Aulas 5. Preparo de Amostras (Continuação)

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1 ANALÍTICA AVANÇADA 1S 2015 Aulas 5 Preparo de Amostras (Continuação) Prof. Rafael Arromba de Sousa Departamento de Química - ICE rafael.arromba@ufjf.edu.br Notas de aula:

2 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

3 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 grande de reagentes favorece a preconcentração de impurezas - Exige supervisão constante do analista... - Favorece a perda de analitos voláteis 3

4 Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados Teor de carbono residual em amostras decompostas com HNO 3 em sistemas abertos podem variar de 2 a 46%! Pode ser melhorado: decomposição sob pressão em temperaturas acima de 120 o C Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de PTFE: Frasco de teflon ( o C) Cilindro de aço (mais comum) Aquecimento - Chapa - Estufa termostatizada 4

5 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 HNO 3 ou HNO 3 e H 2 O 2 - A perda de analitos voláteis é geralmente desprezível 5

6 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) (b) Existem também modelos para se trabalhar com frascos abertos (microondas focalizado).vantagem: maior quantidade de amostra. Desvantagem: não compatível com analitos voláteis 6

7 Condições para digestão em bombas de alta-pressão com PTFE Parâmetros experimentais Temperatura Massa de amostra (frasco de 35 ml) Pressão final Tempo de decomposição Ácido nítrico (65 69%) Valores médios o C Correspondente a 100 mg C 20 bar 3 h (na temperatura de digestão) 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... 7

8 Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo: - Possibilidade de se usar temperaturas de até 300 o C 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

9 Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo: 9

10 Condições para digestão em bombas de alta-pressão com quartzo Parâmetros experimentais Temperatura Massa de amostra (frasco de 30 ml) Pressão final Tempo de decomposição Ácido nítrico (65 69%) Valores médios 320 o C (300 o C no inteior) Correspondente a 100 mg C** < 100 bar de até 3 h (na temperatura de digestão) 2 ml ** Massas maiores PODEM ser usadas SE a digestão puder ser realizada em temperaturas menores, na ordem de 180 o C. 10

11 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 11

12 Digestão assistida por microondas? Microondas são radiações do espectro eletromagnético Região de comprimentos de onda: 1mm a 1m e freqüências de 300 a MHz Freqüências para usos industrial, médico e cientifico: 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz e MHz, estabelecidas pela Comissão Federal de Comunicações - FCC (USA) Correspondência entre Radiação e Energia 12

13 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 de trabalho geralmente entre W 13

14 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. acessado

15 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 15

16 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 calor Eficiência de conversão da energia da microonda em Fator de dissipação, tan δ (razão ε / ε ) Habilidade do material em absorver energia das microondas, convertendo a energia da onda eletromagnética em calor 16

17 Digestão assistida por microondas CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS Taxa de conversão de energia de microondas (tan δ) em diferentes materiais Material tanδ (x10-4 ) Material Temperatura tan δ Água Quartzo fundido 25 0,6 Cerâmica F ,5 Porcelana No Vidro fosfato Vidro borossilicato 25 10,6 Vidro Corning No Acrílico (Plexiglass) Nylon Polietileno 25 3,1 Poliestireno 25 3,3 Teflon PFA 25 1,5 17

18 Tipos de microondas para digestão de amostras Sistema de microondas não focalizadas ( cavity-type ) Alguns exemplos: - Milestone - CEM - AntonPaar - Berghof,... 18

19 Sistema de microondas não focalizadas ( cavity-type ) Proteção de cerâmica Frasco Teflon Sistema nacional (Provecto) Camisa para alta pressão 19

20 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) 20

21 Condições para digestão assistida por micro-ondas? Parâmetros experimentais Temperatura ou Potência Massa de amostra Tempo de decomposição Valores médios Dependem da amostra e do equipamento (verificar manuais) Em geral até 500 mg Menos de 1 h Reagentes 1) HNO 3 + H 2 O 2 2) H 2 SO 4 + H 2 O 2 3) HNO 3 + 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 21

22 Sistema de microondas não focalizadas ( cavity-type ) SEGURANÇA: monitoração do interior dos frascos: Ex.: 10 ml de HNO 3 em 6 frascos de Teflon TFM fechados, aplicando-se 600 W por 15 min: Temperatura ( o C) Tempo (s) A pressão de vapor gerada no interior dos frascos aumenta a temperatura de ebulição do HNO 3 22

23 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 HNO 3 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

24 Tipos de microondas para digestão de amostras Sistema com microondas focalizadas ( waveguide-type ) 24

25 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 podem ser encontrados 25

26 Forno de Microondas Focalizado Trabalha à pressão atmosférica Mais seguro, mas requer condições mais drásticas de reação (uso de H 2 SO 4 ) 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

27 Digestão assistida por microondas Frasco adequado + Reagentes apropriados + Programa de aquecimento adequado Decomposições eficiente Orgânicos Inorgânicos (incluindo refratários) 27

28 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) 28

29 Métodos convencionais para o preparo de amostras Dissolução x Digestão Outro exemplo de solubilização alcalina (TMAH): A B Tecido normal de seio Tecido tumoral de seio A coloração da solução 1 se deve ao 1 2 elevado teor de gordura da amostra A 29

30 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. 30

31 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) 31

32 Uso: separação e purificação de substâncias Substâncias mais polares ou iônicas fase aquosa Substâncias mais apolares fase orgânica ASPECTOS FÍSICO-QUÍMICOS: Coeficiente de Partição (K D ) É a constante de equilíbrio para a solubilidade de um composto em um solvente 1 em relação a um solvente 2 : K D = C 1 /C 2 C 1 e C 2 são as solubilidades do composto nos solventes 1 e 2 Número alto de K D : grande parte do soluto irá ser transferida para o solvente 1 Eficiência da extração Lei da distribuição de Nernst prevê: Mesmo em casos onde K D 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

33 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) 33

34 Extração líquido-sólido (usada majoritariamente para analitos orgânicos) Microextração em fase sólida (SPME) I N J E T O R G C Extração por purga ou aprisionamento Condições experimentais : temperatura, agitação e tempo de extração (a serem avaliados) 34

35 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 35

36 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, KATAOKA, HH. New trends in sample preparation for clinical and pharmaceutical analysis. Trends in Analytical Chemistry, v.22, p , 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 ,

37 5) Exemplos de procedimento de preparo de amostra 1) Amostra de ÁGUA Determinação de metais Coleta Filtração (0,45 µm) Acidificação - fração líquida* Acidificação Digestão ou Análise direta Resultados *metais dissolvidos metais totais 37

38 Exemplos de procedimentos de preparo de amostras Amostra de ÁGUA Determinação de metais Digestão pelo Método EPA ) Adicionar em frasco de digestão - 45 ml de amostra - 5 ml de HNO 3 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 o C - 10 min até 165 o C 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 38

39 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 H 2 O 2 em frasco aberto deve ser feita a frio A reação de ácidos fortes com amostras finamente divididas são geralmente muito rápidas... 39

40 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 HNO 3 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...) 40

41 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 41

42 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

43 Referências consultadas 1) D. A. Skoog, D. M. West and F. J. Holler. Fundamentals of Analytical Chemistry; 7 th Ed., Thomson Learning, ) Hoening, M.; Kersablec, A. M. Sample Preparation Steps for Analysis by Atomic Spectroscopy Methods: Present Status, Spectrochim. Acta B, 51 (1996) ) J. Mendham, R. C. Denney, J. D. Barnes, M. Thomas. Vogel - Análise Química Quantitativa; 6 a ed., LTC, ) S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry; John Wiley & Sons, Inc., ) Leite, F. Amostragem Analítica em Laboratório ; Rev. Anal. 3 (2003) ) Oliveira, E. Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution and Future Trends ; J. Braz. Chem. Soc. 14(2003) ) Borowski, K. Tips and Techniques for Ethos Series Microwave Lab Stations; Milestone Inc., ) D. C. Harris. Análise Química Quantitativa; 7 a ed., LTC, ) F. J. Krug. Métodos de preparo de amostras: fundamentos sobre o preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise elementar; 1ª ed., ) Notas de aula do Prof Júlio César José da Silva, do DQ/ UFJF ( 43