PRÉ-CONCENTRAÇÃO EM SISTEMA DE FLUXO PARA DETERMINAÇÃO MULTIELEMENTAR EM AMOSTRAS DE ÁGUAS FLUVIAIS POR FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM REFLEXÃO TOTAL

Transcrição

1 PRÉ-CONCENTRAÇÃO EM SISTEMA DE FLUXO PARA DETERMINAÇÃO MULTIELEMENTAR EM AMOSTRAS DE ÁGUAS FLUVIAIS POR FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM REFLEXÃO TOTAL Amauri A. Menegário, Daniel C. Pellegrinotti, Maria Fernanda Giné e Virgílio F. Nascimento Filho Centro de Enegia Nuclear na Agricultura - CENA-USP Av. Centenário, 303 CP 96 CEP , Piracicaba, SP, Brasil RESUMO Desenvolveu-se um sistema de fluxo, dimensionado em escala reduzida, para a préconcentração de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn por extração em fases sólida-líquida em amostras fluviais, para a posterior análise por fluorescência de raios X com reflexão total (TXRF). O sistema de fluxo foi construído com uma coluna de 11 µl contendo a resina catiônica AG50W-X8 e válvulas solenóides de três vias controladas por computador, permitindo de modo automático a preconcentração, adição do padrão interno (Ga) e a deposição do eluato no suporte refletor. Foi avaliado o efeito interferente do Na (I), Ca (II) e Fe (III) na determinação dos analitos. A metodologia proposta resultou em fatores de pré-concentração de até 20 vezes utilizando apenas 1 ml da amostra e também o consumo de eluente (HCl 3 mol L -1 ) foi significativamente reduzido. Os limites de detecção foram 1, 2, 3 e 4 µg L -1 para Zn, Co, Cu e Ni, Mn e Pb, respctivamente. A exatidão foi avaliada analisando-se uma amostra de referência de água natural (Natural Water Standard Reference Material-1640, National Institute of Standards and Technology), mostrando boa concordância com os valores certificados. Keywords: flow system, preconcentration, TXRF, natural water I. INTRODUÇÃO Elementos traços em águas fluviais estão fracionados entre duas fases: dissolvida e em material particulado em suspensão. Determinações de alguns destes elementos por fluorescência de raios X com reflexão total (total reflection X-ray fluorescence, TXRF) no material particulado (após a solubilização da fase sólida) e principalmente, na fase dissolvida requerem a inclusão de uma etapa de préconcentração [1]. A associação de processos de separação e/ou préconcentração às técnicas de espectrometria atômica é freqüentemente usada para aumentar a sensibilidade ou superar efeitos interferentes nas análises químicas. Tem sido constatado que a etapa de pré-concentração, quando realizada em sistemas de fluxo, é mais eficiente, reprodutível, minimiza o consumo de reagentes, de amostra, e o risco de contaminação [2]. Vários sistemas de fluxo têm sido propostos para a separação e pré-concentração de espécies químicas com resinas, associados à espectrometria de absorção atômica com chama (FAAS) [3-5], espectrometria de emissão atômica (ICP-AES) [6-11] e espectrometria de massas com fonte de plasma (ICP-MS) [12,13]. As configurações básicas dos sistemas de injeção em fluxo para pré-concentração com resinas associados a estas técnicas foram descritas por Dos Reis et al [14]. Nestes sistemas, um volume controlado de amostra é conduzido para uma coluna de resina, retendo os íons de interesse, e posteriormente, os íons são liberados com um eluente adequado e conduzidos diretamente ao nebulizador dos equipamentos. Poucos trabalhos têm associado a TXRF com sistemas de fluxo para a separação e pré-concentração de espécies químicas com resinas. Prange et al. [15] propuseram um procedimento para a separação e préconcentração de V, Mn, Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, Cd, Pb e U, envolvendo a complexação com dibenzilditiocarbamato para posterior retenção dos complexos em uma coluna de sílica-gel. O procedimento manual permitiu concentrar os analitos cerca de 40 vezes, porém, foram necessários 200 ml de amostra. Kelkó-Lévai et al. [16] propuseram a determinação de Cd, Co, Cr, Ni e Pb por TXRF em substâncias farmacêuticas após pré-concentração em sistemas de fluxo. Neste trabalho, após a introdução de 10 ml da amostra na coluna, os analitos foram recolhidos em um pequeno frasco injetando-se 1 ml de eluente, em seguida, alíquotas de µl foram reamostradas manualmente do eluato para posterior determinação por TXRF. No presente trabalho desenvolveu-se um sistema de fluxo para pré-concentração de Co, Cu, Mn, Ni, Zn e Pb em amostras de águas fluviais. Visando agilizar a etapa de préconcentração, minimizar o consumo de amostras, reagentes e risco de contaminação o sistema foi dimensionado para

2 associação direta das etapas de pré-concentração e determinação por TXRF. II. EXPERIMENTAL Equipamentos e Acessórios. As determinações por fluorescência de raios X por reflexão total foram realizadas utilizando um sistema de excitação/detecção com tubo de raios X com alvo de Mo e filtro de Zr, operado a 40 KV e 20 ma, um módulo de reflexão total com duplo cristal refletor, sistema de monitoramento do feixe (constituído por uma câmera CCD acoplada a um monitor de vídeo de 14 ), detector semicondutores de Si(Li) ( com 30 e 80 mm 2 de áreas ativas, janela de Be com 12,7 µm de espessura e resolução de 165 ev a 5,89 kev), sistema de aquisição de dados baseado em analisador de pulsos multicanal acoplado a microcomputador e programas aplicativos para aquisição e armazenamentos dos espectros de raios X. As soluções-padrão e amostras foram depositadas em suportes refletores de acrílico de 3 cm de diâmetro, secas em estufa (Marconi, MA033) a 60 ± 5 0 C e excitadas por 500 s. Os espectros obtidos foram analisados utilizando o programa AXIL, Analysis of X-Rays Spectra by Interative Least Squares Fitting [17]. Sistema de Fluxo. O sistema de fluxo foi construído com tubos de polietileno de 0,5 mm de diâmetro interno, tubos de bombeamento de Tygon de vários diâmetros internos, bomba peristáltica Ismatec, coluna de 11 µl contendo o trocador catiônico AG50W-X8 (Bio-Rad Labs), mesh, na forma protonada, e válvulas solenóides de três vias (N-Research, 161T031) controladas por um microcomputador através de um programa escrito em Visual Basic 4.0. Coluna. A coluna foi confeccionada com um tubo de Tygon de 1,85 mm de diâmetro interno e 4 mm de comprimento. As extremidades da coluna foram recobertas com uma tela de poliester para evitar perdas da resina e conectadas a tubos de Tygon com 0,3 mm de diâmetro interno e 8 mm de comprimento. A coluna foi preenchida com a resina seca. Reagentes e Soluções. Os ácidos HNO 3 e HCl (grau p.a.) utilizados foram destilados abaixo do ponto de ebulição. Todas as soluções foram preparadas com água purificada à resistividade de 18 MΩcm. Foram preparadas soluçõespadrão contendo de 0 a 500 µg l -1 de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn em HNO 3 0,025 mol L -1 a partir de uma solução estoque multielementar de 100 mg L -1. Soluções contendo 25 mg L -1 de Na (I), Ca (II) e Fe (III) em HNO 3 0,025 mol L -1 foram preparadas a partir dos sais NaNO 3, CaCO 3 e Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (Merck), respectivamente. Uma soluçãopadrão 10 mg L -1 de Ga (Merck) foi utilizada como padrão interno. Amostras. Duas amostras de águas fluviais (BF1 e BF3) foram coletadas e acidificadas com HNO 3 a 0,014 mol L -1, filtradas em membranas de policarbonato, com porosidade de 0,45 µm, e estocadas a 4 0 C. A amostra de água de referência Natural Water Standard Reference Material 1640, certificada pelo National Institute of Standards and Technology foi utilizada para validação da metodologia proposta. Sistema de Fluxo e Procedimento para Préconcentração. O sistema de fluxo desenvolvido para préconcentração é apresentado na Fig. 1.O suporte refletor foi centralizado a uma distância de 2 cm do ponto amostragem. Neste sistema, a amostra foi continuamente bombeada através da coluna durante um intervalo de tempo definido pela abertura da válvula V 2. Posteriormente, os analitos foram eluidos com HCl 3 mol L -1 e, após a adição da solução de padrão interno (Ga, 10 mg L -1 ), uma porção do eluato, definida pelo tempo de abertura das válvulas V 3 e V 4 simultaneamente, foi recolhida no suporte refletor. água amostra eluente V 1 V 2 V 3 PI coluna descarte amostragem Figura 1. Diagrama de Fluxo: as linhas inteiras e tracejadas nos círculos representam a direção do fluxo nas válvulas (V 1 a V 5 ) para as situações ligadas e desligadas, respectivamente, e as setas indicam os pontos de ação da bomba peristáltica. Eluente e padrão interno (PI): 128 µl min -1 ; amostra e água: 923 µl min -1. TABELA 1. Programa de Pré-concentração. V = válvula; L = ligada e D = desligada. Válvulas Tempo (s) Etapa V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 D D L D D 55 Limpeza da coluna L D D D D 5 Limpeza da coluna D L D D D 60 Retenção dos analitos L D D D D 15 Limpeza da coluna D D L D D 15 Descarte D D D D L 2 Adição de Ga D D L L D 23 Amostragem do eluato A sincronia para coleta dos analitos no suporte foi realizada considerando o volume do percurso analítico (coluna - válvula V 4 ). Assim, depois de iniciada a etapa de eluição a válvula V 4 foi mantida desligada durante 15 s, permitindo que o volume de solução contido no percurso analítico (cerca de 30 µl) fosse descartado. Em seguida, depois da adição do padrão interno, cerca de 50 µl do eluato foram depositados no centro do suporte refletor. V 5 V 4 suporte refletor

3 Todas as etapas do procedimento de pré-concentração estão descritas na Tabela 1. III. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fig. 2 mostra as intensidades dos raios X característicos dos elementos Cu, Mn, Ni, Pb e Zn, em relação ao padrão interno Ga, obtidas em 2 suportes refletores. A semelhança entre as intensidades relativas comprova que o processo de pré-concentração e a adição do padrão interno em fluxo podem ser conduzidos com precisão satisfatória. TABELA 2. Fatores de Pré-concentração (F) e Limites de Detecção (LD) [18]. F LD (µg L -1 ) Elemento Obtido a Teórico b Direto Pré-concentração Co 15,9±1,5 22,1 25 2,2 Cu 20,5±2,7 22,1 20 1,5 Mn 16,4±0,3 22,1 43 3,3 Ni 19,9±0,1 22,1 22 1,8 Pb 17,0±4,1 22,1 62 3,6 Zn 22,9±3,5 22,1 15 1,1 a. n = 3 repetições. b. Valor obtido pela razão volume recolhido (49 µl) e volume de amostra (1076 µl). Intensidade Relativa Mn Co Ni Cu Zn Pb Figura 2. Intensidades Relativas para 2 Suportes Refletores com Solução Padrão de 25 µg l -1. Os fatores de pré-concentração obtidos, calculados pela razão entre a sensibilidade obtida após a préconcentração pela sensibilidade obtida sem a préconcentração, são apresentados na Tabela 2. Os fatores de pré-concentração teóricos foram calculados dividindo-se a razão volume de amostra introduzida na coluna pelo volume de eluato recolhido. O método proposto resultou em aumentos na sensibilidade relativa dos analitos de até 22,9 vezes. O consumo de HCl concentrado por determinação foi menor que 50 µl, um tempo menor que 3 min foi suficiente para conduzir todo o processo de préconcentração e o limite de detecção [18] foi melhorado em até 15 vezes (Tabela 2), quando comparado com a análise direta (sem a etapa de pré-concentração). Ressalte-se que estes limites de detecção ainda podem ser consideravelmente melhorados empregando-se suportes refletores de quartzo ou excitações com luz síncronton [19]. Deste modo, estes recursos também podem ser utilizados na análise de amostras em que os analitos estejam presentes abaixo dos limites de detecção apresentados na Tabela 2. Interferências. Visando verificar uma possível interferência na retenção dos analitos pelo trocador iônico AG50W-X8, causada pela presença de íons concomitantes, foram avaliados os efeitos devido a um metal alcalino, um alcalino terroso e um de transição, utilizando Na (I), Ca (II) e Fe (III), respectivamente. A razão entre concentração dos analitos e de interferente foi mantida em 1:1000 (25 µg L -1 : 25 mg L -1 ) para todos as soluções testadas. A Tabela 3 mostra a recuperação (%) dos sinais dos Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn, obtidas na presença de Na (I), Ca (II) e Fe (III). TABELA 3. Interferências de Na, Ca e Fe (25 mg l -1 ) nos Analitos (25 µg l -1 ). Recuperação (%) a Elemento Na Ca Fe Co 119 ±5 96 ± ±107 Cu 125 ±6 105 ± ±9 Mn 94 ±6 109 ± ±59 Ni 110 ±10 99 ± ±50 Pb 94 ±26 78 ± ±3 Zn 108 ±12 81 ± ±4 a. n = 3 repetições As interferências causadas por Na (I) e Ca (II) podem ser consideradas desprezíveis nas condições do teste. A interferência causada por Fe (III) aumentou consideravelmente as intensidades de sinais relativas dos analitos, particularmente para Co, Cu e Ni, indicando que o efeito interferente não ocorreu devido uma competição entre os sítios ativos da resina AG50W-X8 pelo Fe (III). Assim, presume-se que o principal efeito interferente originou de sobreposições espectrais adjacentes a linha Fe- Kβ (principalmente para Co) e/ou devido contaminação da solução padrão. Contudo, deve-se ressaltar que esta interferência não é um fator limitante para a análise das amostras de interesse. Por exemplo, Prange et al. [1] relataram que a concentração de Fe na fase dissolvida de águas fluviais (110 µg L -1 ) foi cerca de vezes a concentração de Ni (10 µg L -1 ) e Cu (4 µg L -1 ). Os desvios padrão relativos (n = 4 repetições) das intensidades de sinais relativas ao Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn,

4 calculados considerando medidas antes e depois do teste de interferência, foram 16, 16, 19, 15, 24 e 23 %, respectivamente. Estes resultados indicam que o tempo de limpeza da coluna (tabela 1) foi suficiente para eliminação de alterações no sistema causada pelos interferentes. Análise de Amostras de Água Fluviais. A Fig. 3 mostra as curvas analíticas obtidas para soluções contendo 0, e 100 µg L -1 de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn. Estas curvas foram utilizadas para quantificar os analitos nas amostras. Resultados anteriores [20] mostraram que retenção de Cd, Cu, Mn, Ni e Pb por coluna de contendo 8 µl do trocador AG50W-X8 só foi efetiva para soluções contendo Intensidade Relativa (µg/l) (1) Zn y = 14,209x R2 = 0,9979 (2) Cu y = 13,131x R2 = 0,9948 (3) Ni y = 10,981x R2 = 0,9884 (4) Pb y = 10,488x R2 = 0,9977 (5) Co y = 9,1893x R2 = 0,9932 (6) Mn y = 5,9559x R2 = 0, Concentração (µg/l) Figura 3. Curvas Analíticas para Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn. concentrações de H + iguais ou menores que 0,25 mol L -1. Este exigência foi confirmada analisando a amostra SRM 1640 que se encontra preservada em HNO 3 0,5 mol L -1. Os teores de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn obtidos foram cerca de 50% dos valores certificados, corroborando os resultados relatados anteriormente. Deste modo, antes da etapa de préconcentração a amostra certificada foi diluída com água (1:1) para manter a concentração HNO 3 em 0,25 mol L -1. As condições de preservação das amostras BF1 e BF2 (HNO 3 0,014 mol L -1 ) dispensaram a etapa de diluição. A tabela 4 mostra os resultados obtidos para as três amostras analisadas. O aumento da sensibilidade proporcionado pela pré-concentração permitiu a determinação de Cu, Mn, Ni e Zn nas amostras BF1 e BF3. As concordâncias entre os valores obtidos com os valores certificados demonstram a viabilidade do método proposto para a análise de amostras de água fluviais TABELA 4. Resultados para Amostras de Águas Fluviais (média de 3 repetições). Amostras SRM-1640 BF1 BF3 Certificado Obtido a Obtido Co 20,28 ±0,31 19,9 ±1,5 <LD a <LD Cu 85,2 ±1,2 b 86,7 ±6,3 2,4 ±0,5 2,0 ±1,1 Mn 121,5 ±1,1 117 ±22 6,9 ±1,3 5,3 ±1,3 Ni 27,4 ±0,8 b 25,6 ±0,9 <LD 2,3 ±0,5 Pb 27,89 ±0,14 28,1 ±1,6 <LD <LD Zn 53,2 ±1,1 b 60,1 ±3,4 1,7 ±0,1 4,6 ±1,0 a. LD: Limite de detecção b. Valores de referência IV. CONCLUSÕES O método proposto possibilita a determinação de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn em águas fluviais com limites de detecção consideravelmente melhores que os atingidos com a analise direta. Quando comparado com procedimentos de pré-concentração manuais, é mais rápido, e reduz o consumo de reagentes. A exatidão da metodologia é limitada pelas condições de preservação das amostras. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio financeiro fornecido pela FAPESP, CNPq e CAPES. REFERÊNCIAS [1] PRANGE, A.; BODDEKER, H.; KRAMER, K. - Determination of trace elements in river-water using total reflection X-ray fluorescence. Spectrochim. Acta, Part B, vol. 48(2), p , [2] FANG, Z.; ZHU, Z.; ZHANG, S.; XU, S.; L., GUO; SUN, L. - On-line separation and preconcentration in flow injection analysis. Anal. Chim. Acta, vol. p , [3] MIRANDA, C. E. S.; DOS REIS, B. F.; KRUG, F. J. - A flow-injection system with 4 ion-exchange resin columns for cadmium preconcentration and determination by flame AAS. J. Braz. Chem. Soc., vol. 6(4), p , [4] KARTIKEYAN, S.; VIJAYALEKSHMY, B.; CHANDRAMOULEESWARAN, S.; RAO, T. P.; IYER, C. S. P. - Flow injection on-line preconcentration and flame AAS determination of copper, cadmium, and lead in marine sediment samples. Anal. Lett., vol. 30(5), p , [5] YAN, X. P.; SPERLING, M.; WELZ, B. - Application of a macrocycle immobilized silica gel sorbent to flow

5 injection on-line micro-column preconcentration and separation coupled with flame atomic absorption spectrometry for interference-free determination of trace lead in biological and environmental samples. Anal. Chem., vol.71(19), p , [6] MOYANO, S.; GASQUEZ, J. A.; OLSINA R.; MARCHEVSKY, E.; MARTINEZ, L. D. - Preconcentration system for bismuth determination in urine using FI-ICP-AES with ultrasonic nebulization. J. Anal. At. Spectrom., vol. 14(2), p , [7] CAROLI, S; ALIMONTI, A.; PETRUCCI, F.; HORVATH, Z. - On-line preconcentration and determination of trace elements by flow-injection inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Anal. Chim. Acta, vol. 248, p , [8] WANG, X., e BARNES, R. M. - Chelating resins for on-line preconcentration with inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. J. Anal. At. Spectrom., vol. 4(8), p , [9] PORTA, V.; SARZANINI, C.; MENTASTI, E.; ABOLLINO, O. - On-line preconcentration system for inductively coupled plasma atomic emission spectrometry with quinolin-8-ol and Amberlite XAD-2 resin. Anal. Chim. Acta, vol. 258, p , [10] HARTENSTEIN, S. D.; RUZICKA, J.; CHRISTIAN, G. D. - Sensitivity enhancements for flow injection analysis - Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry using on-line preconcentrating ionexchange column. Anal. Chem., vol. 57, p , [11] YANG, C. L.; ZHUANG, Z. X.; WANG, X. R.; QIN, S. D.; YANG, P. Y. - Flow-injection on-line preconcentration with chelating resin CPPI for multielement determination in water sample using ICP- AES. At. Spectrosc., vol. 15(3), p , [15] PRANCE, A.; KNÖCHEL, A; MICHAELIS, W. - Multi-element determination of dissolved heavy metals traces in sea water by total-reflection X-ray fluorescence spectrometry. Anal. Chim. Acta, vol. 172, p , [16] KELKÓ-LÉVAI, A; VARGA, I; ZIH-PERÉNYI, K.; LÁSZTITY, A. - Determination of trace elements in pharmaceutical substances by graphite furnace atomic absorption spectrometry and total reflection X-ray fluorescence after flow injection ion-exchange preconcentration. Spectrochim. Acta, Part B, vol. 54, p ,1999 [17] ESPEN, P. van; NULLENS, H.; ADAMS, F. A. - A computer analysis of X-ray fluorescence spectra. Nuclear Instrum. and Meth., vol. 142, p , [18] NASCIMENTO FILHO, V. F.; POBLETE, V. H.; PARREIRA P. S.; MATSUMOTO, E.; SIMABUCO, S. M.; ESPINOZA, E. P.; NAVARRO A. A. - Limits of detection of a total reflection X-ray fluorescence system with a double reflection module. Biol. Trace Element Res., vol. 71, p , [19] PARREIRA, P. S Implantação da técnica de fluorescência de raios X por reflexão total (TXRF) para a determinação de tório e urânio em amostras de interesse agrícola e ambiental. 111 p. Tese de Doutorado Curso de Pós-Graduação do Centro de Energia Nuclear na Agricultura/USP, SP, [20] MENEGÁRIO, A. A.; GINÉ, M. F. - Micro-scale flow system for on-line multielement preconcentration from saliva digests and determination by inductively coupled plasma optical emission spectrometry. Spectrochim. Acta, Part B, vol. 56(2), p , [12] PACKER, A. P.; GINÉ, M. F.; MIRANDA, C. E. S.; DOS REIS, B. F. - Automated on-line preconcentration for trace metals determination in water samples by inductively coupled plasma mass spectrometry. J. Anal. At. Spectrom., vol.12(5), p , [13] DRESSLER, V. L.; POZEBON, D.; CURTIUS, A. J. - Determination of heavy metals by inductively coupled plasma mass spectrometry after on-line separation and preconcentration. Spectrochim. Acta, Part B, vol. 53(11), p , [14] DOS REIS, B. F.; MIRANDA, C. E. S.; BACCAN, N. - Pré-concentração empregando extração fase líquidasólida em sistemas de analise em fluxo com detecção espectrométrica. Quím. Nova, vol. 19(6), p , 1996.

6 ABSTRACT PRE-CONCENTRATION FLOW SYSTEM FOR MULTIELEMENT DETERMINATION IN RIVER WATER BY TOTAL REFLETION X-RAY FLUORESCENCE A scaled-down preconcentration flow system is proposed for determination of Co, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn in natural water samples, using solid-liquid extraction, and subsequent analysis by total reflection X-ray fluorescence (TXRF). The flow system was assembled with a 11 µl column of AG50W-X8 resin and three-way solenoid valves commanded by a computer, which permits the automatic preconcentration, addition of internal standard (Ga) and the deposition of the eluate on the reflector plate. The interference effect due to Na (I), Ca (II) and Fe (III) on the analytes was evaluated. The proposed methodology results in preconcentration of up to 20 times using only 1 ml sample and allowed a significant reduction in the sample eluent (HCl 3 mol L -1 ). Detection limits were 1, 2, 3 and 4 µg L -1 for Zn, Co, Cu e Ni, Mn and Pb, respectively. The accuracy was evaluated analysing a Natural Water Standard Reference Material-1640 (Natural Institute of Standards and Technology), showing good agreement with certified values.