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AVALIAÇÃO DA SELETIVIDADE DE UMA NOVA COLUNA CAPILAR EM CROMATOGRAFIA GASOSA TESTE DE GROB E ÍNDICE DE RETENÇÃO

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Resumo

No presente trabalho, o polímero poliuretano derivado do óleo de mamona foi utilizado como fase estacionária para coluna capilar em Cromatografia Gasosa. O polímero foi obtido pela reação entre compostos hidroxilados e isocianato, fomando uretana. Foram preparadas colunas de 25m x 0,25mm x 0,25µm usando o método de recobrimento estático. Para avaliar a seletividade das colunas capilares POLYH4-MD foram realizados testes com a mistura de Grob e também cálculos de índice de retenção de Rohrschneider and McReynolds. Esses testes têm por finalidade observar parâmetros como eficiência de separação, polaridade da fase estacionária e atividade. Resultados indicaram que a coluna capilar POLYH4-MD apresenta alta eficiência de separação e pode ser recomendada como uma coluna complementar para análises em Cromatografia Gasosa.

Palavras-chave: coluna capilar POLYH4-MD, seletividade e índice de retenção

Summary

In the present work a polyurethane polymer derived from castor oil was used as stationary phase for capillary gas chromatography. The polymer was obtained by reaction of hydroxylated compound and isocynate (NCO), forming urethane. Columns of 25m x 0,25mm were then coated with this stationary phase (film thickness of 0,25µm) using static coating method. The Grob test mix and retention index was employed for a general evaluation of the POLYH4-MD capillary column and the determination of basic parameters, such as separation efficiency, polarity of stationary phase, adsorptive activity. Results show that the experimental capillary columns give higher resolution and, due to its high efficiency, can be recommended as a complementary column for analysis in Gas Chromatography.

Keywords: POLYH4 – MD capillary column, selectivity, retention index

Denise Domingos da Silva1*,

Ana Paula Innocentini1,

Gilberto Orivaldo Chierice1,

Mário Sérgio Galhiane2 e

Lucídio Sousa Santos2

*1Autor para correspondência:

Instituto de Química de São Carlos

Universidade de São Paulo CP 780

CEP 13560-970. São Carlos. SP E-mail: dedomingos@bol.com.br 2Departamento de Química, Universidade Estadual Paulista, CP 473 CEP 17033-360. Bauru. SP * endereço atual: Programa de Pós-Graduação em Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, CP 1662

CEP 59078-970. Natal. RN

AVALIAÇÃO DA SELETIVIDADE DE UMA NOVA

COLUNA CAPILAR EM CROMATOGRAFIA GASOSA –

TESTE DE GROB E ÍNDICE DE RETENÇÃO

Introdução

Colunas capilares

O surgimento dos tubos de sílica fundida e de novas fases poliméricas foi muito importante para o desenvolvimento da Cromatografia Gasosa Capilar: resultou no aumento da eficiência das separações cromatográficas e, ao mesmo tempo, concorreu para o desenvolvimento de novos estudos relacionados à compreensão dos processos de partição que ocorrem no interior das colunas capilares.

As fases estacionárias podem ser constituídas por um suporte sólido, um líquido polimérico ou um suporte sólido recoberto por um líquido pouco volátil.

As colunas capilares são classificadas em WCOT (Wall Coated Open Tubular) – onde a fase estacionária está sob a forma de

filme líquido, na parede interna do tubo, SCOT (Support Coated Open Tubular) a fase estacionária é quimicamente ligada a um suporte finamente dividido e PLOT (Porous Layer Open Tubular) – a fase estacionária é um sólido finamente dividido (1), representadas na Figura 1.

As modificações no processo de partição estão relacionadas principalmente ao tipo de fase estacionária e a característica físico-química do soluto, favorecendo diferentes tipos de interações químicas dependendo do tipo de analito (2). O desenvolvimento de novas fases poliméricas constituem objeto de grande interesse na área da Cromatografia Gasosa Capilar, devido à possibilidade de orientar a seletividade das mesmas, para separações específicas, regular a faixa de temperatura de

(2)

se promissora para diferentes tipos de matrizes em Cromatografia Gasosa (3), alta uniformidade do filme, alta estabilidade e com seletividade ímpar em relação às colunas convencionais, tais como Carbowax-20M (polar) e OV-101 (apolar).

Um teste específico tem que avaliar a utilidade de uma coluna a uma dada resposta analítica. Freqüentemente tais tarefas são analisadas sob algumas condições críticas, tais como, comportamento de substâncias sensíveis à adsorção, resolução de um par de isômeros ou de um componente traço atrás de um composto com maior concentração, eluição de solutos ácidos ou básicos, efeitos de sangria a altas temperaturas, etc. É usualmente impossível deduzir-se a conveniência de uma coluna para tal reposta em um teste geral.

A mistura teste é preparada contendo muitas substâncias críticas juntas com alguns padrões internos os quais podem ser variados, dependendo do tipo de teste que está sendo realizado num tipo de coluna diferente.

As colunas capilares do tipo WCOT (Wall Coated Open Tubular) apresentam uma fase líquida polimérica dispersa sobre a parede interna do tubo. O tipo de fase polimérica empregada como polisiloxanos, polietileno glicol ou poliuretana, é capaz de modificar o mecanismo de separação. Isto ocorre porque a composição química da fase estacionária afeta o processo de separação, devido aos diferentes tipos de interação (dipolo-dipolo, dipolo-dipolo induzido, etc. (3,4).

Há duas propriedades principais responsáveis pelo tipo interação: a pressão de vapor do soluto (na temperatura da coluna) e a interação físico-química do soluto com a fase estacionária (3,4).

Diante das modificações das fases estacionárias poliméricas e suas composições, muitos pesquisadores como Grob et al.(5), Schomburg et al.(6), Alexander et al.(7), Hartigan e Ettre(8), Sandra e Verzele(9) e outros, desenvolveram metodologias para avaliar a polaridade das colunas capilares.

Teste de Grob

O teste de Grob é um dos métodos mais utilizados por apresentar uma grande diversidade de componentes na sua mistura, sendo capaz de avaliar vários fatores em uma única etapa (5). Cada composto adicionado à mistura possui uma finalidade diferente. A inércia, por exemplo, é determinada em termos de adsorção do octanol (álcool), devido às ligações de hidrogênio. Para medidas de eficiência de separação determinadas pelo número de separação, utilizam-se os ésteres (E10, E11, E12)e calcula-se o Trennzahl, TZ, em temperatura programada. As características ácido/base são avaliadas pelo par fraco (fenol/ anilina), C10 e C11 são usados como compostos de referência para a polaridade e inércia. Compostos como o 2,3–butanediol e octanol são sensíveis à existência de adsorção,

do filme. A mesma fase estacionária com espessura do filme diferente produz seqüência de eluição dos padrões diferentes (10).

Índice de retenção

A idéia original da utilização de índices de retenção foi introduzida em 1959 por Kovats. Posteriormente, Rohrschneider e McReynolds utilizaram o mesmo sistema acrescentando ao método a possibilidade de determinar o índice de retenção de alguns solventes específicos em relação também a n-parafinas. O índice de retenção de Kovats, I, é definido como cem vezes um número hipotético, que é igual ao número de átomos de carbono de um alcano saturado de cadeia normal, que tem o mesmo tempo de retenção ajustado (t’R) que o composto, cujo índice está sendo determinado. O índice de retenção pode ser determinado usando-se um gráfico que relaciona o número de átomos de carbono de alcanos saturados normais com o logaritmo dos tempos de retenção ajustados destes alcanos (11), ou pelo cálculo aplicando a Equação 1 (1).

Para se determinar o índice de retenção de outros compostos em relação a estes padrões (hidrocarbonetos), deve-se especificar as condições experimentais, tais como, fase estacionária (tipo e espessura do filme) e dados como temperatura (isotérmica ou programada) e outros (12). Inicialmente, determina-se o índice de retenção de compostos em questão e de alcanos de cadeia normal que sejam eluidos antes e depois do respectivo soluto determinado. O sistema de Rohrschneider é fundamentado na idéia de que a polaridade de uma coluna é dependente não somente da fase estacionária mas também do tipo de substância analisada (13). O sistema requer o uso do índice de retenção descrito por Kovats(14), o qual tem sido muito utilizado para especificar a polaridade de muitas colunas capilares, utilizando-se os polímeros usuais, como polisiloxanos e polietileno glicol.

Polímero poliuretano

O termo poliuretano se aplica à classe de compostos que contém ligação uretana, mesmo que existam outras ligações presentes. Diferentes de outros polímeros, as poliuretanas não contêm unidades uretanas repetidas de modo regular e não têm fórmula empírica que seja representativa de conjunto. Uma poliuretana típica pode conter, além dos grupos uretanos, hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos, grupos éster, éter, uréia, amida, etc (15).

(3)

O produto da reação química entre um grupo isocianato e um grupo hidroxila é conhecido como uretano ou uretana reação 1,

Esta reação, descoberta em 1848 por WULTZ, iniciou sua aplicação comercial na década de 40, quando a BAYER desenvolveu na Alemanha, os primeiros polímeros poliuretanos. A polimerização dos uretanos ocorre através da reação entre um composto contendo dois ou mais grupos isocianatos em sua estrutura, e um poliol. Uma grande variedade de polióis é utilizada na manufatura de poliuretanos, desde compostos naturais como o óleo de mamona, que contém grupos hidroxilas que produzem polímeros entrecruzados, até polióis sintéticos especialmente preparados para produzir polímeros com características específicas. Os polióis são encontrados na forma de poliéteres (estrutura 2) ou poliésteres (estrutura 3), com diferentes funcionalidades e massa molecular.

Figura 1. Tipos de colunas capilares WCOT ( Wall Coated Open Tubular – a fase estacionária está sob a forma de um filme líquido), SCOT(Support Coated Open Tubular – suporte recoberto com fase estacionária líquida), PLOT (Porous Layer Open Tubular – a fase estacionária é um sólido finamente dividido).

Devido a alta reatividade dos compostos contendo grupos isocianatos, geralmente é realizado uma pré-polimerização com um poliol, aumentando sua massa molecular, deixando uma porcentagem de isocianato livre para reagir com o poliol final (reação 4).

Parte Experimental

Instrumentos

Todas as análises foram efetuadas no cromatógrafo a gás HP – 5890 Series II, com um injetor “split-splitless” e um detector de ionização de chamas (FID). Foram usadas as colunas capilares POLYH4-MD (25m X 0,25mm X 0,25µm), CARBOWAX-20M (25 m x 0,25 mm x 0,25µm de espessura de filme) e OV-101 (25 m X 0,25 mm X 0,25µm).

Síntese do polímero

O polímero poliuretano utilizado no presente estudo foi sintetizado pelo GQATP (Grupo de Química Analítica e Tecnologia de Polímero) - IQSC – USP, utilizando um poliol derivado do óleo de mamona e um pré-polímero (4,4 difenilmetanodiisocianato).

Colunas capilares

Preparo das colunas capilares utilizando tubos de sílica fundida Todas as colunas foram preparadas seguindo o processo estático(10) utilizando tubos de sílica fundida obtidos da Polimicro Technologies, Inc, Phoenix, Arizona, USA. O tubo foi previamente lavado com mistura diclorometano/pentano (1:1). Em seguida passou-se N2 (5mL min-1) durante 1h a temperatura

ambiente para secagem e posteriormente, preencheu-se com a solução de recobrimento contendo o polímero poliuretano. Concentração da fase

A concentração da solução da fase estacionária foi calculada a partir da equação 2 (10), estabelecendo-se o valor da espessura do filme (df) da fase estacionária e do diâmetro interno (d.i.) do tubo de sílica.

df : Espessura do filme da fase estacionária (µm)

ARTIGO

(1) (2) (3) (4) Eq.2

(4)

Após a etapa de impregnação da fase, as colunas foram condicionadas com programação de temperatura nas seguintes condições: 40oC a 300oC à 1oC. min-1, 2oC. min-1, 4oC. min-1,

8oC. min-1. Em seguida, procedeu-se a lavagem das colunas com

5ml de Etanol, acetona, diclorometano, pentano e hexano.

Avaliação das colunas capilares

Teste de Grob

A avaliação das colunas quanto a eficiência de separação e inércia (presença de cauda nos picos) foi efetuada através do teste de Grob (10, 16). A mistura padrão foi preparada no laboratório(17) contendo os compostos constituintes do respectivo teste: hidrocarbonetos (C11 e C10), 2,6-dimetilfenol, 2,4-dimetilanilina, 1-octanol, 2,3-butanediol, nonanal, ésteres (E10, E11, E12), diciclohexilamina e ácido 2-etilhexanóico. As análises cromatográficas foram realizadas injetando-se 1µL da mistura em temperatura programada de 40oC a 300oC com taxa

de aquecimento de 6oC.min-1, split 1:100 e utilizando uma coluna

capilar POLYH4-MD (25m x 0,25mm x 0,25µm). Os resultados foram comparados com os testes realizados nas colunas comerciais Carbowax-20M e HP-101 nas mesmas dimensões de (25m x 0,25mm x 0,25µm).

Índice de retenção

O estudo do índice de retenção foi realizado pela injeção de uma mistura de hidrocarbonetos (n-parafinas, C5 – C7 ,C10 ) em temperatura isotérmica a 70oC em uma coluna POLYH4-MD (25m

x 0,25mm x 0,25µm). Foram injetados também solventes como butanol, piridina, benzeno, 1-nitrometano e 2-pentanona, com base nos cálculos de Índice de Retenção, segundo metodologia desenvolvida por Rohrschneider (13) e modificado por McReynolds(18). Os solventes foram injetados separadamente observando-se cada tr e injetando-se em conjunto com sequência de n-parafinas.

Resultados e Discussão

Avaliação da coluna capilar POLYH4-MD

A mistura teste de Grob foi utilizada para avaliar a sequência de eluição dos compostos constituintes na coluna POLYH4-MD, podendo-se estabelecer comparações entre as interações químicas dos solutos com a respectiva fase e avaliar as diferenças de eluição frente às colunas comerciais de polaridade extrema (Carbowax-20M e HP-101), indicado na Figura 2a e b.

Figura 2. Avaliação do teste de GROB na (a) COLUNA POLYH4-MD (25m x 0,25mm x 0,25µm); (b) CARBOWAX-20M(25m x 0,25mm x 0,25µm), (c) HP-101(25m x 0,25mm x 0,25µm). Temperatura programada de 40ºC a 300ºC a 6ºC.min-1, C

10 (1), C11 (2),

2,3-butanediol (3), 1-nonanal (4), 1-octanol (5) 2,6 - dimetilanilina (6), 2,6 -dimetilfenol (7), E10 (8), diciclohexilamina (9), E11 (10), Ácido 2-etilhexanóico(11) E12 (12)

(5)

A sequência de eluição dos componentes da mistura teste na coluna POLYH4-MD indicado (Figura 2) apresenta um perfil intermediário entre as colunas de referência, HP-101 e Carbowax-20M, aproximando-se mais do perfil da primeira, com alguns deslocamentos no sentido da Carbowax-20M. Nota-se que apesar da ordem de eluição dos hidrocarbonetos, do par 2,6 dimetilfenol/ 2,6-dimetilanilina e do 1-nonanal /1-octanol, nas colunas POLYH4-MD e Carbowax-20M, ser a mesma, a retenção desses componentes nas referidas colunas é muito diferente.

Foram calculados os valores de número de separação para os ésteres E10, E11 e E12(19). Os cálculos realizados pela Equação 3, indicando SN1 = 16,98 e SN2 = 16,10 o que confirma a similaridade entre os valores para os ésteres e reforça também a alta eficiência de separação da respectiva coluna capilar POLYH4-MD. Os valores encontrados para as colunas capilares CARBOWAX-20M E HP-101 foram SN1 = 22,01 SN2 = 23,89; SN1 = 15,22 e SN2 = 15,58 respectivamente. Os valores de número de separação apresentam-se semelhantes com diferenças somente entre SN1 e SN2. Este fator está relacionado à interação dos ésteres E10, E11 e E12 com as fases estacionárias, onde é correlacionado os tempos de retenção (tR) e as larguras dos picos na meia altura.

Índice de retenção

A literatura não apresenta métodos específicos para se determinar a polaridade de colunas do tipo capilar, o usual é a aplicação do procedimento realizado por Rohrschneider, incluindo apenas alguns solventes que possam apresentar maior ou menor afinidade pela fase estacionária, por meio do índice de retenção de cada um.

Após as análises realizadas com a coluna POLYH4-MD (25m x 0,25mm x 0,25µm) e com duas outras colunas capilares de polaridade diferentes, a CARBOWAX-20M (polietileno glicol entrecruzado), polar e HP-101 (polidimetilsiloxano), apolar, nas mesmas especificações da coluna POLYH4-MD, foi possível estabelecer comparação entre elas, seguindo-se as mesmas condições de análises, obtendo-se os seguintes valores de tR para cada solvente e hidrocarbonetos; Tabelas I, II.

Com os valores dos tr de cada n- parafina e dos solventes calcularam-se os índices de retenção para cada um dos solventes em cada coluna capilar, denominados Ibenzeno, I2-pentanona , Ibutanol, Ipiridina, I1-nitroproprano a partir da equação 4(20) . Os valores são mostrados na Tabela III.

A partir dos índices de retenção dos solventes calculados em cada coluna capilar, e comparados à coluna POLYH4–MD, objeto do presente estudo, observam-se valores intermediários para a mesma.

Os valores de índice de retenção não apresentam uma ordem de grandeza absoluta com valores adimensionais que dependem das condições de análises, porém os valores encontrados de IX para a coluna POLYH4-MD, juntamente com o perfil do teste de Grob, reforçam a possibilidade desta coluna ser intermediária, porém não seletiva para compostos de constante dielétrica alta ou baixa.

Segundo Jennings (2) os termos seletividade e polaridade são confundidos em CG. Uma substância polar (fase estacionária ou analito) possui dipolo permanente. Fases estacionárias polares são aquelas contendo grupos –CN, -CO, -C-O e –OH, entre outros. Um fator importante em Cromatografia é que o soluto elui em uma ordem que é função de sua pressão de vapor, onde o efeito da pressão de vapor de um soluto pode ser alterado modificando sua pressão de vapor pela soma das interações entre o soluto e a fase estacionária sob condições cromatográficas específicas. As forças de interações individuais entre o soluto/ fase estacionária são muito mais uma função de solubilidade que das propriedades da fase estacionária (2).

Fases estacionárias e solutos exercem função na seletividade. Uma fase estacionária que exibe alta seletividade para um tipo de soluto pode apresentar seletividade intermediária ou baixa para solutos com grupos funcionais diferentes.

Esta observação pode ser atribuída ao comportamento do butanol e da piridina que apresentam maior retenção na Coluna POLYH4-MD, do que na coluna CARBOWAX-20M (polietileno glicol), provavelmente pelas interações de dipolo-dipolo, dispersão ou interações do tipo ácido e base.

Tabela 2. Tempos de retenção para os solventes nas respectivas colunas capilares Colunas Capilares tR CARBOWAX-20 1,161 1,225 1,837 2,011 2,242 tRPOLYH4-MD 1,460 1,699 2,843 3,038 2,725 tRHP-101 1,775 1,941 1,904 2,589 2,373 Solventes Benzeno 2-Pentanona Butanol Piridina 1-Nitropropano

Tabela 1. Tempos de retenção para os hidrocarbonetos nas respectivas colunas capilares

Hidrocarbonetos C5 C6 C7 C10 Colunas Capilares tR CARBOWAX-20 1,018 1,029 1,049 1,610 tRPOLYH4-MD 1,051 1,124 1,311 6,384 tRHP-101 1,149 1,501 2,396 21,068

ARTIGO

Eq.3 Eq.4

(6)

Tabela 3. Resultado dos índices de retenção para os solventes nas colunas capilares selecionadas

Índices de retenção nas Colunas Capilares CARBOWAX-20 789,91 818,20 921,44 935,73 951 POLYH4-MD 750,34 794,08 892,71 902,96 886,10 HP-101 644,34 670 666,4 728 712,19 ISolventes Ibenzeno I2-pentanona Ibutanol Ipiridina I1-nitroproprano

Tabela 4. Momento dipolar de ligações (22)

Ligações H – C C º N C = O C – F C - Cl C - Br C – I C – O Debyes 0,3 3,6 2,4 1,51 1,56 1,48 1,29 0,86 A facilidade de um grupo hidroxila formar ligações de

hidrogênio com a fase estacionária é um importante mecanismo de separação, quando os componentes da amostra têm dipolos e potenciais de dispersão similares (21, 22).

Um exemplo interessante é a retenção do etanol e isopropanol na coluna CARBOWAX-20M. O etanol, devido às interações moleculares, tem baixo potencial de dispersão em relação ao isopropanol, mas também pode ser considerado um ácido forte, quando se comparam valores pK de ambos. Por este motivo, realiza interações fortes com grupos éter (básico) do polietileno glicol, contrapondo-se com interações de dispersão fraca com a fase, dificultando desta forma a separação.

Em 1977, Littlewood (23) observou que certas fases estacionárias não-polares podem ter um dipolo induzido se o soluto tem um dipolo permanente, principalmente se os solutos possuírem ligações do tipo C = N e C = O, que possuem momentos dipolar altos, indicados na Tabela 4.

Muitos são os tipos de estudos desenvolvidos para caracterizar as propriedades dos mecanismos de interação de uma fase estacionária. Figgins, Risby e Jurs (24) desenvolveram um estudo relacionando o volume de retenção específico de um soluto obtido a diferentes temperaturas, utilizando-se equações matemáticas envolvendo Entropia Molar Parcial e Energia Livre na caracterização de fases estacionárias para a Cromatografia Gasosa, com o intuito de descrever as interações do soluto com a fase estacionária.

Diante destas considerações, pode-se verificar que a coluna POLYH4-MD apresenta mecanismo de separação duplo, podendo ser mecanismo de dispersão (2) devido a uma parte da sua estrutura molecular apresentar características semelhantes a de

uma sequência de hidrocarbonetos, favorecendo a separação de solventes de baixa constante dielétrica. Por outro lado, possui ligações C=O dos ésteres localizados em diferentes pontos da sua estrutura, com possibilidade de proporcionar a existência de ligações dipolo permanente - dipolo permanente (quando o solvente é a piridina) e/ou dipolo-dipolo induzido, dependendo da estrutura química do soluto.

Conclusões

O teste de Grob, aplicado para avaliação da coluna capilar POLYH4-MD, mostrou alta eficiência para uma série de compostos, apresentando características de seqüência de eluição dos respectivos solutos semelhantes em parte a uma coluna polar (CARBOWAX-20M) e, em parte a uma apolar (HP-101), o que também foi confirmado pelo teste de índice de retenção. Porém, diante das amostras analisadas, pode-se concluir que seu mecanismo de interação é duplo, devido principalmente à diversidade de grupos que constitui a fase com o polímero poliuretano e ao grau de entrecruzamento do polímero POLYH4-MD, equivalente à relação estequiométrica (3).

A coluna capilar POLYH4-MD apresenta-se como uma coluna capilar com ampla faixa de separação: álcoois, hidrocarbonetos e amostras aquosas (25).

Agradecimentos

Aos órgãos de fomento CNPQ – RHAE, CAPES e FAPESP

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