classificação de métodos instrumentais

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - ICET

ENGENHARIA INDUSTRIAL QUÍMICA

ANÁLISE INSTRUMENTAL I

UNIDADE 1

CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS

Profas. CARIN VON MÜHLEN E LIANE BIANCHIN

Eng. Industrial Análise Instrumental I

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UNIDADE 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS INTRODUÇÃO A química analítica trata de métodos para a determinação da composição química de amostras. Um método qualitativo fornece informações sobre a identidade das espécies atômicas ou moleculares da matéria; um método quantitativo fornece informações numéricas, tais como as quantidades relativas de um ou mais componentes. (Skoog, 2002). Análise química: - Conjunto de técnicas e manipulações destinadas a propiciar o conhecimento da composição qualitativa e quantitativa de uma amostra, mediante métodos de rotina. (P. Senise, 1993) Métodos clássicos X Métodos instrumentais Os métodos analíticos geralmente são classificados como sendo clássicos ou instrumentais. Esta classificação é em grande parte histórica pois os métodos clássicos, às vezes chamados de métodos de via úmida, precederam por um século ou mais os métodos instrumentais (Skoog, 2002). Métodos clássicos: envolvem medidas de massa, volume, reações químicas. Métodos instrumentais: compreendem o uso de algum instrumento para monitorar qualquer alteração física nas espécies químicas ou reações (emissão ou absorção de luz, potencial elétrico, temperatura, corrente elétrica, condutividade, razão massa/carga, etc). A evolução dos métodos instrumentais deve-se ao desenvolvimento da eletrônica e da computação. Um instrumento para análise química converte a informação armazenada nas características físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada pelo homem. Para conseguir a informação desejada do analito, é necessário fornecer um estímulo, que comumente tem a forma de energia eletromagnética, elétrica, mecânica ou nuclear, conforme está ilustrado na Figura 1. O estímulo obtém uma resposta do sistema em estudo, cujas natureza e intensidade são governadas pelas leis fundamentais da física e da química. A informação obtida está associada ao fenômeno que resulta da interação do estímulo com o analito (Skoog, 2002).

Figura 1. Instrumentos analíticos. Domínios de dados O processo de medida é auxiliado por uma variedade ampla de dispositivos que convertem a informação de uma forma à outra. Para poder investigar como os instrumentos operam, é importante compreender o modo no qual a informação está codificada, ou como é transformada de um sistema de informação para outro, com


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característica de sinais elétricos – ou seja, como voltagem, corrente, carga ou variações dessas grandezas. Os vários modos de codificar a informação eletricamente são denominados domínios de dados. Um esquema de classificação foi desenvolvido, fundamentado neste conceito, que simplifica enormemente a análise dos sistemas instrumentais e promove a compreensão dos processos de medidas. Conforme está mostrado no mapa de domínios de dados da Figura 2, pode-se estabelecer uma classificação geral para os domínios de dados em domínios não-elétricos e domínios elétricos (Skoog, 2002). 1 – Domínios elétricos

– Domínios analógicos – Domínios de tempo – Domínios digitais

2 – Domínios não elétricos Características físicas e químicas de interesse 3 – Detectores, transdutores e sensores 4 – Dispositivos de saída 5 – Microprocessadores e Computadores

Figura 2. Domínios de dados (Skoog, 2002). CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS. A Tabela 1 apresenta um resumo dos tipos de métodos instrumentais (adaptada de Skoog, 2002). Além desses apresentados na Tabela 1, existe um grupo de procedimentos instrumentais que são utilizados para a separação e resolução de compostos, normalmente associados a cromatografia ou eletroforese. Uma ou mais das propriedades listadas complementam a análise que segue a separação. Exemplo disso são os


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diferentes detectores utilizados em cromatografia, baseados, por exemplo, em condutividade térmica, absorção de radiação UV ou IV e índice de refração. Tabela 1. Propriedades físicas e químicas empregadas em métodos instrumentais. Propriedades Características

Métodos Instrumentais

Emissão da radiação Espectroscopia de emissão (raios X,UV, visível, elétrons, Auger); fluorescência, fosforescência e luminescência (raios X, UV e visível)

Absorção da radiação Espectrofotometria e fotometria (raios X, UV, visível, IR); espectroscopia fotoacústica; espectroscopias de ressonância magnética nuclear e de ressonância de spin eletrônico

Espalhamento da radiação Turbidimetria; nefelometria; espectroscopia Raman

Espalhamento da radiação Espalhamento da radiação

Difração da radiação Métodos de difração de raios X e de elétrons

Rotação da radiação Polarimetria; dispersão óptica rotatória; dicroísmo circular

Potencial elétrico Potenciometria; cronopotenciometria

Carga elétrica Coulometria

Corrente elétrica Amperometria; polarografia

Resistência elétrica Condutimetria

Massa Gravimetria (microbalança de cristal de quartzo)

Relação massa/carga Espectrometria de massa

Velocidade da reação Métodos cinéticos

Características térmicas Gravimetria e titulometria térmica; calorimetria diferencial exploratória; análise térmica diferencial e métodos de condutimetria térmica

Radioatividade Métodos de ativação e diluição de isótopos

Para selecionar um método analítico de forma inteligente, é essencial definir claramente a natureza do problema analítico. Tal definição requer respostas para as seguintes questões: 1. Que exatidão é necessária? 2. Qual é a quantidade de amostra disponível? 3. Qual é o intervalo de concentração do analito? 4. Que componentes da amostra causarão interferência? 5. Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra? 6. Quantas amostras serão analisadas? Características de Eficiência dos Instrumentos - Figuras de Mérito A Tabela 2 lista os critérios de eficiência de instrumentos que podem ser usados para decidir se um determinado método instrumental é adequado na abordagem de um problema analítico. Essas características são expressas em termos numéricos que são denominadas figuras de mérito. As figuras de mérito nos permitem restringir a escolha a relativamente poucos instrumentos para um dado problema analítico. A seleção entre estes poucos instrumentos pode ser baseada em critérios de eficiência qualitativa abaixo: 1. Velocidade 2. Facilidade e conveniência 3. Habilidade requerida do operador 4. Custo e disponibilidade do equipamento 5. Custo por amostra


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Tabela 2. Figuras de Mérito

Critério Figura de Mérito

1. Precisão Desvio-padrão absoluto, desvio-padrão relativo, coeficiente de variação, variança.

2. Tendência Erro sistemático absoluto, erro sistemático relativo.

3. Sensibilidade Sensibilidade de calibração, sensibilidade analítica.

4. Limite de detecção três vezes o desvio-padrão do branco / inclinação da curva de calibração.

5. Faixa de concentração Limite de quantificação (LOQ) até a concentração limite da linearidade (LOL).

6. Seletividade Coeficiente de seletividade.

TERMOS IMPORTANTES ♦ EXATIDÃO (accuracy): Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um

valor verdadeiro do mensurando (analito). É um conceito qualitativo e não deve ser confundido com precisão.

♦ PRECISÃO: Grau de concordância entre os resultados obtidos.

♦ ANALITO (ou mensurando): constituinte de uma amostra a ser determinado ♦ RUÍDO (background): proporção em uma medida decorrente de fontes diferentes

daquela do analito ♦ AMOSTRA: Parte representativa do todo na qual se busca uma informação analítica ♦ MATRIZ: totalidade da amostra exceto o analito ♦ BRANCO: medida ou observação na qual a amostra é substituída por uma matriz

simulada (em condições de analise idênticas as da amostra) ♦ MÉTODO: descrição total das instruções para uma dada análise ♦ PROCEDIMENTO: descrição das etapas práticas envolvidas em uma análise. ♦ TÉCNICA: principio do qual um grupo de métodos é baseado ♦ CALIBRAÇÃO:

o Procedimento para relacionar a resposta de um instrumento com a massa, volume ou concentração do analito em uma amostra (uso de padrões, curva de calibração).

o Determinação da exatidão das marcas de graduação nos aparelhos volumétricos, pesos.

♦ CONCENTRAÇÃO: quantidade de uma substância ou elemento presente em uma dada massa ou volume de amostra.


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♦ LIMITE DE DETECÇÃO (LOD ou LD): a menor quantidade medida de um analito que pode ser determinado por um dado procedimento e com certo grau de confiança. Na prática é calculado com base no desvio-padrão de medidas do branco.

Onde: LD= limite de detecção sdbr= desvio padrão de 10 medidas do branco b = inclinação da curva de calibração ♦ LIMITE DE QUANTIFICAÇÃO (LOQ ou LQ): É definido como a menor concentração

do analito que pode ser quantificada na amostra, com exatidão e precisão aceitáveis, sob as condições experimentais adotadas.

Onde: LQ= limite de quantificação sdbr= desvio padrão de 10 medidas do branco b = inclinação da curva de calibração ♦ CONCENTRAÇÃO LIMITE DA LINEARIDADE (LOL): Ponto máximo da curva de

calibração em que a resposta continua linear. ♦ REPETITIVIDADE: Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas

de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição. Estas condições são denominadas condições de repetitividade e incluem:

- mesmo procedimento de medição; - mesmo observador; - mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas condições; - mesmo local; - repetição em curto período de tempo. ♦ REPRODUTIBILIDADE: Grau de concordância entre os resultados das medições de

um mesmo mensurando efetuadas sob condições variadas de medição. As condições alteradas podem incluir:

- princípio de medição; - método de medição; - observador; - instrumento de medição; - padrão de referência; - local; - condições de utilização; - tempo. ♦ ROBUSTEZ: sensibilidade do método frente a variações de fatores presentes na

rotina analítica. ♦ SENSIBILIDADE: Capacidade do método em distinguir, com determinado nível de

confiança, duas concentrações próximas. Sob o ponto de vista prático, a sensibilidade constitui o coeficiente angular do gráfico analítico. Em métodos sensíveis, uma pequena diferença na concentração do analito causa grande variação no valor do sinal analítico medido. Esse critério expressa a capacidade do procedimento analítico gerar

LD = 3 . sdbr / b

LQ = 10 . sdbr / b


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variação no valor da propriedade monitorada ou medida, causada por pequeno incremento na concentração ou quantidade do analito. Entretanto, tornou-se comum o uso errôneo desse termo para designar método com baixo limite de detecção.

ETAPAS GERAIS DE UMA ANÁLISE QUÍMICA Uma análise qualitativa ou quantitativa típica envolve uma seqüência de etapas, conforme ilustrado na Figura 3.

Formular a questão

Selecionar os procedimentosanalíticos

Preparação da Amostra

Análise

Conclusão/ação

Relatório e interpretações

Calibração

Amostragem

Formular a questão

Selecionar os procedimentosanalíticos

Preparação da Amostra

Análise

Conclusão/ação

Relatório e interpretações

Calibração

Amostragem

Figura 3. Etapas gerais de uma análise química PREPARAÇÃO DA AMOSTRA Estima-se que entre 65 e 85% do tempo e dos recursos financeiros são destinados à etapa de preparo de amostra, em uma análise laboratorial, conforme ilustrado na Figura 4.

65%

15%

5%

15%

Preparo da Amostra

Análise da Amostra

Aquisição dos Dados

Interpretação dos Resultados

Figura 4. Distribuição percentual média do tempo envolvido em um ciclo analítico. Dependendo do estado físico da amostra (sólida, líquida, gasosa), concentração dos analitos, tipo de matriz, presença de contaminantes, entre outros fatores, a técnica de preparo de amostra poderá ser diferente. Abaixo seguem alguns princípios de preparo de amostras mais utilizados.

• Injeção direta • Análise direta de sólidos • Suspensão


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• Abertura • Dissolução • Diluição • Pré-concentração • Extração • Moagem, mistura, extração • Derivatização • Clean-up • Eliminação de interferentes

CALIBRAÇÃO Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre as medidas obtidas pelo instrumento e a quantidade do analito. Os únicos métodos que são absolutos e não necessitam de calibração são a gravimetria e coulometria, uma vez que a relação entre a medida e a concentração do analito pode ser calculada diretamente a partir de constantes físicas conhecidas. Todos os outros métodos analíticos são relativos e necessitam de calibração. Os métodos mais comuns incluem as curvas de calibração, uso de padrões internos e métodos de adição de padrão. ♦ Curvas de Calibração: Várias soluções de concentração conhecida do analito são preparadas (padrões) e introduzidas no instrumento. A resposta é registrada e plotada em uma curva com o resultado da medida versus a concentração do analito. Também chamadas de curvas de trabalho ou curvas analíticas. A Figura 5 apresenta uma curva analítica típica, linear em um intervalo significativo de concentração. Geralmente são usadas curvas lineares por estarem menos sujeitas a erros do que as não-lineares e a equação é ajustada à curva de calibração pelo método dos mínimos quadrados. Muito importante: exatidão com a qual são conhecidas as concentrações dos padrões e a presença de concomitantes interferentes. A variável independente (concentração) corresponde ao eixo das abscissas. O Coeficiente de correlação (r) indica quão linearmente os valores de x e y estão correlacionados. Assume valores -1≥ r ≤ 1. Valores próximos da unidade indicam forte correlação (direta quando + e inversa quando -). A Figura 6 apresenta alguns exemplos de r. Regressão linear Onde a: intercepto b: inclinação (slope, sensibilidade)

y = a + bx


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20 30 40 50 60 700,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

A 4.26667E-4 0.00177B 0.00299 3.67644E-5------------------------------------------------------------

R SD N P------------------------------------------------------------0.9997 0.00154 6 <0.0001------------------------------------------------------------

Abs

orbâ

ncia

pg Cd Figura 5. Curva analítica plotada em regressão linear para a determinação de Cd em amostra de carvão mineral por GFAAS.

Figura 6. Exemplos de curvas de regressão linear e seus coeficientes de correlação. • Métodos de calibração externa: As curvas analíticas são obtidas com soluções

de padrões analíticos, e a amostra é analisada sob as mesmas condições. Esse método é mais utilizado quando os efeitos de matriz e a presença de interferentes não são significativos.

• Métodos de adição de padrão: Particularmente útil quando a amostra é complexa, nas quais a probabilidade de efeito de matriz é alta. Consiste na adição crescente de quantidades conhecidas do analito em porções de amostra. O sinal é medido antes e após a adição o padrão. A Fig. 7 apresenta exemplo de curva de calibração para o método de adição de padrão. Muito importante: a resposta deve ser LINEAR.


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Figura 7. Exemplo de curva de calibração para o método de adição de padrão. (adaptado de RIBANI, 2004) • Método do padrão interno: Padrão interno (PI) é um composto, geralmente com

características estruturais similares ao analito, adicionado aos padrões de calibração e amostras em concentrações conhecidas e constantes, para facilitar a determinação do analito. Muito usado em cromatografia, pode também ser aplicado a outras técnicas. A padronização interna pode ser empregada em espectrometria de absorção atômica, espectrometria de emissão ótica com fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) e espectrometria de massas com fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) para compensar vários tipos de erros sistemáticos e randômicos. O princípio desse método baseia-se na comparação de um ou mais sinais analíticos (analito) com um ou mais sinais de referência de elementos previamente selecionados (padrão interno). Um padrão interno deve ser adicionado aos brancos, soluções de referência e às amostras, ou quando presente na amostra, deve-se adicionar uma quantidade elevada desse elemento à amostra para anular o efeito da concentração original da amostra. Quando a padronização interna é usada, todos os cálculos são baseados na suposição de que tanto o analito como o padrão interno sofrem influências similares da matriz da amostra e de que ambos são perturbados igualmente pelas alterações nas condições instrumentais ou operacionais. (Fernandes et al., 2003).


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Figura 8. Exemplo de curva de calibração obtida por padronização interna.

LITERATURA CITADA SKOOG, D. A.; HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A. Princípios de análise instrumental. 5. ed. Porto Alegre, RS: Bookman, 2002. 836 p. ISBN 8573079762.

SKOOG, D. A.; WEST, D. M.; HOLLER, F. J.; CROUCH, S. R. Fundamentos da química analítica. São Paulo, SP: Pioneira Thomson Learning, 2006. 999, ca 70 p. em vária ISBN 8522104360.

BRITO, N. M.; AMARANTE JUNIOR, O. P.; POLESE, L.; Ribeiro, M. L. Validação de métodos analíticos: estratégia e discussão. Pesticidas: Revista de Ecotoxicololgia e Meio Ambiente v. 13, p. 129-146, 2003.

FERNANDES, K.G.; MORAES, M.; GOMES NETO, J. A.; NÓBREGA, J. A.; OLIVEIRA, P.V. Padronização interna em espectrometria de absorção atômica. Química Nova v. 26, n. 2, p. 249-252, 2003.

CURRIE, L. A. Detection and quantification limits: origins and historical overview Analytica Chimica Acta v. 391, p. 127-134, 1999.

CURRIE, L. A. Nomenclature in evaluation of analytical methods including detection and quantification capabilities (IUPAC Recommendations 1995). Analytica Chimica Acta v. 391, p. 105-126, 1999.

RIBANI, M.; BOTTOLI, C.B.G, COLLINS, C.H. et al. Validation for chromatographic and electrophoretic methods. Química Nova v. 27, n. 5, p. 771-780, 2004.

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