A seqüência analítica

Francisco José Krugfjkrug@cena.usp.br

Laboratório de Química Analítica “Henrique Bergamin Filho”Centro de Energia Nuclear na Agricultura - USP

A seqA seqüüência analência analííticatica

•• DefiniDefiniçção do problemaão do problema•• Escolha do mEscolha do méétodotodo•• AmostragemAmostragem•• PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra•• MedidaMedida•• CalibraCalibraççãoão•• AvaliaAvaliaççãoão

•• AAççãoão

Definição do problema

Determinação de elementos em baixas concentrações em diferentes amostras

AvaliaAvaliaçção dos teores de mercão dos teores de mercúúrio em rio em ááguas e sedimentosguas e sedimentos

NNííveisveis ttíípicospicos de de mercmercúúriorio ememamostrasamostras ambientaisambientais

Ar

Chuva

Oceano aberto

Água costeira

Sedimentos marinhos

Solos contaminados

1 - 4 ng m3

5 - 100 ng l-1

0,5 - 3 ng l-1

2 -15 ng l-1

< 100 ng g-1

50 -100 µg g-1

Rios e lagos 1 - 3 ng l-1

Sedimentos e solos < 700 ng g-1

fjkrug@cena.usp.br

A seqA seqüüência analência analííticatica

•• DefiniDefiniçção do problemaão do problema

•• Escolha do mEscolha do méétodotodo•• AmostragemAmostragem•• PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra•• MedidaMedida•• CalibraCalibraççãoão•• AvaliaAvaliaççãoão

•• AAççãoão

Escolha do mEscolha do méétodo todo

Espectrometria de absorção atômica com geração

de vapor a frio (CVAAS)

LOD = 1 a 500 ng l-1 Hg

espectrometria de fluorescência atômica com

geração de vapor a frio (CVAFS)

LOD = 0,5 ng l-1 Hg

fjkrug@cena.usp.br

Amostras biolAmostras biolóógicasgicas

• Tecidos vegetais: -folhas, raízes, frutos

• Tecidos animais: -sangue, urina, ossos (dentes)

• Alimentos

< 0,2% da matéria seca

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiSc

ArClSiAlNa

NeF

5 a 10 % da matéria seca

CaK

SPMg

NBBeLi

He

90 a 95% da matéria seca

OC

H

Elementos essenciais aos vegetais

89a

103

RaFr

RnAtPoBiTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeTeSbInAgPdRhRuTcNbZrYRb

KrGeFeTiSc

Ar

Elementos-traço

IMo

SeZnCuNiCoMnCrV

SiAl

NeBe

Importantes não

confirmados

Pb?

SnCd?

Sr

BrAsGa

FBLi

He

maiores

CaK

ClSPMgNa

ONC

H

Elementos essenciais ao homem (animais)

A seqA seqüüência analência analííticatica

•• DefiniDefiniçção do problemaão do problema

•• Escolha do mEscolha do méétodo (da ttodo (da téécnica)cnica)•• AmostragemAmostragem•• PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra•• MedidaMedida•• CalibraCalibraççãoão•• AvaliaAvaliaççãoão

•• AAççãoão

Limites de detecção típicos para as principais técnicas espectroanalíticas

Figura adaptada de http://www.perkinelmer.com/

FAAS

ICP-OES Radial

ICP-OES Axial

HGAAS

GFAAS

ICP-MS

100 10 1 0,1 0,01 0,001 Faixas de Limite de Detecção (µg / L)

FAAS

ICP-OES Radial

ICP-OES Axial

HGAAS

GFAAS

ICP-MS

100 10 1 0,1 0,01 0,001 Faixas de Limite de Detecção (µg / L)

Outras técnicas

GFAASICPOESFAAS

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Análise foliar por espectrometria de absorção atômica (AAS) e emissão ótica com plasma

(ICPOES)

Outras técnicas

HGAASCVAASGFAASFAAS

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Análise de alimentos e AAS

Outras técnicas

HG-ICPOES

CVAASGFAASICPOES

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Análise de alimentos: AAS e ICPOES

A seqA seqüüência analência analííticatica

•• DefiniDefiniçção do problemaão do problema•• Escolha do mEscolha do méétodotodo

•• AmostragemAmostragem•• PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra•• MedidaMedida•• CalibraCalibraççãoão•• AvaliaAvaliaççãoão

•• AAççãoão

Qualidade em anQualidade em anáálises qulises quíímicas micas -- I I ((KatemanKateman & & PijpersPijpers, 1981), 1981)

• Qualidade da amostra – Homogeneidade– Analito– Massa– Método de amostragem

G. Kateman, F.W. Pjipers. Quality Control in Analytical Chemistry. New York, Wiley, 276 p, 1981.

Exemplo: HomogeneizaExemplo: Homogeneizaçção de amostras ão de amostras biolbiolóógicasgicas

• Proporciona diminuição de diversidade química/biológica

• Procedimentos dependem da quantidade/tamanho da amostra, parâmetros físico-químicos, dureza, umidade, etc

• Não existem procedimentos-padrão

• Moagem pode proporcionar contaminações ou perdas de analitos

Ph. Quevauviller, Sci. Total Env., v. 176, p.141, 1995

Homogeneidade de amostras para Homogeneidade de amostras para ttéécnicas cnicas microanalmicroanalííticasticas

“Particularly, in microanalytical techniques CRMs are

frequently used to calibrate quantitative analysis,

therefore reliable information on the confidence interval of

reference values with regard to milligram or sub-milligram

sample amounts is urgently needed”.

M.Rossbach, P. Ostapczuk, H. Emons. Microhomogeneity of candidate reference materials: comparizon of solid sampling Zeeman -AAS with NAA. Frezenius J. Anal. Chem. 260(1998) 380-383.

Amostragem deve ser

representativa

ou

apropriada?

AmostragemAmostragem

• M.H. Ramsey. Switching from representative to appropriate sampling, and from deterministic to probabilistic interpretations. IWM Procedings, March 1998.

Amostragem no campoAmostragem no campo

• S. Squire, M.H. Ramsey, M.J. Gardner. Collaborative trial in sampling for the spatial delineation of contamination and the estimation of uncertainty. Analyst, v.125, p.139-145, 2000

• S. Squire, M.H. Ramsey, M.J. Gardner, D. Lister. Sampling proficiency test for the estimation in the spatial delineation of contamination. Analyst, v.125, p.2026-2031, 2000

Incertezas para amostragem Incertezas para amostragem feita no campofeita no campo

Medidas ± incertezas

mam ± sam mlab ± slab

stotal2 = sam

2 + slab2

95% 5%

A seqA seqüüência analência analííticatica

•• DefiniDefiniçção do problemaão do problema•• Escolha do mEscolha do méétodotodo•• AmostragemAmostragem

•• PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra•• MedidaMedida•• CalibraCalibraççãoão•• AvaliaAvaliaççãoão

•• AAççãoão

PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra

ÉÉ oportuno observar que, entre todas as operaoportuno observar que, entre todas as operaçções ões analanalííticas, a etapa de prticas, a etapa de préé--tratamento das amostras tratamento das amostras ééa mais cra mais críítica. Em geral, tica. Em geral, éé nesta etapa que se nesta etapa que se cometem mais erros e que se gasta mais tempo.cometem mais erros e que se gasta mais tempo.ÉÉ tambtambéém a etapa de maior custo.m a etapa de maior custo.

A seqA seqüüência analência analííticatica

A importância do preparo de amostras nos métodos analíticos

Máxima60,6%

Nenhuma 1,6%

Mínima6,8%

Moderada31,0%

http://www.sampleprep.duq.edu/dir/why_sp_1.htmlAdaptado de Ronald E. Major “An overview of sample preparation”, LC-GC,vol 9, nº1, 1991.

Tempo gasto na análise química

Preparo da amostra61%

Amostragem6%

Análise 6%

Tratamento dos dados

27%

http://www.sampleprep.duq.edu/dir/why_sp_2.htmlAdaptado de Ronald E. Major “An overview of sample preparation”, LC-GC,vol 9, nº1, 1991.

ParâmetrosParâmetros parapara escolhaescolha do do mméétodotodo de de prpréé--tratamentotratamento ::

• Elementos ou compostos a serem determinados

• Faixas de concentração

• Tipo, composição, e homogeneidade das amostras analíticas

• Quantidade de amostra disponível para análise

• Quantidade de amostra necessária para as determinações

• Exatidão, precisão, seletividade e limite de detecção

• Requisitos especiais: local da análise, controle na produção

• Aspectos restritivos: custos, tempo disponível, espaço, analista

Qualidade em anQualidade em anáálises qulises quíímicas micas -- II II ((KatemanKateman & & PijpersPijpers, 1981), 1981)

• Limite de detecção• Sensibilidade• Seletividade e especificidade• Precisão• Exatidão• Informação• Custo• Segurança

G. Kateman, F.W. Pjipers. Quality Control in Analytical Chemistry. New York, Wiley, 276 p, 1981.

Preparo de amostras e qualidade:Preparo de amostras e qualidade:

• Os erros totais de uma análise química são devidos, em muitos casos, às tarefas realizadas na etapa de pré-tratamento.

• O pré-tratamento das amostras pode representar até 99% do tempo total de uma análise (61% em média).

• A etapa de preparação pode representar mais de 90% dos custos analíticos.

• O tempo necessário para se concluir uma análise devido ao pré-tratamento pode variar de 1 minuto a dezenas de horas.

Pré-tratamento de amostras

• a etapa de pré-tratamento das amostras inclui todo o procedimento de preparo no laboratório

• o tipo de pré-tratamento depende do estado da amostra que entra no laboratório

• a maioria das técnicas requer decomposição prévia da amostra

• principais razões para o pré-tratamento:• homogeneização• dissolução de amostras sólidas• separação de substâncias interferentes• pré-concentração dos analitos

Ph. Quevauviller, Sci.Total Env., 176 (1995)141

PrPréé--tratamento de vegetais e tratamento de vegetais e alimentos: aspectos geraisalimentos: aspectos gerais

PrPréé--tratamento de vegetais e tratamento de vegetais e alimentosalimentos

• Lavagem • Secagem: 25 a 60°C• Moagem: partículas < 500 µm

• Análise direta• sólidos• suspensões

PrPréé--tratamento de vegetais e tratamento de vegetais e alimentosalimentos

• Lavagem • Secagem: 25 a 60°C• Moagem: partículas < 500 µm• Decomposição:

– Via seca• Forno tipo mufla em cadinhos de porcelana• Frasco de combustão de Schöniger• Plasma de oxigênio

– Via umida

PrPréé--tratamento de vegetais e tratamento de vegetais e alimentosalimentos

• Lavagem • Secagem: 25 a 60°C• Moagem: partículas < 500 µm• Decomposição:

– Via seca– Via úmida

• Sistemas abertos• Sistemas fechados

ClassificaClassificaçção dos ão dos áácidos na digestão de cidos na digestão de amostrasamostras por via por via úúmidamida

Não oxidantes

• HCl• HF• H3PO4

• H2SO4 diluído• HClO4 diluído

Oxidantes

• HNO3

• HClO4 conc. a quente• H2SO4 conc. a quente

• Decomposições por via úmida com oxidantes– HNO3

– HNO3 + H2O2

– HNO3 + HClO4

– H2SO4 + H2O2 + Li2SO4 + Se

PrPréé--tratamento de vegetais e tratamento de vegetais e alimentosalimentos

ÁÁcido ncido níítricotrico

• A 62,2% forma mistura azeotrópica HNO3/H2O com PE

de 121°C.

• Em concentrações menores que 2 mol l-1 HNO3 o

potencial de oxidação é muito baixo;

• Ácido mais comum para a decomposição de materiais

orgânicos.

Digestões com Digestões com áácido ncido níítricotrico

O ácido nítrico é o agente oxidante mais comum usado na digestão de amostras orgânicas, conforme a seguinte reação:

Metais são convertidos em nitratos solúveis, permitindo determinações quantitativas

Materialorg + HNO3 CO2+H2O+NOX

Temperaturas desejTemperaturas desejááveis para a veis para a digestão de amostras bioldigestão de amostras biolóógicasgicas

Decomposições com HNO3

• Altos teores de GORDURAS(queijo, manteiga, óleo vegetal)

• Altos teores de PROTEÍNAS(carne bovina, soro, albumina)

• Altos teores de CARBOHIDRATOS(trigo, milho, açúcar, etc.)

Digestão com HNO3 em blocos digestores

100 – 500 mgMoagem Digestão

• Requer digestão complementar com HClO4

• Digestões durante 3-12 h para 500 mg de amostra☺ Baixo custo de instrumentação☺ Alta freqüência analítica (40-100 amostras/digestão)

Dissolução da amostra assistida por microondas

100 – 500 mgMoagem Digestão

☺ Menor risco de contaminação☺ Digestões de boa qualidade com ácidos diluídos (HNO3)☺ Menor geração de resíduos (soluções ácidas)☺ Decomposições relativamente mais rápidas (10 - 30 min)☺ Manutenção de elementos mais voláteis (As, Hg e Se)

Outros métodos

Requer tratamento adicional em geração

de hidretos

Digestão com HNO3

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGa

ZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Análise de alimentos: AAS e ICPOES

ÁÁcido sulfcido sulfúúricorico

• Mistura azeotrópica H2O/H2SO4 com 98,3% H2SO4ferve a 339°C (excede a máxima temperatura de trabalho em frascos de PTFE)

• Monitoração cuidadosa da temperatura de reação énecessária para prevenir danos aos frascos em sistemas fechados

• Decompõe compostos orgânicos por desidratação. • Alguns sulfatos são insolúveis: Ca(II), Ba(II), Sr(II),

Pb(II)

ÁÁcido perclcido perclóóricorico

• Ponto de ebulição da mistura azeotrópica H2O/HClO4com 72% HClO4 é de 203°C Poderosíssimo ácido oxidante quando usado a quente

• O ácido concentrado a quente decompõe materiais orgânicos violentamente

• Quase todos os percloratos são solúveis• HClO4 decompõe-se a 245°C em frasco de

microondas fechado produzindo quantidades perigosas de produtos secundários e um enorme aumento de pressão

ÁÁcido perclcido perclóóricorico

• Vapores de HClO4 e gases inflamáveis formam misturas explosivas

• Percloratos (inclusive de Na+, K+, NH4+)

explodem quando aquecidos• Precipitados obtidos em meio de HClO4 ,

como SiO2, devem ser lavados com HCldiluído

PerPeróóxido de hidrogênioxido de hidrogênio• Agente oxidante

2H2O2 2H2O + O2

• Quando adicionado ao HNO3 auxilia a remoção de vapores de óxidos nítricos e acelera a digestão das amostras orgânicas pelo aumento da temperatura

• Mistura típica HNO3:H2O2=4:1

Amostras ambientaisAmostras ambientais

• solos • sedimentos• esgotos• efluentes• cinzas (fly-ash)• ar• água• materiais biológicos

LrNoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc89a

103

LuYbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCeLa57a

71

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Amostras ambientais: solos, Amostras ambientais: solos, sedimentos, efluentessedimentos, efluentes

LrNoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc89a

103

LuYbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCeLa57a

71

89a

103

RaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHf57a

71

BaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Amostras ambientais: solos, sedimentos, Amostras ambientais: solos, sedimentos, efluentesefluentes

PrPréé--tratamento de solos e tratamento de solos e sedimentossedimentos

• Secagem: 25 a 60°C• Peneiragem para solos: partículas < 2mm• Moagem <150 µm

• Análise direta• sólidos• suspensões

Amostragem direta de sAmostragem direta de sóólidoslidos

☺☺ Dispensa o uso de reagentesDispensa o uso de reagentes

☺☺ Pequena quantidade de amostraPequena quantidade de amostra

☺☺ Menor possibilidade de contaminaMenor possibilidade de contaminaçção da amostraão da amostra

☺☺ Menor tempo de preparo de amostrasMenor tempo de preparo de amostras

☺☺ ReduReduçção dos custos da anão dos custos da anááliselise

PrPréé--tratamento de solos e tratamento de solos e sedimentossedimentos

• Secagem: 25 a 60°C• Peneiragem para solos: partículas < 2mm• Moagem <150 µm• Decomposição (EPA 3052, por exemplo)

ÁÁcido ncido níítricotrico

• Dissolve a maioria dos metais formando nitratos solúveis; Au e Pt são exceções (não oxidados); Al, B, Cr, Ti e Zr são passivados

• As, Sb e Sn hidrolizam na ausência de complexante. Estes metais requerem misturas de ácidos ou ácido nítrico diluído

• Comumente usado em combinação com H2O2, HCl and H2SO4

• Comercialmente disponível em alto grau de pureza (purificação por distilação subboiling é fácil)

ÁÁcido clorcido cloríídricodrico

• Ponto de ebulição da mistura azeotrópica H2O/HCl com 20,4% HCl é de 110°C

• Disponível até 38% (12 mol.l-1)• Caráter não oxidante• Dissolve sais de ácidos fracos (carbonatos, fosfatos);

a maioria dos metais é solúvel com exceção de AgCl, Hg2Cl2 e TiCl

• Excesso de HCl aumenta a solubilidade do AgCl, convertendo-o em AgCl2-

• Cloretos voláteis: As(III), Sb(III), Ge(IV), Se (IV), Hg(II), Sn(IV)

ÁÁcido clorcido cloríídricodrico

• Natureza complexante• Muito usado para ligas a base de ferro por sua

capacidade de manter grandes quantidades de clorocomplexos em solução

• Forma complexos com Ag (I), Au (II), Hg (II), Ga (III), Tl (III), Sn (IV), Fe (II) e Fe (III)

• Não dissolve óxidos de Al, Be, Cr, Ti, Zr, Sn e Sb; sulfatos de Ba e Pb; fluoretos do grupo II; SiO2, TiO2 and ZrO2

59

ÁÁgua rgua réégiagiaHCl/HNO3 = 3/1 (v/v)

• Produz NOCl (cloreto de nitrosila), que se decompõe liberando NO e Cl2 sob aquecimento

3HCl + HNO3 NOCl +Cl2 + H2O

• Dissolve metais preciosos

Solução deve ser preparada recentemente e usadarapidamente. Caso contrário, evolução de Cl2 provoca aumento de pressão e abertura da válvula de alívio (ou ruptura de membrana

ÁÁcido fluorcido fluoríídricodrico

SOLUBILIZAÇÃO• Ponto de ebulição da mistura azeotrópica H2O/HF com

38,3%HF é de 108°C. Não oxidante, com destacada natureza complexante

• Usado na digestão de minerais, minérios, solos, rochas e mesmo em amostras botânicas

• Principal uso na solubilização de silicatosSiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O

• Freqüentemente usado em combinação com HNO3 or HClO4

ÁÁcido fluorcido fluoríídricodrico

EVAPORAÇÃO/CONCENTRAÇÃO• Após a dissolução, muitos métodos de

determinação requerem a remoção de HF para evitar danos ao equipamento ou para ressolubilizar fluoretos

H2SiF6 SiF4 + 2HF

62

ÁÁcido fluorcido fluoríídricodrico

COMPLEXAÇÃO• Procedimento alternativo para remover ou

“mascarar” o íon fluoreto e/ou ressolubilizar fluorocomplexos, adicionando-se ác. bórico

H3BO3 + 3HF HBF3(OH) + 2H2O

HBF3(OH) + HF HBF4 + H2O• Ácido bórico em excesso (10 a 50 vezes)

aumenta a velocidade da reação

ÁÁcido fluorcido fluoríídricodrico

• Fluoretos insolúveis: Mg(II), Ca(II), MgAlF5, LaF3, ThF4

• Fluoretos voláteis: As(III), As(V), B(III), Ge(IV), Nb(V), Sb(III), Sb(V), Si(IV), Ta(V), Te(IV), Ti(IV)

• Complexante enérgico: Fe(III), Al(III), Sn(IV), Ti(IV), Ir(IV)

US EPA 3052US EPA 3052

• Primeiro “US EPA-approved method” a utilizar o

conceito “Total microwave sample preparation”

• Adequado para solos, lodos, sedimentos, cinzas e solos

contaminados com óleo

• O objetivo é a decomposição completa da amostra

• Validado para Al Sb As B Ba Be Cd Ca Cr Co Cu Fe Pb Mg Mn Hg Mo Ni K Se Ag Na Sr Tl V Zn

• Análises por FAAS, ICP-OES, ICP-MS e CVAAS

SamplePrepSamplePrep WebWebTM

http://www.sampleprep.duq.edu/sampleprep/

H.M. (Skip) Kingston, S.J. Haswell. Microwave-enhanced Chemistry. Washington, American Chemical Society, 1997, 772 pp.

A seqA seqüüência analência analííticatica

•• DefiniDefiniçção do problemaão do problema•• Escolha do mEscolha do méétodotodo•• AmostragemAmostragem•• PrPréé--tratamento da amostratratamento da amostra•• MedidaMedida•• CalibraCalibraççãoão

•• AvaliaAvaliaççãoão•• AAççãoão

Confiabilid

ade metrológica

Muito obrigado!Muito obrigado!