Gc fracassi

CROMATOGRAFIA GASOSA

Fabio Augusto

Instituto de Química - Unicamp
Caixa Postal 6154 - 13084-971 Campinas SP
augusto@iqm.unicamp.br

© Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

CROMATOGRAFIA GASOSA
Aplicabilidade

Quais misturas podem ser separadas por GC ?

(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:
GC é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS
DE EBULIÇÃO de até 300oC e que sejam termicamente estáveis.

O Cromatógrafo a Gás

1 6
2

4

5
3
1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão 4 - Detector
2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra 5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal
3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna 6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador)

Observação: em vermelho: temperatura controlada

INSTRUMENTAÇÃO
Gás de Arraste

Fase Móvel em GC: 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.

Requisitos:
PURO Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase
estacionária.

oxida / hidroliza algumas FE
Impurezas H2O, O2
incompatíveis com DCE
típicas em
gases e seus
efeitos:
hidrocarbonetos ruído no sinal de FID


INSTRUMENTAÇÃO
Gás de Arraste

CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser muito caros.

A = 99,995 % (4.5)
C B = 99,999 % (5.0)
CUSTO

B C = 99,9999 % (6.0)
A
PUREZA

COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para
melhor funcionamento.

Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector:

DCT He , H2

FID N2 , H2

DCE N2 (SS), Ar + 5% CH4

INSTRUMENTAÇÃO
Alimentação de Gás de Arraste

Componentes controladores de vazão / pressão de gás
necessários à
linha de gás: dispositivos para purificação de gás (“traps”)

3
4 6

2

1

5

1 - 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

INSTRUMENTAÇÃO
Microsseringas para Injeção

LÍQUIDOS Capacidades típicas: 1 µL, 5 µL e 10 µL

êmbolo agulha (inox 316)

Microseringa
de 10 µ L:

corpo (pirex)

corpo
agulha

Microseringa de 1 µ L (seção ampliada):

guia

êmbolo (fio de aço soldado
ao guia)

INSTRUMENTAÇÃO
Dispositivos de Injeção de Amostra

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

Injeção instantânea: Injeção lenta:

t=0

t=x

INSTRUMENTAÇÃO
Parâmetros de Injeção

TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se
imediatamente, mas sem decomposição

Regra Geral: Tinj = 50oC acima da temperatura de ebulição do
componente menos volátil

VOLUME INJETADO Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra

Amostras Amostras
COLUNA Líquidas Gasosas

empacotada
∅ = 3,2 mm (1/4”) 0,2 µL ... 20 µL 0,1 ml ... 50 mL

capilar
∅ = 0,25 mm 0,01 µL ... 3 µL 0,001 ml ... 0,1 mL

Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e
injeta-se a solução

1
INSTRUMENTAÇÃO
Injetor “on-column” Convencional
2

3

4

1 - Septo (silicone)
2 - Alimentação de gás de arraste)
3 - Bloco metálico aquecido
4 - Ponta da coluna cromatográfica


INSTRUMENTAÇÃO
Injeção “on-column” de líquidos

1 2 3

1 - Ponta da agulha da 2 - Amostra injetada e 3 - “Plug” de vapor de
microseringa é vaporizada amostra forçado pelo gás
introduzida no início da instantâneamente no de arraste a fluir pela
coluna início da coluna. coluna.

COLUNAS CAPILARES
Injetor com Divisão (Split Injector)
Permite introdução de ~nL de amostras fluidas com microseringas convencionais de 1 - 10 µL

3
6
2 5
8

1

4
9 7

1 Corpo aquecido do injetor 5 Válvula solenóide diversora (no modo split)

2 Controle de vazão total de gás de arraste
6 Controle de vazão da purga do septo
7 Manômetro (pressão na cabeça da coluna)
3 Septo de silicone
8 Controle de pressão na cabeça da coluna
4 Misturador (liner) de vidro 9 Coluna capilar

COLUNAS CAPILARES
Injetor com Divisão (Split Injector)
No modo split, o fluxo total
de gás de arraste é dividido
em três componentes:

Ftotal
Vazão total de entrada
Fsepto
Ftotal

Fsepto Fpurga
Vazão de purga do septo

Fpurga
Vazão de purga do injetor

Fcol
Vazão da coluna

Fcol

COLUNAS CAPILARES
Injeção com Divisão (Split Injector)

1
Agulha de microseringa contendo
amostra líquida / gasosa
introduzida no injetor através do
septo - ponta da agulha deve
penetrar no recheio do liner


COLUNAS CAPILARES

2
Amostra é injetada no recheio do
liner, onde se vaporiza
instantaneamente (?) e se dilue
homogeneamente (?) no gás de
arraste que passa pelo liner


COLUNAS CAPILARES

3
A amostra vaporizada e diluída no
gás de arraste emerge do liner


COLUNAS CAPILARES

4
O plugue de vapor de amostra
diluído no gás de arraste se divide
entre os dois fluxos de saída:
parte do material entra na coluna
e parte vai para a purga do injetor,
sendo desprezado


COLUNAS CAPILARES
Injeção com Divisão: Razão de Divisão

A quantidade de amostra introduzida na coluna depende do volume
injetado e da razão de divisão (fração da amostra não descartada):

 (Fpurga + Fcol ) SR Razão de Divisão
SR = 1 :   Fpurga Vazão da Purga do Injetor
 Fcol  Fcol Vazão na Coluna

Fcol = 1.1 mL min-1  (145 + 1.1)
EXEMPLO SR = 1 :  SR = 1 : 133
Fpurga = 145 mL min-1  1 .1  

Se Vinj = 0.5 L, o volume de amostra introduzido na coluna é (0.5/133) = 0.0038 L = 38 nL !!!

VALORES ADMISSÍVEIS TÍPICOS PARA RAZÕES DE DIVISÃO

Colunas convencionais (dc = 0.25 - 0.32 mm): 1:50 ... 1:500

Colunas de diâmetro alto (dc = 0.53 mm) ou filmes espessos de FE: 1:5 ... 1:50

Colunas para Fast GC (dC = 0.10 - 0.05 mm): até 1:1000

COLUNAS CAPILARES
Injeção com Divisão: Prós e Contras

Operação e otimização de parâmetros operacionais

☺ relativamente simples.

Espécies em concentração reduzida na amostra podem não ser
detectadas, já que as quantidades efetivamente
cromatografadas são reduzidas.

Exatidão e precisão piores que as de outras técnicas de injeção;

para análise quantitativa é mandatório o uso de padronização
interna.

Apesar de suas deficiências, provavelmente ainda é a técnica de
injeção mais popular em Cromatografia Gasosa de Alta Eficiência

É quase mandatória quando a maior parte dos constituintes
presentes na mistura deve ser detectada (óleos essenciais, materiais
petroquímicos, screening de amostras ambientais, etc.)

INSTRUMENTAÇÃO
Colunas: Definições Básicas

EMPACOTADA
CAPILAR
∅ = 3 a 6 mm
∅ = 0,1 a 0,5 mm
L = 0,5 m a 5 m
L = 5 m a 100 m
Recheada com sólido pulverizado (FE sólida
Paredes internas recober-tas com um filme
ou FE líquida depositada sobre as partículas
fino (fra-ção de µ m) de FE líquida ou sólida
do recheio) © Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

INSTRUMENTAÇÃO
Temperatura da Coluna

Estrutura química
Além da interação com a FE, o do analito
tempo que um analito demora
para percorrer a coluna depende p0 = f
de sua PRESSÃO DE VAPOR
(p0). Temperatura
da coluna

Temperatura Pressão Velocidade
da de de
coluna vapor migração

ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR
RETENÇÃO)


INSTRUMENTAÇÃO
Programação Linear de Temperatura

Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas
ISOTERMICAMENTE:

TCOL BAIXA: TCOL ALTA:

- Componentes mais voláteis não são
- Componentes mais voláteis são separados
separados

- Componentes menos voláteis demoram a - Componentes menos voláteis eluem mais
eluir, saindo como picos mal definidos rapidamente

INSTRUMENTAÇÃO

Consegue-se boa
separação dos
componentes da amostra
em menor tempo
A temperatura do forno pode ser variada
linearmente durante a separação:

Parâmetros de programação:
TFIM

TEMPERATURA
TINI Temperatura Inicial

TFIM Temperatura Final R
TINI
tINI Tempo Isotérmico Inicial

tFIM Tempo Final do Programa tINI tFIM
TEMPO
R Velocidade de Aquecimento

INSTRUMENTAÇÃO

Possíveis problemas associados à PLT:

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


COLUNAS CAPILARES
Definições Básicas

Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sólida depositada sobre as paredes internas

sílica fundida ø = 0,1 mm
MATERIAL vidro pirex a 0,5 mm
DO aço inox
Nylon L=5m
TUBO
Silcosteel a 100 m

Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de poliimida para aumentar resistência mecânica e química

L= N Colunas mais eficientes
Capilares
x CAPILARES FC = 1 ... 10 mL.min-1 Controle de vazão mais difícil
Empacotadas: Vi Dispositivos especiais de injeção

Famílias de Colunas Capilares

WCOT (Wall coated open tube) FE liquida depositada (ligada // entrecruzada) sobre as paredes internas.
PLOT (Porous layer open tube) Camada de FE sólida presa às paredes internas
SCOT (Support coated open tube) Predes internas revestidas com material de recheio similar ao das empacotadas

FASES ESTACIONÁRIAS
Conceitos Gerais

LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de
materiais inertes (colunas capilares)

SUPORTE Tubo capilar de material inerte
Sólido inerte poroso

FE
líquida

Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é:

Entrecruzada: as cadeias Quimicamente ligadas: as cadeias
poliméricas são quimicamente poliméricas são “presas” ao suporte por
ligadas entre si ligações químicas

SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a
superfície interna do tubo (capilar)

Famílias de FE Líquidas

Estrutura Química:
POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação;
ainda muito importantes. Principais: Polietilenoglicol (nomes H O CH2 CH2 OH
comerciais: Carbowax, AT-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.)
n

1 - C2 2 - t-C4 3 - C3 2 - s-C4 1 - Py 2 - 2-MePy 3 - 4-MePy 4 - DMBA
5 - C2 acril. 6 - i-C4 5 - C4 8 - i-C5 5 - NNDMA 6 - anilina 7 - o-MeAn 8 - 2,6DMA
9 - C5 10 - 2-etoxietil 9 - 2,4DMA 10 - 3,5DMA

ACETATOS (© Alltech) PIRIDINAS E ANILINAS (© Alltech)
Coluna: AT-Wax (30 m x 0,32 mm x 1,00 µm) Coluna: AT-Wax (30 m x 0,53 mm x 1,20 µm)
TCOL: 5 min a 40oC → 10oC. min-1 → 180oC TCOL: 40oC → 10oC. min-1 → 200oC
Gás de Arraste: He @ 1,6 mL.min-1 Gás de Arraste: He @ 20 mL.min-1
Detector: FID Amostra: 0,5 µL sol. CS2 / SR = 1:50 Detector: FID

Famílias de FE Líquidas

SILICONES (polisiloxanas) As FE mais empregadas em GC. Cobrem ampla faixa de
polaridades e propriedades químicas diversas.

CH3 R1 CH3
H3C Si O Si O Si CH3 R1, R2 = qualquer
radical orgânico
CH3 R2 CH3
n

- Ligação Si-O extremamente estável = elevada estabilidade térmica e química das FE.

- Silicones são fabricados em larga escala para diversas aplicações = minimização de custo do produto +
tecnologia de produção e purificação largamente estudada e conhecida.

- Praticamente qualquer radical orgânico ou inorgânico pode ser ligado à cadeia polimérica = FE
“ajustáveis” a separações específicas

- Facilidade de imobilização por entrecruzamento e ligação química a suportes

COLUNAS CAPILARES
Diâmetro Interno

dC = 0,10 mm

Aumento no diâmetro da
coluna causa alargamento
de pico e diminuição da
retenção
= MENOR EFICIÊNCIA
dC = 0,25 mm = MENOR RESOLUÇÃO

© SGE Australia © Fabio Augusto (IQ - Unicamp), 2005 - 2010

df = 0,25 µm

COLUNAS CAPILARES
Espessura do filme de FE

df = Eficiência

mas também df = 0,50 µm

df = Retenção
df = Seletividade

df = 1,00 µm


COLUNAS CAPILARES
Comprimento da Coluna L = 15 m

L = Seletividade

L = Resolução

L = Número de pratos
L = 30 m

porém

L = Tempo de Análise

L = 60 m


COLUNAS CAPILARES
Fast GC: Colunas Capilares Finas

Necessário controle acurado de vazão (controle eletrônico de pressão) e altas velocidades de aquecimento da coluna

Óleo Essencial de Limão

Separação Convencional: Coluna
DB-5 (60 m x 0,25 mm x 0,25 µm);
Gás de Arraste: He @ 25 cm/s;
Forno: 8 min @ 75°C → 4°C/min →
5 min @ 200°C; Vinj = 1 µL (SR =
1/150)

Separação Rápida: Coluna DB-5 (20
m x 0,10 mm x 0,10 µm); Gás de
Arraste: H2 @ 60 cm/s; Forno: 3
min @ 40°C → 30°C/min → 3 min @
185°C; Vinj = 1 µL (SR = 1/275)

© Agilent

DETECTORES
Definições Gerais

Dispositivos que geram um sinal elétrico proporcional à quantidade eluida de um analito

~ 60 detectores já usados em GC

~ 15 equipam cromatógrafos comerciais

4 respondem pela maior parte das aplicações

DCT TCD FID FID
Detector por Detector por
Condutividade Ionização em
Térmica Chama

DCE ECD EM MS
Detector por Detector Es-
Captura de pectrométrico de
Eletrons Massas

DETECTORES
Classificação

UNIVERSAIS: Geram sinal para
qualquersubstância eluida.

SELETIVOS: Detectam apenas substâncias com
determinada propriedade físico-química.

ESPECÍFICOS: Detectam substâncias que
possuam determinado elemento ou grupo estrutural


INSTRUMENTAÇÃO
Detectores

Mais Importantes:

DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) Variação da condutividade
térmica do gás de arraste.

DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (FID 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.

ANALÓGICO
Registradores XY

REGISTRO
DE
SINAL
DIGITAL
Integradores
Computadores

DETECTORES
Detector por Ionização em Chama

PRINCÍPIO Formação de íons quando um analito é queimado em uma chama de hidrogênio e oxigênio

O efluente da coluna é misturado com H2 e Quando um composto orgânico elui, ele
O2 e queimado. Como numa chama de H2 + também é queimado. Como na sua queima
O2 não existem íons, ela não conduz são formados íons, a chama passa a
corrente elétrica. conduzir corrente elétrica


DETECTORES
Características Operacionais do FID

SELETIVIDADE Seletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura.
(como virtualmente todas as substâncias analizáveis por GC são orgânicas, na prática o FID é UNIVERSAL)

NH3, NxOy Gases nobres
SiX4 (X = halogênio) H2, O2, N2
Compostos que NÃO geram resposta no FID:
H2O CO, CO2, CS2
HCOOH, HCHO * CCl4, peralogenados

FID CH4

CO2

O2
TCD
N2

SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 107 e
108 (pg a mg)

DETECTORES
Características Operacionais do FID

FATORES DE RESPOSTA O fator de resposta de um composto é aproximadamente proporcional
ao número átomos de carbono. Presença de heteroelementos diminui o fator de resposta.

Átomo X
C alifático +1,00
C aromático +1,00
Número Efetivo de Carbonos (NEC) C olefiníco +0,95
Prevê com ~20% de aproximação o fator C carbonila +0,00
de resposta de um composto. (X = Contribuição de cada átomo O álcool prim. -0,60
ao NEC)
Cl alifático -0,12

Mistura com quantidades
equimolares de:

C2H6 → NEC = 2,00

C2H5OH → NEC = 1,40

CH3CHO → NEC = 1,00

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

S
=3
N

SINAL (S)
RUÍDO Qualquer componente do
sinal gerado pelo detector que
não se origina da amostra

RUÍDO (N)

Contaminantes nos gases

Fontes
de Impurezas acumuladas no detector
Ruído
Aterramento elétrico deficiente


DETECTORES

LIMITE DE DETEÇÃO Quantidade de analito que gera um pico com S/N = 3 e wb = 1 unidade de tempo

Mesmo detector, nível de ruído
e massa de analito MAS
diferentes larguras de base:

wb

Detector (sinal gerado, ruído)
QMD = f
Largura do pico cromatográfico

Definindo limite de detecção como:

LD é independente da [QMD] = [LD] =
eficiência do sistema massa massa / tempo
cromatográfico ! (ng, pg ...) (ng.s-1, pg.s-1 ...)


DETECTORES

SENSIBILIDADE Relação entre o incremento de área do pico e o incremento de massa do analito

S
ÁREA

Fator de Resposta, S:
inclinação da reta Área Sensibilidade
do pico x Massa do
analito

o mesmo incremento de
massa causa um maior
MASSA incremento de área

Na ausência de erros A = área do pico cromatográfico
determinados: m = massa do analito

ANÁLISE QUALITATIVA
Conceitos Gerais

Identificação individual das
espécies contidas na amostra
Aplicações
Qualitativas
de GC
Determinação da identidade da
amostra propriamente dita

Fontes de Informações Qualitativas

RETENÇÃO Uso de dados de retenção de um analito para sua identificação

DETECÇÃO Detectores que fornecem informações estruturais sobre as substâncias eluídas

Para análise qualitativa confiável por GC é recomendável combinação de dados provenientes
de pelo menos duas fontes

Tempos de Retenção

Interações analito / FE
t’R = f Pressão de vapor do analito
Condições operacionais (TCOL, FC ...)

AMOSTRA

Comparação de
Fixas as condições cromatogramas da
operacionais, o tempo
amostra e de uma
de retenção ajustado do PADRÃO
analito é uma constante solução padrão do
analito suspeito



Identificação por t’R é muito pouco confiável:

Dependência com FC e TCOL Variações nestas condições afetam os t’R

∆TCOL = ± 0,1%
VARIAÇÃO DE ±
1% NO t’R
∆FC = ± 1%

Sobrecarga na coluna Aumento excessivo na massa eluida deforma o pico e altera o seu t’R

Saturação da coluna
MASSA

cromatográfica com
aumento de massa
eluida provoca “cauda
frontal” no pico



Comparação de t’R usando dopagem (“spiking”) da amostra com o analito suspeito:
aumento da confiabilidade de identificação.

Amostra complexa: incerteza nos t’R
medidos pode levar a identificação
errônea

Comparação com cromatograma da
amostra dopada permite identificação
mais confiável do desconhecido


Índice de Retenção de Kovàts

O índice de retenção de Kovàts I para um analito é definido por:

t’R (A) Tempo de retenção ajustado do
analito A
t’R (N) Tempo de retenção ajustado do
n-alcano com N carbonos
t’R (n) Tempo de retenção ajustado do
n-alcano com n carbonos (n = N + 1)

Interpolação
logarítmica dos t’R

Ex.: um analito com I = 874 teria um tempo de retenção ajustado equivalente ao de um n-alcano hipotético
com cadeia de 8,74 átomos de carbono

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