Departamento de Química - ICE

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1 GRUPO BACCAN DE QUÍMICA ANALÍTICA ESPECTROMETRIA ATÔMICA Prof. Rafael Sousa Prof. Rafael Sousa Departamento de Química - ICE

2 Espectrometria atômica Baseada em medidas da luz absorvida ou emitida pelos elementos de uma amostra Determina os elementos que estão presentes e a sua concentração Uso de curva de calibração: Técnicas de análise relativas A composição elementar de uma amostra é uma informação importante para se entender (ou prever) suas propriedades Ex: Teor médio de elementos minerais em água de coco natural determinados por ICP OES ELEMENTO CONCENTRAÇÃO (mg L -1 ) Ca 172 K 1663 Mg 69 Mn 2,9 Na 24 Zn 0,11

3 Espectrometria x Espectrofotometria Exemplos de medidas ESPECTROSCÓPICAS EspectroMETRIA ATÔMICA (vapor) EspectroFOTOMETRIA MOLECULAR (vapor e solução) Comprimento de onda (nm nm) Sinal analítico

4 O SINAL ANALÍTICO na Espectrometria atômica Espectro contínuo gás Espectro de emissão gás Espectro de absorção Sinal de ABSORÇÃO ATÔMICA Absorção atômica (AAS) (chama ou atomização eletrotérmica) Sinal de EMISSÃO ÓPTICA Emissão atômica em chama (F AES) (fotometria) PODE INCLUIR FRX E ICP-MS Emissão óptica (OES) (plasma ou arco/centelha elétrica)

5 O processo da absorção de luz pelos átomos Princípio físico Átomos gasosos no estado fundamental absorvem energia radiante em comprimentos de onda específicos e que são capazes de promover a excitação eletrônica de elétrons da camada de valência Modelo matemático h= constante de Plank c= veloc. luz no vácuo λ= comprimento de onda (característico dos elementos) E é inv. prop. ao λ

6 O O espectro eletromagnético e a espectrometria atômica (nm) Região do UV-Vis (180 a 800 nm): importante para a espectrometria atômica

7 Técnicas baseadas no fenômeno da EMISSÃO Técnicas analíticas e suas fontes de atomização e excitação 1752: Melville (Na) Fotometria de chama - - emissão de átomos (Na, K, Li e Ca) - interferências químicas: C 2 O 2-4, SO 2-4, PO 2-3 e AlO 2- Chama de ar/glp ou ar/acetileno -T= C - amostras líquidas Na e K em fluídos biológicos alimentos fertilizantes Ex de aplicação: P. R. Pereira, I. Perrone, R. A Sousa, Metodologia para Determinação de Sódio em Soro de Leite Desidratado, VI SECAFAR, Ex de aplicação: Álcool etílico - Determinação da concentração de sódio - Método da fotometria de chama, NBR10422:2007

8 Vantagens da Fotometria de Chama BAIXO CUSTO (frente a outros métodos espectrométricos) SIMPLICIDADE OPERACIONAL (adequada a rotinas) DESEMPENHO ANALÍTICO SATISFATÓRIO (boas exatidão, precisão e limites de detecção)

9 Técnicas baseadas no fenômeno da EMISSÃO Técnicas analíticas e suas fontes de atomização e excitação 1776: Volta Espectrografia Arco ou Centelha étrica - emissão de átomos e íons (metais trans.) - interferências espectrais - T= 2000 o C (arco) o C (centelha) - amostras sólidas (pref. condutoras) - baixa precisão: heterogeneidade Geração de ARCO ou CENTELHA Configuração que serve de suporte para a amostra Uso em metalúrgicas e siderúrgicas

10 Técnicas baseadas no fenômeno da ABSORÇÃO 1802 Wollastron e Fraunhofer identificaram linhas escuras no espectro solar Fonte de luz Lente Sal no fio de Pt Cartão branco Bico de Bunsen Prisma Linhas escuras 1886 Kirchoffe Bunsen identificaram que sais diferentes absorviam cores diferentes, em uma chama sob a incidência de luz branca

11 1955Allan Washpropôs utilizar o fenômeno de absorção atômica como uma técnica de análise química Na década de 60 surgiram os primeiros instrumentos comerciais Absorção atômica em chama (F AAS) Década de 70: instrumentos comerciais com atomização eletrotérmica Absorção atômica em forno de grafite, GF AAS (Boris L vov) Outras opções atuais -Tubos de quartzo - Filamento de tungstênio

12 Instrumentação básica das técnicas de absorção atômica Fonte de luz hν Atomizador hν Sistema óptico Detector Processador de sinal Lâmpada Chama Tubo aquecido eletricamente Monocromator ou Policromador Fotomultiplicadora Semicondutores Computador e Registrador Sistema de introdução de amostra Amostra The Perkin Elmer AAanalyst 200 Flame Atomic Absorption Spectrometer

13 Instrumentação básica das técnicas de absorção atômica Fonte de luz hν Atomizador hν Sistema óptico Detector Processador de sinal Lâmpada Chama Tubo aquecido eletricamente Monocromator ou Policromador Fotomultiplicadora Semicondutores Computador e Registrador Sistema de introdução de amostra Amostra ContrAA 700 AAS de alta resolução com fonte contínua para chama, geração de hidretos e forno de grafite

14 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Lâmpadas monocromáticas (mais comuns) - Lâmpada de catodo oco (HCL) - Lâmpada de descarga sem eletrodo (EDL) Lâmpada de emissão contínua (xenônio), patente da Analytikjena (absorção atômica de fonte contínua com alta resolução) Características necessárias: Linha de emissão com largura estreita para manter a especificidade (exceto para a de emissão contínua ) Boa intensidade Estável Durável

15 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector de amostra processador LÂMPADA DE CATODO OCO (HCL) Cilindro de vidro ou quartzo preenchido com gás inerte à baixa pressão anodo janela óptica catodo gás inerte (Ar ou Ne) - O cátodo é composto de material que contem o mesmo elemento do analito (puro ou liga) - A adsorção do gás pelas superfícies internas e o uso de altas correntes: tempo de vida da lâmpada

16 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector de amostra processador LÂMPADA DE DESCARGA SEM ELETRODO (EDL) O elemento que compõe a lâmpada é atomizado e excitado usando uma fonte de RF dentro de um bulbo de quartzo selado Bobina de RF Bulbo de partida - Indicada para λ < 200 nm - Emissão mais intensa que as HCL - Necessita de maior tempo de aquecimento Bulbo contendo o mesmo elemento que o analito

17 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Diluição ou mineralização solubilização ou mineralização líquidas Aerosol do sistema de nebulização sólidas solubilização ou mineralização seguida de reação química FORNO DE GRAFITE CHAMA gasosas Vapor de Hge dos hidretos (As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se, Sn e Te)

18 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Nebulizadores pneumáticos para absorção atômica com chama Nebulizador + Dispositivos de impacto - Aço inoxidável (até 5% de ácido) - Pt/Rh ou Pt/Ir (alta acidez) - Ta (água régia) - Spoiler Acoplados ao queimador-atomizadoratomizador (pré-mistura) - Pérola de impacto (para aumentar a sensibilidade) - Apenas 5% da solução aspirada chega à chama (restante: dreno) - Solventes orgânicos melhoram a nebulização Nebulizador Vazão de ~ 2 ml min -1 Spoiler Pérola de impacto

19 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Autoamostradores para a absorção atômica com forno de grafite A amostra na forma líquida, suspensão ou mesmo sólida é colocada diretamente no atomizador (tubo/ forno de grafite) Volumes de amostra entre 10 e 50 µl Autoamostrador para soluções e suspensões

20 ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA (AAS) Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Obtenção do espectro de absorção atômica atomização excitação MX g M g + X g relaxação M* g + X* g sublimação MX s Excitação atômica: M(H 2 O) + X - aq dessolvatação É consequênciada absorção da radiação proveniente da lâmpada (sinal analítico)

21 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Importância da temperatura do atomizador Equação de Boltzmann N 1 /N o = (g 1 /g o )e -E/kT Relaciona o número de átomos no estado fundamental e no estado excitado N 1 = número de átomos no estado excitado N o = número de átomos no estado fundamental g 1 /g o = razão dos pesos estatísticos dos estados excitado e fundamental E = energia de excitação k = constante de Boltzmann T = temperatura em Kelvin Aumentando-se T,, aumenta-se o n o de átomos no estado excitado e, por isso, na AAS não é adequado usar T acima da T de atomização

22 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Queimadores para absorção atômica com chama Queimador para chamas ar-acetilenoacetileno - fenda com 10 cm de comprimento Queimador para chamas óxido nitroso-acetileno - fenda com 5 cm de comprimento - caráter redutor - adequada para elementos que formam óxidos refratários (Al, Ba, Ti, V, Si,...) C 2 H 2 + 3/2 O 2 2 CO + H 2 O (T ~ 2250 o C) C 2 H N 2 O 2 CO + 3 N 2 + H 2 O (T ~ 2700 o C)

23 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Regiões da Chama Ajuste da Posição Zona externa Pouco quente Rica em óxidos e produtos de recombinação Zona interna Região mais quente Rica em átomos livres Zona primária Menos quente Rica em fragmentos moleculares

24 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Tubo (ou forno) de Grafite Forno THGA Forno HGA Plataforma de L vov Tubo de Grafite com Plataforma Integrada Forno THGA Tubo de grafite pirolítico - plataforma interna (Plataforma de L vov) - aquecido eletricamente - tempo de vida: varia com o tipo de amostra e número de ciclos de atomização - permite atingir LDs na ordem de µ L -1

25 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador O Programa de aquecimento do forno de Grafite T E M P E R A T U R A SECAGEM LIMPEZA ATOMIZAÇÃO RESFRIAMENTO PIRÓLISE T E M P O

26 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador O Tubo (ou forno) de Grafite e as condições STPF Condições padrão de temperatura, plataforma e forno Condições para se obter precisão, exatidão e detectabilidade satisfatórias: Tubo de grafite pirolítico Plataformas de L vov Aquecimento do forno rápido Interrupção do gás interno durante a atomização Modificadores químicos (ou de matriz) Processamento rápido do sinal Área de pico Correção do background por efeito Zeeman

27 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador Leitura Detector (Fotomultiplicadora) Monocromador Lâmpada (catodo oco) I o I t Atomizador (Forno de grafite) O MONOCROMADOR isola a radiação com comprimento de onda de interesse (Dispersores: Grades ou Prismas) e a conduz até o detector. O DETECTOR (fotomultiplicadora) converte o sinal luminoso (fótons) em sinal elétrico

28 Fonte de luz Sistema de introdução Atomizador Sistema óptico Detector e de amostra processador O PROCESSADOR (computador) permite identificar o sinal analítico e compará-lo com o dos padrões Utilizar ÁREA ou ALTURA No processamento, sinais de fundo (background) que não são provenientes do elemento de interesse precisam ser descontados para minimizar ou eliminar as interferências espectrais. Recursos: Corretor com lâmpada de deutério (UV) ou de W-iodeto (vis) Corretor baseado no efeito Zeeman (mais eficiente)

29 Exemplo de aplicação Biomonitoração de Pb em animais intoxicados por Pb 1) Preparo das amostras (tecidos desidratados) por digestão ácida em MW (T4) fígado, (T5) rim, (T6) coração, (T7) fêmur, (T8) pulmão, T9 (pâncreas) 2) Otimização dos parâmetros instrumentais Análise instrumental

30 Exemplo de aplicação Biomonitoração de Pb em animais intoxicados por Pb 1) Preparo das amostras (tecidos desidratados) por solubilização alcalina fígado rim pulmão baço 2) Nova otimização dos parâmetros instrumentais Análise instrumental Curva em meio alcalino

31 ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA (AAS) F AAS Análise rápida (Resultados em menos de 1 min) Utiliza alguns ml de volume de amostra Interferências bem documentadas GF AAS Análise demorada (Resultados entre 1 e 5 min) Utiliza pouca quantidade de amostra, ul Interferências bem documentadas mas que dependem das condições instrumentais... INTERFERÊNCIAS ESPECTRAIS E NÃO-ESPECTRAIS!

32 ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA (AAS) F AAS GF AAS Limites de detecção adequados para muitos elemento,s em diversas amostras Geralmente níveis de mg/l ou menor Limites de detecção na ordem de ug/l ou menor, principalmente para elementos voláteis como As e Se CÁLCULO DO LIMITE DE DETECÇÃO (LOD): LOD = 3 δ branco / inclinação da curva LEMBRAR: LOD instrumental LOD método

33 Literatura sobre AAS Concepts, Instrumentation and Techniques in Atomic Absorption Spectrometry R. D. Beaty, J. D. Kerber; Perkin-Elmer Corporation, 1993 Atomic Absorption Spectrometry B. Welz, M. Sperling; 3 rd ed., Wiley-VCH, 1999 Análise Instrumental F. Cienfuegos, D. Vaitsman; Editora Interciência, 2000 Principles of Instrumental Analysis D.A. Skoog, FL Holler, T.A. Nieman; 6 th ed., Cengage Learning, 2006

34 Técnicas analíticas e suas fontes de atomização e excitação 1964*: Greenfield Emissão atômica em plasma Plasma gasoso - emissão de átomos e íons (metais trans.) - Plasma de corrente direta (DCP) - Plasma induzido por microondas (MIP) detector em Cromatografia gasosa - *Plasma indutivamente acoplado (ICP) - Plasma induzido por laser (LIBS) - interferências espectrais - T= C - amostras líquidas, sólidas e gasosas 1964: Fluorescência atômica Chama, forno de grafite - emissão de átomos (metais trans.) - interferências espectrais (menos frequêntes) - T= C - amostras líquidas

35 Instrumentação básica das técnicas de emissão Atomizador hν Sistema óptico Detector Processador e Registrador Chama Corrente elétrica Plasma Monocromador ou Policromador Fotomultiplicadora Semicondutores Computador Amostra

36 Espectrometria de emissão atômica em plasma indutivamente acoplado A técnica de ICP-AES (ICP OES) Plasma: gás parcialmente ionizado à alta temperatura Plasmas de ar (raios) Ar + + Ar + é Plasma de argônio (tocha de quartzo)

37 Introdução da amostra no plasma diluição ou mineralização solubilização ou mineralização SÓLIDAS volatilização ( s g) ablação com laser LÍQUIDAS GASOSAS aerossol do sistema de nebulização PLASMA Reação química para formar vapores dos analitos -Hg gasoso -Hidretos(As, Bi, Ge, Pb, Se, Sn e Te)

38 Sistema de introdução da amostra: formação do aerossol Sistemas ultrassônicos - mais eficientes (LD 10x menores) -não são resistentes ao HF -mais amostra = mais interferentes Plasma Transdutor pisoelétrico Saída da refrigeração aerossol propulsor Amostra líq. Ar dreno (80 90%) Água para refrigeração Nebulizadorultrassônico

39 Sistema de introdução da amostra: formação do aerossol Sistemas pneumáticos Combinação de Nebulizador + Câmara de nebulização Nebulizadorconcêntrico Amostra líq. câmara Plasma aerossol Ar nebulizador dreno (95 99%) Nebul. concêntrico e câmara de duplo passo (0.1% sól. diss.) Câmara de duplo passo

40 Sistema de introdução da amostra: formação do aerossol Sistemas pneumáticos Nebul. Cross-flow (menos suscetível a entupimentos) Câmara de duplo passo (Scott)

41 Sistema de introdução da amostra: formação do aerossol Nebulizador Conespray e câmara ciclônica: para altos teores de sólidos dissolvidos e suspensões Nebulizador conespray acoplado a uma câmara ciclônica

42 Entendendo o termo acoplamento indutivo O plasma (de argônio) é confinado: geometria definida e devida a um campo magnético Ar principal: : 15 L min -1 Amostra: aerossol ou gás Ar auxiliar : 0,5 L min -1 espirais da bobina da rádio-frequência: 1300 W - Não encosta na tocha - Auto-sustentável após a ignição - Temperatura depende da potência da rádio-frequência aplicada

43 Constituição da tocha e temperaturas do plasma - Dois tubos concêntricos de quartzo (tocha) Tubo injetor (cerâmica ou quartzo) - Temperaturas de K Ambiente inerte : menos interferências do que na fotometria e espectrografia Temperaturas (K) resfriamento Condução da amostra Ar principal Ar auxiliar Ar nebulizador Regiões do plasma: 1-Zona de indução 2-Zona de pré-aquecimento 3- Zona inicial de radiação 4-Zona normal analítica coleta do sinal analítico (emissão)

44 Coleta do sinal: configuração da tocha Configuração axial ou radial orientação do plasma em relação ao sistema óptico Fenda de entrada Espelho controlado por computador Observação Axial Maior detectabilidade (5 a 10x) Maior interf. matriz Menor faixa de trabalho - intensidade sinal - autoabsorção Observação Radial Axially and radially viewed inductivelycoupledplasmas plasmas a critical review. Spectrochim. Acta PartB,, 55 (2000)

45 Condução do sinal ao detector : sistema óptico (espectrômetro) Sistemas sequênciais (espect. monocromador) Sistemas simultâneos (espect. policromador) detector grade difração detectores plasma grade difração plasma Detector: - fotomultiplicadora Detector: - fotomultiplicadoras - semicondutores

46 Condução do sinal ao detector : sistema óptico (espectrômetro) Ex de sistema óptico: policromador com grade Echelle e prisma

47 Padrão 1 mg Cu/ L Processador e registrador do sinal (computador) Amostra de fungicida (conc. desconhecida) Padrões Emissão Branco 0 Concentração (mg L -1 ) 1

48 Algumas características da técnica de ICP-AES Técnica multielementar Permite a determinação da maioria dos elementos da tabela periódica Ampla faixa linear de trabalho determina componentes majoritários e minoritários em uma mesma alíquota Boas exatidão e precisão (desvios de ~1%) Boa detectabilidade (µg L - 1 mgl - 1 ) teores máximos para contaminantes em alimentos e amostras ambientais (ANVISA, CETESB, EPA)

49 APLICAÇÕES DA ESPECTROMETRIA ATÔMICA Determinação de elementos inorgânicos em diversos tipos de amostras (análises quali e quantitativas) Análises clínicas: sangue, urina, cabelo Análises forenses: Pb (projéteis) elementos tóxicos (envenenamentos) Amostras ambientais: águas solos /rochas/ sedimentos ar atmosféricos (chaminés) Materiais metalúrgicos: ligas (pureza ou presença de contaminantes) Alimentos naturais, processados Aditivos para alimentos, medicamentos, cosméticos...

50 Análise Instrumental F. Cienfuegos, D. Vaitsman; Informações gerais sobre a técnica, aplicações Literatura Principles of Instrumental Analysis D. A. Skoog, F. L. Holler, T. A. Nieman; 5 th ed., Informações gerais sobre a técnica, aplicações Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectrometry A. Montasser, D. Golightly; 2 nd ed., Otimização de parâmetros instrumentais - Cálculos de LOD, LOQ e avaliação de desempenho Tutoriais dos principais fabricantes de ICP-AES - Perkin-Elmer e Thermo Electron