O que é cromatografia de gás?
Cromatografia de gás (GC) é uma técnica analítica usada para separar os componentes químicos de uma mistura de amostra e, em seguida, detectá-los para determinar sua presença ou ausência e / ou quanto está presente. Esses componentes químicos são geralmente moléculas orgânicas ou gases. Para o GC ter sucesso em sua análise, esses componentes precisam ser voláteis, geralmente com um peso molecular abaixo de 1250 Da, e termicamente estáveis para que não se degradem no sistema de GC. GC é uma técnica amplamente usada na maioria das indústrias: para controle de qualidade na fabricação de muitos produtos, de automóveis a produtos químicos a farmacêuticos; para fins de pesquisa, desde a análise de meteoritos até produtos naturais; e para segurança de meio ambiente a alimentos e perícia. Cromatógrafos de gás são frequentemente hifenizados em espectrômetros de massa (GC-MS) para permitir a identificação dos componentes químicos.
Como funciona a cromatografia gasosa?
Como o nome indica, o GC usa um gás portador na separação, que desempenha o papel do dispositivo móvel fase (Figura 1 (1)). O gás de arraste transporta as moléculas da amostra através do sistema GC, de preferência sem reagir com a amostra ou danificar os componentes do instrumento.
A amostra é introduzida primeiro no cromatógrafo de gás (GC), seja com um seringa ou transferido de um amostrador automático (Figura 1 (2)) que também pode extrair os componentes químicos de matrizes de amostras sólidas ou líquidas. A amostra é injetada na entrada do GC (Figura 1 (3)) através de um septo que permite a injeção da mistura da amostra sem perder a fase móvel. Conectada à entrada está a coluna analítica (Figura 1 (4)), um tubo longo (10 – 150 m), estreito (0,1 – 0,53 mm de diâmetro interno) de sílica fundida ou metal que contém a fase estacionária revestida nas paredes internas. A coluna analítica é mantida no forno de coluna que é aquecido durante a análise para eluir os componentes menos voláteis. A saída da coluna é inserida no detector (Figura 1 (5)) que responde aos componentes químicos eluídos da coluna para produzir um sinal. O sinal é gravado pelo software de aquisição em um computador para produzir um cromatograma (Figura 1 (6)).
Figura 1: Um diagrama simplificado de um cromatógrafo de gás mostrando: (1 ) gás de arraste, (2) amostrador automático, (3) entrada, (4) coluna analítica, (5) detector e (6) PC. Crédito: Anthias Consulting.
Após a injeção na entrada do GC, os componentes químicos da mistura da amostra são primeiro vaporizados, se ainda não estiverem na fase gasosa. Para amostras de baixa concentração, toda a nuvem de vapor é transferida para a coluna analítica pelo gás de arraste no que é conhecido como modo sem divisão. Para amostras de alta concentração, apenas uma parte da amostra é transferida para a coluna analítica no modo de divisão, o restante é lavado do sistema através da linha de divisão para evitar sobrecarga da coluna analítica.
Uma vez na coluna analítica, os componentes da amostra são separados por suas diferentes interações com a fase estacionária. Portanto, ao selecionar o tipo de coluna a ser usada, a volatilidade e os grupos funcionais dos analitos devem ser considerados para combiná-los com a fase estacionária. As fases estacionárias líquidas caem principalmente em dois tipos: polietilenoglicol (PEG) ou à base de polidimetilsiloxano (PDMS), o último com percentagens variáveis de dimetil, difenil ou grupos funcionais polares médios, por exemplo cianopropilfenil. Semelhante separa semelhantes, portanto, colunas não polares com dimetil ou uma baixa porcentagem de difenil são boas para separar analitos não polares. Essas moléculas capazes de interações π-π podem ser separadas em fases estacionárias contendo grupos fenil. Aqueles capazes de ligação de hidrogênio, por exemplo ácidos e álcoois, são melhor separados com colunas de PEG, a menos que tenham passado por derivatização para torná-los menos polares.
A etapa final é a detecção das moléculas de analito quando eles eluem da coluna. Existem muitos tipos de detectores de GC, por exemplo: aqueles que respondem a ligações C-H como o detector de ionização de chama (FID); aqueles que respondem a elementos específicos, por exemplo, enxofre, nitrogênio ou fósforo; e aqueles que respondem a propriedades específicas da molécula, como a capacidade de capturar um elétron, como é usado com o detector de captura de elétrons (ECD).
Adicionando massa espectrometria para cromatografia gasosa (GC-MS)
Espectrometria de massa (MS) é uma técnica analítica que pode ser hifenizada para GC e usada no lugar do detector GC. As moléculas neutras eluem da coluna analítica e são ionizadas na fonte de íons para produzir íons moleculares que podem se degradar em íons de fragmento. O fragmento e os íons moleculares são então separados no analisador de massa por sua razão massa: carga (m / z) e são detectados.Os dados de um GC-MS são tridimensionais, fornecendo espectros de massa que podem ser usados para confirmação de identidade, para identificar analitos desconhecidos e para determinar propriedades estruturais e químicas de moléculas, bem como o cromatograma que pode ser usado para análises qualitativas e quantitativas.
Como você lê um cromatograma e o que ele diz a você?
Figura 2: Saída do cromatograma de um GC ou GC -EM. Crédito: Anthias Consulting.
Muitas informações podem ser obtidas a partir do cromatograma sobre a integridade do sistema GC ou GC-MS, bem como os dados necessários para realizar análises qualitativas ou quantitativas.
O eixo x é o tempo de retenção, obtido do momento em que a amostra foi injetada no GC (t0) até o final da execução do GC. Cada pico de analito tem um tempo de retenção medido a partir do ápice do pico, por exemplo tR. O eixo y é a resposta medida do pico do analito no detector. A linha de base mostra o sinal do detector quando nenhum analito está eluindo da coluna ou está abaixo do limite de detecção. A resposta da linha de base é uma mistura de ruído elétrico (geralmente baixo) e ruído químico, como impurezas no gás de arraste, sangramento de fase estacionária da coluna e contaminação do sistema. Portanto, se a linha de base for mais alta do que deveria, é uma indicação de um problema ou de que a manutenção é necessária. Várias medições podem ser feitas a partir do pico, como largura na linha de base, largura na metade da altura, altura total e área. Os dois últimos são proporcionais à concentração, porém é a área que é utilizada para quantificação, pois é menos afetada pelo alargamento de banda. As medições podem ser usadas para calcular a extensão do alargamento da banda, a propagação das moléculas de analito na coluna. Picos mais estreitos e nítidos oferecem melhor sensibilidade (relação sinal-ruído) e melhor resolução (separação de pico). Os picos mostrados são gaussianos, no entanto a cauda do pico (o lado direito do pico é mais largo) indica atividade ou um volume morto no sistema, enquanto um fronting de pico (o lado esquerdo do pico é mais largo) indica que a coluna está sobrecarregada. Medições precisas são afetadas pelo número de pontos de dados em um pico, com um número ideal sendo 15-25. Muito poucos, faz com que o pico pareça um desenho de junção de pontos de uma criança, afetando a área do pico, a resolução e, com GC-MS, a deconvolução. Muitos reduzem o sinal para ruído, reduzindo a sensibilidade. Para dados de GC-MS, cada ponto de dados é um espectro de massa, a terceira dimensão dos dados.
Levando a cromatografia de gás em dimensões múltiplas
em comparação com outras técnicas de separação, GC tem uma alta capacidade de pico com a capacidade de separar centenas de compostos. No entanto, para algumas aplicações onde milhares de picos precisam ser separados, não há placas teóricas suficientes para separar cromatograficamente todos eles. Os exemplos podem incluir a análise de diesel, ou onde traços de analitos precisam ser detectados em matrizes complexas como amostras ambientais, biológicas ou de alimentos. A resolução espectral, onde um MS é hifenizado para um GC, permite que a análise seja realizada sem resolução cromatográfica completa; no entanto, os picos de coeluição devem ter espectros diferentes para que isso seja totalmente bem-sucedido.
Corte de coração é útil quando uma coluna é selecionada para separar a maioria dos picos, então alguns grupos de picos de coeluição são “cortados” e transferidos para uma segunda coluna contendo uma fase estacionária e seletividade diferentes. Apenas alguns cortes podem ser transferidos durante a execução , portanto, só pode ser usado onde há algumas separações problemáticas.
Figura 3: Gráfico de contorno GC x GC do diesel mostrando as diferentes classes químicas separadas. A coluna de 1ª dimensão é não -polar e a coluna de 2ª dimensão é polar média. Crédito: Anthias Consulting.
Para amostras complexas onde há coeluições frequentes, é usada cromatografia bidimensional abrangente (GC x GC). Duas colunas , contendo diferentes fases estacionárias e, portanto, diferentes mecanismos de separação são configurados em série. A configuração “normal” é uma coluna apolar de 1ª dimensão seguida de uma coluna mais polar de 2ª dimensão, conforme mostrado na Figura 3, para a análise de diesel. Um modulador é usado entre as duas colunas para fazer um corte do primeira coluna e reinjetar em uma banda de amostra estreita na segunda coluna. Os moduladores térmicos conseguem isso usando a temperatura para capturar e, em seguida, liberar as moléculas, os moduladores de fluxo coletam o efluente, comprimem e liberam as moléculas para a segunda coluna. Cortes são feitos ao longo da execução , geralmente a cada 1 a 10 segundos. A separação na segunda coluna deve ser alcançada antes que o próximo corte seja introduzido. Essa separação rápida é obtida usando uma segunda coluna curta e estreita, geralmente 1-2 m de diâmetro interno de 0,1 mm usada com térmica moduladores ou uma segunda coluna curta e mais larga, geralmente 5 m de diâmetro interno de 0,25 mm usada com moduladores de fluxo.Os picos GC x GC são muito estreitos, até 35 ms, portanto, detectores GC rápidos ou espectrômetros de massa de alta taxa de aquisição > 100 Hz devem ser usados para adquirir pontos de dados suficientes.
Pontos fortes e limitações da cromatografia gasosa
GC é uma técnica amplamente usada na maioria dos setores. É usado para análises de rotina e pesquisas, analisando algumas a muitas centenas (ou milhares com GC x GC) de compostos em muitas matrizes diferentes, de sólidos a gases. É uma técnica robusta e é facilmente hifenizada para outras técnicas, incluindo espectrometria de massa.
O GC se limita a analisar compostos voláteis de hélio / hidrogênio até pesos moleculares de cerca de 1250 u. Os compostos termicamente instáveis podem degradar em um GC quente, portanto, técnicas de injeção a frio e baixas temperaturas devem ser usadas para minimizar isso. Analitos mais polares podem ficar presos ou perdidos no GC, portanto, o sistema deve ser desativado e bem mantido ou esses analitos derivatizados.
Problemas comuns com cromatografia gasosa
O problema mais comum no GC são os vazamentos. A fase móvel é um gás e flui por todo o sistema, portanto, a instalação correta de peças e consumíveis é importante junto com a verificação de vazamento regular.
A atividade é outro problema para analitos mais polares, especialmente aqueles em níveis de rastreamento. Os grupos silanol nos revestimentos de vidro e na coluna, e também um acúmulo de sujeira no sistema, podem causar picos de rejeito, adsorção irreversível ou quebra catalítica. A entrada é a área que causa mais problemas, pois é aqui que a amostra é injetada, vaporizada e transferida para a coluna de GC. Portanto, a manutenção regular da entrada junto com o uso de consumíveis corretos, por exemplo, um revestimento de entrada desativado, é importante para manter o instrumento livre de problemas.