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ANALÍTICA AVANÇADA – 1S 2015

Aulas 5

Preparo de Amostras

(Continuação)

Prof. Rafael Arromba de Sousa

Departamento de Química - [email protected]

Notas de aula: www.ufjf.br/baccan

� Considerações sobre amostragem

� Preservação de amostras

� Tratamentos preliminares

� Tratamentos convencionais (dissolução, abertura, digestão, ...)

�Detalhes sobre o preparo de amostras paradeterminações inorgânicas

� Detalhes sobre o preparo de amostras para determinações orgânicas

� Exemplos de procedimentos de preparo de amostra

CONTEÚDO

2

ÚLTIMO SLIDE: Digestão de Amostras em Frasco Aberto

Características:

- Aplica-se a todos os tipos de amostras, exceto sólidos refratários

- Permite o uso de quantidades “flexíveis” de amostra ...

- Geralmente demora horas e consome quantidades relativamentegrande de reagentes � favorece a preconcentração de impurezas

- Exige supervisão constante do analista ...

- Favorece a perda de analitos voláteis

3

Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de PTFE:

Decomposição de Amostras em Sistemas Fechados

Teor de carbono residual em amostras decompostas com HNO3em sistemas abertos podem variar de 2 a 46% !

Pode ser melhorado: decomposição sob pressão em temperaturas acima de 120 oC

Frasco de teflon(160 – 200 oC)

Cilindro de aço(mais comum)

Aquecimento- Chapa- Estufa termostatizada

4

Digestão de Amostras em Frasco Fechado

Características:

- Aplica-se a todos os tipos de amostras, com a limitação de uso de massasde amostras relativamente pequenas

- Geralmente demora menos que 3 horas e consome quantidades pequenas amoderadas de reagentes

� Elevada frequencia analítica

� Adequada à análise de “traços”

- Possibilita utilizar apenas HNO3 ou HNO3 e H2O2

- A perda de analitos voláteis é geralmente desprezível5

Microondas (MW) de laboratório b

Recursos para Digestão de amostras em Frasco Fechado

(a) www.paralab.pt/client/documentos/portuguese/parr/SamplePrep.pdf

(b) Existem também modelos para se trabalhar com frascos abertos (microondas focalizado).Vantagem: maior quantidade de amostra. Desvantagem: não compatível com analitos voláteis

Bombas de alta pressão a

i ii iii

i) Digestão “convencional”ii) Digestão em MW --------�iii) Digestões por combustão

6

Condições para digestão em bombas de alta-pressão com PTFE

Parâmetros experimentais Valores médios

Temperatura 170 – 180 oC

Massa de amostra (frasco de 35 mL) Correspondente a 100 mg C

Pressão final 20 bar

Tempo de decomposição 3 h (na temperatura de digestão)

Ácido nítrico (65 – 69%) 2 mL

EMBORA os sistemas tenham válvulas de alívio de pressãoamostras que liberam muita quantidade de gases (gorduras)

devem ser digeridas com cuidado !

Algumas amostras não são completamente decompostas...

7

Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo:


- Possibilidade de se usar temperaturas de até 300 oC

� “High Pressure Asher” (HPA)

� Equilíbrio de pressões

- Resultados: satisfatórios em geral, inclusive para determinar

As, Hg, P, S, Se

- SE necessário o digerido pode ser evaporado para eliminar vaporesnitrosos dissolvidos

8

Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de quartzo:


9

Condições para digestão em bombas de alta-pressão com quartzo


Temperatura 320 oC (300oC no inteior)

Massa de amostra (frasco de 30 mL) Correspondente a 100 mg C**

Pressão final < 100 bar

Tempo de decomposição de até 3 h (na temperatura de digestão)

Ácido nítrico (65 – 69%) 2 mL

** Massas maiores PODEM ser usadas SE a digestão puder serrealizada em temperaturas menores, na ordem de 180 oC.

10

O equipamento de microondas:

Decomposição de amostras em Sistemas Fechados

Exaustão(caso vazamentos)

Controladorcomputadorizado

Porta “reforçada” eprojetada para não abrir

Sensores para monitorartemperatura e/ou pressão

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• Microondas são radiações do espectro eletromagnético

• Região de comprimentos de onda: 1mm a 1m e freqüências de 300 a 30000 MHz

• Freqüências para usos industrial, médico e cientifico: 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHze 22125 MHz, estabelecidas pela Comissão Federal de Comunicações - FCC (USA)

Correspondência entre Radiação e Energia

Digestão assistida por microondas ?

12

• Microondas não são radiações ionizantes

• A energia das microondas é muito menor que a energianecessária para quebrar as ligações das moléculasorgânicas mais comuns

• Potência: faixa de trabalho geralmente entre500 – 1500 W

13

Digestão assistida por microondasCARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS

• Equipamentos utilizam programas de aquecimento:• Temperatura x Tempo OU• Potência x Tempo

• Frascos reacionais: vidroquartzo (até 12 Mpa)teflon (até 7 Mpa) � politetrafluoretileno

14

Obtenção do material PTFE.www.masterflex.com/TechLibraryArticle/828; acessado 06-07-14


• Os líquidos absorvem energia de microondas modificando:

• Rotação de dipolo• Condução iônica

Aumento da temperatura

� Materiais podem refletir, absorver ou não absorver

microondas

15


ENTÃO: a absorção das microondas depende da:

• Constante dielétrica ε’Capacidade de uma molécula ser polarizada por radiação

eletromagnética

• Perda dielétrica ε”Eficiência de conversão da energia da microonda em

calor

• Fator de dissipação, tan δ (razão ε”/ ε’)Habilidade do material em absorver energia das

microondas, convertendo a energia da onda eletromagnética emcalor 16


Taxa de conversão de energia de microondas (tan δ) em diferentes materiais

Água 25 1570Quartzo fundido 25 0,6Cerâmica F-66 25 5,5Porcelana No 4462 25 11Vidro fosfato 25 46Vidro borossilicato 25 10,6Vidro Corning No 0080 25 126Acrílico (Plexiglass) 27 57Nylon 6-6 25 128Polietileno 25 3,1Poliestireno 25 3,3Teflon PFA 25 1,5

Material tanδ (x10-4)

17


Material Temperatura tan δ

Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)

Alguns exemplos:

- Milestone- CEM- AntonPaar- Berghof, ...

Tipos de microondas para digestão de amostras

18


Sistema nacional (Provecto)

Frasco TeflonProteção de cerâmica

Camisa paraalta pressão 19

Com o forno de microondas “carregado” com os frascos


20

Aplica-se um programa de temperatura:

� Adequado para cada tipo de amostra

� Realizado em etapas (com durações diferentes):

- Aquecimento brando (rampa lenta)

- Aquecimento em temperatura alta (tempo determinado)

- Resfriamento(dentro e/ou fora do MW até o digeridoatingir a T ambiente)

Condições para digestão assistida por micro-ondas ?


Temperatura ou Potência Dependem da amostra e do equipamento (verificar manuais)

Massa de amostra Em geral até 500 mg

Tempo de decomposição Menos de 1 h

Reagentes1) HNO3 + H2O2

2) H2SO4 + H2O2

3) HNO3 + HCl

1) Plantas, tecidos animais e alimentos2) Óleo lubrificante, PVC, poliamidas, poliésteres e alimentos gordurosos3) Metais, ligas metálicas e para extração em solos e sedimentos

21

SEGURANÇA: monitoração do interior dos frascos:

Ex.: 10 mL de HNO3 em 6 frascos de Teflon TFM fechados, aplicando-se 600 W por 15 min:

0

50

100

150

200

250

0 300 600 900 12000

5

10

15

20

25

30

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(o C

)


� A pressão de vapor gerada no interior dos frascos aumenta a temperatura de ebulição do HNO3

22

Aquecimento por microondas em sistema fechado

VANTAGENS

• Reduz erros sistemáticos e obtêm-se menores limites de detecção• Não há perdas de analitos• Reduz contaminações• Possibilita menor consumo de ácidos• Maior pressão � maior temperatura � decomposição apenas com HNO3

• Reduz custos• Diminui o consumo de ácidos ultrapuros (caros)

• Minimiza impactos ambientais

LIMITAÇÕES

• Alto custo do equipamento (Berghof SW4: € 30000,00 final 2012)

• Baixa frequência analítica comparado aos blocos digestores23

Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)

Tipos de microondas para digestão de amostras

24

Ex de um forno de microondas que permite a realização de 6 digestões diferentes

Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)

25

Tubos de digestão

�Equipamentos com diferentes configurações instrumentaispodem ser encontrados

Forno de Microondas Focalizado

• Trabalha à pressão atmosférica• Mais seguro, mas requer condições mais drásticas de reação (uso de H2SO4)

• Permite uso de até 10 g de amostras

• Permite adição automática de ácidos e/ou solventes orgânicos

• Ideal para amostras com alta concentração de orgânicos

• Vantagens em relação à chapa e bloco digestor

• Permite melhor controle de temperatura e consequentemente melhor controle da reação

• Sistema de refluxo � reduz contaminação e perdas por volatilização

26

Digestão assistida por microondas

Frasco adequado+

Reagentes apropriados+

Programa de aquecimento adequado

Decomposições eficiente

Orgânicos Inorgânicos(incluindo refratários)

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Métodos convencionais para o preparo de amostras

Digestão x Dissolução

� Para amostras de solos, sedimentos, plantas e tecidos animais a obtenção de uma suspensão/solução de amostra

não implica, necessariamente, em uma amostra devidamente digerida e sim solubilizada (total ou parcialmente)

Digeridos de fígado, rim, coração, pulmão, fêmur e baço

28

Solubilizados de fígado, rim, pulmão e baço

Métodos convencionais para o preparo de amostras

Dissolução x Digestão

Outro exemplo de solubilização alcalina (TMAH):

Tecido “normal” de seio

Tecido “tumoral”de seio

A B

� A coloração da solução “1” se deve aoelevado teor de gordura da amostra A

1 2 29

Preparo de amostras para determinações Inorgânicas

Para “casa”: LEITURA

Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution andFutureTrends”; J. Braz. Chem. Soc. 14 (2003) 174

Nóbrega, JA; Santos, MC; Sousa, RA et al. “Sample preparation in alkaline medium”, Spectrochim. Acta B, 61 (2006) 465.

Para “casa”: QUESTÕES

1) Liste as principais características da digestão em vaso aberto e da digestão em sistema fechado.

2) Considerando que um outro tipo de digestão ácida é a digestão sulfúrica usada para a determinação de nitrogênio pelo método de Kjeldhal, descreva como esse método funciona.

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d) MÉTODOS DE EXTRAÇÃO (determinações em geral)

Baseada na diferença de solubilidade entre duas substâncias em relaçãoA DOIS SOLVENTES, geralmente água e um solvente orgânico

� Transferência de um soluto de uma fase para a outra

- Técnica simples- Temperatura ambiente- A substância separada ainda pode ser tratada (purificada, pré-concentrada, etc)

funil de separação

Sistema DESCONTÍNUO(batelada)

� Extração líquido-líquido

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� Uso: separação e purificação de substâncias Substâncias mais polares ou iônicas � fase aquosaSubstâncias mais apolares � fase orgânica

ASPECTOS FÍSICO-QUÍMICOS:

Coeficiente de Partição (KD) É a constante de equilíbrio para a solubilidade de um composto em um solvente “1” em relação a um solvente “2”: KD= C1/C2

C1 e C2 são as solubilidades do composto nos solventes “1” e “2”

Número alto de KD:grande parte do soluto irá ser transferida para o solvente “1”

� Eficiência da extração � Lei da distribuição de Nernst prevê:Mesmo em casos onde KD é bastante alto, é mais eficiente se realizar sucessivas extrações usando volumes pequenos, em vez de uma única extração com a soma

dos volumes

32

� Extração sólido-líquido (mais efetiva para substâncias inorgânicas)

Sólido + solvente + substâncias extraídas

Solvente destilado(eventualmente) contendo substâncias voláteis extraídas

Extrator de Soxhlet(1879):

� Uma das fases é um sólido, onde se encontra o soluto (analito)� Uma ou mais substâncias vão passar para a fase líquida

Ex cotidiano: Preparação de bebidas como chá e café

Ex. indústria: análise inorgânica de solos e fertilizantes (elementos minerais e ânions)

33

Microextração em fase sólida

(SPME)

Extração por purga ou aprisionamento

INJETOR

GC

� Extração líquido-sólido (usada majoritariamente para analitos orgânicos)

Condições experimentais : temperatura, agitação e tempo de extração(a serem avaliados) 34

� A posição do frasco de amostrainfluencia na eficiência do processo

Equipamentos auxiliares para o Preparo de amostras

Banhos de ultrasom Agitador e misturador

� Extração� Dissolução

� Homogeneização

35

Preparo de amostras para determinações orgânicas

LEITURA recomendada

- NOVÁKOVÁ, L.; VLČKOVÁ, H. A review of current trends and advances in modernbio-analytical methods: Chromatography and sample preparation. Analytica ChimicaActa, v.656, p.8-35, 2009.

- KATAOKA, HH. New trends in sample preparation for clinical and pharmaceuticalanalysis. Trends in Analytical Chemistry, v.22, p.232-244, 2003.

- MARTIN, G.; M.; BOUVIER, E.S.P.; COMPTON, B.J. Advances in sample preparationin electromigration, chromatographic and mass spectrometric separation methods. Journal of Chromatography A, v.909, p.111-135, 2001.

36

5) Exemplos de procedimento de preparo de amostra

1) Amostra de ÁGUA � Determinação de metais

Filtração (0,45 µm)

Coleta

Acidificação

Resultados

*metais “dissolvidos”

Digestão ou Análise direta

Acidificação - fração líquida*

metais “totais” 37

Exemplos de procedimentos de preparo de amostras

Amostra de ÁGUA � Determinação de metais

Digestão pelo Método EPA 3015

1) Adicionar em frasco de digestão- 45 mL de amostra- 5 mL de HNO3 conc.

2) Agitar vagarosamente a mistura3) Fechar o frasco e introduzi-lo no rotor do MW4) Submeter a amostra ao seguinte programa de aquecimento:

- 10 min até 160 oC- 10 min até 165 oC

5) Após o frasco resfriar, abri-lo e, se necessário, realizar a diluição do digerido6) Armazenar a amostra em frasco de plástico limpo e analisar a solução de amostra

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6) Considerações sobre segurança no laboratório

Massas elevadas de amostras maior que 0,5 g são inadequadaspara sistemas fechados devido levarem à formação de grande quantidade de vapor

A abertura dos frascos fechados, após a digestão, deve ser feita após os mesmos voltarem à temperatura ambiente e preferencialmente na “capela”

A adição de H2O2 em frasco aberto deve ser feita a frio

A reação de ácidos fortes com amostras finamente divididas são geralmente muito rápidas... 39

Considerações sobre segurança no laboratório

Materiais muito reativos ou em quantidades relativamente elevadas podem ser pré-digeridos antes do início do procedimento a ser adotado

� ~ 0,25g de fígado (triturado)reage instantaneamente com HNO3 conc.

Ácido fluorídrico é rapidamente absorvido pela pele e causa queimaduras profundas de forma lenta e de difícil remediação(para lembrar...)

� Preferir equipamentos com controle de pressão

40

7) Alguns tópicos para aprofundamento e leitura

Contaminações da amostragem e estocagem� Hoening, M.; Kersabiec, AM. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomicpectroscopy Methods: Present status”; Spectrochim. Acta B 51 (1996) 1297

Contaminações durante a análise de traços� S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry; John Wiley & Sons, Inc., 2003

CONTEXTO: determinações de metais, compostos orgânicos voláteis

PRINCIPAIS FONTES:poeira e atmosfera ambiente, reagentes, frascos e

materiais que entram em contato com a amostra

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8) Considerações “finais”

Validação do procedimento de preparo de amostras

�Utilizar amostras de referência (preferencialmente amostras de Referência Certificadas)

� Comparar resultados analíticos com aqueles obtidos com métodos de referência ou oficiais (testes estatísticos)

� Participar de Ensaios Interlaboratoriais

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Referências consultadas

1) D. A. Skoog, D. M. West and F. J. Holler. Fundamentals of Analytical Chemistry; 7th Ed., Thomson Learning, 1996.

2) Hoening, M.; Kersablec, A. M. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomic Spectroscopy Methods: Present Status”, Spectrochim. Acta B, 51 (1996) 1297-1307.

3) J. Mendham, R. C. Denney, J. D. Barnes, M. Thomas. Vogel -Análise Química Quantitativa; 6a ed., LTC, 2002.

4) S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry; John Wiley & Sons, Inc., 2003.

5) Leite, F. “Amostragem Analítica em Laboratório”; Rev. Anal. 3 (2003) 52-59.

6) Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution and Future Trends”; J. Braz. Chem. Soc. 14(2003) 174-182.

7) Borowski, K. Tips and Techniques for Ethos Series Microwave LabStations; Milestone Inc., 2003.

8) D. C. Harris. Análise Química Quantitativa; 7a ed., LTC, 2008.9) F. J. Krug. Métodos de preparo de amostras: fundamentos sobre

o preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise elementar; 1ª ed., 2010.

10) Notas de aula do Prof Júlio César José da Silva, do DQ/ UFJF (www.ufjf.br/baccan).

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