APRESENTAÇÃO

1. APRESENTAÇÃO Sérgio Machado Corrêa Técnico em Química – ETFQ Licenciado em Química – UERJ Mestre em Físico Química – UFRJ Doutor em Físico Química – UFRJ Professor da Graduação em Engenharia de Produção Professor do Mestrado em Química Ambiental Professor do Doutorado em Meio Ambiente

2. TÓPICOS Cromatografia Gasosa Cromatografia Líquida Análise Quantitativa e Qualitativa Cromatografia Preparativa Problemas Mais Comuns Cuidados com a Amostra Aplicações Ambientais

3. EMENTA DA CROMATOGRAFIA GASOSA • Histórico • Princípios e definições • Classificação • Aplicações • Equipamento básico • Vantagens e desvantagens • Teoria básica, clássica e cinética • Parâmetros operacionais • Componentes: fase móvel, filtros, injetor, microseringa, técnicas de injeção, forno, colunas, detetores (DIC, DCT, DCE, DNP e DSM)

4. EMENTA DA CROMATOGRAFIA LÍQUIDA • Teoria básica • Parâmetros operacionais • Instrumentação • Bombas • Sistemas de introdução de amostras • Colunas • Fase móvel • Detectores

5. BIBLIOGRAFIA • Neto, F.R.A., Nunes, D.S.S. (2003) Cromatografia. Princípios básicos e técnicas afins, Editora Interciência, 1ª edição. • Collins, C.H., Braga, G.L., Bonato, P.S. (1993) Introdução aos métodos cromatográficos, Editora da UNICAMP, 5ª edição. • McNair, H.M., Miller, J.M. (1997) Basic Gas Chromatography, John Wiley & Sons, Inc., 1st edition. • Lanças F.M., Extração em Fase Sólida (SPE), Rima, São Carlos, SP, 2004. • Ciola R., Fundamentos da cromatografia a líquido de alto desempenho, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 1998.

6. HISTÓRICO 1900 – D. T. Day  estudo do petróleo 1906 – botânico Tswett  extrato vegetal 1930 – Huhn e Lederer  xantofilas e gema de ovo 1941 – Martin e Synge  teoria CG 1941 – Hesse  cromatografia gasosa 1952 – Martin e Synge  Prêmio Nobel 1956 – Griffin e George  primeiro equipamento 1957 – Golay  CG capilar 1970 – colunas SCOT 1974 – colunas PLOT

7. HISTÓRICO - Primeiros Experimentos éter de petróleo mistura de pigmentos CaCO3 pigmentos separados

8. PRINCÍPIOS fase estacionária fase móvel Interação dos componentes da amostra entre a FM e a FE

9. DEFINIÇÃO DA IUPAC Cromatografia é um método físico de separação no qual os componentes a serem separados estão distribuídos entre duas fases, uma delas é estacionária e outra se move em uma direção.

10. CLASSIFICAÇÃO CROMATOGRAFIA nosso curso planar coluna FM líquido gás líquido FE líquido sólido líquido sólido líquido sólido CCD TIPO CP CGL CGS CLL CLS

11. CROMATOGRAFIA GASOSA PRINCÍPIOS - Pocesso de Separação FE líquida  absorção FE sólida  adsorção FE sólida FE líquida FM FM componente

12. CROMATOGRAFIA GASOSA CLASSIFICAÇÃO CONVENCIONAL CG ALTA RESOLUÇÃO CGAR • até meados da década de 80 • baixa resolução • picos largos • colunas recheadas • maior quantidade de amostra • domínio após década de 80 • alta resolução • picos estreitos • colunas capilares • requer menos amostra

13. CROMATOGRAFIA GASOSA APLICAÇÕES GERAL: separação e análise de misturas com constituintes com PE até 300oC e que sejam termicamente estáveis EXEMPLOS:  química ambiental  química forense  petroquímica  bioquímica  cosméticos  fármacos 70% de todas as técnicas analíticas

14. 8 - cromatograma 1- fase móvel 2- regulador 3 - amostra 6 - detetor 7 - eletrônica 4 - injetor 5 – forno + coluna CROMATOGRAFIA GASOSA EQUIPAMENTO BÁSICO

15. CROMATOGRAFIA GASOSA VANTAGENS • Análise rápida (escala de minutos) • Análise eficiente com alta resolução • Alta sensibilidade (>100 ppb) • Não destrutiva (alguns detectores) • Alta acurácia para análises quantitativa • Requer pouca amostra (1 mL) • Operação simples • Baixo custo analítico

16. CROMATOGRAFIA GASOSA DESVANTAGENS • Amostra deve ser volátil • Amostra deve ser estável termicamente • Conhecimento prévio da amostra • Difícil para amostras complexas • Não existe um detetor universal • Requer uso de padrões • Pessoal qualificado • Custo do equipamento (acima de R$ 60 mil)

17. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA BÁSICA - Cromatograma tr – tempo de retenção w – largura a ½ altura tr tr1 tr2 w1 w2 0,5h

18. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA BÁSICA onde: KD – coeficiente de partição ou de equilíbrio CE – concentração na fase estacionária CM – concentração na fase móvel KD é proporcional a tr

19. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA BÁSICA • Tempo Morto – tM • tempo entre a injeção e o detetor para componentes que não interagem com a FE • ex. ar para DCT e metano DIC • Tempo de Residência – tr • tempo entre a injeção da amostra e o detetor para componentes que interagem com a FE

20. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA BÁSICA Velocidade de migração do analito Velocidade de migração da fase móvel onde L = comprimento da coluna t de retenção p/ componentes não retidos: t de residência na FM + t de permanência na FE

21. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA Analogia com a Destilação Fracionada  pratos teóricos  equilíbrio líquido-vapor altura do prato L = N . AEPT L  comprimento da coluna N  número de pratos AETP  altura entre pratos prato

22. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA • FENÔMENOS ENVOLVIDOS NA SEPARAÇÃO • MIGRAÇÃO da FM para a FE • ABSORÇÃO de FE for líquida (CGL) • ADSORÇÃO se FE for sólida (CGS) • DIFUSÃO em ambos sentidos (Leis de Fick) • quanto maior tR maior o espalhamento

23. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA Como Determinar o Número de Pratos ? Teoria de GAUSS W1/2=2,345  melhor ou WB=4 

24. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA– Resolução (RS) É a medida da separação de dois picos consecutivos R=0,5 R=1,0 R=1,5 R=2,0 98,0% de separação tr = 4 99,7% de separação tr = 6

25. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA– Resolução (RS) PROBLEMA: Como a Gaussiana é assintótica, dois picos adjacentes jamais estão integralmente separados. SOLUÇÃO: Kaiser e Trennzahl proporam o nº de separação - TZ.

26. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA– Resolução (RS) • Resumindo: • TZ fornece o nº de picos que teoricamente podem ser intercalados entre (x) e (x+1), com • RS = 4,7s • Caso RS = 1,177  TZ = 0, logo nenhum pico pode estar intercalado entre (x) e (x+1).

27. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CLÁSSICA– Resolução (RS) EXEMPLO: TZ = 0 não se pode acomodar picos TZ = 5 pode-se acomodar 5 picos

28. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA MISSÃO PRINCIPAL: estreitar os picos  RS COMO FAZER ? evitar o espalhamento (difusão) aleatório ESPALHAMENTO isotrópico intrínseco não pode ser eliminado deve ser minimizado

29. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA

30. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA

31. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA EQUAÇÃO DE VAN DEEMTER A, B e C são constantes para uma T e coluna Deve-se buscar o para maior eficiência é obtido com diversos experimentos calculando AEPT contra velocidades

32. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA EQUAÇÃO DE VAN DEEMTER A – percursos irregulares que a FM toma pela coluna diminui com o diâmetro da coluna diminui com a homogeneidade do enchimento A  0 em colunas capilares

33. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA EQUAÇÃO DE VAN DEEMTER B – responsável pelo fenômeno da difusão aumenta com a temperatura diminui com a pressão maior faixa de trabalho útil: H2 e He

34. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA EQUAÇÃO DE VAN DEEMTER C – transferência de massa entre a FM e FE

35. CROMATOGRAFIA GASOSA TEORIA CINÉTICA PROBLEMAS: Como maximizar a eficiência da coluna ?  obtendo-se  valor mínimo da hipérbole onde Problema 1: compressibilidade da FM  ñ cte Problema 2: se  < ótimo  fator difusão Problema 3: se  > ótimo  fator resistência à transferência de massa.

36. CROMATOGRAFIA GASOSA PARÂMETROS OPERACIONAIS VAZÃO DA FASE MÓVEL - FM 1FM 2FM > 1FM 2FM

37. CROMATOGRAFIA GASOSA PARÂMETROS OPERACIONAIS VOLUME DE INJEÇÃO - Vinj 1,0 mL 1,5 mL preserva o tr

38. CROMATOGRAFIA GASOSA PARÂMETROS OPERACIONAIS AUMENTO DA TEMPERATURA DE INJEÇÃO • tende a reduzir o tr • cauda do solvente AUMENTO DA TEMPERATURA DA COLUNA • reduz o tr • diminui o tempo do componente na FE • diminui a eficiência

39. CROMATOGRAFIA GASOSA PARÂMETROS OPERACIONAIS AUMENTO DO COMPRIMENTO DA COLUNA • aumento do tr • aumenta o nº de pratos • aumenta a eficiência da coluna • aumenta a difusão • alargamento dos picos

40. CROMATOGRAFIA GASOSA PARÂMETROS OPERACIONAIS AUMENTO DA QUANTIDADE DE FE • aumento do tr • aumenta o nº de pratos • geralmente filmes espessos só são usados em situações críticas • melhora a visualização mas não a separação efetiva

41. CROMATOGRAFIA GASOSA PARÂMETROS OPERACIONAIS AUMENTO DA ATENUAÇÃO • diminuição da área dos picos • manutenção dos tr • é somente a inserção de resistores no amplificação do sinal que vai para o cromatograma. • não tem efeito na separação

42. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Fase Móvel Também chamada de “gás de arraste” • Fonte usual  cilindro de alta pressão • Mais comuns  N2 , He , H2 e Ar • Não pode interagir com a fase estacionária • Não pode interagir com a amostra • Deve ser de baixo custo e alta disponibilidade • Alta pureza • Deve-se usar filtros para H2O, O2 e HC • H2O e O2 oxidam algumas FE • HC provoca ruídos no sinal do detetor

43. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Fase Móvel A escolha depende do detetor empregado.

44. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Fase Móvel 3 6 4 2 1 1 – Cilindro de Gás 5 2 - Regulador de Pressão Primário 3 - “Traps” para eliminar impurezas 4 - Regulador de Pressão Secundário 5 - Regulador de Vazão 6 - Medidor de Vazão

45. - H2O - O2 - HC óxido de cobre carvão ativo sílica gel CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Filtros para FM • a FM pode ter diferentes graus de pureza: • He 99,995 %  US$ 55 (> 10 ppm) • He 99,999 %  US$ 140 (<10 ppm) • He 99,9999 %  US$ 280 (< 500 ppb) • Para análise de traços, usar filtros:

46. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Injetor Função: - receber a amostra - vaporizar rapidamente - colocar a amostra na coluna Características: - injeção rápida - uniformemente aquecido - menor volume possível - boa junção com a coluna - injeções reprodutíveis - T acima do > PE da amostra

47. t = 0 t = x t = 0 t = x CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Injetor Injeção Rápida Injeção Lenta

48. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Injetor Injetor Convencional 1 5 1 – Septo de silicone 2 2 – Alimentação da fase móvel 3 3 – Bloco metálico aquecido 4 4 – Início da coluna cromatográfica 5 – Purga de Septo 6 – Divisor de amostra 6

49. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Injetor Etapas de uma injeção amostra amostra amostra

50. CROMATOGRAFIA GASOSA COMPONENTES – Microseringa Volumes típicos de 1, 5 e 10 mL agulha (inox 316) êmbolo corpo (pirex)