Métodos de Preparo de Amostras Métodos de Preparo de Amostras

para Determinação depara Determinação de1515N por IRMSN por IRMS

Análise de Nitrogênio (15N) em IRMS

N-combinado

N-inorgânico (N-NH4+, N-NO3, N-NO2)

N-orgânico

(matéria orgânica)

(N- mineral)

N2

N-combinado N2

Métodos Convencionais de Preparo de Amostras

Método por via úmida:

Kjeldahl-Rittenberg

Oxidante

H2O2 // KMnO4

N-orgânico N-mineralmistura

digestora +

Sal

Li2SO4

Catalisador

Se, HgOÁcido

H2SO4

2NH3+ 1H2SO4 (NH4)2SO4

* 1948: Kjeldahl-Rittenberg (NH4 N2)

* Kjeldahl: N-combinado N-amoniacal

conversão

H2SO4 (c) +

* Atualmente: muitas variações método

Etapas

coleta

secagem (60oC)

moagem (150 m)

pesagem (0,1 – 0,2 g)

Tubo de ensaio

Capela

Bloco digestor(340oC)

Tubo de digestão

Mistura digestora

Digestão incompleta Digestão completa

5 h

extrato(NH4)2SO4

Destilação por arraste vapor

Difusão amoniacal

Destilação por arraste vapor

destilador

H2O

NH3H2O(v)

(NH4)2SO4

NaOH

H3BO3caldeira

extrato

sistema refrigeração

(NH4)2SO4 + 2NaOH 2NH4OH + Na2SO4

NH3 + H3BO3 NH4H2BO3 (borato de amônio)

Titulação

2NH3 2H2O+

NH4H2BO3 + H2SO4

H3BO3 + (NH4)2SO4

Titulação: N-total

início fim

Secagem

(NH4)2SO4 + LiOBr

N2 + H2SO4 + H2O + LiBr

1948: Kjeldahl-Rittenberg (NH4 N2)

(NH4)2SO4

60oC

(sal)MS

Tubo em Y de Rittenberg (Fonte: Mulvaney, 1993).

LiOBr

(NH4)2SO4

- 196 oCarmadilha criogênica

IRMS(vista parcial)

N2

Br2

H2O

N2

Sistema deadmissão

Fonte de ionização Analisador Detector

Íons: ImpulsoselétricosÍons

Moléculas:íonsMoléculas

Alto vácuo

IRMS

Recuperação do resíduo contendo BrRecuperação do resíduo contendo Br

25

Resíduo (LiBr + LiOH)

Sol. Ácido Sulfúrico

Sol. LiOH

Adição de ácido sulfúricoAdição de ácido sulfúrico

Sol. LiOH

Fim da reaçãoFim da reação

Li OBr +LiOH

Destilação de amônia Dest. Incompleta. Contaminação cruzada durante a destilação

Concentração de amostras de Perdas de amônio como amônia. Contaminaçãoamônio de amônio da amostra por NH3 da atmosfera

Etapa Fonte de erro

Conversão do N-combinado do Uso de métodos de digestào não espec.material orgânico a forma NH4

+ de conversão. Conversão incompleta

Conversão do amônio a N2 na

Remoção incompleta, antes da reação, do N2

reação com LiOBr

dissolvido na solução ou no tubo de reação. Incompleta conversão do NH4 a N2. Falha na

recuperação do N2 dissolvido, produto da reação com LiOBr. Vazamento de ar atm. Para

o interior do tubo de reação.

Possíveis erros envolvidos no preparo de amostrasde nitrogênio (N2) para determinação de 15N comuso de LiOBr (fonte: Hauck & Bremmer, 1976).

Difusão

amoniacal

Micro-difusão

amoniacal

Difusão

N-NH4+

extratodigerido

Tubo digestão-difusão

extrato digerido

Solo/Planta

KHSO4 ou H2SO4

NaOH (10 ml - 18 M)

Tubo digestão-difusão

NH3

Titulação(base)H2SO4 exc.

Recuperação N-NH4

+

(140oC - 24h)

(NH4)2SO4 + 2NaOH 2NH4OH + Na2SO4

N-total

20

40

60

80

100

120

Tempo de difusão amônia (h)

8 24 48 72 96 168

% d

ifu

são 80oC

140oC

(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) v = 70 mL – 1 mg N (80oC n=8, 140oC n=10)

Tempo x temperatura (vfixo)

Tempo x temperatura (vfixo)

(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) v = 70 mL – 1 mg N (80oC n=8, 140oC n=10) - % átomos do padrão 1,3161

1,286

1,290

1,294

1,298

1,302

1,306

1,310

1,314

0 24 48 72 96 120 144 168 192

% á

ts 1

5N

Tempo de difusão amônia (h)

80oC

140oC

padrão

40

60

80

100

120

Volume (mL)50 30 10

24 h

8 h

Volume x tempo (Tcte = 140oC)%

di f

usã

o

(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) 140oC (8 h, n=4, 24h, n=5

1,300

1,304

1,308

1,312

1,316

1,320

% á

ts 1

5N

50 30 10

padrão

Volume x tempo (Tcte = 140oC)

(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) 140oC (8 h, n=4, 24h, n=5

24 h

8 h

Difusão

N-solo: NH4+, NO3

- e NO2-

N-inorgânico soloextrator

KCl

Keenney & Nelson, 1982

(1:3 a 1:10 de solo:extratante)

destilador

extrato

NH3

H2SO4

N-NH4+

1a difusão

MgO(alcali)

(NH4)2SO4atenção

2a difusão

redução: nitrato e nitrito

N-NO3+ NO2

Liga de Dewarda

Cu (50%) + Al (45%) + Zn (5%)

H2SO4

troca

adição

NH3

(NH4+)

Difusão

N-mineral extratos solo

Desenv. técnica

Brooks et. al. (1989)

difusão N-mineral extratos de solo

frasco

especialfinalidade

disco (papel

microfibra vidro)

amostra

MgO+

Liga de Dewarda

10lKHSO4

2,5 M

extratorKCl

ms = 50 a 100 g NANCA-SL

(adaptada de Brooks et al, 1989)

Volume da N na Ácidosolução solução ("TRAP")

(mL) (mg L-1) Média SD

40 2 KHSO4 100

60 2 H2SO4 96

5 20 KHSO4 103 40 20 H2SO4 101

Tabela 1. Recuperação de 15N de solução padrãopara armadilha com ácido em papel (n=5); Tempo 140h.

0

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

tempo difusão (h)

N r

em

an

esc

en

te n

a s

olu

ção

, %

40 mL.2mgN L-1 KHSO4

60 mL.2mgN L-1 KHSO4

40 mL.20mgN L-1 H2SO4

(fonte: Brooks et al, 1989) solução padrão KCl papel microfibra vidro

Difusão de NH3

Primeira Variante do Método da Micro-Difusão

Desenvolvido no LIE-CENA

Microdifusão

N-inorgânico

Desenv. técnica

Mortatti et al (2002)

tempo volatilização velocidade analítica

difusão

vácuofinalidade

(Fonte: Mortatti et al., 2002)

Aplicações:

Baixos teores N:

águas fluviais,

residuárias e

extratos de solo

Baseia-se:

Técnica difusão

amonical (sistema

fechado à vácuo)

Micro-difusão

N-inorgânico

N-amoniacal

Formas de N - dissolvido águas

N-inorgânico

NH4+ NO3

- NO2-

N-nítrico

50 e 125 mL

Materiais

Erlenmeyers

Cachimboborossilicato

Bomba vácuo

Amostra(20 mL)

10 µL solução padrão

Sulfato de Amônio

(δ15N = +20 %o)

Testes do Método

filtro de fibra de vidro cachimbos

vazador

Método

10 mm diâmetro

10 µL - KHSO4

(2,5 M)

MgO

(200 mg)

Vácuo

(bomba manual)380 mmHg = 0,5 atm = 50,7 kPa

Método

Entrada MgO

NH4 + MgO Mg(OH)2 + NH3

NH3 + KHSO4 KSO4 + NH4

alcalinização volatização

Método

Método

Estufa

(8 h, 40ºC)

Dessecador

Ambiente livre NH3

H2SO4 (con)

0

5

10

15

20

25

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100

15N

-(N

H4)

2SO

4 (‰

)

60oC 40oC 25oC

sem vácuo

com vácuo

tempo de difusão = 1, 2, 4, 8, 12, 48, 72 e 96 h

Erlenmeyer = 50 mL

8 h

Testes difusão (NH3)

20 mL solução; 200 mg MgO e 10 L de KHSO4 2,5 M

0

5

10

15

20

25

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100Tempo (h)

sem vácuo

com vácuo

60oC 40oC 25oC

15N

-(N

H4)

2SO

4 (‰

)Erlenmeyer = 125 mL

Testes difusão (NH3)

tempo de difusão = 1, 2, 4, 8, 12, 48, 72 e 96 h

fonte: Mortatti et al (2000)

Segunda Variante do Método da Micro-

Difusão Desenvolvido no LIE-CENA

1) Fita de PTFE Concentração do N-

amônio por microdifusão

2) Filtro GF/D

3) KHSO4 (10L; 2,5M)4) Tampar e

selar

5) Extrato + MgO +

filtro

6) Agitação

7) Secagem

Espectrômetro

De Massas

(Fonte: D’Andrea et al., 2011)

Filtro cápsula estanho

Análise isotópica

ANCA-SL

Método

(6x12 mm)

Método por via seca:

Combustão de Dumás modificado

CuO

O que é o Método Dumás?O que é o Método Dumás?

M.O.

Ampola

vidro

H2O(v)

SOxNOx

N2 CO2

550OC

Cu + NOx CuO + N2

Cu + SOx CuO + So

Redução: NOx e SOx H2O(v)

KOH (l)

Linha de alto vácuo

N2

CO2

N2CO2

H2O(v)

CO2 + KOH KCO3 + H2O

H2O

Armadilhacriogênica

N2 (l)

H2O

N2

Tubo

borossilicato

ou

quartzo

Método por via seca:

Combustão de Dumás modificado

Amostra(1 a 2 mg)

CuO

CaO1,5 g

= 9 mm

Pirani

A1 A1

0,01 mbar

Linha de alto vácuo (LAV)

CapilarMaçarico

Combustão

Mufla

12 h / 3 h

550ºC / 900ºC

Gases

Cu + SO2 So + CuO

Cu + NOx N2 + CuO

CaO + CO2 CaCO3

CaO + H2O Ca(OH)2

CO2

H2O(v)

SOx

NOx

N2

N-orgânico + CuO + CaO Cu

N2

Sistema deadmissão

Fonte de ionização Analisador Detector

Íons: ImpulsoselétricosÍons

Moléculas:íonsMoléculas

Alto vácuo

IRMS

Determinação: N (Método Determinação: N (Método

Automatizado - Automatizado - ANCA-SL))

Técnica

Início na década dos anos 80

Analisador elementar de N

Inventores: Preston e Owens

(Barrie & Prosser, 1996)

Melhorias técnica, 1986 – coop.indústria

Equipamento dedicado

Preston e Owens

Controle: programa computador

Preparo amostra

Análise

por IRMS

ANCA-MS

Integração

Etapas: Coleta, Preparo e Análise

Cápsula: Sn

Amostra

Auto amostrador

ANCA-SL

66 amostras

(6x12 mm)

ANCA-SL

adaptado (Barrie & Prosser, 1996)

N2

28

29

30

CG

CG

MgClO4

entrada amostras

(simples)

redução

Fo

rno

de

ox

ida

ção

carbosorb

(Cu0)

(Cr2O3; CuO; Ag)

fluxo He pulso O2

Purgação amostras

tubo de combustão

ANCA-SL

Catalisador(Cr2O3)

Fios(CuO)

Lã de AgOxidação

hidrocarbonetos

halogênios

1000 oC 1700 oC

pulso O2

ANCA-SL

ANCA-SL

CO2

H2O(v)

NOx

N2

Cobremetálico

Redução: Cu + NOx N2 + CuO

1700 oC 600 oC

Reciclagem

Nova Linha de Reciclagem de Cobre-LIENova Linha de Reciclagem de Cobre-LIE

Retenção: H2O(v)

Perclorato de magnésio

Mg(ClO4)2

(a) retenção: CO2

Carbosorb (base)

(b) transposição: CO2

(a) transposição: N2

(a)

(b)

AnáliseN2 caminho (a)

CO2 caminho (b)

Porquê reter o CO2 ?

N2

14N 14N = 28

14N 15N = 29

15N 15N = 30

12C16O16O = 28

CO2

O C O

CO

O C

Transposição de N2 e CO2 !

15N15N

30

14N14N

28

14N15N

29

14N

15N

14N

15N

Transposição de N2 e CO2 !

12C16O18O12C17O17O

13C16O17O

46

12C16O16O

44

13C16O16O

12C16O17O

45

12C

13C

16O

17O

18O

CG

CG

Cromatografia Gasosa (CG)

CO2: polar

N2: apolar

CO2

28

29

30

móvel

fases

estacionária

N244

45

46

ANCA-SL

adaptado (Barrie & Prosser, 1996)

N2

28

29

30

CG

CG

MgClO4

entrada amostras

(simples)

redução

Fo

rno

de

ox

ida

ção

carbosorb

(Cu0)

(Cr2O3; CuO; Ag)

ResultadosÁtomos % ou %o

concentração de C, N e S (%)(referente a padrões)

Espectrômetro de massa

Ionização por impacto de elétronsSeparação por campo magnético

Detecção das massas

Separação Cromatográfia

Combustão Controladaseguido de

Oxidação e Reduçãodos gases de carbono e nitrogênio

Amostrador automático66 amostras

Cápsula de Estanho com amostra

IRMS-ANCA (Automatic Nitrogen And Carbon Analyser) SL 20/20:IRMS-ANCA (Automatic Nitrogen And Carbon Analyser) SL 20/20:COM UM ANALISADOR ELEMENTAR - EUROPA SCINTIFIC LDA.COM UM ANALISADOR ELEMENTAR - EUROPA SCINTIFIC LDA.

Sistema ANCA-G para análise de gases N2O e CH4

Referências

BARRIE, A.; PROSSER, S.J. Automated analysis of light-element stable

isotopes by isotope ratio mass spectrometry. In BOUTTON, T.W. and

YAMASAKI, S. Eds. Mass spectrometry of Soils, p. 01-46, 1996.

MULVANEY, R.L. Mass Spectrometry. In: KNOWLES, R.; BLACKBURN,

T.H. eds. Nitrogen Isotope Tecniques. Academic Press, San Diego,

1993, p. 11-57.