ANALÍTICA AVANÇADA – 1S 2015
Aulas 5
Preparo de Amostras
(Continuação)
Prof. Rafael Arromba de Sousa
Departamento de Química - [email protected]
Notas de aula: www.ufjf.br/baccan
� Considerações sobre amostragem
� Preservação de amostras
� Tratamentos preliminares
� Tratamentos convencionais (dissolução, abertura, digestão, ...)
�Detalhes sobre o preparo de amostras paradeterminações inorgânicas
� Detalhes sobre o preparo de amostras para determinações orgânicas
� Exemplos de procedimentos de preparo de amostra
CONTEÚDO
2
ÚLTIMO SLIDE: Digestão de Amostras em Frasco Aberto
Características:
- Aplica-se a todos os tipos de amostras, exceto sólidos refratários
- Permite o uso de quantidades “flexíveis” de amostra ...
- Geralmente demora horas e consome quantidades relativamentegrande de reagentes � favorece a preconcentração de impurezas
- Exige supervisão constante do analista ...
- Favorece a perda de analitos voláteis
3
Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de PTFE:
Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados
Teor de carbono residual em amostras decompostas com HNO3em sistemas abertos podem variar de 2 a 46% !
Pode ser melhorado: decomposição sob pressão em temperaturas acima de 120 oC
Frasco de teflon(160 – 200 oC)
Cilindro de aço(mais comum)
Aquecimento- Chapa- Estufa termostatizada
4
Digestão de Amostras em Frasco Fechado
Características:
- Aplica-se a todos os tipos de amostras, com a limitação de uso de massasde amostras relativamente pequenas
- Geralmente demora menos que 3 horas e consome quantidades pequenas amoderadas de reagentes
� Elevada frequencia analítica
� Adequada à análise de “traços”
- Possibilita utilizar apenas HNO3 ou HNO3 e H2O2
- A perda de analitos voláteis é geralmente desprezível5
Microondas (MW) de laboratório b
Recursos para Digestão de amostras em Frasco Fechado
(a) www.paralab.pt/client/documentos/portuguese/parr/SamplePrep.pdf
(b) Existem também modelos para se trabalhar com frascos abertos (microondas focalizado).Vantagem: maior quantidade de amostra. Desvantagem: não compatível com analitos voláteis
Bombas de alta pressão a
i ii iii
i) Digestão “convencional”ii) Digestão em MW --------�iii) Digestões por combustão
6
Condições para digestão em bombas de alta-pressão com PTFE
Parâmetros experimentais Valores médios
Temperatura 170 – 180 oC
Massa de amostra (frasco de 35 mL) Correspondente a 100 mg C
Pressão final 20 bar
Tempo de decomposição 3 h (na temperatura de digestão)
Ácido nítrico (65 – 69%) 2 mL
EMBORA os sistemas tenham válvulas de alívio de pressãoamostras que liberam muita quantidade de gases (gorduras)
devem ser digeridas com cuidado !
Algumas amostras não são completamente decompostas...
7
Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo:
Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados
- Possibilidade de se usar temperaturas de até 300 oC
� “High Pressure Asher” (HPA)
� Equilíbrio de pressões
- Resultados: satisfatórios em geral, inclusive para determinar
As, Hg, P, S, Se
- SE necessário o digerido pode ser evaporado para eliminar vaporesnitrosos dissolvidos
8
Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo:
Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados
9
Condições para digestão em bombas de alta-pressão com quartzo
Parâmetros experimentais Valores médios
Temperatura 320 oC (300oC no inteior)
Massa de amostra (frasco de 30 mL) Correspondente a 100 mg C**
Pressão final < 100 bar
Tempo de decomposição de até 3 h (na temperatura de digestão)
Ácido nítrico (65 – 69%) 2 mL
** Massas maiores PODEM ser usadas SE a digestão puder serrealizada em temperaturas menores, na ordem de 180 oC.
10
O equipamento de microondas:
Decomposição de amostras em Sistemas Fechados
Exaustão(caso vazamentos)
Controladorcomputadorizado
Porta “reforçada” eprojetada para não abrir
Sensores para monitorartemperatura e/ou pressão
11
• Microondas são radiações do espectro eletromagnético
• Região de comprimentos de onda: 1mm a 1m e freqüências de 300 a 30000 MHz
• Freqüências para usos industrial, médico e cientifico: 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHze 22125 MHz, estabelecidas pela Comissão Federal de Comunicações - FCC (USA)
Correspondência entre Radiação e Energia
Digestão assistida por microondas ?
12
• Microondas não são radiações ionizantes
• A energia das microondas é muito menor que a energianecessária para quebrar as ligações das moléculasorgânicas mais comuns
• Potência: faixa de trabalho geralmente entre500 – 1500 W
13
Digestão assistida por microondasCARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
• Equipamentos utilizam programas de aquecimento:• Temperatura x Tempo OU• Potência x Tempo
• Frascos reacionais: vidroquartzo (até 12 Mpa)teflon (até 7 Mpa) � politetrafluoretileno
14
Obtenção do material PTFE.www.masterflex.com/TechLibraryArticle/828; acessado 06-07-14
Digestão assistida por microondasCARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
• Os líquidos absorvem energia de microondas modificando:
• Rotação de dipolo• Condução iônica
Aumento da temperatura
� Materiais podem refletir, absorver ou não absorver
microondas
15
Digestão assistida por microondasCARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
ENTÃO: a absorção das microondas depende da:
• Constante dielétrica ε’Capacidade de uma molécula ser polarizada por radiação
eletromagnética
• Perda dielétrica ε”Eficiência de conversão da energia da microonda em
calor
• Fator de dissipação, tan δ (razão ε”/ ε’)Habilidade do material em absorver energia das
microondas, convertendo a energia da onda eletromagnética emcalor 16
Digestão assistida por microondasCARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
Taxa de conversão de energia de microondas (tan δ) em diferentes materiais
Água 25 1570Quartzo fundido 25 0,6Cerâmica F-66 25 5,5Porcelana No 4462 25 11Vidro fosfato 25 46Vidro borossilicato 25 10,6Vidro Corning No 0080 25 126Acrílico (Plexiglass) 27 57Nylon 6-6 25 128Polietileno 25 3,1Poliestireno 25 3,3Teflon PFA 25 1,5
Material tanδ (x10-4)
17
Digestão assistida por microondasCARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
Material Temperatura tan δ
Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
Alguns exemplos:
- Milestone- CEM- AntonPaar- Berghof, ...
Tipos de microondas para digestão de amostras
18
Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
Sistema nacional (Provecto)
Frasco TeflonProteção de cerâmica
Camisa paraalta pressão 19
Com o forno de microondas “carregado” com os frascos
Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
20
Aplica-se um programa de temperatura:
� Adequado para cada tipo de amostra
� Realizado em etapas (com durações diferentes):
- Aquecimento brando (rampa lenta)
- Aquecimento em temperatura alta (tempo determinado)
- Resfriamento(dentro e/ou fora do MW até o digeridoatingir a T ambiente)
Condições para digestão assistida por micro-ondas ?
Parâmetros experimentais Valores médios
Temperatura ou Potência Dependem da amostra e do equipamento (verificar manuais)
Massa de amostra Em geral até 500 mg
Tempo de decomposição Menos de 1 h
Reagentes1) HNO3 + H2O2
2) H2SO4 + H2O2
3) HNO3 + HCl
1) Plantas, tecidos animais e alimentos2) Óleo lubrificante, PVC, poliamidas, poliésteres e alimentos gordurosos3) Metais, ligas metálicas e para extração em solos e sedimentos
21
SEGURANÇA: monitoração do interior dos frascos:
Ex.: 10 mL de HNO3 em 6 frascos de Teflon TFM fechados, aplicando-se 600 W por 15 min:
0
50
100
150
200
250
0 300 600 900 12000
5
10
15
20
25
30
Tempo (s)
Tem
pera
tura
(o C
)
Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
� A pressão de vapor gerada no interior dos frascos aumenta a temperatura de ebulição do HNO3
22
Aquecimento por microondas em sistema fechado
VANTAGENS
• Reduz erros sistemáticos e obtêm-se menores limites de detecção• Não há perdas de analitos• Reduz contaminações• Possibilita menor consumo de ácidos• Maior pressão � maior temperatura � decomposição apenas com HNO3
• Reduz custos• Diminui o consumo de ácidos ultrapuros (caros)
• Minimiza impactos ambientais
LIMITAÇÕES
• Alto custo do equipamento (Berghof SW4: € 30000,00 final 2012)
• Baixa frequência analítica comparado aos blocos digestores23
Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)
Tipos de microondas para digestão de amostras
24
Ex de um forno de microondas que permite a realização de 6 digestões diferentes
Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)
25
Tubos de digestão
�Equipamentos com diferentes configurações instrumentaispodem ser encontrados
Forno de Microondas Focalizado
• Trabalha à pressão atmosférica• Mais seguro, mas requer condições mais drásticas de reação (uso de H2SO4)
• Permite uso de até 10 g de amostras
• Permite adição automática de ácidos e/ou solventes orgânicos
• Ideal para amostras com alta concentração de orgânicos
• Vantagens em relação à chapa e bloco digestor
• Permite melhor controle de temperatura e consequentemente melhor controle da reação
• Sistema de refluxo � reduz contaminação e perdas por volatilização
26
Digestão assistida por microondas
Frasco adequado+
Reagentes apropriados+
Programa de aquecimento adequado
Decomposições eficiente
Orgânicos Inorgânicos(incluindo refratários)
27
Métodos convencionais para o preparo de amostras
Digestão x Dissolução
� Para amostras de solos, sedimentos, plantas e tecidos animais a obtenção de uma suspensão/solução de amostra
não implica, necessariamente, em uma amostra devidamente digerida e sim solubilizada (total ou parcialmente)
Digeridos de fígado, rim, coração, pulmão, fêmur e baço
28
Solubilizados de fígado, rim, pulmão e baço
Métodos convencionais para o preparo de amostras
Dissolução x Digestão
Outro exemplo de solubilização alcalina (TMAH):
Tecido “normal” de seio
Tecido “tumoral”de seio
A B
� A coloração da solução “1” se deve aoelevado teor de gordura da amostra A
1 2 29
Preparo de amostras para determinações Inorgânicas
Para “casa”: LEITURA
Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution andFutureTrends”; J. Braz. Chem. Soc. 14 (2003) 174
Nóbrega, JA; Santos, MC; Sousa, RA et al. “Sample preparation in alkaline medium”, Spectrochim. Acta B, 61 (2006) 465.
Para “casa”: QUESTÕES
1) Liste as principais características da digestão em vaso aberto e da digestão em sistema fechado.
2) Considerando que um outro tipo de digestão ácida é a digestão sulfúrica usada para a determinação de nitrogênio pelo método de Kjeldhal, descreva como esse método funciona.
30
d) MÉTODOS DE EXTRAÇÃO (determinações em geral)
Baseada na diferença de solubilidade entre duas substâncias em relaçãoA DOIS SOLVENTES, geralmente água e um solvente orgânico
� Transferência de um soluto de uma fase para a outra
- Técnica simples- Temperatura ambiente- A substância separada ainda pode ser tratada (purificada, pré-concentrada, etc)
funil de separação
Sistema DESCONTÍNUO(batelada)
� Extração líquido-líquido
31
� Uso: separação e purificação de substâncias Substâncias mais polares ou iônicas � fase aquosaSubstâncias mais apolares � fase orgânica
ASPECTOS FÍSICO-QUÍMICOS:
Coeficiente de Partição (KD) É a constante de equilíbrio para a solubilidade de um composto em um solvente “1” em relação a um solvente “2”: KD= C1/C2
C1 e C2 são as solubilidades do composto nos solventes “1” e “2”
Número alto de KD:grande parte do soluto irá ser transferida para o solvente “1”
� Eficiência da extração � Lei da distribuição de Nernst prevê:Mesmo em casos onde KD é bastante alto, é mais eficiente se realizar sucessivas extrações usando volumes pequenos, em vez de uma única extração com a soma
dos volumes
32
� Extração sólido-líquido (mais efetiva para substâncias inorgânicas)
Sólido + solvente + substâncias extraídas
Solvente destilado(eventualmente) contendo substâncias voláteis extraídas
Extrator de Soxhlet(1879):
� Uma das fases é um sólido, onde se encontra o soluto (analito)� Uma ou mais substâncias vão passar para a fase líquida
Ex cotidiano: Preparação de bebidas como chá e café
Ex. indústria: análise inorgânica de solos e fertilizantes (elementos minerais e ânions)
33
Microextração em fase sólida
(SPME)
Extração por purga ou aprisionamento
INJETOR
GC
� Extração líquido-sólido (usada majoritariamente para analitos orgânicos)
Condições experimentais : temperatura, agitação e tempo de extração(a serem avaliados) 34
� A posição do frasco de amostrainfluencia na eficiência do processo
Equipamentos auxiliares para o Preparo de amostras
Banhos de ultrasom Agitador e misturador
� Extração� Dissolução
� Homogeneização
35
Preparo de amostras para determinações orgânicas
LEITURA recomendada
- NOVÁKOVÁ, L.; VLČKOVÁ, H. A review of current trends and advances in modernbio-analytical methods: Chromatography and sample preparation. Analytica ChimicaActa, v.656, p.8-35, 2009.
- KATAOKA, HH. New trends in sample preparation for clinical and pharmaceuticalanalysis. Trends in Analytical Chemistry, v.22, p.232-244, 2003.
- MARTIN, G.; M.; BOUVIER, E.S.P.; COMPTON, B.J. Advances in sample preparationin electromigration, chromatographic and mass spectrometric separation methods. Journal of Chromatography A, v.909, p.111-135, 2001.
36
5) Exemplos de procedimento de preparo de amostra
1) Amostra de ÁGUA � Determinação de metais
Filtração (0,45 µm)
Coleta
Acidificação
Resultados
*metais “dissolvidos”
Digestão ou Análise direta
Acidificação - fração líquida*
metais “totais” 37
Exemplos de procedimentos de preparo de amostras
Amostra de ÁGUA � Determinação de metais
Digestão pelo Método EPA 3015
1) Adicionar em frasco de digestão- 45 mL de amostra- 5 mL de HNO3 conc.
2) Agitar vagarosamente a mistura3) Fechar o frasco e introduzi-lo no rotor do MW4) Submeter a amostra ao seguinte programa de aquecimento:
- 10 min até 160 oC- 10 min até 165 oC
5) Após o frasco resfriar, abri-lo e, se necessário, realizar a diluição do digerido6) Armazenar a amostra em frasco de plástico limpo e analisar a solução de amostra
38
6) Considerações sobre segurança no laboratório
Massas elevadas de amostras maior que 0,5 g são inadequadaspara sistemas fechados devido levarem à formação de grande quantidade de vapor
A abertura dos frascos fechados, após a digestão, deve ser feita após os mesmos voltarem à temperatura ambiente e preferencialmente na “capela”
A adição de H2O2 em frasco aberto deve ser feita a frio
A reação de ácidos fortes com amostras finamente divididas são geralmente muito rápidas... 39
Considerações sobre segurança no laboratório
Materiais muito reativos ou em quantidades relativamente elevadas podem ser pré-digeridos antes do início do procedimento a ser adotado
� ~ 0,25g de fígado (triturado)reage instantaneamente com HNO3 conc.
Ácido fluorídrico é rapidamente absorvido pela pele e causa queimaduras profundas de forma lenta e de difícil remediação(para lembrar...)
� Preferir equipamentos com controle de pressão
40
7) Alguns tópicos para aprofundamento e leitura
Contaminações da amostragem e estocagem� Hoening, M.; Kersabiec, AM. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomicpectroscopy Methods: Present status”; Spectrochim. Acta B 51 (1996) 1297
Contaminações durante a análise de traços� S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry; John Wiley & Sons, Inc., 2003
CONTEXTO: determinações de metais, compostos orgânicos voláteis
PRINCIPAIS FONTES:poeira e atmosfera ambiente, reagentes, frascos e
materiais que entram em contato com a amostra
41
8) Considerações “finais”
Validação do procedimento de preparo de amostras
�Utilizar amostras de referência (preferencialmente amostras de Referência Certificadas)
� Comparar resultados analíticos com aqueles obtidos com métodos de referência ou oficiais (testes estatísticos)
� Participar de Ensaios Interlaboratoriais
42
Referências consultadas
1) D. A. Skoog, D. M. West and F. J. Holler. Fundamentals of Analytical Chemistry; 7th Ed., Thomson Learning, 1996.
2) Hoening, M.; Kersablec, A. M. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomic Spectroscopy Methods: Present Status”, Spectrochim. Acta B, 51 (1996) 1297-1307.
3) J. Mendham, R. C. Denney, J. D. Barnes, M. Thomas. Vogel -Análise Química Quantitativa; 6a ed., LTC, 2002.
4) S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry; John Wiley & Sons, Inc., 2003.
5) Leite, F. “Amostragem Analítica em Laboratório”; Rev. Anal. 3 (2003) 52-59.
6) Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution and Future Trends”; J. Braz. Chem. Soc. 14(2003) 174-182.
7) Borowski, K. Tips and Techniques for Ethos Series Microwave LabStations; Milestone Inc., 2003.
8) D. C. Harris. Análise Química Quantitativa; 7a ed., LTC, 2008.9) F. J. Krug. Métodos de preparo de amostras: fundamentos sobre
o preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise elementar; 1ª ed., 2010.
10) Notas de aula do Prof Júlio César José da Silva, do DQ/ UFJF (www.ufjf.br/baccan).
43