AAS Princípios e Instrumentação

Roteiro AAS Princípios e Instrumentação Princípios de AAS Métodos de Atomização Instrumentação Aplicação na Indústria de Petróleo Fabiano Kauer Customer Support Center Shimadzu Brasil Aplicação em Análise Ambiental 2 Espectrofotometria Espectrofotometria Estudo da interação da radiação eletromagnética com a matéria Moléculas, átomos e íons absorvem energia, de diferentes formas e comprimento de onda, em regiões específicas do espectro eletromagnético. Magnitude da interação em função da energia da radiação Existem inúmeros comprimentos de onda de radiação no espectro eletromagnético e o estudo de cada região do espectro pode oferecer informações únicas a respeito da λ ou ν versus interação estrutura, composição ou até mesmo configuração eletrônica da molécula. 3 4 1

Espectro Eletromagnético Comprimento de onda λ Energia Número de onda ν Freqüência ν R-γ R-X UV Vis IV MO RF 5 6 O que é Absorção Atômica? Espectrometria de Absorção Atômica Nome da Técnica? Espectrometria de Absorção Atômica Abreviado para EAA ou AAS (Atomic Absorption Spectrometry) Equipamento? Técnica universal de análise química instrumental para detecção quantitativa e determinação Espectro(fotô)metro de Absorção Atômica O que o equipamento faz? qualitativa de metais e semi metais, através da Determina a concentração de elementos existentes em solução. Sólidos são pré-processados para solução. absorção de radiação eletromagnética por átomos Quais os princípios? Sob alta temperatura, elementos são transformados em nível atômico. Átomos de cada elemento absorvem radiação em comprimentos de onda específicos, e esta absorção é dependente da concentração dos mesmos. 7 livres no estado gasoso. 8 2

Propriedades da Matéria Absorção Transição Emissão Absorção Emissão espectrometria de absorção espectrometria de emissão energia estado excitado E 1 energia estado excitado e - E 1 Radiação de baixa energia: Transição vibracional: Infravermelho médio Transição rotacional: Infravermelho distante Radiação de alta energia: Transição eletrônica: Espectrometria de UV-visível Espectrometria de Absorção Atômica 9 e - radiação estado fundamental E 0 = estado fundamental E 1 = estado excitado E = E 1 E 0 = hν ν = c/ λ Logo: E = hc/ λ E 0 estado fundamental h = constante de Planck = 6,6 x 10-34 J.s ν = freqüência λ = comprimento de onda c = velocidade da luz = 2,998 x 10 8 m.s -1 E 0 radiação 10 Espectrofotometria região raio-γ raio-x UV-Vis IV microondas rádio propriedade transição nuclear transição eletrônica interna transição eletrônica externa vibração molecular rotação molecular precessão nuclear tipo de interação fase da amostra espécies da amostra absorção emissão sólido átomo absorção emissão fluorescência sólido líquido átomo absorção emissão fluorescência sólido líquido gás átomo molécula íon absorção sólido líquido gás molécula absorção gás molécula absorção líquido molécula Li Na K Rb M(g) M(g)* M(g)* M(g) + hν A cor emitida por um átomo depende de como seus elétrons estão distribuídos. 11 12 AAS 3

AAS Princípios Básicos Equação de Boltzmann Princípios básicos que tornam possíveis a espectrometria de absorção atômica: Todos os átomos absorvem luz; Relaciona o número de átomos no estado fundamental e no estado excitado: N1 / N0 = ( g1 / g0) e E / kt O comprimento de onda no qual a luz é absorvida, é específico para cada elemento (na maioria das vezes); A quantidade de luz absorvida é proporcional à concentração de átomos absorvendo no percurso ótico. Onde: N 1 = número de átomos no estado excitado N 0 = número de átomos no estado fundamental g 1 /g 0 = razão dos pesos estatísticos E = energia de excitação k = constante de Boltzmann T = temperatura em Kelvin 13 14 Equação de Boltzmann Absorbância em AAS Valores da relação N 1 /N 0 para alguns elementos. N 1 /N 0 Elemento λ (nm) 2000 K 3000 K 4000 K Cs 852,1 4 x 10-4 7 x 10-3 3 x 10-2 Na 589,0 1 x 10-5 6 x 10-4 4 x 10-3 Os átomos em seu estado fundamental, gerados por uma ou outra forma de atomização, contidos em seu volume de observação, estão orientados com um fonte de radiação eletromagnética monocromática, na região do ultravioleta-visível. A interação com esta radiação propicia uma transição eletrônica, fazendo com que os elétrons passem de seu estado fundamental ao excitado. Ca Zn 422,7 213,8 1 x 10-10 7 x 10-19 4 x 10-5 6 x 10-10 6 x 10-4 1 x 10-7 A diferença de intensidade de radiação antes e após a passagem desta através da nuvem atômica é determinada em absorbância. 15 16 4

Absorção e Emissão para Na Espectro de Linhas absorção 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 + hν 1s 2 2s 2 2p 6 3p 1 1 3p 1/2 3s 1 3p1 3/2 Em teoria, a emissão ou absorção atômica resultante, apresentam-se em forma de linhas. Entretanto, mesmo utilizando-se um sistema ótico de grande resolução, observa-se que esta linha tende a uma pequena dispersão de freqüência (alargamento natural) (L H/2 = 10-12 cm), resultante do pequeno tempo de meia vida (~10-8 s). emissão 1s 2 2s 2 2p 6 3p 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 + hν 1 3p 1/2 589,59 nm 3s 1 3p1 3/2 589,00 nm linhas de sódio na região visível intensidade L h ν L h/2 ν 0 freqüência Adaptado de B. Welz and M. Sperling. Atomic. Absorption Spectrometry. Wiley-VCH, 1999. 17 18 Exemplos de Linhas Utilizadas em AAS Elementos que podem ser medidos por AAS elemento λ (nm) Al 309,3 As 193,7 Cd 228,8 Cr 357,9 Cu 324,7 Fe 248,3 Hg 253,7 Mg 285,2 Ni 232,0 Pb 217,0 Zn 213,9 19 H 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 Li 1 3 11 Na K 19 37 Rb 55 Cs 87 Fr 4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 21 Sc Y 57 La 89 Ac 39 57-71 La 89-103 Ac 58 Ce 90 Th 22 Ti 40 Zr 72 Hf V 59 Pr 91 Pa 23 41 Nb 73 Ta 60 Nd U 24 Cr 42 Mo 74 W 92 61 Pm 93 Np 25 Mn 43 Tc 75 Re 62 Sm 94 Pu 26 Fe 44 Ru 76 Os 27 Co 45 Rh Ir 63 Eu 95 Am 77 64 Gd 96 Cm 28 Ni 46 Pd 78 Pt 65 Tb 97 Bk 29 Cu 47 Ag 79 Au 66 Dy 98 Cf 30 Zn 48 Cd 80 Hg B 67 Ho 99 Es 5 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl C 68 Er 100 Fm 6 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb N P 69 Tm 101 Md 7 15 33 As 51 Sb 83 Bi O S 70 Yb 102 No 8 16 34 Se 52 Te 84 Po F 9 17 Cl 35 Br I 71 Lu 103 Lw 53 85 At 2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn 20 5

Espectrofotometria de Absorção Atômica Tipos de AAS M + hν M* Dois métodos de atomização usuais: átomo gasoso no estado fundamental requer sistema de atomização átomo gasoso no estado excitado radiação eletromagnética específica requer fonte de radiação específica Atomização por Chama (FAAS) (Flame Atomic Absorption Spectroscopy) Atomização por Forno de grafite (GFAAS) (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy) 21 22 Processos no Atomizador Processos no Atomizador Dessolvatação Dissociação Retirada do solvente de amostra, em função de P.E. Fusão Para muitos elementos e moléculas, a energia fornecida pelo atomizador não se apresenta suficiente para uma dissociação completa. Mudança de estado do(s) elemento(s) em solução. Ionização Vaporização Processo essencial para obtenção da nuvem gasosa de elementos atomizados a serem analisados. Para outros elementos, a quantidade de energia pode ser ainda suficiente para que elétrons sejam arrancados da camada de valência, gerando não mais átomos em seu estado fundamental, mas íons. 23 24 6

Atomização por Chama - FAAS Introdução da amostra via nebulizador. Atomização ocorre no queimador. Queimador orientado com o feixe de radiação. Amostra passa do estado fundamental ao primeiro estado de excitação. Absorção de energia radiante proporcional à Lei de Beer-Lambert (quantificação) M +* M * MO* MOH * excitação emissão (linhas) T hν M + + e - ionização Vias de Atomização em FAAS ar ou N 2 O gás/gás liq/gás sol/gás nebulização M + A MA g MA l MA s M + A - dissociação vaporização fusão dessolvatação excitação condensação emissão (bandas) MO MOH recombinação C 2 H 2 chama câmara de mistura 25 amostra dreno 26 FAAS Estrutura do Queimador Nebulizador - Atomizador queimador O-ring câmara dispersor O-ring placa fixa nebulizador dreno amostra Nebulizador ar solução de amostra Na atomização por chama, a solução de análise é aspirada até o nebulizador, através de efeito Venturi e então introduzida na câmara de nebulização juntamente com os gases combustíveis e oxidante, que carregam a amostra diretamente ao queimador. O sinal analítico obtido é de grande estabilidade, propiciando elevada repetibilidade. radiação queimador chama câmara de atomização dreno átomos gás oxidante nebulizador amostra gás combustível 27 28 7

Sinal Analítico em FAAS Tipos de Chama Absorbância sinal analítico estável Diferentes misturas de gases combustíveis e agentes oxidantes podem ser utilizadas. Diferentes misturas geram diferentes temperaturas de queima, o que influencia no processo de atomização da amostra. Amostras refratárias necessitam de maiores temperaturas para serem atomizadas. tempo Misturas de gases de alta temperatura de combustão requerem queimadores especiais. 29 30 Tipos de Chama Tipos de Chama Combustível gás natural gás natural hidrogênio Oxidante ar oxigênio ar Temperatura ( C) 1700-1900 2700-2800 2000-2100 Velocidade de queima (cm s -1 ) 43 390 440 Tipos de chama: Ar/C 2 H 2 temperatura 2300ºC queimador normal (comprimento 10 cm) hidrogênio oxigênio 2550-2700 1400 C 2 H 2 + 3/2 O 2 2 CO + H 2 O acetileno ar 2100-2250 266 Limitações acetileno acetileno oxigênio óxido nitroso 3050-3150 2600-2700 2480 160 absorção na região do UV (230 nm) baixa temperatura 31 32 8

Tipos de Chama Elementos e Chamas Utilizadas Tipos de chama: N 2 O/C 2 H 2 temperatura 2800ºC queimador HT (comprimento 5 cm) C 2 H 2 + 3 N 2 O 2 CO + 3 N 2 + H 2 O Limitações aumenta a ionização de alguns elementos emissão intensa 33 34 Estrutura da Chama Estrutura da Chama ABS Região de Combustão Primária pouca estabilidade térmica Região de Combustão Secundária formação de óxidos dos elementos atomizados Região Interzonal Mg maior estabilidade térmica e átomos livres Cr altura Ag região interzonal zona de combustão primária zona de combustão secundária mistura combustível-oxidante 35 Qual a importância de se conhecer a estrutura da chama? Diferentes temperaturas fornecem diferentes taxas de atomização. Para determinações quantitativas é importante ajustar a altura do feixe radiante em condições constantes e otimizadas. Distância acima do orifício (cm) Ponta de queima 36 9

Processos na Chama Composição da Chama I o dissociação M + O I Chama Estequiométrica temperatura 2300ºC MY G MY L vaporização h obs Chama Oxidante C 2 H 2 + 3/2 O 2 2 CO + H 2 O fusão temperatura 2300ºC MY S dessolvatação Indicada para elementos voláteis e que têm óxidos como principais precursores atômicos (Ag, Au, Zn...) ar M + ânion C 2 H 2 C 2 H 2 + 5/2 O 2 2 CO 2 + H 2 O 37 38 Composição da Chama Temperatura vs. Composição Chama Estequiométrica temperatura 2300ºC Chama Redutora temperatura 2300ºC C 2 H 2 + 3/2 O 2 2 CO + H 2 O Indicada para elementos formadores de óxidos refratários (Be,Mg, Ca, Sr, Ba, Mo, Cr, Sn...) Limitações alta emissão C 2 H 2 + O 2 C + CO + H 2 O absorção molecular (espécies de carbono não queimadas) 39 chama redutora 2200 ºC 2100 ºC altura de observação (mm) chama estequiométrica 40 2300 ºC 35 30 25 20 15 10 2200 ºC 5 0 8 6 4 2 0 2 4 6 8 8 6 4 2 0 2 4 6 8 largura do queimador (mm) B. Welz and M. Sperling. Atomic. Absorption Spectrometry. Wiley-VCH, 1999. 40 10

Vantagens de FAAS Desvantagens de FAAS Sem efeito memória, diminuindo tempo entre análises. Grande volume de amostra (3-5 ml). Operação segura, minimizando riscos de explosão. Pouco ruído, através de utilização de fonte de radiação específica. Sistema de queima durável e de baixo custo. Possibilidade de diferentes temperaturas de queima. Menos de 10% da amostra aspirada é utilizada (gotículas menores que 5 µm de diâmetro). Impossibilidade de utilização em amostras sólidas ou de viscosidade elevada. Baixa precisão quando utilizada para elementos que absorvem em λ próximos aos do ruído de fundo da chama. Análise rápida e de razoável sensibilidade. Utiliza gases combustíveis e oxidantes sob pressão. Repetibilidade e precisão de análise. Difícil análise de matrizes complexas. 41 42 Atomização por Forno de Grafite GFAAS Forno de Grafite Atomização eletrotérmica, gerando uma nuvem atômica mais concentrada e, por conseguinte, de maior sensibilidade. Tubo de grafite em um sistema de elevada corrente elétrica, capaz de aquecê-lo, sob atmosfera inerte. Forno de grafite orientado com o feixe de radiação. suporte do forno de grafite bloco de resfriamento suporte da placa da janela placa da janela orifício de inserção suporte do tubo tubo de grafite eixo ótico Amostra passa do estado fundamental ao seu primeiro estado de excitação. eixo ótico Átomos absorvem energia proveniente da radiação eletromagnética, resultando em uma diferença de intensidade do feixe radiante. 43 braço de injeção mola parafuso de fixação 44 11

GFAAS Forno de Grafite Tubos de Grafite temperatura remoção de solvente, ácido ou azeótropo atomização vaporização e atomização do analito limpeza eliminação de todo resíduo do analito Tubo de grafite de alta densidade: utilizado para elementos que possuem baixa temperatura de atomização como Cd, Na, Pb, Zn, K, Mg... Tubo de grafite revestido: para elementos refratários que reagem com carbono como Ni, Ca, Ti, Si, V, As, Cu, Mo, Mn... pirólise secagem T p T a separação entre componentes da matriz e analito tempo 45 Tubo de grafite com plataforma de L vov: para amostras contendo matrizes complexas. Ideal para análises de resíduos industriais e monitoração ambiental. 46 Controle de Temperatura Temperatura de Pirólise Controle fototérmico é utilizado para executar tarefa de calibração de temperatura, no modo automático. Alterações graduais na resistência do tubo de grafite são monitoradas por um fotosensor e automaticamente corrigidos. Fluxo térmico é automaticamente ajustado utilizando controle de controle de temperatura digital. Aumento da vida útil do tubo de grafite. Sensor fototérmico 47 Parte do programa de aquecimento da amostra, propicia a separação entre matriz e analito, eliminado possíveis interferentes. Deve ser seletiva, evitando a evaporação ou perda de analito. Compostos refratários (óxidos, carbetos) não são eliminados. Etapa realizada com fluxo de gases (para arraste eficiente da matriz evaporada). Requer otimização para evitar perda de analito. 48 12

Elementos Refratários Temperatura de Atomização Considera-se elementos refratários aquelas que possuem ponto de ebulição acima de 2700 o C ou que formem óxidos ou carbetos de elevado ponto de fusão, usualmente acima de 3000 o C. Para estes tipos de elementos (Ni, Ca, Ti, Si, V, As, Cu, Mo, Mn, W...), que reagem facilmente com C, existem tubos de grafite especiais. Tubos da grafite tipo pyrocoated são feitos de grafite de alta pureza espectral, de alta densidade, e revestidos com uma fina camada de grafite extremamente puro, piroliticamente depositada. Estes tubos têm uma superfície extremamente uniforme e densa, impenetrável à amostra, vapores ou mesmo solventes. Além disso, a baixa disponibilidade de C na superfície de contato do tubo reduz a formação de Parte do programa de aquecimento da amostra, responsável pela geração do analito no estado gasoso fundamental. Fluxo de gases interrompido (para aumentar o tempo de residência do analito no volume de observação). Tempo de residência da amostra aproximadamente de 100 ms. Requer otimização, para completa atomização dos analitos residuais. carbetos derivados. 49 50 Temperaturas de Pirólise e Atomização Condições STPF - GFAAS A B Condições ideais para garantir uma boa performance de análise: absorbância integrada Tubo de grafite com plataforma de L vov. Alta taxa de aquecimento (1500-2000 ºC s -1 ). Etapa de atomização sem utilização de gás. Medida de absorbância integrada. temperatura T 1 T 3 T 2 T 4 Instrumental de leitura rápida, para registro de sinal livre de distorções. T 1 : melhor temperatura de pirólise T 2 : perda total de analito na pirólise T 3 : sem formação de átomos T 4 : melhor temperatura de atomização Utilização de modificador químico. Utilização de correção de BG. STPF: Stabilized Temperature Platform Furnace W. Slavin et al. At. Spectrosc. 2/5, 137, 1981. 51 52 13

Vantagens de GFAAS Desvantagens de GFAAS Maior tempo de residência dos analitos no volume de observação: aumento da sensibilidade. Baixa freqüência analítica: tempo de análise de 3 Pequena quantidade de amostra. a 5 minutos por amostra. Transporte de amostra com eficiência máxima. Deterioração do tubo de grafite: 500-600 análises. Baixo consumo de soluções analíticas. Intervalo linear de análise. Permite análise de sólidos diretamente. Possibilidade de tratamento térmico da amostra. durante as etapas de secagem e pirólise. Baixa repetibilidade e reprodutibilidade se comparada a FAAS. 53 54 Fatores de Sensibilidade em AAS FAAS versus GFAAS Volume de observação FAAS: proporcional a vazão de gases, nuvem atômica diluída. GFAAS: restrito ao tubo de grafite, nuvem concentrada. Princípio de atomização FAAS aquecimento de chama GFAAS aquecimento por corrente elétrica Eficiência de transporte FAAS: gotículas menores que 5 µm dia (>10 % de amostra). GFAAS: amostra inserida diretamente no tubo de grafite (~100%). % de utilização da amostra Quantidade de amostra Sensibilidade Reprodutibilidade aproximadamente 10% aproximadamente 1mL baixa (ppm) 1,0% ou menos 90-100% 5-50 μl alta (ppb) 2-5% Tempo de residência FAAS: muito pequeno ~ 1ms. Menor quantidade de átomos no caminho ótico. GFAAS: sem gás de purga, átomos permanecem mais tempo confinados no caminho ótico (~100 ms). Sensibilidade Tempo de análise pequena curto (10-30 segundo/amostra) grande longo (3-5 minutos/amostra) 55 56 14

Atomizações Alternativas Técnicas Especiais de Atomização Vapor Frio (CVAAS) Geração de Vapor de Hidreto (HGAAS) Atomização por Técnica de Vapor Frio Utilizado para determinação de Hg. Apenas Hg, dentre os metais, possui considerável pressão de vapor a temperatura ambiente (maior que 0,0016 mbar a 20 ºC, aproximadamente 14 mg/m 3 Hg em forma atômica). Análise de elevada sensibilidade (ppb). Fácil amostragem e utilização. Sistema automático de geração. 57 58 Atomização por Técnica de Vapor Frio Atomização por Técnica de Vapor Frio HNO 3 + H 2 SO 4 + Hg 0 Hg 2+ medidor de fluxo cela gasosa de fluxo contínuo Hg 2+ + SnCl 2 Hg elementar válvula de segurança 1 2 frasco de reação 1 2 Limitações: Contaminação Detecção a 253,7 nm Interferências químicas e espectrais Sem especiação válvula de saída bomba saída de exaustão 3 4 agitador magnético frasco de coleta de Hg 3 4 válvula de admissão tubo secante 59 60 15

Vaporizador de Mercúrio MVU Gerador de Vapor de Hidreto Detecção de metais em forma de hidreto de baixo PE. Utilizado para As, Bi, Se, Sb, Sn, Te e Hg. Cd, Ge, Pd e Tl também podem eventualmente analisados por este método. Análise de analitos em baixa concentração. Em condições normais, apenas o analito forma espécie volátil, ou seja, evita-se efeito de interferência de matriz. Apenas fase gasosa é analisada, proporcionando um sistema de introdução de amostra mais eficiente, com aumento de sensibilidade. 61 Melhora dos limites de detecção. 62 Gerador de Vapor de Hidreto Gerador de Vapor de Hidreto Dividido em 3 etapas: Vantagens 1. Geração da espécie volátil Reação rápida e completa, sem perda de analito. 2. Transporte da espécie volátil Grande eficiência de transporte do hidreto formado. 3. Atomização. NaBH - 4 + HCl +. 3H 2 O H 3 BO 3 + 8H + NaCl As 3+ + 8H AsH + H 3 2 (excesso) PE: -62,5 C Facilita a separação do analito desejado. Aumento do limite de detecção (ppb). Permite especiação química. Pode ser automatizado. 63 64 16

Gerador de Vapor de Hidreto Gerador de Vapor de Hidreto Desvantagens Hidretos mais comuns Susceptibilidade a interferentes existentes na solução de leitura. Variações na cinética de reação de formação de hidreto. ph e concentrações podem ser problemas críticos para alguns elementos. Elemento As Bi Se Sb Sn Te Hidreto AsH 3 (arsina) BiH 3 (bismutina) H 2 Se (hidreto de selênio) SbH 3 (estibina) SnH 4 (estanano) H 2 Te (hidreto de telúrio) PE ( C) -62,5-22,0-41,3-18,4-51,8-2,3 Estados de oxidação 3 e 5 3 e 5 4 e 6 3 e 5 2 e 4 4 e 6 Podem ocorrer problemas inerentes a formação de hidretos de diferentes estados de oxidação. Ge Pb GeH 4 (germano) PbH 4 (plumbano) -88,5-13,0 2 e 4 2 e 4 65 66 Gerador de Vapor de Hidreto HVG: Condições de Análise bomba peristáltica amostra HCl misturador tubo de reação transporte direto coleta I o cela de absorção I T Concentrações de reagentes, padrões e amostras NaBH 4 : 0,4% NaBH 4 em água, com adição de NaOH HCl: 5M e 0,5M para Sn Amostras: 1 ~ 100 ppb, dependendo do elemento Fluxo de reagentes e amostras NaBH 4 : 0 ~ 2,5 ml min- 1, variável. Típico: 1 ml min -1 NaBH 4 HCl: 0 ~ 2,5 ml min- 1, variável. Típico: 1 ml min -1 gás carreador válvulas separador gás/líquido dreno queimador Amostras: 0 ~ 7 ml min- 1, variável. Típico: 6 ~ 7 ml min -1 Pressão de gás de arraste: argônio, 0,32 MPa, 70 ml min -1 Concentrações típicas de análise: regulador de pressão 67 As, Bi, Sb, Te Hg 5~20 ppb 20~80 ppb Se Sn 10~40 ppb 30~90 ppb 68 17

Gerador de Vapor de Hidreto HVG-1 Aquecedor Eletrônico SARF-16C 69 70 AAS Quantificação AAS Quantificação Diferentes elementos absorvem energia em comprimentos de onda característicos, com absorbância A, proporcional à concentração atômica, segundo a lei de Beer-Lambert: I 0 vapor atomizado I A = ε b c, onde ε é a absortividade característica da espécie (para um dado comprimento de onda), c representa a concentração da espécie absorvente e b o percurso ou caminho ótico, o qual, no caso concreto da absorção atômica por chama, corresponde à comprimento da chama no queimador. 71 Lei de Beer-Lambert I = I 0 e -ε b c T = (I/I o ) x 100% A = log (I o /I) = ε b c onde: T = transmitância A = absorbância k = absortividade molar b absorbância Abs = m. concentração + K 0 concentração (ppm) 72 18

Pré-requisitos para Lei de Beer-Lambert Limites de Detecção Típicos Todas as espécies absorventes devem ter a mesma secção transversal de absorção. Baixa concentração da espécie absorvente, evitando diminuição da secção de observação por efeitos de interação atômica. Espécies absorventes homogeneamente distribuídas no volume de absorção. Radiação absolutamente monocromática e homogênea, para permitir que cada fóton de energia radiante tenha a mesma probabilidade de atingir a espécie absorvente. Efeitos de atenuação da radiação eletromagnética (dispersão, reflexão) devem ser minimizados. ICP-MS GFAAS HGAAS CVAAS ICP-OES FAAS FAES 1 ppt 1 ppb 1 ppm 0,1 % 100 % 73 74 Tipos de Amostras Metais (ferrosos e não-ferrosos) Óleos, resinas, cerâmicas Organismos vivos, fármacos Produtos alimentícios Meio-ambiente (água potável, resíduos aquosos, solo...) Análise de metais em amostras variadas Pré-tratamento obrigatório para amostras sólidas água potável água de tratamento esgotos sedimentos suspensões catalisadores óleo petróleo polímeros produtos sintéticos metais semicondutores vidros cerâmicas alimentos fármacos sangue organismos biológicos plantas 75 76 19

Espectrômetro Configuração Básica Combinação de todas as partes óticas e mecânicas necessárias a geração, condução, dispersão, isolamento e detecção da energia radiante. Qualidade do equipamento determinada pela relação sinal/ruído (S/N), que é dependente da condução da energia radiante. chopper detector feixe de referência lâmpada de D 2 Faixa de utilização de equipamento depende da fonte de radiação, componentes óticos utilizados e detector. feixe simples queimador lâmpada cátodo oco 77 78 Instrumentação Fontes de Radiação Fontes de radiação Atomizador Monocromador Detector Processador A largura da linha de comprimento de onda definido onde ocorre absorção atômica é de no máximo 0,01 nm, e obter esta resolução de comprimento de onda apenas no espectrômetro é um tanto difícil, porém possível para sistemas de mais alta resolução. Uma fonte de radiação de alto grau de pureza de comprimento de onda é necessária (Fonte contínua de radiação como lâmpada de deutério ou mesmo filamento de tungstênio não podem ser utilizadas). Em AAS, lâmpadas especiais, capazes de emitir fortemente em comprimentos de onda onde os elementos a serem determinados podem absorver radiação, são utilizadas como fonte de radiação. 79 80 20

Fontes de Radiação Lâmpada de Cátodo Oco Dispositivos responsáveis pela geração do espectro de emissão do elemento que se deseja analisar, podendo ser específicas (linhas), contínuas ou reguláveis. Ânodo de tungstênio e cátodo oco selados em um tubo de vidro sob atmosfera inerte (Ne, Ar) a baixa pressão. Cátodo composto por elemento metálico específico ou um filme de revestimento do metal. Lâmpada de cátodo oco (HCL, Hallow Cathode Lamp) Lâmpada de descarga sem eletrodos (EDL, Electrodeless Discharge Lamp) Lâmpada de xenônio de alta intensidade Lasers 81 Gás inerte é ionizado com aplicação de voltagem, gerando corrente elétrica que migra entre os pólos positivos e negativos. Os cátions dos gases são capazes de excitar elétrons do metal, e quando retornam ao estado fundamental, emitem radiação em comprimentos de onda específicos. Ocorre deposição do metal na parede da lâmpada, ou mesmo retorno ao cátodo. Vida útil limitada pelo término do metal no cátodo. Multi ou mono-elementar. 82 Lâmpada de Cátodo Oco Lâmpada de Cátodo Oco cátodo: cilindro oco, revestido por um filme metálico especifico janela transparente: quartzo: λ < 300 nm borossilicato: λ > 300 nm 1ª etapa: Ionização Ne Ne + + e - 2ª etapa: Ablação (Sputtering) M s + E cin Ne + M g - e - - M E M cin Ne + s NeE + e - cin Ne + M g * M g M g hν + + ânodo: filamento de tungstênio ou zircônio atmosfera inerte de baixa pressão, de neônio ou argônio 3ª etapa: Excitação M g + E cin Ne + M g * 4ª etapa: Emissão M g* M g + hν 83 84 21

Quando a largura da linha de emissão é mais estreita que a da linha de absorção: Quando a largura da linha de emissão é mais larga que a da linha de absorção: I 0 I a I T Representação esquemática da largura de linha de emissão da lâmpada (I 0 ) e de absorção na amostra (I a ) quando I 0 é mais estreito que I a. A pureza de comprimento de onda da fonte de radiação é alta, assim apenas uma linha de emissão contribui para absorção, aumentando sensibilidade e linearidade. Representação esquemática da largura de linha de emissão da lâmpada (I 0 ) e de absorção na amostra (I a ) quando I 0 é mais largo que I a. A pureza de comprimento de onda da fonte de radiação é baixa, assim várias linhas de emissão que não contribuem para a absorção atômica são incluídas, diminuindo sensibilidade e linearidade. 85 86 Radiação vs. Corrente Lâmpada de Descarga Sem Eletrodos Absorção Corrente (ma) Sensibilidade vs. Intensidade de corrente da lâmpada de catodo oco. O valor usual utilizado para corrente da lâmpada de catodo oco é de 10 ma. Apesar de um aumento da corrente e o conseqüente aumento de intensidade de radiação da lâmpada ocasionarem um aumento da estabilidade da linha de base, ocorre também um aumento da largura da linha de emissão (pureza da linha de emissão diminui), diminuindo sensibilidade e linearidade. Intensidade absorção atômica λ λ Copyright Shimadzu do Brasil 2008. Distribuição I=5 ma não permitida. I=15 ma sem contribuição para absorção 87 Tubo de quartzo selado sob atmosfera inerte contendo elemento metálico ou sal de metal. Gás inerte é ionizado por rádio freqüência ou microondas excitando elétrons do metal, que ao retornarem ao estado fundamental emitem radiação em comprimentos de onda específicos. Produz radiação mais intensa do que LCO. Menor utilização do que lâmpadas de LCO. Preço elevado e problemas associados com o tamanho da lâmpada, freqüência de RF e pressão do gás inerte. 88 22

Lâmpada de Xenônio Lasers Emite em comprimento de onda contínuo. Emitem em comprimento de onda específico. Instável em comprimentos de onda menores que 300 nm. Possibilidade de utilização de lâmpadas de pulso. Gera maior ruído de linha de base. Baixos limites de detecção. Necessita de um bom sistema ótico. Possibilidade de realização de análises simultâneas por AAS...??? Excelente propriedade espectroscópica. Instável em comprimentos de onda menores que 230 nm. Alto custo. Dificuldade de operação. Resultados freqüentemente não reprodutíveis. Lasers diodo apresentam possibilidade de utilização como fontes de radiação para AAS em um futuro próximo. 89 90 Atomizadores Temperaturas de Atomização Têm a função de converter íons ou moléculas em átomos no estado fundamental. Atomização por chama (FAAS Flame Atomic Absorption Spectroscopy) Atomização eletrotérmica (forno de grafite) (GFAAS Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy) Sistema de geração de hidretos (HGAAS Hydride Generator Atomic Absorption Spectroscopy) Sistema de geração de vapor frio (CVAAS Cold Vapor Atomic Absorption Spectroscopy) FAAS acetileno-ar: 2100-2250 ºC acetileno-óxido nitroso: 2600-2700 ºC GFAAS forno de grafite: 1500-2600 ºC descarga elétrica: 1500-3000 ºC HGAAS com chama: 900-1400 ºC com forno de grafite: 750-1100 ºC CVAAS a frio: temperatura ambiente, específico para Hg a quente: 800-1000 ºC, análise de sólidos 91 92 23

Intervalos de Concentrações Usuais Monocromador FAAS (volume de amostra: 0,5-1 ml) 0,01 2,00 mg L -1 Zn 5 500 mg L -1 Si GFAAS (volume de amostra 10-20 µl) 0,10 1,00 µg L 1 Cd 100 5000 µg L 1 B Em equipamentos utilizando fonte de radiação monocrática como lâmpada de cátodo oco, o monocromador tem a função única de separar a linha de análise de todas as outras emitidas pela fonte de radiação. HGAAS (volume de amostra: 1 ml) 0,50 10,0 µg L 1 As (como As 3+ ) 0,50 10,0 µg L 1 Se (como Se 4+ ) CVAAS (volume de amostra: 0,5-1 ml) Utiliza prisma ou grade de difração (ou ainda ambos) associada a duas fendas de seleção, posicionadas na entrada e saída do monocromador. a frio: 0,50 20,0 µg L 1 Hg 93 94 Monocromador Monocromador Czerny-Turner A resolução do equipamento é proveniente da fonte monocrática de radiação. Entretanto, a utilização de um bom aparato ótico diminui possíveis interferências espectrais resultantes da absorção radiação específica por outros elementos. espelho colimador Dois tipos de monocromadores são utilizados em AAS: fenda de saída Tipo Czerny-Turner Tipo Echelle 95 fenda de entrada grade de difração Monocromador tipo Czerny-Turner: fenda de saída seleciona a linha de interesse 96 24

Monocromador Echelle Largura da Fenda espelho grade Echelle detector prisma Cobre Ferro 324,7 248,3 327,4 248,8 fenda de entrada fonte de radiação espelho colimador Monocromador tipo Echelle: possui dois elementos espelho plano 0,5 nm 0,2 nm Variação da largura da fenda possibilita uma melhor escolha da raia de trabalho. Entretanto, quanto menor a largura da fenda de saída maior será a relação sinal/ruído observada. dispersivos Copyright Shimadzu em série do Brasil (grade 2008. de Distribuição difração não e permitida. prisma) 97 98 99 100 25

Largura da Fenda Sensibilidade vs. Tamanho da Fenda 231,10 nm 232,00 nm 422,67 nm 285,21 nm 0,8 largura de fenda de 0,2 nm Absorbância 0,6 0,4 largura de fenda de 0,7 nm 0,2 LCO de Ni LCO de Ca LCO de Mg 0 5 10 15 20 concentração de níquel (ppm) 101 102 Detector Detector Detectores tipo fotomultiplicadores convertem e amplificam fotocátodo eletrodo de focagem pinos de conexão energia radiante em sinal elétrico através da multiplicação de elétrons nos dinodos. direção da luz e - vácuo 10-4 Pa Elétron produzido no fotocátodo viaja até o anodo, passando por uma seqüência de dinodos. Dinodos: dispositivos fotoemissores, que amplificam o sinal elétrico. placa de entrada elétron secundário eletromultiplicadores (dinodo) ânodo Corte esquemático de válvula fotomultiplicadora sob ação de radiação eletromagnética (hν) 103 104 26

Detector Processador 105 106 Aplicações Aplicações Determinação de metais em óleo cru (ASTM D-5056-96) (ASTM D-5863 A/B) Fe, Ni, Na, V: Determinação em ppm, FAAS Preparação de amostra: diluição com solvente orgânico (usualmente mistura de 75-80% de tolueno ou xileno com 20-25% de etanol, para completa diluição de agregados de Na e também de asfaltos e resinas). Similaridade de matriz e compostos difícil, em função da grande quantidade de compostos organometálicos presentes Preparação de amostra: calcinação, diluição com solvente orgânico As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Pd, S, Sb, Se, Sn e Zn: Determinação em ppb, GFAAS HGAAS CVAAS 107 Determinação de metais em óleos lubrificantes (ASTM D-4628/D-4951) Metais resultantes de funcionamento de motores e máquinas Elementos mais comuns: Al, Cr, Fe, Pb e Ni Bloco digestor (H 2 SO 4 /HNO 3, 250 o C) ou microondas FAAS: ppm~ppb Determinação direta com solvente orgânico possível para ppm, usando xileno ou MIBC 108 27

Aplicações Aplicações Determinação de Chumbo em Gasolina (ASTM D- 3237) Resolução CONAMA 315/2002 (homologação de veículos movidos a gasolina automotiva) Resolução ANP 06/2005: valor máximo permitido: 0,005 g/l Determinação de chumbo em gasolina 2,5 to 25 mg/l Determinação direta com MIBC FAAS: ppm 109 Determinação e quantificação de metais em água de efluentes Resolução CONAMA 357/2005 FAAS: Ba, Cd, Pb, Cu, Sn, Fe, Mn, Ni, Zn HVG: As, Hg (MVU), Se GFAAS: As, B, Ag, Se Medição direta ou préconcentração Aplicáveis a sedimentos: digestão com HNO 3 para compoentes orgânicos Parâmetros Arsênio total Bário total Boro total Cádmio total Chumbo total Cobre dissolvido Cromo total Estanho total Ferro dissolvido Manganês dissolvido Mercúrio total Níquel total Prata total Selênio total Zinco total Valor Máximo 0,5 mg/l As 5,0 mg/l Ba 5,0 mg/l B 0,2 mg/l Cd 0,5 mg/l Pb 1,0 mg/l Cu 0,5 mg/l Cr 4,0 mg/l Sn 15,0 mg/l Fe 1,0 mg/l Mn 0,01 mg/l Hg 2,0 mg/l Ni 0,1 mg/l Ag 0,30 mg/l Se 5,0 mg/l Zn 110 Bibliografia para Consulta Atomic Absorption Spectrometry. B. Welz, M. Sperling, Wiley-VCH, Weinheim, 1999. AAS with Flames and Plasmas. J. Broekaert, Wiley-VCH, Weinheim, 2005. Obrigado pela atenção. Atomic Absorption Spectrochemical Analysis. B. L Vov, Adam Hilger, London, 1970. A Practical Guide to Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry. D. Butcher, J. Sneddon, John Wiley, New York, 1998. Electrothermal Atomization for Analytical Atomic Spectrometry. K. Jackson, John Wiley, Chichester, 1999. Fabiano Kauer kauer@shimadzu.com.br www.shimadzu.com.br 111 112 28

AA-6200 AA-6200 Duplo feixe Correção por método de lâmpada de D 2 Compartimento ótico selado Excelente estabilidade da linha de base Ótima relação sinal/ruído, com chopper rotatório Compacto Fácil operação Preço acessível 113 114 AA-6300 FAAS AA-6300 GFAAS 115 116 29

AA-6300 AA-6300: Estabilidade do Duplo Feixe Duplofeixe Torrete com 6 lâmpadas Forno de grafite de alta sensibilidade opcional Detecção do nível de uso do tubo de grafite Nebulizador de elevada sensibilidade Ferramentas de segurança: Ignição e extinção automática de chama Prevenção de fluxo contrário de chama Mecanismo de prevenção para queimador de alta temperatura. Monitor de nível de água de dreno Resultados obtidos para determinação de cobre; solução padrão de 2 ppm repetida 5 vezes e medidas em um intervalo de 1 hora. Desvio padrão de aproximadamente 0,5%, obtido de um total de 250 medidas. Absorbância (Abs) 0,4 0,2 0 00:00 00:08 00:15 00:23 00:30 00:38 00:45 00:53 01:00 tempo (h) 117 118 AA-6300 GFAAS µ-análise por chama (kit opcional) Facilidade de alteração de configuração entre modo chama e forno de grafite, sem necessidade de utilização de ferramentas. Retirada do queimador São necessários volumes de amostra de apenas 100 µl, nebulizados no queimador em apenas uma etapa. Espectro semelhante ao obtido via GFAAS. Posicionamento do forno Amostrador Posicionamento do queimador Válvula solenóide Retirada do forno 119 120 30

Limites de Detecção - GFAAS AA-6800 Elemento Ag Al As Au Ba Be Bi Ca Cd Co Cr Cu Fe K Limite de Detecção (ppb) 0,01 0,03 0,2 0,05 0,2 0,01 0,5 0,01 0,003 0,1 0,02 0,04 0,04 0,02 Elemento Mn Mo Na Ni Pb Pt Rh Sb Se Sn Te Ti V Zn Limite de Detecção (ppb) 0,01 0,2 0,006 0,13 0,06 0,3 0,1 0,2 0,2 2,0 0,7 0,1 0,2 0,01 O calor de σ da absorbância foi determinado por medidas sucessivas e repetidas do branco da solução. Os valores de absorbância repetidos inseridos no intervalo de σ são convertidos, utilizando curva de calibração padrão (volume Copyright de injeção Shimadzu de 20 do μl). Brasil 2008. Distribuição não permitida. 121 122 AA-6800 AA-6800 Monofeixe Torrete de 8 lâmpadas Forno de grafite de alta sensibilidade Detecção do nível de uso do tubo de grafite Troca automática entre forno de grafite e chama 2 métodos de correção de background: SR e D 2 Nebulizador de elevada sensibilidade Ferramentas de segurança: Controle automático de vazamentos Ignição e extinção automática de chama Prevenção de fluxo contrário de chama Mecanismo de prevenção para queimador de alta temperatura Monitor de nível de água de dreno Alta Produtividade: Amostrador automático: Determinação automática de mais de 20 elementos Adição de reagente Diluição automática Curva de calibração automática Otimização de análise por chama Determinação automática da melhor relação de gases Determinação automática da melhor altura do queimador Otimização de análise por forno de grafite Programação de temperatura de análise 123 124 31

AA-6800 - Dual Atomizer Comparação AAS Shimadzu Troca automática chama e forno eixo ótico FAAS Tipo de atomização Mudança de atomizador AA-6200 chama chama apenas AA-6300 chama/forno Manual AA-6800 chama/forno Automático Ótica Número de lâmpadas Faixa espectral Tamanho de fenda duplo feixe 2 190-900 nm 0,2 e 0,7 nm duplo feixe 6 185-900 nm 0,2 e 0,7 simples feixe 8 190-900 nm 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0 e 5,0 nm Ajuste de fluxo de gases manual Automático Automático GFAAS Ajuste da altura do queimador Detector do nível de dreno fixo não automático sim automático sim 125 126 32