Aumentando o Tempo de Residência - Parada de Fluxo

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1 TEMPO DE RESIDÊNCIA Uma vez que a extensão das reações é dependente do tempo, e sabendo que em sistemas FIA a reação não atinge o equilíbrio químico, é extremamente importante que o tempo em todas as operações do manuseio mecanizado da amostra seja bastante reprodutível. DETECTOR Em fluxo contínuo, o intervalo de tempo disponível para a reação ocorrer é definido pela velocidade linear de fluxo (função da vazão e do diâmetro interno) e é limitado pelo comprimento e diâmetro interno da bobina de reação. Embora reatores mais longos permitam maiores tempos de reação (para uma mesma vazão), o que se ganha em intensidade de sinal, pode se perder pela maior dispersão da zona de amostra. Além disso, reatores maiores implicam em maiores tempos de análise e consumo de reagente. Influência do Comprimento do Reator no Coeficiente de Dispersão e na Freqüência Analítica Injeção de 60 µl de corante em transportador inerte em um sistema FIA de linha simples. Comprimentos das bobinas são dados, em cm, pelo número sobre os picos. Aumentando o Tempo de Residência - Parada de Fluxo STOP DETECTOR Parada de fluxo permite um maior tempo de reação sem o aumento de dispersão, resultando em aumento de sensibilidade. Economiza reagente e minimiza o volume de rejeitos. Permite também estudar a cinética da reação envolvida. PARADA DE FLUXO DETECTOR A parada de fluxo é efetuada quando a zona de amostra (ou zona de reação) chega ao detector. Se a reação é lenta, sua cinética pode ser estudada monitorando-se a resposta do detector em função do tempo, como mostrado na figura ao lado (Formação do produto amarelo). Após a parada, retoma-se o bombeamento de modo a lavar o detector e preparar o sistema para uma nova amostra Absorbância PARADA DE FLUXO "Delay time" ou tempo de espera Sem parada de Fluxo Com parada de Fluxo Tempo de parada Tempo (s) H 3 PO 4 +12H 2 MoO 4 H 3 P(Mo 12 O 40 )+12H 2 O (reação rápida, produto com baixa absortividade) Complexo Mo(VI) Complexo Mo(V) (reação lenta, produto com alta absortividade) Reação lenta PARADA DE FLUXO Reação rápida ou ausência de reação Produto instável 1

2 PARADA DE FLUXO Determinação de sulfito em vinho explorando a parada de fluxo R1 = pararosanilina 0,08% (m/v) em H 2 SO 4 0,3 mol L -1 R2: formaldeído 0,5% em H 2 SO 4 0,3 mol L -1 Tempo de parada = 15 s Número sobre os picos = concentração em mg L -1 Aumentando o tempo de residência por parada de fluxo em sistemas com comutação Linha simples Aumentando o tempo de residência por parada de fluxo em sistemas com comutação Confluência Amostragem/parada de fluxo na bobina de reação (B)/reagente recirculando Injeção da amostra em direção do detector e colocação da amostra seguinte na bobina de reação (B) S= Amostra W= Descarte B = Bobina de reação D= R= Reagente L = Alça de amostragem Amostragem/parada de fluxo na bobina de reação (B)/reagente recirculando Injeção da amostra em direção do detector e colocação da amostra seguinte na bobina de reação (B) S= Amostra W= Descarte B = Bobina de reação D= R= Reagente L = Alça de amostragem C = Transportador Aumentando o tempo de residência por parada de fluxo em sistemas com comutação Merging Zones Aumentando o tempo de residência por aprisionamento de zona em sistemas com comutação Usando alça de amostragem Preenchimento de alças de amostra (S) e reagente(r)/parada de fluxo na bobina de reação (B)/Transportador de R (C R ) e S (C S ) re-circulando Injeção de R e S em direção do detector. Registro do sinal referente a amostra previamente contida na bobina de reação (B) Posição 1: Enchimento da alça/aprisionamento da zona de reação/limpeza do detector Posição 2: Injeção S= Amostra W= Descarte B = Linha de transmissão M= R= Reagente C = Transportador T = Bobina de aprisionamento 2

3 Aumentando o tempo de residência por aprisionamento de zona em sistemas com comutação Aumentando o tempo de residência em fluxo monossegmentado Usando injeção controlada por tempo Aprisionamento da zona/limpeza do detector Injeção da amostra/enchimento da bobina de aprisionamento Zona de Transportador Ar Amostra Ar Transportador B.F. Reis, M.F. Giné, E.ªM Kronka; A análise por injeção em fluxo contínuo. Quim. Nova 12 (1989) 82. C. Pasquini, W.A. Oliveira; Monosegmented system for continuous flow analysis. Spectrophotometric determination of chromium (VI), ammonia and phosphorus. Anal. Chem. 57 (1985) GRADIENTE DE CONCENTRAÇÕES EXPLORANDO O GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO FLOW Uma vez que o analito (vermelho) dispersa à medida em que a zona de amostra viaja pelo sistema de fluxo, numerosas seções de soluções são formadas com diferentes concentrações, sendo que tais concentrações são bastante reprodutíveis entre uma injeção e outra de uma mesma amostra. Este gradiente pode ser explorado para: Reamostragem de zona: significa capturar uma seção de solução de amostra já dispersa em uma segunda válvula de injeção e injetar esta solução em um outro sistema, onde ocorrerá o processamento da solução. Diluição Eletrônica: Baseado na leitura do sinal na cauda do pico e não mais na altura máxima. Assim como no caso da reamostragem de zona, é útil para analisar amostras concentradas que precisem de extensa diluição para cair dentro da faixa de resposta linear do detector. Parada de fluxo: explora o gradiente de concentrações MODOS DE DILUIÇÃO DILUIÇÃO ELETRÔNICA MODOS DE DILUIÇÃO Divisão (splitting) da Zona de Amostra 3

4 MODOS DE DILUIÇÃO V1 Reamostragem MODOS DE DILUIÇÃO Reamostragem e Divisão V2 Influência do volumes injetados no coeficiente de dispersão. Vazões em C1 = 1,1 ml min -1, em C2 = 0,7 ml min -1, em R = 1,8 ml min -1, tempo de injeção = 14s. Volumes de injeção (µl) D DPR (%) V1 V , , , , ,3 Influência do tempo decorrido entre as injeções em V1 e V2. Vazões = 1,9 ml min -1, Volumes injetados em V1 e V2 = 40 µl. Tempo (s) D DPR (%) , , , ,6 TITULAÇÕES TITULAÇÕES S = Ácido (HCl); R = Base (NaOH, na presença de indicador) TITULAÇÕES t = 2,3 (Vm/Q)log Cs - 2,3 (Vm/Q)log C NaOH + 2,3 (Vm/Q)log (Va/Vm) Vm = Volume da câmara Q = Vazão Va = Volume da amostra t = tempo de transição da cor do indicador (largura do pico) Cs = Concentração da amostra C NaOH = Concentração do titulante Métodos de Extração e Modificação de Matriz em Análise em FLuxo t Log Cs 4

5 Métodos de Extração e Modificação de Matriz em Análise em FLuxo Fluxo doador MÓDULO DE DIFUSÃO GASOSA Amostra Difusão gasosa Extração em fase sólida Extração Líquido-Líquido Fluxo receptor Alcalino Unidade de Difusão Gasosa Neste sistema com duas linhas de fluxo uma amostra contendo carbonato (ou CO 2 ) é acidificada, liberando CO 2 que difunde-se através de uma membrana de borracaha de silicone do fluxo doador (azul) para o fluxo receptor (verde), mudando a cor de um indicador ácido base, monitorado a 430 nm (Baadenhuijsen 1979). Membranas hidrofóbicas com até 50% de porosidade, tais como Teflon, formam uma camada de ar entre as soluções doadora e receptora através da qual espécies gasosas como NH 3, SO 2, Cl 2, O 3, H 2 S ou outras espécies voláteis permeiam seletivamente em relação a outros componentes da amostra, dissolvendo-se na solução receptora, que é bombeada para o detector. H. Baadenhijsen & H.E.H. Seuren-Jacobs, Clin. Chem. 25, 443, (1979) M.R.Straka, G.E.Pacey & G.Gordon, Anal. Chem. 56, 1514 (1984) CELA DE DIFUSÃO EM FORMATO SANDWICH Cabos de fibra Óptica Membrana Fonte Espaçadores Solução Doadora Solução Receptora J.L.P.Pavon et.al. Anal. Chem. 64, 923 (1992) C. G. Pinto, M. E. F. Laespada, J. L. P. Pavon and B. M. Cordero Analytical applications of separation techniques through membranes Lab. Autom. Inf. Managem., 34(2) (1999) Reações em Análise Usando Celas de Difusão Gasosa Determinação de alcalinidade Fluxo Doador: HCO 3- + H + H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Detecção espectrofotométrica ou condutométrica Fluxo Receptor: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3- + H + Altera cor de indicador ou condutividade elétrica da água Determinação de SO 2 livre em vinho utilizando módulo de difusão gasosa PRÉ-CONCENTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA ETAPA DE CONCENTRAÇÃO Analito concentrado Amostra ETAPA DE ELUIÇÃO (CONTRA-CORRENTE) Amostra Eluente Eluente Coluna de Pre- Concentração: Troca Iônica, Adsorção, Complexação, etc. Descarte Descarte 5

6 Sólido-líquido Sólido-líquido amostragem por tempo amostragem por tempo I Amostragem (load) I Amostragem (load) E L S L A B D W E L S L A B D W Quim. Nova, 19 (1996) 623 Quim. Nova, 19 (1996) 623 Sólido-líquido Exemplo de aplicação de pré-concentração e determinação de metais pesados por Absorção Atömica de Chama amostragem por tempo I Eluição E L S A B D W Quim. Nova, 19 (1996) 623 S = Amostra C = Solução de acetato de amônio 0,1 mol L -1 ajustado para ph 5,5 R = Ácido Nítrico 2 mol L -1 IEC = Coluna preenchida com resina complexante CHELEX-100 Mini-colunas para préconcentração e conversão Conversão química usando reagentes sólidos Conversão de nitrato e nitrito em coluna de Cd NO 3- NO 2 - C= solução transportadora (tampão borato ou NH 4OH/NH 4Cl, ph 9,5 R1 = solução ácida de sulfanilamida R2 = Cloridrato de N-(1-naftil) etilenodiamina (NED) NH 2 + N N + NO 2 - O S O O S O NH 2 NH 2 Azo-composto pink monitorado em 540nm 6

7 EXTRAÇÃO COM SOLVENTE EM FLUXO EXTRAÇÃO COM SOLVENTE EM FLUXO A amostra (S) é injetada em fluxo de solução transportadora aquosa (AQ), que em um ponto de confluência (a) recebe a fase orgânica () na qual é imiscível. Ocorre a segmentação entre as fases aquosa e orgânica e a extração ocorre em um bobina de extração feita em Teflon (b). Em um separador de fases (c) a parte aquosa é descartada (W) e a fase orgânica é enviada ao detector (FC). O método é aplicável na determinação de hormônios, fármacos e inúmeros compostos orgânicos hidrofóbicos. Especialmente útil para a extração e concentração de metais (na forma de complexos hidrofóbicos) e posterior determinação por absorção atômica de chama. Minimiza exposição a solventes e consumo de reagentes, assim como a geração de resíduos tóxicos. B. Karlberg & S.Thelander, Anal. Chim. Acta 98, 1 (1978) L. Nord & B. Karlberg, Anal. Chim. Acta, 164, 233 (1984) Cristina I.C. Silvestre, João L.M. Santos, José L.F.C. Lima, Elias A.G. Zagatto; Liquid liquid extraction in flow analysis: A critical review. Analytica Chimica Acta 652 (2009) EXTRAÇÃO COM SOLVENTE EM FLUXO A fase orgânica forma um filme na parede interna do tubo de Teflon, pois este material é hidrofóbico. Quando a fase aquosa passa pelo tubo de Teflon, os componentes hidrofóbicos vão sendo extraídos para o filme orgânico. EXTRAÇÃO COM SOLVENTE EM FLUXO Variação da concentração do analito hidrofóbico em um ponto fixo da bobina de extração. Note que conforme o segmento aquoso (A, B e C) passa pelo filme no campo de observação, ocorre um aumento da concentração no filme. Quando passa o segmento orgânico a concentração cai por efeito de diluição: α = analito acumulado do segmento A; β = analito acumulado do segmento B. EXTRAÇÃO COM SOLVENTE EM FLUXO Segmentador e Separador de Fases Cristina I.C. Silvestre, João L.M. Santos, José L.F.C. Lima, Elias A.G. Zagatto; Liquid liquid extraction in flow analysis: A critical review. Analytica Chimica Acta 652 (2009) Aq A escolha dos materiais é crítica. A fase aquosa adere em superfície de vidro ou aço inox, enquanto a fase orgânica adere ao Teflon. No segmentador a fase orgânica entra no sistema através de um tubo de inox, aderindo em seguida ao tubo de Teflon (1), enquanto a fase aquosa entra por capilar de vidro. No separador de fases, uma tira fina de Teflon (3) é usada para direcionar a fase orgânica através de um T de vidro para o detector, enquanto a fase aquosa é descartada. No separador de fases por membrana, uma membrana de Teflon permite que apenas a fase orgânica penetre pelos poros hidrofóbicos, direcionando esta fase para o detector enquanto a fase aquosa é descartada 7

8 RESUMO Diferentes abordagens para aumentar o tempo de residência sem aumentar a dispersão da amostra: parada de fluxo, aprisionamento de zonas, análise em fluxo monossegmentado Técnicas que exploram o gradiente de concentração: diluição por re-amostragem, titulações Técnicas e dispositivos para troca de matriz e pré-concentração: Difusão gasosa Extração em fase sólida Extração líquido-líquido. 8