ANALÍTICA AVANÇADA – 1S 2015
Aulas 5
Preparo de Amostras
(Continuação)
Prof. Rafael Arromba de Sousa
Departamento de Química - ICE
[email protected]
Notas de aula: www.ufjf.br/baccan
CONTEÚDO
Considerações sobre amostragem
Preservação de amostras
Tratamentos preliminares
Tratamentos convencionais
(dissolução, abertura, digestão, ...)
Detalhes sobre o preparo de amostras para
determinações inorgânicas
Detalhes sobre o preparo de amostras para
determinações orgânicas
Exemplos de procedimentos de preparo de amostra
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 relativamente
favorece a preconcentração de impurezas
grande de reagentes
- Exige supervisão constante do analista ...
- Favorece a perda de analitos voláteis
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Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados
Teor de carbono residual em amostras decompostas com HNO3
em sistemas abertos podem variar de 2 a 46% !
Pode ser melhorado:
decomposição sob pressão em temperaturas acima de 120 oC
Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de PTFE:
Frasco de teflon
(160 – 200 oC)
Cilindro de aço
(mais comum)
Aquecimento
- Chapa
- Estufa termostatizada
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Digestão de Amostras em Frasco Fechado
Características:
- Aplica-se a todos os tipos de amostras, com a limitação de uso de massas
de amostras relativamente pequenas
- Geralmente demora menos que 3 horas e consome quantidades pequenas a
moderadas 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 desprezível
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Recursos para Digestão de amostras em Frasco Fechado
i
ii
iii
Bombas de alta pressão
a
i) Digestão “convencional”
ii) Digestão em MW -------iii) Digestões por combustão
Microondas (MW) de laboratório
b
(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
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Condições para digestão em bombas de alta-pressão com PTFE
Parâmetros experimentais
Temperatura
Valores médios
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 pressão
amostras que liberam muita quantidade de gases (gorduras)
devem ser digeridas com cuidado !
Algumas amostras não são completamente decompostas...
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Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados
Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo:
- 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 vapores
nitrosos dissolvidos
8
Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados
Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo:
9
Condições para digestão em bombas de alta-pressão com quartzo
Parâmetros experimentais
Temperatura
Valores médios
320 oC (300 oC 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 ser
realizada em temperaturas menores, na ordem de 180 oC. 10
Decomposição de amostras em Sistemas Fechados
O equipamento de microondas:
Exaustão
(caso vazamentos)
Sensores para monitorar
temperatura e/ou pressão
Controlador
computadorizado
Porta “reforçada” e
projetada para não abrir
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Digestão assistida por microondas ?
•
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 MHz
e 22125 MHz, estabelecidas pela Comissão Federal de Comunicações - FCC (USA)
Correspondência entre Radiação e Energia
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Digestão assistida por microondas
CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
• Microondas não são radiações ionizantes
• A energia das microondas é muito menor que a energia
necessária para quebrar as ligações das moléculas
orgânicas mais comuns
•
Potência: faixa
500 – 1500 W
de
trabalho
geralmente
entre
13
Digestão assistida por microondas
CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
•
Equipamentos utilizam programas de aquecimento:
• Temperatura x Tempo OU
• Potência x Tempo
•
Frascos reacionais: vidro
quartzo (até 12 Mpa)
teflon (até 7 Mpa)
politetrafluoretileno
Obtenção do material PTFE.
www.masterflex.com/TechLibraryArticle/828; acessado 06-07-14
14
Digestão assistida por microondas
CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
Materiais podem
refletir, absorver
ou não absorver
microondas
• Os líquidos absorvem energia de microondas modificando:
• Rotação de dipolo
• Condução iônica
Aumento da temperatura
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Digestão assistida por microondas
CARACTERÍSTICAS 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 em
calor
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Digestão assistida por microondas
CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS
Taxa de conversão de energia de microondas (tan δ) em diferentes
materiais
Material
tanδ (x10-4)
Material
Água
Quartzo fundido
Cerâmica F-66
Porcelana No 4462
Vidro fosfato
Vidro borossilicato
Vidro Corning No 0080
Acrílico (Plexiglass)
Nylon 6-6
Polietileno
Poliestireno
Teflon PFA
Temperatura
tan δ
25
25
25
25
25
25
25
27
25
25
25
25
1570
0,6
5,5
11
46
10,6
126
57
128
3,1
3,3
1,5
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Tipos de microondas para digestão de amostras
Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
Alguns exemplos:
- Milestone
- CEM
- AntonPaar
- Berghof, ...
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Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
Proteção de cerâmica
Frasco Teflon
Camisa para
alta pressão
Sistema nacional (Provecto)
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Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
Com o forno de microondas “carregado” com os
frascos
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 digerido
atingir a T ambiente)
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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
Reagentes
1) HNO3 + H2O2
2) H2SO4 + H2O2
3) HNO3 + HCl
1) Plantas, tecidos animais e alimentos
2) Óleo lubrificante, PVC, poliamidas, poliésteres e alimentos gordurosos
3) Metais, ligas metálicas e para extração em solos e sedimentos
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Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)
SEGURANÇA: monitoração do interior dos frascos:
Temperatura (oC)
Ex.: 10 mL de HNO3 em 6 frascos de Teflon TFM fechados,
aplicando-se 600 W por 15 min:
250
30
200
25
20
150
15
100
10
50
5
0
0
1200
0
300
600
900
Tempo (s)
A pressão de vapor gerada no interior dos frascos aumenta a
temperatura de ebulição do HNO3
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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 digestores
23
Tipos de microondas para digestão de amostras
Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)
24
Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)
Tubos de digestão
Ex de um forno de microondas que permite a realização
de 6 digestões diferentes
Equipamentos com diferentes configurações instrumentais
25
podem 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
volatilização
reduz contaminação e perdas por
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Digestão assistida por microondas
Frasco adequado
+
Reagentes apropriados
+
Programa de aquecimento adequado
Decomposições eficiente
Orgânicos
Inorgânicos
(incluindo refratários)
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Métodos convencionais para o preparo de amostras
Digestão x Dissolução
Digeridos de fígado, rim, coração,
pulmão, fêmur e baço
Solubilizados de fígado, rim,
pulmão e baço
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)
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Métodos convencionais para o preparo de amostras
Dissolução x Digestão
Outro exemplo de solubilização alcalina (TMAH):
B
A
Tecido “tumoral”
de seio
Tecido “normal”
de seio
1
2
A coloração da solução “1” se deve ao
elevado teor de gordura da amostra A
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Preparo de amostras para determinações Inorgânicas
Para “casa”: LEITURA
Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution and
FutureTrends”; 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.
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d) MÉTODOS DE EXTRAÇÃO (determinações em geral)
Extração líquido-líquido
Baseada na diferença de solubilidade entre duas substâncias em relação
A DOIS SOLVENTES, geralmente água e um solvente orgânico
Transferência de um soluto de uma fase para a outra
funil de separação
Sistema DESCONTÍNUO
(batelada)
- Técnica simples
- Temperatura ambiente
- A substância separada ainda pode ser tratada (purificada, pré-concentrada, etc)
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Uso: separação e purificação de substâncias
Substâncias mais polares ou iônicas
fase aquosa
Substâncias 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
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Extração sólido-líquido (mais efetiva para substâncias inorgânicas)
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
Extrator de
Soxhlet
(1879):
Solvente destilado
(eventualmente) contendo substâncias voláteis extraídas
Sólido + solvente + substâncias extraídas
Ex. indústria: análise inorgânica de solos e fertilizantes
(elementos minerais e ânions)
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Extração líquido-sólido (usada majoritariamente para analitos orgânicos)
Extração por purga
ou aprisionamento
Microextração
em fase sólida
(SPME)
I
N
J
E
T
O
R
G
C
Condições experimentais : temperatura, agitação e tempo de extração
(a serem avaliados)
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Equipamentos auxiliares para o Preparo de amostras
Extração
Dissolução
Homogeneização
Banhos de ultrasom
A posição do frasco de amostra
influencia na eficiência do processo
Agitador e misturador
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Preparo de amostras para determinações orgânicas
LEITURA recomendada
- NOVÁKOVÁ, L.; VLČKOVÁ, H. A review of current trends and advances in modern
bio-analytical methods: Chromatography and sample preparation. Analytica Chimica
Acta, v.656, p.8-35, 2009.
- KATAOKA, HH. New trends in sample preparation for clinical and pharmaceutical
analysis. Trends in Analytical Chemistry, v.22, p.232-244, 2003.
- MARTIN, G.; M.; BOUVIER, E.S.P.; COMPTON, B.J. Advances in sample preparation
in 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
Coleta
Filtração (0,45 µm)
Acidificação
Acidificação - fração líquida*
Digestão ou Análise direta
Resultados
*metais
“dissolvidos”
metais
“totais”
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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 mistura
3) Fechar o frasco e introduzi-lo no rotor do MW
4) 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
digerido
6) Armazenar a amostra em frasco de plástico limpo e analisar a solução
de amostra
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6) Considerações sobre segurança no laboratório
Massas elevadas de amostras maior que 0,5 g são inadequadas
para 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...
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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.
Preferir equipamentos com controle de pressão
Ácido fluorídrico é rapidamente absorvido pela pele e causa
queimaduras profundas de forma lenta e de difícil remediação
(para lembrar...)
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7) Alguns tópicos para aprofundamento e leitura
Contaminações da amostragem e estocagem
Hoening, M.; Kersabiec, AM. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomic
pectroscopy 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
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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
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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) 174182.
7) Borowski, K. Tips and Techniques for Ethos Series Microwave Lab
Stations; 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).
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