The microwave region of the electromagnetic spectrum lies between the infrared radiation and radio frequency region and corresponds to wavelengths of 1 cm to 1 m (frequencies of 30 GHz to 300 MHz respectively). Gaisford and Walters developed the microwave GC oven in 2000, which operated at 919 MHz. The microwave GC oven has been engineered to generate a uniform microwave field around an open tubular capillary column with elimination of cold spots which are common in a domestic microwave oven. Only the column is heated in a microwave GC oven. In microwave GC, ramp rates in excess of 6 degree/sec, isotherms as high as 450 degree, and 1 min cool-down times from 300 to 50 degree can be achieved. In conventional GC, only positive temperature programming is used because the oven cools down slowly due to the great thermal mass of the oven. Short cool-down time in microwave-heating GC makes it possible to employ negative temperature programming for the separation of compounds during the process. The theory and feasibility of negative temperature programming in microwave GC were investigated in this research. Negative temperature programming was employed to analyze and quantitate four different critical pairs of non-volatile and volatile compounds. The influence of cooling rate, holding time, and reheating rate in negative temperature programs for enhanced resolution were investigated. The results obtained from negative temperature programming were compared to those from positive temperature programming. Negative temperature programming afforded greater resolution of critical pairs of analytes. / Master of Science

Temperature programmed gas chromatography (TPGC) is commonly used for the analysis of complex samples with a wide range of boiling points. It is estimated that 80% of GC users implement TPGC on a regular basis. In 1962, John Calvin Giddings was the first to publish a simple model for TPGC. His theories concerning TPGC are still accepted as the benchmark for explaining the underlying theory. The purpose of this research was to investigate, as speculated by Giddings, if temperature programming rate (b) is the dominant contribution in determining fundamental chromatographic values, such as retention time, retention temperature and resolution. Comparison of these effects was made by studying column length and linear velocity in conjunction with temperature programming rates. Experimental determinations using a combination of three different column lengths, five linear velocities and three ramping rates on a three-component sample were investigated. A late eluting peak, C14, was evaluated by statistical analysis to determine the dominant contribution on retention time, retention temperature and resolution. Results from statistically analysis show that temperature programming rate (b), column length and linear velocity all have contributions on retention time, retention temperature and resolution, however b dominates at high programming rates. / Master of Science

O presente estudo visa o desenvolvimento de pesquisas em uma área altamente promissora da cromatografia líquida moderna, denominada genericamente de cromatografia líquida capilar (cLC). Sua principal característica é o uso de instrumentação miniaturizada, cujos benefícios em relação à HPLC são fartamente documentados. O Grupo de Cromatografia do IQSC-USP vem desenvolvendo, há vários anos, instrumentação e colunas para esta área, havendo construído um sistema, para micro e nano LC, completo. O objetivo deste trabalho foi ampliar o emprego do mesmo, através do uso de programação de temperatura em cromatografia líquida capilar, fazendo uso de colunas empacotadas e tubulares abertas (OT), desenvolvidas no laboratório. Uma metodologia relativamente simples foi desenvolvida para preparar as colunas capilares com fases estacionárias C18 com boa repetitividade. Para tal, a influência de várias características da coluna, tais como, tamanho da partícula, comprimento, diâmetro interno, tipos de hardwares empregados como corpo da coluna e sistema de bombeamento, foram avaliadas, sendo estabelecida uma relação entre as mesmas e o desempenho da coluna. As microcolunas empacotadas obtidas apresentaram excelente desempenho. Colunas tubulares abertas, OT do tipo WCOT e PLOT (com diferentes tipos de fases, comprimentos e diâmetros internos) foram produzidas e avaliadas, utilizando uma mistura de alquilbenzenos. Os resultados sugerem um desempenho ainda insatisfatório das colunas OTLC, embora os compostos avaliados tenham sido separados indicando, de forma promissora, que uma otimização nas características das colunas poderá contribuir para se alcançar maiores eficiências. Foi aplicada programação de temperatura na separação de diferentes classes de compostos resultando na redução de, pelo menos, metade do tempo de análise com aumento da eficiência de, no mínimo 2 vezes, quando comparado à separação realizada em condição isotérmica. Isto ilustra a importância da utilização da programação de temperatura em cromatografia líquida capilar. Por último, foi avaliado o desempenho de uma coluna capilar empacotada em um sistema cLC comercial e no cLC desenvolvido no laboratório, onde se observou que o desempenho da coluna foi melhor quando utilizada no cromatógrafo líquido capilar desenvolvido pelo grupo (\"homemade\"). / The present study aims to develop research in a highly promising field of general report generation, generally referred to as capillary liquid chromatography (cLC). Its main feature is the use of miniaturized instrumentation, whose benefits in relation to HPLC are well documented. O Grupo de Cromatografia do IQSC-USP vem desenvolvendo, há vários anos, instrumentação e colunas para esta área, havendo construído um sistema, para micro e nano LC, completo. The objective of this work was to extend the use of the same, by using temperature programming in capillary liquid chromatography, making use of packed and open tubular columns (OT), developed in the laboratory. A relatively simple methodology was developed to prepare capillary columns with C18 stationary phases with good repeatability. To do this, the influence of various column characteristics, such as particle size, length, internal diameter, types of hardware used as column body and pumping system, were evaluated, establishing a relationship between them and the performance of the column. The packaged microcolumns obtained showed excellent performance. Open tubular columns, OT WCOT and PLOT (with different types of phases, lengths and internal diameters) were produced and evaluated using a mixture of alkylbenzenes. The results suggest a still unsatisfactory performance of the OTLC columns, although the compounds evaluated were promising, indicating that an optimization of the characteristics of the columns could contribute to higher efficiencies. Temperature programming was applied in the separation of different classes of compounds resulting in the reduction of at least half of the analysis time with increase of the efficiency of at least 2 times when compared to the separation realized in isothermal condition. This illustrates the importance of using temperature programming in capillary liquid chromatography. Finally, the performance of a capillary column packed in a commercial cLC system and in the cLC developed in the laboratory was evaluated, where it was observed that the performance of the column was better when used in the liquid capillary chromatograph developed by the group (\"homemade\").

O presente estudo visa o desenvolvimento de pesquisas em uma área altamente promissora da cromatografia líquida moderna, denominada genericamente de cromatografia líquida capilar (cLC). Sua principal característica é o uso de instrumentação miniaturizada, cujos benefícios em relação à HPLC são fartamente documentados. O Grupo de Cromatografia do IQSC-USP vem desenvolvendo, há vários anos, instrumentação e colunas para esta área, havendo construído um sistema, para micro e nano LC, completo. O objetivo deste trabalho foi ampliar o emprego do mesmo, através do uso de programação de temperatura em cromatografia líquida capilar, fazendo uso de colunas empacotadas e tubulares abertas (OT), desenvolvidas no laboratório. Uma metodologia relativamente simples foi desenvolvida para preparar as colunas capilares com fases estacionárias C18 com boa repetitividade. Para tal, a influência de várias características da coluna, tais como, tamanho da partícula, comprimento, diâmetro interno, tipos de hardwares empregados como corpo da coluna e sistema de bombeamento, foram avaliadas, sendo estabelecida uma relação entre as mesmas e o desempenho da coluna. As microcolunas empacotadas obtidas apresentaram excelente desempenho. Colunas tubulares abertas, OT do tipo WCOT e PLOT (com diferentes tipos de fases, comprimentos e diâmetros internos) foram produzidas e avaliadas, utilizando uma mistura de alquilbenzenos. Os resultados sugerem um desempenho ainda insatisfatório das colunas OTLC, embora os compostos avaliados tenham sido separados indicando, de forma promissora, que uma otimização nas características das colunas poderá contribuir para se alcançar maiores eficiências. Foi aplicada programação de temperatura na separação de diferentes classes de compostos resultando na redução de, pelo menos, metade do tempo de análise com aumento da eficiência de, no mínimo 2 vezes, quando comparado à separação realizada em condição isotérmica. Isto ilustra a importância da utilização da programação de temperatura em cromatografia líquida capilar. Por último, foi avaliado o desempenho de uma coluna capilar empacotada em um sistema cLC comercial e no cLC desenvolvido no laboratório, onde se observou que o desempenho da coluna foi melhor quando utilizada no cromatógrafo líquido capilar desenvolvido pelo grupo (\"homemade\"). / The present study aims to develop research in a highly promising field of general report generation, generally referred to as capillary liquid chromatography (cLC). Its main feature is the use of miniaturized instrumentation, whose benefits in relation to HPLC are well documented. O Grupo de Cromatografia do IQSC-USP vem desenvolvendo, há vários anos, instrumentação e colunas para esta área, havendo construído um sistema, para micro e nano LC, completo. The objective of this work was to extend the use of the same, by using temperature programming in capillary liquid chromatography, making use of packed and open tubular columns (OT), developed in the laboratory. A relatively simple methodology was developed to prepare capillary columns with C18 stationary phases with good repeatability. To do this, the influence of various column characteristics, such as particle size, length, internal diameter, types of hardware used as column body and pumping system, were evaluated, establishing a relationship between them and the performance of the column. The packaged microcolumns obtained showed excellent performance. Open tubular columns, OT WCOT and PLOT (with different types of phases, lengths and internal diameters) were produced and evaluated using a mixture of alkylbenzenes. The results suggest a still unsatisfactory performance of the OTLC columns, although the compounds evaluated were promising, indicating that an optimization of the characteristics of the columns could contribute to higher efficiencies. Temperature programming was applied in the separation of different classes of compounds resulting in the reduction of at least half of the analysis time with increase of the efficiency of at least 2 times when compared to the separation realized in isothermal condition. This illustrates the importance of using temperature programming in capillary liquid chromatography. Finally, the performance of a capillary column packed in a commercial cLC system and in the cLC developed in the laboratory was evaluated, where it was observed that the performance of the column was better when used in the liquid capillary chromatograph developed by the group (\"homemade\").

Experimental data are presented for the first time in support of a theoretical model of band broadening proposed by Blumberg (1997). This model addresses the effects of the compressibility of the mobile phase in gas chromatography and presents an equation derived from only two mutually independent variables. Solutions of decane and tridecane in hexane were analyzed at pressures ranging from 15 to 150 psi. Six different columns were used that varied in length, internal diameter and film thickness. Theoretical plate heights were obtained from this data and plotted versus the average linear carrier gas velocity (Golay type plots). These plots showed that at high pressures the Blumberg model fit the experimental data statistically significantly better than the earlier model proposed by Golay. The Blumberg model also accurately predicts the relationship between the optimum linear carrier gas velocity and the temperature. The second part of this work explores the scope and limitations of fast temperature programming in the fast GC analyses of various sample types. These samples included polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), hydrocarbons and food samples. Programming rates of up to 1200° C/min were used. These fast programming rates were obtained by using "flash"â ¢ temperature programming, controlled by resistive heating of a metal tube that enclosed a capillary column. The precision of peak data was found to be good, less than 5% for peak areas and 4% for retention times. However, a slight, but statistically significant decrease in peak areas was seen above programming rates of 240° C/min. Microwave assisted extraction (MAE) was used to extract 2,6-di-(tert-butyl)-4-methylphenol, BHT, from chewing gum and breakfast cereal. The extraction was followed by a fast GC analysis (less than 4 minutes) using "flash"â ¢ temperature programming. MAE reduced the sample preparation time, from hours to minutes, and consequently reduced, the total analysis time. Extraction times longer than 5 minutes gave decreased recoveries of BHT. / Ph. D.

Apesar de seu início promissor, a miniaturização da cromatografia líquida tem se desenvolvido de forma lenta devido à dificuldade em adquirir colunas e equipamentos adequados à técnica. Nos últimos anos, o interesse nesta área da cromatografia tem sido crescente em decorrência das inúmeras vantagens proporcionadas pelo uso de colunas com diâmetro interno reduzido. Ainda que as colunas capilares se encontrem disponíveis comercialmente, sua produção em laboratório pode reduzir custos. Vários parâmetros de grande importância na cromatografia, como o tempo de retenção dos analitos e a pressão do sistema, sofrem variações quando a temperatura da coluna é alterada. Em cromatografia líquida capilar, a aplicabilidade da programação de temperatura é uma alternativa viável, uma vez que a distribuição de calor no interior das colunas ocorre de maneira rápida e uniforme. Os detectores espectrométricos de massas são considerados os mais adequados a esta técnica, pois permitem o monitoramento de compostos presentes em amostras pouco concentradas. Em decorrência do alto custo e indisponibilidade destes em alguns laboratórios, as pesquisas instrumentais nesta área têm empregado detectores mais simples, como os baseados na absorção de luz ultravioleta. Contudo o diâmetro interno reduzido das colunas capilares e, por consequência, o baixo volume de injeção da amostra tornam necessário que as celas de detecção sejam apropriadamente dimensionadas para que não ocorra excessivo alargamento dos picos cromatográficos. Desta maneira, o presente trabalho visa o desenvolvimento de colunas empacotadas e monolíticas, bem como a produção de celas de detecção adequadas ao uso em sistemas destinados à cromatografia líquida capilar. O estudo de algumas variáveis de empacotamento permitiu a obtenção de colunas com excelente eficiência. As fases estacionárias monolíticas foram confeccionadas pelo método sol-gel e utilizadas para promover separações bastante rápidas. Uma das celas de detecção produzidas obteve ótimo desempenho quando comparada a duas celas comerciais comumente empregadas em sistemas miniaturizados. A programação de temperatura foi aplicada durante a separação de tetraciclinas e esteróides, sendo estas análises obtidas com maior rapidez quando comparadas às realizadas sob condições isotérmicas. / In spite of its promising start, the miniaturization of liquid chromatography has developed slowly due to the difficulties in obtaining appropriate columns and equipments suitable to this technique. In recent years, interest in this area of chromatography has been increasing due to the several advantages afforded by the use of columns with reduced internal diameter. Although the capillary columns are commercially available, its in-house production can reduce costs. Several parameters of great importance in chromatography, such as the retention time of analytes and the pressure of the system vary widely when the column temperature is changed. In capillary liquid chromatography the applicability of temperature programming is a viable alternative since the heat distribution across the column occurs quickly and uniformly. Mass spectrometric detectors are considered the most suitable for this technique since they allow the monitoring of compounds in low concentrated samples. Due to the high cost and unavailability of these instruments in some laboratories, instrumental research in this area has been using the simpler detectors, such as those based on the absorption of ultraviolet light. However, the reduced internal diameter of capillary columns and, consequently, the low injection volume of sample imply an appropriate dimensioning of the detection cell, so that excessive broadening of chromatographic peaks is avoided. Thus, this work aims with the development of monolithic and packed columns, as well as the production of suitable cells for the use in detection systems for capillary liquid chromatography. The study of some packing variables allowed to obtain columns with excellent efficiency. Monolithic stationary phases were prepared by sol-gel process and were used to promote very fast separations. One of the obtained detection cells produced good performance when compared to two commercial cells commonly used in miniaturized systems. Temperature programming was applied for the separation of tetracyclines and steroids, at higher speed when compared to those obtained under isothermal conditions.

Desde que foi introduzida por Tswett no começo do século XX, a cromatografia vem sofrendo contínuos avanços. Entretanto, a miniaturização da cromatografia líquida, apesar de seu inicio promissor, ainda continua bastante lenta e até o presente não alcançou ampla difusão, sendo que o número de grupos trabalhando nesta área é ainda bastante restrito. O motivo deste lento avanço se encontrava na dificuldade em se desenvolver equipamentos adequados, colunas apropriadas e sistemas de tratamento de dados suficientemente rápidos para os sistemas miniaturizados. Apesar de muitos desses problemas atualmente serem de fácil resolução, ainda não se dispõe de equipamentos comercialmente disponíveis que supram satisfatoriamente às condições impostas pelas micro-colunas. Tal carência deve ser suprida antes de nos beneficiarmos de todas as vantagens intrínsecas à miniaturização da cromatografia líquida. Deste modo, o presente projeto visa o desenvolvimento de instrumentação totalmente dedicada aos sistemas miniaturizados de cromatografia líquida incluindo o desenvolvimento de uma bomba de alta pressão, um sistema de injeção a base de tempo, um forno capaz de realizar programação de temperatura e o software de controle dos mesmos. Os equipamentos desenvolvidos foram então aplicados em separações de estatinas demonstrando um excelente desempenho. / Since the chromatography was introduced by Tswett, in the beginning of the 20th century, the technique has suffered a constant progress. However, the miniaturization of liquid chromatography, instead of its promising start, it is still too slow and this technique has not reached a wide divulgation so far. It is important to mention that the number of groups working in this area is very limited yet. The reason of this slow progress was due to the difficulty in developing suitable equipments, appropriated columns and data treatment systems that are quick enough for the miniaturized systems. Currently, many of these problems are easy to be solved, however, there are no equipments available commercially that supply the conditions imposed by microcolumns satisfactorily. Such lack should be filled before benefiting from all the advantages concerned to the miniaturization of liquid chromatography. In this way, this study aims at the development of instrumentation totally dedicated to the miniaturized systems of liquid chromatography, including the development of a high pressure pump, an time-based injector, an oven that sets the temperature programming and the software that can control all these devices. The developed equipments were then applied in the separation of statins, demonstrating an excellent performance.

Apesar de seu início promissor, a miniaturização da cromatografia líquida tem se desenvolvido de forma lenta devido à dificuldade em adquirir colunas e equipamentos adequados à técnica. Nos últimos anos, o interesse nesta área da cromatografia tem sido crescente em decorrência das inúmeras vantagens proporcionadas pelo uso de colunas com diâmetro interno reduzido. Ainda que as colunas capilares se encontrem disponíveis comercialmente, sua produção em laboratório pode reduzir custos. Vários parâmetros de grande importância na cromatografia, como o tempo de retenção dos analitos e a pressão do sistema, sofrem variações quando a temperatura da coluna é alterada. Em cromatografia líquida capilar, a aplicabilidade da programação de temperatura é uma alternativa viável, uma vez que a distribuição de calor no interior das colunas ocorre de maneira rápida e uniforme. Os detectores espectrométricos de massas são considerados os mais adequados a esta técnica, pois permitem o monitoramento de compostos presentes em amostras pouco concentradas. Em decorrência do alto custo e indisponibilidade destes em alguns laboratórios, as pesquisas instrumentais nesta área têm empregado detectores mais simples, como os baseados na absorção de luz ultravioleta. Contudo o diâmetro interno reduzido das colunas capilares e, por consequência, o baixo volume de injeção da amostra tornam necessário que as celas de detecção sejam apropriadamente dimensionadas para que não ocorra excessivo alargamento dos picos cromatográficos. Desta maneira, o presente trabalho visa o desenvolvimento de colunas empacotadas e monolíticas, bem como a produção de celas de detecção adequadas ao uso em sistemas destinados à cromatografia líquida capilar. O estudo de algumas variáveis de empacotamento permitiu a obtenção de colunas com excelente eficiência. As fases estacionárias monolíticas foram confeccionadas pelo método sol-gel e utilizadas para promover separações bastante rápidas. Uma das celas de detecção produzidas obteve ótimo desempenho quando comparada a duas celas comerciais comumente empregadas em sistemas miniaturizados. A programação de temperatura foi aplicada durante a separação de tetraciclinas e esteróides, sendo estas análises obtidas com maior rapidez quando comparadas às realizadas sob condições isotérmicas. / In spite of its promising start, the miniaturization of liquid chromatography has developed slowly due to the difficulties in obtaining appropriate columns and equipments suitable to this technique. In recent years, interest in this area of chromatography has been increasing due to the several advantages afforded by the use of columns with reduced internal diameter. Although the capillary columns are commercially available, its in-house production can reduce costs. Several parameters of great importance in chromatography, such as the retention time of analytes and the pressure of the system vary widely when the column temperature is changed. In capillary liquid chromatography the applicability of temperature programming is a viable alternative since the heat distribution across the column occurs quickly and uniformly. Mass spectrometric detectors are considered the most suitable for this technique since they allow the monitoring of compounds in low concentrated samples. Due to the high cost and unavailability of these instruments in some laboratories, instrumental research in this area has been using the simpler detectors, such as those based on the absorption of ultraviolet light. However, the reduced internal diameter of capillary columns and, consequently, the low injection volume of sample imply an appropriate dimensioning of the detection cell, so that excessive broadening of chromatographic peaks is avoided. Thus, this work aims with the development of monolithic and packed columns, as well as the production of suitable cells for the use in detection systems for capillary liquid chromatography. The study of some packing variables allowed to obtain columns with excellent efficiency. Monolithic stationary phases were prepared by sol-gel process and were used to promote very fast separations. One of the obtained detection cells produced good performance when compared to two commercial cells commonly used in miniaturized systems. Temperature programming was applied for the separation of tetracyclines and steroids, at higher speed when compared to those obtained under isothermal conditions.

Desde que foi introduzida por Tswett no começo do século XX, a cromatografia vem sofrendo contínuos avanços. Entretanto, a miniaturização da cromatografia líquida, apesar de seu inicio promissor, ainda continua bastante lenta e até o presente não alcançou ampla difusão, sendo que o número de grupos trabalhando nesta área é ainda bastante restrito. O motivo deste lento avanço se encontrava na dificuldade em se desenvolver equipamentos adequados, colunas apropriadas e sistemas de tratamento de dados suficientemente rápidos para os sistemas miniaturizados. Apesar de muitos desses problemas atualmente serem de fácil resolução, ainda não se dispõe de equipamentos comercialmente disponíveis que supram satisfatoriamente às condições impostas pelas micro-colunas. Tal carência deve ser suprida antes de nos beneficiarmos de todas as vantagens intrínsecas à miniaturização da cromatografia líquida. Deste modo, o presente projeto visa o desenvolvimento de instrumentação totalmente dedicada aos sistemas miniaturizados de cromatografia líquida incluindo o desenvolvimento de uma bomba de alta pressão, um sistema de injeção a base de tempo, um forno capaz de realizar programação de temperatura e o software de controle dos mesmos. Os equipamentos desenvolvidos foram então aplicados em separações de estatinas demonstrando um excelente desempenho. / Since the chromatography was introduced by Tswett, in the beginning of the 20th century, the technique has suffered a constant progress. However, the miniaturization of liquid chromatography, instead of its promising start, it is still too slow and this technique has not reached a wide divulgation so far. It is important to mention that the number of groups working in this area is very limited yet. The reason of this slow progress was due to the difficulty in developing suitable equipments, appropriated columns and data treatment systems that are quick enough for the miniaturized systems. Currently, many of these problems are easy to be solved, however, there are no equipments available commercially that supply the conditions imposed by microcolumns satisfactorily. Such lack should be filled before benefiting from all the advantages concerned to the miniaturization of liquid chromatography. In this way, this study aims at the development of instrumentation totally dedicated to the miniaturized systems of liquid chromatography, including the development of a high pressure pump, an time-based injector, an oven that sets the temperature programming and the software that can control all these devices. The developed equipments were then applied in the separation of statins, demonstrating an excellent performance.