dra. andréa pires fernandes preparo de amostras universidade federal da bahia grupo de pesquisa em...
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Dra. Andréa Pires Fernandes
Preparo de Amostras
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
GRUPO DE PESQUISA EM QUÍMICA ANALÍTICA INSTITUTO DE QUÍMICA
Missão da química analítica
Propor os meios para a Propor os meios para a
determinação da composição determinação da composição
química dos materiaisquímica dos materiais
A seqüência analítica
Definição do problema Escolha do método Amostragem Pré-tratamento da amostra Medida Calibração Avaliação Ação
- Qual a informação analíticainformação analítica necessária?
- AmostragemAmostragem: adequada?
- Qual método de análisemétodo de análise fornecerá a informação?
- PREPARO PREPARO: converter a amostra em forma adequada para análise.
- CalibraçãoCalibração: obtenção com padrões adequados.
- MediçãoMedição: obtenção de dados da amostra.
- AvaliaçãoAvaliação: resultado obtido é confiável?
SEQUÊNCIA ANALÍTICASEQUÊNCIA ANALÍTICA
Definição do problemaDeterminação de elementos em baixas concentrações em diferentes amostras
Avaliação dos teores de Avaliação dos teores de mercúrio em águas e mercúrio em águas e
sedimentossedimentos
Níveis típicos de Hg em amostras ambientais
Ar
Chuva
Oceano aberto
Água costeira
Sedimentos marinhos
Solos contaminados
1 - 4 ng m3
5 - 100 ng l-1
0,5 - 3 ng l-1
2 -15 ng l-1
< 100 ng g-1
50 -100 µg g-1
Rios e lagos 1 - 3 ng l-1
Sedimentos e solos < 700 ng g-1
A seqüência analítica
Definição do problemaDefinição do problema
Escolha do métodoEscolha do método
AmostragemAmostragem Pré-tratamento da amostraPré-tratamento da amostra MedidaMedida CalibraçãoCalibração AvaliaçãoAvaliação AçãoAção
Limites de detecção típicos para as principais técnicas espectroanalíticas
Figura adaptada de http://www.perkinelmer.com/
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
100 10 1 0,1 0,01 0,001
Limites de detecção (µg / L)
0,0001 1000
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
100 10 1 0,1 0,01 0,001
Limites de detecção (µg / L)
0,0001 1000
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
100 10 1 0,1 0,01 0,001
Limites de detecção (µg / L)
0,0001 1000
ESTRATÉGIAS ANALÍTICAS PARA A DETERMINAÇÃO DE METAIS E AMETAIS EM MAMÍFEROS AQUÁTICOS
AMOSTRAGEM
ESCOLHA DA TÉCNICA PRÉ-TRATAMENTO DETERMINAÇÃO
CONTROLE DE QUALIDADE - BRANCOS - REPLICATAS - MATERIAL DE REFERÊNCIA CERTIFICADO
TRATAMENTO/INTERPRETAÇÃO DOS DADOS
(Skoog et al., 2006; Krug,2006)
TRATAMENTOS PRELIMINARES
DECOMPOSIÇÃO DA AMOSTRA
ETAPAS DA ANÁLISE
AMOSTRAGEM
ESCOLHA DAS ESPÉCIES/TECIDOS
CONDIÇÃO DA CARCAÇA
MATERIAL UTILIZADO E LOCAL DE COLETA
ACONDICIONAMENTO DAS AMOSTRAS
PROFISSIONAL QUALIFICADO
(Geraci& Lounsburry,1993; O’Shea,1999)
“PROCESSO DE COLETAR UMA PEQUENA MASSA DE UM MATERIAL CUJA COMPOSIÇÃO REPRESENTE TODO O MATERIAL QUE ESTÁ SENDO AMOSTRADO”. (Skoog et al, 2006)
AMOSTRAGEM
ANIMAIS SELVAGENS
ENCALHES – CONDIÇÃO DA CARCAÇA
LOCAL DE COLETA INADEQUADO TRANSPORTE P/ LABORATÓRIO
DIFICULDADES
Pré-tratamento da amostra
É oportuno observar que, entre todas as
operações analíticas, a etapa de pré-
tratamento das amostras é a mais crítica. Em
geral, é nesta etapa que se cometem mais
erros e que se gasta mais tempo.
É também a etapa de maior custo.
Tempo gasto na análise química
Preparo da amostra
61%
Amostragem6%
Análise 6%
Tratamento dos dados
27%
http://www.sampleprep.duq.edu/dir/why_sp_2.htmlAdaptado de Ronald E. Major “An overview of sample preparation”, LC-GC,vol 9,
nº1, 1991.
A importância do preparo de amostras nos
métodos analíticos
Máxima60,6%
Nenhuma 1,6%
Mínima6,8%
Moderada31,0%
http://www.sampleprep.duq.edu/dir/why_sp_1.htmlAdaptado de Ronald E. Major “An overview of sample preparation”, LC-GC,vol 9,
nº1, 1991.
Preparo da Amostra
Os procedimentos de preparo de amostras dependem da natureza da amostra, dos analitos a serem determinados e sua concentração, do método de análise e da precisão e exatidão desejadas.
DECOPOSIÇÃO POR VIA SECA ???
DECOMPOSIÇÃO POR VIA ÚMIDA ???
DILUIÇÃO ???ANÁLISE DIRETA ???
EXTRAÇÃO ???
AMOSTRAAMOSTRA
REAGENTESREAGENTES
ENERGIAENERGIA
Rompimento das ligações/ Rompimento das ligações/ destruição da estrutura cristalinadestruição da estrutura cristalina
Reagentes complementaresReagentes complementaresReagentes complementaresReagentes complementares
SOLUÇÃO ANALITOSSOLUÇÃO ANALITOS
Prof. Dr. Celso Spinola- UFBa
Tratamentos Preliminares
Amostra
Lavagem
Secagem
Moagem
Peneiramento
Refrigeração
Agitação mecânica
Polimento
Procedimentos Físicos
Tratamentos Preliminares
Lavagem
Normalmente é utilizada para poucos materiais,
como partes de vegetais como raízes, folhas e
frutos.
Procedimento: solução detergente neutra (01-3%
v/v) + água desionizada
O procedimento deve ser rápido
Atenção!!! Pode haver perdas de elementos por lixiviação
Tratamentos Preliminares
Secagem
A secagem a peso constante é comum para amostras sólidas
que apresentam água em quantidade variável e em forma não
determinada.
Solos, rochas, minérios e sedimentos
Materiais biológicos
Minerais (aluminatos, silicatos)
105 ºC
60 – 65 ºC (estufa com circulação forçada de ar)
> 1000 ºC
Atenção!!! Vegetais secagem em sacos de papel ou algodão em estufa com circulação de ar por 48h ou até peso constante.
- ESTUFA COM CIRCULAÇÃO FORÇADA DE AR (60-65º C)
- MICROONDAS DOMÉSTICO
- LIOFILIZAÇÃO (remoção de água de uma amostra por sublimação a vácuo)
Tratamentos Preliminares
SecagemSecagem
Tratamentos Preliminares
Moagem Melhora a homogeneidade da amostra Ocorre basicamente pelo choque entre a amostra e o
material que compõe o moinho, logo é uma grande fonte de contaminação
Pode ser promovida por esmagamento entre duas superfícies, fricção contra uma superfície e alteração e fragilização da estrutura
Pode ser classificada como: grosseira, que é empregada como uma pré-moagem (5 mm); fina (63 μm) e extra-fina (< 63 μm)
Tratamentos Preliminares
Moagem extra-finaMoagem grosseira
LiquidificadorProcessadorMoinho de
facas
Moagem fina
Moinho de discoAlmofariz e
pistilo
Moinho de bolasMoinho vibracionalMoinho de jato de
arMoinho criogênico
Moinhos mecânicos perdas de elementos voláteis devido ao aquecimento da amostra
Tratamentos Preliminares
Moagem criogênica
AmostraCongelada em N2 (-196 ºC) ou acetona (-78 ºC) para aumentar a dureza e provocar falhas na estrutura
Facilita a cominuiçãoUtilizado para materiais com baixo ponto de fusão que possam obstruir outros equipamentos (ex: gorduras e graxas duras), partes de plantas resistentes e elásticas, substâncias sensíveis à oxidação (ex: vitamina A e carotenos), substâncias que podem perder seu aroma (ex: café e pimenta) e também hormônios, pinicilinas e semelhantes
Utilizado para materiais com baixo ponto de fusão que possam obstruir outros equipamentos (ex: gorduras e graxas duras), partes de plantas resistentes e elásticas, substâncias sensíveis à oxidação (ex: vitamina A e carotenos), substâncias que podem perder seu aroma (ex: café e pimenta) e também hormônios, pinicilinas e semelhantes
Precauções Precauções
Dureza
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Mineral
Talco
Gypsum
Calcita
Fluor-spar
Apatita
Feldspato
Quartzo
Topázio
Corundum
Diamante
Equipamentos desgastados propiciam maiores riscos
A resistência à abrasão do material do equipamento deve ser
sempre maior que o grau de dureza do material da amostra
Os minerais em geral apresentam alto grau de dureza
Tratamentos Preliminares
Separação de componentes de amostras sólidas Extração de espécies inorgânicas em amostras sólidas
inorgânicas (p.e. solos). Lixiviação de compostos de elementos metálicos solúveis
presentes em sólidos inorgânicos
Filtração Materiais em suspensão podem entupir irreversivelmente
nebulizadores pneumáticos utilizados em espectrometria atômica
Decomposição e solubilização de amostras
A grande maioria das técnicas analíticas usadas para determinação de elementos em amostras orgânicas e inorgânicas, requer que a amostra esteja na forma de uma solução aquosa.
As amostras na forma de soluções são mais versáteis que na forma de sólidos;
As curvas analíticas de calibração podem ser feitas com soluções-padrão de fácil preparação;
Diluições são simples;
Separações de constituintes com ou sem pré-concentração são possíveis.
Parâmetros para a escolha do método de decomposição:
Amostra propriamente dita
Elementos ou compostos a serem determinados
Faixas de concentração
Tipo, composição, e homogeneidade das amostras
analíticas
Quantidade de amostra disponível para análise
Quantidade de amostra necessária para as determinações
Requisitos especiais: local da análise, controle na
produção
Escolha do método de pré-tratamento depende de várias considerações:
Solução obtida deve ser compatível com o método de
determinação
Exigências metrológicas
Aspectos restritivos
• Calibrações exigidas (balança, temperatura, pipetas, balões volumétricos)• Homogeneidade = f(massa de amostra, analitos)• Repetibilidade e reprodutibilidade, acurácia, seletividade e limite de detecção
• Custo• Tempo disponível• Espaço físico• Competência do analista
Técnicas Convencionais
Via úmida
ácidos ou misturas de ácidos, agentes oxidantes
Via seca (Combustão – mineralização)
Incineração à pressão atmosférica Incineração à vácuo Fusão
PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS
VIA ÚMIDAVIA SECA
Decomposição e solubilização de sólidos inorgânicos
Abertura ou decomposição – significa converter a amostra em uma outra forma sólida com transformação química. A nova forma é facilmente solúvel em solução aquosa.Ex.: fusão de uma amostra de silicato insolúvel com Na2CO3 até a formação de um produto claro que se solidifica após esfriar, sendo prontamente dissolvido com solução de ácido nítrico diluído.
Dissolução ou solubilização – significa que a amostra sólida, líquida ou gasosa é dissolvida em líquidos adequados a baixas temperaturas. Pode ou não ocorrer uma reação química.
Dissolução x Abertura
Mineralização e Decomposição da Matéria Orgânica
Amostras orgânicas ou de natureza mista sofrem dois Amostras orgânicas ou de natureza mista sofrem dois
processos distintos de ataque, que muitas vezes acontecem processos distintos de ataque, que muitas vezes acontecem
simultaneamente: mineralização e dissolução.simultaneamente: mineralização e dissolução.
Mineralização Mineralização Destruição da mat. orgânica Destruição da mat. orgânica
DissoluçãoDissolução Dissolução da mat. inorgânica Dissolução da mat. inorgânica
Um procedimento IDEAL para dissolução de amostras deve ser:
Capaz de dissolver a amostra completamente, sem deixar nenhum resíduo.
Razoavelmente rápido para ser executado Os reagentes utilizados não deverão interferir na
determinação do analito e/ou na separação dos constituintes de interesse.
Os reagentes deverão estar disponíveis em alto grau de pureza para não contaminar as amostras.
As perdas por volatilização, por adsorção e/ou absorção ou por quaisquer outras razões deverão ser desprezíveis;
Tanto os reagentes como a amostra não deverão atacar o recipiente onde será feita a reação;
As contaminações devidas ao ambiente deverão ser desprezíveis;
O procedimento deve apresentar o mínimo de insalubridade e periculosidade;
A solução final deverá conter todos os analitos de interesse.
Decomposição e solubilização de amostras
Força do ácido; Ponto de ebulição; Poder oxidante do ácido e/ou de um de seus produtos
de decomposição; Poder complexante com respeito aos íons de
interesse; Solubilidade dos sais correspondentes; Grau de pureza e/ou facilidade de purificação; Aspectos relacionados à segurança durante a
manipulação.
Ácidos Minerais
PONTO DE EBULIÇÃO À PRESSÃO ATMOSFÉRICA
Ácido Concentração P.E. ( C)HCl 37% (m/v) 110HF 49% (m/v) 108
HNO3 70% (m/v) 120Água-régia (HCl:HNO3 3:1) v/v 112
H2SO4 98,3% (m/v) 338H3PO4 85% (m/v) 150
Os ácidos minerais mais comuns são: HCl, HNO3, H2SO4, HClO4 e HF
Decomposição e solubilização de amostras
Classificação dos ácidos na decomposição de amostras por via úmida
Não oxidantes
HCl HF H3PO4 H2SO4 diluído HClO4 diluído
Oxidantes
HNO3
HClO4 conc. a quente
H2SO4 conc. a quente
Decomposição e solubilização de amostras
Ácido nítrico - HNOÁcido nítrico - HNO33
É o ácido mais usado na decomposição da matéria orgânicaÉ o ácido mais usado na decomposição da matéria orgânica
ORG + HNO3 NOx + CO2 + H2O
Entra em ebulição à 120°C, o que facilita sua remoção após a Entra em ebulição à 120°C, o que facilita sua remoção após a oxidação, mas limita a sua eficáciaoxidação, mas limita a sua eficácia
Em sistemas abertos, não é oxidante suficientemente forte para Em sistemas abertos, não é oxidante suficientemente forte para mineralizar completamente o material orgânicomineralizar completamente o material orgânico
Decomposição e solubilização de amostras
Ácido sulfúrico – HÁcido sulfúrico – H22SOSO44
Possui elevado ponto de ebulição (máx. 339°C), o que aumenta a Possui elevado ponto de ebulição (máx. 339°C), o que aumenta a eficácia da decomposição, mas dificulta a sua remoção;eficácia da decomposição, mas dificulta a sua remoção;
Possui a desvantagem de formar compostos insolúveis com alguns Possui a desvantagem de formar compostos insolúveis com alguns metais: CaSOmetais: CaSO44 (pouco solúvel), (pouco solúvel), BaSOBaSO44, SrSO, SrSO4 4 e PbSOe PbSO44; ;
Sua viscosidade pode causar interferências em algumas técnicas de Sua viscosidade pode causar interferências em algumas técnicas de detecção (e.g. ICP, ETAAS)detecção (e.g. ICP, ETAAS)
Ácido clorídrico – HCl
Ponto de ebulição de 110°C
Caráter não oxidante
Dissolve sais de ácidos fracos (carbonatos, fosfatos); a maioria dos metais é solúvel com exceção de AgCl, Hg2Cl2 e TiCl
Cloretos voláteis: As(III), Sb(III), Ge(IV), Se (IV), Hg(II), Sn(IV)
Decomposição e solubilização de amostras
Ácido perclórico – HClOÁcido perclórico – HClO44
Utilizado com conhecimento e atenção, este reagente é extremamente Utilizado com conhecimento e atenção, este reagente é extremamente eficiente na destruição da matéria orgânica. eficiente na destruição da matéria orgânica.
Do ponto de vista técnico, a mistura HNODo ponto de vista técnico, a mistura HNO33 e HClO e HClO44 é a que possui é a que possui
menos desvantagens.menos desvantagens.
Mas devido a ocorrência de Mas devido a ocorrência de ocasionais explosõesocasionais explosões, é aconselhável , é aconselhável evitar o seu uso.evitar o seu uso.
Decomposição e solubilização de amostras
Algumas regras na manipulação:
Nunca use ácido mais concentrado que 72%;
Nunca deixe que o ácido concentrado a quente entre em contato direto com materiais facilmente oxidáveis;
Não utilize capelas de exaustão com superfícies expostas construídas com material orgânico não recomendado (p.e. madeira);
Não armazene o ácido com frascos contendo tampas de borracha;
Lave o papel de filtro com bastante água após seu uso com ácido perclórico;
Lave com água os locais onde o ácido possa ter entrado em contato.
Decomposição e solubilização de amostras
As misturas de ácidos são muito utilizadas porque:As misturas de ácidos são muito utilizadas porque:
Diferentes propriedades úteis podem ser combinadas (um ácido Diferentes propriedades úteis podem ser combinadas (um ácido com poder complexante com um ácido oxidante):com poder complexante com um ácido oxidante):
HF + HNOHF + HNO33, HF + HClO, HF + HClO44, HF + H, HF + H22SOSO44, HF + HNO, HF + HNO33 + HCl + HCl
Dois ácidos podem reagir formando produtos com maior reatividade Dois ácidos podem reagir formando produtos com maior reatividade que qualquer um deles empregado isoladamente:que qualquer um deles empregado isoladamente:
Água régia (HNOÁgua régia (HNO33:HCl, 1:3) :HCl, 1:3)
Uma propriedade indesejável em um ácido pode ser moderada pela Uma propriedade indesejável em um ácido pode ser moderada pela presença de um segundo ácido:presença de um segundo ácido:
HNOHNO33 + HClO + HClO44
A amostra pode ser dissolvida com um ácido, o qual é separado da mistura por um outro ácido que o substitui (HF + HClO4, HF + H2SO4).
Misturas de ácidos Misturas de ácidos mineraisminerais
Decomposição e solubilização de amostras
Utilizados para melhorar a eficiência da dissolução com um ou mais ácidos Utilizados para melhorar a eficiência da dissolução com um ou mais ácidos
minerais:minerais:
Agentes oxidantes:Agentes oxidantes:
HH22OO22, Br, Br22, KClO, KClO33 + HCl + HCl
Eletrólitos inertes – são adicionados para aumentar o ponto de Eletrólitos inertes – são adicionados para aumentar o ponto de
ebulição do ácido, resultando numa maior temperatura final para a ebulição do ácido, resultando numa maior temperatura final para a
dissolução (adição de Nadissolução (adição de Na22SOSO44, K, K22SOSO44 ou (NH ou (NH33))22SOSO44 ao H ao H22SOSO44). ).
Agentes complexantes – mantém os analitos em solução, evitando a Agentes complexantes – mantém os analitos em solução, evitando a
precipitação (ácido tartárico, cítrico e lático combinados com o HNOprecipitação (ácido tartárico, cítrico e lático combinados com o HNO33
para dissolver ligas).para dissolver ligas).
Catalisadores – aumentam a velocidade de dissolução com ácidos (Cu2+, Hg2+).
Misturas de ácidos com outros reagentesMisturas de ácidos com outros reagentes
Peróxido de hidrogênio – HPeróxido de hidrogênio – H22OO22
Misturas de ácidos com peróxido de hidrogênio são particularmente eficientes Misturas de ácidos com peróxido de hidrogênio são particularmente eficientes
na oxidação da matéria orgânica.na oxidação da matéria orgânica.
A água é o único produto de decomposição presente.A água é o único produto de decomposição presente.
É encontrado com alto grau de pureza.É encontrado com alto grau de pureza.
Combinado com o poder de desidratação do ácido sulfúrico, esse tipo de Combinado com o poder de desidratação do ácido sulfúrico, esse tipo de
reação rapidamente degrada a matéria orgânica a espécies menores, que reação rapidamente degrada a matéria orgânica a espécies menores, que
volatilizam facilmente. volatilizam facilmente.
Técnicas de Dissolução mais usadas
VIA ÚMIDA
Convencional
(sistema aberto/fechado)
Forno de microondas
(sistema focalizado/com cavidade)
VIA SECA
Decomposição por fusão
Cimento Aluminatos Silicatos Minérios de Ti e Zr Minérios mistos de Be, Si, Al Resíduos insolúveis de minério de ferro Óxidos de cromo, silício e ferro Óxido mistos de tungstênio, silício e alumínio
Utilizado para material inorgânico de difícil dissolução, como:
Decomposição por fusão
1. A amostra finamente moída é misturada intimamente com um eletrólito ácido ou básico
Fundentes: Na2CO3(p.f. 851ºC), NaOH (p.f. 318ºC), Na2O2, KHSO4, etc.)
2. A proporção entre a massa de amostra e do eletrólito (fundente) pode variar de 1:2 a 1:50
3. A mistura é geralmente colocada em um cadinho de níquel ou platina
4. O cadinho é aquecido por um período de tempo suficientemente adequado para que a amostra fique totalmente dissolvida na solução fundida, resultando em um líquido bem claro.
5. O material se solidifica quando resfriado a temperatura ambiente, sendo quebrado e transferido para um copo
6. Se a fusão for bem sucedida o material será facilmente solúvel em água ou ácido diluído.
Procedimento geral:
Decomposição por combustão (Dry ashing)
A temperatura conveniente para pirólise da matéria orgânica encontra-se freqüentemente entre 450-550ºC.
A calcinação em mufla baseia-se na queima da fração orgânica da amostra com o oxigênio do ar, obtendo-se um resíduo inorgânico solúvel em ácido diluído.
Procedimentos recomendados pela AOAC para determinação de minerais em alimentos..
Calcinação em mufla
Decomposição por combustão (Dry ashing)
Fornos tipo mufla
Decomposição por combustão (Dry ashing)
Possibilidade de tratar grande quantidade de amostra, sendo a relação massa de amostra/volume final muito flexível.
Vantagens:
A cinza resultante é livre de matéria orgânica o que é desejável para algumas técnicas analíticas.
As cinzas podem ser dissolvidas em meio compatível com o método de determinação, sendo necessário uma pequena quantidade de ácido.
Caracteriza-se pela simplicidade e baixo custo
Decomposição por combustão (Dry ashing)
Requer um longo tempo para calcinação (> 12 h).
Limitações:
Perdas da amostra como um aerossol sólido e/ou perda parcial ou total de vários elementos por volatilização (Hg, As, Se).
Podem existir perdas devido a retenção de elementos-traço nas paredes do recipiente, ou através de combinações com constituintes das cinzas.
Alto risco de contaminação.
Difícil dissolução de algumas cinzas.0 → nenhuma perda
+ → 2 a 5% de perda
++ → 6 a 20% de perda
+++ → >20% de perda
Procedimento analítico para amostras de plantas*
Pesar em cadinho de platina 1-3 g de amostra seca.Pesar em cadinho de platina 1-3 g de amostra seca.
Levar à mufla e elevar progressivamente a temperatura até atingir 450° C Levar à mufla e elevar progressivamente a temperatura até atingir 450° C
em 4 horas.em 4 horas.
Manter a essa temperatura por 16 horas.Manter a essa temperatura por 16 horas.
Após o resfriamento, adicionar 2 mL de água deionizada, 3 mL de HNOApós o resfriamento, adicionar 2 mL de água deionizada, 3 mL de HNO33
e 2 mL de HF.e 2 mL de HF.
Evaporar lentamente até a secura em banho de areia ou placa de Evaporar lentamente até a secura em banho de areia ou placa de
aquecimento.aquecimento.
Repetir duas vezes o último passo adicionando 2 mL de HNORepetir duas vezes o último passo adicionando 2 mL de HNO33 e 1 mL de e 1 mL de
HF.HF.
Dissolver o resíduo com 2 mL de HNODissolver o resíduo com 2 mL de HNO33, aguardar 15 min, adicionar 20 , aguardar 15 min, adicionar 20
mL deionizada e aquecer até suave ebuliçãomL deionizada e aquecer até suave ebulição
Após resfriamento, transferir para um balão volumétrico e aferir.Após resfriamento, transferir para um balão volumétrico e aferir.
* Método do Comité Inter-Instituts d’Etude des Techniques Analytiques* Método do Comité Inter-Instituts d’Etude des Techniques Analytiques
Aplicação
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: incineração em mulfla a 450ºC por 24h e digestão ácida em bloco.
1 – Determinação de Al, Ba, Ca, Co, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Ni, P e Zn em café cru
Morgano et al. Cienc. Tecnol. Aliment. 2002, 22(1), 19-23.
Na calcinação:
1 g de amostra de café cru moído
Dissolução das cinzas em HCl conc.
Na digestão (12h):
1 g de amostra de café cru moído + 10 mL HNO3 conc.
+ 3 mL H2O2 30% (v/v).
Resultados: o procedimento por via seca apresentou maior repetibilidade e exatidão.
Placa AquecedoraBanho Maria
Bloco DigestorChama (bico de Bunsen)
SISTEMA ABERTOSISTEMA ABERTO
Decomposição por via úmida (wet methods)
Decomposição por via úmida (wet methods)
Baseiam-se no aquecimento da amostra na presença de um ácido mineral oxidante geralmente concentrado.
A decomposição pode ser realizada à pressão atmosférica ou em recipiente fechado (bomba de decomposição PTFE clássica , microondas fechado).
Utilizam diferentes fontes de energia: térmica (placa de aquecimento, bloco digestor), ultra-sônica e radiante (infravermelho, ultravioleta e microondas)
Nos métodos modernos de decomposição por via úmida, várias combinações e proporções de ácidos fortes garantem tanto a mineralização quanto a dissolução da amostra.
Três deles contribuem especialmente para a destruição da matéria orgânica: HNO3, H2SO4, HClO4
Correntes convectivas
....
.
.
Aquecimento por conduçãoAquecimento por conduçãoAquecimento por conduçãoAquecimento por condução
Temperatura da superfície externa é superior ao P.E.
bombadigestor Kjeldahl
bloco
Aquecimento condutivoAquecimento condutivo
chapa
Decomposição por via úmida (wet methods)
Forno de microondas com cavidade
Forno de microondas focalizadas
Sistema assistido por microondasSistema assistido por microondas
Decomposição por via úmida (wet methods)
Decomposição por via úmida (materiais biológicos)
100 – 500 mgMoagem Digestão com 5-10 ml HNO3
Digestão a frio durante 12 h é recomendável
Requer digestão complementar com HClO4 (1-2 ml)
Digestões durante 3-12 h (depende da matriz)
Baixo custo de instrumentação
Alta freqüência analítica (40-100 amostras/digestão)
FilmeFilme
Decomposição por via úmida (mat. biológicos)
Requer combinações: HClO4, H2SO4, H2O2
Geração de resíduos (soluções ácidas) Vapores corrosivos de NO2 (capelas e tratamento
dos gases) Digestões podem demorar 5 dias (depende da
matriz) Há riscos de perdas por volatilização: Hg (como
elemento) As, B, Cr, Pb, Sn, Zn (como compostos
halogenados)
Notas sobre a decomposição de materiais biológicos com HNO3 e H2SO4 em sistemas abertos
A máxima temperatura do meio de decomposição é limitada pelo ponto de ebulição do azeótropo HNO3/água (ca 120°C).
H2SO4 pode ser usado para aumentar a temperatura da decomposição, mas há desvantagens:
É difícil purificar o ácido Interfere em muito métodos devido à alta viscosidade Forma sulfatos de baixa solubilidade com muitos
elementos (e.g. Cd, Pb, Sr, Ba), prejudicando a exatidão dos resultados
Alto consumo de ácidos, leva a altos valores de brancos.
As temperaturas atingidas são bem menores do que as As temperaturas atingidas são bem menores do que as necessárias na via seca, diminuindo, assim, perda por volatilização necessárias na via seca, diminuindo, assim, perda por volatilização são minimizadas.são minimizadas.
Perdas por retenção nas paredes dos recipientes são menos Perdas por retenção nas paredes dos recipientes são menos freqüentes.freqüentes.
As reações dos elementos traços com constituintes da amostra As reações dos elementos traços com constituintes da amostra são limitadas.são limitadas.
Decomposição por via úmida (wet methods)
Vantagens:
Pode ocorrer co-precipitação de alguns elementos com um Pode ocorrer co-precipitação de alguns elementos com um
elemento principal da matriz. Por exemplo, Ca precipitar com elemento principal da matriz. Por exemplo, Ca precipitar com
CaSOCaSO44, se for utilizado H, se for utilizado H22SOSO44..
A presença de cloretos pode levar a perda de alguns A presença de cloretos pode levar a perda de alguns
elementos por volatização (e.g. As)elementos por volatização (e.g. As)
A dissolução incompleta é um risco maior na via úmida devido A dissolução incompleta é um risco maior na via úmida devido
à escolha inadequada de reagentes ou um inapropriado à escolha inadequada de reagentes ou um inapropriado
programa de aquecimento (temperatura x tempo).programa de aquecimento (temperatura x tempo).
Decomposição por via úmida (wet methods)
Limitações:
1 - Use of Doehlert design for optimizing the digestion of beans for multi-element determination by inductively
coupled plasma optical emission spectrometry
Wagna Piler Carvalho dos Santos1,2, Diogenes Ribeiro Gramacho1, Alete Paixão Teixeira1, Antônio Celso Spínola
Costa1, Maria das Graças Andrade Korn1*
1 Núcleo de Excelência em Química Analítica (NQA-PRONEX), Grupo de Pesquisa em Química Analítica, Instituto de Química, Universidade Federal da Bahia, Campus de Ondina, 40170-290 Salvador, Bahia,
Brazil.2 Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia, Barbalho, 40.300-
010, Salvador-Bahia
Aplicação
Santos, W., Tese de Doutorado, 2007
1 - Determinação de elementos essenciais (Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Ni, P, Zn) e não-essenciais (Al, Ba, Cd, Pb) em leguminosas de grão
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: digestão ácida em chapa aquecedora por 20 minutos a 120 0C
Na digestão (20 min):
0,5 g de amostra de feijão moído + 7 mL HNO3 conc.
+ 1 mL H2O2 30% (v/v).
Resultados: o procedimento por via úmida apresentou boa repetibilidade e exatidão.
Decomposição por via úmida com sistemas fechados
Comparando-se com os sistemas abertos, tem-se as seguintes Comparando-se com os sistemas abertos, tem-se as seguintes
vantagens:vantagens:
Não há perda por volatilizaçãoNão há perda por volatilização
Menor tempo de reação (3 a 10 vezes)Menor tempo de reação (3 a 10 vezes)
Melhor decomposição devido a maior pressão e temperatura Melhor decomposição devido a maior pressão e temperatura
atingidas.atingidas.
O “branco” é reduzido devido a menor quantidade de reagentesO “branco” é reduzido devido a menor quantidade de reagentes
Nenhuma contaminação por fontes externas.Nenhuma contaminação por fontes externas.
Decomposição por via úmida com sistemas fechados
Pode ser realizada utilizando-se:Pode ser realizada utilizando-se:
Bomba de decomposição PTFE clássicaBomba de decomposição PTFE clássica
Microondas com recipiente Teflon, PFA ou TFM à baixa Microondas com recipiente Teflon, PFA ou TFM à baixa
pressão (até 1,5 MPa)pressão (até 1,5 MPa)
Sistema a alta pressão (até 15 MPa) com recipiente de TFM, Sistema a alta pressão (até 15 MPa) com recipiente de TFM,
PFA ou quartzo.PFA ou quartzo.
Decomposição por via úmida com sistemas fechados
Bomba de decomposição PTFE clássicaBomba de decomposição PTFE clássica
Aquecidas em estufaAquecidas em estufa
ou mufla até ou mufla até 200°C200°C
Pressão: Pressão: 0,1 a 30 MPa0,1 a 30 MPa
Amostra: Amostra: 0,1 a 5 g0,1 a 5 g
Bomba de decomposição PTFEBomba de decomposição PTFE
Volumes disponíveis: 23 ml, 45 ml e 125 ml
Avaliação da contaminação ambiental por metais em lagostas (Spiny lobster) no litoral
norte do Estado da Bahia
Aplicação
Adriana Oliveira, Alete Paixão, Gabriel Luiz dos Santos,
Joilma Menezes, João David Neto, Ludmila Manhaes, Maria Andréa
da Silva, Sidney Santana, Suzana Más Rosa,Vitória Soares.
Objetivo
Avaliar os impactos ambientais das atividades industriais no litoral norte do estado da Bahia, através da determinação de metais em amostras de sedimento e lagostas da espécie (Spiny lobster) coletados em estações próximas a emissários localizados na área de estudo.
Objetivos Específicos
Identificar e quantificar metais (Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Se, Sr, V e Zn) em amostras de sedimento, músculo e vísceras de lagostas.
Obter dados preliminares sobre a contaminação por poluentes químicos na região utilizando sedimento como indicador ambiental e lagostas da espécie (Spiny lobster) como bioindicador.
Avaliação da contaminação ambiental por metais em lagostas (Spiny lobster) no litoral norte do Estado da
Bahia
EFLUENTES LANÇADOS ATRAVÉS DE EMISSÁRIOS
+
FALTA DE MONITORAMENTO
LAGOSTAS + SEDIMENTO: INDICADORES
JUSTIFICATIVAS
VÍSCERAS
MÚSCULO
PRÉ-TRATAMENTO
LAVAGEM
SEPARAÇÃO DE VISCERAS
MOAGEMPENEIRAMENTO
PRÉ-TRATAMENTO
DIGESTÃO DE AMOSTRAS
0.20g de AMOSTRA +2 mL HNO3 +2mL ÀGUA MILLIQ
14 HORAS
120º C
DETERMINAÇÃO DE METAIS
ICP OES
* Tempo de liofilização variável até completa sublimação
LiofilizaçãoLiofilização**
moagemmoagem
Peneira (300 Peneira (300 µm)µm)
DESCRIÇÃO RESUMIDA DAS ETAPAS DAS ANÁLISES
CONCLUSÕES
- GRANDE VARIABILIDADE ENTRE METAIS EM CADA ESTAÇÃO
- AMOSTRAGEM INADEQUADA DE VÍSCERAS
- FALTA DE LIMITES ESTABELECIDOS PARA OUTROS ELEMENTOS IMPORTANTES NA LEGISLAÇÃO
- NECESSIDADE DE ESTUDOS LEVANDO EM CONSIDERAÇÃO TODA O ECOSSISTEMA DA REGIÃO
Emprego de bombas de digestão
2 ml HNO3 conc+
H2O2
Temperatura: ?
250 mg de amostra
+
Emprego de bombas de digestão
Emprego de bombas de digestão
Emprego de bombas de digestão
Decomposição por via úmida com Microondas
UltravioletUltraviolet InfraredInfrared MicrowaveMicrowave
Vis
ible
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1
3x1012 3x1010 3x108 3x106 3x104 3x102
Frequency (MHz)Frequency (MHz)
Laser RadiationLaser Radiation
Wavelength (m)Wavelength (m)
Molecular rotations
Molecularvibrations
Outer-shell (valence)eletrons
Inner-shell eletrons
Espectro Electromagnético
Principais componentes de
um forno de microondas
• Magnetron: gerador de microondas
• Guia de ondas: canal metálico, paredes refletoras, levam as microondas até a cavidade
• Cavidade: espaço interno do forno onde são colocadas as amostras (paredes feitas de material refletores de MW)
• Prato giratório: assegurar homogeneidade do aquecimento
• Espalhador de microondas: distribuir uniformemente a radiação que sai do guia de ondas
• Sistema de ventilação
Interação Radiação Microondas e MatériaInteração Radiação Microondas e MatériaInteração Radiação Microondas e MatériaInteração Radiação Microondas e Matéria
Materiais transparentes à energiaMateriais transparentes à energiamicroondas - não são aquecidos.microondas - não são aquecidos.
CondutorCondutor
IsolanteIsolante
DielétricoDielétrico
Metais refletem energia microondasMetais refletem energia microondase não aquecem.e não aquecem.
ReflexãoReflexão
TransparênciaTransparência
Materiais absorvem energia Materiais absorvem energia microondas - aquecimento.microondas - aquecimento.
AbsorçãoAbsorção.... . .
Aquecimento assistido por radiação microondasAquecimento assistido por radiação microondas
Reprinted with premission from Neas, E.; Collins, M. in “Introduction to Microwave Sample Reprinted with premission from Neas, E.; Collins, M. in “Introduction to Microwave Sample Preparation:Theory and Practice,” copyright 1988 by The American Chemical Society. Preparation:Theory and Practice,” copyright 1988 by The American Chemical Society.
Sample-acid mixture (absorbs microwave
energy)
Localized superheating
Vessel wall (transparent to
microwave energy)
Microwave heating
Líquidos (ácidos e solventes) são rapidamente aquecidos quando expostos à radiação microondas. Absorção ocorre principalmente por dois mecanismos:
- ROTAÇÃO DE DIPOLOS- CONDUÇÃO IÔNICA
Como materiais são aquecidos?
Rotação de dipolos
Depende da presença de moléculas polares.
Normalmente, moléculas polares estão orientadas ao acaso; contudo, em presença de um campo eletromagnético as moléculas são alinhadas.
Quando o campo oscila e a polaridade do campo eletromagnético varia em uma velocidade estabelecida pela freqüência, as moléculas tentam seguir a mudança do campo, causando atrito e, conseqüentemente, aquecendo o material.
Aquecimento Assistido por Radiação Aquecimento Assistido por Radiação MicroondasMicroondas
Aquecimento Assistido por Radiação Aquecimento Assistido por Radiação MicroondasMicroondas
Liner, sleeve and frame transparent to MW
energy Sample-acid mixture Sample-acid mixture absorbs MW energyabsorbs MW energy
Vapor is not heatedVapor is not heated by microwaveby microwave
Localized superheatingMicrowave-assistedheating
Aspectos Positivos da Tecnologia Microondas
Aquecimento volumétrico: energia rapida/e transferida para o material sendo aquecido.
Economia de energia: perdas de calor por irradiação, condução e convecção são reduzidas (até 70%).
Tamanho de equipamento reduzido em até 20%. Controle instantâneo do processo: início e parada
rápidas.
Aspectos Positivos da Tecnologia Microondas
Transferência de energia limpa: usualmente via algum efeito de polarização no próprio material.
Temperaturas elevadas. Controle de reações químicas: aceleração de
processos químicos e reações sem solventes.
Aspectos Negativos da Tecnologia Microondas
Complexidade da área: difícil previsão da natureza
exata da interação entre o campo eletromagnético e
a matéria.
Uniformidade de temperatura: profundidade de
penetração da radiação.
Medida de temperatura: a natureza pontual da
maior parte dos procedimentos de medida de
temperatura e a não uniformidade do aquecimento
pode gerar dados incorretos.
Aspectos Negativos da Tecnologia Microondas
Custo de implementação: geral/e maior do que
estratégias convencionais de aquecimento.
Tamanho do magnetron e ciclo de trabalho.
R & D: Novas aplicações geral/e exigem
desenvolvimento e compreensão do comportamento
da amostra. Isso implica que implementação
imediata é inviável.
Decomposição por via úmida com Microondas
Microondas não focalizadoMicroondas não focalizado
Frascos Fechados – Por-que?
Análise de Traços Eliminação do uso de ácido sulfúrico Digestão usando somente ácido nítrico Menor consumo de reagentes Menores brancos analíticos
Menor custo de reagentes com alta pureza Evita perdas de analitos que podem gerar compostos
alta/e voláteis Proteção do ambiente (vapores ácidos; menor
volume de resíduos ácidos)
Controle direto de temperatura
Monitoramento e controle direto para um frasco de referência até 300°C com termopar ou fibra óptica
Temperatura é medida 20 vezes por segundo
Sensor inserido em tubo cerâmico inerte
Controle de temperatura em todos frascos (contact-less)
Sensor focalizado de IR
Controle seqüencial de temperatura em todos frascos
Perfil de variação de temperatura para cada frasco
Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Cavidade
Possibilidade de atingir temperatura de trabalho > que P.E. dos reagentes (Pinterna) o que implica em
processos de digestão mais rápidos e maior poder oxidante.
Digestão simultânea de um grande número de amostras (6-50).
Menor possibilidade de perdas e contaminação (frascos fechados).
Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Cavidade
Menor consumo de reagentes, resultando em menores brancos analíticos e digeridos menos concentrados em ácidos.
Menor geração de resíduos. Química limpa: redução de vapores desprendidos
para o ambiente. Controle da distribuição da radiação microondas
durante o processo de digestão aperfeiçoa a repetibilidade.
Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Cavidade
Possibidade de usar reagentes com alta
pureza, e.g. HNO3 e H2O2, sem perda de
eficiência devido aos baixos P.E..
Possibilidade de trabalhar com soluções
diluídas de ácido nítrico.
Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Cavidade
Segurança: pressão. Segurança: riscos de explosão devido à geração de
H2 durante a digestão de ligas e metais.
Limitada massa de amostra. Limitações de temperatura e pressão devidos aos
materiais dos frascos. Segurança: necessidade de trabalhar com amostras
similares na maioria dos programas de aquecimento, i.e. amostras com teores similares de água e compostos orgânicos.
Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Cavidade
Limitações práticas para adicionar reagentes durante a digestão.
Necessidade de aguardar um longo tempo para abertura dos frascos após a digestão.
Baixa reprodutibilidade ao empregar diferentes equipamentos ou frascos – mesmo para equipamentos e frascos produzidos por um mesmo fabricante, mas de diferentes lotes.
Decomposição por via úmida com Microondas
Microondas focalizadoMicroondas focalizado
Forno de Microondas com Radiação Focalizada
Adequado para massas de amostra elevadas
Adição automática de reagentes (ou amostras)
Pressão atmosférica (segurança) Temperaturas elevadas (uso de ácido
sulfúrico) Múltiplos procedimentos simultâneos
Forno de Microondas com Radiação Focalizada:
Aplicações Típicas
Massas de amostra elevadas (> 1 g) Amostras orgânicas – geração de gases Requer múltiplas adições de reagentes Requer variações de temperatura Requer ácido sulfúrico para atingir altas
temperaturas Procedimentos de extração sob baixas
temperaturas
Aplicação
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: digestão com HNO3 conc. e H2O2 30% (v/v)
5 – Determinação de nutrientes minerais e elementos tóxicos em cafés solúveis
Santos e Oliveira. Food Compos. Anal. 2001, 14, 523-531.
1 g de amostra de café
6 ml de NHO3 a 65% (v/v)
0,5 mL de H2O2 a 30 % (v/v)
Número de amostras = 21
Resultados: Recuperações quantitativas (84-102%) foram obtidas para Na, K, Mg, Al, P, S, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb, Pb, Cr e Sn.
Somente uma amostra com 0,520,02 mg/kg de Cr estava acima do limite estabelecido pela Legislação Brasileira para alimentos.
Aplicação
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: extração aquosa e digestão em forno de microondas fechado.
6 – Determinação de Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Pb, S, Se, Si, Sn e Zn em cafés brasileiros com o objetivo de caracterização quanto a região geográfica e modo de produção.
Fernandes et al. Spectrochim. Acta Part B. 2005, 60, 717-724.
Extração: 1,0 g de amostra + 10 mL de água fervente, centrifugar e acidificar o sobrenadante com HNO3 (0,014 mol L-1).
Digestão: 0,25 g de café + 3 mL de HNO3 conc. +
1 mL de H2O2, em MW ( 700 W/15min).
Resultados: Foi possível correlacionar a concentração dos elementos com o modo de produção (orgânico ou convencional).
Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada
Digestão de massas elevadas de amostra (até 10 g) – especial/e para amostras com alto teor de compostos orgânicos que geram elevados volumes de gases.
Adição programada de reagentes. Segurança – pressão ambiente. Não há uma longa etapa de resfriamento e redução
de pressão após a digestão.
Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada
Uso de frascos construídos com diferentes materiais (PTFE, vidro borossilicato e quartzo).
Possibilidade de implementar diferentes programas de aquecimento para diferentes amostras em cada frasco de digestão.
Variedade de aplicações: extração de orgânicos, extração para especiação química, digestão ácida ou alcalina para determinação de teores totais.
Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada
Trabalho sob elevadas temperaturas utilizando-se ácido sulfúrico.
Remoção de vapores (para sistemas operando à pressão atmosférica) – aumento do rendimento reacional (Princípio de Le Chatelier)
Segurança para processos reacionais sob baixa pressão.
Possibilidade de combinação com outras fontes de energia (e.g. ultrassom) para acelerar o processo de digestão.
Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada
Elevada acidez dos digeridos – pode dificultar a determinação de elementos por técnicas que envolvem a introdução de amostra por nebulização pneumática (requer elevada diluição).
Elevados volumes de reagentes podem gerar brancos analíticos altos e grande produção de resíduos.
Heterogeneidade de distribuição da radiação microondas: implica em diferentes condições em cada frasco reacional, o que afeta a eficiência de digestão (baixa repetibilidade).
Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada
Uso de ácido sulfúrico (máximo P.E.) para aumento de temperatura em sistemas operando à pressão ambiente: a elevada viscosidade do ácido sulfúrico pode interferir no transporte de amostra e determinações dos analitos por técnicas como ICP OES e ICP-MS. Além disso, sulfatos insolúveis podem ser formados.
Limitada freqüência analítica: 1 a 6 amostras, enquanto que no forno de microondas com cavidade pode-se processar até 80 amostras simultanea/e.
Conclusões
• O melhor procedimento para decomposição é O melhor procedimento para decomposição é aquele que resulte em alta porcentagem de aquele que resulte em alta porcentagem de recuperação, requer reduzido volume de recuperação, requer reduzido volume de reagentes, menor tempo de análise e pequeno reagentes, menor tempo de análise e pequeno potencial de contaminação potencial de contaminação
• O método de combustão, para a maioria dos O método de combustão, para a maioria dos metais, fornece resultados exatos; mas requer um metais, fornece resultados exatos; mas requer um tempo maior do que o necessário para análises tempo maior do que o necessário para análises por via úmida, especialmente aquelas utilizando por via úmida, especialmente aquelas utilizando sistema fechado ou microondassistema fechado ou microondas
Conclusões
• Para alguns elementos a extração ácida, sem Para alguns elementos a extração ácida, sem dissolução completa da amostra, é suficiente para dissolução completa da amostra, é suficiente para uma determinação quantitativauma determinação quantitativa
• O método de digestão utilizando microondas tem O método de digestão utilizando microondas tem se mostrado bastante promissor, obtendo-se alta se mostrado bastante promissor, obtendo-se alta recuperação, um tempo de digestão bastante curto recuperação, um tempo de digestão bastante curto e baixa contaminaçãoe baixa contaminação
OBRIGADA!!!!