análise instrumental aula1 introducao

Prof. Rodrigo

2015

INTRODUÇÃO AOS MÉTODOSINTRODUÇÃO AOS MÉTODOSINSTRUMENTAIS DE ANÁLISEINSTRUMENTAIS DE ANÁLISE

A Química Analítica trata de métodos para a A Química Analítica trata de métodos para a

determinação da composição química das determinação da composição química das

amostras.amostras.

Identidade das espécies atômicas ou moleculares ou dos grupos

funcionais presentes em uma amostra

Informações numéricas relativas a um ou mais

componentes de uma amostra

Análise Química = Química Analítica⊂

Métodos Qualitativos e Quantitativos

““A análise química é umA análise química é um

conjunto de técnicas e manipulações destinadas a conjunto de técnicas e manipulações destinadas a

proporcionar o conhecimento da composiçãoproporcionar o conhecimento da composição

qualitativa e quantitativa de uma amostra, qualitativa e quantitativa de uma amostra,

mediante métodos de rotina. A química analítica émediante métodos de rotina. A química analítica é

um ramo da química, é um ramo da ciência que um ramo da química, é um ramo da ciência que

persegue o objetivo de resolver os problemas de persegue o objetivo de resolver os problemas de

composiçãocomposição

com operações de rotina”.com operações de rotina”.

Química AnalíticaQuímica Analítica

Estágios de uma análise quantitativaEstágios de uma análise quantitativaEtapas Exemplos de procedimentos

1. Amostragem Depende do tamanho e da natureza física da amostra

2. Preparação de uma amostra analítica

Redução do tamanho das partículas, mistura para homogeneização, secagem, determinação do peso ou do volume da amostra

3. Dissolução da amostra Aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente, diluição

4. Remoção de interferentes Filtração, extração com solventes, separação cromatográfica

5. Medidas na amostra Padronização, calibração

6. Resultados Cálculo dos resultados analíticos

7. Apresentação dos resultados Impressão e arquivamento

AMOSTRAGEMAMOSTRAGEM

Análise de Alumínio em Água do Mar

Análise de Sódio e Cálcio em Solo

Métodos CLÁSSICOS Métodos CLÁSSICOS versusversus INSTRUMENTAIS INSTRUMENTAIS Designação histórica, pois os dois métodos têm uma diferença temporal pouco maior que um século.

Método Clássico:• Baseiam-se na separação dos ANALITOS por: PRECIPITAÇÃO, EXTRAÇÃO OU DESTILAÇÃO

•Análise Qualitativa: reações específicas gerando produtos caracterizados por cor, ponto de fusão ou ebulição, solubilidade, etc.

•Análise Quantitativa: medidas titulométricas (volumétricos) ou gravimétricas.

Métodos CLÁSSICOS Métodos CLÁSSICOS versusversus INSTRUMENTAIS INSTRUMENTAIS

Método Instrumental – Início do século XX: • Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade, Potencial de eletrodo, Emissão ou absorção de luz, etc.• Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos clássicos (precipitação, extração e destilação).

Muitos dos fenômenos por trás de métodos instrumentais são conhecidos há um século ou mais. A aplicação de tais fenômenos, contudo, foi adiada pela falta de instrumentação simples e confiável.

O crescimento dos métodos instrumentais de O crescimento dos métodos instrumentais de análise modernos tem ocorrido paralelamente análise modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de computadorese de computadores.

O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?

São métodos realizados em instrumentosSão métodos realizados em instrumentos.- Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos!

Instrumentos simples....

O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?

São métodos realizados em instrumentosSão métodos realizados em instrumentos.- Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos!

Ou complexos ....

Métodos INSTRUMENTAISMétodos INSTRUMENTAIS

Cada tipo de instrumento tem uma aplicação:Cada tipo de instrumento tem uma aplicação:- Distinta e limitada e ...- Possui vantagens e desvantagens.

• Medidas de pH em soluções aquosas (não aquosas em alguns casos). Fornece informações a respeito da concentração de íons H3O+.

• Baixo custo inicial e manutenção barata. Fácil de usar.

• Caracterização de sólidos cristalinos. Fornece informações sobre a estrutura cristalina.

• Custo inicial elevado e manutenção relativamente cara.

Métodos INSTRUMENTAISMétodos INSTRUMENTAIS

Um grande objetivo da química Um grande objetivo da química analítica moderna é o desenvolvimento analítica moderna é o desenvolvimento de instrumentos e metodologias com a de instrumentos e metodologias com a

consciência “verde”. consciência “verde”.

Métodos com consumo mínimo de Métodos com consumo mínimo de amostra, de reagentes, de etapas e, de amostra, de reagentes, de etapas e, de preferência, análises com a amostra preferência, análises com a amostra in in

natura,natura, reduzindo ao máximo a reduzindo ao máximo a quantidade de rejeitos.quantidade de rejeitos.

Classificação dos métodos analíticos

CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS

Chamados de métodos de via úmida

Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos)

Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as técnicas clássicas, mas outras não o são!que as técnicas clássicas, mas outras não o são!

Gravimetria Volumetria Eletroanalítico

Espectrométrico

Cromatográfico

Propriedades Propriedades elétricaselétricas

Propriedades Propriedades ópticasópticas

Propriedades Propriedades diversasdiversas

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PELOS MÉTODOS INSTRUMENTAISPELOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS

Propriedade característica Método instrumentalEmissão de radiação Espectroscopia de emissão atômica e

molecular (RX, UV, Vis, luminescência)

Absorção de radiação Espectroscopia de absorção atômica e molecular (UV, Vis, IV, RX)

Espalhamento de radiação Turbidimetria e nefelometria

Difração de radiação RX e elétrons

Potencial elétrico Potenciometria; cronopotenciometria

Resistência elétrica Condutimetria

Corrente elétrica Amperometria; voltametria; polarografia

Massa Gravimetria (microbalança de cristal de quartzo)

Relação massa/carga Espectrometria de massas (CG-EM e CL-EMCG-EM e CL-EM)

Características térmicas TGA, DSC, DTA

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISEINSTRUMENTOS PARA ANÁLISE

O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada.É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta.

Fonte deEnergia

Sistema emEstudo

InformaçãoAnalítica

Estímulo Resposta

Estímulo Resposta

Espectrofotômetro UV/Visível

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTESINSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTES

FUNÇÃO DO INSTRUMENTOFUNÇÃO DO INSTRUMENTO

Traduzir a composição química em uma informação

diretamente observável pelo operador.

Os instrumentos transformam um sinal analítico

que usualmente não é diretamente detectável ou

entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser

medido.

O instrumento atua direta ou indiretamente como

um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a

amostra desconhecida em relação a um padrão.

FUNÇÃO DO ANALISTAFUNÇÃO DO ANALISTA

Ter conhecimento do que está realmente

medindo!

Seleção de um método analíticoSeleção de um método analíticoConhecer os detalhes práticos das diversas

técnicas e seus princípios teóricos.Definir claramente a natureza do problema

analítico, respondendo às questões:

•Que exatidão é necessária?

•Qual é a quantidade de amostra disponível?

•Qual é o intervalo de concentração do analito?

•Que componentes da amostra causarão interferência?

•Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra?

•Quantas amostras serão analisadas?

•Qual o tempo requerido para a análise?

Qualquer que seja o método Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será instrumental, o sinal analítico será

sempre uma função da concentração sempre uma função da concentração do analito (atividade).do analito (atividade).

S = f(C)S = f(C)

Vtitulante

Sin

al a

nalí

tico

Curva de titulação potenciométrica



S = f(C)S = f(C)

Vtitulante

Sin

al a

nalí

tico

Curva de titulação condutométrica ou

espectrométrica



S = f(C)S = f(C)

[Analito]

Sin

al a

nalí

tico

SA = mCA + Sbr

Curva Analítica

• Portanto teremos:

Métodos de AnáliseMétodos de Análise

1. Métodos 1. Métodos ConvencionaisConvencionais

2. Métodos 2. Métodos InstrumentaisInstrumentais

Nenhum Nenhum equipamento equipamento sofisticadosofisticado

Equipamentos Equipamentos sofisticadossofisticados

Métodos de AnáliseMétodos de Análise1. Convencionais ou Clássicos:1. Convencionais ou Clássicos:•Alto custo de equipamentos eletrônicos;•Não existe equipamento disponível para determinadas análises;•Requer-se um método convencional (sob aspecto legal, por se tratar de um método oficial);•Existem casos raros, onde métodos convencionais podem apresentar resultados melhores do que os instrumentais.

2. Instrumentais: 2. Instrumentais: •Os mais utilizados atualmente;•Utilizados em alternativa aos convencionais, sempre que possível.

Métodos de Análise Métodos de Análise Convencionais ou Clássicos:Convencionais ou Clássicos:

Métodos gravimétricosMétodos gravimétricos• precipitação , volatilização e eletrodeposição• avaliar a presença e quantidade do elemento a partir do peso do produto de uma reação

Métodos volumétricosMétodos volumétricos• neutralização e oxi-redução•Medi a capacidade de reação do constituinte desejado, com uma solução reagente adequada e rigorosamente conhecida (solução padrão)

Métodos de Análise Métodos de Análise InstrumentaisInstrumentais

Métodos ópticosMétodos ópticos

• Interação entre a matéria e energia em forma de luz

• Métodos Espectrométricos• Classificação por Regiões do espectro eletromagnético:

• Inclui Espectroscopia Acústica, de massas e de elétrons


Métodos Espectroquímicos

• Espectroscopia Atômica : ICP OES, ICP-MS, FAAS, EAAS, GFAAS

• Espectrofotometria, Turbidimetria


Métodos de Análise InstrumentaisMétodos de Análise Instrumentais

Métodos eletroquímicosMétodos eletroquímicos

• Condutividade elétrica dos componentes após ou durante uma reação química

Métodos Eletroanalíticos:Potenciometria, Voltametria, Amperometria,

Condutimetria

Vantagens:• Determinação de espécies diferentes• Barato• Informam a atividade, em vez de concentrações

químicas.

Métodos eletroquímicosMétodos eletroquímicos

Métodos cromatográficosMétodos cromatográficos

• Separação seletiva entre uma fase estacionária e uma fase móvel • Compostos dissolvidos por uma determinada substância (que pode ser sólida, líquida ou gasosa)• Cromatografia em papel, de placa, gasosa e líquida

Métodos de Análise Métodos de Análise InstrumentaisInstrumentais

• Separação de componentes de uma amostra

• Possui alto grau de resolução, exatidão e precisão

• Classificação:

LC (cromatografia líquida)

CG (cromatografia gasosa)

SFC (cromatografia de fluídos supercríticos)



• Técnicas hifenadas

Ex: CG-MS (cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa)

HPLC-ICP OES (HPLC-Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry)

HPLC-ICP-MS (HPLC-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)

1. Quantidade de amostra disponível:1. Quantidade de amostra disponível:Classificação para os métodos analíticos de acordo com o tamanho da amostra:

Classificação Tamanho da amostra Tipo de métodos

Macro ≥ 0,1 g ConvencionaisConvencionaisMeso (Semimicro) 10 – 100 mg

InstrumentaisInstrumentais

Micro 1,0 – 10 mg

Submicro 0,1 – 1 mg

Ultramicro ≤ 0,1 mg

Traços 100 a 10000 μm (ppm)

Microtraços 10-7 – 10-4 μm

Nanotraços 10-10 – 10-7 μm

2. Quantidade do componente analisado:2. Quantidade do componente analisado:Classificação dos componentes em relação ao peso total da amostra:

• Maiores: >1% • Menores: 0,01 – 1%

• Micro: <0,01%• Traços: (ppm e ppb)

Métodos Convencionais

gravimetria e volumetria

Métodos Instrumentais

equipamentos (pHmetro, espectrofotômetro, HPLC, GC, NIRs...)

3. Exatidão requerida: 3. Exatidão requerida: Métodos clássicos: exatidão de até 99,9% 99,9% quando o

analito encontra-se em mais de 10% na amostra. Em quantidades <10% a exatidão cai

significativamente, necessitando de Métodos mais exatos e sofisticados.

4. Composição química da amostra:4. Composição química da amostra: presença de interferentes.

• Determinação de um componente predominante não oferece grandes dificuldades.

• Material de composição complexa necessidade de efetuar a separação dos interferentes potenciais antes da medida.

5. Recursos disponíveis:5. Recursos disponíveis: nem sempre é possível utilizar o melhor método: $ Custo ReagenteEquipamento Pessoal especializadoTempo

6. Número de amostras a analisar:6. Número de amostras a analisar:Muitas amostras – Muitas amostras – pode-se escolher métodos que requerem operações

mais demoradas e trabalhosas, como a calibração de equipamentos, montagem de aparelhos e a preparação de reagentes, pois o custo destas operações se distribui sobre o grande número de amostras a analisar;

Poucas amostras – Poucas amostras – são preferíveis os métodos analíticos que permitem reduzir ao mínimo os preparativos preliminares e o custo da análise, ainda que o mesmo seja mais trabalhoso.

Confiabilidade dos Resultados Confiabilidade dos Resultados e Tratamento Estatístico : e Tratamento Estatístico :

Antes de optar por um determinado método analítico deve-

se considerar vários fatores. Entre estes a confiabilidade dos

resultados que irá depender de vários fatores, como:

– Especificidade;

– Exatidão;

– Precisão;

– Sensibilidade.

EspecificidadeEspecificidade• Capacidade do método analítico em medir o composto de

interesse, independente da presença de substâncias interferentes.

• O interferente não será computado com o composto de interesse,

ou ele poderá ser descontado


Exatidão Exatidão • Mede quão próximo o resultado de um dado método analítico se

encontra do real.

• Determinação da exatidão: - Porcentagem de recuperação do composto de interesse que foi adicionado a amostra numa quantidade previamente conhecida

- Comparar os resultados com aqueles obtidos por outros métodos analíticos já definidos como exatos


Precisão Precisão • Determinada pela variação entre vários resultados obtidos na Determinada pela variação entre vários resultados obtidos na

medida de um determinado componente da mesma amostra medida de um determinado componente da mesma amostra

• Desvio padrão entre as várias medidas e a média Desvio padrão entre as várias medidas e a média

Confiabilidade dos Resultados e Confiabilidade dos Resultados e Tratamento Estatístico : Tratamento Estatístico :

SensibilidadeSensibilidade• Descreve quanto a resposta varia com a variação da concentração do analitoEx: Em métodos sensíveis, uma pequena diferença na concentração do analito causa grande variação no valor do sinal analítico medido.

• Pode ser medida no método e com o equipamento a ser utilizado

Confiabilidade dos Resultados e Tratamento Confiabilidade dos Resultados e Tratamento Estatístico : Estatístico :

Limite de detecçãoLimite de detecção

• Menor quantidade ou concentração de um dado componente que

pode ser detectado pelo método, com um certo limite de

confiabilidade utilizando determinado procedimento experimental


Limite de detecçãoLimite de detecção• O limite de detecção pode ser aumentado:

- aumentando a resposta da medida: numa medida colorimétrica,

podemos usar reagentes colorimétricos que forneçam maior

absorção da radiação;

- Aumentado o poder de leitura d equipamento, em análise

instrumental


Métodos de AnáliseMétodos de AnáliseO método ideal deve ser exato, preciso, prático, rápido e

econômico. O analista deve decidir em função do objetivo da análise, quais atributos devem ser priorizados. Os métodos de análise podem ser classificados em vários tipos:

métodos oficiais:métodos oficiais: Métodos testados e aprovados por laboratórios

competentes, que devem ser seguidos por uma legislação ou agência de fiscalização;

métodos padrões ou de referência: métodos padrões ou de referência: Métodos desenvolvidos e testados por um conjunto de

laboratórios através de estudos colaborativos;

métodos rápidos: métodos rápidos: Métodos que reduzem o tempo de análise normalmente

utilizadoApresentam menor exatidão na medida (em relação ao

método oficial)Útil em análises na determinação aproximada, como teor

de umidade, teor de proteína e teor de gorduras em alimentos.


métodos modificados: métodos modificados:

Geralmente métodos oficiais ou padrões, que passam por alguma modificação, para criar alguma simplificação, ou adaptação segundo as condições existentes, ou, ainda, remover substâncias interferentes;

métodos automatizados: métodos automatizados: utilizam equipamentos automatizados.


Amostra: Porção de um determinado material que representa a totalidade.Analito: Espécie (iônica, atômica ou molecular) que se deseja determinar em uma amostra.Matriz: Conjunto de todos os constituintes que compõem uma amostra.Detector: Dispositivo mecânico, elétrico ou químico que identifica, registra ou indica uma alteração em uma das variáveis na sua vizinhança (pressão, temperatura, etc.).Sistema de detecção: Conjunto inteiro que indica ou registra as quantidades físicas ou químicas.Transdutor: Dispositivo que converte informação de domínio não-elétrico em informação de domínio elétrico e vice-versa (microfone, fotocélulas, etc.).Sensor: Dispositivo analítico capaz de monitorar espécies químicas específicas de forma contínua e reversível (eletrodo de vidro, QCM, etc.). Equivale ao transdutor associado a uma fase de reconhecimento quimicamente seletiva.

Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica

InstrumentalInstrumental


InstrumentalInstrumentalCurva analítica: Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluções-padrão (padrão externo). Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração.Branco (br): Sinal do instrumento para matriz (ou imitação) na ausência do analito ou de uma espécie que corresponda ao analito.

Limite de detecção (LD ou cm): Concentração ou massa

mínima do analito que pode ser detectada em um nível confiável.

Sm = Sbr + k sbr (valor mais aceito k = 3)

onde Sm e Sbr são o sinal analítico mínimo e do branco e s é o desvio padrão do

branco.

Limite de quantificação (LQ): Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco.Limite de resposta linear (LRL): Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade.

m

ks

m

SSc brbrmm

Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica: Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL.Método do padrão interno: Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras, aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. Compensa diversos tipos de erros, aleatórios ou sistemáticos.



LQ

LRL

cm

FOT

Sin

al A

nalí

tico

Concentração

Método de adição de padrão: Consiste em uma série de medidas envolvendo a adição de incrementos de uma solução-padrão do analito à alíquotas da amostra de mesmo volume com a finalidade de corrigir a interferência da matriz sobre o sinal analítico.



-10 -5 0 5 10 15 20 250,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2y = 0,0382x + 0,2412

R2 = 0,9999

Sin

al a

nalít

ico

Volume de solução do padrão, mL

Exatidão: Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão.Precisão: Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma análise.Tendência (bias) ou viés (): Fornece uma medida do erro

sistemático, ou determinado, de um método analítico. = – ,

onde é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração

verdadeira .

Sensibilidade: A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito. Em uma curva de calibração, a sensibilidade é a inclinação da curva (m).

S = mc + Sbr, onde S é o sinal medido, c é a concentração do

analito e Sbr é sinal do instrumento para o branco.



Sensibilidade analítica: A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida:

= m / sS . Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é

independente das unidades de medida de S.Seletividade: A seletividade de um método analítico refere-se ao grau em que o método esta livre de interferência de outras espécies contidas na matriz da amostra. Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e, assim, procura-se minimizá-las.• Define-se um coeficiente de seletividade que representa a resposta relativa do método a cada uma das espécies interferentes em relação ao analito de interesse. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A, bem como B e C potencialmente interferentes:

S = mAcA + mBcB + mCcC + Sbr; e

S = mA(cA + kB,AcB + kC,AcC) + Sbr



A

BAB m

mk ,

A

CAC m

mk ,



Um método que produz

resposta para apenas um

analito é chamado

específico

Um método que produz

resposta para vários

analitos, mas que pode

distinguir a resposta de

um analito da de outros

é chamado seletivo

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

50

60

Sin

al A

nal

ític

o

Concentração (mg/L)

B A

Repetibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as mesmas condições (mesmo operador, mesmo equipamento, mesmo laboratório em um pequeno intervalo de tempo).

Reprodutibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob diferentes condições (diferentes operadores, diferentes equipamentos, diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico, obtido nas condições acima, aconteçam com a mesma probabilidade especificada. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.



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