Laboratório de Análises Cromatográficas

Cromatografia Gasosa                                                  

Descrição

A cromatografia (do grego χρώμα: chroma, cor e γραφειν: “grafein”, grafia) é uma técnica analítica de separação e análise de compostos químicos em matrizes complexas pela interação dos seus componentes entre uma fase estacionária (FE), que é fixa em uma coluna e tende a reter seletivamente as substâncias e, uma fase móvel (FM), que visa carrear a mistura pela FE. A separação dos compostos presentes na mistura ocorre pela diferença de interação entre a substâncias e as fases (FM e FE) através de forças intermoleculares (polar, apolar, iônica) ou efeitos específicos de afinidade e solubilidade.

A técnica foi desenvolvida e nomeada por Michael Tswett (1872-1919). Em seu experimento o botânico utilizou uma coluna de vidro recheada com carbonato de cálcio (como FE) para separar pigmentos coloridos de diferentes extratos de plantas usando éter de petróleo como FM. E a partir de então, diferentes estudos foram desenvolvidos possibilitando o conhecimento de diferentes FE e FM, dos tipos de separações e dos fenômenos físicos e químicos envolvidos, assim como, para a sua aplicação em diferentes matrizes complexas. Essa evolução fez com a técnica seja classificada com base em diferentes critérios físicos, químicos, tipo de fase estacionária e móvel, polaridade e modo de separação. As principais classificações empregadas são:

1. Classificação pela forma física do sistema cromatográfico (planar ou coluna)
2. Classificação pela fase móvel empregada (líquida, gasosa ou fluido supercrítico)
3. Classificação pela fase estacionária utilizada (sólida ou gasosa)
4. Classificação pela polaridade das fases estacionárias (normal ou reversa)
5. Classificação pelo modo de separação (físico-químico ou mecânico)

Essa versatilidade da técnica permite que uma enorme gama de substâncias com diferentes características possam ser extraídas de misturas de diferentes naturezas e complexidades e identificadas por métodos específicos de detecção. Algumas aplicações importantes da cromatografia, em várias indústrias, são listadas abaixo:

– contaminação ambiental;
– monitorar a qualidade do ar água;
– detecção de drogas na urina e nos outros líquidos de corpo;
– ciência forense: caracterização e identificação de drogas em aeroportos;
– controle de qualidade na indústria farmacêutica e de alimentos;
– indústria petroquímica: caracterização de misturas complexas de hidrocarbonetos.

Na cromatografia gasosa ou cromatografia a gás (CG) a fase móvel (FM) é obrigatoriamente composta por um gás (comumente denominada de gás de arraste) e que não deve interagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento. Sua função é apenas “carregar” os compostos através da coluna. Além disso, deve ser isenta de impurezas que possam degradar a fase estacionária ou interagir com a amostra. Já a fase estacionária (FE), que pode ser sólida ou líquida, deve interagir de forma seletiva com os componentes da amostra para promover a separação de todos os constituintes da mistura ou pelo menos, dos compostos de interesse.

Em vista da amostra ser vaporizada e aquecida em um forno de coluna durante o processo de separação, a técnica de CG é aplicável para separação de misturas cujos constituintes sejam voláteis, termicamente estáveis e com ponto de ebulição (PE) de até 300 ºC. A técnica consiste basicamente na introdução da amostra em uma coluna cromatográfica, através de um sistema de injeção, onde amostras líquidas são vaporizadas. E ao contrário do que muitos pensam, as amostras podem ser líquidas ou gasosas, o nome “cromatografia gasosa” é em vista da FM ser gasosa e não a amostra. Em seguida, o gás de arraste (FM), geralmente hélio, hidrogênio ou argônio, “arrasta” a amostra pela coluna cromatográfica. A coluna contém a FE e é acondicionada em um forno com temperatura controlada. A FE, interage de forma seletiva com cada componente da mistura promovendo a separação dos compostos. Assim, cada substância separada sairá da coluna com um tempo diferente, denominado tempo de retenção.

Por fim, as substâncias separadas saem da coluna, carregadas pela fase móvel, e são direcionadas para um detector responsável pela identificação dos sinais eletrônicos produzidos pelo sistema de CG e acoplado a um software específico. Esses sinais são tratados e transformados em picos cromatográficos e registrados em um gráfico (cromatograma) da resposta do detector em função do tempo de retenção dos compostos na coluna de separação.

Diferentes aplicações da cromatografia gasosa para análises de compostos orgânicos e inorgânicos são possíveis. Como a separação de compostos específicos em sistemas bioquímicos, complexos, organometálicos ou orgânicos, com espécies voláteis ou de espécies que possam reagir formando produtos voláteis. Ou ainda, a realização de análises completas, com os tempos e volumes de retenção, sendo empregados na identificação qualitativa e, as alturas ou áreas de picos fornecendo informações quantitativas para diferentes amostras voláteis e termicamente estáveis. E dessa forma, é possível identificar centenas de componentes que constituem sistemas naturais e biológicos.

Um desses exemplos está na caracterização e identificação dos hidrocarbonetos presentes na matriz de combustíveis, que são formados por misturas complexas de hidrocarbonetos de diferentes classes e propriedades químicas. Sendo essa, a principal aplicação do Laboratório de Análises Cromatográficas do LabCET, principalmente, quanto à identificação e caracterização das espécies da matriz dos combustíveis de aviação e dos produtos de oxidação térmica formados durante o seu estresse térmico.

Linhas de Pesquisa

O Laboratório de Análises Cromatográficas tem o intuito de dar suporte ao LabCET quanto à caracterização e identificação da composição química das amostras avaliadas nos diferentes projetos desenvolvidos no laboratório. Atualmente, realizamos análise em duas linhas de pesquisas principais, sendo:

  1. identificação e caracterização de produtos de oxidação térmica produzidos pelo estresse térmico dos combustíveis de aviação pelo método HiReTS ;
  2. monitoramento on-line dos gases parcialmente reagidos no Reator de Mistura por Jatos (JSR/PSR).
     

Aparato Experimental

O aparato instrumental de um cromatógrafo gasoso é composto basicamente por seis seções:

  1. reservatório de gás e controles de vazão/pressão;
  2. injetor (vaporizador) de amostra;
  3. coluna cromatográfica e forno da coluna;
  4. detector;
  5. sistema de aquisição de dados;
  6. registro de sinal (computador).

 Sendo que nas seções 2, 3 e 4 (área destacada em vermelho) a temperatura do sistema é controlada.

Cada uma dessas seções pode ser otimizada para garantir a caracterização de uma infinidade de amostras além de otimizar os parâmetros de análise para alcançar melhores resoluções. Assim, levando em consideração as linhas de pesquisas desenvolvidas no LabCET,  o delineamento do aparato experimental do Laboratório de Análises Cromatográficas conta com três cromatógrafos gasosos da Perkin-Elmer otimizados para a identificação e caracterização de hidrocarbonetos (C2 – C20 ) e espécies H2, O2, N2, CH4, CO e CO2, características dos combustíveis e dos produtos de combustão. Além disso, atendem aos requisitos de análise de separar, ao máximo, os isômeros de hidrocarbonetos (uso de colunas cromatográficas capilares e empacotadas em sequência) e maior sensibilidade de detecção (associação dos detectores FID, TCD e MS).

Além disso, os cromatógrafos foram otimizados para dois tipos de injeção de amostras. Eles podem ser alimentados automaticamente, em um sistema on-line, pelos gases produzidos durante a combustão de amostras combustíveis em experimentos no PSR. Nessas análises, a amostragem é feita através de uma sonda sônica de cristal conectada diretamente a  uma linha aquecida a 140 ºC. Para evitar as transformações nos compostos de interesse ou perda das informações dos analitos. E para contemplar os demais experimentos, é possível injetar as amostras (líquidas e gasosas) diretamente em cada cromatógrafo, de acordo com a necessidade de separação e caracterização.

 Cada um dos equipamentos disponíveis no laboratório são descritos a seguir.

1. Clarus GC-580

O primeiro cromatógrafo gasoso é um equipamento Clarus 580-GC da PerkinElmer. Possui dois detectores, um detector por condutividade térmica (TCD) para análise de O2, N2, CH4 e CO até 20 ppm, além de permitir a análise de gases nobres e gases fixos, não visíveis a outros detectores. E um detector de ionização em chama (FID) para análise de CO, CH4 e CO2 até 0,1 ppm. Para possibilitar a análise de CO e CO2, o equipamento conta com um metanador que converte essas espécies em metano (CH4). O sistema Clarus 580-GC possibilita a avaliação apenas de amostras gasosas, em cada um dos detectores individualmente ou associados, injetadas externamente ou on-line (PSR). Conta com linha de gases de arraste de H2, He e ar sintético. E a separação é realizada em três colunas empacotadas, sendo:

  1. coluna empacotada 6.5m Resin in 3/16” SS 200 °C (PerkinElmer), usada com FID
  2. coluna empacotada 7′ HayeSep N 1/8″ Sf 150 °C (PerkinElmer), usada com TCD
  3. coluna empacotada 9′ Molecular Sieve 13x 1/8″ Sf 375 °C (PerkinElmer), usada com TCD

2. Clarus GC-680

O segundo cromatógrafo gasoso é um equipamento Clarus 680-GC da PerkinElmer. Possui os mesmos detectores que o Clarus 580-GC, FID e TCD, para análises de hidrocarbonetos (C2 – C20) e H2. No primeiro canal tem uma coluna capilar Elite-1 Crossbond 100% dimetilpolixano de 20m x 0,1mm x 0,4 µm (PerkinElmer) para caracterização de hidrocarbonetos na faixa de C2 a C20, com detalhamento de isômeros C6, C7 e C8. No outro canal, é avaliado o hidrogênio molecular (TCD com arraste N2) de 10 ppm até 100% através da separação em três colunas empacotadas distintas: 2A-6’ Silica Gel, 1/8” Sf 300°C; 2B-4’ HayeSep Q, 60/80 mesh, 1/8” Sf 275 °C e; 2C-9’ Molecular Sieve 5A, 1/8” Sf 350°C, ambas da PerkinElmer. O sistema Clarus 680-GC possibilita a avaliação de amostras líquidas e gasosas, injetadas externamente ou on-line (PSR) em cada um dos detectores individualmente ou associados e conta com linha de gases de arraste de H2, N2, He e ar sintético.

3. Clarus SQ8- MS/ GC-680

Por fim, o último cromatógrafo gasoso, um equipamento PerkinElmer, modelo Clarus 680-GC acoplado à um espectrômetro de massas (SQ 8S) de ionização por impacto de elétrons (EI), analisador quadrupolo e uma bomba turbo-molecular de 75 L/s. Possui injetor capilar isotérmico com temperatura controlada para injeção de amostras líquidas e gasosas injetadas externamente ou on-line (PSR). A separação ocorre em uma coluna capilar Elite-200 Crossbond trifluoropropilmetilpolixano, L= 20 m, D.I= 0.18 mm, df= 0.40 mm, Tmáx=330 °C da Perkin Elmer. E como gás de arraste é utilizado He. Esse equipamento pode ser utilizado para identificação e quantificação de amostras desconhecidas de hidrocarbonetos e compostos orgânicos oxigenados (1 a 10.000 ppm).

Referências

SKOOG, D. A., HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A. Principles of Instrumental Analysis 5th ed., Saunders College Publishing: Philadelphia, 1998.
COLLINS, H. C.; BRAGA, G. L.; BONATO, P. S. Fundamentos de Cromatografia. Editora Unicamp, 2006.
HARRIS, D. C. Análise Química Quantitativa. 7ª ed., Editora LTC – Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, RJ, 2008.

INFORMAÇÕES ADICIONAIS

Equipe
Prof. Amir A. M. Oliveira, PhD. (Coordenador)
Andressa De Rossi, Ma. (pós-graduação)

Contato: andressacrd@gmail.com

 

  • Desenvolvido com o CMS de código aberto Wordpress
  • Última atualização do site foi em 05 de agosto 2023 - 21:35:33