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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E TÉCNICAS NUCLEARES UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Especiação do Arsênio Utilizando o Acoplamento da Cromatografia de Fase Líquida (HPLC), com a Espectrometria de Massa Associada a uma Fonte de Plasma (ICP-MS) Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares. ÁREA: Ciência das Radiações Orientador: Arno Heeren de Oliveira Universidade Federal de Minas Gerais BRUNA CAROLINA GOMES CORTEZ Belo Horizonte – MG Fevereiro – 2006

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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E TÉCNICAS NUCLEARES

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Especiação do Arsênio Utilizando o Acoplamento da Cromatografia de Fase Líquida (HPLC), com a Espectrometria de Massa Associada a uma

Fonte de Plasma (ICP-MS) Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares. ÁREA: Ciência das Radiações

Orientador: Arno Heeren de Oliveira

Universidade Federal de Minas Gerais

BRUNA CAROLINA GOMES CORTEZ

Belo Horizonte – MG

Fevereiro – 2006

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS – UFMG ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E TÉCNICAS NUCLEARES

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares.

Autor: Bruna Carolina Gomes Cortez Orientador: Dr. Arno Heeren de Oliveira Belo Horizonte – 23006 Escola de Engenharia da UFMG

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AGRADECIMENTOS

Ao finalizar este trabalho, tenho plena consciência de que ele não seria o mesmo se não

fosse a ajuda, o apoio e o incentivo de várias pessoas. Por isso venho aqui expressar meus

eternos agradecimentos:

Ao Prof. Arno Heeren de Oliveira, pela confiança, orientação e incentivos;

Aos Profs. Cláubia Pereira, Maria Auxiliadora e Clemente José Gusmão, pelos fundamentos

ofertados nas aulas;

Às funcionárias do Departamento de Engenharia Nuclear Márcia Rosa, Nancy Afonso e Maria

Bernadete pela presteza e amizade;

Ao Service Central d`Analyse (SCA), pela disponibilidade do local e aparelhos para se realizar o

acoplamento HPLC/ICP-MS;

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão da

bolsa de mestrado;

Aos meus amigos, presentes nos bons e maus momentos;

Ao querido amigo Danilo Chagas Vasconcelos, meu “irmão” que tanto me ajudou;

Às minhas irmãs, Carla Cortez e Keilla Cortez, meus sobrinhos Bruno, Márjorie e Mélanie e minhas

afilhadas Melissa e Emily, pela torcida e incentivo;

Ao querido sobrinho Carlos Othávio, pela grande ajuda;

Ao meu namorado Marcus Vinícius, pelo amor, apoio e incentivo;

E por fim, agradeço as duas pessoas mais importantes da minha vida: Carlos e Sheila, meus

amados pais.

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Dedico este trabalho aos meus maiores incentivadores: Mamãe e Papai.

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"O mundo é um lugar perigoso de se viver, não por causa daqueles que

fazem o mal, mas sim por causa daqueles que observam e deixam o mal

acontecer".

Albert Einstein (1879-195

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SUMÁRIO RESUMO

10

ABSTRACT

11

LISTA DE FIGURAS

12

LISTA DE TABELAS

13

LISTA DE SIGLAS

14

INTRODUÇÃO

15

CAPITULO 1– REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

18

1.1 – ESPECIAÇÃO

19

1.2 – O ARSÊNIO

19

1.2.1 – TOXICOLOGIA E ESPECIAÇÃO DO ARSÊNIO

23

1.2.2 – A NECESSIDADE DAS ANÁLISES DE ESPECIAÇÃO DO ARSÊNIO

25

1.3 – CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA (HPLC)

26

1.3.1 – INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES

26

1.3.2 – PRINCÍPIO DE ANÁLISE E INSTRUMENTAÇÃO ...............

28

1.4 – ESPECTROMETRIA DE MASSA ASSOCIADA A UMA FONTE DE PLASMA INDUZIDO (ICP-MS)

30

1.4.1 – INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES

30

1.4.2- PRINCÍPIO DE ANÁLISE E INSTRUMENTAÇÃO

32

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1.5 – O ACOPLAMENTO HPLC/ICP-MS 36 CAPÍTULO 2 – MATERIAIS E MÉTODOS

38

2.1 – AMOSTRAS E PROCEDIMENTOS DE PREPARAÇÃO DAS MESMAS

39

2.2 – PRÉ-TRATAMENTO DE MATRIZES

39

2.3 – MÉTODOS DE ANÁLISE

40

2.3.1 – CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA – HPLC

40

2.3.2 – ESPECTROMETRIA DE MASSA ASSOCIADA A UMA FONTE DE PLASMA INDUZIDO – ICP-MS

42

2.4 – LIMITES DE DETECÇÃO

44

CAPÍTULO 3 – RESULTADOS

46

3.1 – CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS

47

3.2 – MATRIZ: SOLUÇÃO PADRÃO

47

3.2.1 - CURVA DE CALIBRAÇÃO

47

3.3 – MATRIZ: ÁGUAS

48

3.3.1 - CURVA DE CALIBRAÇÃO

48

3.3.2 – RESULTADOS

49

3.4 – MATRIZ: SEDIMENTO

51

3.4.1 - CURVA DE CALIBRAÇÃO

51

3.4.2 – RESULTADOS

52

CONCLUSÕES

55

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 57

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RESUMO

Metais traços no meio-ambiente podem trazer riscos aos seres vivos e ao próprio

meio-ambiente. Análises mais precisas na determinação das concentrações devido aos

elementos traços e ultra-traços se tornam então necessárias. Atualmente, sabe-se que a

determinação da concentração total de um elemento é uma informação limitada,

especialmente sobre o seu comportamento no meio ambiente e aos danos que o mesmo

pode causar a saúde, uma vez que a toxicidade do mesmo está ligada a forma química na

qual este é encontrado nas diversas matrizes, como é o caso do arsênio. Geralmente se

determina a concentração total deste elemento e raramente, suas formas químicas, AsIII e

AsV ,separadas da forma orgânica.

Neste estudo, utilizou-se matrizes de água e sedimento provenientes da Bacia do

Rio das Velhas, no estado de Minas Gerais, analisadas por duas técnicas analíticas sendo

elas a Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC), método sensível e de fácil

adaptação para determinações quantitativas acuradas, com a Espectrometria de Massa

Associada a uma Fonte de Plasma Induzido (ICP-MS), que possui limites de detecção, que

para muitos elementos são três ordens de magnitude menor do que nos métodos ópticos que

permitiram a especiação do arsênio em todas as suas formas químicas.

Os resultados obtidos mostraram a eficácia deste acoplamento HPLC/ICP-MS, uma

vez que a soma das concentrações das formas químicas do arsênio, AsIII (arsenito), AsV

(arsenato), MMAV (ácido monometilarsônico), DMAV (ácido dimetilarsínico) e AsB

(arsenobetaína) medidas pela HPLC quando comparadas aos valores das concentrações

totais (ICP-MS) apresentam os mesmos valores dentro das flutuações estatísticas.

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ABSTRACT

Trace metals in the environment may provide benefit or risk to humans, other life

forms, and the environment. More robust and information-rich trace and ultra-trace

analyses are needed to all adequate risk/benefit assessments. Further, it is no longer

adequate to consider only the total trace metal or metalloid, because the impact of elements

on ecological systems or biological organisms is not necessarily given by total element

concentrations alone. It is necessary to determine the chemical form (species) of the

element, primarily the oxidation state or the organometallic nature, because different

species of the same metal can range from essencial to innocuous to toxic. The actual

toxicity levels from different arsenic compounds vary greatly. Inorganic arsenic is

considered the most acutely toxic form; arsenite (As III) is more toxic than arsenate (As V).

The chronic toxicity of arsenic compounds is currently not well understood and is actively

being researched.

In this study, using water and sediment samples from the Das Velhas River, Minas

Gerais state, in Brazil analyzed by two analytical techniques: High Performance Liquid

Chromatography (HPLC), a sensitive and of easy adaptation method for accurate

quantitative determination, with the Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-

MS), which has low detention limits, allowed the speciation of arsenic in its all chemistries

forms.

The results showed the effectiveness of this HPLC/ICP-MS coupling, a time that the

addition of the concentrations of the arsenic chemical forms, AsIII (arsenite), AsV

(arsenate), MMAV (monometilarsenic acid), DMAV (dimetilarsinic acid) and AsB

(arsenobetaine) measured by the HPLC when compared with the values of the total

concentrations (ICP-MS) present the same values inside the statistical fluctuations.

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LISTA DE FIGURAS

1- Arsenopirita (FeAsS) ................................................................ 20 2- Realgar (As2S2) ......................................................................... 21

3- Mispíquel ................................................................................... 21

4- Esquema de um Equipamento Típico de HPLC ........................ 28

5- Componentes Instrumentais Básicos do ICP-MS ...................... 32

6- Esquema da Cromatografia Líquida Modular ........................... 42

7- Diagrama Funcional do PLASMA QUAD Excell VG .............. 44 8- Limites de Detecção do PLASMA QUAD Excell VG .............. 45 9- Curvas de Calibração para AsIII e AsV ..................................... 48

10- Curvas de Calibração para AsIII, AsV, AsB, DMAV e MMAV .. 49

11- Curvas de Calibração para AsIII e AsV ...................................... 51

12- Curvas de Calibração para MMAV .............................................. 52

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LISTA DE TABELAS

1- Principais Compostos de Arsênio .................................................... 26 2- Vantagens e Desvantagens do ICP-MS ............................................ 34

3- Interferência em ICP-MS e Resolução Requerida ............................ 36

4- Condições de Operação da HPLC .................................................... 41

5- Condições de Operação da HPLC (Segundo Caso) ......................... 41

6- Condições de Operação do ICP-MS ................................................ 43

7- Valores de Concentração Total (µg/L) – ICP-MS e Concentração das Formas Químicas As III e As V (µg/L) - HPLC/ICP-MS ............................ 47

8- Valores de Concentração Total (µg/L) – ICP-MS e Concentração das Formas Químicas As III, As V, AsB e DMAV (µg/L) - HPLC/ICP-MS ...... 50

9- Valores de Concentração Total (µg/g) – ICP-MS e Concentração das Formas Químicas As III, As V e MMAV (µg/g) - HPLC/ICP-MS ................ 53

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LISTA DE SIGLAS

1- HPLC: (High Performance Liquid Chromatography) Cromatografia Líquida de Alta Eficiência 2- ICP-MS: (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) Espectrometria de Massa Associada a uma Fonte de Plasma 3- LED:Light Emitting Diodo 4- As III: Arsenito

5- As V: Arseniato

6- MMAIII : Ácido Monometilarsenioso

7- MMAV : Ácido Monometilarsenico

8- DMAIII : Ácido Dimetilarsinioso

9- DMAV : Ácido Dimetilarsínico

10- AsB : Arsenobetaína

11- AsC : Arsenocolina

12- TMAO : Óxido Trimetilarsino

13- Me4As+ : Ion Tetrametilarsonio

14- UV : Ultra Violeta

15- CC: Corrente Contínua

16- CA: Corrente Alternada

17- MO+: Óxidos

18- M2+ : Íons Carregados Duplamente

19- MOH+ : Hidróxidos

20- Detector PDA: (Photo Diode Array) Detector de Disposição do Foto-Diodo

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INTRODUÇÃO

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INTRODUÇÃO

É reconhecido de que qualquer elemento encontrado na natureza possa vir associado

a riscos ou benefícios aos seres vivos e ao próprio meio-ambiente. Sendo assim, análises e

informações mais precisas das concentrações dos diversos elementos tóxicos, aos níveis de

traços e ultra-traços, são necessárias para as avaliações da relação risco/benefício para

cada um destes elementos. Além disso, para o estudo da toxicidez de um elemento não se

pode considerar somente a concentração total do metal ou metalóide. Torna-se necessário

então determinar a forma química (espécies) do elemento, uma vez que, diferentes espécies

do mesmo metal podem ter sua faixa de toxicidade alterada, de essencial, passando a

inócua, chegando a ser letal.

O arsênio é introduzido no meio ambiente aquático por inúmeras fontes, sendo as

principais as fontes geológicas, o desgaste da superfície ou os depósitos subterrâneos e

principalmente as atividades humanas. Os compostos de arsênio tem sido usados em

herbicidas e pesticidas por muitos anos e os despejos em ambientes aquáticos de resíduos

provenientes das atividades da agricultura tem se tornado um persistente problema. Por

exemplo, o arsenato de chumbo foi usado em herbicidas, em pesticidas e em inseticidas

por muitos anos antes de ser substituído por inseticidas de compostos orgânicos mais

avançados. No caso do uso do arsênio em atividades industriais, estas estão ligadas na

produção de semi-condutores, preservativo de madeira, etc.

Muitos arilarsênicos são usados em aditivos de alimentação animal e podem por

meio destes chegar a dieta humana. A contaminação pelo arsênio na água potável é também

problemática e é um tópico recente de pesquisas focadas nas políticas mundiais de saúde.

O arsênio é de interesse por causa da sua possível acumulação em matrizes ligadas a cadeia

alimentar , que é um dos principais vetores de contaminação humana.

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Por exemplo, análises de especiação podem distinguir as espécies mais tóxicas de

arsênio inorgânico das relativamente não tóxicas arsenobetaínas, um dos maiores

compostos de arsênio encontrados em frutos do mar.

Assim, para solucionar este desafio, é necessário quantificar, e através de

especiação, identificar as várias formas químicas do arsênio presentes em matrizes

ligadas a cadeia alimentar.

O objetivo deste estudo é o desenvolvimento de um acoplamento HPLC/ICP-MS

para determinar a concentração dos diversos compostos do arsênio aos níveis traço e ultra-

traço presentes nas matrizes água e sedimento provenientes da Bacia do Rio das Velhas.

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CAPÍTULO 1 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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CAPÍTULO 1 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1 ESPECIAÇÃO

Uma espécie química é definida como uma forma específica de um elemento, como

uma estrutura ou complexo molecular ou estado de oxidação. Conseqüentemente, a

especiação de um elemento é a distribuição de espécies químicas definidas de um elemento

em um sistema. A análise por especiação é definida como uma atividade analítica de

identificação das diversas formas químicas com que o elemento se apresenta em uma

determinada matriz [TEMPLETON et al.,2000]. Este termo inclui amostragem apropriada,

quantificação, e métodos analíticos de controle de qualidade [CARUSO et al.,2000].

Procedimentos analíticos, que não levam a uma identificação de espécies químicas

mas dão caracterizações de grupos de espécies não são considerados análises de especiação

química. Eles são distinguidos como caracterização de espécies definidas operacionalmente

ou funcionalmente. Procedimentos definidos operacionalmente caracterizam grupos

moleculares, dependente de operações analíticas selecionadas. A espécie identidade não é

considerada. A caracterização de espécies definidas funcionalmente dão informações sobre

a função de grupos de espécies em modelos bioquímicos [CARUSO et al.,2000].

1.2 – O ARSÊNIO

É atribuída a Albertus Magnus a descoberta do arsênio metálico no século XIII. No

entanto, a documentação por ele deixada é vaga, sendo somente em 1649 que J. Schroder

relatou claramente a preparação de arsênio metálico por redução por trióxido de arsênico

com carvão. Trinta e quatro anos mais tarde, N. Lemery também observou a possibilidade

de produção de arsênico metálico por aquecimento de trióxido de arsênico com sabão e

potassa. No século XVIII as propriedades do arsênio “metálico” eram já suficientemente

conhecidas para classificá-lo como semi-metal [MAHAN & MYERS, 1998].

19

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A abundância terrestre do arsênio é cerca de 5,0 g/ton (gramas por tonelada)

encontrando-se vastamente disperso na natureza, de preferência, em massas compactas, em

vários veios nas rochas cristalinas e nos xistos, acompanhando vários minérios de

antimônio e prata. Mais de 150 minerais contém arsênio e freqüentemente encontra-se suas

amostras com grau de pureza de 90 a 98%. As impurezas normalmente associadas a estas

amostras são o antimônio, o bismuto, o ferro, o níquel e o enxofre. Em geral o arsênio é

encontrado na natureza na forma de sulfuretos, arsenietos, sulfoarsenetos, arsenites, e

ocasionalmente de óxidos e oxicloretos. Os minerais de arsênio mais comuns são:

arsenopirita (FeAsS) apresentado na figura 1 [URSEA, 2006], de cor branco argentino e

brilho metálico, loelingite (FeAs2), enargite (CuS.As2S5), auripigmentos (As2S3), às vezes

cristalizado no sistema ortorrômbico e geralmente em massas laminares, de cor amarelo-

ouro e brilho nacarado para resinoso, e o realgar (As2S2), apresentado na figura 2 [A-M,

2006] cristalizado no sistema monoclínico, de cor vermelha e brilho resinoso.

Figura 1 - Arsenopirita (FeAsS)

No Brasil, encontra-se o mispíquel, figura 3 [MINERAL TOWN., 2006], associado

às piritas nas jazidas de ouro do centro do estado de Minas Gerais [UFAM, 2005].

20

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Figura 2 - Realgar (As2S2)

Figura 3 – Mispíquel

O arsênio apresenta-se em vários estados alotrópicos, originados por diferentes

configurações cristalina, como em sua forma cinzenta ou de coloração metálica, que é a

mais comum, e frágil, pouco solúvel e estável somente a temperaturas inferiores a 615 ºC.

Condutor de eletricidade, cristaliza-se no sistema hexagonal. A variedade de cor amarela é

formada a partir do resfriamento dos vapores de arsênio, a 0 ºC. Neste estado, o elemento é

instável, de cristalização cúbica, e tende a se transformar na variedade cinza.

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Em sua forma mais estável, o arsênio aproxima-se quimicamente do fósforo. Em

contato com ar seco e na temperatura ordinária, não se altera; ao ar úmido, oxida-se,

queima a 180 ºC, com chama azulada, produzindo oxido arsenioso (As2O3); é atacado pelos

ácidos oxidantes; ataca os sistemas catalíticos sólidos, envenenando-os; seus compostos são

tóxicos, especialmente os solúveis e os voláteis [MAHAN & MYERS, 1998].

Devido às suas propriedades semi-metálicas, o arsênio é utilizado em metalurgia

como um metal aditivo. A adição de cerca de 3% do arsênio numa liga a base de chumbo

melhora suas propriedades mecânicas e optimiza o seu comportamento a elevadas

temperaturas. Pode também ser adicionado em pequenas quantidades as grelhas de chumbo

das baterias para aumentar sua rigidez. Em pequenas parcelas, o arsênio aumenta a

resistência à corrosão e eleva a temperatura de recristalização do cobre. Em quantidades de

0,1% a 0,5% aperfeiçoa-se as propriedades do cobre a temperaturas elevadas [UFAM,

2005].

O arsênio é utilizado em várias atividades; na tecnologia de semi-condutores, para

preparar o arseneto de gálio. Este composto utiliza-se na fabricação de diodos, LEDs,

transistores e lasers. O arseneto de índio usa-se em detectores de infravermelho e em

aplicações de efeito de Hall. O arsênio pode também ser usado em pequenas quantidades

como dopante de germânio ou silício [CDCC/USP, 2005]. No comércio, o mais importante

derivado do arsênio é o óxido arsenioso (As2O3), conhecido como “arsênio branco”, muito

empregado na fabricação de inseticidas e produtos destinados à exterminação de ervas

daninhas e ratos. O arsênio inorgânico é receitado contra a anemia, reumatismo, e seus

compostos orgânicos contra a sífilis e doença do sono. Na indústria, o arsênio também é

usado como clarificador de vidro, como mordente na impressão dos tecidos de algodão de

verde-de-scheele e do verde-de-schweinfurth, pitos vivos, mas tóxicos [LEERMAKERS et

al., 2005]. O arseniato ácido de potássio, obtido por aquecimento de uma mistura de

anidrido arsenioso com nitrato de potássio, é usado na conservação de peles. O realgar é

empregado na pintura de quadros e na obtenção de fogos brancos. O amarelo-real das tintas

a óleo é o trissulfeto de arsênio [CDCC/USP, 2005].

22

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Desde a Primeira Guerra Mundial que os organo-arsenicos são desenvolvidos,

armazenados e usados na guerra química. Depois da Segunda Guerra Mundial, grande parte

deste estoque armazenado foi depositado na terra ou jogado em alto mar [LOHS et al.,

1997]. Entretanto, eles continuaram a ser produzidos e armazenados por países da extinta

União Soviética e pelos EUA como parte de seus estoques de armas químicas. Estes estão

atualmente em processo de destruição para a segurança ambiental, como foi pedido na

Convenção em Armas Químicas. Embora carcaças químicas velhas ou abandonadas,

bombas ou containeres estejam confinados em regiões específicas (e.g., Europa, China e

Japão), quantidades significantes destes arsênicos tóxicos ainda permanecem no meio-

ambiente [LEERMAKERS et al, 2005].

1.2.1 - TOXICOLOGIA E ESPECIAÇÃO DO ARSÊNIO

A forma química e o estado de oxidação do arsênio são fatores muito importantes

para sua toxicidade. A toxicidade aguda também é dependente de outros fatores incluindo o

estado físico (gás, solução ou o tamanho da partícula em pó.), a taxa de absorção das

células, a taxa de eliminação, a natureza dos substitutos químicos nos compostos tóxicos e

o estado geral do paciente. A análise por especiação do arsênio se torna muito importante

para aumentar o entendimento da toxicidade crônica de suas espécies tanto na

carcinogenicidade, quanto nas alterações cromossômicas [GOYER.,1999]. Arsenito tem se

mostrado como indutor de apoptose (morte celular programada) na explosão de fibras da

pele humana [STATES et al.,2002]. Ainda, foi relatado que arsênio inorgânico pode agir

como carcinogênico transplacental em ratos [WAALKES et al.,2004].

Os mecanismos e passos metabólicos da exposição crônica ao arsênio não são bem

conhecidos e estão correntemente no alvo de muitos estudos, como HUDSON-EDWARDS

et al (2005) que realizaram a especiação do arsênio em água e sedimento em lagos

artificiais utilizados para pesca; ISERTE et al (2004) realizaram a determinação simultânea

de arsênio e selênio em extratos de ácido fosfórico presentes em amostras de sedimento;

QUAGHEBEUR & RENGEL (2003) analisaram a distribuição do arsenito (AsIII) e

23

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arsenato (AsV) em amostras de caule e raízes da planta Holcus lanatus; WANG et al

(2002) estudaram a hiperacumulação do arsênio em Pteris vittata; BEAUCHEMIN (1989)

realizou a especiação do arsênio em amostras de água utilizando o acoplamento HPLC/ICP-

MS; e finalmente, PERGANTIS et al (1997) especiaram o arsênio em aditivos de ração

animal utilizando também este mesmo acoplamento citado acima.

Estudos em laboratórios com animais demonstraram que a toxicidade aguda do

arsênio é dependente de sua forma química e de seu estado de oxidação. Novamente, a

toxicidade crônica do arsênio não é bem definida. Vários estudos do arsênio em células

animais e humanas sugeriram que os compostos trivalentes de arsênio são mais tóxicos que

as formas pentavalentes. Porque o arsenito (AsIII) é extensivamente metabolizado em

humanos, ou seja, a forma química V se transforma em III, a exposição crônica ao arsênio

inorgânico resulta na crônica exposição aos compostos metilados e dimetilados do arsênio

[SLEJKOVEC., 2004].

O nível de arsênio na água potável de acordo com a Organização Mundial de Saúde

(OMS) [WHO, 2006] é de 10 µg/L. O padrão atual para água potável nos Estado Unidos

(EUA) [US.EPA, 2006] é de 50 µg/L, o qual foi estabelecido por volta de 1940 pelo

Serviço de Saúde Publica dos EUA e tende a ser baixado para 10 µg/L em 2006. No Brasil,

o valor máximo tolerável para o arsênio na água potável é de 50 µg/L de acordo com a

resolução nº20 do Conselho Nacional do Meio Ambiente/CONAMA de 2005. Estes limites

de arsênio se referem a quantidade total do elemento, o que mostra a necessidade de uma

nova resolução baseada nos limites individuais dos compostos de arsênio e ainda, baseada

em análises de especiação.

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1.2.2 - A NECESSIDADE DE ANÁLISES DE ESPECIAÇÃO DE ARSÊNIO

No passado, técnicas analíticas usando espectrometria de massa davam enfoque na

determinação dos níveis totais do arsênio, mais do que a forma química ou seu estado de

oxidação. Esta abordagem não é adequada para as necessidades analíticas de hoje já que os

atuais níveis para diferentes compostos de arsênio apresentam grande variação

[ANDREAE.,1986].

Para o arsênio inorgânico as formas tóxicas mais agudas são o arsenito (AsIII) e o

arsenato (AsV), sendo que o arsenito é bem mais tóxico que o arsenato.

[VENUPOPAL.,1978; Barra, 2000]. As formas inorgânicas tem graus variáveis de

toxicidade. O ácido monometilarsonico [MMAV, CH3AsO(OH)2] e o ácido dimetilarsínico

[DMAV, (CH3)2AsO(OH) exibem um fator de toxicidade de um para quatrocentos em

relação as formas orgânicas. Além disso, os compostos inorgânicos de arsênio tem sido

classificados como carcinogênicos [B´HYMER & CARUSO., 2004], e MMAV e DMAV

identificados como possíveis promotores de câncer [BROWN et al, 1996]. Os arsênicos

trivalentes, incluindo os compostos orgânicos são mais tóxicos que os pentavalentes

[MANDAL & SUZUKI., 2002]. O ácido monometilarsenioso [MMAIII, (CH3)As(OH2)] e o

ácido dimetilarsenioso [DMAIII, (CH3)2AsOH] são biotransformadores do arsênio

inorgânico e são também muito tóxicos [LIN et al, 1999; STYBLO et al., 1997; 2000]. Por

outro lado, a arsenobetaína [AsB, (CH3)3As+CH2COO-] é não-tóxica [VAHTNER et

al.,1983; MARAFUNTE et al.,1984], e a arsenocolina [AsC, (CH3)3As+CH2CH2O-]

acredita-se ser também não-tóxica. Os principais compostos de arsênio são listados na

TABELA 1 [B´HYMER & CARUSO., 2004].

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TABELA 1 - Principais Compostos de Arsênio

Nome Abreviação Forma Química Compostos Inorgânicos

Arsenito (ácido arsenioso) AsIII As(OH)3 Arsenato (ácido arsênico) AsV AsO(OH)3 Compostos Orgânicos

Ácido Monometilarsenioso MMAIII (CH3)As(OH)2 Ácido Monometilarsenico MMAV CH3AsO(OH)2 Ácido Dimetilarsinioso DMAIII (CH3)2AsOH Ácido Dimetilarsínico DMAV (CH3)2AsO(OH) Arsenobetaína AsB (CH3)3As+CH2COO- Arsenocolina AsC (CH3)3As+CH2CH2O

- Óxido Trimetilarsino TMAO (CH3)3AsO Ion Tetrametilarsonio Me4As+ (CH3)4As+ Ribosinas contendo Arsênio Arseno-açúcares Várias Estruturas de Açúcares

A toxicidade crônica dos compostos de arsênio por não ser bem entendida, é

pesquisada ativamente , fazendo-se então necessário estudar a mesma levando em

consideração a sua especiação, tópico que tem sido descrito em várias revisões na literatura

o qual é definido como sendo uma atividade analítica de identificação e quantificação da

forma química de um elemento. [VELA et al.,1993; ZOOROB et al.,1998; B´HYMER et

al.,2000; CARUSO et al.,2003; BAYON et al.,2003; CARUSO et al.,2003]. Além disso, a

análise de especiação do arsênio requer o acoplamento de duas técnicas analíticas: uma

técnica para separar as formas químicas do arsênio e um meio de detecção com alta

sensibilidade e baixos limites de detecção [B´HYMER & CARUSO.,2004].

1.3 - CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA (HPLC)

1.3.1 – INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES

A cromatografia é um método físico-químico de separação. O termo cromatografia

foi primeiramente empregado em 1906 e sua utilização atribuída a um botânico russo ao

descrever suas experiências na separação dos componentes de extratos de folhas. Ela está

fundamentada na migração diferencial dos componentes de uma mistura, que ocorre devido

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a diferentes interações, entre duas fases imiscíveis, a fase móvel e a fase estacionária. A

grande variedade entre as fases móveis e as fases estacionárias a torna uma técnica

extremamente versátil e de grande aplicação [DELGANI et al, 1998].

Apesar deste e de outros estudos anteriores, serem considerados precursores desta

técnica, a cromatografia foi praticamente ignorada até a década de 30. A partir daí vários

trabalhos na área possibilitaram o seu aperfeiçoamento e, em conjunto com avanços

tecnológicos, levaram-na a um elevado grau de sofisticação o qual resultou no seu grande

potencial de aplicações em muitas áreas. As razões da utilização do método é a sua

sensibilidade, a fácil adaptação para determinações quantitativas acuradas, sua adequação à

separação de espécies não voláteis ou termicamente frágeis. Além disso, ela se aplica a

substâncias de grande interesse para a industria e para muitos campos da ciência [SKOOG

et al, 2002]. Entre outras, no acompanhamento de sínteses, em análises de pesticidas,

feromônios, no isolamento de produtos naturais e sintéticos e na produção e controle de

qualidade de medicamentos, dentre tantas outras aplicações [COLLINS et al, 1993].

A cromatografia pode ser utilizada para a identificação de compostos, por

comparação com padrões previamente existentes para a purificação de compostos

separando-se as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma

mistura [DELGANI et al., 1998]. Como exemplo de aplicação da HPLC pode-se citar o

trabalho de VIEIRA et al [2001] no qual a cromatografia líquida foi usada como método

preparativo para a dosagem de esteróides hormonais, onde após 57 amostras serem

analisadas, comprovou-se ser este o método mais válido, além de ser o mais

reprodutível, versátil e menos operador dependente. LASTRA et al [2003] utilizam a

HPLC como método analítico para determinar o Indinavir, um fármaco antiretroviral, no

plasma humano. Nele, os resultados obtidos nos ensaios de validação se encontraram

dentro dos valores aceitáveis, e a HPLC se mostrou apta para a correta quantificação dos

níveis plasmáticos de Indinavir em pacientes HIV positivos. Além disso, LA GUARDIA

et al [1999] citam a HPLC como método potencialmente adequado para a determinação

de inúmeras espécies de arsênio.

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A Cromatografia Liquida de Alta Eficiência (High Performance Liquid

Chromatography - HPLC) utiliza fases estacionárias de partículas menores, e necessita do

uso de uma bomba de alta pressão para a eluição da fase móvel, sendo por isso inicialmente

denominada cromatografia liquida de alta pressão, mas sua atual designação mostra-se mais

adequada [LOUGH & WAINER., 1995].

1.3.2 - PRINCÍPIOS DE ANÁLISE E INSTRUMENTAÇÃO

O sistema HPLC consiste de um módulo de bombeamento, controlador de

gradiente, injetor automático de amostras, colunas de separação e coletor de frações. As

colunas para a cromatografia líquida geralmente construídas de tubo de aço inoxidável,

embora os tubos de vidro de paredes resistentes sejam encontrados ocasionalmente

[SKOOG et al., 2002].

O grande avanço na cromatografia em coluna foi o desenvolvimento e a utilização

de suportes com partículas diminutas responsáveis pela alta eficiência, as quais tornam

necessário o uso de bombas de alta pressão para a eluição da fase móvel, devido a sua baixa

permeabilidade [DELGANI et al., 1998]. A figura 4 mostra o esquema de um equipamento

típico de HPLC.

Figura 4 - Esquema de um equipamento típico de HPLC

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Os reservatórios de fases móveis utilizadas em HPLC podem ser de vidro ou aço

inoxidável, cada um deles contendo 200 a 1000 mL de um solvente. Os reservatórios

freqüentemente estão equipados com um meio de remoção dos gases dissolvidos

usualmente oxigênio e nitrogênio que interferem formando bolhas na coluna e nos sistemas

de detecção [DELGANI et al., 1998].

Os requisitos para um sistema de bombeamento da HPLC são rigorosos e incluem:

(1) geração de pressões até 6000 psi (libra/polegada2), (2) saída com ausência de pulsos, (3)

velocidades de pulso variando de 0,1 a 10 mL/min, (4) controle de fluxo e reprodutibilidade

relativa de fluxo de 0,5% ou ainda melhor, e (5) componentes resistentes à corrosão,

vedação de aço inoxidável ou Teflon [SKOOG et al., 2002].

Como parte do seu sistema de bombeamento, muitos equipamentos comerciais

são dotados de dispositivos controlados por computador para a medida de vazão através

da determinação da queda de pressão por um restritor localizado na saída da bomba.

Qualquer diferença no sinal comparado com um valor pré-estabelecido é então usada

para aumentar ou diminuir a velocidade do motor da bomba. A maioria dos instrumentos

também possuem um meio de variar a composição do solvente, continuamente ou em

passos, como uma válvula proporcional que permite a mistura de quatro solventes de

modo pré-programado e variado continuamente [SKOOG et al., 2002].

As válvulas de injeção usadas possuem uma alça de amostragem (em inglês “loop”)

para a introdução da amostra com uma seringa e duas posições, uma para o preenchimento

da alça e outra para a sua liberação para a coluna. Existem alças de diversos volumes, sendo

utilizadas geralmente, alças na faixa de 5-50µL para injeções analíticas e 0,5-2 mL para

preparativas [SKOOG et al., 2002].

As colunas utilizadas em HPLC são geralmente de aço inoxidável, com diâmetro

interno de cerca de 0,45 cm para separações analíticas e na faixa de 2,2 cm para

preparativas. O comprimento é variável sendo comuns colunas analíticas de 10-25 cm e

preparativas em torno de 25-30 cm. Essas colunas são reaproveitáveis, sendo empacotadas

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com suportes de alta resolução, não sendo necessária sua regeneração após cada separação. [FINNINGAN., 2005].

Os detectores utilizados para separações por HPLC são de dois tipos básicos, os de

propriedades universais ou globais que respondem a propriedades da fase móvel como um

todo, como índice de refração, constante dielétrica ou densidade, que é modulada pela

presença de solutos. Ao contrário, detectores de propriedades do soluto respondem a

algumas propriedades do soluto, como absorbância no UV, fluorescência ou corrente de

difusão que não pertencem à fase móvel. O registro de dados pode ser feito através de um

registrador, um integrador ou um microcomputador [FINNINGAN., 2005].

1.4 - ESPECTROMETRIA DE MASSAS ASSOCIADA A UMA FONTE DE PLASMA INDUZIDO (ICP-MS) 1.4.1 - INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES

O tópico da Espectrometria de Massas Associado a uma Fonte de Plasma Induzido

(ICP-MS) usado em análises em geral tem sido revisado extensivamente na literatura

[VELA et al.,1993; ZOOROB et al.,1998; B´HYMER, et al.,2000; CARUSO et al.,2003;

BAYON et al.,2003; CARUSO et al.,2003, ROBARDS et al, 1991]. Ele expandiu-se

rapidamente em todo o mundo, alcançando um grande número de usuários e variadas

aplicações.

Isto pode ser constatado pelo grande número de artigos publicados, superior a 1500

(hum mil e quinhentos), entre os anos de 1999 a 2002 de acordo com um único banco de

dados que não inclui todos os jornais de certa relevância [BEAUCHEMIN., 2002].

O ICP-MS foi desenvolvido a aproximadamente 30 anos pela junção de uma fonte

de plasma induzido e de um espectrômetro de massas com analisador quadrupolar pelos

grupos de pesquisa de Houk e Gray [HOUK et al., 1980; DATE & GRAY., 1981].

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Ele oferece várias vantagens sobre outros detectores tradicionais [B´HYMER &

CARUSO., 2004] na determinação multi-elementar, de elementos traços, ultra-traços e em

análise isotópica [MONTASER., 1998] nas áreas ambientais, da geoquímica, semi-

condutores e materiais, médica, nuclear, química e na metalurgia [DALMÁZIO, 2003]. No

ICP-MS a alta eficiência da atomização e da formação de íons do plasma indutivamente

acoplado (ICP) está ligada a capacidade de detecção oferecida pela espectrometria de massa

[B´HYMER & CARUSO., 2004].

Embora o arsênio seja monoisotópico, o ICP-MS quando acoplado a HPLC oferece

um sistema de detecção ideal nas análises de especiação devido a sua alta sensibilidade

[B´HYMER & CARUSO., 2004].

Como exemplo de aplicação ambiental, pode-se citar um estudo feito de

caracterização multi-elementar com amostras de solo do Banco Alemão de espécimes

ambientais, em Jülich, Alemanha. Os resultados deste estudo mostraram que, com as

correções apropriadas, o ICP-MS poderia ser usado para análises de rotina em solos e

sedimentos [ARUNACHALAM., 1995]. Pinte et al [1998] defendem a utilização do

ICP-MS na análise de água , dizendo ser este o método mais conveniente. Em outro

estudo realizado em Ottawa, Canadá, na determinação das concentrações de 31 metais

traços em poeiras do interior e exterior de 50 residências, o ICP-MS foi utilizado como

método de análise. Neste estudo foi mostrado que a poeira gerada a partir de fontes de

dentro da própria casa pode contribuir em muito para a exposição a elementos tóxicos

tais como chumbo, mercúrio, cádmio e antimônio [RASMUSSEM., 2001]. Veado et al

[1997, 2000] utilizaram em seus estudos o ICP-MS para medir o grau de poluição do

Rio das Velhas. Uma análise crítica sobre as aplicações do ICP-MS é apresentada por

Haraguchi [1999], na qual ele discute sobre o perfil multi-elementar da análise do

aparelho em matrizes biológicas, geoquímicas e ambientais.

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1.4.1 - PRINCÍPIO DE ANÁLISE E INSTRUMENTAÇÃO

O princípio da análise é baseado da decomposição de um composto químico em

seus componentes atômicos, seguida da ionização dos átomos conduzida por um plasma.

Os íons positivamente carregados são separados de acordo com a razão carga/massa (m/z) e

depois detectados. Os resultados, (contagens por segundo, cps, em função da massa)

quando associados à curvas de calibração permitem a determinação da concentração dos

elementos [DALMÁZIO, 2003].

Para realizar este tipo de análise, diferentes modelos de ICP-MS estão

comercialmente disponíveis. Quase todos os modelos apresentam os mesmo componentes

básicos: nebulizador, câmara de spray, tocha de plasma, interface, analisador de massas e

detector. As diferenças podem ser encontradas no dispositivo de separação de massas.

A figura 5 mostra os componentes instrumentais básicos que compõe o ICP-MS

[SPECTROSCOPY., 2005].

Figura 5 - Componentes Instrumentais Básicos que Compõe o ICP-MS

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A amostra deve estar na forma líquida para ser introduzida no ICP-MS. O líquido é

bombeado a 1 mL.min-1, normalmente por uma bomba peristáltica, para o nebulizador onde

é convertido em aerossol, sendo que este entra na câmara de spray, cuja função é remover

as gotas grandes antes do contato com o plasma. Estas gotas representam cerca de 1 a 2 %

da amostra. O aerosol é transportado pelo argônio para a tocha de plasma induzido e é

evaporado (temperatura do plasma 4000 a 8000 ºC). O plasma é formado pela interação de

um intenso campo magnético, produzido por uma rádio freqüência que passa através de um

anel de cobre, sobre um fluxo de argônio (cerca de 15 L.min-1). O gás se ioniza e quando é

alimentado por uma fonte de elétrons de alta voltagem forma-se a descarga de plasma

[DALMÁZIO., 2003].

Os compostos químicos da amostra são dissociados em seus constituintes atômicos

e ionizados em um alto grau (>90%). Os íons são direcionados para o analisador de massas

via a região de interface (10-3 atm). Esta região consiste de dois cones metálicos. Uma vez

que os íons são extraídos da região de interface, eles são direcionados para a câmara de

vácuo (10-5 atm) por uma série de lentes eletrostáticas. O feixe de íons focalizados entra no

analisador de massas, que opera a 10-9 atm [DALMÁZIO., 2003].

O analisador consiste do dispositivo de separação de massas e do detector; sendo

que o tipo mais comum é o quadrupolar. Além de ser mais compacto, mais robusto e mais

barato, tem a vantagem de possuir altas velocidades de varredura, de forma que um

espectro inteiro pode ser obtido em menos de 100 ms [SKOOG et al, 2002].

O detector quadrupolar é constituído de quatro hastes cilíndricas paralelas que

servem de eletrodos. As hastes opostas estão conectadas eletricamente, sendo um par ligado

ao lado positivo de uma fonte CC (corrente contínua) e o outro par ligado ao terminal

negativo. Além disso, são aplicados a cada par de hastes, potenciais de radiofreqüência

variável, que estão 180º fora de fase. Para se obter o espectro em massa com esse

dispositivo, os íons são acelerados, no espaço entre as hastes, por um potencial de 5,0 a

10V. Enquanto isso, as voltagens CA (corrente alternada) e CC (corrente contínua) nas

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hastes são aumentadas simultaneamente enquanto a razão é mantida constante. Em um

dado momento, todos os íons, exceto aqueles tendo um valor determinado de m/z

(massa/carga), atingem as hastes e são convertidos em moléculas neutras. Assim, somente

os íons que tem valores de m/z dentro de um intervalo limitado atingem o transdutor

[SKOOG et al, 2002]

A TABELA 2 mostra as principais vantagens e desvantagens do ICP-MS [BECKER

& DIETZE., 1998].

TABELA 2 – Vantagens e Desvantagens do ICP-MS

Vantagens → Capacidade multielementar e alta sensibilidade.

→ Simples forma de introdução da amostra na fonte de plasma (a 1 atm).

→ Evaporação e decomposição quase completa da amostra no plasma.

→ Alta eficiência na produção de íons positivamente carregados.

→ Nenhum problema de homogeneidade com a amostra, já que esta se

encontra na forma de solução.

→ Possibilidade de determinações isotópicas.

Desvantagens → A alta temperatura causa multiplicidade de reações químicas no plasma,

que leva a formação de íons moleculares e conseqüentemente a

interferências isobáricas.

→ A preparação das soluções líquidas (abertura de amostra) para análise

de amostras sólidas requer um grande consumo de tempo.

→ Risco de contaminação da amostra durante a preparação para análise

de ultratraços, devido à alta sensibilidade do método.

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Segundo La Guardia [1998], a técnica ICP-MS é atualmente a mais sensível e

seletiva alternativa para conduzir um rápido levantamento da composição elementar de uma

amostra. Sanz-Medel [2000] ressaltou que o campo da espectrometria está em expansão

quando em adição a outros equipamentos para a determinação total de elementos traços e

ultra traços.

Apesar de considerar a espectrometria de massas como a melhor opção para

diagnosticar rapidamente o nível de poluição de um ecossistema, La Guardia [1998],

reconhece os problemas de sua aplicação quando se refere às interferências isobáricas e na

necessidade da prévia dissolução ou extração da amostra.

Interferências no ICP-MS podem ser de natureza espectroscópica ou não

espectroscópica. Interferências espectroscópicas resultam de sinais de óxidos (MO+), íons

carregados duplamente (M2+), hidróxidos (MOH+), sobreposições isobáricas e de moléculas

com a mesma taxa de massa e carga do elemento de interesse. Interferências não-

espectroscópicas são, ou de efeitos físicos que resultam dos sólidos presentes em uma

solução, ou de supressão de analito e realçamento de efeitos que resultam de influências de

elementos matriz numa amostra no rendimento de íons formados [JARVIS et al, 1992]. As

interferências moleculares ou carregadas duplamente podem ser minimizadas ao ajustar o

ICP-MS.

A TABELA 3 evidencia as interferências típicas em análises elementares utilizando

o ICP-MS e a resolução (m/∆m) teoricamente requerida para obtenção dos espectros

[STUEWER & JAKUBOWSKI., 1998].

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TABELA 3 – Interferências em ICP-MS e Resolução Requerida

Íon Atômico Íon Molecular Resolução Requerida Origem

24Mg+ 12C2+ 1605 C (incluindo o orgânico)

28Si+ 14N2+ 958 HNO3

28Si+ 12C16O+ 1557 C (incluindo o orgânico) 31P+ 14N16O1H+ 968 H2O, Ar 31P+ 15N16O+ 1458 HNO3 32S+ 16O2

+ 1801 H2O 44Ca+ 12C16O2

+ 1281 C (incluindo o orgânico) 48Ti+ 32S16O+ 2519 H2SO4 51V+ 35Cl16O+ 2572 HCl 52Cr+ 35Cl16O1H+ 1671 HCl 52Cr+ 40Ar12C+ 2375 C (incluindo o orgânico), Ar 54Cr+ 40Ar14N+ 2054 HNO3, Ar 54Fe+ 40Ar14N+ 2088 HNO3, Ar 56Fe+ 40Ar16O+ 2502 H2O, Ar 64Zn+ 32S16O2

+ 1952 H2SO4 64Zn+ 32S2

+ 4264 H2SO4 75As+ 40Ar35Cl+ 7775 HCl, Ar 96Mn+ 40Ar56Fe+ 13043 Ar

1.5 - ACOPLAMENTO HPLC/ICP-MS

O ICP-MS oferece várias vantagens sobre outros métodos de detecção

multielementar e multiisotópica, devido a sua alta sensibilidade ao longo de uma larga faixa

dinâmica de detecção e boa resolução [TOMLINSON et al., 1995].

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A maioria dos elementos químicos tem uma faixa linear dinâmica de 4 a 11 ordens

de magnitude [MONTASER.,1998]. Embora o arsênio seja um elemento monoisotópico, o

ICP-MS oferece um sistema de detecção ideal devido a sua alta sensibilidade [B´HYMER

& CARUSO., 2004], alta eficiência na atomização e na formação de íons do plasma

indutivamente acoplado (ICP).

A HPLC tem a vantagem de realizar separações de espécies não-voláteis, tendo

então uma grande versatilidade sobre a cromatografia a gás, a qual freqüentemente

necessita de derivatização de analitos antes da análise; além do mais, a HPLC tem a

inerente característica da reprodutibilidade da separação. Dois exemplos deste acoplamento

de Cromatografia Líquida com a Espectrometria de Massas podem ser encontrados nos

trabalhos de Thompson & Houk [1986] e Dean et al [1987]. Em um trabalho sobre a

especiação do arsênio usando este acoplamento Beauchemin et al. [1989] estudou a

cromatografia de troca de íons e de fase reversa, onde no mesmo foi mostrado os baixos

limites de detecção para o arsênio. Sendo assim, com baixos limites de detecção e fácil

acoplamento ao sistema da HPLC, o ICP-MS se torna um método de detecção eficiente

para análises de especiação do arsênio.

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CAPÍTULO 2 – MATERIAIS & MÉTODOS

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CAPÍTULO 2 - MATERIAIS & MÉTODOS 2.1 AMOSTRAS E PROCEDIMENTOS DE PREPARAÇÃO DAS MESMAS

O processo geral da amostragem consiste em coleta, armazenamento, pré-

tratamento e extração. Cada um deste passos devem ser efetuados cuidadosamente

porque podem alterar os resultados das análises do arsênio [B´Hymer & Caruso, 2004].

As matrizes de água (A) e sedimento (S) utilizadas neste estudo foram coletadas em

vários pontos ao longo do Rio das Velhas. Todas foram coletadas, acondicionadas e

preservadas segundo as recomendações do Guia de Coleta e Preservação de Amostras de

Água da Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental [CETESB, 1988].

2.2 PRÉ-TRATAMENTO DE MATRIZES

As amostras de água foram coletadas em frascos estéreis de polietileno com 250mL,

acidificadas com 5 gotas do ácido nítrico (HNO3) in locu, em seguida as amostras foram

filtradas com filtros millipores estéreis, com poros de 27µm para a separação do material

dissolvido e particulado em suspensão. Essa amostras foram em seguidas refrigeradas a 40C

até o momento das análises.

As amostras de sedimento, depois de coletadas em frascos de polietileno de 100mL,

foram secas em estufa a 100ºC durante 12 horas. A extração do As nestas amostras foi

realizada da seguinte maneira: 300mg de amostra que foi colocada em um recipiente de

teflon onde foi ajuntado 50 mL de acido ortofosforico (H3PO4), levado a um digestor

microondas (Prolabo Microdigest A300) , aquecido, durante 20 minutos, à uma potencia

40 W. Após resfriamento a solução foi filtrada e colocada em becker de 100 mL (solução

mãe) Após diluição (segundo a concentração) as espécies de arsênico foram separadas

utlizando a HPLC. Após filtração 0,45 µm, as concentrações destas espécies foram

detectadas e quantificadas utilizando o ICP-MS.

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2.3 MÉTODOS DE ANÁLISE

2.3.1 CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA (HPLC)

As medidas foram realizadas utilizando a Surveyor Integrated LC System, Finnigam

(Bremen, Germany), cromatografia líquida de alta performance cujos componentes são:

bomba analítica, auto-amostrador, detector PDA e plataforma de solvente.

A bomba é um sistema de entrega, composta de um pistão duplo, quaternário,

misturador de solvente a baixa pressão, com vácuo perfeito embutido e com amortecedor de

pulsos. Esta bomba opera na faixa de fluxo de 1 a 9999 µL/min. Ela provê gradientes

precisos sobre a faixa de fluxo de 100 a 2000 µL/min.

O auto-amostrador permite a injeção de amostras e a execução de métodos de pré-

tratamento de amostras automaticamente. O auto-amostrador inclui um forno de coluna

interno (5º a 95ºC), controle de temperatura de bandeja/amostra (0º a 60ºC), e preparação

de amostra automática.

O detector PDA dá o mais alto nível de sensibilidade disponível na detecção para

HPLC. Sua fonte óptica cobre o espectro inteiro visível UV de 190 a 800nm. Este está

localizado acima do auto-amostrador e abaixo da plataforma de solvente, sendo controlado

remotamente por um link de comunicação de Ethernet de um PC usando um software

Xcalibur.

A plataforma de solvente, que está localizada no topo da aparelhagem, segura 4

garrafas reservatórias de solvente de 1,0 L cada e uma garrafa de lavagem de 1,0 L

(Finnigan, 2005).

A Figura 6 mostra o sistema da Cromatografia Líquida Modular da Surveyor

[FINNIGAN, 2005].

40

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A TABELA 4 mostra as condições de operação da HPLC utilizadas.

Para o caso onde as amostras só continham arsênio inorgânico (AsIII e AsV),

utilizou-se uma coluna mais curta e uma fase móvel mais concentrada afim de diminuir o

tempo de análise. As condições de operação neste segundo caso se encontram na TABELA

5.

TABELA 4 - Condições de Operação da HPLC Coluna: Hamilton PRPX-100 (250mm x 4.1 mm i.d.);

Coluna de troca de ânions, preenchida com copolímero de trimetilamônio, poliestireno divinilbenzeno

Fase Móvel: (NH4)2HPO4/(NH4)H2PO4 a 10 mmol.L-1 - 2,5% CH3CN (v/v), pH = 6.5, filtrado a 0,45µm e desgasificado no ultra-som

Modo Isocrático:

Fluxo: 1 mL.min-1 Curvatura de injeção: 20 µL.

TABELA 5 - Condições de Operação da HPLC (Segundo Caso)

Coluna: Hamilton PRPX-100 (150mm x 4.1 mm i.d.);

Coluna de troca de ânions, preenchida com copolímero de trimetilamônio, poliestireno divinilbenzeno

Fase Móvel: (NH4)2HPO4/(NH4)H2PO4 a 25 mmol.L-1 - 2,5% CH3CN (v/v), pH = 6.5, filtrado a 0,45µm e desgasificado no ultra-som

Modo Isocrático:

Fluxo: 1 mL.min-1 Curvatura de injeção: 20 µL.

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Figura 6 - Esquema da Cromatografia Líquida Modular

2.3.2 ESPECTROMETRIA DE MASSAS ASSOCIADA A UMA FONTE DE PLASMA INDUZIDA (ICP-MS)

As medidas foram realizas no PLASMA QUAD Excell VG da Elemental, um

Espectrômetro de Massas desenvolvido para a análise de uma larga variedade de amostras.

Seu analisador quadripolo de alta performance exibe boas características de transmissão,

combinando ótima sensibilidade e resolução, resultando em mínima interferência.

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Este sistema do ICP Plasma Quad compreende a seguinte montagem: gerador RF do

ICP, caixa da tocha alojando a bobina de descarga e o controle de eletrônica e o painel a

gás. Diferentes partes do espectrômetro são mantidas a diferentes pressões para garantir a

correta operação da interface do plasma e do filtro de massa quadrupolar. O sistema inteiro

é controlado via um link de comunicações padrão pela software “PC Running Special PQ

Vision”.

Um diagrama funcional do Plasma Quad ICP-MS é mostrado na Figura 7 [VG

ELEMENTAL, 2005], bem como suas características e condições de operação se

encontram na TABELA 6.

TABELA 6 – Condições de Operação do ICP-MS

Instrumento PQ Excell da Elemental Plasma gás Argônio Fonvard/Reflected Power 1350 W Fluxo de gás nebulizador 0.81 min-1 Fluxo de gás resfriador 13.51 min-1 Câmara de spray Peltier-cooled 3 ºC Pressão de interface 1.7 mbar Fluxo de gás auxiliar 0.7 L/min Pressão de analisador 8-10 mbar Resolução (∆m/m) 300

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Figura 7 - Diagrama Funcional do PLASMA QUAD Excell VG 2.4 LIMITES DE DETECÇÃO A figura 8 mostras os limites do PLASMA QUAD Excell VG [VG ELEMENTAL,

2005], no caso do As estes limites são inferiores a 1µg/L.

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CAPITULO 3 – RESULTADOS

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CAPITULO 3 – RESULTADOS 3.1 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS

As análises foram realizadas em duas etapas. Inicialmente foi determinado a

concentração total do As, utilizando o Espectrômetro de Massa Associado a uma Fonte de

Plasma (ICP-MS). Na segunda etapa as análises foram realizadas utilizando o acoplamento

HPLC/ICP-MS com o objetivo de identificar as diversas formas químicas do arsênio. As

análises foram realizadas no laboratório do Service Central d´Analyse – SCA/CNRS (Lyon,

França).

3.2 MATRIZ: SOLUÇÃO PADRÃO 3.2.1 CURVA DE CALIBRAÇÃO

As curvas de calibração foram construídas utilizando uma solução padrão de arsênio

(SPEX) com diversas concentrações. A tabela 7 mostram os resultados e a figura 9 mostra

estas curvas para as seguintes formas químicas do arsênio : arsenito (AsIII) e arsenato

(AsV).

TABELA 7 – Valores de Concentração Total (µµµµg/L) – ICP-MS e Concentração das

Formas Químicas As III e As V (µµµµg/L) - HPLC/ICP-MS

Soluções Padrão (µµµµg/L)

As III (µµµµg/L)

As V (µµµµg/L)

Soma (µµµµg/L)

Total (µµµµg/L)

1,0 (As III) + 1,0 (As V) 0,98±0,03 0,99 ±0,05 1,97 ± 0,06 2,0 ± 0,1 2,0 (As III) + 2,0 (As V) 1,97±0,06 1,95 ±0,1 3,92 ± 0,12 3,9 ± 0,2 10 (As III) + 10 (As V) 9,8±0,3 9,6 ±0,5 19,4 ± 0,6 19,8 ± 0,1 50 (As III) + 50 (As V) 49,2±1,50 48,5 ±2,42 97,7 ± 2,84 101,4 ± 5,07 75 (As III) + 75 (As V) 74,2±2,22 73,8 ±3,70 148 ± 4,31 148 ± 7,4

1,0 (As III) 0,97±0,03 0,97 ± 0,03 1,0 ± 0,05 10 (As III) 9,7±0,3 9,7 ± 0,3 10,1 ± 0,50 50 (As III) 49,5±1,50 49,5 ± 1,5 51 ± 3,0 100 (As III) 102±3,06 102 ± 3,06 97 ± 5,0 1,0 (As V) 0,95 ±0,05 0,95 ± 0,05 1,0 ± 0,05 10 (As V) 10,5 ±0,52 10,5 ± 0,52 11,0 ± 0,6 50 (As V) 52 ±2,60 52 ± 2,60 53,2 ± 2,7 100 (As V) 98,6 ±4,93 98,6 ± 4,93 103 ± 5,0

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Figura 9 – Curvas de Calibração para AsIII e AsV

Os resultados obtidos destas análises demonstraram que o acoplamento HPLC/ICP-

MS foi realizado de maneira adequada, uma vez que a soma das concentrações das formas

químicas do arsênio AsIII (arsenito) e AsV (arsenato), quando comparadas aos valores das

concentrações totais (ICP-MS) apresentam os mesmo valores dentro das flutuações

estatísticas.

3.3 MATRIZ: ÁGUAS

3.3.1 CURVA DE CALIBRAÇÃO

As curvas de calibração foram construídas utilizando uma solução padrão de arsênio

(SPEX) com diversas concentrações. A figura 10 mostra estas curvas para as seguintes

formas químicas do arsênio a saber: arsenito (AsIII), arsenato (AsV), arsenobetaína (AsB),

ácido dimetilarsínico (DMAV) e ácido monometilarsônico (MMAV).

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Figura 10 - Curvas de Calibração para AsIII, AsV, AsB, DMAV e MMAV

3.3.2 RESULTADOS

Este estudo foi realizado em duas etapas. A primeira determinou a concentração

total do arsênio utilizando o ICP-MS e a segunda utilizou o acoplamento HPLC/ICP-MS

para a determinação das formas químicas do arsênio arsenito (AsIII), arsenato (AsV),

arsenobetaína (AsB) e ácido dimetilarsínico (DMAV) presentes na solução.

A TABELA 8 apresenta os valores de concentração total de As utilizando o ICP-MS

nas diversas amostras coletadas ao longo do Rio das Velhas bem como as concentrações de

suas diversas formas químicas utilizando o acoplamento HPLC/ICP-MS.

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TABELA 8 - Valores de Concentração Total (µµµµg/L) – ICP-MS e Concentração das Formas Químicas As III, As V, AsB e DMAV (µµµµg/L) -HPLC/ICP-MS

Especiação (µµµµg/L) Amostra As III As V AsB DMAV Soma

As total (µµµµg/L)

A1 1410±56,4 1410 ±56,4 1360 ±68,0 A2 17400±696 250±12,5 60±3,6 17710 ±696 18430

±921,5 A3 1±0,05 1 ±0,05 0,98 ±0,05 A4 0,6±0,024 0,5±0,025 1,1 ±0,034 1,3 ±0,065 A5 <LQ 0 0,5 ±0,025 A6 <LQ 0,7±0,035 0,7 ±0,035 1 ±0,05 A7 30,5±1,525 30,5 ±1,525 31,4 ±1,57 A8 0,9±0,036 30,67±1,533 31,57±1,533 33,6 ±1,68 A9 24,3±1,215 0,4±0,024 0,4±0,024 25,1 ±1,215 27,3 ±1,36 A10 48,9±2,45 0,4±0,024 49,3 ±2,45 50,3 ±2,51 A11 0,9±0,036 49,2±2,46 50,1 ±2,46 51,1 ±2,55 A12 50,3±2,515 50,3 ±2,515 51,2 ±2,56 A13 51,7±2,60 51,7 ±2,60 51,7 ±2,58 A14 53,7±2,68 53,7 ±2,68 53,7 ±2,68 A15 1,4±0,07 1,4 ±0,07 1,5 ±0,07 A16 < < < A17 < < A18 27,9±1,39 27,9 ±1,39 26,9 ±1,34 A19 31,8±1,60 <LQ 0,4±0,024 32,2 ±1,60 33,1 ±1,65 A20 207±10,35 207 ±10,35 217 ±10,85 A21 1,3±0,052 60,2±3,01 61,5 ±3,01 60,3 ±3,01

<LQ : Espécie detectada inferior ao limite de quantificação

Os valores destas 21 amostras de água, onde foram encontrados quatro espécies de

arsênio – arsenito, AsIII; arsenato, AsV; arsenobetaína, AsB; e ácido dimetilarsínico,

DMAV; demonstram que o acoplamento HPLC/ICP-MS, juntamente com as curvas de

calibração, é adequado pois a soma das concentrações das diferentes formas químicas do

As, quando comparada a concentração de arsênio total medida com o auxilio do ICP-MS

são as mesmas, dentro das faixas de erros.

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3.4 MATRIZ: SEDIMENTO 3.4.1 CURVA DE CALIBRAÇÃO

As figuras 10 e 11 mostram as curvas de calibração das seguintes formas químicas

do arsênio: arsenito (AsIII), arsenato (AsV) e ácido monometilarsônico (MMAV),

construídas utilizando a solução padrão SPEX.

Figura 11 – Curvas de Calibração para AsIII e AsV

51

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Figura 12 – Curva de Calibração para MMAV

3.4.2 RESULTADOS

A TABELA 9 mostra os valores das concentrações totais utilizando o ICP-MS bem

como os valores das formas químicas do arsênio AsIII, AsV e MMAV encontradas nas

amostras de sedimento coletadas ao longo do Rio das Velhas utilizando o acoplamento

HPLC/ICP-MS.

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TABELA 9 - Valores de Concentração Total (µµµµg/g) – ICP-MS e Concentração das Formas Químicas As III, As V e MMAV (µµµµg/g) - HPLC/ICP-MS Amostra Forma Química µµµµg/g Soma (µµµµg/g) As total (µµµµg/g)

As III 0,4±0,016 S1 As V 0,7±0,035

1,1±0,038 1,3±0,065

As III 0,4±0,016 S2 As V 2,1±0,105

2,6±0,106 2,4±0,12

As III 0,6±0,024 S3 As V 2,3±0,115

2,9±0,117 3,2±0,16

MMA 0,3±0,018 S4 As V 43±2,150

43,4±2,150 42±2,1

As III 0,4±0,016 S5 As V 0,9±0,045

1,3±0,046 1,1±0,055

As III 7,8±0,315 S6 As V 27,2±1,36

35±1,40 37±1,85

As III 2,9±0,116 S7 As V 25,9±1,295

28,8±1,30 29,2±1,46

S8 As III 0,3±0,012 9,9±0,48 11±0,55 AsV 9,6±0,48

S9 As III 891,9±35,6 2145,9±72,1 2315±115,75 As V 1254±62,7

S10 As III 0,8±0,032 15,8±0,755 16±0,8 As V 15,1±0,755

S11 As III 67±3,35 63±3,15 As V 67±3,35

S12 As III 1,7±0,085 1,4±0,07 As V 1,7±0,085

S13 As III 107,9±5,395 109±5,45 As V 107,9±5,395

S14 As III 148,8±7,4 150±7,5 As V 148,8±7,4

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Amostra Forma Química µµµµg/g Soma (µµµµg/g) As total (µµµµg/g)

S15 As III 0,6±0,024 14,4±0,69 15±0,75 As V 13,8±0,69

S16 As III 2,3±0,115 2,1±0,105 As V 2,3±0,115

Os resultados obtidos para estas amostras demonstraram que a especiação do

arsênio pode ser realizada em amostras de sedimento utilizando o acoplamento HPLC/ICP-

MS, uma vez que a soma das concentrações das formas químicas do arsênio AsIII

(arsenito), AsV (arsenato) e MMAV (ácido monometilarsínico) se encontram dentro das

flutuações estatísticas quando comparadas aos valor da concentração total utilizando o

ICP-MS.

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CONCLUSÃO

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Considerando os objetivos da pesquisa e os resultados obtidos, podemos ressaltar as

seguintes conclusões:

- Embora o arsênio seja monoisotópico, o ICP-MS é um sistema de análise ideal para

detecções da concentração total e quando acoplado a HPLC é um excelente método

para as análises de especiação devido a sua alta sensibilidade e baixos limites de

detecção.

- Nas amostras analisadas, se fizeram presentes cinco espécies de arsênio, AsIII,

AsV, AsB, DMAV e MMAV, sendo que estas três últimas, além de aparecerem

raríssimas vezes, tiveram um valor detectado a nível de ultra traço quando

comparadas aos valores de AsIII e AsV. Este fato mostra a importância e

confiabilidade do acoplamento ICP-MS/HPLC em separar até mínimas quantidades,

ressaltando assim sua alta sensibilidade.

- O acoplamento da Cromatografia Líquida de Alta Performance (HPLC) com a

Espectrometria de Massa Acoplada a uma Fonte de Plasma (ICP-MS) se mostrou

um excelente procedimento para o estudo da especiação do arsênio devido sua alta

sensibilidade, seletividade e baixos limites de detecção. Esta combinação de duas

técnicas analíticas apresentou resultados acurados, uma vez que todos os valores

apresentados foram compatíveis. Isto deve-se a HPLC ser potencialmente adequada

na separação das diversas espécies de arsênio e o ICP-MS ser um método de alta

sensibilidade com excelentes limites de detecção.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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