dra. andréa pires fernandes preparo de amostras universidade federal da bahia grupo de pesquisa em...

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

[email protected]

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


0,0001 1000

FAAS

ICP-OES Radial

ICP-OES Axial

HGAAS

GFAAS

ICP-MS

100 10 1 0,1 0,01 0,001


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


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


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)


SecagemSecagem


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)


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


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


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.


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


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


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


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)


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.


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.


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


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


Fornos tipo mufla


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


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)


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


Forno de microondas com cavidade

Forno de microondas focalizadas

Sistema assistido por microondasSistema assistido por microondas


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.


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).


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.


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.


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

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.


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).


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.


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.


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.


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.


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!!!!

dra. andréa pires fernandes preparo de amostras universidade federal da bahia grupo de pesquisa em...

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