Instrumentação analítica para o setor de açúcar e álcool

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1 APRESENTAÇÃO 1 TÉCNICA DE ABSORÇÃO ATÔMICA 2 TÉCNICA DE ICP-OES 3 TÉCNICA DE CROMATOGRAFIA GASOSA 4 NORMAS, MÉTODOS E APLICAÇÕES GERAIS ROMÃO B.BESERRA JR. ESPECIALISTA DE PRODUTO PERKINELMER DO BRASIL Hoje é assim... (Perkin Elmer - AAnalyst 200)

2 + - Modelo Atômico de Bohr Átomo de Hidrogênio Elétrons no estado fundamental Orbitais são quantizados + Excitação Quando um quantum de energia é adicionado, os elétrons se tornam excitados e movem para orbitais de maior nível n de energia As fontes de energia podem ser : Calor, Luz, Elétrons ou Íons Energéticos

3 Estado Excitado + Luz λ1,λ2,λ3... E = hν = hc/λ Muitas transições são possíveis O comprimento de onda das radiações emitidas depende da diferença a de energia entre os estados excitado e fundamental Estes comprimentos de onda são específicos para cada elemento ou configuração eletrônica Princípios Básicos Os elétrons de um átomo possuem níveis de energia quantizados Os elétrons no seu estado fundamental podem ser promovidos para níveis de maior energia, através da absorção de energia, tornando-se excitados Os elétrons retornam para seus níveis de menor energia, mais estáveis, liberando a energia absorvida na forma de radiação

4 Processo Lei de Beer i o i i o = intens. inicial lâmpada i = intens. final lâmpada Transmitância T=i/i 0 % transmissão %T=100 x i/i 0 % absorção %A=100-%T Absorbância A=log(i 0 /i)

5 Lei de Beer i o i i o = intens. inicial lâmpada i = intens. final lâmpada A=log(i 0 /i) A=axbxc (a e b são constantes) a = coefic. de absorção b = largura da cela de absorção c = concentração A = kc * * Absorbância & Concentração Concentração 0 mg/l 2 mg/l Absorbância * 4 mg/l 0.250

6 Lei de Beer Válido para Baixas Absorbâncias 1,2 A b s 0,8 0,4 0 Faixa Linear Conc Processos na Absorção Atômica Chama M * M + + e - Ionização M o M * Excitação MA M o + A o Atomização Solução Sólido Vaporização Nebulização Dreno

7 Chama Tipos de Chamas Ar (comburente/oxidante) - Acetileno (combustível) Atinge temperaturas de cerca de C Óxido Nitroso (comburente/oxidante) - Acetileno (combustível) Atinge temperaturas de cerca de C Hollow Cathode Lamps (HCLs) Cilindro de vidro ou quartzo preenchido com gás inerte a baixa pressão. O cátodo é composto de material que contem o mesmo elemento do analito

8 Hollow Cathode Lamps (HCL) 1. Ionização 2. Sputtering 1. Ionização 2. Sputtering M + o + - Ar o Ar M - o Ar + + Ne o Ne + - Ne + 3. Excitação 4. Emissão 3. Excitação 4. Emissão M * + - M - o Ar + + M * - M M o o M * + M * M o Ne - + Luz Luz ( λ ) Espectrômetros Simples-Feixe Rotating Chopper Monochromator Hollow Cathode Lamp Sample Beam Detector

9 Reference Beam Monochromator Rotating Chopper Hollow Cathode Lamp Sample Beam Detector Detetores Tubos Fotomultiplicadores (PMT) Detetores de Estado Sólido (SSD)

10 Detetores Detetores de Estado Sólido (SSD) Ajuste e Otimização Use Informações do CookBook Seleção do comprimento de onda Seleção da fenda Seleção da chama/queimador Seleção do nebulizador Seleção da concentração dos padrões

11 Não Espectrais Qualquer interferência a qual afeta o sinal da amostra diferentemente aos padrões de calibração Espectrais Interferências que ocorrem quando a absorção medida na amostra é errônea devido a presença de outra espécie a qual também absorve radiação no mesmo comprimento de onda

12 Interferências de Matriz MIBK Abs 1% HNO 3 5% H 2 SO 4 Conc Interferências de Matriz Correções Matrizar os padrões e o branco de acordo com a amostra Analisar usando Método da Adição Padrão

13 Método da Adição Padrão - Exemplo Balão A 10 ml amostra + 10 ml branco Balão B 10 ml amostra + 10 ml padrão 1 Balão C 10 ml amostra + 10 ml padrão 2 1. Zerar o instrumento com a solução branco 2. Medir a absorvância dos balões A, B e C 3. O valor interceptado no eixo das abcissas é a concentração da amostra. Método da Adição Padrão - Exemplo 0.3 Concentração da amostra Abs 0.15 Balão A Balão B Balão C Concentration

14 Interferências Químicas A amostra pode conter componentes que formam compostos termicamente estáveis que não irão se decompor com a energia/temperatura disponível na chama Temperatura da chama ar-c 2 H 2 : o C Temperatura da chama N 2 O-C 2 H 2 : o C Interferências na chama ar-c 2 H 2 : CaCl 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca o Ca o Interferências de Ionização A temperatura da chama pode ser alta o suficiente para excitar alguns dos átomos ou até mesmo remover os elétrons (ionização), criando íons Isto faz com que o número de átomos no estado fundamental seja menor, diminuindo a absorção da radiação resulta em um menor sinal de absorvância Interferência de Ionização N 2 O-C 2 H 2 Ca o Ca + + e -

15 Interferências de Ionização - Correções Interferências de ionização são corrigidas através da adição de elementos facilmente ionizáveis Adicionar % de K para todas as soluções Elementos facilmente ionizáveis produzem grande quantidade de eletróns para deslocar o equilíbrio no sentido da formação de átomos livres Ca o Ca + + e - K o K + + e - Ca o Ca + + e - Interferências na AA Chama Espectrais Absorção do background (BG) Sobreposições espectrais

16 Emissão por Chama A emissão por chama pode ser usado para a análise de elementos que podem sofrer excitação durante o aquecimento pela chama (ex: Na, K) Apesar de o cookbook apresentar condições operacionais para emissão por chama para todos os elementos a maioria destes não apresenta boa sensibilidade. A lâmpada não é usada nas análises por emissão. Espectrômetro de AA Forno de Grafite Monocromador Fonte de Luz Cela da Amostra Detetor Resultado

17 Espectrometria de Emissão Atômica por Plasma ICP-OES

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19 O que é plasma? O Plasma é um gás altamente ionizado contendo igual número de elétrons e íons positivos O Plasma é eletricamente condutivo O Plasma é afetado pelo campo magnético O Plasma é uma fonte de emissão ideal e adequada para análises rápidas e multielementares

20 Quantificação A concentração é proporcional a intensidade emitida no comprimento de onda Emissão Branco Emissão amostra Concentração amostra Padrões 0 Concentração 1 Características do ICP-OES Baixo nível de radiação de fundo (BG) Bons limite de detecção para cerca de 70 elementos Análise multielementar/rápida Ampla faixa de calibração análise elementos altos, médios e baixos teores em uma única solução Poucas interferências

21 Componentes do ICP-OES Gerador RF Tocha Espectrômetro Computador Impressora Introdução Amostra Detetor Regiões de Temperatura do ICP

22 Sistema de Introdução de Amostras Nebulizadores/Câmara de Mistura O nebulizador converte a amostra líquida em finos aerosois, separa as gotas transportando apenas as mais finas até o plasma A câmara de mistura, seleciona as gotas mais finas que são transportadas até o plasma desprezando as gotas menores que são descartadas através do dreno

23 Nebulizadores Optima Family Dual View Radial Axial

24 Tipos de Instrumentos ICP Sequencial x Simultâneo Configuração Moderna Sequencial + Flexivel (qualquer elemento, qualquer c) + Custo mais baixo + Rápido (10 λ, com correção de BG em dois pontos, cerca de 3 min) + Boa precisão + Boa resolução Simultâneo + Flexivel (qualquer elemento, qualquer λ) para instrumentos com detetor de estado sólido Custo mais alto + Muito rápido, vários elementos simultâneo + Boa precisão + Boa resolução

25 Instrumentos Sequenciais- Modernos Echelle Grating Parabolas Torch CaF Prism 2 Detector Entrance slit Intermediate Slit Reflective coating Schmidt Cross Disperser Tipos de Espectrômetros ICP Instrumentos Simultâneos- Modernos Visible Prism Montagem Echelle Echelle Grade ICP Torch Detector SCD Subarray

26 High Wavelength within the Order Cu Low Pb High Order Numbers Low Low Wavelength High

27 Interferências em ICP Não Espectrais Espectrais Uso de Padrões Internos Cuidados na seleção e uso do padrão interno Utilizar elementos que não estejam presentes na amostra Usar soluções puras que não contenham o analito a ser determinado Adicionar exatamente a mesma quantidade em todas as soluções (padrões e amostras) Calibrar a razão de intensidade (analito/padrao interno) em função da concentração do analito Ex: Y, Sc, Rh, In, etc

28 Online IS Kit Interferências Espectrais Correção de BG

29 Interferências Espectrais Correção de BG

30 Ambiental - Ex: Águas, Solos, Sedimentos Orgânicos - Ex: Petroquímico, Clínico Semicondutor - Ex: Ácido Sulfúrico Industrial - Ex: Banhos Metálicos/Plating Curso de Cromatografia em fase Gasosa

31 1955 Primeiro Cromatógrafo a Gás comercial - Modelo Primeiro GC/MS comercial - Modelo RMU-6D 1967 Primeiro Amostrador de HS Estático Modelo F Primeiro Sistema de Dessorção Térmica Automatizado - ATD Primeiro Amostrador de HS com Trap - TurboMatrix HS Trap 1. Introdução CROMATOGRAFIA = método físico de separação no qual os constituintes de uma amostra a serem separados são distribuídos entre 2 fases: estacionária: geralmente de grande área, sólida ou líquida móvel: um gás que percola através da primeira

32 FASE MÓVEL Fase estacionária injeção separação eluição DETECTOR Cromatografia em Coluna CG HPLC Coluna Empacotada Coluna Tubular Aberta (OT) CGS CGL WCOT SCOT PLOT

33 Vantagens análises rápidas minutos ou segundos eficiência na separação alta resolução sensibilidade detecta ppm e freqüentemente ppb exatatidão e precisão RSDs 1-5% requer pequenas quantidades de amostras tipicamente µl confiável relativamente simples relativamente barata Desvantagens limitada a compostos voláteis não é conveniente para compostos termicamente instáveis dificuldades para amostras preparativas/abundantes requer espectroscopia (de massa) para confirmação da identidade do pico

34 4. Processo Cromatográfico (separação) CGS = Cromatografia Gás-Solido Separação por ADSORÇÃO CGL = Cromatografia Gás-Líquido Separação por ABSORÇÃO ou PARTIÇÃO Adsorção QUÍMICA = formação de ligações químicas FÍSICA = envolve interações como pontes de hidrogênio, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo induzido, etc * temperatura : adsorção física adsorção química

35 Cromatografia de absorção ou partição PARTIÇÃO = distribuição de uma substância entre 2 fases heterogêneas imiscíveis entre si. Por exemplo: um gás e um líquido, ou 2 líquidos imiscíveis 5. Termos e Símbolos Tempo de retenção (t r ) Largura do pico (w b ) Fator de Capacidade (k ) Seletividade (α) Resolução (Rs) Eficiência da coluna / número de pratos teóricos (N) Altura prato teórico (H)

36 t r = tempo de retenção t o = tempo de volume morto w b = largura da base t r Injeção Tempo Resolução R = 1.18 t R / (W 1 +W 2 )

37 CROMATÓGRAFO - VISÃO GERAL The Clarus 600 GC the clear winner!

38 1. Gás de Arraste Fase Móvel Inerte - não interage quimicamente com a amosta Conduz a amostra através da coluna Fornece uma matriz conveniente para o detector medir os componentes da amostra Gases de Arraste recomendados para alguns detetores Detetor Gás Arraste Condutividade Térmica Hélio ou outros Ionização Chama Captura Elétrons Hélio ou Nitrogênio ou H2 Nitrogênio (very dry) ou Argônio (5% metano)

39 Gás de Arraste Pureza Recomendado: Grau High Purity Principais Impurezas: oxigênio, água: ataque químico da fase líquida da coluna água: dessorve contaminantes da coluna e produz background no detector ou picos fantasmas hidrocarbonetos: aumenta background no detector (ionização) reduzindo detectabilidade 2. Injetores de Amostra Coluna Empacotada On-column Vaporizador flash Coluna C apilar On-column Split Splitless

40 Injetor - Coluna empacotada Gás de arraste Injetor Programma ble Split/Splitles s (PSS) Septum purge Cooling fan Split point Liner Carrier gas in Split vent Cooling fins Heater block Capillary column

41 Amostragem de Líquidos Seringas - 1,5-10 µl excluir ar inicialmente injetar rapidamente amostras viscosas: retirar e injetar lentamente técnica sandwich limpeza entre as injeções Acessórios mecânicos que permitem injeção automatizada bandeja que comporta um grande número frascos (amostras, padrões, solventes) seringa Sample B Maior produtividade Melhor precisão (RSD < 0,2%) Sample A Inlet B Inlet A

42 Empacotadas x Capilares Característica Empacotada Capilar Diâmetro externo 3,2 mm 0,4 mm Diâmetro interno 2,2 mm 0,25 mm Comprimento 1-2 m m Fluxo 20 ml/min 1 ml/min Vantagens Baixo custo Fácil de preparar Fácil de usar Amostras maiores Melhor para gases fixos Alta eficiência Análises rápidas M ais inerte Necessidade de poucas colunas Melhor para misturas complexas Colunas capilares WCOT = wall-coated open tubular filme líquido SCOT = support-coated open tubular suporte sólido coberto com filme líquido mais fase líquida que WCOT, maior capacidade de amostra PLOT = porous layer open tubular adsorvente sólido (alumina, peneira molecular) conveniente para análise de gases

43 Seleção de colunas capilares Diâmetro interno --> sensibilidade Comprimento --> tr Espessura filme --> resolução Composição fase estacionária Fluxo Vejamos a classificação de algumas substâncias típicas: - Classe 1 (muito polar) : Água, Glicol,Glicerol, Aminas, Alcoois, Polifenois. - Classe 2 (polar) - Alcoois, Acidos Graxos, Fenois, Aminas Primarias e Secundarias. - Classe 3 (intermed.) - Esteres, Cetonas e Aldeidos. - Classe 4 (baixa polar.) - Hidrocarbon. Aromáticos e Olefinas - Classe 5 (apolar) - Hidrocarbon. Saturados e Mercaptans

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45 TEMPERATURA DO FORNO ISOTÉRMICA TEMPERATURA PROGRAMADA 4. Detetores Mais comuns: Ionização de Chama (FID) Condutividade Térmica (TCD) Captura de Elétrons (ECD) Detector de Nitrogênio e Fósforo (NPD) Detector PID Detector DID Detector Fotométrico de Chama (FPD) Espectrômetro de Massa (MS)

46 Detetor Ionização Chama (FID) Os componentes que saem da coluna são queimados em uma pequena chama ar (oxigênio)-hidrogênio produzindo íons que são coletados e formam uma pequena corrente, gerando o sinal. Responde a todos os compostos orgânicos que queimam em chama oxigêniohidrogênio. O sinal é proporcional ao conteúdo de carbono. Detetor de Ionização de Chama (FID) Coletor Flame jet Ar Hidrogênio Conexão coluna

47 Análise Qualitativa Comparação de tempo de retenção Uso de tempo de retenção relativo Uso de 2 ou 3 colunas Índice de Kovats Comparação em 2 detectores outros

48 Análise Quantitativa Porcentagem de Área Padrão Interno Padrão Externo Normalização de Área Adição de Padrão Adição de padrão com Padrão Interno Uso de Fator de Resposta Padrão Interno

49 APLICAÇÕES GERAIS AÇÚCAR

50 Análise do Inmetro

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52 ÁLCOOL

53 Normas para Análise de álcool

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57 MUITO OBRIGADO!!!! Romão B. Beserra Jr. Especialista Produto PerkinElmer do Brasil (11) / romao.junior@perkinelmer.com PerkinElmer do Brasil Perdizes - São Paulo