GC - Cromatografia gás-líquido / sólido · A cromatografia de gás é aplicável a substâncias voláteis (ou substâncias que facilmente se podem transformar em substâncias voláteis)

Química Analítica / JCM

GC - Cromatografia gás-líquido / sólido

� Cromatografia gás-líquido� separação de componentes de uma amostra por partilha entre uma fase móvel, gasosa, e

uma fase estacionária, filme de líquido não volátil, dispersa à superfície de um suporte sólido

� Croamtografia gás-sólido� fase estacionária é um adsorvente sólido

� Esquema de um GC

A cromatografia de gás é aplicável a substâncias vol áteis (ou substâncias que facilmente se podem transformar em substâncias voláteis)


GC

� Sistema de gases� Devem ser quimicamente inertes

� A escolha pode ser em função do detector� Devem proteger a coluna de oxigénio e água

� He é o gás de arrasto mais usado - boa conductividade térmica (detector)☺ Consegue obter-se com elevada pureza sem

grandes dificuldades

� H2 é um bom gás de arrasto mas é mais reactivo e explosivo☺ mas pode ser produzido por electrólise

(experiências espaciais)☺ Evita H2 adicional nos detectores FID

� Gases mais pesados (Ar , N2) requerem menores fluxos / menores custos☺ O N2 geralmente requer traps adicionais para

oxigénio e água)


Escolha de gases

� Deve ser eficaz em fazer avançar os analitos na coluna

� o fluxo de gás (regulável) deve manter-se constante durante toda a análise☺ 30 a 150 ml/min (colunas de enchimento)

e 1 a 25 ml/min (colunas capilares)☺ Até 1 ml/min para GCMS


Sistema de injecção

� A amostra tem de estar em forma de vapor ao entrar na coluna (excepto nos injectores on-column)� pequeno volume e tempo curto, sem decomposição

e sem alterar as condições da coluna !☺ a injecção exige um elevado grau de precisão ☺ a rapidez da evaporação é essencial para evitar

a descriminação� Para uma evaporação total dos componentes da amostra o

injector deve estar a cerca de 50 C acima do menos volátil

� amostras de 0,01 a 50 µl (válvula / seringa)� universais / splitless / on-column / head-space / autoinjectores

☺ splitter (divisor de amostra)� possibilidade de rejeitar parte da amostra� Evita a saturação da coluna (a capacidade de separação das

colunas capilares é baixa)


Injector


Injectores


GC

� Sistema de injecção� usar quantidade de amostra tão pequena quanto possível (<1µl)� temperatura no injector dever ser controlável e constante

� a amostra deve vaporizar instantaneamente☺ controlar a temperatura do injector

� o sistema de injector é frequentemente fonte de assimetria dos picos☺ sujidade / demasiada amostra / temperatura insufici ente

� a amostra não deve conter resíduos não voláteis� o septo é fonte de problemas

☺ vedação incompleta (perda de amostra / descriminaçã o)☺ libertação de impurezas (picos estranhos à amostra)

� um septo novo deve ser pré-aquecido durante várias horas

� o injector deve ser limpo frequentemente

� a divisão da amostra (“splitter”) - pode ser fonte de discriminação entre solutos de diferentes volatilidades


Colunas

� Avaliação da qualidade de uma coluna cromatográfica� poder de separação

☺ número de pratos teóricos por metro

� capacidade de carga☺ peso máximo em mg para o qual a coluna mantém 90% d o seu poder de separação

� Selectividade☺ considerando os dois componentes de separação mais difícil

� a determinação destes factores deve ser rotineira� a resolução é uma boa medida da qualidade

� Colunas de enchimento e colunas capilares� As colunas de enchimento estão a cair em desuso


Colunas de enchimento

� colunas de enchimento� vidro / aço / Teflon - 2 a 6 mm de diâmetro interno e de 1 a 3 m

de comprimento☺ 500 a 1000 pratos por metro

� GS - suportes sólidos adsorventes (crivos moleculares)� GL - suporte inerte revestido de uma fase líquida não volátil

� Suportes sólidos (GL)� partículas esféricas, pequenas, uniformes, boa resistência mecânica, inerte a temperaturas

elevadas, molhável (fase líquida) e área superficial elevada (1-10m2/g☺ terra de diatomáceas - resíduos de plantas unicelular es / SiOH☺ 60 a 80 mesh (0,25 a 0,17 mm) / 80 a 100 mesh (0,17 a 0,15 mm) - pressão <50 psi☺ polímeros porosos - Porapak e Chromosorb (250 C máx.)

� Fases líquidas� baixa volatilidade (100 C acima da temperatura da coluna) / estabilidade térmica /

quimicamente inertes / adequadas à separação ( selectividade / capacidade)

Fases estacionárias polares contêm grupos funcionais tais como: -CN, -CO, -OH. Solutos polares : álcoois, ácidos, aminas ...


Colunas capilares

� colunas capilares (tubulares)� sílica (revestida a Al ou polímero) com 0,1 a 0,53 mm DI e 25 a 100 m

☺ 1000 a 4000 pratos por metros / menores pressões p ermitem colunas longas

� filme líquido (fase estacionária) reveste o interior da coluna (filmes de 0,1 a 5 µm)� limitada capacidade de amostra / fragilidade / introdução de amostra


Colunas capilares


Colunas capilares

� WCOT - wall coated open tubular� tubos capilares (aço, Al, Cu, plástico, vidro) revestidos interiormente com um filme de fase

estacionária☺ o vidro é tratado com ácidos para melhor “segurar” a fase estacionária

� FSOT - fused silica open tubular� tubo de silica purificada (conteúdo mín de óxidos metálicos)

☺ a pequena espessura exige um revestimento exterior (Al, poliamida)☺ maior flexibilidade e resistência física e menor re actividade com as amostras☺ d.i. de .25 e .32 µµµµm, exigem splitters e detectores de resposta rápida☺ megabore (.53 µµµµm) - menos problemas ainda que com menores problemas

� SCOT - support coated open tubular� revestimento interior - filme (~30µm) de suporte sólido (p.ex. terra de diatomáceas) - mais

fase estacionária (> capacidade de amostra) mas < eficiência

Espessura do filme - varia entre 0.1 e 5 µm (corrente - 0.25) / afecta a retenção e a capacidade da coluna ☺ filmes espessos são usados para amostras muito volá teis (retêm solutos durante mais tempo / melhor separação) / filmes mais finos são usados para amostras menos voláteis


Fases estacionárias

� Colunas não polares� BP1; OV1; SE30

� Colunas mediamente polares� BP5; OV-3; SE52

� Colunas polares� BP20; carbowax20M, DBwax


Polaridade dos solutos


Comparação entre colunas


Comparação entre colunas

� Cromatografia Gás-Sólido (GS)� baseada na absorção de substâncias gasosa em superfícies sólidas

☺ separação de substâncias não retidas nas colunas GL (partilha) tal como os componentes do ar, NO x, COx, gases raros, ...

� podem ser usadas colunas de enchimento ou capilares (filme de suporte no interior da coluna)☺ PLOT - porous layer open tubular column

fig comparação de colunas - Skoog 29-1


Forno de colunas

� A temperatura da coluna é uma variável importante� necessidade de controlo rigoroso (± 0,1 C) / controlo dos

tempos de retenção☺ gamas entre - 50 e + 450 C

� depende do p.e. da amostra e do grau de separação necessário☺ o aumento de temperatura diminui a separação mas di minui

drasticamente o tempo de eluição☺ para amostras com importante gama de pontos de ebul ição

deve usar-se um programa de temperaturas

� Programa de temperaturas� Isotérmica

� Rampa contínua

� Rampa por patamares☺ último patamar bem acima do p.e. do menos volátil


Programa de temperaturas


Programa de temperaturas

� Temperatura do Injector:☺ 30 a 50 C acima do menos volátil

� Temperatura do Detector☺ : 30 a 50 C acima do menos volatil

� Temperatura da coluna☺ Iniciar a 10-20 C abaixo do mais volátil

� Temperaturas muito baixas trazem dificuldades de estabilização

☺ Subir em rampa se a escala das volatilidades abrange toda a gama

☺ Terminar a rampa a cerca de 20 C acima do mais volátil

☺ Usar várias rampas se houver várias famílias de compostos (com diferenças significativas de volatilidade)

� As colunas não polares podem ser aquecidas a mais de 300 C

� As colunas polares raramente podem ser submetidas a temperaturas acima de 250 C

Isotérmica a 45 ºC

Isotérmica a 145 ºC

Temperatura programada: 30 -180


Detectores

� Características� sensibilidade - resposta por unidade de massa

☺ Sensível aos analitos☺ Compatível com a coluna, gás de arrasto, solvente, …☺ Robusto

� linearidade - proporcionalidade em relacção à quantidade de substância☺ Importante para a quantificação☺ Podemos usar apenas os factores de resposta

� selectividade (especificidade)☺ Sensível a um grupo funcional / propriedade químic a

� Em geral, transforma a resposta em corrente (voltagem)

Pode necessitar a adição de uma fonte de gás (para além do gás de arrasto) e tem um controlo de temperatura específico

Os analitos não devem condensar no detector (temperatura 20 a 50 ºC acima do composto menos volátil)



Detector de ionização de chama (FID)

� Detector mais usado� sensível / destructivo� não é universal

� Adequado para compostos orgânicos� substâncias orgânicas (contendo C) quando queimadas produzem iões

que afectam o potencial entre dois eléctricos (300 V) / amostra émisturada com H2 e ar

� Os iões CHO+ ions são recolhidos no cátodo e a corrente gerada produzo sinal

� Não detecta compostos sem C☺ Não é sensível a gases não combustíveis. H 2O, CO2, SO2, NO2

☺ grupos carbonilo, álcool, halogeneto, amina - produze m poucos iões

� Funcionamento simples� Necessita de H2 (cilindro ou gerador) e O2 (Ar reconstituído)� Se H2 for usado como gas de arrasto não necessita de adição para o

detector� Em geral, necessita de gas inerte (N2) - makeup gas

-Flame O ,H

e CHO O CH22

+→+ +


Detector de conductividade térmica

� Universal� detecta matéria orgânica e inorgânica mas pouco

sensível (60% FID)� não destructivo

� baseia-se na alteração da conductividadetérmica de um fluxo de gás na presença da amostra (filamento de Ag / Pt / W e bloco de dissipação metálico) � O gás de arrasto tem uma conductividade térmica

conhecida

� A resistência do filamento muda com a conductividade do gás

� A presença de analitos altera a conductividadetérmica do gás de arrasto (H ou He)

� A sensibilidade aumenta com a diminuição da temperatura, do fluxo e da corrente

� Os filamentos queimam na presença de oxigénio

H e He têm uma conductividade térmica 6-10 x superior à das substâncias orgânicas

a sua presença leva a uma diminuição da conductividade e um aumento muito rápido da temperatura


Indices de Kovats / indices de retenção

� Os índices de retenção são importantes para assegurar a identificação e intercomparação de resultados� Bases de dados

Indices de Kovats : determinados em isotérmica


Trabalho 4

� De forma suscinta descreva como determina os indices de retenção e indique os indices aproximados (indicando a fonte) para:� linalool

� undecano

� 1-hexanol� hexano

� Benzeno

� Furfural☺ Atenção: os índices são dependentes da coluna usad a


Derivatização

� Aumentar a volatilidade e diminuir a polaridade dos compostos� Reduzir a degradação térmica das amostras

☺ Aumento da estabilidade térmica

� Aumentar a resposta do detector☺ Adição de grupos funcionais que aumentem o sinal do detec tor

� Melhorear a separação e reduzir o tailing

� Sililação (silylation) – o mais usado� Substituição de H activos por grupos trimetilsilil

☺ Reage primeiro com água e alcoois (eliminar se neces sário)☺ Não usar com colunas Carbowax

� aumenta a volatilidade

� Alquilação (alkylation)� Reduz a polaridade ao substituir H activos por grupos alquil

� Acilação (acylation)� Reduz a polaridade / usado para acrescentar grupos F (ECDetector) - trifluoroacetates

� A evitar (derivação difícil e reagentes perigosos)

� Esterificação (sterification)


Extracção de compostos voláteis


Steam distillation (essencial oils)


DigMAZ


Red Clover



SPME


Headspace + solid phase extraction


GCMS

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