Princípios Gerais na Cromatografia Gasosa

Como anteriormente mencionado, na cromatografia gasosa, os componentes de uma amostra vaporizada são separados em consequência da sua partição entre uma fase móvel (gás)

e a fase estacionária (líquida ou sólida) contida dentro da coluna. Desta forma, a separação cromatográfica baseia-se na diferente distribuição dos analitos entre estas duas fases. 76

• Constante de Distribuição, KD

A razão entre as concentrações do soluto na fase estacionária e na fase móvel é denominada por constante de distribuição (KD). Esta depende do tipo de fase estacionária, da

temperatura da coluna e da natureza do soluto.

Pode ser descrito matematicamente pela expressão na equação abaixo:

𝐊

=𝐂

𝐂

(𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟏)

Onde,

CM -concentração do soluto na fase móvel (gás de arrastamento),

CS- concentração do soluto na fase estacionária.

A separação ocorre apenas se as constantes de distribuição dos analitos forem diferentes. Caso isto não se verifique, estes analitos irão eluir em simultâneo uma vez que ficam retidos na coluna pelo mesmo período de tempo. 73

• Razão de partição, k

A razão de partição ou factor de capacidade (k), representa a afinidade de um composto para a fase estacionária, ou seja, mede o tempo que o composto permanece na coluna cromatográfica (fase estacionária). A razão de partição é dependente do fluxo e do comprimento da coluna, sendo também proporcional ao tempo que um soluto permanece na fase estacionária (tR’). A razão de partição expressa-se pela seguinte fórmula:

𝐤 =𝒕𝑹− 𝐭𝑴 𝐭𝑴

(𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟐)

Onde,

tR- tempo de retenção, que corresponde ao tempo decorrido entre a injecção e a detecção de

um dado soluto na coluna cromatográfica;

tM- tempo morto, ou seja, o tempo que as moléculas passam exclusivamente na fase móvel,

e é equivalente ao tempo de retenção de uma molécula que não sofre qualquer interacção com a fase estacionaria.

O tempo adicional despendido nas interacções com a fase estacionária corresponde ao tempo de retenção ajustado (tR’), nomeadamente o tempo que as moléculas são retidas pela fase

estacionária, onde obtemos a seguinte equação:

𝒕𝐑′ = 𝐭𝐑− 𝐭 𝐌 ( 𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟑) A expressão acima permite que o coeficiente de partição seja expresso por:

𝐤 =𝐭𝐑 ′

𝐭 𝐌

(𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟒)

A diferença entre os três tempos pode ser clarificada pela figura 2.21.

Figura 2.18- Cromatograma tipo de um componente retido (tR) e outro não retido (tM).

Portanto, a razão de partição é um conceito mais preciso da magnitude da retenção do soluto do que o próprio tempo de retenção. 77

• Eficiência da coluna, N

A eficiência da coluna é determinada através do número de pratos teóricos da coluna (N), que corresponde ao número de equilíbrios que é possível estabelecer ao longo da coluna cromatográfica. O número total de pratos teóricos depende do comprimento da coluna (L), pelo que, com o objectivo de expressar a eficiência de uma coluna independentemente da sua extensão, foi introduzido o termo altura equivalente a um prato teórico (HEPT ou H), o qual é expresso através da seguinte equação:

𝐇 = 𝐋

𝐍 (𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟓)

Onde:

L é o comprimento da coluna cromatográfica, H é a altura equivalente do prato teórico e N o número de pratos teóricos da coluna.

tempo Sig n al d o d etec to r

Pela equação acima observa-se que quanto menor for a altura equivalente a um prato teórico, maior será o N e mais eficiente é a coluna e consequentemente, mais estreitos serão os picos cromatográficos. Desta forma, quando se aumenta o número de pratos teóricos da coluna, mas conserva-se a altura equivalente, embora os picos sejam ambos mais largos, a sua separação melhora, pelo que se obtém uma maior eficiência da coluna em termos de separação.

Para separações em cromatografia define-se “prato teórico” como o comprimento de coluna necessário para estabelecer o equilíbrio, em que a tensão de vapor do soluto na fase gasosa iguala a tensão de vapor do soluto na fase líquida.78

A altura do prato teórico corresponde à distância no interior da coluna necessária para se estabelecer um equilíbrio.

A eficiência da coluna está relacionada com o tempo de retenção e a largura do pico na base (𝑤) ou largura da meia altura do pico (w1/2). Esta relação é dada através das seguintes

equações: 𝐍 =𝟏𝟔𝐭𝐑 𝟐 𝐰𝟐 , 𝐩𝐚𝐫𝐚 𝐩𝐢𝐜𝐨𝐬 𝐬𝐢𝐦é𝐭𝐫𝐢𝐜𝐨𝐬 (𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟔) 𝐍 =𝟓, 𝟓𝟓𝐭𝐑 𝟐 𝐰_𝟏/𝟐𝟐 , 𝐩𝐚𝐫𝐚 𝐩𝐢𝐜𝐨𝐬 𝐧ã𝐨 𝐬𝐢𝐦é𝐭𝐫𝐢𝐜𝐨𝐬 (𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟕) • Factor de separação, α

O factor de separação ou selectividade (α) é definido como a razão entre os coeficientes de distribuição do analito mais retido relativamente ao analito menos retido, permitindo uma estimativa do afastamento entre dois picos adjacentes ou da selectividade de um sistema cromatográfico. Esta grandeza não insere nenhuma informação sobre a largura do pico, razão pela qual não nos dá uma informação real sobre a separação entre dois picos. 77

Nisto para dois analitos A e B, sendo que A é o último a ser eluído, o factor de separação é dado pela expressão abaixo:

𝛂 = 𝐊𝐀

𝐊𝐁 (𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟖)

Em que α é o factor de separação e KA e KB são as constantes de distribuição dos dois

analitos A e B. 73

Pode ocorrer ainda que os dois analitos tenham o mesmo tempo de retenção, o que significa que os analitos não se separam, ocorrendo um fenómeno chamado co eluição que é expresso matematicamente por:

• Resolução da coluna, Rs

A resolução da coluna, RS, ou factor de resolução é uma medida da separação entre dois

picos adjacentes dada pela equação:

𝐑𝐒= 𝟐 × (

𝐭𝐑 (𝟐)− 𝐭𝐑 (𝟏) 𝐖𝟏+ 𝐖𝟐

) (𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟏𝟎)

Onde,

tR (1) e tR (2) são os tempos de retenção dos picos 1 e 2, respetivamente;

W2 e W1 são a largura na base dos picos 2 e 1.

É de assinalar que a resolução da coluna pode ser melhorada pelo aumento da eficiência da coluna (aumentando o tamanho da mesma), pelo aumento da selectividade (variando por exemplo a temperatura da coluna) e pelo aumento da espessura de filme (especialmente útil para compostos voláteis).

• Capacidade da coluna, N

A capacidade de uma coluna é definida como a quantidade máxima de amostra que pode ser injectada sem que ocorra distorção significativa do pico. Como a cromatografia é um fenômeno dinâmico e não estático, o equilíbrio não é facilmente atingido e surgem deformações nos picos cromatográficos.

De forma a compreender este fenômeno é necessário recorrer à equação de Van Deemter, onde se tem:

𝐇 = 𝐀 +𝐁

𝐮 + 𝐂 𝐮 (𝐄𝐪𝐮𝐚çã𝐨 𝟐. 𝟏𝟏)

Onde,

A, B e C é uma constante para a coluna cromatográfica, e u é a velocidade linear da fase móvel (gás de arraste)

A figura 2.22 corresponde a uma representação gráfica da equação de Van Deemter, em que se verifica a existência de um valor de velocidade da fase móvel para o qual a eficiência é máxima, e em que esta corresponde a um valor mínimo da altura equivalente de um prato teórico.

Figura 2.19- Representação da equação de Van Deemter.

O termo A refere-se ao alargamento dos picos causados pelos diferentes caminhos seguidos pelas moléculas do analito. Este pode ser minimizado quando se utilizam colunas capilares ou quando a fase estacionária consiste em partículas uniformemente pequenas.

O termo B/u resulta da difusão longitudinal, ou seja, da dispersão do soluto ao longo da coluna, maioritariamente por difusão ao longo da fase móvel devido aos gradientes de concentração existentes ao longo da coluna. Em fluxos (fase móvel) baixos, ou seja, para tempos de retenção elevados, a difusão é elevada o que permite o alargamento da banda cromatográfica. Pelo anteriormente descrito pode-se reduzir o valor de B utilizando velocidades lineares elevadas da fase móvel.

Por fim, o termo C descreve a transferência de massa do analito entre a fase móvel e a fase estacionária.