A cromatografia gasosa bidimensional abrangente GCxGC (do inglês "comprehensive two-dimensional gas chromatography") é uma técnica descrita originalmente em 1991 pelo professor John B. Phillips e seu aluno Zaiyou Liu. Desde então a GC×GC vem sendo extensivamente aplicada para solucionar problemas complexos de separações. Alguns dos grupos de pesquisa mais bem consolidados no mundo nessa técnica são encontrados na Austrália, Itália, Holanda, Canadá, Estados Unidos e no Brasil.

Utilizando-se a GC×GC, otimiza-se o poder de separação de um sistema de cromatografia gasosa acoplando-se duas colunas independentes que têm seletividades distintas. Assim, o eluente da primeira coluna, de tamanho convencional, é conduzido para a segunda, mais curta, através de um modulador, que tem como funções principais segmentar e focalizar frações do efluente da primeira coluna e, após a focalização, liberá-lo para a segunda coluna.

No Brasil a GC×GC foi primeiramente introduzida pelo Professor Fabio Augusto no Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas.

História A invenção da cromatografia gasosa (CG) geralmente é atribuída a A.T. James e A. J. P. Martin por um trabalho publicado em 1952, quando eles testaram a separação usando um gás como fase móvel pela primeira vez. A separação por cromatografia gasosa-líquida de oito ácidos graxos voláteis foi efetuada em uma coluna empacotada de 11 pés, à 137ºC e 100 minutos de duração. Nessa separação unidimensional com nitrogênio gasoso como fase móvel e óleo de silicone/ácido esteárico apoiada em terra diatomácea como fase estacionária, foram identificados aproximadamente 30 picos lado a lado. A técnica despertou o interesse da indústria petroleira que necessitava separar e analisar misturas de hidrocarbonetos. Um dos maiores desafios analíticos dos anos 50 foi estabelecer a composição do petróleo, que substituiu o carvão como a principal fonte de combustível líquido e insumos químicos. A indústria petroleira adaptou o uso de GC para a análise de composição e avanços excepcionais para o desenvolvimento e aplicações foram alcançados pelos principais pesquisadores das companhias.

As separações abrangentes surgiram com a cromatografia gasosa multidimensional desenvolvida por volta de 1960 depois da introdução do interruptor de Dean para controlar a direção do fluxo da corrente de gás usando mudança de pressão. A técnica só foi aceita para análises químicas quando foi desenvolvido o controle de pressão eletrônica nos anos 90, o que facilitou os intervalos de frações parciais. As frações obtidas em uma coluna foram desviadas para a segunda coluna, onde foi possível fazer a inspeção das frações selecionadas. A cromatografia gasosa multimensional emprega duas colunas independentes conectadas por uma interface, onde a amostra passa por uma sequência de diferentes processos de eluição. As fases móveis usadas são diferentes para cada eluição. As espécies que coeluem na primeira eluição são separadas na segunda.

A cromatografia bidimensional gasosa abrangente (GCxGC) foi sugerida por Martin em 1944, mas só foi descrita em 1991 por John B. Phillips e Zaiyou Liu. Eles modularam a injeção de frações consecutivas em uma coluna capilar convencional de GC em curtos e consecutivos períodos de tempo, em seguida realizaram uma análise rápida em uma segunda coluna mais curta e eficiente. A GCxGC permitiu a separação de grupos moleculares baseada na estrutura. Um aumento considerável na capacidade dos picos foi alcançado quando a mistura a ser analisada foi submetida a duas separações acopladas com dois diferentes mecanismos de separação. Espera-se que com o uso de GCxGC seja possível alcançar níveis máximos de separação de componentes e uma melhora na capacidade de pico da amostra, sem que o tempo de análise seja prolongado.

Importância Em uma análise de cromatografia gasosa convencional, algumas amostras apresentam significativa quantidade de compostos que não são separados facilmente, as quais contribuem para a sobreposição de picos. Apesar da utilização de diferentes parâmetros de separação e de programação das condições instrumentais, há possibilidade de separações com baixa eficiência. Um exemplo disso é a dificuldade de identificar e de quantificar os compostos presentes em amostras de biodiesel/diesel, ainda que a análise seja realizada por meio do monitoramento seletivo de íons em cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas.

Além do controle das condições instrumentais e dos parâmetros de separação em cromatográfica gasosa, normalmente, é utilizado técnicas de preparo de amostra, que têm como objetivo transformar a substância de interesse em um derivado com as características adequadas para ser analisada. No entanto, a etapa de preparo de amostra, tanto a extração em fase líquida quanto a sólida, pode ocasionar perdas relevantes de compostos e assim comprometer a análise. Outros aspectos a serem considerados são i) o consumo de maior parte do tempo da análise; ii) a fonte de erros, principalmente, na análise de traços; e iii) a produção de resíduos.

Neste contexto, a cromatografia gasosa bidimensional abrangente (GCxGC) se destaca como uma importante técnica de separação, uma vez que possui alta capacidade para separação dos constituintes de matrizes complexas, tais como, análise metabolômica, lipidômica, petroleômica, combustíveis, alimentos, óleos essenciais e análise forense.

Para tanto, a GCxGC utiliza duas colunas cromatográficas com forma e mecanismo de separação independente. A primeira coluna apresenta comprimento maior do que a segunda e um modulador entre elas. Diferentemente da cromatografia bidimensional (GC-GC), que realiza a seleção do corte do efluente “heartcut” da primeira coluna, a GCxGC utiliza frações do efluente da primeira coluna, em seguida, passa pelo processo de modulação e, por fim, transfere para uma rápida separação na coluna secundária.

Em um sistema GCxGC a primeira coluna normalmente é apolar e a segunda é polar. A ordem inversa também é possível. As colunas podem estar localizadas no mesmo forno ou em compartimentos diferentes, permitindo assim maior controle de temperatura. Para a análise de uma amostra complexa o conceito de capacidade de pico (nc) deve ser considerado e representa a quantidade de sinais que pode ser colocado em um cromatograma com certa resolução e um determinado intervalo de tempo.

A capacidade de pico teórico de um sistema corresponde a soma da capacidade de picos para cada coluna. Em um sistema GC-GC para cada heartcut a contribuição de cada análise é em relação ao nc e precisa ser levado em consideração conforme equação abaixo

Onde: ni representa a capacidade de pico de cada coluna; m representa o número de colunas utilizadas; nc representa a capacidade de pico médio.

Em um sistema GCxGC a capacidade de pico corresponde ao produto das colunas individuais, tornando-a assim uma importante técnica com alta capacidade de pico em relação a outros arranjos bidimensionais.

Normalmente um pico largo, separado na primeira dimensão, corresponde à soma de dois ou mais compostos que ao passar pelo processo de modulação, obtém-se um cromatograma com o sinal dos compostos correspondente a esse pico largo. O cromatograma obtido a partir de uma análise GCxGC apresenta diferença em relação a uma separação cromatográfica convencional e possibilita a identificação de mais compostos desconhecidos. O resultado final da análise corresponde a um grande número de cromatogramas obtidos na segunda dimensão que facilita a identificação de compostos pertencentes a certos grupos.

Modulação: o processo A modulação é uma das etapas fundamentais do sistema GCxGC pois é responsável pela coleta ou amostragem contínua de frações pequenas do eluato provenientes da coluna da primeira dimensão ou primária (1D), reconcentração ou focalização dessas frações em bandas estreitas e sua subsequente reinjeção na coluna da segunda dimensão ou secundária (2D). Assim, o modulador é um sistema de transferência de massa localizados entre as colunas em um sistema de GCxGC.

Os diferentes tipos de moduladores possuem vantagens e desvantagens distintas, mas possuem uma função em comum que é isolar e transferir o eluente da coluna 1D para a coluna 2D o mais rápido e eficiente possível. O desempenho dos moduladores pode ser avaliado por quatro parâmetros: período de modulação, taxa de transferência, largura do pulso de injeção e a capacidade de pico resultante proveniente da separação da coluna 2D.

O período de modulação (PM) definido como o tempo em que o modulador amostra o eluato da 1D e o conduz para a 2D, isto é, o tempo de execução da separação na coluna 2D, é de extrema importância por influenciar na qualidade do cromatograma. Outro ponto importante do PM é que a sequência de amostragem e reinjeção deve ser definida e repetida de forma precisa ao decorrer de toda a análise cromatográfica e, para minimizar a ocorrência de picos fora do ciclo é necessário que a separação na 2D tenha ocorrido antes da injeção da fração cromatográfica da coluna ¹D subsequente. Os PM típicos compreendem uma faixa de 1 – 10 s e esse período deve ser selecionado para complementar a largura de base (Wb) dos picos da coluna 1D.

A taxa de transferência (em inglês, duty cycle) é definida como a fração do analito transferido da coluna 1D para a coluna 2D. Um modulador que transfere completamente todo eluente da coluna primária para a coluna secundária possui uma taxa de transferência igual a 1,0. A taxa de transferência depende do design dos moduladores, dessa forma, todo o analito ou somente uma fração dele pode ser direcionada para a coluna 2D. Em casos em que a transferência do eluato é parcial a taxa de transferência é ≤ 0,5 e os moduladores são denominados como de baixa taxa de transferência.

Outro aspecto fundamental de GC×GC que pode ser destacado é que a reconcentração do efluente da ¹D, que ocorre durante a modulação, ocasiona um aumento significativo da sensibilidade. O processo de modulação faz com que as bandas cromatográficas em sistemas GC×GC sejam 10 a 50 vezes mais estreitas que em ¹D-GC, resultando em valores para a 2wb entre 50 ms a 500 ms, o que exige detectores com resposta rápida e pequenos volumes internos.

Os moduladores mais comuns e comercialmente disponíveis atualmente são: os moduladores térmicos e os moduladores de fluxo diferencial (em inglês, differential flow modulators).

Moduladores criogênicos Dentre os diversos tipos de moduladores existentes, os criogênicos se destacam como uma alternativa simples e robusta. O princípio de funcionamento de tais dispositivos se baseia na criação de armadilhas criogênicas de resfriamento que viabilizam a coleta e reconcentração de frações do analito da 1D.

Um dos moduladores criogênicos mais antigos é o sistema criogênico longitudinalmente modulado (LMCS, do inglês Longitudinally Modulating Cryogenic System), que opera através de resfriamento indireto. No entanto, moduladores baseados em jatos frios têm sido cada vez mais difundidos. Diferentemente da geração anterior de moduladores que utilizam de camisa de refrigeração, os de jato frio operam baseados no jateamento de gases comprimidos (dióxido de carbono ou nitrogênio).

O desenvolvimento e refino da técnica por parte dos criadores proporcionou ganho de robustez ao retirar dos moduladores tipo LMCS partes móveis e promover aumento de eficiência de resfriamento através do acoplamento de válvulas externas ao forno que operam alternadamente para promover o resfriamento de seções da 2D.

Ao longo das últimas décadas pesquisadores de todo o mundo têm se empenhado no desenvolvimento de novos moduladores criogênicos de jato. A barra de busca do Publons, por exemplo, retorna mais de 500.000 periódicos com os termos "new cryogenic modulator" (novo modulador criogênico, em português), o que faz uma lista extensiva de subclassificações. Segue alguns exemplos:

Duplo jato frio (dual jet)