ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL

ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL ESPECTROSCOPIA ATÔMICA 6 Ed. Cap. 10 268-294 6 Ed. Cap. 6 Pg.209-219 6 Ed. Cap. 28 796-829 6 Ed. Cap. 21 Pg.483-501 2 1

Espectrometria Molecular Atômica Faixa do espectro: 190 800 nm Moléculas absorvem a radiação Espectro em forma de banda Ex: colorimetria, espectrofotometria Faixa do espectro: 190 800 nm Átomos absorvem a radiação Espectro em forma de raias Ex: absorção atômica, emissão atômica 3 Absorção Molecular: espectro de bandas Nível de energia eletrônico Nível de energia vibracional Nível de energia rotacional l 4 2

Absorção Atômica: espectro de raias Nível de energia eletrônico Nível de energia vibracional Nível de energia rotacional l 5 Princípios de Kirchoff Um elemento no estado fundamental é capaz de absorver radiação no mesmo l que ele emite quando excitado l E * E * l E * E 0 E 0 E 0 Absorção atômica Emissão atômica 6 3

Principais Técnicas Atômicas Espectrometria de Absorção Atômica (AAS) I 0 I T Fonte de radiação Atomizador Monocromador Detector Espectrometria de Emissão Atômica (AES) I E Atomizador Monocromador Detector 7 Espectrometria de Fluorescência Atômica (AFS) Fonte de radiação I F Atomizador Monocromador Detector 8 4

PRINCIPIOS BÁSICOS Os métodos espectroscópicos atômicos são empregados na determinação qualitativa e quantitativa de mais de 70 elementos. Tipicamente, esses métodos podem detectar quantidades de partes por milhão a partes por bilhão e, em alguns casos, concentrações ainda menores. Os métodos espectroscópicos são, além disso, rápidos, convenientes e geralmente de alta seletividade. A determinação de espécies atômicas somente é feita em meio gasoso no qual os átomos individuais se encontram muito bem separados uns dos outros. 9 Etapa determinante A primeira etapa de todos os procedimentos de espectroscopia atômica é a atomização, um processo no qual a amostra é volatilizada e decomposta de forma a produzir uma fase gasosa de átomos e íons. A eficiência e a reprodutibilidade da etapa de atomização pode ter grande influência na sensibilidade, precisão e exatidão do método. Em resumo, a atomização é uma etapa crítica em espectroscopia atômica. 10 5

Esquema de equipamento de emissão atômica A figura acima indica a configuração para a espectroscopia de emissão. Aqui, uma fonte de energia térmica, como uma chama ou plasma, produz um vapor do analito que emite uma radiação isolada pelo seletor de comprimento de onda e convertida a um sinal elétrico pelo detector. 11 Um plasma é um gás quente e parcialmente ionizado, que contém uma concentração relativamente alta de elétrons e íons. 12 6

Fontes de Plasma Uso de atomizadores de plasma 1970 Plasma é uma mistura gasosa condutiva contendo uma concentração significativa de cátions e elétrons. Em espectroscopia atômica utiliza se o plasma de argônio e as espécies condutoras principais são os íons argônio. A temperatura obtida pela ionização do argônio é sustenta o plasma indefinidamente; temperaturas tão altas como 10.000 K são obtidas. Três fontes de potência têm sido empregadas em espectroscopia com plasma de argônio. Fonte de arco elétrico cc capaz de sustentar uma corrente de vários ampères entre eletrodos imersos no plasma de argônio. A segunda e terceira são os geradores de radiofreqüência e de freqüência de microondas pelos quais flui o argônio. Das três, a fonte de radiofreqüência, ou plasma acoplado indutivamente (ICP, do inglês inductively coupled plasma), oferece as maiores vantagens em termos de sensibilidade e menor efeito de interferências. 13 Plasma de ICP - Três tubos concêntricos de quartzo - Vazão total entre 11 e 17 L/min. - Diâmetro do tubo mais largo é em torno de 2,5 cm. - Bobina de indução (I) é refrigerada com água e alimentada por um gerador de radiofreqüência capaz de produzir cerca de 2 kw de energia a 27 MHz ou 40 MHz. - A ionização da corrente de argônio é iniciada por uma centelha produzida por uma bobina de Tesla. - Os íons resultantes e seus elétrons associados interagem com o campo magnético oscilante ( H). - Os elétrons no interior da bobina fluem em caminhos anelares fechados mostrados na figura; o aquecimento ôhmico é conseqüência da sua resistência a este movimento. - A temperatura de um ICP é tão alta que este precisa ser isolado termicamente do cilindro de quartzo, via fluxo de argônio tangencial às paredes do tubo. 14 7

Geometrias de observação de fontes de ICP Geometria radial empregada em espectrômetros de emissão atômica de ICP A geometria radial fornece melhor estabilidade e precisão, enquanto a geometria axial é usada para se obter limites de detecção mais baixos. Geometria axial utilizada em espectrômetros de massas de ICP e em diversos espectrômetros de emissão atômica de ICP. 15 Diagrama de blocos de um espectrômetro típico de emissão de ICP. A emissão atômica ou iônica do plasma é separada em seus comprimentos de onda por um monocromador ou policromador. A radiação isolada é convertida em sinais elétricos por um único transdutor, por múltiplos transdutores ou por um arranjo de detectores. Os sinais elétricos são então processados e supridos como entrada para o sistema computacional. 16 8

17 Nebulizador Um queimador de fluxo laminar empregado em espectroscopia de absorção atômica. 18 9

Nebulizador Nebulizador Meinhard. O gás nebulizador flui por meio de uma abertura que envolve concentricamente o capilar. Isso gera uma pressão reduzida na ponta e a aspiração da amostra. A alta velocidade do gás na ponta dispersa a solução na forma de um jato gasoso spray ou névoa de gotículas de diversos tamanhos. 19 20 10

Limites de Detecção 21 As Origens dos Espectros Ópticos Espectro de emissão 22 11

As Origens dos Espectros Ópticos Espectro de emissão 23 24 12

Origens dos Espectros Ópticos Espectro de emissão Processos que levam à produção de átomos, moléculas e íons em sistemas contínuos de introdução de amostras em um plasma ou em uma chama. A solução da amostra é convertida em um jato gasoso pelo nebulizador. A alta temperatura da chama ou do plasma causa a evaporação do solvente, formando um aerossol de partículas secas. O aquecimento adicional volatiliza as partículas produzindo espécies atômicas, moleculares e iônicas. Essas espécies estão freqüentemente em equilíbrio, pelo menos em certas regiões localizadas. 25 26 13

Absorção Atômica Diagrama de blocos de um espectrômetro de absorção atômica de feixe único. A radiação de uma fonte de linhas é focada no vapor atômico em uma chama ou em um atomizador eletrotérmico. A radiação atenuada da fonte entra então em um monocromador, o qual isola a linha de interesse. Depois, a potência radiante da fonte, atenuada pela absorção, é medida pelo tubo fotomultiplicador (TFM). O sinal é então processado e dirigido para um sistema computacional para fornecer a saída. 27 Lâmpada de cátodo oco A lâmpada consiste em um ânodo de tungstênio e de um cátodo cilíndrico selado em um tubo de vidro, contendo um gás inerte, como o argônio, a pressões de 1 a 5 torr. O cátodo é fabricado com o metal do analito ou serve de suporte para um recobrimento desse metal. Aplicando-se 300 V através dos eletrodos produz-se a ionização do argônio e a geração de uma corrente de 5 a 10 ma quando os cátions e os elétrons migram para os eletrodos. Se o potencial é suficientemente alto, os cátions de argônio se chocam com o cátodo com energia suficiente para desalojar alguns átomos do metal e assim produzir uma nuvem atômica; esse processo é o sputtering. 28 14

Caminho óptico em Absorção Atômica 29 30 15

31 Espectrometria de Absorção Atômica Definição A AAS consiste na medida da absorção da energia luminosa por átomos no estado fundamental Princípio da AAS I 0 I T Fonte de radiação Atomizador Monocromador Detector 32 16

Espectrometria de Absorção Atômica A energia radiante, proveniente de uma fonte, que atravessa uma nuvem com vapor atômico sofre a absorção exatamente naqueles l que podem excitar os átomos do vapor atômico. Todos os demais l,cujas energias não correspondem às energias de excitação atômica, atravessam a nuvem atômica sem sofrer atenuação de intensidade. I 0 Vapor atômico I T 33 Relação entre radiação e concentração Lei de Beer A = a b c = log I 0 / I T A: absorvância a: absortividade b: percurso ótico c: concentração A absorvância é diretamente proporcional à concentração da espécie absorvente, em determinadas condições 34 17

Fonte de Radiação Lâmpada de Cátodo Oco (HCL) Lâmpada de Descaraga sem Eletrodo (EDL) Lâmpada de Cátodo Oco (HCL) Disco de Mica Janela de Quartzo Cátodo Oco Ânodo 35 Características da HCL FUNÇÃO: emitir radiação nos l específico para o elemento. Cátodo é recoberto com uma liga ou um sal do elemento; normalmente é necessário uma lâmpada para cada elemento. Lâmpada é preenchida com um gás inerte. Emite um espectro de raias atômicas, com l específico de cada elemento. Lâmpadas têm um tempo de vida útil. 36 18

Processo Sputtering 3 4 5 1. Aplicação de uma diferença de potencial 2. Ionização do gás de enchimento 3. Íon do gás choca-se com o cátodo e remove átomos do cátodo 4. Outros íons chocam-se com o M 0 e excitam o átomo 5. Ao voltar para o estado fundamental, o átomo emite radiação nos l específicos 37 Cada raia corresponde a um nível de excitação do elemento Fe 38 19

Lâmpada de Alumínio 39 Lâmpada de Descarga de Eletrodo (EDL) Excitação por radiofreqüência. Elemento ou sal do elemento selado no interior de um bulbo de quartzo. Mais intensa que HCL, mas menos estável. EDL para ~ 17 elementos. Bobina de RF Bulbo de quartzo 40 20

Atomizador FUNÇÃO: formar átomos livres no estado fundamental, aptos a absorver uma parte da radiação emitida Tipos de Atomização Elemento em Solução aquosa Chama (FAAS) Geração de Hidretos (HG AAS) M 0 (g) Forno de grafite (GF AAS) 41 Atomização na Chama (mais comum) Câmara de mistura Cabeça do Queimador Feixe Ótico Capilar Nebulizador Eficiência de nebulização ~5% 42 21

Atomização na Chama Mistura de gases combustível e oxidante. Temperatura entre 2000 ºC 2750 ºC: ambiente ideal para atomização de grande parte dos elementos. Equilíbrio entre átomos no estado fundamental e íons Na 0 Na + + e - Razão átomos excitados/átomos no estado fundamental = 0,1% 43 Gases Utilizados Mistura Gasosa Oxidante Combustível Temperatura ºC Ar O 2 Ar N 2 O O 2 H 2 H 2 Acetileno Acetileno Acetileno 2000-2100 2550-2750 2100-2400 2600-2800 3050-3150 44 22

Íons Átomos Moléculas gasosas ionização dissociação íons excitados átomos excitados volatilização Solução Problema nebulização Spray Líquido/Gás Dessolvatação Aerosol Sólido/Gás 45 Na + + e - (gás) Na 0 e Cl 0 (gás) NaCl (gasoso) ionização dissociação Na +* (gás) Na * (gás) volatilização Na + e Cl - (aq) nebulização Na + e Cl - (aerossol) Dessolvatação NaCl (sólido) 46 23

Vapor atômico A absorvância é proporcional ao vapor atômico na chama, que é proporcional a concentração do elemento na solução original 47 Monocromador FUNÇÃO: selecionar apenas 1 l que chegará ao detector 48 24

Componentes do monocromador Fenda de entrada e de saída, espelhos e prisma/grade de difração Fenda de entrada Fenda de saída Grade de difração Espelhos 49 Monocromador permite chegar ao detector uma faixa de l Largura de banda espectral = 0,2 nm 2,0 nm Apenas esta faixa de l passará pela fenda de saída e alcançará o detector 50 25

Detector FUNÇÃO: transformar a energia radiante (luz) em corrente elétrica Fotomultiplicadoras Basicamente é constituida por uma janela de quartzo, um cátodo fotoemissivo, vários dinodos e um ânodo A radiação que sai do monocromador alcança o cátodo fotossensível. A energia da radiação é capaz de remover alguns elétrons da superfície do cátodo. Estes elétrons são acelerados, por uma DDP, para um dínodo, que amplifica o número de elétrons. Após ser amplificados em vários dínodos, os elétrons alcançam o ânodo, gerando um sinal elétrico. 51 52 26

Esquema geral de um equipamento de AAS Fonte Atomizador Monocromador Detector 53 Fabricante Perkin-Elmer 54 27

Fabricante Analytic Jena 55 Sensibilidade e Limite de Detecção Termos que descrevem o desempenho do equipamento Sensibilidade: é a inclinação da curva A x concentração Limite de detecção: é a menor concentração que um elemento pode ser determinado; LD = 3.DP(branco) + branco 56 28

Parâmetros de mérito (FAAS) Limite de detecção: depende de cada elemento LD na faixa de mg.l -1 Erro médio: 1-2% Elementos: detecta cerca de 70 elementos (FAAS ~ 64) Monoelementar ( um elemento de cada vez) 57 Calibração do equipamento Como toda técnica analítica, as medidas são relativas Curva de calibração com soluções de concentrações conhecidas, como na espectrofotometria A faixa de concentração das soluções depende de cada elemento Temperatura da chama Absortividade no l específico Otimização da temperatura da chama, da taxa de aspiração, da altura do queimador, da intensidade da lâmpada: depois de otimizadas, estas condições não podem variar 58 29

Custos: FAAS ~ R$ 30.000,00 GF AAS ~ R$ 80.000,00 Lâmpadas R$ 500,00 1.500,00 Gases, energia, manutenção????? Aplicações: Ambiental (solos, águas, plantas...) Clínica (urina, sangue, cabelo...) Alimentos (teor de metais em cereais, enlatados...) Indústria (minérios, petróleo,medicamentos...) 59 Quadro comparativo FAAS Espectro fotometria Colorimetria Titrimetria Custo Tempo Interferentes Alto Baixo Baixo Médio Médio Médio Médio-Baixo Médio-Alto Alto Baixo Médio-Alto Médio Qualidade do operador Alto Alto-Médio Alto-Médio Baixo 60 30

Exemplos: Determinação Ca, Mg, Na, K em água mineral Determinação de chumbo em sangue Determinação de ferro em cereais Determinação de metais pesados (Hg, Cd, Pb, Cr, Al...) em medicamentos Decomposição ácida / Preparo da amostra 61 AAS com Forno de Grafite (GF AAS) Forno Chama 62 31

AAS com Forno de Grafite (GF AAS) Única Modificação no equipamento: substituição do atomizador O nebulizador/queimador é substituído por um FORNO DE GRAFITE O forno de grafite é conectado a dois eletrodos por onde passa uma corrente elétrica, que aquece-o até temperaturas de 2600 ºC 63 FUNÇÃO DO FORNO DE GRAFITE: ATOMIZADOR, formar átomos livres no estado fundamental, aptos a absorver uma parte da radiação emitida Elemento em Solução aquosa PROGRAMA DE AQUECIMENTO M 0 (g) 64 32

Injeção da amostra: Pipetador automático (autosampler) 65 Vista superior do pipetador automático 66 33

Forno de Grafite Pipetador automático 67 Programa de Temperatura: otimizado para cada elemento e matriz T ( C) atomização limpeza pirólise secagem Tempo (s) 68 34

T ( C) Secagem Eliminação do solvente Temperaturas entre 60-200 C Etapa lenta, para não projetar amostra Tempo (s) Ex: para soluções aquosas a secagem é feita em 105 ºC 69 T ( C) Pirólise Eliminação da matriz da amostra Temperaturas entre 200-1600 C Temperaturas dependente da matriz e do analito Tempo (s) Etapa lenta, para não volatilizar o analito Ex: para Au em soluções ácidas, pirólise até 900 ºC 70 35

T ( C) Atomização Formação do vapor atômico; átomos gasosos no estado fundamental Temperaturas de 1400-2600 C Temperaturas dependente do analito Tempo (s) Etapa rápida para todo analito volatilizar simultaneamente; etapa de medida Ex: para Cr, temperatura de 2300 ºC 71 T ( C) Limpeza Eliminação de qualquer resíduo Temperaturas 200 C maiores que a atomização utilizada Etapa rápida Tempo (s) 72 36

Características da GF AAS Limite de detecção: 1000 vezes menor que na FAAS LD na faixa de mg.l -1 Elementos: detecta cerca de 55 elementos (FAAS ~ 64, TOTAL ~70) Volume de amostra: cerca de 5-30 ml por medida (FAAS ~ 2-5 ml) Tempo de medida: cerca de 1-3 minutos (FAAS ~ 5-10 segundos) Automatização: a amostra é introduzida automaticamente Custo: muito mais caro que um FAAS Analista: muito mais conhecimento que para FAAS 73 AAS com Geração de Hidretos (HG AAS) Única Modificação no equipamento: cela de quartzo em T sobre o atomizador NaBH 4 + H + + M MH x (Hidreto volátil) M = As, Bi, Ge, Sb, Se, Te, Pb e Hg Gás de arraste (N 2 ou Ar) conduz os hidretos gasosos até uma cela de quartzo aquecida ( ~1000 C), que atomiza os hidretos SeH 2 Se 0 + H 2 74 37

AAS com Geração de Hidretos (HG AAS) Gases Para determinação de Hg a técnica é chamada de Vapor Frio (CV), porque o Hg não forma hidreto, ele para para o estado Hg 0 (g) 75 Características da HG AAS Limite de detecção: cerca de 1000 vezes menor que na FAAS LD na faixa de mg.l -1 Elementos: detecta cerca de 8 elementos (FAAS ~ 64, TOTAL ~70) Volume de amostra: 0,1-5 ml por medida (FAAS ~ 2-5 ml) Tempo de medida: cerca de 30 60 segundos (FAAS ~ 5-10 seg) Custo: pouco mais caro que um FAAS Analista: muito mais conhecimento que para FAAS 76 38

Quadro comparativo AAS FAAS GF AAS HG AAS Custo Baixo Alto Médio Tempo Rápido Lento Médio Interferentes Poucos Muitos Muitos Qualidade do operador LD N elementos Vol. amostra Média mg L -1 ~ 64 ~ 15 ml Alta mg L -1 ~ 55 ~ 100 ml Alta mg L -1 ~ 8 100 ml 10 ml 77 Interferências em AAS Interferências de matriz em FAAS: viscosidade/tensão superficial Ex: aspiração de água e álcool Interferências na atomização: espécies que não decompõem na chama Ex: determinação de Ca na presença de fosfatos Interferências de ionização: determinação de elementos eletropositivos Ex: determinação de Na na presença de K 78 39

Interferências em AAS CORREÇÃO DE FUNDO Interferências espectrais: espécies moleculares na chama Estas espécies também absorvem a radiação da LCO ABSORÇÃO DE FUNDO (Background) Uso de uma lâmpada de deutério, que emite radiação na forma de bandas Espelho plano seccionado: ora passa a radiação proveniente da LCO, ora passa a radiação da lâmpada de D 2 79 Espectrometria de Absorção Atômica 80 40

Espectrometria de Absorção Atômica AA + BG AA AA AA + + + BG BG BG BG BG BG BG AA AA AA AA Sinal em branco é a diferença entre a absorção total e a absorção de fundo 81 Espectrometria de Emissão Atômica (AES) Diferença entre AAS e AES Não necessita de uma fonte de radiação Atomizador tem função extra de excitar átomos Chama (2100-2400 C) Plasma Indutivamente Acoplado (5000-9000 C) Centelha elétrica (centelha ~40000 C) 82 41

Equipamento de Absorção Atômica 83 84 42

85 86 43

87 88 44

89 90 45

91 92 46

93 94 47

95 96 48

97 98 49

99 100 50

101 102 51

103 104 52

105 106 53

107 108 54

109 110 55

111 112 56

113 114 57

115 116 58