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Dra. Andréa Pires Fernandes Preparo de Amostras UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA GRUPO DE PESQUISA EM QUÍMICA ANALÍTICA INSTITUTO DE QUÍMICA.

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1 Dra. Andréa Pires Fernandes Preparo de Amostras UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA GRUPO DE PESQUISA EM QUÍMICA ANALÍTICA INSTITUTO DE QUÍMICA

2 Missão da química analítica Propor os meios para a determinação da composição química dos materiais

3 A seqüência analítica Definição do problema Escolha do método Amostragem Pré-tratamento da amostra Medida Calibração Avaliação Ação

4 informação analítica - Qual a informação analítica necessária? Amostragem - Amostragem: adequada? método de análise - Qual método de análise fornecerá a informação? PREPARO - PREPARO: converter a amostra em forma adequada para análise. Calibração - Calibração: obtenção com padrões adequados. Medição - Medição: obtenção de dados da amostra. Avaliação - Avaliação: resultado obtido é confiável? SEQUÊNCIA ANALÍTICA

5 Definição do problema Determinação de elementos em baixas concentrações em diferentes amostras

6 Avaliação dos teores de mercúrio em águas e sedimentos

7 Níveis típicos de Hg em amostras ambientais Ar Chuva Oceano aberto Água costeira Sedimentos marinhos Solos contaminados ng m ng l -1 0,5 - 3 ng l ng l -1 < 100 ng g µg g -1 Rios e lagos ng l -1 Sedimentos e solos < 700 ng g -1

8 A seqüência analítica Definição do problema Definição do problema Escolha do método Escolha do método Amostragem Amostragem Pré-tratamento da amostra Pré-tratamento da amostra Medida Medida Calibração Calibração Avaliação Avaliação Ação Ação

9 Limites de detecção típicos para as principais técnicas espectroanalíticas Figura adaptada de

10 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

11 AMOSTRAGEM ESCOLHA DAS ESPÉCIES/TECIDOS CONDIÇÃO DA CARCAÇA MATERIAL UTILIZADO E LOCAL DE COLETA ACONDICIONAMENTO DAS AMOSTRAS PROFISSIONAL QUALIFICADO (Geraci& Lounsburry,1993; OShea,1999) PROCESSO DE COLETAR UMA PEQUENA MASSA DE UM MATERIAL CUJA COMPOSIÇÃO REPRESENTE TODO O MATERIAL QUE ESTÁ SENDO AMOSTRADO. (Skoog et al, 2006)

12 AMOSTRAGEM ANIMAIS SELVAGENS ENCALHES – CONDIÇÃO DA CARCAÇA LOCAL DE COLETA INADEQUADO TRANSPORTE P/ LABORATÓRIO DIFICULDADES

13 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.

14 Tempo gasto na análise química Preparo da amostra 61% Amostragem 6% Análise 6% Tratamento dos dados 27% Adaptado de Ronald E. Major An overview of sample preparation, LC-GC,vol 9, nº1, 1991.

15 A importância do preparo de amostras nos métodos analíticos Máxima 60,6% Nenhuma 1,6% Mínima 6,8% Moderada 31,0% Adaptado de Ronald E. Major An overview of sample preparation, LC-GC,vol 9, nº1, 1991.

16 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 ???

17 AMOSTRA REAGENTES ENERGIA Rompimento das ligações/ destruição da estrutura cristalina Reagentes complementares SOLUÇÃO ANALITOS Prof. Dr. Celso Spinola- UFBa

18 Tratamentos Preliminares Amostra Lavagem Secagem Moagem Peneiramento Refrigeração Agitação mecânica Polimento Procedimentos Físicos

19 Tratamentos Preliminares 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

20 Tratamentos Preliminares 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.

21 - ESTUFA COM CIRCULAÇÃO FORÇADA DE AR (60-65º C) - MICROONDAS DOMÉSTICO - LIOFILIZAÇÃO (remoção de água de uma amostra por sublimação a vácuo) Tratamentos Preliminares Secagem

22 Tratamentos Preliminares 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)

23 Tratamentos Preliminares Moagem extra-finaMoagem grosseira Liquidificador Processador Moinho de facas Moagem fina Moinho de disco Almofariz e pistilo Moinho de bolas Moinho vibracional Moinho de jato de ar Moinho criogênico Moinhos mecânicos perdas de elementos voláteis devido ao aquecimento da amostra

24 Tratamentos Preliminares Moagem criogênica Amostra Congelada em N 2 (-196 ºC) ou acetona (-78 ºC) para aumentar a dureza e provocar falhas na estrutura Facilita a cominuição 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

25 Precauções Precauções Dureza 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

26 Tratamentos Preliminares 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

27 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.

28 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

29 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

30 Técnicas Convencionais Via úmida ácidos ou misturas de ácidos, agentes oxidantes Via seca (Combustão – mineralização) Incineração à pressão atmosférica Incineração à vácuo Fusão

31 PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS VIA ÚMIDA VIA SECA

32 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 Na 2 CO 3 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

33 Mineralização e Decomposição da Matéria Orgânica Amostras orgânicas ou de natureza mista sofrem dois processos distintos de ataque, que muitas vezes acontecem simultaneamente: mineralização e dissolução. Mineralização Destruição da mat. orgânica Dissolução Dissolução da mat. inorgânica Dissolução Dissolução da mat. inorgânica

34 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.

35 Decomposição e solubilização de amostras 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 Os ácidos minerais mais comuns são: HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HClO 4 e HF

36 Decomposição e solubilização de amostras Classificação dos ácidos na decomposição de amostras por via úmida Não oxidantes HCl HF H3PO4 H2SO4 diluído HClO4 diluído Oxidantes HNO 3 HClO 4 conc. a quente H 2 SO 4 conc. a quente

37 Decomposição e solubilização de amostras Ácido nítrico - HNO 3 É o ácido mais usado na decomposição da matéria orgânica É o ácido mais usado na decomposição da matéria orgânica ORG + HNO 3 NO x + CO 2 + H 2 O Entra em ebulição à 120°C, o que facilita sua remoção após a oxidação, mas limita a sua eficácia Entra em ebulição à 120°C, o que facilita sua remoção após a oxidação, mas limita a sua eficácia Em sistemas abertos, não é oxidante suficientemente forte para mineralizar completamente o material orgânico Em sistemas abertos, não é oxidante suficientemente forte para mineralizar completamente o material orgânico

38 Decomposição e solubilização de amostras Ácido sulfúrico – H 2 SO 4 Possui elevado ponto de ebulição (máx. 339°C), o que aumenta a eficácia da decomposição, mas dificulta a sua remoção; Possui elevado ponto de ebulição (máx. 339°C), o que aumenta a eficácia da decomposição, mas dificulta a sua remoção; Possui a desvantagem de formar compostos insolúveis com alguns metais: CaSO 4 (pouco solúvel), BaSO 4, SrSO 4 e PbSO 4 ; Possui a desvantagem de formar compostos insolúveis com alguns metais: CaSO 4 (pouco solúvel), BaSO 4, SrSO 4 e PbSO 4 ; Sua viscosidade pode causar interferências em algumas técnicas de detecção (e.g. ICP, ETAAS) Sua viscosidade pode causar interferências em algumas técnicas de detecção (e.g. ICP, ETAAS)

39 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, Hg 2 Cl 2 e TiCl Cloretos voláteis: As(III), Sb(III), Ge(IV), Se (IV), Hg(II), Sn(IV) Decomposição e solubilização de amostras

40 Ácido perclórico – HClO 4 Utilizado com conhecimento e atenção, este reagente é extremamente eficiente na destruição da matéria orgânica. Utilizado com conhecimento e atenção, este reagente é extremamente eficiente na destruição da matéria orgânica. Do ponto de vista técnico, a mistura HNO 3 e HClO 4 é a que possui menos desvantagens. Do ponto de vista técnico, a mistura HNO 3 e HClO 4 é a que possui menos desvantagens. Mas devido a ocorrência de ocasionais explosões, é aconselhável evitar o seu uso. Mas devido a ocorrência de ocasionais explosões, é aconselhável evitar o seu uso. Decomposição e solubilização de amostras 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.

41 Decomposição e solubilização de amostras As misturas de ácidos são muito utilizadas porque: Diferentes propriedades úteis podem ser combinadas (um ácido com poder complexante com um ácido oxidante): Diferentes propriedades úteis podem ser combinadas (um ácido com poder complexante com um ácido oxidante): HF + HNO 3, HF + HClO 4, HF + H 2 SO 4, HF + HNO 3 + HCl HF + HNO 3, HF + HClO 4, HF + H 2 SO 4, HF + HNO 3 + HCl Dois ácidos podem reagir formando produtos com maior reatividade que qualquer um deles empregado isoladamente: Dois ácidos podem reagir formando produtos com maior reatividade que qualquer um deles empregado isoladamente: Água régia (HNO 3 :HCl, 1:3) Uma propriedade indesejável em um ácido pode ser moderada pela presença de um segundo ácido: Uma propriedade indesejável em um ácido pode ser moderada pela presença de um segundo ácido: HNO 3 + HClO 4 A amostra pode ser dissolvida com um ácido, o qual é separado da mistura por um outro ácido que o substitui (HF + HClO 4, HF + H 2 SO 4 ). Misturas de ácidos minerais

42 Decomposição e solubilização de amostras Utilizados para melhorar a eficiência da dissolução com um ou mais ácidos minerais: Agentes oxidantes: Agentes oxidantes: H 2 O 2, Br 2, KClO 3 + HCl H 2 O 2, Br 2, KClO 3 + HCl Eletrólitos inertes – são adicionados para aumentar o ponto de ebulição do ácido, resultando numa maior temperatura final para a dissolução (adição de Na 2 SO 4, K 2 SO 4 ou (NH 3 ) 2 SO 4 ao H 2 SO 4 ). Eletrólitos inertes – são adicionados para aumentar o ponto de ebulição do ácido, resultando numa maior temperatura final para a dissolução (adição de Na 2 SO 4, K 2 SO 4 ou (NH 3 ) 2 SO 4 ao H 2 SO 4 ). Agentes complexantes – mantém os analitos em solução, evitando a precipitação (ácido tartárico, cítrico e lático combinados com o HNO 3 para dissolver ligas). Agentes complexantes – mantém os analitos em solução, evitando a precipitação (ácido tartárico, cítrico e lático combinados com o HNO 3 para dissolver ligas). Catalisadores – aumentam a velocidade de dissolução com ácidos (Cu 2+, Hg 2+ ). Misturas de ácidos com outros reagentes Peróxido de hidrogênio – H 2 O 2 Misturas de ácidos com peróxido de hidrogênio são particularmente eficientes na oxidação da matéria orgânica. Misturas de ácidos com peróxido de hidrogênio são particularmente eficientes 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 reação rapidamente degrada a matéria orgânica a espécies menores, que volatilizam facilmente. Combinado com o poder de desidratação do ácido sulfúrico, esse tipo de reação rapidamente degrada a matéria orgânica a espécies menores, que volatilizam facilmente.

43 Técnicas de Dissolução mais usadas VIA ÚMIDA Convencional (sistema aberto/fechado) Forno de microondas (sistema focalizado/com cavidade) VIA SECA

44 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:

45 Decomposição por fusão 1.A amostra finamente moída é misturada intimamente com um eletrólito ácido ou básico Fundentes: Na 2 CO 3 (p.f. 851ºC), NaOH (p.f. 318ºC), Na 2 O 2, KHSO 4, 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:

46 Decomposição por combustão (Dry ashing) A temperatura conveniente para pirólise da matéria orgânica encontra-se freqüentemente entre ºC. 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

47 Decomposição por combustão (Dry ashing) Fornos tipo mufla

48 Decomposição por combustão (Dry ashing) 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

49 Decomposição por combustão (Dry ashing) 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

50 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 em 4 horas. Levar à mufla e elevar progressivamente a temperatura até atingir 450° C 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 HNO 3 e 2 mL de HF. Após o resfriamento, adicionar 2 mL de água deionizada, 3 mL de HNO 3 e 2 mL de HF. Evaporar lentamente até a secura em banho de areia ou placa de aquecimento. Evaporar lentamente até a secura em banho de areia ou placa de aquecimento. Repetir duas vezes o último passo adicionando 2 mL de HNO 3 e 1 mL de HF. Repetir duas vezes o último passo adicionando 2 mL de HNO 3 e 1 mL de HF. Dissolver o resíduo com 2 mL de HNO 3, aguardar 15 min, adicionar 20 mL deionizada e aquecer até suave ebulição Dissolver o resíduo com 2 mL de HNO 3, aguardar 15 min, adicionar 20 mL 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 dEtude des Techniques Analytiques

51 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), 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 HNO 3 conc. + 3 mL H 2 O 2 30% (v/v). Resultados: o procedimento por via seca apresentou maior repetibilidade e exatidão.

52 Placa Aquecedora Banho Maria Bloco Digestor Chama (bico de Bunsen) SISTEMA ABERTO Decomposição por via úmida (wet methods)

53 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: HNO 3, H 2 SO 4, HClO 4

54 Correntes convectivas Aquecimento por condução Temperatura da superfície externa é superior ao P.E.

55 bomba digestor Kjeldahl bloco Aquecimento condutivo chapa Decomposição por via úmida (wet methods)

56 Forno de microondas com cavidadeForno de microondas focalizadas Sistema assistido por microondas Decomposição por via úmida (wet methods)

57 Decomposição por via úmida (materiais biológicos) 100 – 500 mgMoagemDigestão com 5-10 ml HNO 3 Digestão a frio durante 12 h é recomendável Requer digestão complementar com HClO 4 (1-2 ml) Digestões durante 3-12 h (depende da matriz) Baixo custo de instrumentação Alta freqüência analítica ( amostras/digestão) Filme

58 Decomposição por via úmida (mat. biológicos) Requer combinações: HClO 4, H 2 SO 4, H 2 O 2 Geração de resíduos (soluções ácidas) Vapores corrosivos de NO 2 (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)

59 Notas sobre a decomposição de materiais biológicos com HNO 3 e H 2 SO 4 em sistemas abertos A máxima temperatura do meio de decomposição é limitada pelo ponto de ebulição do azeótropo HNO 3 /água (ca 120°C). H 2 SO 4 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.

60 As temperaturas atingidas são bem menores do que as necessárias na via seca, diminuindo, assim, perda por volatilização são minimizadas. As temperaturas atingidas são bem menores do que as necessárias na via seca, diminuindo, assim, perda por volatilização são minimizadas. Perdas por retenção nas paredes dos recipientes são menos freqüentes. Perdas por retenção nas paredes dos recipientes são menos freqüentes. As reações dos elementos traços com constituintes da amostra são limitadas. As reações dos elementos traços com constituintes da amostra são limitadas. Decomposição por via úmida (wet methods) Vantagens:

61 Pode ocorrer co-precipitação de alguns elementos com um elemento principal da matriz. Por exemplo, Ca precipitar com CaSO 4, se for utilizado H 2 SO 4. Pode ocorrer co-precipitação de alguns elementos com um elemento principal da matriz. Por exemplo, Ca precipitar com CaSO 4, se for utilizado H 2 SO 4. A presença de cloretos pode levar a perda de alguns elementos por volatização (e.g. As) A presença de cloretos pode levar a perda de alguns elementos por volatização (e.g. As) A dissolução incompleta é um risco maior na via úmida devido à escolha inadequada de reagentes ou um inapropriado programa de aquecimento (temperatura x tempo). A dissolução incompleta é um risco maior na via úmida devido à escolha inadequada de reagentes ou um inapropriado programa de aquecimento (temperatura x tempo). Decomposição por via úmida (wet methods) Limitações:

62 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 Santos 1,2, Diogenes Ribeiro Gramacho 1, Alete Paixão Teixeira 1, Antônio Celso Spínola Costa 1, Maria das Graças Andrade Korn 1 * 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, Salvador, Bahia, Brazil. 2 Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia, Barbalho, , Salvador-Bahia Aplicação

63 Santos, W., Tese de Doutorado, 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 C Na digestão (20 min): 0,5 g de amostra de feijão moído + 7 mL HNO 3 conc. + 1 mL H 2 O 2 30% (v/v). Resultados: o procedimento por via úmida apresentou boa repetibilidade e exatidão.

64 Decomposição por via úmida com sistemas fechados Comparando-se com os sistemas abertos, tem-se as seguintes vantagens: Não há perda por volatilização Não 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 atingidas. Melhor decomposição devido a maior pressão e temperatura atingidas. O branco é reduzido devido a menor quantidade de reagentes O branco é reduzido devido a menor quantidade de reagentes Nenhuma contaminação por fontes externas. Nenhuma contaminação por fontes externas.

65 Decomposição por via úmida com sistemas fechados Pode ser realizada utilizando-se: Bomba de decomposição PTFE clássica Bomba de decomposição PTFE clássica Microondas com recipiente Teflon, PFA ou TFM à baixa pressão (até 1,5 MPa) Microondas com recipiente Teflon, PFA ou TFM à baixa pressão (até 1,5 MPa) Sistema a alta pressão (até 15 MPa) com recipiente de TFM, PFA ou quartzo. Sistema a alta pressão (até 15 MPa) com recipiente de TFM, PFA ou quartzo.

66 Decomposição por via úmida com sistemas fechados Bomba de decomposição PTFE clássica Aquecidas em estufa ou mufla até 200°C ou mufla até 200°C Pressão: 0,1 a 30 MPa Amostra: 0,1 a 5 g

67 Bomba de decomposição PTFE Volumes disponíveis: 23 ml, 45 ml e 125 ml

68 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.

69 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

70 EFLUENTES LANÇADOS ATRAVÉS DE EMISSÁRIOS + FALTA DE MONITORAMENTO LAGOSTAS + SEDIMENTO: INDICADORES JUSTIFICATIVAS

71 VÍSCERAS MÚSCULO PRÉ-TRATAMENTO LAVAGEM SEPARAÇÃO DE VISCERAS

72 MOAGEM PENEIRAMENTO PRÉ-TRATAMENTO

73 DIGESTÃO DE AMOSTRAS 0.20g de AMOSTRA + 2 mL HNO3 + 2mL ÀGUA MILLIQ 14 HORAS 120º C

74 DETERMINAÇÃO DE METAIS ICP OES

75 0,20 g Digestão em bomba parr 14h = 120 °C Diluição para 15 mL Determinação de metais – ICP OES Tratamento e interpretação dos dados * Tempo de liofilização variável até completa sublimação Liofilização * moagem Peneira (300 µm) DESCRIÇÃO RESUMIDA DAS ETAPAS DAS ANÁLISES

76 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

77 Emprego de bombas de digestão 2 ml HNO 3 conc + H 2 O 2 Temperatura: ? 250 mg de amostra +

78 Emprego de bombas de digestão

79

80

81 Decomposição por via úmida com Microondas

82 Ultraviolet Infrared InfraredMicrowave Visible x x x10 8 3x10 6 3x10 4 3x10 2 Frequency (MHz) Laser Radiation Wavelength (m) Wavelength (m) Molecular rotations Molecular vibrations Outer-shell (valence) eletrons Inner-shell eletrons Espectro Electromagnético

83 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

84 Interação Radiação Microondas e Matéria Materiais transparentes à energia microondas - não são aquecidos. Condutor Isolante Dielétrico Metais refletem energia microondas e não aquecem. Reflexão Transparência Materiais absorvem energia microondas - aquecimento. Absorção......

85 Aquecimento assistido por radiação microondas Reprinted with premission from Neas, E.; Collins, M. in Introduction to Microwave Sample 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

86 Líquidos (ácidos e solventes) são rapidamente aquecidos quando expostos à radiação microondas. Absorção ocorre principalmente por dois mecanismos: - ROTA Ç ÃO DE DIPOLOS - CONDU Ç ÃO IÔNICA

87 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.

88 Aquecimento Assistido por Radiação Microondas Liner, sleeve and frame transparent to MW energy Sample-acid mixture absorbs MW energy Vapor is not heated by microwave by microwave Localized superheating Microwave-assisted heating

89 Aspectos Positivos da Tecnologia Microondas Aquecimento volum é trico: energia rapida/e transferida para o material sendo aquecido. Economia de energia: perdas de calor por irradia ç ão, condu ç ão e convec ç ão são reduzidas (at é 70%). Tamanho de equipamento reduzido em at é 20%. Controle instantâneo do processo: in í cio e parada r á pidas.

90 Aspectos Positivos da Tecnologia Microondas Transferência de energia limpa: usualmente via algum efeito de polariza ç ão no pr ó prio material. Temperaturas elevadas. Controle de rea ç ões qu í micas: acelera ç ão de processos qu í micos e rea ç ões sem solventes.

91 Aspectos Negativos da Tecnologia Microondas Complexidade da á rea: dif í cil previsão da natureza exata da intera ç ão entre o campo eletromagn é tico e a mat é ria. Uniformidade de temperatura: profundidade de penetra ç ão da radia ç ão. 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.

92 Aspectos Negativos da Tecnologia Microondas Custo de implementa ç ão: geral/e maior do que estrat é gias convencionais de aquecimento. Tamanho do magnetron e ciclo de trabalho. R & D: Novas aplica ç ões geral/e exigem desenvolvimento e compreensão do comportamento da amostra. Isso implica que implementa ç ão imediata é invi á vel.

93 Decomposição por via úmida com Microondas Microondas não focalizado

94 Frascos Fechados – Por-que? An á lise de Tra ç os Elimina ç ão do uso de á cido sulf ú rico Digestão usando somente á cido n í trico Menor consumo de reagentes Menores brancos anal í ticos Menor custo de reagentes com alta pureza Evita perdas de analitos que podem gerar compostos alta/e vol á teis Prote ç ão do ambiente (vapores á cidos; menor volume de res í duos á cidos)

95 Controle direto de temperatura Monitoramento e controle direto para um frasco de referência at é 300°C com termopar ou fibra ó ptica Temperatura é medida 20 vezes por segundo Sensor inserido em tubo cerâmico inerte

96 Controle de temperatura em todos frascos (contact-less) Sensor focalizado de IR Controle seq ü encial de temperatura em todos frascos Perfil de varia ç ão de temperatura para cada frasco

97 Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Cavidade Possibilidade de atingir temperatura de trabalho > que P.E. dos reagentes (P interna ) o que implica em processos de digestão mais r á pidos e maior poder oxidante. Digestão simultânea de um grande n ú mero de amostras (6-50). Menor possibilidade de perdas e contamina ç ão (frascos fechados).

98 Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Cavidade Menor consumo de reagentes, resultando em menores brancos anal í ticos e digeridos menos concentrados em á cidos. Menor gera ç ão de res í duos. Qu í mica limpa: redu ç ão de vapores desprendidos para o ambiente. Controle da distribui ç ão da radia ç ão microondas durante o processo de digestão aperfei ç oa a repetibilidade.

99 Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Cavidade Possibidade de usar reagentes com alta pureza, e.g. HNO 3 e H 2 O 2, sem perda de eficiência devido aos baixos P.E.. Possibilidade de trabalhar com solu ç ões dilu í das de á cido n í trico.

100 Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Cavidade Seguran ç a: pressão. Seguran ç a: riscos de explosão devido à gera ç ão de H 2 durante a digestão de ligas e metais. Limitada massa de amostra. Limita ç ões de temperatura e pressão devidos aos materiais dos frascos. Seguran ç a: necessidade de trabalhar com amostras similares na maioria dos programas de aquecimento, i.e. amostras com teores similares de á gua e compostos orgânicos.

101 Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Cavidade Limita ç ões pr á ticas para adicionar reagentes durante a digestão. Necessidade de aguardar um longo tempo para abertura dos frascos ap ó s a digestão. Baixa reprodutibilidade ao empregar diferentes equipamentos ou frascos – mesmo para equipamentos e frascos produzidos por um mesmo fabricante, mas de diferentes lotes.

102 Decomposição por via úmida com Microondas Microondas focalizado

103 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

104 Forno de Microondas com Radia ç ão Focalizada: Aplica ç ões T í picas Massas de amostra elevadas (> 1 g) Amostras orgânicas – gera ç ão de gases Requer m ú ltiplas adi ç ões de reagentes Requer varia ç ões de temperatura Requer á cido sulf ú rico para atingir altas temperaturas Procedimentos de extra ç ão sob baixas temperaturas

105 Aplicação Técnica: ICP OES Tratamento das amostras: digestão com HNO 3 conc. e H 2 O 2 30% (v/v) 5 – Determinação de nutrientes minerais e elementos tóxicos em cafés solúveis Santos e Oliveira. Food Compos. Anal. 2001, 14, g de amostra de café 6 ml de NHO 3 a 65% (v/v) 0,5 mL de H 2 O 2 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 0,52 0,02 mg/kg de Cr estava acima do limite estabelecido pela Legislação Brasileira para alimentos.

106 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, Extração: 1,0 g de amostra + 10 mL de água fervente, centrifugar e acidificar o sobrenadante com HNO 3 (0,014 mol L -1 ). Digestão: 0,25 g de café + 3 mL de HNO 3 conc. + 1 mL de H 2 O 2, em MW ( 700 W/15min). Resultados: Foi possível correlacionar a concentração dos elementos com o modo de produção (orgânico ou convencional).

107 Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Radia ç ão Focalizada Digestão de massas elevadas de amostra (at é 10 g) – especial/e para amostras com alto teor de compostos orgânicos que geram elevados volumes de gases. Adi ç ão programada de reagentes. Seguran ç a – pressão ambiente. Não h á uma longa etapa de resfriamento e redu ç ão de pressão ap ó s a digestão.

108 Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada Uso de frascos constru í dos 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 aplica ç ões: extra ç ão de orgânicos, extra ç ão para especia ç ão qu í mica, digestão á cida ou alcalina para determina ç ão de teores totais.

109 Aspectos Positivos do Forno de Microondas com Radiação Focalizada Trabalho sob elevadas temperaturas utilizando-se á cido sulf ú rico. Remo ç ão de vapores (para sistemas operando à pressão atmosf é rica) – aumento do rendimento reacional (Princ í pio de Le Chatelier) Seguran ç a para processos reacionais sob baixa pressão. Possibilidade de combina ç ão com outras fontes de energia (e.g. ultrassom) para acelerar o processo de digestão.

110 Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Radia ç ão Focalizada Elevada acidez dos digeridos – pode dificultar a determina ç ão de elementos por t é cnicas que envolvem a introdu ç ão de amostra por nebuliza ç ão pneum á tica (requer elevada dilui ç ão). Elevados volumes de reagentes podem gerar brancos anal í ticos altos e grande produ ç ão de res í duos. Heterogeneidade de distribui ç ão da radia ç ão microondas: implica em diferentes condi ç ões em cada frasco reacional, o que afeta a eficiência de digestão (baixa repetibilidade).

111 Aspectos Negativos do Forno de Microondas com Radia ç ão Focalizada Uso de á cido sulf ú rico (m á ximo P.E.) para aumento de temperatura em sistemas operando à pressão ambiente: a elevada viscosidade do á cido sulf ú rico pode interferir no transporte de amostra e determina ç ões dos analitos por t é cnicas como ICP OES e ICP-MS. Al é m disso, sulfatos insol ú veis podem ser formados. Limitada freq ü ência anal í tica: 1 a 6 amostras, enquanto que no forno de microondas com cavidade pode-se processar at é 80 amostras simultanea/e.

112 Conclusões O melhor procedimento para decomposição é aquele que resulte em alta porcentagem de recuperação, requer reduzido volume de reagentes, menor tempo de análise e pequeno potencial de contaminação O melhor procedimento para decomposição é aquele que resulte em alta porcentagem de recuperação, requer reduzido volume de reagentes, menor tempo de análise e pequeno potencial de contaminação O método de combustão, para a maioria dos metais, fornece resultados exatos; mas requer um tempo maior do que o necessário para análises por via úmida, especialmente aquelas utilizando sistema fechado ou microondas O método de combustão, para a maioria dos metais, fornece resultados exatos; mas requer um tempo maior do que o necessário para análises por via úmida, especialmente aquelas utilizando sistema fechado ou microondas

113 Conclusões Para alguns elementos a extração ácida, sem dissolução completa da amostra, é suficiente para uma determinação quantitativa Para alguns elementos a extração ácida, sem dissolução completa da amostra, é suficiente para uma determinação quantitativa O método de digestão utilizando microondas tem se mostrado bastante promissor, obtendo-se alta recuperação, um tempo de digestão bastante curto e baixa contaminação O método de digestão utilizando microondas tem se mostrado bastante promissor, obtendo-se alta recuperação, um tempo de digestão bastante curto e baixa contaminação

114 OBRIGADA!!!!


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