Métodos de Preparo de Amostras para Determinação de 15 N por IRMS.

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1 Métodos de Preparo de Amostras para Determinação de 15 N por IRMS

2 Análise de Nitrogênio ( 15 N) em IRMS N -combinado N-inorgânico (N-NH 4 +, N-NO 3, N-NO 2 ) N-orgânico (matéria orgânica) (N- mineral) N2N2

3 N-combinado N2N2 Métodos Convencionais de Preparo de Amostras

4 Método por via úmida: Kjeldahl-Rittenberg

5 Oxidante H 2 O 2 // KMnO 4 N-orgânico N-mineral mistura digestora + Sal Li 2 SO 4 Catalisador Se, HgO Ácido H 2 SO 4 2NH 3 + 1H 2 SO 4 (NH 4 ) 2 SO 4

6 amostrasal ácido catalisador A T E N Ç Ã O (NH 4 ) 2 SO 4 + Se +... + H 2 SO 4 (exc) Cuidados Contaminações Mistura digestora

7 * 1948: Kjeldahl-Rittenberg ( NH 4 N 2 ) * Kjeldahl: N-combinado N-amoniacal conversão H 2 SO 4 (c) + * Atualmente: muitas variações método

8 Etapas coleta secagem (60 o C) moagem (150 m) pesagem (0,1 – 0,2 g) Tubo de ensaio

9 Capela Bloco digestor (340 o C) Tubo de digestão Mistura digestora

10 Digestão incompletaDigestão completa 5 h extrato (NH 4 ) 2 SO 4

11 Destilação por arraste vapor Difusão amoniacal

12 Destilação por arraste vapor destilador H2OH2O NH 3 H 2 O (v) (NH 4 ) 2 SO 4 NaOH H 3 BO 3 caldeira extrato

13

14 sistema refrigeração

15 (NH 4 ) 2 SO 4 + 2NaOH 2NH 4 OH + Na 2 SO 4 NH 3 + H 3 BO 3 NH 4 H 2 BO 3 (borato de amônio) Titulação 2NH 3 2H 2 O+

16 NH 4 H 2 BO 3 + H 2 SO 4 H 3 BO 3 + (NH 4 ) 2 SO 4 Titulação: N-total início fim

17 Secagem (NH 4 ) 2 SO 4 + LiOBr N 2 + H 2 SO 4 + H 2 O + LiBr 1948: Kjeldahl-Rittenberg (NH 4 N 2 ) (NH 4 ) 2 SO 4 60 o C (sal) MS

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

19 LiOBr (NH 4 ) 2 SO 4 - 196 o C armadilha criogênica IRMS (vista parcial) N2N2 Br 2 H2OH2O

20 N2N2 Sistema de admissão Fonte de ionização Analisador Detector Íons: Impulsos elétricos Íons Moléculas: íons Moléculas Alto vácuo IRMS

21 Recuperação do resíduo contendo Br 25 Resíduo (LiBr + LiOH) Sol. Ácido Sulfúrico Sol. LiOH

22 Adição de ácido sulfúrico Sol. LiOH

23 Fim da reação Li OBr +LiOH

24 Destilação de amôniaDest. Incompleta. Contaminação cruzada durante a destilação Concentração de amostras dePerdas de amônio como amônia. Contaminação amôniode amônio da amostra por NH 3 da atmosfera EtapaFonte de erro Conversão do N-combinado doUso de métodos de digestào não espec. material orgânico a forma NH 4 + de conversão. Conversão incompleta Conversão do amônio a N 2 na Remoção incompleta, antes da reação, do N 2 reação com LiOBr dissolvido na solução ou no tubo de reação. Incompleta conversão do NH 4 a N 2. Falha na recuperação do N 2 dissolvido, produto da reação com LiOBr. Vazamento de ar atm. Para o interior do tubo de reação. Possíveis erros envolvidos no preparo de amostras de nitrogênio (N 2 ) para determinação de 15 N com uso de LiOBr (fonte: Hauck & Bremmer, 1976).

25 Difusão amoniacal Micro-difusão amoniacal

26 Difusão N-NH 4 + extrato digerido Tubo digestão-difusão extrato digerido Solo/Planta KHSO 4 ou H 2 SO 4 NaOH (10 ml - 18 M)

27 Tubo digestão-difusão NH 3 Titulação (base) H 2 SO 4 exc. Recuperação N-NH 4 + (140 o C - 24h) (NH 4 ) 2 SO 4 + 2NaOH 2NH 4 OH + Na 2 SO 4 N-total

28 Tempo de difusão amônia (h) 8244872 96 168 % difusão 80 o C 140 o C (Fonte: O`Deen & Porter, 1979) v = 70 mL – 1 mg N (80 o C n=8, 140 o C n=10) Tempo x temperatura (v fixo )

29 (Fonte: O`Deen & Porter, 1979) v = 70 mL – 1 mg N (80 o C n=8, 140 o C n=10) - % átomos do padrão 1,3161 % áts 15 N Tempo de difusão amônia (h) 80 o C 140 o C padrão

30 Volume (mL) 503010 24 h 8 h Volume x tempo (T cte = 140 o C ) % difusão (Fonte: O`Deen & Porter, 1979) 140 o C (8 h, n=4, 24h, n=5

31 % áts 15 N 50 30 10 padrão Volume x tempo (T cte = 140 o C ) (Fonte: O`Deen & Porter, 1979) 140 o C (8 h, n=4, 24h, n=5 24 h 8 h

32 Difusão N-solo: NH 4 +, NO 3 - e NO 2 - N -inorgânico solo extrator KCl ‹ Keenney & Nelson, 1982 (1:3 a 1:10 de solo:extratante) destilador extrato

33 NH 3 H 2 SO 4 N-NH 4 + 1 a difusão MgO (alcali) (NH 4 ) 2 SO 4 atenção

34 2 a difusão redução: nitrato e nitrito N-NO 3 + NO 2 Liga de Dewarda Cu (50%) + Al (45%) + Zn (5%) H 2 SO 4 troca adição NH 3 (NH 4 + )

35 Difusão N-mineral extratos solo Desenv. técnica ‹ Brooks et. al. (1989) difusão N-mineral extratos de solo frasco especial finalidade

36 disco (papel microfibra vidro) amostra MgO + Liga de Dewarda 10 l KHSO 4 2,5 M extrator KCl m s = 50 a 100 g N ANCA-SL (adaptada de Brooks et al, 1989)

37 Tabela 1. Recuperação de 15 N de solução padrão para armadilha com ácido em papel (n=5); Tempo 140h. 0

38 tempo difusão (h) N remanescente na solução, % 40 mL.2mgN L -1 KHSO 4 60 mL.2mgN L -1 KHSO 4 40 mL.20mgN L -1 H 2 SO 4 (fonte: Brooks et al, 1989) solução padrão KCl papel microfibra vidro Difusão de NH 3

39 Primeira Variante do Método da Micro-Difusão Desenvolvido no LIE-CENA

40 Microdifusão N-inorgânico Desenv. técnica ‹ Mortatti et al (2002) tempo volatilização velocidade analítica difusão vácuo finalidade

41 (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

42 N-amoniacal Formas de N - dissolvido águas N-inorgânico NH 4 + NO 3 - NO 2 - N-nítrico

43 50 e 125 mL Materiais Erlenmeyers Cachimbo borossilicato Bomba vácuo

44 Amostra (20 mL) 10 µL solução padrão Sulfato de Amônio (δ 15 N = +20 % o ) Testes do Método

45 filtro de fibra de vidro cachimbos vazador Método 10 mm diâmetro

46 10 µL - KHSO 4 (2,5 M) MgO (200 mg) Vácuo (bomba manual) 380 mmHg = 0,5 atm = 50,7 kPa Método

47 Entrada MgO NH 4 + MgO Mg(OH) 2 + NH 3 NH 3 + KHSO 4 KSO 4 + NH 4 alcalinização volatização Método

48 Estufa (8 h, 40ºC) Dessecador Ambiente livre NH 3 H 2 SO 4 (con)

49 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 020406080100 15 N-(NH 4 ) 2 SO 4 () 60 o C40 o C 25 o C sem vácuo com vácuo tempo de difusão = 1, 2, 4, 8, 12, 48, 72 e 96 h Erlenmeyer = 50 mL 8 h Testes difusão (NH 3 ) 20 mL solução; 200 mg MgO e 10 L de KHSO 4 2,5 M

50 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 020406080100 Tempo (h) sem vácuo com vácuo 60 o C40 o C 25 o C 15 N-(NH 4 ) 2 SO 4 () Erlenmeyer = 125 mL Testes difusão (NH 3 ) tempo de difusão = 1, 2, 4, 8, 12, 48, 72 e 96 h fonte: Mortatti et al (2000)

51 Segunda Variante do Método da Micro- Difusão Desenvolvido no LIE-CENA

52 1) Fita de PTFE Concentração do N-amônio por microdifusão 2) Filtro GF/D 3) KHSO 4 (10 L; 2,5M) 4) Tampar e selar 5) Extrato + MgO + filtro 6) A gi ta ção 7) Secagem Espectrômetro De Massas

53 (Fonte: DAndrea et al., 2011)

54 Filtro cápsula estanho Análise isotópica ANCA-SL Método (6x12 mm)

55 Método por via seca: Combustão de Dumás modificado

56 CuO O que é o Método Dumás? M.O. Ampola vidro H 2 O (v) SO x NO x N2N2 CO 2 550 O C

57 Cu + NO x CuO + N 2 Cu + SO x CuO + S o Redução: NO x e SO x H 2 O (v) KOH (l) Linha de alto vácuo N2N2 CO 2 N2N2 H 2 O (v) CO 2 + KOH KCO 3 + H 2 O H2OH2O

58 Armadilha criogênica N 2 (l) H2OH2O N2N2

59 Bomba mecânica Bomba difusora Manômetro (Hg) Pirani A1A1 A2A2 A2A2 A2A2 A2A2 LAV

60 CO 2 (s) C 2 H 5 OH + - 76 o C N 2 (l) - 196 o C Armadilha criogênica H2OH2O CO 2 N2N2 A1A1 A2A2

61 Tubo borossilicato ou quartzo Método por via seca: Combustão de Dumás modificado Amostra (1 a 2 mg) CuO CaO 1,5 g = 9 mm

62 Pirani A1A1 A1A1 0,01 mbar Linha de alto vácuo (LAV) Capilar Maçarico

63 Combustão Mufla 12 h / 3 h 550ºC / 900ºC Gases

64 Cu + SO 2 S o + CuO Cu + NO x N 2 + CuO CaO + CO 2 CaCO 3 CaO + H 2 O Ca(OH) 2 CO 2 H 2 O (v) SO x NO x N2N2 N-orgânico + CuO + CaO Cu

65 N2N2 Sistema de admissão Fonte de ionização Analisador Detector Íons: Impulsos elétricos Íons Moléculas: íons Moléculas Alto vácuo IRMS

66 Determinação: N (Método Automatizado - ) Determinação: N (Método Automatizado - ANCA-SL) Técnica Início na década dos anos 80 Analisador elementar de N Inventores: Preston e Owens (Barrie & Prosser, 1996)

67 Melhorias técnica, 1986 – coop.indústria Equipamento dedicado Preston e Owens Controle: programa computador

68 Preparo amostra Análise por IRMS ANCA-MS Integração

69 Etapas: Coleta, Preparo e Análise Cápsula: Sn Amostra Auto amostrador ANCA-SL 66 amostras (6x12 mm)

70 ANCA-SL adaptado (Barrie & Prosser, 1996) N2N2 28 29 30 CG MgClO 4 entrada amostras (simples) redução Forno de oxidação carbosorb (Cu 0) (Cr 2 O 3 ; CuO; Ag)

71 fluxo Hepulso O 2 Purgação amostras tubo de combustão ANCA-SL

72 Catalisador (Cr 2 O 3 ) Fios (CuO) Lã de Ag Oxidação hidrocarbonetos halogênios 1000 o C1700 o C pulso O 2 ANCA-SL

73 CO 2 H 2 O (v) NO x N2N2 Cobre metálico Redução: Cu + NO x N 2 + CuO 1700 o C600 o C Reciclagem

74 Nova Linha de Reciclagem de Cobre-LIE

75 Retenção: H 2 O (v) Perclorato de magnésio Mg(ClO 4 ) 2

76 (a) retenção: CO 2 Carbosorb (base) (b) transposição: CO 2 (a) transposição: N 2 (a) (b) Análise N 2 caminho (a) CO 2 caminho (b)

77 Porquê reter o CO 2 ? N 2 14 N 14 N = 28 14 N 15 N = 29 15 N 15 N = 30 12 C 16 O 16 O = 28 CO 2 O C O CO O C

78 Transposição de N 2 e CO 2 ! 15 N 30 14 N 28 14 N 15 N 29 14 N 15 N 14 N 15 N

79 Transposição de N 2 e CO 2 ! 12 C 16 O 18 O 12 C 17 O 17 O 13 C 16 O 17 O 46 12 C 16 O 16 O 44 13 C 16 O 16 O 12 C 16 O 17 O 45 12 C 13 C 16 O 17 O 18 O

80 CG Cromatografia Gasosa (CG) CO 2 : polar N 2 : apolar

81 CO 2 28 29 30 móvel fases estacionária N2N2 44 45 46

82 ANCA-SL adaptado (Barrie & Prosser, 1996) N2N2 28 29 30 CG MgClO 4 entrada amostras (simples) redução Forno de oxidação carbosorb (Cu 0) (Cr 2 O 3 ; CuO; Ag)

83 Resultados Átomos % ou % o concentração de C, N e S (%) (referente a padrões) Espectrômetro de massa Ionização por impacto de elétrons Separação por campo magnético Detecção das massas Separação Cromatográfia Combustão Controlada seguido de Oxidação e Redução dos gases de carbono e nitrogênio Amostrador automático 66 amostras Cápsula de Estanho com amostra IRMS-ANCA (Automatic Nitrogen And Carbon Analyser) SL 20/20: COM UM ANALISADOR ELEMENTAR - EUROPA SCINTIFIC LDA.

84 Sistema ANCA-G para análise de gases N 2 O e CH4

85 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.