UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
INSTITUTO DE QUÍMICA
GRUPO DE PESQUISA EM QUÍMICA ANALÍTICA
Preparo de Amostras
Dra. Andréa Pires Fernandes
Missão da química analítica
Propor os meios para a determinação
da composição química dos materiais
A seqüência analítica
 Definição do problema
 Escolha do método
 Amostragem
Pré-tratamento da amostra
 Medida
 Calibração
 Avaliação
 Ação
SEQUÊNCIA ANALÍTICA
- Qual a informação analítica necessária?
- Amostragem: adequada?
- Qual método de análise fornecerá a informação?
- PREPARO: converter a amostra em forma adequada para análise.
- Calibração: obtenção com padrões adequados.
- Medição: obtenção de dados da amostra.
- Avaliação: resultado obtido é confiável?
Definição do problema
Determinação de elementos em baixas concentrações
em diferentes amostras
Avaliação dos teores de mercúrio em
águas e sedimentos
Níveis típicos de Hg
em amostras ambientais
Ar
1 - 4 ng m3
Chuva
5 - 100 ng l-1
Oceano aberto
0,5 - 3 ng l-1
Água costeira
2 -15 ng l-1
Rios e lagos
1 - 3 ng l-1
Sedimentos e solos
< 700 ng g-1
Sedimentos marinhos
< 100 ng g-1
Solos contaminados
50 -100 µg g-1
[email protected]
A seqüência analítica

Definição do problema
 Escolha do método
 Amostragem
 Pré-tratamento da amostra
 Medida
 Calibração
 Avaliação
 Ação
Limites de detecção típicos para as principais
técnicas espectroanalíticas
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
Limites de detecção (µg / L)
Figura adaptada de http://www.perkinelmer.com/
ESTRATÉGIAS ANALÍTICAS PARA A DETERMINAÇÃO DE
METAIS E AMETAIS EM MAMÍFEROS AQUÁTICOS
ETAPAS DA ANÁLISE
 AMOSTRAGEM
 ESCOLHA DA TÉCNICA
TRATAMENTOS PRELIMINARES
PRÉ-TRATAMENTO
DECOMPOSIÇÃO DA AMOSTRA
DETERMINAÇÃO
 CONTROLE DE QUALIDADE
- BRANCOS
- REPLICATAS
- MATERIAL DE REFERÊNCIA CERTIFICADO
 TRATAMENTO/INTERPRETAÇÃO DOS DADOS
(Skoog et al., 2006; Krug,2006)
AMOSTRAGEM
“PROCESSO DE COLETAR UMA PEQUENA MASSA DE UM MATERIAL CUJA
COMPOSIÇÃO REPRESENTE TODO O MATERIAL QUE ESTÁ SENDO AMOSTRADO”.
(Skoog et al, 2006)
 ESCOLHA DAS ESPÉCIES/TECIDOS
 CONDIÇÃO DA CARCAÇA
 MATERIAL UTILIZADO E LOCAL
DE COLETA
 ACONDICIONAMENTO DAS AMOSTRAS
 PROFISSIONAL QUALIFICADO
(Geraci& Lounsburry,1993; O’Shea,1999)
AMOSTRAGEM
 ANIMAIS SELVAGENS
 ENCALHES – CONDIÇÃO DA CARCAÇA
 LOCAL DE COLETA INADEQUADO
TRANSPORTE P/ LABORATÓRIO
DIFICULDADES
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.
Tempo gasto na análise química
Amostragem
6%
Preparo da amostra
61%
Análise
6%
Tratamento dos dados
27%
http://www.sampleprep.duq.edu/dir/why_sp_2.html
Adaptado de Ronald E. Major “An overview of sample preparation”, LC-GC,vol 9, nº1, 1991.
A importância do preparo de amostras nos
métodos analíticos
Nenhuma
1,6%
Máxima
60,6%
Mínima
6,8%
Moderada
31,0%
http://www.sampleprep.duq.edu/dir/why_sp_1.html
Adaptado de Ronald E. Major “An overview of sample preparation”, LC-GC,vol 9, nº1, 1991.
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.
DILUIÇÃO ???
ANÁLISE DIRETA ???
EXTRAÇÃO ???
DECOPOSIÇÃO POR
VIA SECA ???
DECOMPOSIÇÃO POR VIA
ÚMIDA ???
REAGENTES
AMOSTRA
Rompimento das ligações/
destruição da estrutura cristalina
ENERGIA
SOLUÇÃO ANALITOS
Reagentes complementares
Prof. Dr. Celso Spinola- UFBa
Tratamentos Preliminares
 Lavagem
 Secagem
Amostra
Procedimentos
Físicos
 Moagem
 Peneiramento
 Refrigeração
 Agitação mecânica
 Polimento
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
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
105 ºC
Materiais biológicos
60 – 65 ºC
Minerais (aluminatos, silicatos)
> 1000 ºC
Atenção!!!
(estufa com circulação
forçada de ar)
Vegetais  secagem em sacos de papel ou algodão em estufa
com circulação de ar por 48h ou até peso constante.
Tratamentos Preliminares
Secagem
- ESTUFA COM CIRCULAÇÃO FORÇADA DE AR (60-65º C)
- MICROONDAS DOMÉSTICO
- LIOFILIZAÇÃO (remoção de água de uma amostra por sublimação a
vácuo)
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 extrafina (< 63 μm)
Tratamentos Preliminares
Moagem grosseira
Moagem fina
Moagem extra-fina
Moinho de disco
Almofariz e pistilo
Liquidificador
Processador
Moinho de facas
Moinhos mecânicos  perdas
de elementos voláteis devido
ao aquecimento da amostra
Moinho de bolas
Moinho vibracional
Moinho de jato de ar
Moinho criogênico
Tratamentos Preliminares

Moagem criogênica
Amostra
Congelada em N2 (-196 ºC) ou acetona
(-78 ºC) para aumentar a dureza e
provocar falhas na estrutura
Utilizado
para materiais com
baixo
pontoade
fusão que possam
Facilita
cominuição
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
Precauções
 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
Dureza
Mineral
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Talco
Gypsum
Calcita
Fluor-spar
Apatita
Feldspato
Quartzo
Topázio
Corundum
Diamante
 Equipamentos desgastados propiciam maiores riscos
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
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.
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
Escolha do método de pré-tratamento depende de
várias considerações:

Solução obtida deve ser compatível com o método de determinação

Exigências metrológicas
• Calibrações exigidas (balança, temperatura, pipetas, balões
volumétricos)
• Homogeneidade = f(massa de amostra, analitos)
• Repetibilidade e reprodutibilidade, acurácia, seletividade e limite
de detecção

Aspectos restritivos
•
•
•
•
Custo
Tempo disponível
Espaço físico
Competência do analista
Técnicas Convencionais

Via úmida


ácidos ou misturas de ácidos, agentes oxidantes
Via seca (Combustão – mineralização)



Incineração à pressão atmosférica
Incineração à vácuo
Fusão
PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS
VIA SECA
VIA ÚMIDA
Decomposição e solubilização de sólidos
inorgânicos
Dissolução x Abertura


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.
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 Na2CO3 até a
formação de um produto claro que se solidifica após esfriar, sendo
prontamente dissolvido com solução de ácido nítrico diluído.
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
Dissolução
Destruição da mat. orgânica
Dissolução da mat. inorgânica
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.
Decomposição e solubilização de amostras
Ácidos Minerais
Os ácidos minerais mais comuns são: HCl, HNO3, H2SO4, HClO4 e HF

Força do ácido;
Ponto de ebulição;
PONTO
DE EBULIÇÃO
À PRESSÃO
ATMOSFÉRICA

Poder oxidante
do ácido e/ou
de um de seus
produtos de





decomposição;
Ácido
Concentração
P.E. (C)
PoderHCl
complexante com respeito
aos íons de interesse;
37% (m/v)
110
HF
49% (m/v)
108
Solubilidade
dos sais correspondentes;
HNO3
70% (m/v)
120
Grau de pureza e/ou facilidade de purificação;
Água-régia
(HCl:HNO3 3:1) v/v
112
Aspectos
à98,3%
segurança
durante a manipulação.
H2SOrelacionados
(m/v)
338
4
H3PO4
85% (m/v)
150
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



HNO3
HClO4 conc. a quente
H2SO4 conc. a quente
Decomposição e solubilização de amostras
Ácido nítrico - HNO3
É o ácido mais usado na decomposição da matéria orgânica
ORG + HNO3
NOx + CO2 + H2O
 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
Decomposição e solubilização de amostras
Ácido sulfúrico – H2SO4
 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: CaSO4 (pouco solúvel), BaSO4, SrSO4 e PbSO4;
 Sua viscosidade pode causar interferências em algumas técnicas de
detecção (e.g. ICP, ETAAS)
Decomposição e solubilização de amostras
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, Hg2Cl2 e TiCl
Cloretos voláteis: As(III), Sb(III), Ge(IV), Se (IV), Hg(II), Sn(IV)
Decomposição e solubilização de amostras
Ácido perclórico – HClO4
Utilizado
com conhecimento
e atenção, este reagente é extremamente
Algumas regras
na manipulação:
eficiente
na destruição da matéria orgânica.
 Nunca use ácido mais concentrado que 72%;
 Do
Nunca
deixede
que
o ácido
concentrado
a quente
em contato direto com

ponto
vista
técnico,
a mistura
HNOentre
3 e HClO4 é a que possui
materiaisdesvantagens.
facilmente oxidáveis;
menos
 Não utilize capelas de exaustão com superfícies expostas construídas com
material
orgânicoanão
recomendado
p.e. madeira);

Mas devido
ocorrência
de (ocasionais
explosões, é aconselhável
evitar
seu uso.o ácido com frascos contendo tampas de borracha;
 Não oarmazene
 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.
Decomposição e solubilização de amostras
Misturas de ácidos minerais
As misturas de ácidos são muito utilizadas porque:

Diferentes propriedades úteis podem ser combinadas (um ácido com poder
complexante com um ácido oxidante):
HF + HNO3, HF + HClO4, HF + H2SO4, HF + HNO3 + HCl
 Dois ácidos podem reagir formando produtos com maior reatividade que
qualquer um deles empregado isoladamente:
Água régia (HNO3:HCl, 1:3)
 Uma propriedade indesejável em um ácido pode ser moderada pela presença
de um segundo ácido:
HNO3 + HClO4
A amostra pode ser dissolvida com um ácido, o qual é separado da mistura por
um outro ácido que o substitui (HF + HClO4, HF + H2SO4).
Decomposição e solubilização de amostras
Misturas de ácidos com outros reagentes
Utilizados para melhorar a eficiência da dissolução com um ou mais ácidos
minerais:

Agentes oxidantes:Peróxido
de hidrogênio – H2O2
H2O2, Br2, KClO3 + HCl
 Misturas de ácidos com peróxido de hidrogênio são particularmente eficientes
 Eletrólitos inertes – são adicionados para aumentar o ponto de ebulição do
na
oxidação
da matéria
ácido,
resultando
numaorgânica.
maior temperatura final para a dissolução (adição de
Na2SO4, K2SO4 ou (NH3)2SO4 ao H2SO4).
A água é o único produto de decomposição presente.
 Agentes complexantes – mantém os analitos em solução, evitando a
É encontrado com alto grau de pureza.
precipitação (ácido tartárico, cítrico e lático combinados com o HNO3 para

Combinado
dissolver
ligas).com o poder de desidratação do ácido sulfúrico, esse tipo de
2+,
reação
rapidamente
degrada aa velocidade
matéria orgânica
a espécies
que
 Catalisadores
– aumentam
de dissolução
com menores,
ácidos (Cu
2+).
Hg
volatilizam facilmente.
Técnicas de Dissolução mais usadas
 VIA SECA
Convencional
(sistema aberto/fechado)
 VIA ÚMIDA
Forno de microondas
(sistema focalizado/com
cavidade)
Decomposição por fusão
Utilizado para material inorgânico de difícil dissolução, como:








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
Decomposição por fusão
Procedimento geral:
1.
A amostra finamente moída é misturada intimamente com um
eletrólito ácido ou básico
Fundentes: Na2CO3(p.f. 851ºC), NaOH (p.f. 318ºC), Na2O2, KHSO4, 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.
Decomposição por combustão (Dry ashing)
 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.
 A temperatura conveniente para pirólise da
matéria orgânica encontra-se freqüentemente entre
450-550ºC.
 Procedimentos recomendados pela AOAC para
determinação de minerais em alimentos..
Calcinação em mufla
Decomposição por combustão (Dry ashing)
Fornos tipo mufla
Decomposição por combustão (Dry ashing)
Vantagens:
 Possibilidade de tratar grande quantidade de amostra, sendo a
relação massa de amostra/volume final muito flexível.
 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
Decomposição por combustão (Dry ashing)
Limitações:
 Requer um longo tempo para calcinação (> 12 h).
 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.
0 → nenhuma perda
++ → 6 a 20% de perda
+ → 2 a 5% de perda
+++ → >20% de perda
 Difícil dissolução de algumas cinzas.
Procedimento analítico para amostras de plantas*
 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.
 Manter a essa temperatura por 16 horas.
 Após o resfriamento, adicionar 2 mL de água deionizada, 3 mL de HNO3
e 2 mL de HF.
 Evaporar lentamente até a secura em banho de areia ou placa de
aquecimento.
 Repetir duas vezes o último passo adicionando 2 mL de HNO3 e 1 mL de
HF.
 Dissolver o resíduo com 2 mL de HNO3, aguardar 15 min, adicionar 20
mL deionizada e aquecer até suave ebulição
 Após resfriamento, transferir para um balão volumétrico e aferir.
* Método do Comité Inter-Instituts d’Etude des Techniques Analytiques
Aplicação
1 – Determinação de Al, Ba, Ca, Co, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Ni, P
e Zn em café cru
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: incineração em mulfla a 450ºC por
24h e digestão ácida em bloco.
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 HNO3 conc.
+ 3 mL H2O2 30% (v/v).
Resultados: o procedimento por via seca apresentou maior
repetibilidade e exatidão.
Morgano et al. Cienc. Tecnol. Aliment. 2002, 22(1), 19-23.
Decomposição por via úmida (wet methods)
SISTEMA ABERTO
Placa Aquecedora
Banho Maria
Bloco Digestor
Chama (bico de Bunsen)
Decomposição por via úmida (wet methods)
 Baseiam-se no aquecimento da amostra na presença de um ácido mineral
oxidante geralmente concentrado.
 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: HNO3, H2SO4, HClO4
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)
Aquecimento por condução
.
.
..
Correntes convectivas
.
.
Temperatura da superfície externa é superior ao P.E.
Decomposição por via úmida (wet methods)
Aquecimento condutivo
bloco
bomba
chapa
digestor Kjeldahl
Decomposição por via úmida (wet methods)
Sistema assistido por microondas
Forno de microondas com cavidade
Forno de microondas focalizadas
Decomposição por via úmida (materiais biológicos)
Moagem
100 – 500 mg
Digestão com 5-10 ml HNO3

Digestão a frio durante 12 h é recomendável

Requer digestão complementar com HClO4 (1-2 ml)

Digestões durante 3-12 h (depende da matriz)

Baixo custo de instrumentação

Alta freqüência analítica (40-100 amostras/digestão)
Filme
Decomposição por via úmida (mat. biológicos)

Requer combinações: HClO4, H2SO4, H2O2

Geração de resíduos (soluções ácidas)

Vapores corrosivos de NO2 (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)
Notas sobre a decomposição de materiais
biológicos com HNO3 e H2SO4 em sistemas abertos



A máxima temperatura do meio de decomposição é limitada pelo
ponto de ebulição do azeótropo HNO3/água (ca 120°C).
H2SO4 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.
Decomposição por via úmida (wet methods)
Vantagens:
 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.
 As reações dos elementos traços com constituintes da amostra
são limitadas.
Decomposição por via úmida (wet methods)
Limitações:
 Pode ocorrer co-precipitação de alguns elementos com um
elemento principal da matriz. Por exemplo, Ca precipitar com
CaSO4, se for utilizado H2SO4.
 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).
Aplicação
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 Santos1,2, Diogenes Ribeiro Gramacho1, Alete
Paixão Teixeira1, Antônio Celso Spínola Costa1, Maria das Graças
Andrade Korn1*
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, 40170-290 Salvador, Bahia, Brazil.
2 Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia, Barbalho, 40.300-010,
Salvador-Bahia
1 - 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 120 0C
Na digestão (20 min):
0,5 g de amostra de feijão moído + 7
mL HNO3 conc.
+ 1 mL H2O2 30% (v/v).
Resultados: o procedimento por via úmida apresentou boa
repetibilidade e exatidão.
Santos, W., Tese de Doutorado, 2007
Decomposição por via úmida com sistemas fechados
Comparando-se com os sistemas abertos, tem-se as seguintes
vantagens:
 Não há perda por volatilização
 Menor tempo de reação (3 a 10 vezes)
 Melhor decomposição devido a maior pressão e temperatura
atingidas.
 O “branco” é reduzido devido a menor quantidade de reagentes
 Nenhuma contaminação por fontes externas.
Decomposição por via úmida com sistemas fechados
Pode ser realizada utilizando-se:
 Bomba de decomposição PTFE clássica
 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.
Decomposição por via úmida com sistemas fechados
Bomba de decomposição PTFE clássica
Aquecidas em estufa
ou mufla até 200°C
Pressão: 0,1 a 30 MPa
Amostra: 0,1 a 5 g
Bomba de decomposição PTFE
Volumes disponíveis: 23 ml, 45 ml e 125 ml
Aplicação
Avaliação da contaminação ambiental por metais
em lagostas (Spiny lobster) no litoral norte do
Estado da Bahia
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.
Avaliação da contaminação ambiental por metais em lagostas
(Spiny lobster) no litoral norte do Estado da Bahia
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.
JUSTIFICATIVAS
EFLUENTES LANÇADOS ATRAVÉS DE EMISSÁRIOS
+
FALTA DE MONITORAMENTO
LAGOSTAS + SEDIMENTO: INDICADORES
PRÉ-TRATAMENTO
SEPARAÇÃO DE VISCERAS
LAVAGEM
MÚSCULO
VÍSCERAS
PRÉ-TRATAMENTO
MOAGEM
PENEIRAMENTO
DIGESTÃO DE AMOSTRAS
0.20g de AMOSTRA
+
2 mL HNO3
+
2mL ÀGUA MILLIQ
14 HORAS
120º C
DETERMINAÇÃO DE METAIS
ICP OES
DESCRIÇÃO RESUMIDA DAS ETAPAS DAS ANÁLISES
Liofilização*
moagem
0,20 g
Peneira (300 µm)
Digestão em bomba parr
14h = 120 °C
* Tempo de liofilização variável
até completa sublimação
Diluição para
15 mL
Determinação de metais – ICP OES
Tratamento e interpretação
dos dados
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
Emprego de bombas de digestão
250 mg de amostra
+
2 ml HNO3 conc
+
H2O2
Temperatura: ?
Emprego de bombas de digestão
Emprego de bombas de digestão
Emprego de bombas de digestão
Decomposição por via úmida com Microondas
Ultraviolet
Visible
Espectro Electromagnético
Infrared
Microwave
Laser Radiation
10-10 10-9 10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
Wavelength (m)
3x1012
3x1010
3x108
3x106
3x104
3x102
Frequency (MHz)
Molecular
vibrations
Inner-shell
eletrons
Outer-shell
(valence)
eletrons
Molecular rotations
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
Interação Radiação Microondas e Matéria
Reflexão
Condutor
Metais refletem energia microondas
e não aquecem.
Transparência
Isolante
Dielétrico
Materiais transparentes à energia
microondas - não são aquecidos.
. ....
.
Absorção
Materiais absorvem energia
microondas - aquecimento.
Aquecimento assistido por radiação microondas
Sample-acid mixture
(absorbs microwave
energy)
Vessel wall
(transparent to
microwave energy)
Microwave heating
Localized
superheating
Reprinted with premission from Neas, E.; Collins, M. in “Introduction to Microwave Sample
Preparation:Theory and Practice,” copyright 1988 by The American Chemical Society.
Líquidos (ácidos e solventes) são
rapidamente aquecidos quando
expostos à radiação microondas.
Absorção ocorre principalmente
por dois mecanismos:
-
ROTAÇÃO DE DIPOLOS
CONDUÇÃO IÔNICA
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.
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
Localized superheating
Microwave-assisted
heating
Aspectos Positivos da Tecnologia
Microondas




Aquecimento volumétrico: energia rapida/e
transferida para o material sendo aquecido.
Economia de energia: perdas de calor por
irradiação, condução e convecção são reduzidas (até
70%).
Tamanho de equipamento reduzido em até 20%.
Controle instantâneo do processo: início e parada
rápidas.
Aspectos Positivos da Tecnologia
Microondas



Transferência de energia limpa: usualmente
via algum efeito de polarização no próprio
material.
Temperaturas elevadas.
Controle de reações químicas: aceleração de
processos químicos e reações sem
solventes.
Aspectos Negativos da Tecnologia
Microondas

Complexidade da área: difícil previsão da natureza
exata da interação entre o campo eletromagnético e
a matéria.

Uniformidade de temperatura: profundidade de
penetração da radiação.

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.
Aspectos Negativos da Tecnologia
Microondas



Custo de implementação: geral/e maior do que
estratégias convencionais de aquecimento.
Tamanho do magnetron e ciclo de trabalho.
R & D: Novas aplicações geral/e exigem
desenvolvimento e compreensão do comportamento
da amostra. Isso implica que implementação
imediata é inviável.
Decomposição por via úmida com Microondas
Microondas não focalizado
Frascos Fechados – Por-que?

Análise de Traços

Eliminação do uso de ácido sulfúrico

Digestão usando somente ácido nítrico

Menor consumo de reagentes

Menores brancos analíticos

Menor custo de reagentes com alta pureza

Evita perdas de analitos que podem gerar compostos
alta/e voláteis

Proteção do ambiente (vapores ácidos; menor
volume de resíduos ácidos)
Controle direto de temperatura



Monitoramento e
controle direto para
um frasco de
referência até 300°C
com termopar ou
fibra óptica
Temperatura é
medida 20 vezes
por segundo
Sensor inserido em
tubo cerâmico inerte
Controle de temperatura em
todos frascos (contact-less)



Sensor focalizado
de IR
Controle seqüencial
de temperatura em
todos frascos
Perfil de variação de
temperatura para
cada frasco
Aspectos Positivos do Forno de
Microondas com Cavidade

Possibilidade de atingir temperatura de trabalho >
que P.E. dos reagentes (Pinterna) o que implica em
processos de digestão mais rápidos e maior poder
oxidante.

Digestão simultânea de um grande número de
amostras (6-50).

Menor possibilidade de perdas e contaminação
(frascos fechados).
Aspectos Positivos do Forno de
Microondas com Cavidade

Menor consumo de reagentes, resultando em
menores brancos analíticos e digeridos menos
concentrados em ácidos.

Menor geração de resíduos.

Química limpa: redução de vapores desprendidos
para o ambiente.

Controle da distribuição da radiação microondas
durante o processo de digestão aperfeiçoa a
repetibilidade.
Aspectos Positivos do Forno de
Microondas com Cavidade

Possibidade de usar reagentes com alta
pureza, e.g. HNO3 e H2O2, sem perda de
eficiência devido aos baixos P.E..

Possibilidade de trabalhar com soluções
diluídas de ácido nítrico.
Aspectos Negativos do Forno de
Microondas com Cavidade


Segurança: pressão.
Segurança: riscos de explosão devido à geração de
H2 durante a digestão de ligas e metais.

Limitada massa de amostra.

Limitações de temperatura e pressão devidos aos
materiais dos frascos.

Segurança: necessidade de trabalhar com amostras
similares na maioria dos programas de aquecimento,
i.e. amostras com teores similares de água e
compostos orgânicos.
Aspectos Negativos do Forno de
Microondas com Cavidade



Limitações práticas para adicionar reagentes durante
a digestão.
Necessidade de aguardar um longo tempo para
abertura dos frascos após a digestão.
Baixa reprodutibilidade ao empregar diferentes
equipamentos ou frascos – mesmo para
equipamentos e frascos produzidos por um mesmo
fabricante, mas de diferentes lotes.
Decomposição por via úmida com Microondas
Microondas focalizado
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
Forno de Microondas com Radiação Focalizada:
Aplicações Típicas






Massas de amostra elevadas (> 1 g)
Amostras orgânicas – geração de gases
Requer múltiplas adições de reagentes
Requer variações de temperatura
Requer ácido sulfúrico para atingir altas
temperaturas
Procedimentos de extração sob baixas
temperaturas
Aplicação
5 – Determinação de nutrientes minerais e elementos tóxicos
em cafés solúveis
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: digestão com HNO3 conc. e H2O2 30%
(v/v)
1 g de amostra de café
6 ml de NHO3 a 65% (v/v)
0,5 mL de H2O2 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.
Santos e Oliveira. Food Compos. Anal. 2001, 14, 523-531.
Aplicação
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.
Técnica: ICP OES
Tratamento das amostras: extração aquosa e digestão em forno de
microondas fechado.
Extração: 1,0 g de amostra + 10 mL de água
fervente, centrifugar e acidificar o sobrenadante
com HNO3 (0,014 mol L-1).
Digestão: 0,25 g de café + 3 mL de HNO3 conc. +
1 mL de H2O2, em MW ( 700 W/15min).
Resultados: Foi possível correlacionar a concentração dos
elementos com o modo de produção (orgânico ou convencional).
Fernandes et al. Spectrochim. Acta Part B. 2005, 60, 717-724.
Aspectos Positivos do Forno de
Microondas com Radiação Focalizada




Digestão de massas elevadas de amostra (até 10 g)
– especial/e para amostras com alto teor de
compostos orgânicos que geram elevados volumes
de gases.
Adição programada de reagentes.
Segurança – pressão ambiente.
Não há uma longa etapa de resfriamento e redução
de pressão após a digestão.
Aspectos Positivos do Forno de
Microondas com Radiação Focalizada



Uso de frascos construídos 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 aplicações: extração de orgânicos,
extração para especiação química, digestão ácida ou
alcalina para determinação de teores totais.
Aspectos Positivos do Forno de
Microondas com Radiação Focalizada




Trabalho sob elevadas temperaturas utilizando-se
ácido sulfúrico.
Remoção de vapores (para sistemas operando à
pressão atmosférica) – aumento do rendimento
reacional (Princípio de Le Chatelier)
Segurança para processos reacionais sob baixa
pressão.
Possibilidade de combinação com outras fontes de
energia (e.g. ultrassom) para acelerar o processo de
digestão.
Aspectos Negativos do Forno de
Microondas com Radiação Focalizada



Elevada acidez dos digeridos – pode dificultar a
determinação de elementos por técnicas que
envolvem a introdução de amostra por nebulização
pneumática (requer elevada diluição).
Elevados volumes de reagentes podem gerar
brancos analíticos altos e grande produção de
resíduos.
Heterogeneidade de distribuição da radiação
microondas: implica em diferentes condições em
cada frasco reacional, o que afeta a eficiência de
digestão (baixa repetibilidade).
Aspectos Negativos do Forno de
Microondas com Radiação Focalizada


Uso de ácido sulfúrico (máximo P.E.) para aumento
de temperatura em sistemas operando à pressão
ambiente: a elevada viscosidade do ácido sulfúrico
pode interferir no transporte de amostra e
determinações dos analitos por técnicas como ICP
OES e ICP-MS. Além disso, sulfatos insolúveis
podem ser formados.
Limitada freqüência analítica: 1 a 6 amostras,
enquanto que no forno de microondas com cavidade
pode-se processar até 80 amostras simultanea/e.
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 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
Conclusões
• 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
OBRIGADA!!!!
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