Disciplina Metodologia Analítica QUI102 I semestre AULA 01 (parte B) Profa. Maria Auxiliadora Costa Matos

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1 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 1 Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Disciplina Metodologia Analítica QUI102 I semestre 2018 AULA 01 (parte B) Profa. Maria Auxiliadora Costa Matos Download aulas:

2 Dimensão da amostra Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 2 Concentração do Analito Técnica Analítica

3 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 3 QUANTO AMOSTRAR? Três situações podem ser consideradas: 1-Universo amostral 2-Subestações (Ex. Linha de fabricação) 3-Dentro do laboratório Fora do laboratório (Coleta) Tomada de alíquota para o trabalho O processo de amostragem deve assegurar que as unidades amostrais sejam representativas de todo o material ou população (universo amostral). Amostra no contexto estatístico corresponde a várias pequenas partes tiradas de partes diferentes de todo o material. Amostra bruta é a coleção de unidades amostrais ou incrementos de amostragem. Redução do tamanho da amostra Amostra de laboratório normalmente é obtida através da redução em tamanho da amostra bruta para uma quantidade de material homogêneo.

4 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 4 INCETEZAS NO PROCESSO DE AMOSTRAGEM Uma análise química é realizada em uma pequena fração do material de interesse. A composição dessa fração precisa refletir tão proximamente quanto possível a composição total do material (fração representativa). A amostragem pode ser a etapa mais difícil de todo o processo analítico, e a que limita a exatidão do procedimento. S 2 global = S 2 amostragem + S 2 método As composições da amostra bruta e da amostra de laboratório precisam ser semelhantes à composição média de toda a massa de material a ser analisada. S 2 método = Pode ser avaliado através de replicas de medidas realizadas em uma única amostra de laboratório. S 2 global = Pode ser avaliado através de um única medida de várias amostras de laboratório cada uma obtida de uma amostra bruta.

5 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 5 INCETEZAS NO PROCESSO DE AMOSTRAGEM AMOSTRA BRUTA S 2 global = S 2 amostragem + S 2 método As composições da amostra bruta e da amostra de laboratório precisam ser semelhantes à composição média de toda a massa de material a ser analisada. Para obter uma amostra bruta representativa, um determinado número de partículas (N) deve ser amostrado. De uma forma geral a dimensão da amostra bruta depende: a) Incerteza que pode ser tolerada entre a composição da amostra bruta e o universo amostral b) Grau de heterogeneidade do universo amostral Qual tamanho da partícula se inicia a c) Tamanho das partículas que compõem o universo amostral heterogeneidade?

6 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 6 INCETEZAS NO PROCESSO DE AMOSTRAGEM AMOSTRA BRUTA S 2 global = S 2 amostragem + S 2 método Para obter uma amostra bruta representativa, um determinado número de partículas (N) deve ser amostrado. De uma forma geral a dimensão da amostra bruta depende: a) Incerteza que pode ser tolerada entre a composição da amostra bruta e o universo amostral b) Grau de heterogeneidade do universo amostral c) Tamanho das partículas que compõem o universo amostral 1- AMOSTRAGEM DE LOTES Qual tamanho da partícula se inicia a heterogeneidade? Para a amostragem de lotes, unidades (tambores, tanques, sacos, caixas, etc.), uma equação bem simples e muito utilizada, é a raiz quadrada de N adicionada a mais uma unidade. Exemplos! Número de 1 amostras Sendo N: Total de produtos com peso mínimo.

7 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 7 Qual o peso ideal da amostra? 2- AMOSTRAGEM DE PARTÍCULAS SÓLIDAS Caso hipotético: Supondo uma mistura sólida de dois componentes sendo que todas as partículas apresentam o mesmo tamanho. 1 A Np ( 1 p ) Sendo A : Desvio padrão do n de partículas do tipo A coletadas. P: Probabilidade de coletar partículas A 2 r A Np 1 - P: Probabilidade de coletar partículas B N: n total de partículas coletadas r : Desvio padrão relativo do n de partículas do tipo A coletadas. 3 N 1 p p 2 r

8 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 8 Qual o peso ideal da amostra? 2- AMOSTRAGEM DE PARTÍCULAS Mistura de dois componentes (Ex.1): Um medicamento comercializado na forma de comprimidos é composto por 90 % do principio ativo (partículas A) e o restante por excipiente (partículas B). Todas as partículas apresentam o mesmo tamanho. Qual o número de partículas que devem compor a amostra bruta para alcançar desvio padrão relativo percentual igual a 2%. 1 A Np ( 1 p ) Sendo A : Desvio padrão do n de partículas do tipo A coletadas. P: Probabilidade de coletar partículas A 2 r A Np 1 - P: Probabilidade de coletar partículas B N: n total de partículas coletadas r : Desvio padrão relativo do n de partículas do tipo A coletadas. 3 N 1 p p 2 r

9 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 9 Mistura de dois componentes (Ex.1): Um medicamento comercializado na forma de comprimidos é composto por 90 % do principio ativo (partículas A) e o restante por excipiente (partículas B). Todas as partículas apresentam o mesmo tamanho. a) Qual o número de partículas que devem compor a amostra bruta para alcançar desvio padrão relativo percentual igual a 2%? A Np ( 1 p ) Sendo A : Desvio padrão do n de partículas do tipo A coletadas. P: Probabilidade de coletar partículas A r A Np 1 - P: Probabilidade de coletar partículas B N: n total de partículas coletadas r : Desvio padrão relativo do n de partículas do tipo A coletadas. N 1 p p 2 r b) Qual o número de partículas que devem compor a amostra bruta para alcançar desvio padrão relativo percentual igual a 2%, considerando que medicamento contém 50 % do principio ativo? c) Qual o número de partículas que devem compor a amostra bruta para reduzir o desvio padrão relativo percentual para 0,2%, considerando que medicamento contém 50 % do principio ativo? Qual o peso da amostra que contem esse número de partículas?

10 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 10 Qual a massa de amostra que contém esse número de partículas? Normalmente as amostras contem mais de um componente, com diferentes porcentagens do analito e faixa variável de tamanho de partículas. Partícula A contem % maior do analito & Partículas B contem % menor do analito; Tamanho das partículas difere (diâmetro A diâmetro B d média ); MODELO SIMPLIFICADO Para simplificar o problema e definir a massa da amostra bruta de uma mistura de vários componentes, considere que a mostra é um a mistura hipotética que contenha dois componentes: Componente A: partículas que contém o analito; 1) Dividir as partículas da amostra em dois grupos Componente B: partículas que não contém o analito ou contém muito pouco do analito; 2) Determinar d média ponderada das partículas da amostra (d A e d B ); 3) Porcentagem do analito em cada grupo de partículas (P A e P B ); Sistema binário (A e B) com partículas de mesmo tamanho (d média ).

11 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 11 Mistura de dois componentes (Ex.2): Um vagão contendo minério de chumbo, composto de 5% de galena (70% de Pb e d = 7,6 g/cm 3 ) e outras partículas com pouco ou nenhum chumbo (d = 3,5 g/cm 3 ). Todas as partículas que compõem o minério são esféricas com um raio de 5 mm. (Eq 01) Qual o número de partículas necessárias na amostra bruta para manter o erro relativo na amostragem inferior a 0,5%? Sendo, p: probabilidade da partícula A no minério; N d média = p (1 p ) d A d 2 d B 2 p r A p B P analito d A + d Probabilidade B Probabilidade de A no minério d = d A ( p ) + d B ( 1 p ) de B no minério 2 (1-p): probabilidade da partícula B no minério; P A : porcentagem do analito nas partículas A; P B : porcentagem do analito nas partículas B; P : porcentagem do analito no minério; d A : densidade das partículas A; d B : densidade das partículas B; d: densidade média do total de partículas; r : Desvio padrão relativo da amostragem; N: n total de partículas coletadas; P 7,6 0,05 3,7 0, ,19 % r% = r 100 N 6,8 x 10 5 partículas

12 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 12 Mistura de dois componentes (Ex.2): Um vagão contendo minério de chumbo, composto de 5% de galena (70% de Pb e d = 7,6 g/cm 3 ) e outras partículas com pouco ou nenhum chumbo (d = 3,5 g/cm 3 ). Todas as partículas que compõem o minério são esféricas com um raio de 5 mm. (Eq 01) Qual o número de partículas necessárias na amostra bruta para manter o erro relativo na amostragem inferior a 0,5%? Sendo, p: probabilidade da partícula A no minério; N p (1 d p ) A d d 2 B 2 p A r p P B 2 (1-p): probabilidade da partícula B no minério; P A : porcentagem do analito nas partículas A; P B : porcentagem do analito nas partículas B; P : porcentagem do analito no minério; d A : densidade das partículas A; d B : densidade das partículas B; d: densidade média do total de partículas; r : Desvio padrão relativo da amostragem; Massa amostra bruta = N N: n total de partículas coletadas; de partículas massa partícula = N de partículas d média partícula V médio da partícula esférica = 6,8 x 10 5 (partículas) 3,7(g/cm 3 ) 4/3π(0,5) 3 (cm 3 /partícula) = 1,3 x 10 6 g Para obter uma amostra bruta representativa da carga de minério no vagão, com erro relativo máximo de 0,5% na amostragem é necessário coletar a massa de 1,3 toneladas.

13 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 13 COMO REDUZIR A MASSA DA AMOSTRA DE LABORATÓRIO? Como reduzir a amostra de laboratório para 100 g? A amostra de laboratório deve conter o mesmo número de partículas que a amostra bruta. (Eq 02) (Eq 03) pesomédiod pesomédiod aspartícul as 100 g 4 1,47 10 g / partículas 5 6,8 x 10 partículas O número de partículas na amostra bruta é independente do tamanho aspartícul as das partículas (eq 01). 3 4 r ( cm ) 3 3,7 g / cm 3 O peso da amostra aumenta diretamente com o volume da Eq 02 = Eq 03 partícula (raio 3 ) r 1,47 10 g cm / 3,7 g 0, / 3 cm A redução do tamanho da partícula do material amostrado afeta grandemente o peso necessário da amostra bruta. A amostra deverá ser moída até obter partículas de 0,4 mm de diâmetro (raio 0,2 mm). O diâmetro da partícula deverá diminuir de 10 mm (raio 5 mm) a 0,4 mm (raio 0,2 mm).

14 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 14 POR QUE AS DETERMINAÇÕES SÃO NORMALMENTE REALIZADAS EM TRIPLICATA? x t. s n A partir de 5 replicatas da amostra a precisão melhora muito pouco. N t N.s ( 1 ) Fator de melhoramento n 2 12,71 da precisão 3 3, , ,39 1,3 6 1,13 1,2 Passari et al., Quim. Nova, Vol. 34, No. 5, , Influencia do número de replicas na precisão de um resultado gráfico N vs ( ). Quanto menor S, melhor será a precisão.

15 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 15 PRESERVAÇÃO DA AMOSTRA Preservar a amostra é evitar que a mesma se altere em suas caraterísticas, quer físicas, químicas ou biológicas. Atenção especial deve ser dada para método de coleta e a preservação. A integridade de uma amostra em trânsito por longo período depende do sistema de preservação, principalmente quando se trata de refrigeração. Várias propostas, normas e protocolos de coletas são descritos na literatura propondo normas de preservação. Algumas horas? Analise Anos? Uma semana? Trinta dias? Três tipos principais de estabilidade são observados: 1) FÍSICA: Facilidade de contaminação (Higroscopia) Efeito de superfície (atração eletrostática) Perdas por evaporação de espécies da mistura 3) BIOLÓGICA: Aeróbica Anaeróbica Em meio propício 2) QUÍMICA: Processos de oxidação Decomposições catalisadas Por temperatura Por umidade Por luz Radiações ionizantes e não ionizantes Por contato

16 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 16 ALGUNS ESTUDOS DE PRESERVAÇÃO DA AMOSTRA 1-ESTABILIDADE ACELERADA* a) Estudo a 40 (± 2) ºC e 75 (± 5)% de umidade relativa durante seis meses, com análises em zero, 30, 60, 90 e 180 dias. b) Estudo a 50 (± 2)ºC e 90 (± 5)% de umidade relativa, durante três meses, com análises em zero, 30, 60 e 90 dias. 2-ESTABILIDADE DE LONGA DURAÇÃO* a) Estudo a 30 (± 2) ºC e a 70 (± 5)% de umidade relativa, durante o período em que se pretende comprovar a estabilidade do produto (no primeiro ano as amostras devem ser analisadas nos tempos zero, 6, 9 e 12 meses e depois deste período, uma vez ao ano). 3-Estabilidade de média duração (temperatura de armazenamento com análises em dias alternados). 4-Estabilidade de curta duração (Variar temperatura em ciclos de congelamento e descongelamento). 5-Estabilidade de bancada (temperatura e luminosidade ambiente). *Amostras farmacêuticas (resolução re 560 de 02 de abril de 2002 ANVISA ministério da saúde - produto acabado)

17 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 17 INTRODUÇÃO A AMOSTRAGEM AMBIENTAL O planejamento da coleta das amostras depende dos objetivos da amostragem: Exploratória ou fiscalização - Fornecer informações preliminares sobre o sítio de amostragem ou o material que está sendo analisado para ajudar a estabelecer as espécies químicas de interesse e a sua faixa de concentração e variabilidade. Monitoramento ou avaliação - Fornecer informações sobre variação da concentração de um(ns) analito(s) especifico(s) em um determinado período de tempo ou em uma região geográfica específica. Amostragem exploratória Dados históricos Monitoramento mais efetivo Amostragem preliminar (Screening) 10 a 15% do total a ser estudado Delineamento Amostragem suplementar 10 a 15% do total a ser estudado. Confirmação de resultados críticos e incertezas obtidas durante o programa de monitoramento.

18 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 18 PROTOCOLO DE AMOSTRAGEM Descreve em detalhes o procedimento a ser seguida para coleta, envasamento, identificação, transporte, estocagem e documentação das amostras. Quanto mais especifico for protocolo de amostragem, menores as fontes de erros. Identificação do local de amostragem; Equipamentos e informações necessárias; Tipo, número e tamanho dos recipientes para as amostras; Tipo de amostragem; Tipo e número de brancos; Amostra spike; Composição e tamanho da mostra; Instruções para preservação e transporte das amostras; Tratamento em campo (filtração, ajuste de ph, etc.); Medidas de campo (temperatura, ph, O 2 dissolvido, umidade, etc.).

19 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 19 FORMAS BÁSICAS DE ABORDAGENS DA AMOSTRAGEM Três tipos primários de abordagem são descritos: Aleatória, sistemática e subjetiva. Normalmente a amostragem aleatória é o processo mais dispendioso, porém apresenta como vantagem a simplicidade para obtenção das amostras. Abordagem No de amostras Tendência Parâmetros para seleção Subjetiva menor maior Histórico, avaliação visual, julgamento técnico Sistemática médio baixa Grade de padrão Aleatória grande menor

20 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 20 ABORDAGEM PRIMÁRIA PARA AMOSTRAGEM Amostragem Subjetiva Amostragem Sistemática Amostragem Aleatória

21 COMPOSIÇÃO DA AMOSTRA Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 21 AMOSTRA SIMPLES & AMOSTRA COMPOSTA (COMBINADA) Cada amostra coletada pode ser analisada individualmente. Em diferentes situações, amostras compostas podem ser obtidas através da combinação de porções de várias amostras. Quando amostra composta é recomendada? Quando amostras de vários locais ou populações são analisadas para determinar se o componente de interesse está presente. Quando representatividade da amostra colhida no mesmo local ou populações tem de ser melhorada através da redução dos efeitos da variância interamostras. Quando uma quantidade limitada de amostra disponível para analise deve ser aumentada para alcançar desempenho analítico. Quando o custo da analise precisa ser reduzido. Quando amostra composta é limitada: Quando amostra composta é utilizada, as interações entre os analitos ou organismos devem ser cuidadosamente considerados. Quando os objetivos da coleta é uma avaliação ou classificação preliminar, a amostra composta poderá causar um efeito de diluição do analito para um nível de concentração abaixo do limite de detecção. Se os custos da amostragem são superiores aos custos da análise, a análise de cada amostra individualmente pode ser mais rentável.

22 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 22 Garantia de Qualidade e Controle de Qualidade Quality Assurance and Quality Control (QA/QC) S 2 global = S 2 amostragem + S 2 método Os procedimentos para controle de qualidade no laboratório contam apenas erros que possam ocorrer após a coleta das amostras. Os procedimentos de amostragem devem possui protocolo (QA/QC) específico para garantir que as sequências de coleta, preservação, armazenamento e transferência das amostras estão sob controle. A coleta da amostra não deve perturbar significativamente o meio a ser amostrado, caso contrário o universo amostral poderá ser alterado, podendo gerar resultados analíticos tendenciosos.

23 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora Material para coleta Equipamentos e materiais de coleta devem ser selecionados com base no componente (analito) mais lábil a ser analisado. Principais parâmetros a serem considerados: Reatividade do analito (fotossensibilidade, calor, atmosfera, umidade, organismos biológicos, metais, etc) Volatilidade Potencial de sorção nos matérias de coleta ou armazenamento. 2 Branco Sempre que houver a possibilidade de introdução de material estranho na coleta, tratamento ou no procedimento analítico, o branco deve ser analisado para detectar esses componentes. Branco é uma matriz com quantidades imensuráveis ou negligenciáveis do componente de interesse.

24 Metodologia Analítica I sem/2018 Profa Ma Auxiliadora - 24 TIPOS DE BRANCO PARA AMOSTRAGEM AMBIENTAL 2.1 Branco de coleta (Filed blanks) são amostras com matriz similar as amostras analisadas, porém livre do(s) analito(s), que são expostas ao ambiente de coleta. Avaliam a contaminação acidental durante todo o processo (amostragem, transporte, preparação da amostra e analise) 2.2 Branco de transporte (trip or transport blanks) são amostras com matriz similar as amostras analisadas, porém livre do(s) analito(s), que são transportadas do laboratório até o campo de coleta e retornam para o laboratório, sem serem abertas. 2.3 Branco de equipamento (trip or transport blanks) são amostras livres do(s) analito(s), que são utilizadas para rinsar os equipamentos de coleta. Avalia a contaminação devido aos recipientes e meio de preservação durante transporte, manipulação no campo e armazenagem das amostras. Documentar adequadamente a descontaminação dos equipamentos antes e após a amostragem. Recomendação: Todos os brancos são coletados, porem apenas o branco de coleta é analisado. Se alguma contaminação for detectada no branco de coleta, todos os brancos individuais deverão ser analisados.