Cromatografia PrincíPios Cg

Introdução aos Métodos Cromatográficos ANÁLISE INSTRUMENTAL Prof. Bruno Cortez 1º semestre - 2008

DEFINIÇÃO Conjunto de técnicas de separação cujo princípio depende da distribuição diferenciada dos componentes de uma mistura entre duas fases , uma considerada estacionária , e a outra, móvel . CROMATOGRAFIA KROMA + GRAPH (COR) (ESCREVER)

DEFINIÇÃO 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

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA AFINIDADE  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

LÍQUIDA Critérios de avaliação Técnica Fase móvel Fase estacionária Tipos de cromatografia 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 )

TIPOS DE CROMATOGRAFIA Permeação Exclusão CE Bioatividade Bioafinidade CB Interações Polares Troca Iônica CTI Partilha e Adsorção Líquida com Fase Quimicamente Ligada CLFL Adsorção Líquido-Sólido CLS Partilha Líquido-Líquido CLL Adsorção CSS com Fase Quimicamente Ligada CSFL Adsorção Sólida com Fase Móvel Super-crítica CSS Adsorção Gasosa com Fase Quimicamente Ligada CGFL Adsorção Gás-Sólido CGS Distribuição Gás-Líquido CGL Partilha e Adsorção Camada Delgada com Fase Quimicamente Ligada CCD-FL Partilha Camada Delgada CCD Partilha Papel CP TIPO DE SEPARAÇÃO NOME SIGLA

TIPOS DE SEPARAÇÃO Os princípios físico-químico básicos de separação são: Adsorção: O soluto é retido pela superfície da fase estacionária através de interações químicas ou físicas. Partição: O soluto se dissolve na parte líquida que envolve a superfície do suporte sólido. Troca iônica: O íon da amostra se liga à carga fixa (grupo funcional) da fase estacionária. Exclusão moléculas: As moléculas são separadas por tamanho, havendo retenção das maiores. Bioafinidade: Ocorre uma ligação molecular específica e reversível entre o soluto e o ligante fixado à fase estacionária.

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em colunas convencionais Considere a aplicação de uma mistura de compostos orgânicos no topo de uma coluna cromatográfica

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em colunas convencionais Estabelecida a percolação da FE com o eluente (FM), os componentes da mistura passarão a migrar com velocidades desiguais caso o sistema seja adequado para a separação SELETIVIDADE

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em colunas convencionais Uma boa seletividade cromatográfica garantirá uma boa separação entre os componentes da amostra

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em colunas convencionais Cada componente da amostra poderá ser coletado isoladamente, através de um coletor de frações (neste caso, um simples frasco coletor)

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em coluna O monitoramento do eluato da coluna pode ser feito através de um detector, cujo sinal identifica a “saída” de cada componente da mistura, isoladamente

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em coluna A resposta do detector é traduzida em um gráfico, ou CROMATOGRAMA , que relaciona o seu sinal com o tempo necessário para a eluição de cada componente.

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Separação em coluna As moléculas de cada componente também migram com velocidades desiguais devido a fenômenos de difusão e transferência de massa

ANÁLISE CROMATOGRÁFICA Eluição típica em cromatografia líquida

DEFINIÇÃO DE TERMOS Tempo de retenção O tempo gasto desde o ato de injeção até a saída do ponto máximo do pico do sistema O tempo de retenção engloba todo o tempo que o componente em questão fica no sistema cromatográfico, quer na fase móvel quer na fase estacionária

DEFINIÇÃO DE TERMOS Tempo de retenção corrigido Quando as moléculas do soluto ficam na fase móvel, elas devem movimentar-se com a mesma velocidade das moléculas da própria fase móvel. Parte do tempo em que as moléculas do soluto estão na fase móvel é igual ao tempo gasto para as moléculas da fase móvel percorrerem a coluna, t m SENDO ASSIM, PARTE DO TEMPO EM QUE AS MOLÉCULAS DO SOLUTO FICAM RETIDAS NA FASE ESTACIONÁRIA É CALCULADA PELA DIFERENÇA

DEFINIÇÃO DE TERMOS Seletividade Para a cromatografia em coluna, o fator de separação (SELETIVIDADE) é calculado pela razão entre os respectivos fatores de retenção que, por sua vez, são relacionados aos tempos de retenção corrigidos

DEFINIÇÃO DE TERMOS Seletividade

DEFINIÇÃO DE TERMOS Capacidade

MÉTODOS CROMATOGRÁFICOS TEORIAS Martin e Synge – Biochem. J. 35, 1358 (1941) Meio descontínuo análogo às colunas de destilação fracionada, constituído por um grande número de estágios de equilíbrio ou PRATOS TEÓRICOS (TEORIA DOS PRATOS TEÓRICOS) Van Deemerter, Zuiderweg e Klinkenberg – Chem. Eng. Sci. 5, 271 (1956) Meio contínuo através do qual a separação ocorre por fenômenos de difusão e transporte de massa (TEORIA DA VELOCIDADE)

TEORIA DOS PRATOS TEÓRICOS Número de pratos teóricos Coluna cromatográfica definida como uma série de estágios independentes onde acontece um quase-equilíbrio entre o analito dissolvido na fase estacionária (FE) e o gás de arraste

TEORIA DOS PRATOS TEÓRICOS Número de pratos teóricos O coeficiente Kc determina a distribuição da amostra (A) entre as fases móvel (M) e estacionária (S) em um determinado estágio do equilíbrio, obviamente hipotético. Quanto mais efetiva for a presença de A na fase móvel (M) menor será o seu tempo de retenção

TEORIA DOS PRATOS TEÓRICOS Número de pratos teóricos

TEORIA DOS PRATOS TEÓRICOS Cálculo do número de pratos teóricos

TEORIA DOS PRATOS TEÓRICOS Altura equivalente à um prato teórico

RESOLUÇÃO CROMATOGRÁFICA Equação geral

RESOLUÇÃO CROMATOGRÁFICA Otimização de Separações

DETECTORES Definições Gerais Dispositivos que geram um sinal elétrico proporcional à quantidade eluída de um analito ~60 detectores já usados em CG ~15 equipam cromatógrafos comerciais 4 respondem pela maior parte das aplicações Detector por Condutividade Térmica DCT Detector por Ionização em Chama DIC Detector por Captura de Elétrons DCE Detector Espectrométrico de Massas EM

DETECTORES Parâmetros Básicos de Desempenho Quantidade Mínima Detectável Massa de um analito que gera um pico com altura igual a três vezes o nível de ruído

DETECTORES Parâmetros Básicos de Desempenho Limite de Detecção Quantidade de analito que gera um pico com S/N=3 e wb=1 unidade de tempo

DETECTORES Parâmetros Básicos de Desempenho Velocidade de Resposta Tempo decorrido entre a entrada do analito na cela do detector e a geração do sinal elétrico

DETECTORES Parâmetros Básicos de Desempenho Sensibilidade Relação entre o incremento de área do pico e o incremento de massa do analito.

DETECTORES Parâmetros Básicos de Desempenho Faixa Linear Dinâmica Intervalo de massas dentro do qual a resposta do detector é linear

DETECTORES DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA Princípio: Variação na condutividade térmica do gás quando da eluição de um analito

DETECTORES DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA SELETIVIDADE SENSIBILIDADE/ LINEARIDADE VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE universal ótima!!!

DETECTORES DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA Configuração tradicional do DCT: bloco metálico com quatro celas interligadas em par – por duas passa o efluente da coluna e por duas, o gás de arraste puro

DETECTORES DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA Quando da eluição de um composto com condutividade térmica menor que a do gás de arraste puro:

DETECTORES DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA Os filamentos do DCT são montados numa ponte de Wheatstone que transforma a diferença de resistência quando da eluição de amostra numa diferença de voltagem:

DETECTORES CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DO DCT SELETIVIDADE : Observa-se sinal para qualquer substância eluída diferente do gás de arraste = UNIVERSAL SENSIBILIDADE/LINEARIDADE : Dependendo da configuração particular e do analito: QMD=0,4 ng a 1 ng com linearidade de 10 4 (ng = dezenas de  g) VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE : O sinal é proporcional à concentração do analito no gás de arraste que passa pela cela de amostra

DETECTORES Características Operacionais do DCT Natureza do Gás de Arraste: Quanto maior a diferença de Δ  entre a condutividade térmica do gás de arraste puro,  A , e do analito  X , MAIOR A RESPOSTA. Δ  =  A -  X Como  ≈ 1/M (M=massa molecular) QUANTO MENOR A MASSA MOLECULAR DO GÁS DE ARRASTE, MAIOR A RESPOSTA

DETECTORES Características Operacionais do DCT FATORES DE RESPOSTA: Quanto menor a condutividade térmica do analito, maior o sinal Os fatores de resposta dependem da condutividade térmica do analito Quantidades iguais de substâncias diferentes geram picos cromatográficos com áreas diferentes!!!

DETECTORES Características Operacionais do DCT TEMPERATURAS DE OPERAÇÃO: Quanto maior a diferença entre a temperatura dos filamentos e do bloco metálico maior a resposta.

DETECTORES APLICAÇÕES Separação e quantificação de compostos que não geram sinal em outros detectores (gases nobres, gases fixos) Por ser um detector NÃO-DESTRUTIVO, pode ser usado em CG preparativa ou detecção seqüencial com dois detectores em “tandem”.

DETECTORES CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS GASES

DETECTORES DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA PRINCÍPIO: Formação de íons quando um composto é queimado em uma chama de hidrogênio e oxigênio.

DETECTORES DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA

DETECTORES DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA Região de quebra: Mistura dos gases, pré-aquecimento, início da quebra das moléculas de H 2 , O 2 e outros analitos Zona de reação: Reações exotérmicas com produção e/ou consumo de radicais H, O, OH, HO 2 (provenientes do H 2 ), CH e C 2 (proveniente do analito) e íons CHO + (analito) Zona de incandescência: Emissão de luz por decaimento de espécies excitadas: OH (luz UV), CH e C 2 (visível)

DETECTORES Características Operacionais do DIC SELETIVIDADE : Seletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura química Como virtualmente todas as substâncias analisáveis por CG são orgânicas, na PRÁTICA o DIC é UNIVERSAL )

DETECTORES Características Operacionais do DIC SENSIBILIDADE/LINEARIDADE: QMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 10 7 e 10 8 (pg a mg) VAZÕES DE GASES: Além do gás de arraste, as vazões de alimentação de ar (comburente) e hidrogênio (combustível) devem ser otimizadas.

DETECTORES Características Operacionais do DIC TEMPERATURA DE OPERAÇÃO: O efeito da temperatura sobre o sinal do DIC é negligenciável. TRATAMENTO DO SINAL: Por causa da baixa magnitude da corrente elétrica gerada (pA a nA), ela deve ser amplificada para poder ser registrada.

DETECTORES Características Operacionais do DIC FATORES DE RESPOSTA: O fator de resposta de um determinado composto é aproximadamente proporcional ao número de átomos de carbono. Presença de heteroelementos diminui o fator de resposta.

DETECTORES DETECTOR DE NITROGÊNIO-FÓSFORO Modificação do DIC altamente seletiva para compostos orgânicos nitrogenados e fosforados

DETECTORES DETECTORES POR CAPTURA DE ELÉTRONS PRINCÍPIO : Supressão de um fluxo de elétrons lentos (termais) causada pela sua absorção por espécies eletrofílicas

DETECTORES DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS MECANISMO DE CAPTURA DE ELÉTRONS

DETECTORES Características Operacionais do DCE FONTE RADIOATIVA: O ânodo deve estar dopado com um isótopo radioativo β ou α emissor

DETECTORES Características Operacionais do DCE Polarização dos eletrodos: Vários modos de polarização possíveis VOLTAGEM CONSTANTE: Pouco usada modernamente  picos cromatográficos podem ser deformados VOLTAGEM PULSADA: Menos anomalias elétricas  maior sensibilidade e linearidade Temperatura do detector: Dependência do sinal com temperatura de operação bastante significativa Variação de ± 3 ºC na temperatura  Erro ~10% na área dos picos Magnitude e sinal do erro depende do composto analisado! TEMPERATURA DO DCE DEVE SER RIGOROSAMENTE CONTROLADA

DETECTORES Características Operacionais do DCE GÁS DE ARRASTE: Funcionamento do DCE é muito dependente da natureza do gás de arraste

DETECTORES Características Operacionais do DCE SENSIBILIDADE/LINEARIDADE: QMD=0,01 pg a 1 pg (organoclorados), linearidade ~10 4 (pg a ng)

DETECTORES Características Operacionais do DCE SELETIVIDADE/FATORES DE RESPOSTA Valores de S maximizados para compostos eletrofílicos

DETECTORES Detector de Captura de Elétrons APLICAÇÃO

CROMATOGRAFIA GASOSA 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 O que analisar?

CROMATOGRAFIA GASOSA ALGUMAS APLICAÇÕES Indústria Petroquímica Alimentos e Bebidas Biocidas Medicamentos Meio ambiente

CROMATOGRAFIA GASOSA GÁS DE ARRASTE FASE MÓVEL EM CG: NÃO interage com a amostra – apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como gás de arraste 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 Requisitos

CROMATOGRAFIA GASOSA Impurezas típicas em gases e seus efeitos: H 2 O, O 2  oxida/hidrolisa algumas FE, incompatíveis com DCE Hidrocarbonetos  ruído no sinal de DIC

CROMATOGRAFIA GASOSA GASES - FILTROS

CROMATOGRAFIA GASOSA CUSTO: Gases de altíssima pureza podem ser muito caros

CROMATOGRAFIA GASOSA COMPATÍVEL COM UM DETECTOR: Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento

CROMATOGRAFIA GASOSA Alimentação do gás de arraste

CROMATOGRAFIA GASOSA Dispositivos de Injeção de Amostra Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica

CROMATOGRAFIA GASOSA SISTEMAS DE INJEÇÃO

CROMATOGRAFIA GASOSA INJETOR “ON-COLUMN” CONVENCIONAL

CROMATOGRAFIA GASOSA Injeção “on-column” de líquidos

CROMATOGRAFIA GASOSA INJETORES SPLIT/SPLITLESS

CROMATOGRAFIA GASOSA SPLIT Amostras concentradas onde a diluição com solvente é impossível particularmente devido a co-eluição SPLITLESS Amostras diluídas ou análise de traços Análise em ampla faixa de ponto de ebulição e polaridade Adequado para análide de amostras complexas (multicomponentes)

CROMATOGRAFIA GASOSA Parâmetros de Injeção TEMPERATURA DO INJETOR: Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição REGRA GERAL : T inj =50 ºC acima da temperatura de ebulição do componente menos volátil VOLUME INJETADO: Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução

CROMATOGRAFIA GASOSA MICROSSERINGAS PARA INJEÇÃO LÍQUIDOS: capacidades típicas  1 μ L, 5 μ L e 10 μ L

CROMATOGRAFIA GASOSA COLUNAS CROMATOGRÁFICAS Colunas empacotadas

CROMATOGRAFIA GASOSA COLUNAS CROMATOGRÁFICAS Coluna Empacotada VANTAGENS Simples preparação e uso Tecnologia clássica Grande número de fases líquidas Capacidade alta e longa durabilidade Usada para análise de gases com DCT DESVANTAGENS Número de pratos limitado Exige controle da vazão da fase móvel Análises relativamente demoradas Baixa resolução para amostras complexas

CROMATOGRAFIA GASOSA Temperatura da Coluna Além da interação da FE, o tempo que um analito demora para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p 0 )

CROMATOGRAFIA GASOSA Temperatura da Coluna CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER BOA SEPARAÇÃO EM CG

CROMATOGRAFIA GASOSA FORNO DA COLUNA Características desejáveis de um forno: Ampla faixa de temperatura de uso: Pelo menos de T amb até 400 ºC. Sistemas criogênicos (T < T amb ) 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

CROMATOGRAFIA GASOSA FORNO DA COLUNA Características desejáveis de um forno: Fácil acesso à coluna: A operação de troca de coluna pode ser freqüente Aquecimento e resfriamento rápido: Importante tanto em análises de rotina e durante o desenvolvimento de metodologias analíticas novas Temperatura estável e reprodutível: A temperatura deve ser mantida com precisão e exatidão de ± 0,1 ºC EM CROMATÓGRAFOS MODERNOS (DEPOIS DE 1980) O CONTROLE DE TEMPERATURA DO FORNO É TOTALMENTE OPERADO POR MICROCOMPUTADORES

CROMATOGRAFIA GASOSA Programação Linear de Temperatura Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:

CROMATOGRAFIA GASOSA Programação Linear de Temperatura A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação:

CROMATOGRAFIA GASOSA Programação Linear de Temperatura POSSÍVEIS PROBLEMAS ASSOCIADOS À PLT

CROMATOGRAFIA GASOSA DETECTORES: Dispositivos que examinam continuamente o material eluído, gerando sinal quando da passagem de substâncias que não o gás de arraste

CROMATOGRAFIA GASOSA DETECTORES MAIS IMPORTANTES: Detector por condutividade térmica (DCT ou TCD): Variação da condutividade térmica do gás de arraste Detector por Ionização de Chama (DIC ou FID): Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H 2 + ar Detector por Captura de Elétrons (DCE ou ECD): Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS

CROMATOGRAFIA GASOSA Características de uma FE ideal SELETIVA: Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra REGRA GERAL: A FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático...)

CROMATOGRAFIA GASOSA 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 POUCA VISCOSIDADE: 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

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS: ADSORÇÃO O fenômeno físico-químico responsável pela interação do analito + FE sólida é a ADSORÇÃO A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS: ADSORÇÃO

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS Características Gerais: Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105  m a 420  m) Grandes áreas superficiais (até 10 2 m 2 /g)

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS LÍQUIDAS: ABSORÇÃO O fenômeno físico-químico responsável pela interação do analito + FE sólida é a ABSORÇÃO A ABSORÇÃO OCORRE NO INTERIOR DO FILME DE FE LÍQUIDA (FENÔMENO INTRAFACIAL)

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS LÍQUIDAS: ABSORÇÃO

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS QUIRAIS Separação de isômeros óticos

CROMATOGRAFIA GASOSA FASES ESTACIONÁRIAS QUIRAIS

CROMATOGRAFIA GASOSA COLUNAS EMPACOTADAS Tubo de material inerte recheado com FE sólida granulada ou FE líquida depositada sobre um suporte sólido

CROMATOGRAFIA GASOSA COLUNAS EMPACOTADAS FE Líquidas: SUPORTE

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