9.2 Aparelhagem

Este capítulo trata da cromatografia com fase gasosa e algumas de suas aplicações

em química analítica quantitativa. Começamos pela descrição da aparelhagem (Fig.

9.1) e a explicação de alguns princípios fundamentais de seu funcionamento. Uma análise completa está fora do escopo deste livro. Procure detalhes nos trabalhos listados na Seção 9.11.

 

9.2 Aparelhagem

 

9.2.1 Suprimento de gás de arrasto (cilindro de alta pressão)

O gás de arrasto é normalmente hélio, nitrogênio, hidrogênio ou argônio. A escolha depende da disponibilidade, pureza, consumo e tipo de detector utilizado. Hélio, por exemplo, é o preferido com detectores de condutividade térmica porque tem condutividade térmica alta em relação aos vapores da maior parte dos compostos orgânicos. Além do reservatório de gás em alta pressão, são necessários reguladores de pressão e medidores de vazão para controlar e medir o fluxo de gás. A eficiência da aparelhagem depende muito da manutenção de um fluxo constante de gás de arrasto. Duas considerações importantes de segurança têm de ser levadas em conta:

 

1. Os cilindros de gás devem estar sempre presos por cintas ou correntes. 2. Gases de refugo, especialmente hidrogênio, devem ser eliminados em uma capela.

 

Devido aos problemas de segurança e armazenagem associados com cilindros de gás, alguns gases de uso em cromatografia (ar, hidrogênio e nitrogênio, principalmente) podem ser obtidos com geradores de bancada capazes de fornecer gases de alta pureza com velocidades de fluxo entre 300 e 900 ml·min–1.

 

9.2.2 Sistema de injeção de amostras e derivatização

Vários dispositivos de introdução da amostra foram desenvolvidos. Os mais importantes envolvem a introdução de amostras líquidas com uma microsseringa dotada de uma agulha hipodérmica. A agulha passa através de um septo de borracha de silicone auto-selante e coloca a amostra em um bloco de metal aquecido que está na entrada da coluna. A manipulação da seringa é uma arte a ser desenvolvida com a prática, que tem como objetivo introduzir a amostra sempre da mesma maneira. A temperatura do bloco deve ser suficiente para que a amostra líquida se vaporize rapidamente sem decomposição ou fracionamento. Uma regra prática útil é manter a entrada da amostra aproximadamente na temperatura de ebulição do componente menos volátil. Para melhorar a eficiência, a amostra deve ser a menor possível (1 a 10 μl), compatível com a sensibilidade do detector. Amostras gasosas (0,5 a 10 ml) podem ser injetadas do mesmo jeito, desde que se disponha de uma seringa de gás capaz de resistir à pressão existente na entrada da coluna.

 

Fig. 9.1 Cromatógrafo a gás típico

 

Infelizmente, a injeção de amostras em sistemas capilares é muito mais difícil

devido às pequenas quantidades de material envolvidas e aos baixos fluxos de gás de arrasto usados [3]. Um certo número de sistemas de injeção é usado atualmente

(Tabela 9.1) e a escolha depende das características da amostra. A técnica mais usada é provavelmente a injeção com divisão de fluxo (split injection) que é perfeitamente adequada para a maior parte das amostras. O procedimento consiste na injeção de 0,1 a 1,0 μl de amostra em um injetor aquecido cuja superfície interna está recoberta com vidro, onde ela se vaporiza e se mistura com o gás de arrasto. Uma proporção predeterminada, normalmente entre 1 e 10%, passa para a coluna. O restante é

descartado por uma válvula variável de agulha para a atmosfera (Fig. 9.2). Isto evita o problema da saturação, mas só funciona se a concentração do analito na amostra é alta (> 0,01% em volume). O método tem a desvantagem óbvia de deixar passar o gás de arrasto para a atmosfera do laboratório.

 

Tabela 9.1 Sistemas de injeção usados em cromatografia com fase gasosa em coluna capilar

 

Nome Aplicação Volume da amostra Concentraíão

(μl)

 

Com divisor 0,1–2 alta uso geral

 

Sem divisor 0,5–10 pequena/traços soluções diluídas

 

Coluna fria 1,0–500 pequena/traços concentrações baixas,

sensíveis

 

Temperature 1,0–50 pequena/alta espécies

programável e termicamente vaporização (PTV) lábeis

 

Dessorção térmica não se aplica pequena gases retidos e

vapores

 

Pirólise 10 μg a 1 mg alta polímeros e

biopolímeros

 

No caso de amostras com baixas concentrações de analito, a injeção sem divisão

de fluxo (splitless injection) é freqüentemente mais apropriada. O procedimento consiste em injetar lentamente um volume maior, entre 0,5 e 5 μl, da solução diluída em um solvente volátil, com a janela de divisão de fluxo fechada. A temperatura da coluna é mantida em uma temperatura 20 a 25°C mais baixa do que o ponto de ebulição do solvente. Nestas condições, um pouco do solvente condensa-se nos primeiros milímetros da coluna e as moléculas da amostra concentram-se, um processo conhecido como captura do solvente. Depois de um certo tempo, normalmente 40 a 60 segundos após a injeção, abre-se a janela de divisão do fluxo para eliminar o excesso de solvente e evitar a formação de cauda e o alargamento dos picos. A temperatura da coluna é então elevada até o valor operacional. O solvente e os solutos de baixo ponto de ebulição são eluídos rapidamente na forma de um pico largo, após o que os solutos de ponto de ebulição mais elevados são eluídos em um cromatograma convencional. A qualidade dos resultados obtidos por esta técnica depende fortemente da seqüência de eventos (tempo de injeção, tempo de abertura da janela de divisão e começo da rampa de temperatura) e das temperaturas usadas nas diversas etapas do processo. A injeção sem divisão de fluxo é satisfatória para a análise de traços em amostras em que os solutos estão em ppm, mas pela sua própria natureza ela só permite a separação confiável de solutos cujos pontos de ebulição são 100 a 150°C superiores à temperatura de ebulição do solvente, uma limitação severa em alguns tipos de análise.

 

Fig. 9.2 Injetor com divisor para a cromatografia com fase gasosa em coluna capilar

O método mais geral de introduzir a amostra em uma coluna capilar é o método

de injeção direta na coluna (direct on-column method), que é normalmente empregado em sistemas empacotados. Dois problemas têm de ser resolvidos. O primeiro é que a massa total de material que uma coluna capilar de 0,25 mm pode operar sem saturação é da ordem de 20 ng por componente, isto é, 0,05 μl de líquido puro. O segundo é que o dispositivo de introdução da amostra na coluna, isto é, a agulha da seringa, deve ser menor do que o diâmetro interno da coluna (0,25 μm). Existem seringas especiais capazes de operar estes volumes pequenos. A agulha é um tubo capilar curto de quartzo cujo diâmetro é menor do que o diâmetro interno da coluna do cromatógrafo. Ela não pode ser usada com os septos dos filtros de entrada normais porque a agulha não pode passar pelo disco de borracha sem quebrar. Injetores pneumáticos especiais foram desenvolvidos para permitir a entrada da agulha diretamente na cabeça da coluna sem perturbar o fluxo de gás de arrasto. Em algumas versões, estes injetores sem septo podem ser resfriados para que a amostra não seja submetida às tensões térmicas excessivas e à discriminação dos injetores comuns, mas, como os volumes e concentrações que podem ser utilizados são relativamente restritos, sua aceitação é lenta.

No caso do uso da cromatografia com fase gasosa em compostos de massa

molecular elevada existe o problema importante da pouca volatilidade da amostra. Esta dificuldade pode ser resolvida quebrando-se as moléculas em fragmentos menores e mais voláteis que são, então, analisados. Este processo é conhecido como cromatografia gasosa com pirólise (CGP). CGP é uma técnica em que uma amostra pouco volátil é pirolisada em condições rigorosamente controladas, usualmente na ausência de oxigênio, e os produtos da decomposição são separados na coluna de um cromatógrafo a gás. O cromatograma (pirograma) resultante é usado para a análise qualitativa e quantitativa da amostra. Se a amostra for muito complexa, a identificação completa dos fragmentos de pirólise pode não ser possível e o pirograma, nestes casos, é usado para caracterizar a amostra. A cromatografia gasosa com pirólise tem sido aplicada a muitos tipos de amostras, mas seu uso principal é na análise de polímeros sintéticos e naturais. Os vários sistemas de cromatografia com pirólise podem ser classificados, em geral, em dois tipos distintos:

 

Reatores no modo estático (fornos) que incluem, tipicamente, um tubo de quartzo e

um forno de combustão do tipo Pregl. As amostras sólidas são colocadas no tubo e o sistema é fechado. O tubo é colocado no forno e a amostra é aquecida até a temperatura de pirólise. Neste tipo de sistema de pirólise, o tempo necessário para atingir a temperatura desejada (até 30 segundos) é muito maior do que na pirólise

dinâmica e o resultado é o aparecimento de produtos de reações secundárias. Por outro lado, no modo estático os sistemas têm capacidade de operar maiores quantidades de amostra, o que é uma grande vantagem.

Reatores no modo dinâmico (de filamento) em que a amostra é colocada na ponta

de um filamento ou fio metálico (geralmente fios de platina ou níquel–cromo) que é selado em uma câmara de reação. Na cromatografia gasosa com pirólise, a reação ocorre usualmente na câmara de entrada do cromatógrafo. Deixa-se passar o gás de arrasto e aplica-se ao filamento uma corrente elétrica contínua que aquece rapidamente a amostra até a temperatura de pirólise. Quando a amostra se decompõe, os produtos de pirólise são arrastados para uma área mais fria, antes de penetrar na coluna de CG. Este arranjo reduz a possibilidade de reações secundárias.

 

A pirólise, feita antes da CG/MS (Seção 19.18), é um método elegante de analisar certas substâncias que não podem ser cromatografadas por métodos convencionais.

Na análise de substâncias muito voláteis em solução ou em matrizes sólido–

líquidas (etanol em amostras de sangue, por exemplo) por cromatografia com fase gasosa é, às vezes, desejável usar o procedimento conhecido como análise do espaço confinado. A amostra, colocada usualmente em um frasco selado, é aquecida até uma temperatura fixa e entra em equilíbrio com a atmosfera com a qual está em contato. Isto cria um espaço confinado, que é amostrado da maneira convencional e injetado diretamente no CG com uma seringa de gás. Este tipo de experimento pode ser feito de maneira simples colocando-se a amostra em uma garrafa tampada com um septo e imersa em um banho de água para manter a temperatura constante. Podese usar também um sistema automático que mantém a amostra em temperatura constante por intervalos de tempo especificados antes da injeção no cromatógrafo. Este procedimento é muito útil na análise do aroma de comidas frescas [4] e de bebidas, em que se usa, freqüentemente, uma combinação de técnicas de espaço confinado e captura. Vários sistemas estáticos e dinâmicos com esta finalidade têm sido descritos.

Muitas amostras, porém, não podem ser injetadas diretamente em um

cromatógrafo a gás devido à elevada polaridade, à baixa volatilidade ou à instabilidade térmica. Este problema foi resolvido com a formação de derivados voláteis, principalmente com o uso de reagentes de silanização, estendendo assim a versatilidade e a utilidade da cromatografia com fase gasosa. O termo silanização corresponde à substituição de um hidrogênio lábil da molécula de analito por um grupo trimetil–silila, —Si(CH 3)3, ou um grupo semelhante. Um grande número de reagentes deste tipo está hoje à disposição do analista [5], inclusive alguns reagentes de silanização especiais que aumentam a resposta do detector, geralmente incorporando grupos funcionais apropriados para detectores seletivos. Reagentes que contêm átomos de cloro ou de bromo no grupo silila, por exemplo, são particularmente úteis na preparação de derivados para serem injetados em cromatógrafos a gás dotados de detectores de captura de elétrons. A derivatização também aumenta a resolução relativa de outros componentes da mistura e melhoram a forma do pico para a análise quantitativa.

É possível aplicar a cromatografia com fase gasosa ao estudo de certos compostos

inorgânicos, embora estes não sejam, em geral, voláteis como os compostos orgânicos de peso molecular semelhante. No caso da separação e análise quantitativa de metais, os tipos de compostos que podem ser usados em CG limitam-se àqueles que podem ser formados quantitativamente e de forma reprodutível. Se incluirmos as exigências de volatilidade suficiente e estabilidade térmica, os compostos mais favoráveis para uso na análise de metais são os quelatos neutros de metais. As β-dicetonas, como a acetilacetona e seus derivados contendo flúor, trifluoro-acetilacetona (TFA) e hexafluoroacetilacetona (HFA), formam derivados estáveis e voláteis com alumínio, berílio, cromo(III) e outros metais. Isto torna possível usar a cromatografia na análise de muitos metais na forma de quelatos de β-dicetonas.

 

O número de aplicações em análises em nível de traços é pequeno. O exemplo mais conhecido é, talvez, a determinação de berílio em amostras de vários tipos. A metodologia envolve, em geral, a formação do trifluoro-acetilacetonato de berílio, um quelato volátil, sua extração com benzeno e a separação e análise subseqüente por cromatografia com fase gasosa [6].

Vários tipos de derivados foram desenvolvidos para a cromatografia líquida e a

gás. Consulte a literatura para mais informações sobre como escolher um derivado apropriado para um problema analítico em particular [7,8].

 

9.2.3 A coluna A separação dos componentes da amostra é feita na coluna. A natureza do suporte sólido, o tipo e quantidade da fase líquida, o método de empacotamento, o tamanho da coluna e a temperatura são fatores importantes para a resolução desejada. A coluna é colocada em um forno controlado termostaticamente, de modo a manter a temperatura constante com a aproximação de 0,5°C, garantindo assim condições reprodutíveis. A temperatura de operação pode variar desde a temperatura normal do laboratório até acima de 400°C, podendo ser mantida constante durante a separação se a operação é isotérmica.

 

Colunas recheadas

Os primeiros experimentos foram feitos com colunas recheadas, tubos de até 5 metros de comprimento e 2 a 4 mm de diâmetro interno, feitos de vidro, metal (alumínio, aço inoxidável ou cobre) ou plásticos resistentes a temperaturas elevadas (PTFE). O recheio era um suporte de material inerte, freqüentemente terra diatomácea lavada e desativada por tratamento com ácido e peneirada até uma faixa estreita de tamanhos de partículas (usualmente até a malha 60 a 120, isto é, diâmetros entre 250 e 125 μm). Neste tipo de coluna, o papel do suporte é manter a fase líquida na forma de uma película de alta superfície que permite o estabelecimento muito rápido do equilíbrio entre as fases gás e líquida. Um grande número de fases líquidas têm sido usadas, mais de 400 delas ainda fazendo parte das listas dos fornecedores.

A fase escolhida era colocada de forma uniforme no suporte, na concentração de 1

a 15%, e este, na coluna escolhida. Este procedimento levou a um número muito grande de colunas recheadas, cada uma das quais sendo considerada a mais apropriada para a separação de uma dada mistura. Decidir que coluna usar era, muitas vezes, difícil. Em grande parte, as fases podem, porém, ser grupadas em não-polares, de polaridade média e polares, e a idéia de que “coisas parecidas separam coisas parecidas” era usada como guia na escolha da coluna. As fases líquidas podem ser classificadas geralmente como:

 

1. Fases líquidas não-polares do tipo hidrocarboneto, tais como óleo de parafina

(Nujol), esqualano, graxa Apiezon L e borracha de goma de silicone. Esta última é usada em temperaturas elevadas (até ∼400°C).

2. Compostos de polaridade intermediária que possuem um grupo polar ou

polarizável ligado a um esqueleto apolar, tais como ésteres de álcoois de alto peso molecular como o ftalato de dinonila.

3. Compostos polares que contêm uma proporção relativamente elevada de grupos

polares como, por exemplo, as carboceras (poliglicóis).

4. Compostos com ligação hidrogênio, isto é, fases líquidas como glicol, glicerol e

hidróxi-ácidos, que possuem um número apreciável de átomos de hidrogênio em ligação hidrogênio.

 

Colunas capilares

Felizmente, o uso de colunas recheadas tem diminuído muito nos últimos anos devido ao uso crescente de colunas tubulares abertas ou colunas capilares. Estas colunas baseiam-se na interação entre a mistura e a fase estacionária na forma de um filme fino e coerente depositado na superfície interna de um tubo longo e fino (capilar). Feitas em vidro ou aço inoxidável, elas já eram usadas em alguns laboratórios especializados no fim dos anos 1950 porém seu uso só se generalizou após a introdução das colunas de sílica fundida ou quartzo, em 1979. O equipamento necessário para produzir estes tubos longos e finos de quartzo é caro, o que faz com que, ao contrário das colunas empacotadas, as colunas capilares não sejam feitas no laboratório de cromatografia e sendo quase sempre compradas no comércio.

O custo inicial elevado das colunas capilares, em comparação com as colunas

empacotadas feitas no laboratório, fez com que elas fossem adotadas mais lentamente do que seria de se desejar, porém, hoje, a maior parte do trabalho cromatográfico é feito em colunas capilares. Como elas devem ser compradas, é importante escolhê-las corretamente. A maior parte das separações pode ser feita adequadamente com um número relativamente pequeno de tipos de colunas capilares. Muitos laboratórios fazem mais de 90% de seu trabalho usando seis colunas diferentes ou menos.

As primeiras colunas capilares de quartzo eram feitas por deposição de um filme

fino de uma fase estacionária idêntica às usadas nas colunas recheadas como, por exemplo, óleo de silicone (OV 1), na superfície interna de um tubo de sílica fundida de 50 m de comprimento e diâmetro interno de 0,22 mm. A parte externa da coluna era protegida já na fabricação com um plástico resistente a temperaturas elevadas, usualmente uma poliimida. A coluna produzida desta maneira era resistente e durável e tinha resolução muito maior do que seus equivalentes recheados. Entretanto, as primeiras colunas capilares tinham seus problemas, especialmente as tensões envolvidas na ligação da coluna com o cromatógrafo e sua vida relativamente curta. Com o desenvolvimento destas colunas e seu uso generalizado, um número maior de

colunas pode ser hoje encontrado (Tabela 9.2), o que ainda coloca o iniciante diante do problema da escolha da coluna. Considerando, porém, o tipo de separação pretendida, pode-se escolher bem a coluna com relativa facilidade. Nestas colunas capilares a fase estacionária é ligada à parede interna do tubo. Dois tipos principais são usados:

Tabela 9.2 Parâmetros variáveis em colunas capilares

 

Comprimento 5 10 15 25 30 50 60 100

(m)

 

Diâmetro interno 0,1 0,2 0,25 0,32 0,53 0,75

(mm)

 

Fase não-polar intermediário especial muito polar

 

Temperatura 200 >450

máxima (°C)

 

Espessura de 0,2 1,5 3,0 5

filme (μm)

 

Filme poliimidas alumínio

 

Carga máxima 10 1000

(ng)

 

Eficiência 5000 20 000

(prato/m)

 

Colunas capilares com paredes recobertas (WCOT) em que a fase estacionária é

ligada diretamente à parede interna do tubo.

Colunas capilares com suporte recoberto (SCOT) em que uma camada de suporte

sólido é depositada na parede interna do tubo e recoberta com a fase estacionária.

 

Regras para a escolha da coluna

Semelhantes separam semelhantes O conceito funciona para as colunas capilares, mas como sua resolução é muito grande, é menos crítico escolher exatamente a fase correta. Assim, muitos materiais não-polares podem ser separados em fases não-polares e muitos materiais polares em uma fase polar geral.

 

Colunas longas têm tempos longos de eluição e alta resolução Quanto maior for a coluna maior será a resolução, mas o tempo de eluição e o custo também crescem. Em muitos casos, a coluna padrão de 25 m é satisfatória, porém colunas de 10 m ou menos podem ser usadas para separações rápidas de substâncias relativamente simples. (Observe que estas colunas curtas podem separar amostras com a mesma eficiência da melhor coluna recheada porém em tempo muito menor.) Em separações mais difíceis, pode-se usar colunas mais longas. A coluna mais longa produzida até hoje tem 2100 m e um número estimado de 2 milhões de pratos teóricos. As colunas comerciais, entretanto, têm, no máximo, cerca de 100 m.

 

Menor diâmetro leva a maior eficiência A eficiência das colunas aumenta marcadamente quando o diâmetro interno da coluna diminui. O uso de tubos com diâmetro interno igual a 100 μm (0,1 mm), permite a obtenção de resoluções muito altas, porém ao custo da quantidade do material que pode ser colocado na coluna, bem como ao aumento dos problemas de desenho e construção criados pelas velocidades pequenas de fluxo de gás de arrasto que provocam alargamento dos

picos. A Tabela 9.2 dá detalhes de colunas de diâmetro entre 0,1 e 0,75 mm, estas últimas chamadas de colunas de megadiâmetro. Em certas aplicações, como o interfaciamento com outras técnicas (FTIR, por exemplo) é melhor usar colunas mais largas, capazes de tolerar quantidades maiores de substâncias, do que as colunas mais convencionais de 0,2 ou 0,3 mm de diâmetro, mas, no caso normal, não há vantagens em usar colunas mais largas.

 

Espessura do filme Esta é outra variável importante. Nas primeiras colunas, a fase estacionária cobria a superfície interna do tubo e era mantida em seu lugar pela ação capilar. A espessura do filme era da ordem de 1 μm porque espessuras maiores tornam instável o filme, com formação de pequenas poças de líquido e perda de fase estacionária por arrasto (sangria) quando a coluna está em uso. Hoje, é possível ligar quimicamente a fase estacionária à sílica por reação entre a fase e a parede após a deposição do material. Um procedimento semelhante é polimerizar a fase com formação de ligações cruzadas via processos radicalares, que podem ser iniciados após a deposição do filme ou por exposição da coluna à radiação de alta energia após a deposição do filme.

 

Colunas capilares com camada porosa (PLOT)

Até recentemente, as colunas capilares funcionavam pelo mecanismo de separação porque só fases estacionárias líquidas podiam ser introduzidas nas colunas. Hoje, entretanto, é possível adquirir colunas abertas tubulares com camada porosa (PLOT) em que uma camada muito fina (5 a 50 μm) de adsorvente sólido é depositada de forma homogênea na parede interna da coluna. Estes adsorventes sólidos são os mesmos utilizados nas colunas empacotadas da cromatografia de adsorção, porém o diâmetro das partículas é muito menor. As aplicações destas colunas são as mesmas. Estão disponíveis no comércio colunas contendo peneiras moleculares, alumina, peneiras de carbono (um tipo de peneira de carbono molecular) e a família Porapak de polímeros com ligações cruzadas, que separam eficientemente gases permanentes ou hidrocarbonetos C1–C5 [5]. A estabilidade mecânica destes depósitos, entretanto, não é muito boa em comparação com as fases líquidas e é necessário muito mais cuidado no uso.

 

9.2.4 O detector

A função do detector, situado na saída da coluna, é registrar e medir as pequenas quantidades dos componentes da mistura separados na coluna e levados pelo fluxo do gás de arrasto. O sinal de saída do detector alimenta um dispositivo que produz um gráfico denominado cromatograma. A escolha do detector depende de fatores como o nível de concentração e a natureza dos componentes da mistura. Os detectores mais usados na cromatografia a gás são os de condutividade térmica, ionização de chama e

captura de elétrons, dos quais daremos uma descrição resumida. A Tabela 9.3 lista alguns dos detectores mais comuns, com diferentes sensibilidades e seletividades, e sua compatibilidade com os cromatógrafos modernos que usam pequenos volumes de amostra.

 

Tabela 9.3 Detectores usados em cromatografia com fase gasosa

 

Detector Abreviação Faixa dinâmica Sensibilidade Aplicação

 

Filamento 4 5 –8 –1 HWD 10 a 10 10 gml Universal

aquecido

 

Condutividade 4 5 –8 –1 TCD 10 a 10 10 gml Universal

térmica

Ionização de 7 –1 FID 10 2 pg s Compostos

chama orgânicos

 

Captura de 2 3 –1 ECD 10 a 10 0,01 pg s Eletrólitos

elétrons (halogânios)

 

Fotometria de 3 4 –1 FPD 10 a 10 1–10 pg s enxofre, fósforo

chama

 

Chama alcalina a 4 5 –1 AFD 10 a 10 0,05 pg s nitrogênio,

fósforo

 

Fotoionização 7 PID 10 1 pg Compostos

orgânicos

 

Emissão atêmica 4 –1 AED 2 × 10 1–100 pg s Elementos

 

Espectrometria de 5 MS >10 1–100 pg Estrutura

massas

 

Infravermelho com 4 FT-IR 10 0,5–50 ng Estrutura

transformadas

de Fourier

 

a Às vezes abreviada como NPD.

 

Sensibilidade Definida usualmente como sendo a resposta do detector (mV) por unidade de concentração do analito (mg·ml –1). Ela está intimamente relacionada com o limite de detecção (LOD) porque a alta sensibilidade corresponde freqüentemente a um baixo limite de detecção. Como, porém, o limite de detecção é definido geralmente como a quantidade (ou concentração) de analito que produz um sinal igual a duas vezes o ruído da linha de base, o limite de detecção aumenta quando o detector produz ruído excessivo. A sensibilidade também determina a inclinação do gráfico de calibração (a inclinação aumenta diretamente com a sensibilidade) e, portanto, infuencia a precisão da análise.

Linearidade A faixa linear de resposta de um detector refere-se à faixa de concentrações na qual o sinal do detector é diretamente proporcional à quantidade (ou à concentração) do analito. A linearidade da resposta do detector acarreta a linearidade do gráfico de calibração, que pode, assim, ser traçado com mais precisão. Se a curva de calibração é convexa, a precisão é menor no lado das concentrações mais elevadas, onde a inclinação da curva é menor. Uma grande faixa linear de resposta é uma vantagem importante, mas detectores com faixas lineares de resposta relativamente pequenas também podem ser usados porque eles têm outras vantagens. É necessário, entretanto, neste caso, calibrar constantemente o detector em faixas diferentes de concentração do analito.

 

Estabilidade Uma característica importante dos detectores é a constância do sinal de saída com o tempo, supondo constante o potencial de entrada. A falta de estabilidade limita a sensibilidade do detector e pode ser observada de duas maneiras: ruído da linha de base e arrasto da linha de base. O ruído da linha de base pode ser conseqüência da rápida variação aleatória do sinal de saída e torna difícil a medida de pequenos picos que se confundem com a linha de base. O arrasto da linha de base é uma lenta variação sistemática do sinal de saída que produz uma linha de base inclinada que, em certos casos, chega a sair da escala durante a análise. O arrasto é, muitas vezes, devido a fatores que não dependem do detector, mas podem ser controlados, como mudanças de temperatura ou sangramento da coluna, enquanto o ruído, devido a maus contatos no detector, impõe restrições mais fundamentais no desempenho.

 

Resposta universal ou seletiva Um detector universal responde a todos os componentes de uma mistura. Um detector seletivo, porém, só responde a certos componentes da amostra. Pode ser uma vantagem quando ele responde apenas aos analitos de interesse porque o cromatograma é muito simplificado e não sofre interferências.

 

Detector de fio aquecido (HWD)

O detector de fio aquecido, também conhecido como detector de condutividade térmica ou catarômetro, é o detector de CG mais antigo. Devido a seu grande volume, baixa sensibilidade e problemas de contaminação, ele foi logo descartado para o uso em sistemas capilares. Duas de suas características operacionais são, entretanto, muito interessantes para o uso com sistemas capilares. A sensibilidade é inversamente proporcional à velocidade de fluxo, crescendo muito quando o fluxo passa de –1 –1 ∼ 50 ml·min a 1 ml·min. Por outro lado, a sensibilidade é máxima quando o gás de arrasto é hidrogênio ou hélio (comumente usados em sistemas capilares) porque a diferença de condutividade térmica entre estes gases e as substâncias orgânicas é muito grande. Os detectores de fio aquecido usam um filamento metálico aquecido ou um termistor (um semicondutor de óxidos de metal fundidos) para amostrar diferenças de condutividade térmica do gás de arrasto. Hélio e hidrogênio são os melhores gases de arrasto para uso com estes detectores porque sua condutividade térmica é muito superior à dos demais gases. Por questão de segurança, prefere-se usar hélio, que é inerte.

Neste tipo de detector, dois pares de filamentos equalizados formam os braços de

uma ponte de Wheatstone. Dois filamentos, em braços opostos da ponte, ficam imersos no gás de arrasto puro e outros dois ficam imersos no efluente da coluna

cromatográfica. A Fig. 9.3 esquematiza uma célula de condutividade com dois canais para os gases, um para a amostra e outro para a referência. Quando o gás de arrasto puro passa pelos filamentos dos canais, a ponte está equilibrada, porém quando o vapor de um analito sai da coluna e passa pelo canal da amostra a velocidade de resfriamento dos filamentos se altera e a ponte se desequilibra. O grau de desequilíbrio mede a concentração do vapor no gás de arrasto naquele momento e o sinal provocado alimenta um registrador que produz o cromatograma. Em outras palavras, a técnica diferencial usada baseia-se na medida da diferença de condutividade térmica entre o gás de arrasto e a mistura gás de arrasto/amostra.

Alguns fabricantes fornecem detectores de fio aquecido que incorporam um certo

número de dispositivos mecânicos e eletrônicos que melhoram seu desempenho. Eles têm volume interno pequeno e podem ser operados em temperaturas elevadas, embora normalmente o trabalho seja feito na temperatura mais baixa possível porque a sensibilidade é proporcional à diferença de temperatura entre o filamento aquecido e o bloco. A sensibilidade também aumenta aproximadamente com o quadrado da intensidade da corrente que passa pelo filamento, que é sempre a mais alta possível. Nos detectores antigos, isto significava que o operador tinha de decidir entre manter o filamento em temperatura elevada para obter sensibilidade alta porém tempos de vida curtos de funcionamento ou usar uma temperatura mais baixa para evitar a queima do filamento. Com o controle eletrônico e o processamento do sinal dos cromatógrafos modernos, o detector pode ser operado em uma corrente constante alta, em vez da voltagem constante, menos sensível, como se fazia. Este procedimento também melhora a linearidade da resposta.

 

Detector por ionização em chama O detector por ionização em chama (FID) baseia-se na queima do ar do efluente da coluna, misturado com hidrogênio, com produção de uma chama de energia suficiente para ionizar as moléculas de soluto cujos potenciais de ionização são baixos. Os íons produzidos são coletados por eletrodos e a corrente iônica produzida é medida. O jato do queimador é o eletrodo negativo. O anodo é usualmente um

filamento ou uma grade que atinge a extremidade da chama. A Fig. 9.3(b) mostra um esquema deste arranjo.

 

Fig. 9.3 Detectores: (a) condutividade térmica, (b) ionização de chama

 

A combustão de misturas de hidrogênio e ar produz poucos íons e, assim, quando

só o gás de arrasto e o hidrogênio se queimam, obtém-se um sinal praticamente constante. Na presença de compostos que contêm carbono, ocorre ionização e a condutividade elétrica da chama aumenta fortemente. Como a amostra é destruída na chama, usa-se um dispositivo para dividir o fluxo de efluente quando se deseja continuar a análise da amostra. O divisor de fluxo é colocado entre a coluna e o detector, e permite que o grosso da amostra evite o detector.

O FID tem grande aplicabilidade, sendo quase que de uso universal na

cromatografia a gás de compostos orgânicos. Além disso, o fato de ser altamente sensível e estável, ter resposta rápida e uma faixa de resposta linear muito grande ( 7 ∼ 10) faz com que este tipo de detector seja o mais popular em uso.

O FID é sensível à massa e não à concentração e, por isso, a resposta do detector

não é afetada por alterações do fluxo do gás de arrasto e a alta sensibilidade (2 × 10– 12 –1 g·s) se mantém mesmo em fluxos muito baixos. A sensibilidade é normalmente expressa em massa por unidade de tempo, logo, os efeitos de alargamento do pico não precisam ser considerados. Assim, um pico no efluente com largura de 2 segundos que resulta de 10–8 g do material é tão fácil de ver como um pico de largura de 20 segundos que contém 10 vezes mais analito. A sensibilidade alta, combinada com a grande faixa de resposta linear e a pequena contaminação que sofre, faz com que o FID também seja o detector mais usado na rotina de CG capilar. Entretanto, existem problemas. Observam-se baixos fatores de resposta para certos compostos oxigenados, como álcoois e compostos carbonilados, e para muitos compostos contendo halogênios ou nitrogênio.

Pequenas modificações no FID tornam estes detectores muito mais sensíveis para

compostos que contêm nitrogênio ou fósforo. Conhecidos freqüentemente como detectores de chama alcalina (AFD), estes FID modificados têm uma pequena esfera de silicato de rubídio aquecida eletricamente colocada entre a chama e o eletrodo coletor. Mantém-se cerca de 200 V entre a esfera e o coletor. Usa-se a chama normal de hidrogênio, mantida a 600–800°C, operada em uma razão baixa hidrogênio/ar para suprimir a ionização normal dos hidrocarbonetos, dirigida para a esfera. Acredita-se que se forma um pequeno plasma perto da superfície da esfera que permite a produção de muitos íons dos compostos que contêm nitrogênio ou fósforo, inibindo ao mesmo tempo a resposta do carbono.

Embora ainda não se tenha uma explicação satisfatória para o mecanismo exato

deste efeito, o detector funciona e o aumento de sensibilidade é da ordem de 50 vezes para os compostos de nitrogênio (não se pode usar, portanto, nitrogênio como gás de arrasto) e de 500 a 1000 vezes para os compostos de fósforo, em relação à resposta normal de um FID, o que o torna um dos detectores de rotina mais sensíveis. Este detector, entretanto, não é de uso simples como o FID comum porque a resposta para o nitrogênio ou o fósforo depende das condições exatas de operação, particularmente a temperatura da esfera que, por sua vez, depende em parte do tamanho da chama de nitrogênio que a atinge. Isto significa que manter a reprodutibilidade no dia-a-dia de trabalho é difícil. Além disso, a faixa de resposta linear não é tão grande como a dos FID comuns. Mesmo assim, o detector modificado é muito útil na detecção e quantificação de muitos compostos que contêm nitrogênio ou fósforo. Um exemplo são os pesticidas de última geração.

O detector de chama fotométrico (FPD) é um terceiro tipo de detector de chama

que também se baseia nos FID. Nele, compostos que contêm fósforo ou enxofre queimamse em uma chama hidrogênio/oxigênio com produção de luz em 536 nm no caso do fósforo e 394 nm no caso do enxofre. Após passar por um filtro óptico de banda estreita, a emissão é detectada em uma fotomultiplicadora convencional colocada a 90° em relação ao eixo da chama. O detector fotométrico, que pode ser equipado com dois sensores ópticos diferentes para a determinação simultânea de enxofre e fósforo, é muito mais sensível para estes elementos do que para os hidrocarbonetos, o que o torna muito seletivo. Um problema importante deles, entretanto, é que a resposta não é linear. A resposta é aproximadamente quadrática e depende da natureza exata do composto que está sendo analisado. Alguns cromatógrafos têm uma função de linearização em sua programação que pode ser controlada pelo usuário dentro de certos limites (1,5 a 2,5). Apesar destes problemas, este tipo de detector é muito útil, particularmente na análise de enxofre em baixa concentração em muitos problemas de interesse ambiental.

Os FID, AFD e FPD podem operar em temperaturas até 400°C, logo, podem ser

usados com colunas de alta temperatura. Isto reduz a contaminação por condensação.

 

Detectores por captura de elétrons

Muitos detectores de ionização baseiam-se na medida do aumento da corrente (acima da corrente de fundo devida ao gás de arrasto ionizado) que ocorre quando uma molécula mais facilmente ionizável aparece na corrente de gás. Os detectores por captura de elétrons (ECD) diferem dos demais detectores de ionização porque exploram o fenômeno da recombinação baseado na captura de elétrons por compostos que têm afinidade por elétrons livres. O detector mede, então, a diminuição e não o aumento da corrente.

Usa-se uma fonte de raios β (comumente uma lamínula contendo 3 63 H ou Ni) para

gerar elétrons “lentos” por ionização do gás de arrasto que passa pelo detector (prefere-se o nitrogênio). Os elétrons assim gerados migram para o anodo sob um potencial fixo e provocam uma corrente de fundo estável. Quando um gás capaz de capturar elétrons (moléculas do eluato, por exemplo) sai da coluna e reage com um elétron, o resultado é a substituição do elétron por um ânion de massa muito maior e redução da corrente. A resposta do detector relaciona-se claramente à afinidade das moléculas do eluato por elétrons e o detector é especialmente sensível para compostos que contêm halogênios ou enxofre, anidridos, compostos em que a carbonila está conjugada, nitritos, nitratos e compostos organometálicos.

Existem alguns ECD capilares comerciais cujo volume interno foi reduzido para

cerca de 200 μl que são sensíveis a picos muito estreitos (pequeno volume). Os detectores resultantes têm as mesmas vantagens dos detectores comuns de alta seletividade e sensibilidade (5 × 10–15 –1 g·s) para compostos que contêm halogênios, mas, também, a desvantagem da suscetibilidade à contaminação, logo, eles devem ser usados e mantidos com cuidado para que os resultados sejam confiáveis. Só se consegue a sensibilidade máxima com este tipo de detector com nitrogênio ou uma mistura de nitrogênio e metano como gás de arrasto. Com capilares, onde se usa hidrogênio ou hélio, é preferível introduzir nitrogênio na coluna antes de passar o eluente pelo detector, embora isto diminua a resolução do sistema.

Ainda que não provocado diretamente pelas exigências da cromatografia capilar, o

desempenho da eletrônica do detector tem sido alterado drasticamente nos desenhos mais modernos. A voltagem de polarização entre a plaqueta radioativa e o coletor pode ser modulada de diversas maneiras para permitir o uso de pulsos de freqüência constante ou de corrente média constante. Isto permite uma faixa de trabalho linear de quase quatro ordens de magnitude, isto é, um detector não tão eficiente como um FID, mas o suficiente para permitir a análise fácil em uma faixa de concentrações bastante grande. Muitas das aplicações originais dos ECD envolviam a determinação de resíduos persistentes de pesticidas (organoclorados) em alimentos, águas e amostras ambientais. Estes compostos quase não são mais encontrados porque os pesticidas de segunda e terceira gerações, baseados em fósforo ou nitrogênio, substituíram os organoclorados. Estes novos materiais podem ser determinados com detectores AFD ou FPD. Os ECD, entretanto, ainda podem ser vistos como detectores universais de sensibilidade média para uso com compostos orgânicos e inorgânicos, podendo ser usados para a determinação de água e outras espécies de baixo peso molecular como H2S, CO2, N2 e O2, que não são detectados facilmente com outros sistemas.

 

Detector por fotoionização (PID)

O detector de fotoionização (PID) é um dos detectores de desenvolvimento mais recente e, por isso, dele daremos uma descrição mais detalhada. Trata-se de um detector de ionização de funcionamento semelhante ao de um FID ou um ECD, cuja resposta depende do colecionamento de íons e amplificação do sinal em um eletrodo colecionador de carga positiva usando um amplificador convencional de alta

impedância (Fig. 9.4). As moléculas orgânicas do eluente são irradiadas ao sair da coluna juntamente com o eluente com luz ultravioleta de alta intensidade, proveniente de uma lâmpada que produz fótons na faixa 9,5–11,7 eV, dependendo do comprimento de onda da radiação (131 nm corresponde a 9,5 eV e 106 nm a 11,7 eV). Como, em geral, as energias de ligação das espécies orgânicas estão nesta faixa, o PID pode ser usado como um detector universal para compostos orgânicos ou pode ser usado para ionizar seletivamente alguns tipos de moléculas da amostra cuja energia de ionização é baixa. Como este detector está em uso há relativamente pouco tempo, existem ainda alguns problemas no uso a longo termo, especialmente no que diz respeito à contaminação da janela da lâmpada e ao tempo de vida do detector. Entretanto, ele tem potencial considerável como alternativa para os FID, já que tem sensibilidade semelhante e resposta universal. Ao contrário dos FID normais, o PID não precisa de gases auxiliares, bastando o gás de arrasto, o que é uma vantagem no caso de sistemas portáteis. São encontrados no comércio, para determinação de gases e vapores no trabalho de campo, alguns monitores portáteis para compostos orgânicos que usam um PID e uma bomba simples para levar o ar, que age simultaneamente como gás de arrasto e amostra, até uma coluna curta.

 

Fig. 9.4 Detector de fotoionização (cortesia de ELE International Ltd, Hemel Hempstead, Herts, Inglaterra)

 

Detector de emissão atômica (AED)

O detector de emissão atômica (AED), que é constituído por duas partes independentes, está fadado a vir a ter muitas aplicações. O gás de arrasto (hélio) passa pela coluna capilar e carrega o eluente que passa, ao sair da coluna, por uma cavidade de microondas resfriada com água onde se produz um plasma de hélio. A temperatura alta do plasma é suficiente para decompor a amostra em átomos que, por sua vez, emitem um espectro atômico característico. A radiação resultante é focalizada, passa por uma rede de difração, onde sofre dispersão, e continua até um conjunto de diodos móvel, como na espectroscopia de plasma convencional. Esta montagem permite a detecção de elementos (exceto o hélio, usado como gás de arrasto) com sensibilidade muito alta. O limite de detecção pode chegar a pg·g–1. Desde que as linhas espectrais estejam na mesma região do espectro, alguns sistemas permitem a detecção simultânea de até seis elementos, dando como resposta uma série de sinais cromatográficos característicos dos elementos.

Como o detector de diodos pode ser ajustado para cobrir uma faixa selecionada de

comprimentos de onda no ultravioleta/visível, pode-se detectar um número muito grande de elementos em uma amostra, tornando a injetá-la e examinando sucessivamente regiões diferentes do espectro. A especificidade característica para os elementos é muito útil na determinação simultânea de halogênios, fósforo, enxofre, nitrogênio e oxigênio, que são analisados separadamente com outros detectores. O detector de emissão atômica também pode ser usado na determinação de outros elementos potencialmente importantes como o silício, metais pesados (Pb, Hg), estanho, arsênico, cobre e ferro, ou como um detector de substâncias orgânicas, monitorando carbono e hidrogênio. Ele pode ainda detectar seletivamente isótopos como 13C e deutério, permitindo a determinação de razões isotópicas.

Além de possibilitar a detecção de amostras cujas características não permitem a

análise com detectores convencionais, os AED têm faixa de resposta linear muito grande e podem dar rapidamente informações quantitativas sobre cada elemento analisado. O programa de computador que controla o detector pode usar a resposta do conjunto de diodos também para monitorar eventuais sangramentos da coluna ou o fluxo de gás de arrasto e subtrair este sinal da resposta da amostra para dar um sinal corrigido. Os detectores AED têm sido usados para amostras muito diferentes, hidrocarbonetos, produtos farmacêuticos e substâncias de interesse ambiental [10]. Não há dúvida de que a variedade de aplicações deste detector deve aumentar muito, embora o custo seja ainda alto e a manutenção difícil.

 

Detectores de CG acoplados

A cromatografia com fase gasosa pode ser acoplada com vários tipos de espectrômetros, compondo sistemas capazes de combinar a capacidade de separação da cromatografia com a capacidade de identificação da espectroscopia. Estes

sistemas acoplados serão descritos no Cap. 19. Existe também uma tendência pronunciada para a construção da seção espectroscópica do sistema como um detector cromatográfico dedicado. É o caso do AED descrito anteriormente. 9.3 Temperatura programada