9.2.1 A prática da cromatografia gasosa
O equipamento cromatográfico gasoso comum consiste em um sistema de gás portador, injetor, coluna cromatográfica gasosa, detector e processamento de dados unidade. O gás transportador é geralmente um gás permanente com capacidade de adsorção baixa ou insignificante, ou seja, hidrogênio, hélio ou nitrogênio. A natureza do gás portador pode influenciar as características de separação do sistema GC e pode modificar a sensibilidade da detecção. Como a estabilidade e reprodutibilidade da taxa de fluxo do gás de arraste é um pré-requisito para uma análise cromatográfica gasosa bem-sucedida, elas influenciam consideravelmente a eficácia da separação e a quantificação dos resultados. Os injetores entregam a amostra ao topo da coluna GC. Os injetores podem ser classificados em dois grupos principais: vaporização e injetores em coluna. Os injetores de vaporização utilizam altas temperaturas (100–300oC) para vaporizar uma amostra líquida rapidamente. Normalmente, uma seringa é usada para introduzir a amostra no injetor termostatizado. Nesse caso, a amostra vaporiza rapidamente, se mistura com o gás de arraste e é transportada para a coluna. Os injetores na coluna depositam a amostra diretamente na coluna, sem depender da vaporização da amostra e seu subsequente transporte para a coluna. A separação dos compostos voláteis da amostra injetada é realizada na coluna GC.
As colunas para cromatografia gasosa podem ser divididas em dois grupos distintos; colunas empacotadas e capilares de várias dimensões (Spangler, 2001). Uma coluna empacotada é uma coluna rígida de metal ou vidro cheia de pequenas partículas que são freqüentemente revestidas com uma fina camada de um polímero de alto peso molecular. Os suportes sólidos mais comuns são terras diatomáceas, fluorocarbonos, negro de fumo grafitado e contas de vidro. Cerca de 90% de todos os suportes são vários tipos de terra diatomácea. A fase líquida estacionária das colunas GC deve cumprir os seguintes requisitos: baixa pressão de vapor, alta estabilidade química e viscosidade relativamente baixa na temperatura de análise; seletividade para os componentes da amostra sob investigação; boa capacidade de umedecimento tanto para a superfície do suporte inerte quanto para a parede possivelmente inerte da coluna. O comprimento de uma coluna empacotada é limitado a cerca de 3 m por causa das altas pressões que são necessárias para manter as taxas de fluxo do gás de arraste nas velocidades necessárias para um desempenho ideal. As colunas compactadas têm várias vantagens sobre as colunas capilares. As colunas compactadas têm uma capacidade de amostra 10 a 1.000 vezes maior do que as colunas capilares. Isso torna as colunas empacotadas superiores para analitos onde grandes quantidades de amostra precisam ser analisadas. No entanto, as colunas empacotadas têm 25–50% menos placas teóricas por metro do que as colunas capilares. Juntamente com os comprimentos mais curtos das colunas empacotadas (1-3 m versus 10-60 m para colunas capilares), o número total de pratos teóricos é substancialmente menor do que o de colunas capilares.
Um capilar (também chamado de aberto tubular) coluna é um tubo de vidro ou sílica fundida de diâmetro interno muito pequeno (geralmente entre 0,20–0,53 mm). A superfície interna de uma coluna capilar é revestida com uma fina camada de fase estacionária, de modo que ainda é possível que as moléculas de soluto entrem em contato com as paredes internas do tubo. A maioria das fases estacionárias da coluna capilar são reticuladas e covalentemente ligadas à superfície de sílica fundida. A quantidade de fase estacionária em uma coluna capilar é denotada por sua espessura de filme, que normalmente é 0,1-5 μm. A retenção do composto é proporcional à espessura do filme nas colunas capilares, a retenção aumenta conforme a espessura do filme aumenta e diminui conforme a espessura do filme diminui. A vantagem das colunas capilares é sua capacidade de separação muito alta. Isso permite a resolução de picos em amostras complexas que não são adequadamente separadas por colunas compactadas. Devido ao melhor desempenho de separação, as colunas capilares têm sido usadas com mais frequência em cromatografia gasosa do que as colunas empacotadas. A eficácia das análises de GC pode ser acentuadamente melhorada com o uso de uma técnica de troca de coluna (Samuel e Davis, 2002).
Para conseguir uma separação eficaz e confiável, a coluna cromatográfica de gás deve ser termostatizada a uma temperatura constante (modo de separação isotérmica) ou pode ser modificado de acordo com um programa de temperatura pré-determinado (gradiente de temperatura). A aplicação de um gradiente de temperatura aumenta muito a eficácia da separação (Davis et al., 2000). Como a temperatura da coluna é um dos parâmetros mais decisivos na análise de GC, sua regulação exata é de extrema importância. Os detectores interagem com as moléculas de soluto conforme elas saem da coluna. Essa interação é convertida em um sinal elétrico que é enviado a um dispositivo de gravação ou armazenamento de dados. Um cromatograma é então criado, o qual é um gráfico da intensidade do sinal em relação ao tempo decorrido.As características primárias dos detectores são a menor quantidade de um composto detectável (sensibilidade) e cujo composto na mesma quantidade produz a resposta do detector (seletividade) mais forte.
Muitos detectores diferentes (ionização por chama = FID , nitrogênio-fósforo = NPD, fotométrico de chama = FPD, captura de elétrons = ECD, condutividade térmica = TCD, emissão atômica = AED, condutividade eletrolítica = ELCD, quimioluminescência, etc.) foram desenvolvidos para a detecção sensível e seletiva e quantificação da amostra componentes. O FID usa um fluxo de hidrogênio misturado com o gás portador. A mistura é inflamada, os analitos são queimados e os íons formados durante a queima são coletados em um eletrodo cilíndrico em alta tensão aplicada entre o jato da chama e o eletrodo. A corrente resultante é amplificada e detectada. NPD é semelhante ao FID em seu design. Ele contém esferas de rubídio ou césio dentro de uma bobina de aquecimento perto do jato de hidrogênio. As moléculas de nitrogênio e fósforo parcialmente queimadas são adsorvidas na superfície do grânulo, reduzindo a emissão de elétrons, o que aumenta a corrente. O FPD detecta especialmente compostos de enxofre e fósforo. Analitos são queimados na chama. Devido à excitação na chama, a luz é emitida em 392 (enxofre) e 526 (fósforo) nm. Um filtro seleciona os comprimentos de onda que alcançam um tubo fotomultiplicador.
O ECD emprega uma fonte de raios β de baixa energia para a produção de elétrons e íons. As moléculas de captura de elétrons (compostos halogenados) que entram no detector diminuem a corrente de elétrons que pode ser amplificada e registrada. O TCD responde a mudanças na condutividade térmica e no calor específico usando um filamento sob corrente colocado no fluxo do gás portador. Mudanças na condutividade térmica e / ou calor específico do gás atual causadas pelos analitos modificam o potencial através do filamento. O AED é adequado para a detecção de átomos ou grupos de átomos selecionados, o ELCD pode ser especialmente usado para a detecção de analitos contendo Cl, N ou S. Um detector de quimioluminescência é empregado principalmente para a detecção de compostos de enxofre. Nas últimas décadas, os métodos de GC combinados com vários sistemas de detecção de espectrometria de massa (MS) encontraram crescente aplicação em análises de GC.
A detecção de MS é baseada no fenômeno de que íons ou moléculas podem ser ionizados em alto vácuo, produzindo espécies carregadas adicionais. Essas espécies podem ser separadas e sua abundância relativa (seu espectro de massa) é característica do analito original. Um espectrômetro de massa deve gerar espécies iônicas e então separá-las e detectá-las. A geração de íons pode ser alcançada por técnicas de impacto de elétrons (EI) e ionização química (CI). No método EI, a fragmentação e a carga dos analitos são realizadas produzindo colisões entre eles e os elétrons gerados a partir de um filamento quente.
A técnica de CI emprega um gás reagente, como amônia ou metano ionizado por um feixe de elétrons. O gás ionizado reage com os analitos formando complexos íon-molécula relativamente estáveis. Como os complexos que ocorrem com mais frequência são adutos simples, como + ou +, a massa molecular dos analitos pode ser facilmente calculada. Outros instrumentos portáteis de GC hifenizados também foram desenvolvidos para aplicações de campo (Arnold et al., 2000). As tendências atuais em instrumentação e metodologias de GC foram revisadas recentemente por Yashin e Yashin, (2001).