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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA GRADUAÇÃO EM QUÍMICA MÉTODOS DE SEPARAÇÃO QUÍMICA ANALÍTICA Profª. Dra. Janyeid Karla Castro Sousa janyeid.castro@ufma.br
Introdução - Definição A cromatografia é um método físico-químico de separação dos componentes de uma mistura, realizada através da distribuição desses componentes em duas fases, que estão em contato íntimo. Uma das fases permanece estacionária, enquanto a outra se move através dela.
Introdução - Definição • Fase móvel: solvente que percola a coluna carregando os solutos • Fase estacionária: sólido que permanece dentro da coluna de separação
Cromatografia em Coluna – Separação Cromatográfica • A migração diferencial resulta da diferença de equilíbrio entre as duas fases imiscíveis. • Fatores que afetam o equilíbrio: composição da fase móvel, composição da fase estacionária, velocidade da fase móvel e temperatura da separação. Mudanças em um ou mais destes parâmetros levam a alterações na migração diferencial.
Classificação das Técnicas Cromatográficas • De acordo com o sistema cromatográfico • Em Coluna • Cromatografia Líquida • Cromatografia Gasosa • Cromatografia Supercrítica • Planar • Cromatografia em Camada Delgada (CCD) • Cromatografia em Papel (CP)
Classificação das Técnicas Cromatográficas • De acordo com a fase móvel • Utilização de Gás • Cromatografia Gasosa (GC) • Cromatografia Gasosa de Alta Resolução (HRGC) • Utilização de Líquido • Cromatografia Líquida Clássica (LC) • Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC) • Utilização de Gás Pressurizado • Cromatografia Supercrítica (SC)
Classificação das Técnicas Cromatográficas De acordo com a Fase Estacionária • Líquida • Sólida • Quimicamente Ligadas De acordo com o modo de separação • Por Adsorção • Por Partição • Por Troca Iônica • Por Afinidade
Classificação das Técnicas Cromatográficas Líquido Gás Líquido Troca Iônica Afinidade Fase Ligada Líq Sól Líq Sól Líq Sól Exclusão Técnica Planar Coluna FM FE Tipo de cromato-grafia CP CCD CGL CGS CLL CLS CTI CB CLFL CE
Cromatografia em Fase Gasosa Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA e uma FASE MÓVEL *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
Cromatografia em Fase Gasosa Princípio da Separação Os dois fatores que governam a separação dos constituintes são: • Solubilidade na Fase Estacionária quanto maior a solubilidade de um constituinte na FE, mais lentamente ele caminha pela coluna. • Volatilidade: quanto maior a pressão de vapor menor o tempo de retenção, maior tendência de permanecer vaporizada e mais rapidamente caminha pelo sistema.
Cromatografia em Fase Gasosa Separação em GC
Processos de separação em CG PARTIÇÃO Fase móvel gasosa Fase estacionária líquida Processos de Solubilidade O processo de partição é intrafacial e a volta de cada componente para a fase móvel depende da sua volatilidade.
Processos de separação em CG ADSORÇÃO Fase móvel gasosa Fase estacionária sólida Processos de adsorção/dessorção
Processos de separação em CG Injetor: submetido à temperatura controlada Detector: submetido à temperatura controlada Fase móvel: gás inerte Coluna: contendo a fase estacionária está submetida à temperaturas controladas
Cromatografia em Fase Gasosa de Alta Resolução (HRGC) • O principal mecanismo de separação da GC é baseado na partição dos componentes da amostra entre a fase móvel gasosa e a fase estacionária líquida. Nas fases estacionárias sólidas a separação ocorre por adsorção, apresenta poucas aplicações. • A GC é uma das técnicas analíticas mais utilizadas. Além de possuir um alto poder de resolução, é possível a detecção em escala de nano a picogramas (10-9 a 10-12 g)
Cromatografia em Fase Gasosa de Alta Resolução (HRGC) Limitações: • A grande limitação deste método é a necessidade de que a amostra seja volátil ou estável termicamente, embora amostras não voláteis ou instáveis possam ser derivatizadas quimicamente • Requer preparo da amostra (interferências e contaminações) • Tempo e custo elevado • Eficiência qualitativa limitada.
Cromatografia em Fase Gasosa O que analisar por GC? • Compostos voláteis de pontos ebulição de até 450 0C e pesos moleculares menores que 500. • Compostos que possam produzir derivados voláteis. • Compostos termicamente estáveis nas condições de trabalho.
Cromatografia em Fase Gasosa Fase Móvel: Gás de Arraste O gás de arraste deve ser quimicamente inerte. A escolha do gás de arraste depende do tipo de detector que será utilizado. Fase estacionária Líquido não voláteis (principalmente a base de PDMS) Sólidos (principalmente a base de terra diatomácea) Analitos Gás ou líquidos voláteis. Hidrocarbonetos, ácidos graxos, óleos essenciais, pesticidas, etc. Estima-se que 10 a 20% dos compostos conhecidos possam ser analisados por GC.
oxida / hidrolisa algumas FE incompatíveis com ECD H2O, O2 hidrocarbonetos ruído no sinal de FID Cromatografia em Fase Gasosa – Gás de Arraste Requisitos INERTE: Não deve reagir com a amostra, nem com a 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:
Cromatografia em Fase Gasosa – Gás de Arraste • Alimentação do gás de arraste
A = 99,995 % (4.5) B = 99,999 % (5.0) C = 99,9999 % (6.0) C CUSTO B A He , H2 TCD PUREZA Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector: N2 , H2 FID N2 , Ar + 5% CH4 ECD Cromatografia em Fase Gasosa – Gás de Arraste CUSTO: Gases de altíssima pureza podem ser muito caros. COMPATÍVEL COM DETECTOR: Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento.
t = 0 t = x t = 0 t = x Cromatografia em Fase Gasosa – Injetor Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica Injeção instantânea: Injeção lenta:
1 2 3 4 Cromatografia em Fase Gasosa – Injetor Injetor “on column” 1 - Septo (silicone) 2 - Alimentação de gás de arraste) 3 - Bloco metálico aquecido 4 - Ponta da coluna cromatográfica
1 - Ponta da agulha da microsseringa é introduzida no início da coluna. 2 - Amostra injetada e vaporizada instantaneamente no início da coluna. 3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás de arraste a fluir pela coluna. 2 3 1 Cromatografia em Fase Gasosa – Injetor Injetor “on column”
Cromatografia Gasosa – Injetor Injetor Split/Spliless
Amostras Líquidas Amostras Gasosas COLUNA empacotada = 3,2 mm (1/4”) 0,2 L ... 20 L 0,1 mL ... 50 mL capilar = 0,25 mm 0,01 L ... 3 L 1 mL ... 100 mL Cromatografia em Fase Gasosa – Injetor Parâmetros de injeção TEMPERATURA DO INJETOR:Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição. Regra Geral:Tinj = 50oCacimada 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 em Fase Gasosa – Forno Características Desejáveis de um Forno Ampla faixa de temperatura de uso: pelo menos de Tambiente até 400 oC. Sistemas criogênicos (T < Tambiente) 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. Fácil acesso à coluna: a operação de troca de coluna pode ser freqüente. Aquecimento e esfriamento rápido: importante tanto em análises de rotina quanto em desenvolvimento de metodologias analíticas novas. Temperatura estável e reprodutível: a temperatura deve ser mantida com exatidão e precisão de ± 0,1°C.
Cromatografia em Fase Gasosa – Colunas A coluna suporta a FE. Em GC a coluna pode ser recheada (Ø = 3 a 6 mm e L = 0,5 m a 5 m) ou capilar (Ø = 0,1 a 0,5 mm e L = 5 m a 100 m).
Cromatografia em Fase Gasosa – Colunas WCOT (Wall Coated Open Tubular – a fase estacionária está sob a forma de um filme líquido). SCOT (SupportCoated Open Tubular – suporte recoberto com fase estacionária líquida). PLOT (PorousLayer Open Tubular – a fase estacionária é um sólido finamente dividido).
Cromatografia em Fase Gasosa – Colunas Tipos de Colunas
Fase Estacionária – Colunas Apolar: hidrocarbonetos não aromáticos, silicones (ex. SE-30) . Polar: contém grande quantidade de grupos polares (Ex.: Carbowax)- interações tipo pontes de hidrogênio Intermediária: grupos polares ou potencialmente polares em esqueleto apolar Escolha da coluna: • Polaridade da fase estacionária, • diâmetro e espessura do filme quantidade de amostras, tempo de análise, pressão (velocidade da FM), temperatura do forno • Comprimento pratos teóricos
FE Seletiva: separação adequada dos constituintes da amostra FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com coluna de boa eficiência Fase Estacionária – Colunas REGRA GERAL: a FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático ...) FE SELETIVA (ideal): Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra.
