Um breve histórico e descrição do uso da cromatografia gasosa como ferramenta analítica para a determinação de hidrocarbonetos de petróleo

Por Giorgi Dal Pont

Ferramentas analíticas têm suportado cada vez mais a realização de estudos relacionados à avaliação de impacto em ambientes aquáticos em decorrência da liberação de substâncias químicas tóxicas. Dentre tais substâncias, os metais pesados, organoclorados, hidrocarbonetos de petróleo e uma série de compostos orgânicos e inorgânicos, alcançam corpos hídricos diariamente. Especificamente para a quantificação de hidrocarbonetos de petróleo, diversas técnicas analíticas de cromatografia, tanto gasosa quanto líquida, são amplamente utilizadas, e aperfeiçoadas, para o auxílio na detecção de quantidades cada vez menores desses compostos em amostras de água. Atualmente, o GIA e o GQA (Grupo de Química Ambiental da UFPR), com financiamento da Petrobras, estão desenvolvendo um método de extração líquido-líquido para a determinação de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA) e hidrocarbonetos monoaromáticos (BTEX) em amostras de água em pequenos volumes (60 ml). Atualmente, a maioria das técnicas disponíveis demandam maiores volumes da matriz – que em alguns casos pode chegar até 1 L. Dessa forma, a miniaturização do processo facilita o manuseio e transporte de amostras e, também, reduz custos. Após a extração dos compostos de interesse (HPA e BTEX) a amostra é analisada por cromatografia em fase gasosa.  Por se tratar de uma ferramenta de grande interesse e aplicação na área ambiental, o objetivo do presente texto é descrever o histórico e os princípios básicos da cromatografia em fase gasosa na determinação de hidrocarbonetos de petróleo em matiz aquática.

Em 1903 o cientista russo M. Tswett publicou a primeira descrição da técnica de análise cromatográfica. Após alguns anos, A. Martin e R. Synge apresentaram o primeiro modelo que comprovou a eficiência da coluna cromatográfica. Martin e Synge também desenvolveram a cromatografia líquido-líquido e, em 1952, receberam o prêmio Nobel de química. Atualmente, a cromatografia é uma das mais importantes ferramentas analíticas, inclusive para a avaliação de impactos ambientais. Essa ferramenta consiste na separação física de compostos, de uma mesma mistura, pela interação diferencial de seus componentes com uma “fase estacionária” e uma “fase móvel” (líquida ou gasosa) de uma coluna cromatográfica. A cromatografia gasosa é a forma de cromatografia na qual a “fase móvel” consiste de um gás. O princípio básico de operação de um cromatógrafo gasoso envolve a volatilização da amostra em um injetor aquecido, a separação dos componentes da mistura em uma coluna cromatográfica e a detecção de cada composto por um detector. A condução da amostra do injetor através da coluna cromatográfica até o detector é realizada por um gás transportador, como hélio e hidrogênio. Vários métodos de detecção já foram desenvolvidos com o objetivo de identificar os compostos “carregados” através da coluna cromatográfica. Cada um deles apresenta uma característica distinta e podem ser classificados de acordo com as propriedades físicas que configuram o mecanismo de detecção (universal, seletivo ou específico). Os detectores de ionização de chama (FID), condutividade térmica (TCD), captura de elétrons (ECD), fotoionização (PID) e espectrometria de massa (MS) são os mais utilizados e conhecidos. Porém, o MS é considerado um dos melhores e mais sensíveis métodos de detecção.

A detecção de HPA em amostras ambientais, por exemplo, tem sido frequentemente realizada por meio do emprego de cromatografia gasosa, com utilização de detectores FID e MS. Entretanto, a associação de CG e MS (CG-MS) tem demostrado maior precisão em comparação à associação CG-FID. Essa melhor eficiência da CG-MS é uma consequência da natureza seletiva desse tipo de detector.

Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, originados do petróleo, podem ser encontrados em todos os compartimentos ambientais (água, ar e solo), sendo também detectados em organismos vivos. Em geral, os HPA apresentam baixa solubilidade em água, característica diretamente dependentes da massa molecular dessas moléculas. Essa baixa solubilidade faz com que os HPA se acumulem no sedimento de ambientes aquáticos e bioacumulem nos tecidos de organismos vivos, podendo causar diversos efeitos tóxicos, comumente associados com doenças em humanos. Por esse motivo, 16 HPA são considerados pela Agência de Proteção Ambiental Americana (U.S. EPA) como compostos de identificação prioritária devido ao seu provável potencial mutagênico e carcinogênico, sendo que processos cromatográficos para a identificação e quantificação desses compostos têm sido constantemente otimizados por meio da descrição de novas metodologias de extração, clean-up e detecção.

Uma vez que os 16 HPA considerados prioritários pela U.S. EPA podem apresentar diferentes propriedades físico-químicas, os métodos de extração e clean-up devem apresentar grande eficiência para superar esses percalços, principalmente na análise de matrizes sólidas. Apesar da existência de diversas técnicas de extração e clean-up para a determinação HPA, a metodologia, descrita abaixo, tem demostrado resultados adequados de seletividade, sensibilidade, precisão e exatidão na identificação de HPA em amostras de sedimento, mesmo em concentração extremamente baixas.

Após coleta, homogeneização, extração e ejeção no cromatógrafo, o perfil cromatográfico obtido é então dividido em oito períodos de detecção com o objetivo de melhor identificar a presença de um HPA alvo ou de um grupo de HPA. Essa estratégia resulta na análise de no máximo quatro compostos sendo monitorados em um determinado momento e, consequentemente, numa maior eficiência da análise cromatográfica.

A análise de compostos voláteis, como no caso dos hidrocarbonetos voláteis (BTEX), por cromatografia gasosa pode ser realizada de forma direta, sem a necessidade da realização de etapas de extração das substâncias de interesse da matriz original, seja ela líquida ou sólida. Para isso foi criado um sistema no qual a amostra original é inserida em um recipiente selado. Esse sistema de análise é denominado headspace. Devido a atuação das leis da física, os compostos voláteis irão se acumular na parte superior do recipiente (headspace), estabelecendo um equilíbrio entre a amostra propriamente dita ou fase condensada e a fase gasosa. A presença e concentração dos compostos voláteis de interesse na fase gasosa da amostra pode ser influenciada por fatores como a temperatura, por exemplo.

Além de se caracterizar como uma técnica de grande simplicidade metodológica, a utilização de análise por headspace reduz mudanças qualitativas e quantitativas na composição da amostra. Por outro lado, o processo de amostragem manual do gás contido no headspace pode apresentar diversos fatores interferentes que poderão alterar os resultados obtidos. Dentre esses fatores destaca-se o tempo necessário entre a preparação e injeção da amostra. Nesse sentido, os amostradores automáticos de headspace podem reduzir a interferência desses fatores. Nesses equipamentos, as amostras são submetidas a condições controladas de temperatura e outros fatores que podem influenciar no equilíbrio entre a fase condensada e gasosa da amostra. Além disso, controlam o tempo de amostragem e repetitividade na coleta apresentando, com isso, baixa interferência até a injeção da amostra no CG. Assim, a utilização de amostradores automáticos de headspace garante maior linearidade e confiança na análise de compostos voláteis. Após a injeção e separação da amostra através da coluna cromatográfica, e um sinal diferencial emitido pela amostra eluida no gás de arraste será mensurado por um detector. Vários tipos de detectores podem ser utilizados na cromatografia gasosa, sendo que aqui serão comparados os detectores de ionização em chama (FID) e fotoionização (PID).

O detector FID é considerado o detector universal para a cromatografia gasosa, sendo amplamente utilizado na rotina laboratorial. A ampla utilização dos detectores FID está relacionada a sua alta sensitividade à praticamente todos os compostos orgânicos. Além disso, esses detectores apresentam baixa resposta à presença de água, dióxido de carbono e impurezas do gás de arraste, apresentando excelente linearidade mesmo em amplas variações de concentração dos analitos.

O FID consiste em uma pequena chama, alimentada por hidrogênio e ar. Em cima da chama está localizado um eletrodo que coleta os íons formados a partir da combustão da amostra. Quando em contato com moléculas orgânicas, por exemplo, a energia da chama causa a quebra e liberação de prótons e grupos terminais. Os íons capturados atravessam o eletrodo, o qual é mantido sob um potencial negativo (em torno de -150V) em relação a chama. Dessa forma, as correntes elétricas formadas serão resultado da concentração de espécies positivamente carregadas na chama e da estrutura química das moléculas.