Fases estacionárias monolíticas

Colunas capilares moldadas por monolitos constituem o último tipo de colunas para CLC, junto às particuladas e as tubulares abertas.

Colunas monolíticas foram empregadas em separações por CG e CLAE no início da década de 1970, mas problemas como intumescimento do leito

26

cromatográfico fizeram com que este tipo de material voltasse a ser adotado somente no final da década de 1980 [65].

Atualmente, a aplicação de fases estacionárias monolíticas tem encontrado ampla aceitação em CLC. Wu et al. [66] afirmaram que o número de publicações envolvendo separações em microescala utilizando colunas monolíticas tem apresentado um aumento exponencial a partir do ano de 2000. De acordo com Miyabe e Guiochon [67], em cromatografia, um monolito é um bloco de um material poroso e permeável, que pode ser percolado por um solvente e possui área superficial grande o suficiente para exibir retenção de um número relevante de analitos. Quando confinado em um tubo cilíndrico, através do qual a fase móvel pode ser conduzida, este bloco poroso é denominado coluna monolítica.

Um monolito é constituído por pequenos domínios e grandes canais interconectados em uma estrutura única, ausente de volume interparticular, em contraste aos materiais de enchimento comumente utilizados em cromatografia, que consistem em um conjunto de partículas porosas de distribuição de tamanho uniforme. Os grandes canais são denominados macroporos e são responsáveis pela passagem de fase móvel; nos pequenos domínios há micro e mesoporos, os

quais estabelecem interações com os analitos em seus sítios ativos de adsorção.1

De um modo geral, monolitos poliméricos orgânicos são micro glóbulos conectados que se agregam parcialmente em grandes aglomerados e formam um leito monolítico [68-72].

Em geral, uma fase estacionária monolítica pode ser baseada em materiais inorgânicos ou orgânicos, o que confere propriedades diferenciadas a

27

estes materiais, como morfologia, área superficial e desempenho cromatográfico. A Figura 1 ilustra fotomicrografias eletrônicas de varredura de monolitos inorgânicos e orgânicos, mostrando a diferença estrutural entre ambos.

O preparo de uma fase estacionária monolítica usada em CLC é realizado

in situ, ou seja, o monolito é moldado no interior do tubo capilar que o conterá.

As rotas de preparos, geralmente realizadas em uma única etapa, podem ser as mais diferentes possíveis, seja para a obtenção de materiais inorgânicos ou orgânicos, adaptando-se às necessidades específicas [66].

Figura 1. Fotomicrografias eletrônicas de varredura, mostrando a estrutura

tridimensional de monolitos baseados em (A) sílica e (B) polímeros orgânicos, sob diferentes aumentos. Adaptado das referências [73] e [74].

Uma das principais vantagens da utilização de monolitos como enchimento de colunas cromatográficas é evitar a necessidade de filtros de retenção de fases estacionárias particuladas, os quais são colocados para evitar a perda do material contido no interior da coluna. A preparação destes filtros de

28

retenção apresenta baixa repetibilidade, o que compromete a confiabilidade dos resultados cromatográficos; adicionalmente, os filtros de retenção podem sofrer efeito-memória e alterar um cromatograma pelo surgimento de picos fantasmas ou artefatos [75].

Uma importante característica dos monolitos é sua alta porosidade externa, resultante da estrutura porosa permeada por macroporos e da baixa proporção de microporos. O aumento na transferência de massa dos solutos através da coluna, associada à baixa resistência a passagem da fase móvel, permite atingir altas eficiências de separação, sob altas velocidades lineares da fase móvel, com consequente redução no tempo de análise [76].

McCalley [77] comparou as curvas de van Deemter obtidas para colunas particuladas e monolíticas, usadas na análise de compostos básicos (Figura 2).

29

Figura 2. Comparativo entre curvas de van Deemter usando (A) coluna comercial

particulada e (B) coluna comercial monolítica. Adaptado da referência [77].

Sob altas velocidades de fase móvel, os monolitos apresentaram um perfil mais achatado e valores menores de altura de um prato quando comparada às curvas para colunas particuladas. O autor usou nesta avaliação uma coluna particulada, de 25 cm de comprimento e 4,6 mm de diâmetro interno, recheada com partículas de 5,0 µm de diâmetro, e outra coluna monolítica, de 10 cm de

Velocidade da fase móvel (µ, mm s-1₎

A

30

comprimento e 4,6 mm de diâmetro interno, usando analitos neutros e básicos, de pequeno tamanho.

Isto mostra que a eficiência cromatográfica de separações usando monolitos é maior sob altas velocidades de fase móvel, diferentemente das separações usando colunas particuladas, em que ocorre perda de eficiência cromatográfica sob tais condições de velocidade de fase móvel.

Diversos trabalhos exploraram o uso de monolitos em cromatografia. Guiochon [78] e Núñez et al. [79] revisaram os diferentes tipos de materiais monolíticos usados no enchimento de colunas cromatográficas, assim como os principais aspectos teóricos da separação envolvendo este tipo de fase estacionária. Os autores também compararam o desempenho de materiais particulados e monolíticos, e quais as principais limitações do uso de monolitos. Gritti e Guichon [80] descreveram a influência de fatores teóricos em separações usando monolitos e colunas particuladas.

Para separações por CLC, os trabalhos de Wu et al. [66] e Svec [81], descreveram os aspectos relevantes no processo de fabricação e aplicação de diferentes tipos de fases estacionárias monolíticas para separações em microescala.

Como citado, fases estacionárias monolíticas podem ser baseadas em materiais inorgânicos ou materiais orgânicos.

Fases estacionárias monolíticas inorgânicas baseadas em sílica são comumente preparadas pelo processo sol-gel. Neste processo, a criação de uma rede inorgânica contínua é alcançada pela introdução de um sol no capilar, cuja posterior gelificação constrói uma estrutura de sílica no interior do capilar. Em linhas gerais, o processo sol-gel consiste na hidrólise de um precursor, em geral,

31

um alcoxissilano, seguido da condensação deste, liberando água ou álcool durante o processo [82].

Tipicamente, os reagentes usados no processo sol-gel são precursor, solvente e catalisador. O precursor mais usado é o tetraetoxissilano, mas também são aplicados tetrametoxissilano e metiltrimetoxissilano. Os solventes são necessários para tornar homogênea a mistura de fases imiscíveis, constituídas pelos precursores e catalisadores, além de funcionar como agentes porogênicos; comumente são utilizados álcoois de cadeia curta e polietileno glicol [83]. A natureza do catalisador determina o grau de entrecruzamento da sílica formada, sendo que catalisadores ácidos levam a formação de longas cadeias de baixo entrecruzamento e catalisadores básicos dão origem a estruturas porosas de alto grau de entrecruzamento [84]. Uma vez formado, um monolito baseado em sílica pode ser funcionalizado a fim de se obterem as fases estacionárias desejadas para separações específicas, como fase reversa, quirais, interações hidrofílicas ou ainda troca iônica [79].

A aplicabilidade de monolitos baseados em sílica não foi plenamente alcançada em CLAE, devido à redução das dimensões do monolito após seu preparo. No entanto, este problema foi resolvido em colunas capilares: por estas serem feitas de sílica fundida e possuírem em sua parede grupos silanoatos após a ativação, estes grupos funcionam como pontos de ancoramento do monolito durante sua síntese, fazendo com o que o encolhimento do monolito após a preparação in situ seja minimizado [85].

A introdução das fases estacionárias monolíticas poliméricas orgânicas significou um avanço na tecnologia de colunas cromatográficas. Polímeros porosos usados como materiais cromatográficos mostraram excelente desempenho na aplicação às mais diferentes área de análise.

32

Durante o preparo deste tipo de monolito, a rede polimérica é formada dentro do capilar por meio de uma reação de polimerização realizada em um único estágio, o que resulta em uma estrutura rígida permeável. A mistura utilizada consiste na combinação de monômeros, agente de entrecruzamento, iniciador e uma mistura de solventes porogênicos, geralmente binária ou ternária. Uma grande variedade de monômeros pode ser empregada na fabricação dos monolitos, permitindo ilimitada disponibilidade de fases estacionárias para CLC [86].

A estrutura do monolito pode ser alterada com a modificação de alguns fatores envolvidos na preparação da mistura de polimerização. Concentração de monômeros precursores ou de agentes de entrecruzamento, tipo de iniciação e temperatura de polimerização ou tempo de reação podem ser ajustados de modo a alterar o grau de ligação cruzada, a qual influencia diretamente a porosidade do material obtido [81,87,88].

A formação do monolito é realizada no interior da coluna, com ou sem tratamento prévio da parede interna do capilar. Este pré-tratamento frequentemente envolve a preparação de superfície para a posterior introdução de um grupo de ancoramento, o que permite a ligação covalente do monolito na parede do capilar, particularmente importante em separações cromatográficas, quando o material deve resistir a altas pressões.

Atualmente, os monolitos poliméricos a base de metacrilatos são os materiais orgânicos mais aplicados às separações cromatográficas [89]. Características específicas como resistência ao intumescimento, grande número de monômeros precursores e possibilidade de aplicação na separação de moléculas de pequeno tamanho fazem dos metacrilatos uma excelente

33

alternativa como fase estacionária monolítica polimérica orgânica para CLC [90,91].