4. Técnicas Analíticas e Condições Utilizadas

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1 51 4. Técnicas Analíticas e Condições Utilizadas As técnicas empregadas neste trabalho (ICP-MS, ICP OES, CI e TOC) são modernas e ideais para determinação quantitativa de múltiplos elementos em um grande número de amostras. (ARBILLA et al, 2009; VASCONCELLOS et al, 2007) Cromatografia de íons Aspectos Gerais A cromatografia de íons é uma técnica sensível e seletiva aplicada na separação de íons, mesmo em baixas concentrações, em coluna específica, seguida pela detecção condutimétrica. Os mecanismos de troca iônica baseiam-se no equilíbrio de troca entre íons em solução e íons de mesmo sinal na superfície de um sólido insolúvel de alta massa molar (resina). As amostras são transportadas por uma fase móvel através de uma coluna onde os trocadores, na forma de partículas micrométricas, possuem grupos funcionais capazes de trocar íons com a solução. No processo de separação dos íons das amostras transportadas pelo eluente, os íons de maior raio iônico hidratados são eluídos primeiro, devido a menor interação com os grupos funcionais. A amostra separada passa por um sistema supressor e depois para o detector. Para esse trabalho, foi utilizado um equipamento modular da Metrohm (Suíça), cujas características e condições estão apresentadas na Tabela 3 e Figura 17.

2 52 Tabela 3: Condições utilizadas para análise dos extratos aquosos por Cromatógrafo de íons (Metrohm). Coluna Metrosep A SUPPP Metrohm Pré-coluna Metrosep A Supp 4/5 Guard column Eluente Na 2 CO 3 / NaHCO 3 Vazão do sistema 0,7 ml min -1 Volume de amostra 10 µl Pressão do sistema Detector Amostrador automático 12 a 13 MPa 732 IC-Detector 813 Compact autosampler Figura 17: Cromatógrafo de Íons usado neste trabalho Calibração e limites de detecção Os padrões utilizados para cloreto, fluoreto, nitrato, sulfato, fosfato, formiato, acetato e brometo foram da marca IsoSol (Brasil), a partir de soluções estoque de 1000 mg L -1 rastreado ao SRM 3183 NIST-USA. O eluente foi preparado com Na 2 CO 3 e NaHCO 3 (Merck) com água MilliQ nas concentrações de 1,0 mmol L -1 e 3,2 mmol L -1, respectivamente, e submetido à ultrassonificacão por 15 minutos diariamente. A detecção condutimétrica foi realizada após a supressão química. Ácido sulfúrico (100 mmol L -1 ) e água ultra pura foram usados para regeneração do

3 53 sistema supressor, produzindo desta forma cromatogramas de excelente qualidade e produtividade. A Figura 18 mostra um cromatograma da água usada neste trabalho e a Figura 19 mostra um exemplo de cromatograma de uma amostra. Figura 18: Cromatograma da água utilizada no trabalho Figura 19: Cromatograma de uma amostra da região de Seropédica. Para análise quantitativa, foi utilizado o procedimento de calibração externa com soluções preparadas a partir de diluições da solução estoque, com as concentrações de 0,10 mg L -1 a 1,5 mg L -1 para os ânions fluoreto, acetato, brometo, fosfato e formiato. Para os ânions cloreto, sulfato e nitrato foram preparados soluções com concentrações que variam de 0,20 mg L -1 a 30 mg L -1. As curvas de

4 54 calibração obtidas estão representadas no Anexo I (10.1). Para o processamento dos resultados foi utilizado o programa do software do equipamento (IC.Net 2.3). Os valores obtidos para os coeficientes de linearidade (R 2 ) e os limites de quantificação (LQ), estão na Tabela 4. Para esta técnica, os limites de quantificação foram determinados pela menor concentração capaz de ser integrada automaticamente pelo software do equipamento. Os brancos foram analisados em paralelo e nas mesmas condições que as amostras. Os dados relativos aos ensaios dos brancos para esta técnica encontram-se na Tabela 5. Tabela 4: Valores de linearidade (R2) e limites de quantificação obtida de ânions por cromatografia iônica. Ânion R 2 LQ (µg L -1 ) LD (µg L -1 ) Cloreto 0, ,03 Fluoreto 0, ,03 Brometo 0, ,15 Nitrato 0, ,15 Sulfato 0, ,15 Fosfato 0, ,6 Formiato 0, ,15 Acetato 0, ,3 Tabela 5: Média e desvio padrão dos brancos dos filtros analisados por cromatografia de íons. Ânions Média do Br (µg L -1 ) Desvio Padrão (µg L -1 ) Fluoreto 0,01 0,01 Cloreto 0,04 0,12 Brometo 0,01 0,01 Nitrato 0,1 0,03 Fosfato 0,01 0,01 Sulfato 1,8 1,00 Formiato 0,2 0,13 Acetato 0,3 0,15

5 Espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP- MS) Aspectos gerais Espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado é uma técnica aplicada para determinações multielementares em concentrações muito baixas em diversos tipos de matrizes. Essa técnica se caracteriza por apresentar espectro relativamente simples, baixos limites de detecção e possibilidade de medidas de razões isotópicas. Figura 20: Esquema do ICP-MS do sistema de introdução de amostra ao detector. Inicialmente o gás formador do plasma, normalmente argônio (Ar), é ionizado por uma descarga elétrica produzida por uma bobina para a formação do plasma. Os elétrons e os íons de argônio formados nesta ionização interagem com o campo magnético alternado proveniente de uma radiofreqüência aplicada ao redor da bobina de indução. Eles se multiplicam e produzem um plasma de alta temperatura, permitindo a excitação ou ionização da maioria dos elementos químicos (Figura 20). A amostra líquida é bombeada para dentro do nebulizador, onde é misturada com gás argônio para formar um aerossol. O aerossol mais fino é introduzido no canal central do plasma de argônio, a alta temperatura, onde as gotículas de

6 56 aerossol são secadas, vaporizadas, decompostas em átomos e finalmente ionizadas, produzindo um feixe rico em íons positivamente carregados. Os íons são extraídos do plasma para dentro da interface pelo orifício do cone amostrador e depois do cone skimmer, para a região de alto vácuo. Os íons positivos são separados das espécies neutras e negativas indesejáveis pela lente iônica, que focaliza o feixe iônico para o analisador de massas. Alguns equipamentos possuem uma célula de reação dinâmica (DRC) ou de colisão, onde são eliminadas as interferências poliatômicas por reações ou colisões entre íons com gases menos reativos, como He, CH 4, O 2 e H 2. No analisador de massas (quadrupolo), os íons são separados de acordo com sua razão m/z (m: massa do íon e z: carga do íon). Este sistema funciona em alto vácuo e consiste de quatro barras paralelas duas a duas, onde são aplicados potenciais de radiofrequência (RF) e potenciais de corrente contínua (DC). O ajuste desses potenciais permite que somente íons com uma determinada razão massa/ carga tenham uma trajetória estável, permitindo atravessar o quadrupolo e chegar ao detector (Figura 20). Neste trabalho o equipamento utilizado foi um ICP-MS modelo ELAN 5000 da Perkin Elmer/Sciex (EUA), cujas condições e características estão descritas na Tabela 6. Tabela 6: Condições do ICP-MS usadas neste trabalho. Modelo ELAN 5000 Potência do ICP 1300 W Vazão de Argônio - Plasma 15,00 L min -1 Vazão de Argônio - Auxiliar 1,000 L min -1 Vazão de Argônio - Nebulizador 0,700 L min -1 Modo de Leitura Peak hopping Varreduras / Leituras 3 Leituras / Replicatas 1 Número de Replicatas 3

7 Calibração e limites de detecção e quantificação O espectrômetro de ICP-MS fornece um método semiquantitativo para análises rápidas de amostras desconhecidas, denominado TotalQuant (TQ) nos equipamentos da Perkin Elmer. Este método permite determinar a concentração de quase todos os elementos da tabela periódica em uma amostra, através da varredura do espectro de massa. Na análise semiquantitativa, a calibração foi realizada com apenas uma solução de calibração multielementar com concentração de 20 µg L -1 de cada elemento, preparada a partir da solução estoque multielementar de 1,0 mg L -1 (Solução Certipur Multielement Standard IV Merck, Soluções Perkin Elmer 12 e 17). Para calibração interna, foi utilizado o isótopo 103 Rh, para compensar variações nos processos de transporte, nebulização e processos no plasma sofridos pela amostra, bem como na estabilidade do plasma durante as análises. Para a análise quantitativa, foram utilizadas soluções de calibração preparadas a partir das soluções padrão 1,0 mg L -1 (Perkin Elmer 29 e Merck Titrisol) e acidificadas com ácido nítrico bidestilado. As concentrações da curva de calibração variaram de 10 µg L -1 a 100 µg L -1, e o padrão interno de calibração foi Rh na concentração de 10 µg L - usado na calibração no Anexo I, (10.2). Na Tabela 7 estão relacionados coeficientes de linearidade (R 2 ), os limites de detecção (LD) e os limites de quantificação (LQ). O limite de detecção é a menor concentração do analito que pode ser detectada enquanto que o LQ é a menor concentração do analito que pode ser determinada com um nível de incerteza aceitável. Os valores de LD e LQ foram determinados a partir das equações 1 e 2 abaixo: (MILLER & MILLER, 1989). 1. LD= 3x (DP/S) 2. LQ= 10x (DP/S) Onde: DP representa os desvios padrão da leitura de 10 brancos e S é a sensibilidade da curva analítica (coeficiente angular).

8 58 Tabela 7: Parâmetros analíticos obtidos para análises de metais pela técnica de ICP-MS: R2 (coeficiente de linearidade), LD (limite de detecção) e LQ (limite de quantificação). Isótopo R 2 LD (ng L -1 ) LQ (ng L -1 ) 27 Al 0,9991 0,323* 1,08* 47 Ti 0,9994 3,83 12,8 51 V 0,9988 0,019 0, Cr 0,9991 0,192 0, Mn 0,9990 0,180 0, Ni 0,9991 0,118 0, Cd 0,9992 0,050 0, Pb 0,9971 0,837 2,79 * Resultados em µg L Espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) Aspectos gerais É uma técnica também multielementar para determinações rápidas de elementos químicos em diversas matrizes. É baseada na medida de intensidade da radiação emitida quando um íon excitado pelo plasma retorna ao seu estado fundamental. Como em ICP-MS, a amostra é introduzida no plasma geralmente por um nebulizador, que transforma a solução em um aerossol transportado pelo tubo central da tocha. A zona analítica normal é a região utilizada nas medições da radiação de emissão, que pode ser observada do modo vertical (configuração radial) ou horizontal (configuração axial), modo mais sensível. A diferença entre ambas é a composição da faixa espectral observada (MONTASER e GOLIGHTLY, 1992; PERKIN-ELMER, 2003).

9 59 Foi utilizado neste trabalho o equipamento ICP OES (PERKIN ELMER, USA), modelo Optima DV 4300 (Tabela 8, Figura 21), que permite a observação do plasma no modo de configuração axial e radial proporcionando o modo de observação mais sensível para cada elemento. Comparando os resultados de PM10, considerando as estações do ano (verão, outono, primavera e inverno) verificou-se que a maior média foi observada na estação inverno fato esperado devido as variáveis meteorológicas, onde os índices de precipitação pluviométrica são menores. A menor média foi obtida na primavera devido a ocorrências de chuvas. Tabela 8: Condições do ICP OES usadas neste trabalho. Marca Perkin Elmer Modelo Optima 4300 DV Vazão do argônio no plasma 15 L min -1 Vazão do argônio auxiliar 1 L min -1 Vazão do argônio nebulizador 0,5 L min -1 Potência 1500 W Figura 21: ICP-OES modelo Optima DV 4300 (PerkinElmer).

10 Calibração e limite de detecção e quantificação As soluções de calibração das curvas analíticas para a determinação de metais nos extratos aquosos e ácidos por ICP OES foram preparadas utilizando padrões com concentrações de 1000 mg L -1 monoelementares (Titrisol - Merck: K, Na, V e Ti) e multielementares (Certipur Multielement Standard IV, Merck: Ag, Al, B, Ba, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, K, Li, Mn, Ni, Sr, Na, Cu, In, Mg, Pb, Tl e Zn). Foram preparadas soluções de calibração com concentrações de 0,10 a 5,0 mg L -1 para a maioria dos elementos, exceto Na e K, cujas concentrações variaram de 1,0 a 50,0 mg L -1. As curvas de calibração estão apresentadas no Anexo I (10.3). Os brancos foram analisados em paralelo e nas mesmas condições que as amostras. Os respectivos coeficientes de linearidade (R 2 ), os limites de detecção (LD) e os limites de quantificação (LQ) estão apresentados na Tabela 9, e também os parâmetros de mérito obtidos com a técnica de ICP OES. Nesta técnica os brancos foram analisados em paralelo e nas mesmas condições, das amostras. Tabela 9: Parâmetros analíticos obtidos para a técnica de ICP OES: R 2 linearidade), LD (limite de detecção) e LQ (limite de quantificação). (coeficiente de Elemento (λ, nm) Modo De Observação R 2 LD (µg L -1 ) LQ (µg L -1 ) Zn ( ) Axial 0,9991 0,157 0,522 Na ( ) Radial 0, Mg ( ) Radial 0,9998 0,460 1,53 K ( ) Radial 0, ,8 143 Fe ( ) Axial 0,9994 1,20 3,99 Cu ( ) Axial 0,9993 1,27 4,23 Ca ( ) Radial 0, ,8 69,4 Ba ( ) Radial 0,9998 0,493 1,64 Si ( ) Radial 0,9997 1,50 4,99

11 Carbono orgânico solúvel em água (COSA) A análise de carbono orgânico total (do inglês Total Organic Carbon TOC) independe do estado de oxidação do carbono e não sofre a interferência de outros átomos ligados à estrutura orgânica, quantificando somente o carbono presente na amostra. A concentração de TOC não é obtida diretamente pelo equipamento, primeiro é obtida a concentração do carbono total (do inglês, Total Carbon - TC) e do carbono inorgânico (do inglês, Inorganic Carbon - IC) e pela subtração se obtém a concentração de TOC. Para a determinação de IC e TC foi adicionado na amostra um ácido oxidante que reage com os íons de carbonatos e bicarbonatos presentes para liberar o dióxido de carbono CO 2. O CO 2 liberado representa o IC presente na amostra. Esta é então submetida a uma ação ultravioleta UV liberando todo carbono presente, ou seja, o carbono total (TC). Neste trabalho o equipamento utilizado foi TOC-V CPH/CPN (SHIMADZU) cujas condições estão representadas na Tabela 10. Tabela 10: Condições do TOC-V CPH/CPN neste trabalho. Princípio de medição Combustão catalítica a 680ºC Faixa de medição 0 a 3000 mg L -1 Limite de detecção 4,0 µg L -1 Tempo de análise Aproximadamente 3 min Introdução da amostra Injeção automática Volume de amostra 50 µl Pré-tratamento para IC Adição automática do HCl 2,0 mol L -1 Gás de transporte Cilindro de gás de O 2 alto grau de pureza Pressão do gás kpa

12 Calibração limite de detecção e quantificação Para a determinação do carbono orgânico total foram preparadas duas curvas analíticas: uma de carbono inorgânico (IC), utilizando os reagentes bicarbonato de sódio e carbonato de sódio (Sodium Hidrogen Carbonate/ Sodium Carbonate Anhydrous Nacalai Tesque) 1000 mg L -1 C; e outra curva de carbono total (TC) usando biftalato de potássio (Potassium Hidrogen Phthalate - Nacalai Tesque) de concentração igual a 1000 mg L -1 C. Para obtenção da solução padrão de Carbono Inorgânico foram dissolvidos 3,50 g de bicarbonato de sódio e 4,41 g de carbonato de sódio (previamente secos por 2 horas a 280 ºC em forno mufla Fornitec modelo F2 DM e esfriados em dessecador), com água ultra pura e avolumados a 1,0 L. As concentrações das soluções de calibração para obtenção da curva analítica variaram de 0,2 a 10,0 mg L -1. As curvas de calibração estão representadas no Anexo I (10.4). Para obtenção da solução padrão de TC, 2,125 g de bftalato de potássio (Potassium Hidrogen Phthalate - Nacalai Tesque), previamente seco a ºC por 1 hora e resfriado no dessecador, foram dissolvidos com água ultra pura e avolumados a 1,0 L. As concentrações das soluções de calibração de TC preparadas a partir dessa solução variaram de 1,0 a 50,0 mg L -1. Curvas de calibração estão representadas no Anexo I (10.4). Os respectivos coeficientes de correlação e limites estão apresentados na Tabela 11. Os brancos foram analisados em paralelos e nas mesmas condições que as amostras. Tabela 11: Parâmetros analíticos obtidos para a técnica (TOC): R 2 (coeficiente de linearidade), LD (limite de detecção) e LQ (limite de quantificação). LD LQ Identificação R 2 (mg L -1 ) (mg L -1 ) IC 0,9998 0,0001 0,0003 TC 0,9999 0,0023 0,0077