Cromatografia em fase gasosa (GC)

O conceito de cromatografia em fase gasosa (GC), nomeadamente, cromatografia gás-líquido (GLC) foi anunciado, primeiramente, em 1941 por Martin e Synge, que também foram os responsáveis pelo desenvolvimento da cromatografia de partição. O primeiro aparelho comercial para GC apareceu em 1955. Desde essa altura, o crescimento em aplicações desta técnica tem sido enorme [30].

Os principais componentes de um cromatógrafo gasoso são o sistema de injeção, a coluna cromatográfica inserida num forno, o detetor e o sistema de aquisição e tratamento de dados (figura 1.7).

Figura 1.7 - Esquema simplificado de um sistema de GC convencional.

Garrafa do gás de arraste Injetor Coluna e Forno Sistema de aquisição de dados Detetor

Introdução

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O gás de arraste deve ser puro e quimicamente inerte, podendo ser utilizado normalmente hélio, hidrogénio ou azoto. Este vai transportar a amostra ao longo da coluna sem interagir com a mesma. Para colunas empacotadas o fluxo de gás de arraste encontra-se compreendido entre 25 e 150 mL.min-1, enquanto que para colunas capilares se situa entre 1 e 25 mL.min-1 [31].

O método mais comum de injeção envolve uma micro-seringa que injeta a amostra através de um septo para uma câmara de vaporização localizada no topo da coluna [32].

Existem diversos tipos de sistemas de injeção, sendo que os mais utilizados operam frequentemente por vaporização isotérmica com ou sem repartição de fluxo (“split/splitless”) ou sob vaporização com temperatura programada (PTV). Na injeção no modo “split”, a amostra, imediatamente após a introdução e vaporização no injetor, é repartida em duas frações, entrando a mais pequena para a coluna e a maior eliminada através de uma válvula. A forma como a amostra é dividida pode ser determinada através da relação entre a quantidade de gás de arraste que deixa o injetor pela válvula de “split” e o fluxo na coluna (razão de “split”). Na injeção no modo “splitless” toda a amostra injetada é introduzida na coluna, o que a torna apropriada para análise vestigial de amostras complexas.

O modo de injeção PTV oferece uma maior sensibilidade analítica devido à possibilidade de injeções de grandes volumes (LVI) de amostra, tornando assim este modo de introdução decisivo em análise vestigial. A amostra é injetada num injetor frio (normalmente 10-40 ˚C abaixo do ponto de ebulição do solvente), sendo o arrefecimento do “liner” efetuado por ar comprimido ou azoto líquido. Durante a injeção e após a eliminação do solvente (“solvent vent”), a amostra fica retida no “liner”, sendo o injetor posteriormente aquecido e os analitos transferidos para a coluna cromatográfica, onde são separados.

Existem dois tipos de colunas para GC, nomeadamente, colunas de empacotamento e colunas capilares sendo atualmente as últimas as mais utilizadas porque oferecem maior resolução e eficiência.As colunas capilares são constituídas por um tubo de sílica fundida, com revestimento exterior em poliimida, sendo a parede interna revestida pela fase estacionária. As fases estacionárias mais comuns são revestidas por polisiloxanos, uma vez este tipo de polímeros serem considerados mais

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resistentes e suportarem tempos de vida mais elevados. O tipo e a percentagem de grupos substituintes diferenciam cada fase e ditam as características de polaridade, sendo o polidimetilsiloxano (PDMS), com características apolares, a mais vulgar. As colunas capilares disponíveis comercialmente têm cerca de 5 a 100 m de comprimento, com diâmetros internos compreendidos entre 0,1 e 0,75 mm. A coluna encontra-se localizada num forno com temperatura programada que permite a separação dos vários compostos podendo esta separação desenvolver-se a temperatura constante (isotérmica) ou por gradiente de temperatura.

O detetor ideal para GC deve apresentar como características principais, o facto de poder proporcionar uma sensibilidade adequada, boa estabilidade e precisão e dar resposta linear numa gama alargada de concentrações para os analitos em estudo. Deve apresentar uma vasta gama de temperatura de funcionamento, ser de fácil utilização, o seu tempo de resposta deve ser reduzido e independente do fluxo. A sua resposta deve ser equivalente para todos os analitos ou em alternativa, uma resposta seletiva para determinadas classes de compostos. Atualmente existe uma grande variedade de detetores para GC, conforme as necessidades de aplicação pretendidas, dos quais se destacam o detetor de ionização de chama (FID), de condutividade térmica (TCD), de captura eletrónica (ECD) e de azoto-fósforo (NPD). A GC pode ainda ser associada a outras técnicas analíticas, assumindo especial relevo a espetrometria de massa (MS), com vantagens acrescidas em termos de identificação espetral, sensibilidade e seletividade [31, 33-35].

1.5.3.1 Cromatografia gasosa - espetrometria de massa (GC-MS)

A GC-MS é uma técnica hifenada que combina o poder de separação da cromatografia com a deteção seletiva e sensível da MS. É uma das técnicas mais utilizadas quer em estudos qualitativos quer quantitativos de compostos presentes numa grande diversidade de matrizes.

Os sistemas de MS são basicamente constituídos por sistema de introdução de amostra (“inlet”), interface, fonte de iões, analisador de massa, detetor de iões e sistema

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Sistema de injeção Interface / Fonte de iões Analisador de massa Detetor Sistema de aquisição de dados

para controlo e aquisição de dados (figura 1.8). A interface encontra-se antes da fonte de iões.

Figura 1.8 -Diagrama simplificado dos principais componentes de um espetrómetro de massa.

O analisador de massa mede a razão massa-carga (m/z) dos iões produzidos pela amostra.

Neste sistema, a amostra é introduzida no injetor do cromatógrafo gasoso, que após a separação dos componentes na coluna, os compostos eluídos entram na fonte de ionização onde são bombardeados por um feixe de eletrões, ocorrendo a sua ionização e posterior fragmentação. O conjunto de iões previamente formados é desviado e acelerado na direção do analisador de massa, por ação de um campo elétrico onde são separados de acordo com a razão massa/carga (m/z). Dado que cada composto sofre uma ionização e fragmentação características, o correspondente espetro de massa, que relaciona a intensidade dos iões com a razão m/z, oferece informação única e característica de cada composto, como uma “impressão digital”, a qual pode ser usada para o identificar.

Os analisadores de massa mais comuns são o quadropólo, a armadilha de iões (“ion trap”) e tempo de voo. Os iões separados são transferidos para o detetor, no qual a energia de colisão dos iões com a superfície do detetor é convertida num sinal elétrico. O sistema de deteção mais comum é o multiplicador de eletrões que apresenta um tempo de resposta rápido (da ordem dos nanosegundos), capaz de adquirir elevadas correntes, utilizando uma tensão de aceleração a fim de transformar a corrente iónica

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numa corrente eletrónica suscetível de ser medida, originando um espetro da abundância em função da m/z.

A grande vantagem da utilização do acoplamento do MS a um sistema cromatográfico reside na sua capacidade em responder a todos os compostos orgânicos voláteis e semi-voláteis. Quando opera no modo de varrimento contínuo (“full-scan”) permite a identificação de compostos em amostras desconhecidas com recurso a bibliotecas espetrais de referência. Quando o objetivo reside na quantificação vestigial de compostos alvo, o modo monitorização selecionado de iões (SIM), permite elevada sensibilidade e seletividade, tornando-se numa ferramenta analítica muito poderosa [31, 33-35].