Heloísa Flores Benke
1 MÉTODOS CROMATOGRÁFICOS Aula 5 Cromatografia a Gás Profa. Daniele Adão
2 CROMATÓGRAFO
3 CROMATOGRAMA
4 Condição para utilização da CG Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS Para assim dissolverem-se, pelo menos parcialmente, no gás e serem arrastadas por ele.
5 CONDIÇÕES PARA UTILIZAÇÃO DA CG: Gases ou substâncias volatilizáveis. Compostos voláteis de pontos ebulição de até 350 C e pesos moleculares menores que 500. Compostos termicamente estáveis nas condições de trabalho.
6 VANTAGENS: alto poder de resolução, baixos limites de detecção, uso de pequenas quantidades de amostras, excelente técnica quantitativa. DESVANTAGENS: técnica empregada na análise de substâncias voláteis e termicamente estáveis, caso contrário há necessidade de formar um derivado, que nem sempre é viável. Não é uma eficiente técnica qualitativa, muitas vezes necessita de técnicas auxiliares para a identificação das substâncias.
7 CG pode ser classificada de acordo com a FE utilizada: FE Sólido: gás-sólido. A separação baseia-se em mecanismos de adsorção das substâncias no sólido. Utilizada na análise de gases permanentes e compostos apolares de massa molar baixa. FE Líquido pouco volátil: gás-líquido. A separação baseia-se em mecanismos de partição das substâncias entre a FE, líquida, e a FM, gasosa. Corresponde a 95% do total de aplicações.
8 A eluição é feita por fluxo de um gás inerte que atua como fase móvel. Ao contrário da maioria dos outros tipos de cromatografia, na CG a FM não interage com as moléculas do analito. GÁS DE ARRASTE: Sua única função é transportar o analito através da coluna. O uso de detectores adequados na saída da coluna possibilita a detecção e quantificação dessas substâncias.
9 Em um cromatograma ideal os picos apresentam-se separados e simétricos. As caudas aparecem devido à falhas na técnica de injeção da amostra, ou devido à adsorção excessiva na FE ou suporte. Na prática pode haver sobreposição parcial devido a uma separação deficiente na coluna, ou a presença a presença de picos com assimetria frontal (caudas).
10 EFICIÊNCIA DA COLUNA CROMATOGRÁFICA A eficiência de uma coluna é medida em termos de número de pratos: quanto maior o n de pratos maior será a eficiência (picos mais estreitos).
11 FATORES QUE AFETAM A EFICIÊNCIA DA COLUNA CROMATOGRÁFICA Comprimento e diâmetro interno da coluna: dois tipos de colunas: recheadas ou capilares. Coluna recheada: tubos de vidro, aço inox, ou mais raramente cobre. Diâmetro interno de 1 a 4 mm e recheadas com FE sólida ou líquida (dispersa em um suporte sólido). Coluna capilar: preparadas com capilares de sílica fundida de diâmetro interno 0,10 a 0,75 mm, com FE espalhada ou imobilizada na parede interna do capilar.
12 FATORES QUE AFETAM A EFICIÊNCIA DA COLUNA CROMATOGRÁFICA Separação de C14, C15 e C16 (1, 2 e 3) numa coluna empacotada (esquerda) e numa coluna capilar (direita).
13 FATORES QUE AFETAM A EFICIÊNCIA DA COLUNA CROMATOGRÁFICA Temperatura durante a análise a temperatura da coluna pode permanecer constante (CG isotérmica) ou sofrer uma variação, linear ou não (CG com temperatura programada).
14 FATORES QUE AFETAM A EFICIÊNCIA DA COLUNA CROMATOGRÁFICA Vazão da FM, Volume da amotra, Técnica de injeção, Característica da substância.
15 Equação que relaciona a altura equivalente a um prato, velocidade linear do gás de arraste e fatores que provocam o alargamento dos picos na CGL.
16 Termo A: Difusão por turbilhamento relacionado alargamento dos picos devido a diferentes caminhos seguidos pela molécula da amostra. Em uma coluna recheada uma molécula pode ter um caminho um pouco diferente da outra, provocando assim o alargamento do pico e diminuindo a eficiência da coluna. Termo B: Difusão longitudinal relacionado com a difusão molecular do soluto na FM. Quanto maior a capacidade do soluto em se difundir no gás de arraste, maior o alargamento do pico e diminuindo a eficiência da coluna.
17 Termo C: Resistência a transferência de massa Relaciona a transferência de massa entre os componentes da amostra e a FM e FE durante a separação. Quando a FE é líquida, há um filme recobrindo as partículas do suporte ou as paredes do capilar, qto maior for a espessura desse filme, maior será o termo C e menor a eficiência da coluna. Um filme fino de fase liquida com baixa viscosidade, tem elevada difusibilidade, e produz colunas mais eficientes.
18 Consideramos o termo B da equação de Van Deemter, observe que o N 2 fornece os menores valores de HETP, porém, He e principalmente H 2 possibilitam o uso de maiores velocidades de fluxo sem perda apreciável de eficiência => há maior flexibilidade na escolha da vazão do gás de arraste, tendo em vista reduzir o tempo de análise.
19 Observação: em vermelho: temperatura controlada 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). 3 5
20 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: H 2 O, O 2 hidrocarbonetos oxida / hidroliza algumas FE incompatíveis com DCE ruído no sinal de DIC
21 Componentes necessários à linha de gás: controladores de vazão / pressão de gás dispositivos para purificação de gás ( traps ) Cilindro de Gás 2 - Regulador de Pressão Primário 3 - Traps para eliminar impurezas do gás 4 - Regulador de Pressão Secundário 5 - Regulador de Vazão (Controlador Diferencial de Fluxo) 6 - Medidor de Vazão (Rotâmetro) Nota: Tubos e Conexões: Aço Inox ou Cobre
22 O sistema de gás arrastre pode conter um filtros para a remoção de água e outras impurezas. Filtros Peneira molecular Carvão ativado Descrição Remove vapor de água Remove contaminantes orgânicos Catalisador Remove oxigênio e vapor de água requerido para
23 CUS TO Requisitos: CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser muito caros. A B PUREZA C A = 99,995 % (4.5) B = 99,999 % (5.0) C = 99,9999 % (6.0) COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento. Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector: Detector de condutividade térmica He, H 2 Detector de ionização de chamas N 2, H 2 Detector de condutividade elétrica N 2 (SS), Ar + 5% CH 4
24 A escolha da FM depende do tipo de detector que está sendo usado e do tipo de coluna, empacotada ou capilar. COLUNA CAPILAR: necessita-se um gas auxiliar (make up) para o detector, para obter sensibilidade otimizada. Coluna capilar d.i.<0.32mm H 2 IDEAL He aceitável N 2 menos aceitável Coluna megabore- d.i. 0.53mm N 2 IDEAL He PODE SER USADO H 2 não recomendado
25 COLUNA EMPACOTADA: normalmente N 2 ou He, mas no caso de detector de condutividade térmica, H 2 ou He são os mais recomendados.
28 Com relação ao tempo de análise, quanto menor o d.i. da coluna, mais rápida será a análise, pois maior poderá ser a velocidade linear média do gás de arraste. Colunas Empacotadas (Packed Columns) Vidro, aço inox 1 a 3m d.i. 1 a 4 mm CGS e CGL Escolha da FE - similar dissolve similar
29 Colunas Capilares D.I ,75 mm 5 a 100 m Sílica fundida, vidro, aço inox. - Coluna tubular aberta com parede revestida (WCOT) - Coluna com suporte recoberto (SCOT) - Coluna com FE imobilizada ou quimicamente ligada às paredes do tubo wall bond open tubular (WBOT) - Coluna capilar(megabore) com camada porosa(plot)
33 Além da interação com a FE, o tempo que um analito demora para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p 0 ). p 0 = f Estrutura química do analito Temperatura da coluna Temperatura da coluna Pressão de vapor Velocidade de migração ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO)
34 Controle confiável da temperatura da coluna é essencial para obter boa separação em CG. TEMPERATURA DA COLUNA
35 Características Desejáveis de um Forno: AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE USO Pelo menos de T ambiente até 400 o C. Sistemas criogênicos (T< ambiente ) podem ser necessários em casos especiais. TEMPERATURA INDEPENDENTE DOS DEMAIS MÓDULOS Não deve ser afetado pela temperatura do injetor e detector. TEMPERATURA UNIFORME EM SEU INTERIOR Sistemas de ventilação interna muito eficientes para manter a temperatura homogênea em todo forno.
36 Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE: T COL BAIXA: Picos largos - Componentes mais voláteis são separados - Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo como picos mal definidos T COL ALTA: Picos empilhados - Componentes mais voláteis não são separados - Componentes menos voláteis eluem mais rapidamente
37 Com o aumento da temperatura, a pressão de vapor do analito aumenta eluindo mais rápido.
38 TEMPERATURA A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação: Consegue-se boa separação dos componentes da amostra em menor tempo Parâmetros de uma programação de temperatura: T INI Temperatura Inicial T FIM Temperatura Final t INI Tempo Isotérmico Inicial t FIM Tempo Final do Programa T FIM T INI R R Velocidade de Aquecimento t INI TEMPO t FIM
39 Possíveis problemas associados à Programação linear de temperatura: VARIAÇÕES DE VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE A viscosidade de um gás aumenta com a temperatura. viscosidade vazão DERIVA ( DRIFT ) NA LINHA DE BASE Devido ao aumento de volatilização de FE líquida