Dispersão da Zona de Amostra

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1 Sistema de Linha Simples Uma bomba peristáltica Umaválvulade injeção duasposições reator (bobina de reação) Detector com cela de fluxo Dispersão da Zona de Amostra DISPESÃO AXIAL X ADIAL Injeção Dispersão Detecção Lavagem Detector COEFICIENTE DE DISPESÃO (D) COEFICIENTE DE DISPESÃO D=C /C max C = concentração original da amostra C max = concentração do elemento de fluido de máxima concentração após o processo de dispersão D = 2 significa que a amostra foi diluída na razão de 1:1 com o fluido transportador Para um detector espectrofotométrico: D =A /A max A = Absorbância da amostra não dispersa A max = Absorbância lida no máximo de pico D pode ser determinado para qualquer elemento de fluido da zona de amostra e não apenas para o correspondente ao máximo do pico LIMITADA: D = 1 2 MÉDIA: D = 2 1 ELEVADA:D =

2 DISPESÃO LIMITADA Para obter dispersão limitada, injetase um volume de amostra elevado, diminui-se o comprimento da bobina de reação/diluição e diminui-se o diâmetro interno do tubo. Dispersão limitada é usada para: Medidas de ph ou de condutividade Medidas amperométricas Injeção automatizada em instrumentos de absorção atômica, fotometria de chama ou ICP Geralmente usada em análises que não envolvem reação química em solução antes da detecção DISPESÃO MÉDIA Para obter dispersão média: incorpora-se uma bobina de diluição/mistura (ou ajusta-se seu comprimento) Insere-se um ponto de confluência Ajusta-se o volume de amostra injetado Em um sistema de dispersão média obtém-se um típico sinal de FIA em que a concentração máxima (C max ) corresponde a 1 5% da concentração original (C ) É usada principalmente quando é necessário introduzir um reagente para gerar um produto detectável típico para medidas espectrofotométricas DISPESÃO ELEVADA Gera elevada diluição da amostra, de modo que C max <.1 C Para obter dispersão elevada: Diminua o volume de amostra injetada Aumente o volume do reator, com possível inclusão de câmara de diluição POTOCOLO DE OTIMIZAÇÃO Volume de amostra Tempo de eação Concentração de reagentes São os parâmetros mais importantes para o desenvolvimento de um método analítico por FIA, pois influenciam diretamente o limite de detecção, a sensibilidade e a freqüência analítica. Utilizada para analisar amostras concentradas, acomodando C max dentro da faixa de resposta linear do detector Coeficiente de Dispersão, D Tempo de esidência, T Orientam a otimização dos sistemas de análise por injeção em fluxo Aumento do volume de amostra injetada aumentaalturade picoatéum certolimite(d ~ 1, volume infinito) AtéD=2 (emum sistemade linhasimples), a alturade picoaumentalinearmentecom o volume de amostra. O volume de amostra necessário para se atingir 5 % do estadoestacionáriodependedo volume e geometriado canal entre o injetore o detector. Depende também do volume da cela de fluxo Injeçãode coranteemtubocom.5 mm I.D. tubing, 2 cm de comprimento, vazãode 1,5 ml/min emum sistemade linhasimples. O volume de amostra é um parâmetro fundamental na otimização de protocolos FIA. Permite: Ajuste de sensibilidade e limitede detecção Identificação da faixa de resposta linear do detector Diluição automática da amostra O volume de amostra em sistemas FIA manuais é alterado trocando-se as alças de amostragem do injetor C max = exp( ksv) = 1 exp(,693n) = 1 2 n = C A relação entre C max e C é dada por: 1 1/ D K= constante; n = S v /S 1/2 ; S 1/2 = volume de amostra para atingir 5% do estado estacionário (D=2) Injetando 2S 1/2 75% de C D = 1,33 Injetando 7S 1/2 99,2% de C D = 1,8 max 2

3 EGA 1 Alterar o volume de amostra é um modo eficiente para manipular a dispersão e, por consequência, a sensibilidade e o limite de detecção. Aumento do volume de amostra aumenta a sensibilidade e o limite de detecção (desde que a zona de amostra receba quantidade de matéria de reagente apropriada). Diluição de amostras concentradas é possível diminuindo-se drasticamente o volume de amostra Sv θ = π (,5d ) θ= Dimensão que o volume de amostra (Sv) ocupa no canal do fluxo, com diâmetro d Se d é reduzido pela metade, o mesmo Svocupará uma distância θ 4 x maior estringe o contato da porção central da zona de amostra com a solução transportadora 2 Exemplo: injeção de 1 µl Ocupa 12,7 cm de um tubo de 1 mm de d.i. Ou 5,95 cm de um tubo com,5 mm de d.i. EGA 2 Dispersão limitada é obtida injetando um volume de amostra de 1 S 1/2 em um sistema constituído por um canal (bobina de reação) curto e de pequeno diâmetro Canais estreitos: Economia de reagente química verde Aumento da frequência de amostragem Aumento da impedância hidrodinâmica aumento de pressão no sistema Facilidade de entupimento por partículas Compatibilizar com a cela de fluxo Típico,5 mm D.I., Dispersão média a elevada,75 a 1 mm Baixa Dispersão,3 mm Altura de pico, tempo de residência, comprimento do canal e vazão T ( d / 2) 2 = π L / Q = L / F = V / r Q T =Tempo de residência médio L= comprimento do tubo (entre o injetor e o detector) Q = vazão F=Velocidade linear de fluxo V r =volume do reator Influência do comprimento da bobina na altura de pico e em D após injeção de 6 µl de amostra,,5 mm D.I., Vazão = 1,5 ml/min. Corante injetado em transportador inerte em sistema de linha simples Dispersão, tempo de residência, comprimento do canal e vazão 1/ 2 1/ 2 r T ] S v max 2 2 D = [2π 3/ ( d / 2) D / Dr = dispersão radial D max, para D max > 2, diminui linearmente com o aumento de S v, ou seja, a altura de pico aumenta proporcionalmente com S v Embora o decréscimo na altura de pico e o alargamento do pico diminuam em relação a distância percorrida, o aumento de L pode não ser vantajoso acima de uma dado limite Dispersão elevada e baixa frequência de amostragem. Em vez de se aumentar L (V r ) pode-se diminuir a vazão e manter L com as dimensões definidas por razões práticas comprimento das conexões entre injetor e bobina e desta com o detector solução de compromisso. Sistemas típicos: L = 1 a 1 cm, com d =,5 mm. Ajusta-se T em ~ 2 3 s controlando-se a vazão. Maiores valores de T são obtidos por bombeamento intermitente Dispersão, tempo de residência, comprimento do canal e vazão Coeficiente de dispersão em função de diferentes períodos de parada de fluxo. Em b, c e d o fluxo é parado após 5,5 s da injeção por períodos de 1, 2 e 3 s, respectivamente EGA 3 A dispersão da zona de amostra aumenta com a raiz quadrada da distância percorrida através da linha de fluxo e diminui com o decréscimo da vazão. Se é preciso diminuir a dispersão e aumentar o tempo de residência, as dimensões do tubo devem ser minimizadas e a vazão diminuída.o modo mais efetivo de aumentar o tempo de residência e evitar dispersão elevada é injetar a amostra no fluxo, pará-lo, e retomar o bombeamento após tempo adequado 3

4 Altura de Pico e Geometria do Canal Sistema com câmara de mistura/diluição Se o volume da amostra é muito menor do que o volume da câmara, e se a amostra é instantaneamente homogeneizada e misturada na solução no interior da câmara, valem as relações: ou Onde C = concentração da amostra após um tempo t da injeção, V m = volume da câmara Para t = s, C = C max = C S v /V m t 1/2 =,693 V m /Q t 1/2 = tempo necessário para C cair a C/2 4 t 1/2 ou 2,8 V m /Q necessários para o sinal voltar a 6% do pico EGA 4 Qualquer sistema de fluxo contínuo contendo uma câmara de mistura gera elevada dispersão e baixa sensibilidade de medida em relação a uma sistema sem esse tipo de câmara. Diminui a frequência de amostragem, a menos que se aumente a vazão. Consequência: elevado consumo de reagente. Pode ser usado para grandes diluições amostras concentradas DISPESÃO E GEOMETIA Tubo eto Bobina Helicoidal Bobina Enovelada Bobina enovelada suportada em armação Empacotada com esferas de vidro Mudanças bruscas na direção do fluxo aumentam a transferência de massa radial. Este efeito é amplificado aumentando-se a velocidade linear de fluxo. Em um tubo reto sob regime de fluxo laminar, a transferência de massa radial é muito lenta, sendo promovida apenas por difusão. Enrolando o tubo com geometria de bobina helicoildal se promove o aparecimento de fluxos secundários na direção radial, o que é ainda mais acentuado no reator enovelado por causa das mudanças bruscas e aleatórias da direção do fluxo. Bobinas montadas em armações poliméricas ou preenchidas com esferas de vidro foram propostas nos primeiros sistemas FIA, sendo hoje raramente utilizadas, apesar de serem eficientes para promover a dispersão radial. Bobina Helicoidal x Tubo eto BOBINA EMPACOTADA E ENOVELADA Aspecto da zona de amostra (corante azul) injetada em solução transportadora incolor através de 5 cm de tubo (helicoidal ou reto) com,5 mm de diâmetro interno, acompanhados o sinal do detector Tubo transparente de,5 mm de diâmetro interno empacotado com esferas de vidro (esquerda) e enovelado apoiado em suporte plástico perfurado (direita). Note que as fronteiras entre o corante e a solução transportadora são muito mais nítidas e bem definidas do que as mostradas no slide anterior. Aumenta-se a dispersão radial e diminui-se a dispersão axial. 4

5 DISPESÃO E GEOMETIA DO CANAL EGA 5 Tampão borato,1m BTB 62 nm A = tubo reto B = Bobina helicoidal C = Bobina enovelada L = 8 cm,,5 mm I.D. Vr= 16 µl Q =,75 ml/min D = Bobina (,86 mm I.D.) empacotada com esferas de vidro (.6 mm) Para reduzir a dispersão axial, que diminui a frequência de amostragem, a linha de fluxo deve ser uniforme, sem seções largas (que se comportam como câmaras de diluição) e devem ser enrolada (helicoidal), enovelada, estruturada em suporte ou empacotada. Outros tipos mudanças bruscas de direção de fluxo podem ser incluídas no sistema Largura de pico, e Frequência de amostragem Análises/hora Largura de pico, e Frequência de amostragem EGA 6 Para obter a máxima frequência de amostragem o sistema deve trabalhar com o mínimo S 1/2 devendo ser operado com o menor volume prático de amostra (Sv). Sistemas com o menor fator de dispersão axial requerem o menor consumo de reagente e produzem a máxima frequência de amostragem em relação ao tempo de residência da zona de amostra movendo através da linha de fluxo S max = 36/largura de pico (em s) na linha base DISPESÃO DA ZONA DE AMOSTA EM UM FLUXO DE EAGENTE D = C /C Sistema de linha simples Para manter excesso de reagente em toda zona de amostra (excesso de ~ 5 x a relação estequiométrica) e se as concentrações (mol/l) de amostra e reagente forem iguais, dispersão média em C max deve ser obtida A C B eaction product (yellow) is formed at the interface between the sample (red) and the reagent (blue). Injection of increasing sample volumes causes the formation of a double peak. Para aumentar a sensibilidade diminuindo a dispersão da zona de amostra a concentração de reagente C deve ser aumentada 5

6 Análise elementar por absorção atômica em chama Dispersão limitada Análise elementar por absorção atômica em chama Dispersão limitada Vazão = 4,9 ml/min, Sv= 15 µl (a) curva analítica para Zn (.2 a 5 mg/l) (b) -Sinal obtido para uma solução de Zn(II) 1,5 mg/l por FIA (A) e aspiração convencional (B) (c) -Curva analítica para Pb(2, 5, 1, 15 e 2 mg/l) obtido em e 3.3% NaCl diminuição do efeito de matriz Determinação potenciométrica de ph Determinação potenciométricade Ca(II) e ph 1 cm,,5 mm I.D. Sv= 3 µl Solução Transportadora: NaCl,4M + Tampão NaH 2 PO 4 /Na 2 HPO 4,1 mm (ph6,64) NaCl condutividade diminuir a resistência entre o eletrodo de vidro e o de referência ph na faixa intermediária entre os dois extremos da escala (picos positivo e negativos) Capacidade tamponante menor do que a da amostra Se capacidade tampão da amostra > que da solução transportadora aumentar volume da amostra (15 a 3 µl) D ~ 1 DISPESÃO DA ZONA DE AMOSTA EM UM FLUXO DE EAGENTE Sistema de confluência D S nunca atinge o valor 1, mesmo em condições de injeção de volume infinito, estado estacionário, etc A dispersão do reagente não é influenciada pela dispersão da zona da amostra. O reagente é continuamente adicionado a todos os elementos de fluido da zona de amostra DISPESÃO DA ZONA DE AMOSTA EM UM FLUXO DE EAGENTE Sistema de confluência Em comparação com o sistema de linha simples, nos sistemas com confluência é mais fácil manter um excesso de reagente em contato com toda a zona de amostra, mesmo com DS próximo a da condição de estado estacionário ( volume infinito ). Se as vazões nas linhas de transmissão x e y são iguais, D S maxss nunca é maior que 2 e, portanto, o reagente pode ser usado com concentração apenas levemente acima da relação estequiométrica (economia de reagentes) MAIO SENSIBILIDADE Se C = C S C = C / D = C [ y /( x + y)] = C max SS S 6

7 Determinação de fosfato Linha simples x Confluência - Sensibilidade 7H 3 PO (NH 4 ) 3 Mo 7 O H + 7(NH 4 ) 3 PO 4 12MoO NH H 2 O Mo(VI)-complexo amarelo + Ac. Ascórbico Mo(V)- complexo azul (azul de molibdênio) Determinação de fosfato Linha simples x Confluência - Sensibilidade 7H 3 PO (NH 4 ) 3 Mo 7 O H + 7(NH 4 ) 3 PO 4 12MoO NH H 2 O Mo(VI)-complexo amarelo + Ac. Ascórbico Mo(V)- complexo azul (azul de molibdênio) Sv= 3 µl,5 M Molibdatode Amônio,7% (m/v) ac. ascórbico (a) Sv=3 µl (b) Sv=2 µl (c) Sv=4 µl Sv= (a) 23, (b) 7, (c) 115, (d) 18 µl e (e) 32 µl de 2 mg/l P-PO 4 3- O,25M Molibdatode Amônio,25% (m/v) ac. ascórbico SISTEMA COM CONFLUÊNCIA E ECONOMIA DE EAGENTES ZONAS COALESCENTES POTOCOLO DE OTIMIZAÇÃO À vazão constante, o comprimento da bobina de reação determina o tempo de reação e a razão da mistura entre amostra e reagente. Quanto maior a bobina, maior será a dispersãoda amostra e menor será a sensibilidade da medida por causa da maior diluição do produto formado. Tal diluição pode ser compensada aumentando-se o volume da amostra, o que resulta em aumento da altura de pico. Porém deve-se garantir excesso de reagente em toda zona de amostra. Para isso, em sistemas de linha simples, usase como critério de orientação D ~ 2. A grande maioria dos métodos de FIA trabalha com volumes de amostra entre 5-2 µl, vazões de 1 a 2 ml min -1 usando reatores helicoidais com 5 a 1 cm de comprimento e diâmetro interno de,5 a,8 mm. FEAMENTAS ADICIONAIS DE OTIMIZAÇÃO: Geometria dos canais de fluxo Pontos de confluência Parada de fluxo (stopped flow) Exemplos de configurações A-Linha simples B-Duas linhas com um ponto de confluência C-Pré-mistura de reagentes linha simples D-Duas linhas com um ponto de confluência e mistura prévia de reagentes E-Três linhas com dois pontos de confluência adição sequencial de reagentes F-eator empacotado em linha G-Injeção dupla e uma confluência (interpenetração) H-reatores sequenciais I-Linha simples com câmara de mistura/diluição J-Linha simples com parada de fluxo K-Sistema para extração com solvente L-Sistema para diálise e difusão gasosa M-Duas linhas, ponto de confluência incluindo reator empacotado N-Injeção hidrodinâmica O-duas linhas um ponto de confluência e sensor ótico em superfície sólida 7