cromatografia gasosa 1. introdução a cromatografia gasosa (cg) é uma técnica para separação e análise de misturas de substânc

CROMATOGRAFIA GASOSA
1.
INTRODUÇÃO
A Cromatografia Gasosa (CG) é uma técnica para separação e análise de
misturas de substâncias voláteis. (A amostra é vaporizada e
introduzida em um fluxo de um gás adequado denominado de fase móvel
(FM) ou gás de arraste). Este fluxo de gás com a amostra vaporizada
passa por um tubo contendo a fase estacionária FE (coluna
cromatográfica), onde ocorre a separação da mistura. A FE pode ser um
sólido adsorvente (Cromatografia Gás-Sólido) ou, mais comumente, um
filme de um líquido pouco volátil, suportado sobre um sólido inerte
(Cromatografia Gás-Líquido com Coluna Empacotada ou Recheada) ou sobre
a própria parede do tubo (Cromatografia Gasosa de Alta Resolução). Na
cromatografia gás-líquido (CGL), os dois fatores que governam a
separação dos constituintes de uma amostra são:
*
A solubilidade na FE: quanto maior a solubilidade de um
constituinte na FE, mais lentamente ele caminha pela coluna.
*
A volatilidade: quanto mais volátil a substância (ou, em outros
termos, quanto maior a pressão de vapor), maior a sua tendência de
permanecer vaporizada e mais rapidamente caminha pelo sistema.
A s substâncias separadas saem da coluna dissolvidas no gás de
arraste e passam por um detector; dispositivo que gera um sinal
elétrico proporcional à quantidade de material eluido. O registro
deste sinal em função do tempo é o cromatograma, sendo que as
substâncias aparecem nele como picos com área proporcional à sua
massa, o que possibilita a análise quantitativa
Figura 1: Esquema de uma cromatografia gasosa.
2.
INSTRUMENTAÇÃO
Os constituintes básicos de um sistema cromatográfico são:
*
Reservatório de Gás de Arraste. O gás de arraste fica contido em
cilindros sob pressão. Assim, a escolha do gás de arraste
independe da amostra a ser separada. O parâmetro mais importante é
a sua compatibilidade com o detector (alguns detectores trabalham
melhor quando se usam determinados gases). Os gases mais
empregados são H2, He e N2 e a vazão do gás de arraste, que deve
ser controlada, é constante durante a análise.
*
Sistema de Introdução de Amostra. Na CG, a seção do cromatógrafo
gasoso onde é feita a introdução da amostra é o injetor (ou
vaporizador). Na versão mais simples, trata-se de um bloco de
metal conectado à coluna cromatográfica e à alimentação de gás de
arraste. Este bloco contém um orifício com um septo, geralmente de
borracha de silicone, pelo qual amostras líquidas ou gasosas podem
ser injetadas com microseringas hipodérmicas. Amostras sólidas
podem ser dissolvidas em um solvente adequado. O injetor deve
estar aquecido a uma temperatura acima do ponto de ebulição dos
componentes da amostra, para que a amostra se volatilize completa
e instantaneamente e seja carregada para a coluna. Se a
temperatura for excessivamente alta, pode ocorrer decomposição da
amostra. A amostra deve entrar na coluna na forma de um segmento
estreito, para evitar alargamento dos picos;
*
Coluna Cromatográfica e Controle de Temperatura da Coluna. Depois
de injetada e vaporizada, a amostra é introduzida na coluna
cromatográfica, onde é efetuada a separação. Na CG a "afinidade"
de um soluto pela FM é determinada pela volatilidade do soluto,
sua pressão de vapor, que é função da estrutura do composto e da
temperatura. Alterando-se a temperatura, altera-se também a
pressão de vapor e, por conseguinte, a "afinidade" de uma
substância pela FM;
*
O detector quantifica e indica o que sai da coluna;
*
Eletrônica de tratamentos: Purifica os ruídos para melhor análise;
*
Registro de sinal: Analisa e avalia os dados obtidos no processo.

Figura 2: Esquema de um cromatógrafo a gás.
1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão.
2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra.
3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna.
4 - Detector.
5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal.
6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador).
Observação: em vermelho: temperatura controlada
3.
FASES ESTACIONÁRIAS
Na CG existe um grande número de fases estacionárias líquidas e
sólidas disponíveis comercialmente, de modo que a natureza da FE é a
variável mais importante na otimização da seletividade.
As FE líquidas são as mais empregadas em CG. FE sólidas (carvão ativo,
sílica, peneiras moleculares e polímeros porosos) são aplicadas para
separação de gases e compostos de baixo massa molar. Em princípio,
para um líquido ser usado como FE em CG ele deve ser pouco volátil
(pressão de vapor até 0,1 mmHg ou 13,332 Pa na temperatura de
trabalho) e termicamente estável. Para esta fase ser empregada em uma
separação em particular, ela precisa:
*
Ser um bom solvente para os componentes da amostra, caso contrário
o efeito será o mesmo de temperaturas de coluna excessivamente
altas (os compostos ficarão quase que o tempo todo no gás de
arraste, sendo eluidos muito rapidamente e sem separação);
*
Ser um bom solvente diferencial, isto é, além de dissolver bem
todos os constituintes da amostra, fazê-lo com solubilidades
suficientemente diferentes para que eles possam ser separados; e
ser quimicamente inerte em relação à amostra.
*
Via de regra, fase estacionária com estruturas similares à da
amostra dissolverão melhor seus constituintes, provendo melhores
seletividades e separações. FE polares dissolvem melhor compostos
polares, etc. Por exemplo: hidrocarbonetos podem ser separados
eficientemente usando esqualano (um alcano de massa molar
elevada).
As FE mais populares são os silicones. Silicones são polímeros
extremamente estáveis e inertes, o que os torna e especialmente
adequados à CG. Nesta classe, as polidimetilsiloxanas são os menos
polares. A substituição dos grupos metila na cadeia por outros grupos
(fenil, ciano, trifluoropropil, etc.) fornece FE com polaridades
crescentes. Deste modo, eles podem ser empregados na separação de
misturas das mais diversas polaridades. Comercialmente, são
disponíveis sob diversas denominações, muitas delas praticamente
equivalentes. SE-30, OV-1 e DC-200 são nomes comerciais para
polidimetilsiloxano de fabricantes diferentes.
4.
COLUNA CROMATOGRÁFICA
A coluna cromatográfica é o local onde ocorre a interação entre a
amostra e a FE. Existem duas geometrias básicas de colunas para CG: as
colunas empacotadas (ou recheadas), e as colunas tubulares abertas (ou
capilares).
Nas colunas empacotadas, a FE líquida é depositada sob a forma de um
filme fino e uniforme sobre partículas de um suporte adequado. O
suporte deve ser um sólido poroso com grande área superficial, inerte
e de boa resistência mecânica. O tamanho das partículas e dos poros
deve ser o mais uniforme possível. O material mais empregado como
suporte é a diatomite, esqueletos fósseis de algas microscópicas
(diatomáceas), compostos principalmente de SiO2 amorfa e traços de
óxidos metálicos. Muitas vezes, o material é submetido a tratamentos
químicos para diminuir a sua atividade superficial, e torná-lo mais
inerte.
5.
DETECTOR
O detector indica e quantifica os componentes separados pela coluna.
Um grande número de detectores tem sido descritos e usados em CG.
Existem, entretanto, algumas características básicas comuns para
descrever seu desempenho:
*
Seletividade. Alguns detectores apresentam resposta para qualquer
substância diferente do gás de arraste que passe por ele. Estes
são os chamados detectores universais. Por outro lado, existem
detectores que respondem somente a compostos que contenham um
determinado elemento químico em sua estrutura, que são os
detectores específicos. Entre estes dois extremos, alguns
detectores respondem a certas classes de compostos (detectores
seletivos).
*
Ruído. São os desvios e oscilações na linha de base (sinal do
detector quando só passa o gás de arraste). Pode ser causado por
problemas eletrônicos, impurezas e sujeiras nos gases e no
detector, etc. Por melhor que seja o funcionamento do sistema,
sempre existe ruído.
*
Tipo de Resposta. Alguns detectores apresentam um sinal que é
proporcional à concentração do soluto no gás de arraste; em
outros, o sinal é proporcional à taxa de entrada de massa do
soluto no detector. Isto depende do mecanismo de funcionamento de
cada detector.
*
Quantidade Mínima Detectável (QMD). É a quantidade de amostra
mínima para gerar um sinal duas vezes mais intenso que o ruído. É
uma característica intrínseca do detector. Quanto menor a QMD,
mais sensível o detector.
*
Fator de Resposta. É a intensidade de sinal gerado por uma
determinada massa de soluto, que depende do detector e do composto
estudado. Pode ser visualizado como a inclinação da reta que
correlaciona o sinal com a massa de um soluto (curva de
calibração). Quanto maior o fator de resposta, mais confiável a
análise quantitativa.
*
Faixa Linear Dinâmica. É a razão entre a menor e a maior massa
entre as quais o fator de resposta de um detector para um soluto é
constante, isto é, onde a curva de calibração é linear. Os dois
detectores mais significativos em CG são o Detector por
Condutividade Térmica (DCT) e o Detector por Ionização em Chama
(DIC).
O funcionamento do DCT é baseado no fato de que a velocidade de perda
de calor de um corpo quente para um corpo mais frio é proporcional,
dentre outros fatores, à condutividade térmica do gás que separa estes
corpos. Um filamento metálico muito fino (de W, Au ou liga W-Re) é
aquecido pela passagem de uma corrente elétrica constante. Este
filamento fica montado dentro de um orifício em um bloco metálico
(cela), aquecido a uma temperatura mais baixa que aquela do filamento,
por onde o gás de arraste proveniente da coluna passa continuamente.
Enquanto passar gás de arraste puro pela cela, a taxa de perda de
calor do filamento para o bloco é constante e a temperatura do
filamento não varia. Quando um componente é eluido da coluna, ele sai
misturado com o gás de arraste e passa pelo detector. Se a
condutividade desta mistura for diferente daquela do gás de arraste
puro, o filamento passa a perder calor para o bloco numa taxa
diferente daquela do equilíbrio. Por exemplo, se a taxa de perda de
calor diminuir, o filamento se aquece quando a amostra é eluida. O
aquecimento do filamento causa uma variação na sua resistência
elétrica e a resistividade de um metal aumenta com a temperatura. O
filamento é montado em um circuito de ponte de Wheatstone, que
converte a variação na resistência elétrica do filamento numa variação
de voltagem, que é coletada em um registrador gerando o cromatograma.

Figura 3 - Cela de um detector de condutividade térmica.
O DCT é um detector universal, sensível à concentração do soluto no
gás de arraste. Geralmente, quando se usa DCT, o gás de arraste é He
ou H2. Pelo fato destes gases terem condutividades térmicas
altíssimas, as misturas gás de arraste mais o soluto sempre terão
condutividades térmicas menores que a do gás de arraste puro, o que
impede sinais negativos, além de se obter maiores fatores de resposta.
Entretanto, ele é considerado um detector pouco sensível. A QMD de um
modelo moderno, para propano, é de 400 pg/ml de gás de arraste, com
faixa linear de 106. Apesar disso, o fato de ser universal, barato e
de operação simples, o faz extremamente útil para análises que não
necessitem de alta sensibilidade.
Durante a queima de um composto orgânico, são formados diversos íons e
como consequência, a chama resultante torna-se condutora de
eletricidade. O funcionamento do DIC baseia-se neste fenômeno. O gás
de arraste saindo da coluna cromatográfica é misturado com H2 e
queimado com ar ou O2. A chama resultante fica contida entre dois
eletrodos, polarizados por uma voltagem constante. Como a chama de H2
forma poucos íons, ela é um mal condutor elétrico e quase nenhuma
corrente passa entre os eletrodos. Ao eluir um composto orgânico, ele
é queimado e são formados íons na chama, que passa a conduzir corrente
elétrica. A corrente elétrica resultante, da ordem de pA, é
amplificada e constitui o sinal cromatográfico.

Figura 4 - Cela de um detector por ionização de chama.
Quase todos compostos orgânicos podem ser detectados pelo DIC. Apenas
substâncias não inflamáveis (CCl4, H2O) ou algumas poucas que não
formam íons na chama (HCOOH) não dão sinal. Assim, ele é um detector
praticamente universal. De um modo geral, quanto ligações C-H tiver o
composto, maior a sua resposta (maior sensibilidade). Ele é muito mais
sensível que o DCT, pois dependendo do composto, podem ser detectados
entre 10 pg e 400 pg, com faixa linear dinâmica de 107. Provavelmente
é o detector mais usado em CG.
5.
QUANTIZAÇÃO DOS RESULTADOS
A CG é uma técnica eminentemente quantitativa. O princípio básico da
quantificação é que a área dos picos registradas no cromatograma é
proporcional à massa do composto injetada. Assim, é fundamental para a
confiabilidade da análise que a área dos picos seja medida o mais
exata e reprodutível possível. Existem vários modos de se medir a área
de um pico cromatográfico:
- Técnicas Manuais. Quando o cromatograma é coletado por um
registrador analógico, usualmente a área dos picos é medida
manualmente. O procedimento mais empregado consiste em supor que o
pico cromatográfico se aproxima de um triângulo isósceles. Mede-se a
altura do pico (h) e a sua largura de base (wb) ou à meia-altura (wh),
e calcula-se a área pelas fórmulas usadas para cálculo de área de
triângulo:
ou
A conveniência de se usar uma ou outra forma depende da largura do
pico, da assimetria, etc. Pode-se também substituir a área pela altura
do pico. Isto só é possível para picos estreitos e simétricos.
- Integradores Eletrônicos. Integradores são dispositivos baseados em
microprocessadores que coletam o sinal cromatográfico, digitalizam-no
(transformam o sinal elétrico em números), detectam a presença de
picos e calculam a sua área. Integradores são muito mais precisos e
rápidos que qualquer método manual de medida, desde que empregados
convenientemente. Embora sejam dispositivos caros, quando é necessária
rapidez na produção de resultados, o seu uso é quase mandatório.
- Computadores. O integrador pode ser substituído por um computador,
desde que este tenha um dispositivo para converter o sinal elétrico em
números que possam ser guardados em memória (conversor
analógico-digital), e se disponha de programas adequados para fazer a
análise do cromatograma digitalizado. O custo de um computador com os
acessórios necessários para coletar e analisar cromatogramas é, via de
regra, inferior ao de um bom integrador. Além disso, com um software e
operação adequada, pode fornecer resultados mais confiáveis que este
último.
Qualquer que seja o modo usado para medir a área dos picos, o
procedimento geral de uma análise quantitativa por CG envolve a
obtenção do cromatograma da amostra, a medida da área dos picos de
interesse e o cálculo da massa correspondente a cada um dos picos.
Este cálculo deve ser feito empregando uma curva de calibração: um
gráfico correlacionando a área do pico com a massa do composto. A
curva de calibração é obtida cromatografando-se padrões contendo
massas conhecidas dos compostos a serem quantificados. Para cada
substância, deve ser feita uma curva de calibração própria, já que
cada composto responde de maneira diferente ao detector.
O esquema geral proposto acima é chamado de padronização externa. Como
é muito difícil conseguir boa reprodutibilidade entre injeções
diferentes, ele é muitas vezes sujeito à grande imprecisão e
inexatidão. Para contornar este problema, pode-se usar a chamada
padronização interna, onde a cada solução a ser injetada adiciona-se
uma quantidade exatamente igual de um composto que seja separável dos
componentes da amostra, e que não exista nela (padrão interno). Como
para todas as soluções, tanto das amostras como dos padrões existe a
mesma massa do padrão interno, a área do seu pico deverá ser a mesma.
Este fato faz com que este pico possa ser usado para corrigir a área
dos picos dos constituintes da amostra e dos padrões, eliminando-se,
pelo menos parcialmente muitas deficiências da injeção.
BIBLIOGRAFIA:
ATKINS, Peter; JONES, Loretta. Princípios de Química: questionando a
vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre, 2001. Editora Bookmam.
EWING, Galen W. Métodos Instrumentais de Análise Química. São Paulo,
2002. Editora Edgar Blücher.
http://www.pucrs.br/quimica/professores/arigony/cromatografia_FINAL/cg.htm

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