAÇÃO PARÂMETROS DE SELEÇÃO DE UM MÉTODO ANALÍTICO 4- FAIXA DE CONCENTRAÇÃO É o intervalo de concentração da curva de calibração, compreendido entre o limite de determinação e o ponto onde começa o desvio de linearidade. Faixa ótima de trabalho A A Limite de linearidade 20 C

X=0.25 Adição de Padrões A 0.460 0.440 0.420 X 0.5 1.0 1.5 C CALIBRAÇÃO DE MÉTODOS INSTRUMENTAIS Adição de Padrões A Am Pd Sinal Analítico Amostra Amostra + Padrão + 0.460 0.440 0.420 X 0.5 1.0 1.5 C X=0.25

Calibração convencional ou padrão externo 0.600 0.500 0.400 0.200 5 X 10 C 2,5

Adição de Padrões Internos Adicione 0, 5, 10, 15 ou 20 mL de solução padrão 1 2 3 4 5 Encha cada balão volumétrico até a marca de 50mL e misture

X=0.25 Adição de Padrões A 0.460 0.440 0.420 X 0.5 1.0 1.5 C + Am Pd Sinal Analítico Amostra Amostra + Padrão + 0.460 0.440 0.420 X 0.5 1.0 1.5 C X=0.25

Método do Padrão Interno Sinal Analítico Pd Bco Pds Am - Um padrão interno é uma quantidade conhecida de um composto que é adicionado à amostra - É uma substância diferente do analito - São úteis quando a quantidade da amostra analisada varia ligeiramente, ou quando a resposta do instrumento varie a cada análise por razões difíceis de controlar.

Limite de Detecção limite de detecção (LD) é a menor concentração que pode ser distinguida com um certo nível de confiança. Toda técnica analítica tem um limite de detecção. Para os métodos que empregam uma curva de calibração, o limite de detecção é definido como a concentração analítica que gera uma resposta com um fator de confiança k superior ao desvio padrão do branco, sb, de acordo com a Equação 8-22. em que m é sensibilidade da calibração. Normalmente, o fator k é escolhido como 2 ou 3. Um valor de k de 2 corresponde a um nível de confiança de 92,1%, enquanto um valor de 3 corresponde a um nível de confiança de 98%.22 Os limites de detecção relatados por pesquisadores ou por fabricantes de instrumentos podem não ser aplicáveis a amostras reais. Os valores descritos são geralmente obtidos a partir do uso de padrões ideais em instrumentos otimizados. Esses limites são úteis, entretanto, na comparação de métodos ou instrumentos.

Limite de Quantificação Consiste na comparação dos resultados obtidos utilizando um método interno com os resultados conseguidos através de um método de referência. O objetivo é de estudar o grau de proximidade dos resultados obtidos pelos dois métodos de ensaio, ou seja, de avaliar a exatidão do método interno relativamente ao de referência.

CURVA DE CALIBRAÇÃO - BTEX CG-90-DIC (Ar – hidrogênio) Injetor manual Coluna: SUPERCOVAX 10 – sílica fundida de 0,53 mm d.I. 30 metros T0 coluna: 800 C T0 injetor: 1850 C T0 detector: 130 0 C Vazão gás de arrasre (N2): 40 mL/min Vazão do hidrogênio (chama): 40 mL/min Vazão do ar sintético: 380 mL/min Volume da amosra: 5L Profa. Denise Moritz

G/L Área Área 2 Área 3 Média TR 0,5 1.056 958 1.064 2.1 1 2.107 2.099 2.114 2.04 2.0 4.245 4.233 4.261 2.12 2,5 4.998 4.897 5.011 3 6.045 5.996 6.067 3,5 7.587 7.566 7.593 2.18 Profa. Denise Moritz

6,40 Profa. Denise Moritz

Y = A* + B A= 1.293 (fit) B= 173,73 (fit) Y= Área X= g/L Se Área da amostra = 8.111 Y= (1.293)*X- (173,73) 8111+173,73=1293*x Profa. Denise Moritz

Estudo Artigo:   SILVA, Flamys Lena do N. et al. Determinação de benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos em gasolina comercializada nos postos do estado do Piauí. Quím. Nova [online]. 2009, vol.32, n.1, pp. 56-60. ISSN 0100-4042. http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/gasolina.html Profa. Denise Moritz

Descobrir: Equipamento utilizado Amostra? Tipo de Detector Gás de arraste e fluxos (Vazão) Temperatura de detecção Padrões Tipo de Coluna Volume da amostra Tempos de retenção dos compostos Qual a concentração de BTEX encontrada na gasolina comercial e nas refinarias? Profa. Denise Moritz

Cromatografia Planar Na cromatografia planar, também chamada de camada fina, ou TLC ("Thin Layer Chromatography"), a fase estacionária, por exemplo alumina ou sílica, é suportada sobre uma placa plana ou nos poros de um papel. Nesse caso, a fase móvel desloca-se através da fase estacionária, sólida e adsorvente, por ação da capilaridade ou sob a influência da gravidade. Útil em separação de compostos polares. Encontra-se bastante difundida devido à sua facilidade experimental e ao seu baixo custo. Profa. Denise Moritz

TLC – Cromatografia Planar Cromatografia em Camada Delgada (CCD) Profa. Denise Moritz