INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE Prof. Valmir F. Juliano 2º/2011 QUI624 INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE

Está fazendo o curso de Farmácia Está fazendo o curso de Farmácia? Então você tem de gostar muito de Química e de Biologia. Como essas duas áreas perpassam por todo o curso, desde o Ciclo Básico até o último período, o estudante precisa ter uma forte inclinação para essas áreas. "Gostei muito do curso da UFMG. Ele nos oferece um bom embasamento sobre a profissão de farmacêutico. Formei em 2001 e foram quatro anos dedicados exclusivamente ao curso, pois as aulas são pela manhã e à tarde. Considero que o profissional de farmácia precisa ser mais valorizado tanto em relação às condições de trabalho quanto financeiro. O segmento de farmácia industrial é o que tem maior mercado, pois o farmacêutico pode trabalhar tanto na produção do medicamento, quanto com controle de qualidade, procedimento padrão. Atualmente, trabalho com distribuição de medicamentos e passei em um concurso para perito criminal, na área laboratorial." Aluno formado na UFMG em 2001

Atribuído a Pitágoras de Samos, ~ 520 a.C. “…Ao transferir bens materiais, o doador perde a sua posse. Há, porém, alguns atributos intrínsecos que não podem ser transferidos de um indivíduo para o outro, como a beleza e a coragem. O conhecimento, por outro lado, é algo tão importante que os deuses decidiram que o doador pode retê-lo mesmo que o tenha transmitido…” Atribuído a Pitágoras de Samos, ~ 520 a.C.

Bibliografia Holler, F. J.; SKOOG, D. A.; Crouch, S. R. Princípios de Análise Instrumental. 6ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2009. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J.; Crouch, S. R. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed. Pioneira Thomson Learning, São Paulo, 2006. Skoog, D. A.; Holler, F. J.; Nieman, T. A. Princípios de Análise Instrumental. 5ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2002. Harris, D. A. Análise Química Quantitativa. 6ª ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 2005. Ohlweiler, O. A. Fundamentos da Análise Instrumental. Livros Técnicos e Científicos Ed. RJ. 1981. Ewing, G. W. Métodos Instrumentais de Análise Química. Vol. I, Ed da USP, SP, 1977. Willard, H. H. et al. Instrumental Methods of Analysis. 7th ed. Wadswoth Publishing Company, California, 1988. Christian, G. D.: Reilly, J. E. Instrumental Analysis. 2 th ed. Allyn and Bacon, Inc. Boston, 1986.

com operações de rotina”. A Química Analítica trata de métodos para a determinação da composição química das amostras. ⊂ Análise Química = Química Analítica “A análise química é um conjunto de técnicas e manipulações destinadas a proporcionar o conhecimento da composição qualitativa e quantitativa de uma amostra, mediante métodos de rotina. A química analítica é um ramo da química, a ciência que persegue o objetivo de resolver os problemas de composição com operações de rotina”. Métodos Qualitativos e Quantitativos Identidade das espécies atômicas ou moleculares ou dos grupos funcionais presentes em uma amostra Informações numéricas relativas a um ou mais componentes de uma amostra

Estágios de uma análise quantitativa Etapas Exemplos de procedimentos 1. Amostragem Depende do tamanho e da natureza física da amostra 2. Preparação de uma amostra analítica Redução do tamanho das partículas, mistura para homogeneização, secagem, determinação do peso ou do volume da amostra 3. Dissolução da amostra Aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente, diluição 4. Remoção de interferentes Filtração, extração com solventes, separação cromatográfica 5. Medidas na amostra Padronização, calibração 6. Resultados Cálculo dos resultados analíticos 7. Apresentação dos resultados Impressão e arquivamento

Análise de Sódio e Cálcio em Solo AMOSTRAGEM Análise de Alumínio em Água do Mar Análise de Sódio e Cálcio em Solo

Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS  Designação histórica, pois os dois métodos têm uma diferença temporal pouco maior que um século. Método Clássico: Baseiam-se na separação dos ANALITOS por: PRECIPITAÇÃO, EXTRAÇÃO OU DESTILAÇÃO Análise Qualitativa: reações específicas gerando produtos caracterizados por cor, ponto de fusão ou ebulição, solubilidade, etc. Análise Quantitativa: medidas titulométricas (volumétricos) ou gravimétricas.

Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS Método Instrumental – Início do século XX: Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade, Potencial de eletrodo, Emissão ou absorção de luz, etc. Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos de precipitação, extração e destilação. Muitos dos fenômenos por trás de métodos instrumentais são conhecidos há um século ou mais. A aplicação de tais fenômenos, contudo, foi adiada pela falta de instrumentação simples e confiável. O crescimento dos métodos instrumentais de análise modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de computadores.

Espectrofotômetro UV/Vis O que são Métodos INSTRUMENTAIS ? São métodos realizados em instrumentos. - Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos! Instrumentos simples.... Espectrofotômetro UV/Vis pHmetro

Espectrômetro de massas Difratrômetro de Raios-X O que são Métodos INSTRUMENTAIS ? São métodos realizados em instrumentos. - Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos! Ou complexos .... Espectrômetro de massas Difratrômetro de Raios-X

Difratrômetro de Raios-X Métodos INSTRUMENTAIS Cada tipo de instrumento tem uma aplicação: - Distinta e limitada e ... - Possui vantagens e desvantagens. Medidas de pH em soluções aquosas (não aquosas em alguns casos). Fornece informações a respeito da concentração de íons H3O+. Baixo custo inicial e manutenção barata. Fácil de usar. pHmetro Caracterização de sólidos cristalinos. Fornece informações sobre a estrutura cristalina. Custo inicial elevado e manutenção relativamente cara. Difratrômetro de Raios-X

Métodos INSTRUMENTAIS Um grande objetivo da química analítica moderna é o desenvolvimento de instrumentos e metodologias com a consciência “verde”. Métodos com consumo mínimo de amostra, de reagentes, de etapas e, de preferência, análises com a amostra in natura, reduzindo ao máximo a quantidade de rejeitos.

Classificação dos métodos analíticos CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS Chamados de métodos de via úmida Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos) Gravimetria Volumetria Eletroanalítico Cromatográfico Espectrométrico Propriedades elétricas Propriedades ópticas Propriedades diversas Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as técnicas clássicas, mas outras não o são!

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PELOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS Propriedade característica Método instrumental Emissão de radiação Espectroscopia de emissão atômica e molecular (RX, UV, Vis, luminescência) Absorção de radiação Espectroscopia de absorção atômica e molecular (UV, Vis, IV, RX) Espalhamento de radiação Turbidimetria e nefelometria Difração de radiação RX e elétrons Potencial elétrico Potenciometria; cronopotenciometria Resistência elétrica Condutimetria Corrente elétrica Amperometria; voltametria; polarografia Massa Gravimetria (microbalança de cristal de quartzo) Relação massa/carga Espectrometria de massas (CG-EM e CL-EM) Características térmicas TGA, DSC, DTA Os métodos destacados em vermelho serão abordados nesta disciplina.

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada. É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta.  Estímulo Resposta Fonte de Energia Sistema em Estudo Informação Analítica

Espectrofotômetro UV/Visível Estímulo Resposta Espectrofotômetro UV/Visível

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTES Equipamentos e técnicas utilizados nesta disciplina. Equipamento não utilizado, mas a técnica é usada para a emissão atômica em chama.

FUNÇÃO DO INSTRUMENTO FUNÇÃO DO ANALISTA Traduzir a composição química em uma informação diretamente observável pelo operador. Os instrumentos transformam um sinal analítico que usualmente não é diretamente detectável ou entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser medido. O instrumento atua direta ou indiretamente como um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a amostra desconhecida em relação a um padrão.   FUNÇÃO DO ANALISTA Ter conhecimento do que está realmente medindo!

Seleção de um método analítico Conhecer os detalhes práticos das diversas técnicas e seus princípios teóricos. Definir claramente a natureza do problema analítico, respondendo às questões: Que exatidão é necessária? Qual é a quantidade de amostra disponível? Qual é o intervalo de concentração do analito? Que componentes da amostra causarão interferência? Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra? Quantas amostras serão analisadas? Qual o tempo requerido para a análise?

Curva de titulação potenciométrica Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). S = f(C) Vtitulante Sinal analítico Curva de titulação potenciométrica

Curva de titulação condutométrica ou espectrométrica Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). S = f(C) Vtitulante Sinal analítico Curva de titulação condutométrica ou espectrométrica

Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). S = f(C) [Analito] Sinal analítico SA = mCA + Sbr Curva Analítica

Glossário da Química Analítica Instrumental Amostra: Porção de um determinado material que representa a totalidade. Analito: Espécie (iônica, atômica ou molecular) que se deseja determinar em uma amostra. Matriz: Conjunto de todos os constituintes que compõem uma amostra. Detector: Dispositivo mecânico, elétrico ou químico que identifica, registra ou indica uma alteração em uma das variáveis na sua vizinhança (pressão, temperatura, etc.). Sistema de detecção: Conjunto inteiro que indica ou registra as quantidades físicas ou químicas. Transdutor: Dispositivo que converte informação de domínio não-elétrico em informação de domínio elétrico e vice-versa (microfone, fotocélulas, etc.). Sensor: Dispositivo analítico capaz de monitorar espécies químicas específicas de forma contínua e reversível (eletrodo de vidro, QCM, etc.). Equivale ao transdutor associado a uma fase de reconhecimento quimicamente seletiva.

Glossário da Química Analítica Instrumental Curva analítica: Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluções-padrão (padrão externo). Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração. Branco (br): Sinal do instrumento para matriz (ou imitação) na ausência do analito ou de uma espécie que corresponda ao analito. Limite de detecção (LD ou cm): Concentração ou massa mínima do analito que pode ser detectada em um nível confiável. Sm = Sbr + k sbr (valor mais aceito k = 3) onde Sm e Sbr são o sinal analítico mínimo e do branco e s é o desvio padrão do branco. Limite de quantificação (LQ): Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco. Limite de resposta linear (LRL): Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade.

Glossário da Química Analítica Instrumental LQ LRL cm FOT Sinal Analítico Concentração Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica: Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL. Método do padrão interno: Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras, aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. Compensa diversos tipos de erros, aleatórios ou sistemáticos.

Glossário da Química Analítica Instrumental Método de adição de padrão: Consiste em uma série de medidas envolvendo a adição de incrementos de uma solução-padrão do analito à alíquotas da amostra de mesmo volume com a finalidade de corrigir a interferência da matriz sobre o sinal analítico.

Glossário da Química Analítica Instrumental Exatidão: Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão. Precisão: Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma análise. Tendência (bias) ou viés (D): Fornece uma medida do erro sistemático, ou determinado, de um método analítico. D = m – t, onde m é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração verdadeira t. Sensibilidade: A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito. Em uma curva de calibração, a sensibilidade é a inclinação da curva (m). S = mc + Sbr, onde S é o sinal medido, c é a concentração do analito e Sbr é sinal do instrumento para o branco.

Glossário da Química Analítica Instrumental Sensibilidade analítica: A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida: g = m / sS . Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é independente das unidades de medida de S. Seletividade: A seletividade de um método analítico refere-se ao grau em que o método esta livre de interferência de outras espécies contidas na matriz da amostra. Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e, assim, procura-se minimizá-las. Define-se um coeficiente de seletividade que representa a resposta relativa do método a cada uma das espécies interferentes em relação ao analito de interesse. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A, bem como B e C potencialmente interferentes: S = mAcA + mBcB + mCcC + Sbr; e S = mA(cA + kB,AcB + kC,AcC) + Sbr

Glossário da Química Analítica Instrumental Um método que produz resposta para vários analitos, mas que pode distinguir a resposta de um analito da de outros é chamado seletivo Um método que produz resposta para apenas um analito é chamado específico

Glossário da Química Analítica Instrumental Repetibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as mesmas condições (mesmo operador, mesmo equipamento, mesmo laboratório em um pequeno intervalo de tempo). Reprodutibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob diferentes condições (diferentes operadores, diferentes equipamentos, diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico, obtido nas condições acima, aconteçam com a mesma probabilidade especificada. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.

O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL? Não desenvolvam a “Arte de Enrolar” “A exatidão é um parâmetro de difícil precisão, pois está sujeita a uma série de erros determinados.” “O ponto de equivalência é encontrado se interpolando por extrapolação o ponto no qual a curva muda de sua concavidade.” “Uma maior exatidão seria obtida condutimetricamente, uma vez que em condutimetria é possível determinar pequenas variações de potencial ...” “... em se tratando de uma amostra com várias matrizes, este tipo de detector traria maior seletividade ...”

Exemplo 1: Dados de calibração obtidos para determinação do analito X em solução aquosa. [X], ppm Nº replicatas Sinal analítico médio Desvio padrão 0,00 25 0,031 0,0079 2,00 5 0,173 0,0094 6,00 0,422 0,0084 10,00 0,702 14,00 0,956 0,0085 18,00 1,248 0,0110 Determinar a sensibilidade de calibração. Determinar a sensibilidade analítica. Determinar o coeficiente de variação para a média de cada grupo de replicatas. Determinar o limite de detecção do método.

c) CV = (sx / Sam)x100  Sam = sinal analítico médio Exemplo 1: Inclinação: m= 0,067 ppm-1 b) g = m / sS c) CV = (sx / Sam)x100  Sam = sinal analítico médio Cx, ppm g CV, % 2,00 7,1 5,4 6,00 8,0 2,0 10,00 1,2 14,00 7,9 0,89 18,00 6,1 0,88 O gráfico deve ser traçado com o sinal analítico, descontando-se o sinal do branco. Limite de detecção: = 3 x 0,0079 / 0,067 = 0,35 ppm

Exemplo 2: Alíquotas de exatamente 5,00 mL de uma solução de fenobarbital foram transferidas para frascos volumétricos de 50,00 mL e foram ajustados com KOH para tornarem-se básicas. Os seguintes volumes de solução-padrão contendo 2,000 mg/mL de fenobarbital foram introduzidas em cada frasco: 0,000, 0,500, 1,00, 1,50 e 2,00 mL. O volume foi completado e as leituras de cada frasco em um fluorímetro forneceu as seguintes respostas: 3,26, 4,80, 6,41, 8,02 e 9,56. Construa o gráfico com os dados. Usando o gráfico, determine a concentração de fenobarbital na amostra desconhecida. Obtenha a equação por regressão linear (mínimos quadrados). Calcule a concentração pela equação obtida em (c). Calcule o desvio padrão para a concentração obtida em (d).

Exemplo 2: V, mL C, mg/mL S 0,000 3,26 0,500 0,0200 4,80 1,00 0,0400 6,41 1,50 0,0600 8,02 2,00 0,0800 9,56 y = 79,1x + 3,246 R 2 = 0,9999 4 6 8 10 12 -0,05 -0,03 -0,01 0,01 0,03 0,05 0,07 [F], mg/mL Sinal analítico 0,0407 mg/mL Pela equação, para y = 0  x = -3,246 / 79,1 = 0,0410 mg/mL. Como a amostra foi diluída de 5,00 para 50,00 mL, a sua concentração é 10 vezes maior: 0,0410 x 50 / 5 = 0,410 mg/mL. Desvio padrão relativo da regressão, sc/c = 0,007957 (ou 0,7957%) Desvio padrão da medida = 0,410 x 0,007957 = 0,003 (ou 0,3%)