BTEX e HPA No Ar Atmosférico

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

INSTITUTO DE CINCIAS EXATAS

DEPARTAMENTO DE QUMICA

Helvcio Costa Menezes

Belo Horizonte

2011

Anlise Ambiental de Benzeno e Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos

por Microextrao em Fase Slida e Cromatografia Gasosa Acoplada

Espectrometria de Massas

UFMG/ICEx/DQ.868

T. 369

HELVCIO COSTA MENEZES

Anlise Ambiental de Benzeno e Hidrocarbonetos Aromticos

Policclicos por Microextrao em Fase Slida e Cromatografia

Gasosa Acoplada Espectrometria de Massas

Tese apresentada ao Departamento de

Qumica do Instituto de Cincias Exatas da

Universidade Federal de Minas Gerais, como

requisito parcial obteno do grau de

Doutor em Cincias Qumica.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

BELO HORIZONTE

2011

i

Menezes, Helvcio Costa.

Anlise ambiental de benzeno e hidrocarbonetos

aromticos policlicos por microextrao em fase

slida e cromatografia gasosa acoplada

espectrometria de massas / Helvcio Costa Menezes.

2011.

xviii, 156 f. : il.

Orientadora: Zenilda de Lourdes Cardeal.

Tese (doutorado) Universidade Federal de Minas

Gerais. Departamento de Qumica.

Bibliografia: f. 124-148.

1.Qumica Analtica - Teses 2. Hidrocarbonetos

policclicos aromticos Teses 3. Extrao (Qumica)

Teses 4. Espectrometria de massa Teses 5. Anlise

ambiental Teses I. Cardeal, Zenilda de Lourdes,

Orientadora II. Ttulo.

CDU 043

iii

A conscincia um singular para o qual no existe plural.

Erwin Schrdinger

Ao meu pai Jao (in memorian)

Aos meus avs Vicente e Regina (in memorian)

iv

Agradecimentos

Ao Deus de nossos coraes pela Luz, Vida, e Amor.

professora Zenilda Cardeal pela orientao, estmulo, e amizade.

Ao professor Rodinei Augusti pela cooperao e disponibilidade na soluo de

problemas.

minha me Lourdes e irm Eliana pelo amor e carinho indispensveis para

prosseguir.

Angelita pela compreenso e apoio incondicional.

Secretaria Municipal de Meio Ambiente de Divinpolis pela cooperao, e em

especial ao Nivaldo pela colaborao com as amostras.

Leiliane pelo incentivo e colaborao.

Ao Vagner pela disponibilidade e cooperao junto ao CETEC.

Ao Hlio Anderson e Irene Yoshida pelo incentivo.

Aos amigos Denise, Eugnio, Ivan, Olmpio, e Rodrigo Rgis.

Aos companheiros dos Laboratrios 171 e 167, Amauri, Breno, Cludia, Isabela,

Jaqueline, Jlio, Jnia, Karla, Marcos, Maria Jos, Miriany, Natlia, Renata, Valria,

e Vanessa. Obrigado pela convivncia e amizade.

Aos alunos da FUNEDI/UEMG Luciano, Roberta, Rosimeire, e Suzana pela

colaborao nos trabalhos de campo.

A todos os fratres e sorores.

s agncias de fomento CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro.

v

RESUMO

Neste trabalho foram desenvolvidos e validados mtodos para quantificao de

benzeno no ar ambiente e no ar expirado, hidrocarbonetos aromticos policclicos

em material particulado atmosfrico, e naftaleno em ar ambiente. Foi utilizada a

tcnica de microextrao em fase slida para amostragem e pr-concentrao, e um

sistema de gerao de padro gasoso com tubos de permeao para construo

das curvas de calibrao para benzeno e naftaleno. As anlises foram efetuadas por

cromatografia gasosa com detector de espectrometria de massas. Para a extrao

dos hidrocarbonetos aromticos policclicos do material particulado atmosfrico por

microextrao em fase slida com fibra resfriada foi desenvolvido um novo

dispositivo de resfriamento. Aps a validao as metodologias desenvolvidas foram

aplicadas para anlises em amostras reais de ar ambiente em parques, avenidas,

escritrios, laboratrios e postos de revenda de combustveis na cidade de Belo

Horizonte-MG. Simultaneamente foram realizadas as anlises de benzeno no ar

expirado dos indivduos expostos ocupacionalmente. As anlises dos

hidrocarbonetos aromticos policclicos foram efetuadas em material particulado

coletado na cidade de Divinpolis-MG durante um perodo de seis meses. Os

mtodos desenvolvidos mostraram-se adequados para todas as determinaes

ambientais: benzeno no ambiente e no ar expirado, naftaleno no ambiente, e HAP no

material particulado atmosfrico. O mtodo para determinao dos HAP alm de

rpido e sensvel dispensa o uso de solventes txicos. Os resultados encontrados

evidenciaram correlaes significativas entre as concentraes de benzeno no

ambiente e no ar expirado dos indivduos ocupacionalmente expostos ao benzeno.

Aplicaes futuras da tcnica de microextrao em fase slida com fibra resfriada

incluem anlise de alimentos, gua, solo, plantas, e fludos biolgicos.

vi

ABSTRACT

This work shows the development and validation of methods for quantification of

benzene in ambient and exhaled air, polycyclic aromatic hydrocarbons in airborne

particulate matter, and naphthalene in ambient air. Solid phase microextraction was

used for sampling and preconcentration, and a system for generating standard gas

with permeation tubes was used to the construction of calibration curves for benzene

and naphthalene. The samples were analyzed by gas chromatography with mass

spectrometry detector. A new cooling device was developed to sampling polycyclic

aromatic hydrocarbons for there extraction from airborne particulate matter by cold

fiber solid phase microextraction. The validated methodologies were applied to the

analysis of real samples in ambient air of parks, streets, offices, laboratories and fuel

stations at the city of Belo Horizonte. In addition, analyses of benzene in exhaled air

of occupationally exposed individuals were performed simultaneously. The analysis

of polycyclic aromatic hydrocarbons were made into particulate matter collected at

the city of Divinpolis over a period of six months. The methods developed in this

study show to be suitable to environmental analysis for the determination of benzene

in ambient and exhaled air, naphthalene in the environment, and PAH in airborne

particulate matter. The results showed significant correlations between the

concentrations of benzene in ambient and exhaled air of subjects occupationally

exposed to benzene. The new method proposed for the determination of PAH is

sensitive, fast and furthermore dispense the use of toxic solvents. The technique of

cold fiber solid phase microextraction can be applied to other analyses including

food, water, soil, plants and biological fluids.

vii

LISTA DE FIGURAS

Pgina

Figura 2.1 Principais vias de biotransformao do benzeno

(CYP, citocromo P450; GSH, glutationa; MPO,

mieloperoxidase; NQO1, NAD(P)H: quinona

oxiredutase)

8

Figura 2.2 Estruturas dos 16 HAP listados pela Agncia de

Proteo Ambiental Americana

10

Figura 2.3 Principais biotransformaes do Benzo[a]pireno 15

Figura 2.4 Diagrama esquemtico de um impactador de

cascata

18

Figura 2.5 Perfil da excreo pulmonar de um solvente para

uma expirao simples

24

Figura 2.6 Classificao das tcnicas para amostragem e

anlise de VOC no ar

25

Figura 2.7 Componentes do dispositivo manual de SPME 28

Figura 2.8 Processo de extrao por adsoro com SPME

utilizando fibras porosas

31

Figura 2.9 Representao da extrao por SPME no modo

headspace (a), e por imerso direta (b)

32

Figura 2.10 Representao da extrao por SPME no modo

headspace com fibra resfriada. Adaptado

33

Figura 2.11 Representao do dispositivo de SPME com

adaptao para amostragem do ar expirado

34

Figura 2.12 Representao esquemtica de um tubo de

permeao com duas fases

39

Figura 2.13 Representao de amostras em um sistema de

coordenadas com duas variveis e mudana para

um novo sistema de variveis com Componentes

Principais (PC1 e PC2)

43

viii

Figura 2.14 Representao do mtodo HCA para a construo

de um dendograma

45

Figura 3.1 Fluxograma do sistema de gerao de vapores pelo

mtodo de permeao

56

Figura 3.2 Mapa com a localizao dos pontos de

amostragem nos parques (a) e avenidas (b) na

cidade de Belo Horizonte

58

Figura 3.3 Estudo do tempo necessrio para o sistema de

permeao se estabilizar em diferentes fluxos do

gs diluente

61

Figura 3.4 Cromatograma de massas do padro gasoso de

benzeno a 64,8 g m-3 por GC/MS, modo positivo,

em varredura completa (full scan: 50 200 m/z)

com extrao dos ions m/z 51 e 78.

62

Figura 3.5 Varincia das reas em funo da rea media dos

picos para a curva de calibrao do benzeno no ar

ambiente

62

Figura 3.6 Varincia das reas em funo da rea mdia dos

picos para a curva de calibrao do benzeno no ar

expirado

63

Figura 3.7 Curva de calibrao para benzeno no ar ambiente

com amostragem por SPME em cmara de

permeao e determinao por GC/MS

63

Figura 3.8 Curva de calibrao para benzeno no ar expirado

com amostragem por SPME em cmara de


65

Figura 3.9 Distribuio da concentrao (g m-3) de benzeno

no ar ambiente de (a) Parques, (b) Avenidas, (c)

Escritrios e Laboratrios, (d,e) Postos de revenda

de combustveis

66

Figura 3.10 Correlao entre Ln da concentrao de benzeno

no ar expirado e no ar dos escritrios e laboratrios

70

ix

Figura 3.11 Correlao entre Ln da concentrao de benzeno

no ar expirado e no ar dos postos de revenda

70

Figura 4.1 Representao esquemtica do dispositivo

construdo para extrao DI-CF-SPME.

77

Figura 4.2 Amostradores de grandes volumes para (a)

partculas totais em suspenso (TSP Total

Suspended Particles) modelo VFC-TSP, e (b)

material particulado (PM10 - particulate matter)

modelo VFC-PM10 da Thermo Scientific Inc.

79

Figura 4.3 Representao das superfcies de resposta obtidas

a partir da funo de Desejabilidade dos modelos

de regresso dos HAP.

82

Figura 4.4 reas obtidas para extrao em filtros de quartzo

fortificados com os 16 HAP no modo DI-SPME e

DI-CF-SPME.

83

Figura 4.5 Reconstituio dos cromatogramas de massas no

modo varredura completa (full scan: 50 300 m/z)

com seleo dos ons, aps extrao e anlise dos

HAP pelos mtodos (a) DI-CF-SPME-GC/MS e (b)

DI-SPME-GC/MS nas condies otimizadas. Discos

de fibra de quartzo fortificados com os HAP.

84

Figura 4.6 Representao da viso geral do mtodo DI-CF-

SPME-GC/MS para determinao de HAP em

material particulado atmosfrico.

85

Figura 5.1 Mapa com a localizao dos pontos de

amostragem (tringulos) Caic (P1), Ermida (P2),

Sidil (P3), Sersan (P4), e Porto Velho (P5), e as

indstrias siderrgicas (crculos de 1 a 8) na cidade

de Divinpolis

92

x

Figura 5.2 Concentrao (ng m-3) mdia dos HAP no material

particulado atmosfrico coletado em Divinpolis nos

perodos de maio a julho (n = 60) e agosto a

outubro (n = 65) de 2010.

96

Figura 5.3 Distribuio das razes entre as concentraes de

FLU/(FLU+PY) e IcdP / (IcdP + BPe) nos perodos

maio a julho (crculos) e agosto a outubro

(tringulos).

103

Figura 6.1 Representao esquemtica do dispositivo para

extrao do naftaleno com CF-SPME no sistema de

gerao de padres gasosos.

111

Figura 6.2 Cromatograma de massas do padro gasoso de

naftaleno a 64,8 g m-3 por GC/MS, modo positivo,

em varredura completa (full scan: 40 350) e

extrao do ion m/z = 128.

113

Figura 6.3 reas obtidas para o naftaleno em trs nveis de

concentrao (P1 = 14,30; P2 = 78,50; P3 =

120,90 g m-3) em extrao (n = 3) no sistema de

gerao de padres gasosos com fibra SPME

resfriada (CF-SPME) e sem resfriamento (SPME)

114

Figura 6.4 Curva de calibrao para naftaleno no ar ambiente

com amostragem por CF-SPME em cmara de


115

Figura 6.5 Distribuio das concentraes (g m-3) de

naftaleno no ar de ambientes externos (cilindros) e

internos (colunas)

117

xi

LISTA DE TABELAS

Pgina

Tabela 2.1 Nome comun, abreviao, frmula emprica,

massa molar, e nmero CAS para os HAP

11

Tabela 2.2 Presses de vapor (P), solubilidade em gua a 25

C (S), Logartimo do coeficiente de partio

octanol-ar (LogKOA), Logartimo do coeficiente de

partio octanol-gua (LogKOW), ponto de fuso

(PF) e ponto de ebulio (PE) dos 16 HAP

indicadores de poluio

12

Tabela 2.3 Carcinogenicidade, segundo a Agncia Internacional

de Pesquisa para o Cncer, Agncia de Proteo

Ambiental, e fatores de equivalncia de alguns HAP

presentes no ar ambiente

16

Tabela 2.4 Principais caractersticas das fibras utilizadas em

SPME

29

Tabela 2.5 Publicaes recentes com amostragem por SPME

de hidrocarbonetos aromticos no ar ambiente e

no ar expirado

35

Tabela 2.6 Nmero de experimentos e eficincia dos

planejamentos Composto Central, Box-Wilson,

Box-Behnken, e Doehlert

42

Tabela 2.7 Anlise de varincia para o ajuste pelo mtodo

dos mnimos quadrados ordinrio. n= nmero

total de observaes, p= nmero de parmetros

do modelo, m= nmero de nveis distintos da

varivel independente.

48

Tabela 3.1 Localizao dos pontos de amostragem nos parques (a) e avenidas (b) e as respectivas coordenadas geogrficas na cidade de Belo Horizonte.

59

Tabela 3.2 Concentrao (g m-3) de benzeno no ar

ambiente de parques, avenidas, escritrios e

laboratrios, postos de revenda de combustveis

66

xii

Tabela 3.3 Anlise de regresso linear para a relao de Ln

da concentrao de benzeno no ar ambiente de

escritrios e laboratrios (LnEO), postos de

revenda de combustveis (LnES) e o Ln de

benzeno no ar expirado dos trabalhadores de

escritrios e laboratrios (LnBO) e dos postos de

revenda (LnBS)

70

Tabela 4.1 Matriz experimental da extrao de HAP com os

valores codificados entre parnteses para o

planejamento fatorial 23

80

Tabela 4.2 Matriz experimental da extrao de HAP com os

valores codificados entre parnteses para o

planejamento Doehlert

81

Tabela 4.3 Linearidade, limite de deteco (LD) e limite de

quantificao (LQ) para determinao de HAP

pelo mtodo DI-CF-SPME-GC/MS

86

Tabela 4.4 Quantificao de HAP em poeira urbana SRM

1649b pelo mtodo DI-CF-SPME-GC/MS.

87

Tabela 4.5 Concentrao (ng m-3) mdia (n = 3) de HAP em

amostras de material particulado atmosfrico

coletadas na cidade de Divinpolis, MG

88

Tabela 5.1 Localizao dos pontos de amostragem (P1, P2,

P3, P4 e P5) e as indstrias siderrgicas (1 a 8)

com suas respectivas coordenadas geogrficas

na cidade de Divinpolis.

93

Tabela 5.2 Concentraes mdias dos HAP (ng m-3) e 16

HAP (ng m-3) em material particulado atmosfrico

coletado nos pontos Caic (n = 25), Ermida (n =

25), Sidil (n = 25), Sersan (n = 25), e Porto Velho

(n = 25)

95

xiii

Tabela 5.3 Mdias (n = 125) das concentraes dos HAP

para o perodo de maio a outubro, fatores de

equivalncia txica (TEF), equivalentes de

benzo[a]pireno (B[a]Peq), e % B[a]Peq

97

Tabela 5.4 Parmetros metereolgicos para a cidade de

Divinpolis durante os perodos de amostragem

maio a julho (n = 60) e agosto a outubro (n = 65)

99

Tabela 5.5 Matriz de correlao para a soma das

concentraes dos 16 HAP (16HAP), soma do

material particulado (MP), e parmetros

meteorolgicos de maio a outubro

100

Tabela 5.6 Razes entre as concentraes de HAP

selecionados nos perodos de maio a julho, e de

agosto a outubro

102

Tabela 5.7 Componentes principais, pesos dos fatores,

varincia explicada e estimativa de fontes para os

HAP nos perodos de maio a julho, e de agosto a

outubro

105

Tabela 5.8 Tipo de combustvel, consumo mdio mensal e

contribuio para o consumo total das principais

indstrias instaladas no permetro urbano de

Divinpolis em 2010

107

Tabela 6.1 Coeficientes de variao para repetitividade e

reprodutibilidade intermediria em trs nveis de

concentrao de naftaleno no ar ambiente

116

Tabela 6.2 Concentrao (g m-3) de naftaleno no ar de

ambientes externos e internos.

117

xiv

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ACGIH Conferncia Americana dos Higienistas Industriais

Governamentais (American Conference of Governmental

Industrial Hygienists)

ANOVA Anlise de Varincia

ANT Antraceno

APCI Ionizao Qumica Presso Atmosfrica (Atmospheric

Pressure Chemical Ionization)

B[a]Peq Equivalentes de Benzo[a]pireno

BaA Benzo[a]antraceno

BPe Benzo[g,h,i]perileno

CAR Carboxen

CAS (Chemical Abstracts Service)

CGxCG Cromatografia Gasosa Bidimensional Abrangente

(Compreensive Two-dimensional Gas Chromatography)

CMR Materiais de Referncia Certificados (Certified Materials

Reference)

CRY Criseno

CV Coeficiente de Variao

CW Polietilenoglicol (Carbowax)

CX Carboxen

CYP Citocromo P450

DI-CF-SPME SPME no Modo Imerso Direta com Fibra Resfriada (Direct

Imersion - Cold Fiber - Solid Phase Microextraction)

DNA cido Deoxirribonuclico (Deoxiribonucleic Acid)

DVB Divinilbenzeno

EI Impacto eletrnico (Eletronic Impact)

EPA Agncia de Proteo Ambiental (Environmental Protection

Agency)

EPC Equipamentos de Proteo Coletiva

ET Extrao Trmica

FEP Fator de Equivalncia do Potencial Carcinognico

xv

Ffaj Razo entre as Mdias Quadrticas da Falta de Ajuste e do

Erro Puro

FFD Planejamento Fatorial Completo (Full Fatorial Design)

FID Detectores de Ionizao por Chama (Flame Ionization

Detector)

FLU Fluoranteno

FR Razo entre as Mdias Quadrticas

GC Cromatografia Gasosa (Gas Chromatography)

GC/MS Cromatografia a Gs Acoplada Espectrometria de Massas

(Gas Chromatography-Mass Spectrometry)

GSH Glutationa

H Nmero de Habitantes

HAP Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos

HAP Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos

HCA Anlise Hierrquica de Agrupamentos (Hierarchy Clusters

Analysis)

HPLC Cromatografia Lquida de Alta Eficincia (High-Performance

Liquid Chromatography)

IARC Agncia Internacional para Pesquisa em Cncer (International

Agency for Research on Cancer)

IcdP Indeno[1,2,3-cd]pireno

IT Armadilha de ons (Ion Trap)

Koa Coeficiente de Partio Octanol-ar

Kow Coeficiente de Partio Octanol-gua

LD Limite de Deteco

LD Limite de Deteco

LER Limite de Exposio Recomendado

LnBO

Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar

Expirado dos Trabalhadores de Escritrios e Laboratrios

LnBS Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar

Expirado dos Trabalhadores de Postos de Revenda de

Combustveis

xvi

LnEO Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar

Ambiente de Escritrios e Laboratrios

LnES Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar de

Postos de Revenda de Combustveis

Log Logartimo Base 10

LQ Limite de Quantificao

LQ Limite de Quantificao

LT Limite Tcnico

MESI Extrao por Membrane com Interface Sorvente (Membrane

Extraction with a Sorbent Interface)

MIMS Espectrometria de Massas por Introduo via Membrana

(Membrane Introduction Mass Spectrometry)

MMQP Metodo dos Mnimos Quadrados Ponderado

MPO Mieloperoxidase

MQep Mdia Quadrtica do Erro Puro

MQfaj Mdia Quadrtica da Falta de Ajuste

MQR Mdia Quadrtica da Regresso

MQr Mdia Quadrtica dos Resduos

MS Espectrometria de Massas (Mass Spectrometry)

MSR Metodologia de Superfcies de Resposta

NC Nvel de Confiana

NIOSH Instituto Nacional de Sade e Segurana Ocupacional

(Ocupacional National Institute for Occupational Safety and

Health)

NIST Instituto Nacional de Pares e Tecnologia (National Institute of

Standards and Tecnologies)

NQO1 Quinona Oxiredutase

P Presses de Vapor

PA Poliacrilato

PC Componentes Principais (Principal Components)

PCA Anlise de Componentes Pricincipais (Principal Components

Analysis)

PDMS Polidimetilsiloxana

xvii

PE Ponto de Ebulio

PF Ponto de Fuso

PHE Fenantreno

PM10 Material Particulado com dimetro inferior a 10 m (Particulate

Matter)

PP Polipropileno

ppm Partes por milho

PTFE Polietrafluoretileno

PUF Espuma de Poliuretano (Polyurethane Foam)

PY Pireno

r Coeficiente de Correlao

R2 Coeficiente de Determinao

REL Limite de Exposio Recomendado (Recommended

Exposition Limits)

RSD Desvio Padro Relativo (Relative Standard Deviation)

S Solubilidade em gua

SPE Extrao em Fase Slida (Solid Phase Extraction)

SPMD Dispositivo com Membrana Semipermevel (Semipermeable

Membrane Device SPMD)

SPME Microextrao em Fase Slida (Solid Phase Microextraction)

SQep Soma Quadrtica do Erro Puro

SQfaj Soma Quadrtica da Falta de Ajuste

SQR Soma Quadrtica da Regresso

SQr Soma Quadrtica dos Resduos

SQT Soma Quadrtica Total

SRM Material de Referncia Padro (Standard Reference Material)

STEL Limite de Exposio em Curto Prazo (Short Term Exposure

Limit)

TEF Fator de Equivalncia Txica (Toxic Equivalent Factor)

TLV Limite de Exposio Ocupacional (Threshold Limit Value)

TSP Partculas Totais em Suspenso (Total Suspended Particles)

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

USA Estados Unidos da Amrica (United States of America)

xviii

UR Unidade de Risco

UV Ultra Violeta

VOC Compostos Orgnicos Volteis (Volatile Organic Compounds)

VRT Valores de Referncia Tecnolgicos

SUMRIO

Agradecimentos........................................................................................ iv

Resumo..................................................................................................... v

Abstract..................................................................................................... vi

Lista de Figuras........................................................................................ vii

Lista de Tabelas........................................................................................ xi

Lista de Abreviaturas e Siglas.................................................................. xiv

CAPTULO 1: RELEVNCIA E OBJETIVOS.......................................... 1

CAPTULO 2: ASPECTOS GERAIS........................................................ 5

2.1- Benzeno: Fontes de Exposio Humana e Toxicologia.................... 6

2.2- Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos: Propriedades e Fontes de Exposio Humana.......................................................................

9

2.3- Efeitos Txicos dos Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos.......... 14

2.4- Anlise dos Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos no Ar Ambiente ...........................................................................................

17

2.5- Anlise de Benzeno no Ar Expirado.................................................. 22

2.6- Tcnicas para Amostragem de Compostos Volteis no Ar............... 25

2.7- Amostragem por Microextrao em Fase Slida............................... 28

2.8- Gerao de Padres Gasosos.......................................................... 36

2.9- Mtodos Quimiomtricos................................................................... 40

2.9.1-Planejamento de Experimentos....................................................... 40

2.9.2- Anlise de Componentes Principais e Anlise Hierrquica de Agrupamentos.................................................................................

43

2.10- Validao de Mtodos de Ensaios Qumicos.................................. 45

CAPTULO 3: DETERMINAO DE BENZENO NO AR AMBIENTE E NO AR EXPIRADO...................................................................................

53

3.1-Material e Mtodos............................................................................. 54

3.1.1- Reagentes...................................................................................... 54

3.1.2- Equipamentos................................................................................. 54

3.1.3- Programas Computacionais........................................................... 54

3.1.4- Sistema Cromatogrfico................................................................. 55

3.1.5- Sistema de Gerao de Padres Gasosos.................................... 55

3.1.6- Coleta de Amostras Reais.............................................................. 58

3.2-Resultados e Discusso..................................................................... 60

3.2.1-Determinao do Tempo de Equilbrio do Sistema de Gerao de Padres...........................................................................................

60

3.2.2- Validao da Metodologia.............................................................. 61

3.2.3- Anlises no Ar Ambiente................................................................ 65

3.2.4- Anlises no Ar Expirado................................................................. 69

3.3- Concluso.......................................................................................... 71

CAPTULO 4: DETERMINAO DE HIDROCARBONETOS AROMTICOS POLICCLICOS EM MATERIAL PARTICULADO ATMOSFRICO.......................................................................................

73

4.1- Material e Mtodos............................................................................ 74

4.1.1- Reagentes...................................................................................... 74

4.1.2- Equipamentos................................................................................. 74



4.1.5- Planejamentos Experimentais........................................................ 76

4.1.6- Microextrao em Fase Slida com Fibra Resfriada...................... 77

4.1.7- Coleta de Amostras........................................................................ 78

4.2- Resultados e Discusso.................................................................... 80

4.2.1- Planejamentos e Procedimentos de Otimizao............................ 80


4.2.3- Anlises no Material Particulado Atmosfrico................................ 87

4.3- Concluso.......................................................................................... 89

CAPTULO 5: MONITORAMENTO DE HIDROCARBONETOS AROMTICOS POLICCLICOS EM MATERIAL PARTICULADO ATMOSFRICO........................................................................................

90


5.1.1- Reagentes...................................................................................... 91

5.1.2- Equipamentos................................................................................. 91



5.1.5-Coleta de Amostras......................................................................... 91

5.1.6- Anlises das Amostras................................................................... 94


5.2.1-Variao Sazonal dos HAP............................................................. 94

5.2.2-Distribuio das Fontes dos HAP.................................................... 101

5.5- Concluso.......................................................................................... 107

CAPTULO 6: DETERMINAO DE NAFTALENO NO AR AMBIENTE 109


6.1.1- Reagentes...................................................................................... 110

6.1.2- Equipamentos................................................................................. 110



6.1.5- Sistema de Gerao de Padres Gasosos.................................... 111

6.1.6- Coleta de Amostras........................................................................ 112



6.2.2- Anlises no Ar Ambiente................................................................ 116

6.3- Concluso.......................................................................................... 119

CAPTULO 7: CONSIDERAES FINAIS.............................................. 120

CAPTULO 8: REFERNCIAS................................................................. 124

ANEXOS................................................................................................... 149

Lista de Materiais Certificados.................................................................. 150

Lista de Trabalhos Apresentados em Eventos......................................... 154

Lista de Trabalhos Publicados e Submetidos para Publicao................ 156

1

Captulo 1

RELEVNCIA E OBJETIVOS

2

Captulo 1

O ser humano pode sobreviver algumas semanas sem alimento, alguns

dias sem gua, porm no sobrevive a mais de trs minutos sem ar. Podemos

recusar gua contaminada ou alimento suspeito, porm no conseguimos fazer

o mesmo em relao ao ar poludo. No entanto, o modelo de desenvolvimento

no sustentvel baseado na utilizao do carbono como fonte de energia

primria tem contribudo de forma significativa para a deteriorao da qualidade

do ar colocando em risco nossa sobrevivncia. A poluio atmosfrica um

dos problemas ambientais mais relevantes tanto nos pases em

desenvolvimento quanto nos desenvolvidos. Este problema se agrava em

compartimentos ambientais com grandes aglomerados humanos, como nas

regies metropolitanas, onde a queima clandestina de resduos slidos,

indstrias e a emisso de gases dos veculos provocam uma elevao

preocupante nos nveis de emisses dos compostos nocivos. Em reas

urbanas, as pessoas passam a maior parte do tempo em ambientes fechados,

o que contribui para aumentar a exposio aos poluentes presentes nesses

microambientes [1].

As emisses para o ar podem ser na forma slida, lquida ou gasosa. O

tempo de permanncia desses poluentes na atmosfera varia de minutos a

sculos. Devido disperso atravs das correntes de ar, a poluio

atmosfrica no se restringe s reas onde ocorrem as emisses. As fronteiras

regionais e nacionais so facilmente ultrapassadas e os efeitos podem ser

observados em escala global. Dentre os danos ao ambiente causados pela

poluio atmosfrica pode-se citar o aumento da acidez das guas da chuva, o

ataque aos materiais e vegetao, o aumento da temperatura mdia da

atmosfera e a diminuio da camada de oznio [2]. A interao dos poluentes

com o organismo humano aumenta, principalmente, a incidncia de doenas

respiratrias, circulatrias, neoplasias e mortes [3].

A avaliao da exposio ocupacional e ambiental aos agentes qumicos

condio essencial para minimizar seus efeitos na sade humana. Para isso,

so necessrias tcnicas analticas adequadas que permitam determinar tais

substncias qumicas no ambiente e atravs do biomonitoramento.

3

Captulo 1

O conceito de limite de exposio ou limite de segurana de uma

substncia txica procura estabelecer uma relao entre a dose e a resposta

produzida nos organismos expostos. Atualmente, h uma tendncia de se

considerar que no existe dose segura diferente de zero, principalmente para

as substncias classificadas como carcinognicas, como o caso do benzeno

e dos hidrocarbonetos aromticos policclicos (HAP) [4].

Efeitos adversos sade podem ser reduzidos de forma significativa

quando se detecta em tempo hbil uma exposio perigosa. O monitoramento

da exposio ocupacional e ambiental um procedimento que permite avaliar

parmetros biolgicos e/ou ambientais com o objetivo de implantar medidas de

preveno e controle adequados para a minimizao dos riscos sade [5].

Um indicador biolgico ou biomarcador toda substncia, ou seu

produto de biotransformao, ou quaisquer alteraes bioqumicas precoces,

cuja determinao esteja associada intensidade da exposio ou ao risco

sade [6]. A determinao da substncia txica ou seu produto de

biotransformao pode ser realizado em fludos biolgicos tais como sangue,

urina e ar expirado.

Atualmente, muitas pesquisas [7-9] sobre biomarcadores tm sido

desenvolvidas com o intuito de fazer frente ao grande desafio de estabelecer

relaes entre exposies a agentes qumicos ambientais, e doenas

desenvolvidas por exposies agudas e crnicas. Para validar a utilizao de

biomarcadores necessrio estabelecer a relao qualitativa e quantitativa

com a exposio qumica. Por isso, o monitoramento ambiental permite

verificar se as medidas de controle das emisses so adequadas para reduzir

as exposies, enquanto que o monitoramento biolgico possibilita avaliar se

existe segurana quando da exposio ao agente qumico no ambiente de

trabalho ou no meio ambiente [10]. O monitoramento biolgico alm de avaliar

a exposio global ao txico, permite considerar caractersticas individuais tais

como constituio fsica e predisposio gentica.

4

Captulo 1

O desenvolvimento de metodologias para amostrar e quantificar

hidrocarbonetos aromticos no ar ambiente e no ar expirado o tema principal

desta tese. A microextrao em fase slida foi a tcnica selecionada para a

amostragem. Para identificao e quantificao foi utilizada a cromatografia

gasosa acoplada espectrometria de massas. Os principais objetivos foram

determinar benzeno no ar ambiente e no ar expirado, utilizar o benzeno no ar

expirado como biomarcador de exposio ocupacional e ambiental, determinar

naftaleno no ar ambiente, determinar hidrocarbonetos aromticos policclicos

em material particulado atmosfrico, e, por fim, monitorar hidrocarbonetos

aromticos policclicos em material inalvel presente no ar ambiente do

municpio de Divinpolis, MG.

A tese apresentada em sete captulos. Nos aspectos gerais so

apresentados os fundamentos dos principais tpicos descritos no trabalho e

uma reviso bibliogrfica. Nos captulos 3 e 4 so apresentados materiais,

mtodos, e discusso dos resultados obtidos para determinao de benzeno

no ar ambiente e no ar expirado e hidrocarbonetos aromticos policclicos em

material particulado atmosfrico. O captulo 5 trata do monitoramento dos

hidrocarbonetos aromticos policclicos e da distribuio de fontes. O captulo 6

descreve materiais, mtodos, e discusso dos resultados obtidos para

determinao de naftaleno no ar ambiente. O captulo 7 refere-se concluso

geral do trabalho e, por fim, so listadas as referncias utilizadas.

5

Captulo 2

ASPECTOS GERAIS

6

Captulo 2

2.1 Benzeno: Fontes de Exposio Humana e Toxicologia

Benzeno um poluente primrio presente no ar atmosfrico, em

ambientes internos e externos. Vaporizaes e combusto incompleta de

gasolinas so suas principais fontes antropognicas [11, 12]. Indstria

petroqumica, processamento do coque, indstrias de tintas, de vernizes, de

plsticos e indstria farmacutica so atividades que tambm contribuem com

emisses para o ambiente [13]. Em ambientes internos, alm da queima de

cigarros [14], podem-se citar os carpetes, papeles e adesivos [15], bem como

a utilizao de carvo e biomassa para aquecimento e cozimento [16, 17].

A exposio ocupacional ocorre nas refinarias, indstrias de

transformao, siderurgias, laboratrios de anlise qumica, postos de

distribuio e revenda de combustveis, oficinas mecnicas e grficas. Os

trabalhadores envolvidos com a produo, o transporte e a comercializao de

combustveis esto expostos a diversos nveis de concentrao de benzeno

cujo teor mdio em gasolinas de 3% v/v. Alteraes nesse valor ocorrem

devido procedncia, a regulamentaes adotadas por cada pas e a

adulteraes com solventes aromticos [18].

Benzeno considerado carcinognico para humanos (1A) pela Agncia

Internacional para Pesquisa em Cncer (International Agency for Research on

Cancer - IARC) [19] e listado pela Organizao Mundial de Sade (World

Health Organization - WHO) [20] como composto de prioridade mxima.

Estudos tm mostrado que alm de ser fator de risco para leucemia, o benzeno

pode provocar alteraes hematolgicas significativas em pessoas expostas a

3,19 mg m-3 (101,3 kPa e 298 K) ou 1 ppm [21].

A intoxicao humana por benzeno pode ocorrer pelas vias respiratria,

cutnea e digestiva, no entanto a principal via a respiratria [22]. Na

intoxicao aguda, a maior parte retida no sistema nervoso central, enquanto

que na intoxicao crnica distribui-se pela medula ssea, fgado e tecidos

gordurosos. As intoxicaes agudas, em geral acidentais e graves,

caracterizam-se, sobretudo, pelos seus efeitos narcticos tais como tontura,

7

Captulo 2

desmaios e coma. A exposio prolongada ao benzeno provoca diversos

efeitos no organismo humano, destacando-se entre eles a mielotoxidade, a

genotoxidade e a sua ao carcinognica. So conhecidos, ainda, efeitos sobre

diversos rgos como o sistema nervoso central e os sistemas endcrino e

imunolgico [23].

Por se tratar de um composto genotxico e, portanto sem um limite

seguro de exposio, h uma tendncia mundial em se reduzir o mximo

possvel a exposio ocupacional e ambiental ao benzeno. O Limite de

Exposio Ocupacional (Threshold Limit Value - TLV) de 1,60 mg m-3, mdia

ponderada pelo tempo, recomendado pela Conferncia Americana de

Higienistas Industriais (American Conference of Industrial Hygienists - ACGIH)

[24] tem diminudo de forma significativa nas ltimas dcadas, em 1946 esse

limite era 319 mg m-3. O Instituto Nacional de Sade e Segurana Ocupacional

(NIOSH-USA Ocupacional National Institute for Occupational Safety and

Health United States of America) (NIOSH-USA) estabeleceu o Limite de

Exposio Recomendado (Recommended Exposition Limits REL) de 0,32

mg m-3 mdia ponderada pelo tempo, e o Limite de Exposio em Curto Prazo

(Short Term Exposure Limit STEL) com 15 minutos de exposio de 3,19

mg m-3 [25]. Na Alemanha, adota-se um Limite Tcnico (LT) de 3,19 a 8 mg m-3

[26]. No Brasil, a exemplo da Alemanha, a legislao trabalhista adota Valores

de Referncia Tecnolgicos (VRT) de 3,19 mg m-3 [27].

O aumento gradativo da concentrao de benzeno em atmosferas

urbanas, com picos de concentrao que excedem vrias vezes os limites

recomendados, tem indicado que a exposio em ambientes no ocupacionais

deve receber ateno especial. Pois alm de se tratar de composto

reconhecidamente carcinognico, o nmero de pessoas expostas muito

maior em relao aos ambientes ocupacionais. H tambm a necessidade de

proteo especial para a parcela mais sensvel da populao tais como

crianas, gestantes e idosos [28].

8

Captulo 2

A Comunidade Europeia, com base nas orientaes e recomendaes

da Organizao Mundial de Sade, reconheceu a necessidade de reduzir a

poluio atmosfrica para nveis que minimizem os efeitos na sade humana e

no ambiente na sua globalidade. Para o benzeno, foi inicialmente fixado o

valor-limite de 5 g m-3 [29] como mdia anual, que foi reduzida a zero a partir

de 2010. Trata-se, portanto, de uma diretiva particularmente importante para

identificar e implementar medidas mais eficazes de reduo nas emisses de

benzeno. Convm ressaltar que valores para exposies de longo tempo de

durao no consideram que em reas urbanas as pessoas, de um modo

geral, ficam a maior parte do tempo em ambientes internos e quando esto em

ambientes externos so submetidos a altos nveis de benzeno, principalmente,

quando esto dentro de veculos em trnsito [30].

Figura 2.1 - Principais vias de biotransformao do benzeno (CYP, citocromo P450; GSH, glutationa; MPO, mieloperoxidase; NQO1, NAD(P)H: quinona oxiredutase). [19].

9

Captulo 2

Devido a sua baixa polaridade, o benzeno apresenta alta solubilidade

em lipdios, portanto se acumula preferencialmente em tecidos adiposos. A

biotransformao do benzeno (Figura 2.1) ocorre principalmente no fgado e na

medula ssea. Os seus metablitos fenlicos so mais txicos que o prprio

benzeno [31].

A ao mielotxica dos metablitos quinnicos catecol e hidroquinol

se deve a reao desses derivados com os cromossomos, provocando

alteraes morfolgicas e interferindo na diviso celular. O cido trans-trans-

mucnico possui estrutura qumica que possibilita uma atividade alquilante e

capacidade de produzir ligaes cruzadas com protenas e o cido

deoxirribonuclico (Deoxiribonucleic Acid - DNA) [32].

A avaliao do risco de exposio ao benzeno pode ser feita pelo

monitoramento ambiental ou ocupacional desse composto bem como pela

utilizao de indicadores biolgicos de exposio em sangue, urina, pele ou ar

expirado. Alm do benzeno no metabolizado, tem-se utilizado o cido trans-

trans-mucnico [33, 34], cido S-fenilmercaptrico [35, 36] e adutos do

benzeno com albumina ou hemoglobina [37, 38]. A determinao de benzeno

no metabolizado em sangue, urina e ar expirado possibilita considerar tanto

rotas conhecidas quanto desconhecidas de entrada no organismo, picos

inesperados de concentrao e diferenas genticas individuais [39].

2.2 Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos: Propriedades e

Fontes de Exposio Humana

Os hidrocarbonetos aromticos policclicos (HAP) so membros de uma

classe de compostos que esto presentes em diversos compartimentos

ambientais. No ar so encontrados tanto em ambientes internos quanto

externos. A maioria desses compostos apresentam comprovadas propriedades

cancergenas e mutagnicas [40].

10

Captulo 2

Sua natureza ubqua est evidenciada no fato de que os dezesseis HAP,

mostrados na Figura 2.2, so considerados poluentes prioritrios pela Agncia

de Proteo Ambiental Americana (Environmental Protection Agency-United

States of America - EPA-USA) [41]. Recentemente a Unio Europeia, com o

objetivo de evitar e prevenir os efeitos adversos dos HAP sade e ao

ambiente, estabelece o valor alvo de 1 ng m-3 para o benzo[a]pireno no ar

ambiente e recomenda o monitoramento do benzo[a]antraceno,

benzo[b]fluoranteno, benzo[k]fluoranteno, benzo[b]fluoranteno, indeno[1, 2, 3-

cd]pireno e dibenzo[a,h]antraceno [42].

Figura 2.2 - Estruturas dos 16 HAP preconizados pela Agncia de Proteo

Ambiental Americana como poluentes prioritrios.

Os HAP so formados pela condensao de dois ou mais anis

aromticos. Na atmosfera, esses compostos podem ocorrer na forma de gases,

adsorvidos/absorvidos em material particulado, ou ainda distribudos entre as

11

Captulo 2

fases gs-partcula, como o caso dos semivolteis. A partio gs-partcula

depende principalmente da massa molar. Os HAP com baixas massas se

concentram na fase gasosa enquanto aqueles com altas massas se associam

ao material particulado. A Tabela 2.1 mostra o nome comum, abreviao,

frmula emprica, massa molar, e nmero CAS (Chemical Abstracts Service)

para os 16 HAP considerados poluentes prioritrios.

Tabela 2.1 Nome comum, abreviao, frmula emprica, massa molar, e

nmero CAS para os HAP

Devido baixa polaridade, a solubilidades dos HAP em gua

geralmente baixa. Entretanto, seus derivados oxidados tais como cidos, fenis

e cetonas so mais polares, portanto mais solveis em gua. Os pontos de

fuso apresentam uma ampla faixa de variao e os pontos de ebulio so

acima de 200 C. Muitos desses compostos sublimam temperatura ambiente.

A presso de vapor tambm apresenta uma ampla faixa de variao. Os

coeficientes de partio octanol-ar e octanol-gua so determinantes para a

distribuio dos HAP nos diversos compartimentos ambientais e decisivos para

estabelecer planos de amostragem.A Tabela 2.2 fornece algumas propriedades

fsico-qumicas de interesse para os HAP indicadores de poluio.

Nome Comum Abreviao Frmula

Emprica

Massa

Molar

Nmero

CAS

Naftaleno NA C10H8 128,16 91203

Acenaftileno AcPy C12H8 152,20 208968

Acenafteno AcP C12H10 154,21 83329

Fluoreno FL C13H10 166,22 86737

Fenantreno PHE C14H10 178,22 85018

Antraceno Ant C14H10 178,22 120127

Fluoranteno FLU C16H10 202,26 206440

Pireno PY C16H10 202,26 129000

Benzo(a)antraceno BaA C18H12 228,29 56553

Criseno CRY C18H12 228,29 218019

Benzo[b]fluoranteno BbF C20H12 252,32 205992

Benzo[k]fluoranteno BkF C20H12 252,32 207089

Benzo[a]pireno BaP C20H12 252,32 50328

Indeno[1,2,3-cd]pireno IcdP C22H12 276,34 193395

Dibenzo[ah]antraceno dBAn C22H14 278,35 53703

Benzo[ghi]perileno BPe C22H12 276,34 191242

12

Captulo 2

Uma vez na atmosfera os HAP participam de diversas reaes qumicas,

produzindo derivados oxigenados e nitrogenados mais txicos que os

compostos de origem [43]. As reaes dos HAP quando expostos ao ambiente

so preferencialmente de adio e substituio para manter o sistema

conjugado aps a reao. O tipo de ambiente ir determinar as condies para

que as reaes ocorram [44].

Tabela 2.2 Presses de vapor (P), solubilidade em gua a 25C (S),

Logaritmo do coeficiente de partio octanol-ar (Log Koa), Logaritmo do

coeficiente de partio octanol-gua (Log Kow), ponto de fuso (PF) e ponto de

ebulio (PE) dos 16 HAP indicadores de poluio.

Os HAP presentes em partculas provenientes da queima de madeira,

devido presena de xidos inorgnicos tais como silcio e alumnio, decaem

mais rapidamente do que aqueles provenientes dos gases de exausto dos

veculos automotores [45]. Alm da estrutura qumica, origem, estado fsico, as

reaes desses compostos na atmosfera so afetadas pela presena de outros

poluentes tais como oznio, xidos de nitrognio, xidos de enxofre e por

fatores metereolgicos como irradiao solar e umidade relativa [46, 47].

Composto P

(mmHg) S

(g/L) Log KOA Log KOW

PF (C)

PE (C)

Naftaleno 7,8x10-2

31700 5,13 3,37 80,2 217,9

Acenaftileno 6,7x10-3

16100 - 4,00 92-93 270

Acenafteno 2,2x10-3

3800 6,23 4,00 96,2 279

Fluoreno 6,0x10-4

1900 6,68 4,18 116,5 294

Fenantreno 1,2x10-4

45 7,45 4,57 100 340

Antraceno 6,0x10-6

73 7,34 4,54 218 342

Pireno 4,5x10-6

135 8,43 5,18 156 399

Fluoranteno 9,2x10-6

260 8,60 5,22 110 -

Benzo[a]antraceno 2,1x10-7

14 10,8 5,91 158,5 -

Criseno 6,4x10-9

2 10,44 5,75 255,5 -

Benzo[a]pireno 5,6x10-9

1,6 11,13 6,04 117 311

Benzo[b]fluoranteno - 1,5 - 5,8 168 -

Benzo[k]fluoranteno 3,9x10-10

0,8 11,19 6,00 217 480

Benzo[g,h,i]perileno - 0,3 - 6,5 273 -

Indeno[1,2,3-cd]pireno - 0,2 - - 162 -

Dibenzo[a,h]antraceno 3,7x10-10

0,6 13,91 6,75 262 -

Fonte: adaptado [43]

13

Captulo 2

Os HAP so formados a partir da pirlise de compostos que contenha

estruturas cclicas, combusto incompleta de compostos orgnicos e processos

de biossntese. O mecanismo de formao dos HAP a partir de combustes

incompletas bastante complexo e envolve a formao de radicais livres na

zona redutora da chama. Os fragmentos combinam-se rapidamente para

formar molculas aromticas parcialmente condensadas. Com o resfriamento,

a mistura dos HAP condensa-se em um substrato particulado [48].

A distribuio dos HAP em relao ao tamanho das partculas depende

da massa molar. Compostos de maior massa molar, geralmente, esto

associados a partculas de menor tamanho [49]. Na fase gasosa predominam

os HAP volteis com dois anis e os semivolteis com trs e quatro anis.

Associados ao material particulado esto os HAP semivolteis mais pesados

contendo cinco e seis anis.

Dentre as principais fontes antropognicas desses compostos, pode-se

citar a combusto incompleta de gasolina e de diesel, processos de

incinerao, queima de biomassa, gaseificao do carvo, produo do

alumnio, ferro e ao e queima do tabaco. As fontes naturais so os vulces,

processos hidrotrmicos e incndios florestais [50]. O tipo de fonte emissora

determina a composio e a complexidade da mistura dos HAP obtida. As

fontes estacionrias contribuem com a maior parte da emisso total dos HAP

para a atmosfera, entretanto nos grandes centros urbanos as fontes mveis

prevalecem [51]. O elevado nvel desses compostos em aglomerados urbanos

se deve principalmente ao aumento do trfego veicular e a dificuldade de

disperso dos poluentes [52]. A estabilidade de muitos HAP aliada a

turbulncias na atmosfera, variaes na direo e velocidade dos ventos, faz

com que esses compostos possam ser transportados grandes distncias

atingindo receptores bem afastados dos pontos onde foram emitidos, portanto

o monitoramento em escala local, regional e continental faz-se necessrio [53,

54].

14

Captulo 2

2.3 Efeitos Txicos dos Hidrocarbonetos Aromticos

Policclicos

Os HAP so absorvidos por inalao, por via oral e por exposio

drmica. A exposio drmica significativa em algumas atividades industriais,

podendo alcanar at 90% da quantidade absorvida pelo organismo. A

absoro cutnea ocorre de forma rpida por difuso passiva [55].

Uma vez absorvidos pelo organismo esses compostos se distribuem por

todos os rgos. Os rgos formados por tecidos adiposos tendem a

armazenar os HAP que so lipossolveis. Estudos mostram que devido

excreo hepatobiliar o trato gastrointestinal apresenta nveis elevados de

metablitos independente da via de acesso ao organismo. A biotransformao

geralmente lenta, quando os HAP esto associados a partculas respirveis

(dimetro aerodinmico menor que 10 m) entretanto, na ausncia desta

associao a degradao pode ocorrer em at uma hora aps a exposio.

O metabolismo dos HAP geralmente envolve a formao de fenis ou

diis por epoxidao das ligaes duplas e derivados hidroxilados podem

conjugar com glutationa, sulfatos ou cido glicurnico. Reaes de oxidao,

reduo, hidrlise e conjugao dos HAP envolvem, alm do sistema

enzimtico citocromo P450, vrias outras enzimas distribudas em diferentes

rgos. Aps reaes de oxidao, a polaridade dos produtos oxigenados

aumenta, tornando-os mais solveis em gua, e cria stios para ligaes com

grupos mais volumosos. Alguns desses grupos podem causar danos genticos

antes de serem excretados [56].

As bases nucleoflicas do DNA so capazes de reagir com o carbono

benzlico dos derivados dihidrodiolepxidos e iniciarem um processo

mutagnico. Reaes semelhantes podem ocorrer com a albumina e a

hemoglobina. Vrias enzimas envolvidas no metabolismo dos HAP apresentam

distribuio polimrfica o que pode alterar a razo entre ativao e

desativao, aumentando, assim, o risco de desenvolvimento de cncer [57].

15

Captulo 2

Entre os HAP o benzo[a]pireno foi um dos primeiros compostos a ser

identificado como carcinognico [58]. A biotransformao do benzo[a]pireno

est representada simplificadamente na Figura 2.3. Na primeira fase da

biotransformao, a enzima P450-monoxidase catalisa a produo dos

epxidos (1), que ao sofrerem rearranjo formam fenis (2) ou di-hidrodiis (3).

Alguns fenis obtidos podem ser oxidados foma quinona (4), ou por hidrlise

formarem fenol di-hidrodiis (5).

A oxidao sucessiva dos di-hidrodiis leva a formao do fenol di-

hidrodiol (7) que pode hidrolisar espontaneamente em tetris (8). Na segunda

fase, ocorrem as reaes de conjugao dos fenis, quinonas, di-hidrodiis e

fenol di-hidrodiis com sulfatos e glicurnicos [59]. A urina e as fezes so as

principais vias de eliminao dos produtos de biotransformao dos HAP.

Figura 2.3 Principais biotransformaes do Benzo[a]pireno. Adaptado [59]

Os HAP com cinco ou seis anis tm apresentado um maior potencial

carcinognico do que aqueles com menos anis. Recentemente, foi proposto

um fator de equivalncia para avaliar o potencial dos HAP para induzir cncer,

16

Captulo 2

tomando como referncia o Benzo[a]pireno (fator 1,00) [60]. A Tabela 2.3

mostra a carcinogenicidade de acordo com a IARC-USA e a EPA-USA, e o

fator de equivalncia em relao ao Benzo[a]pireno para avaliao do potencial

carcinognico de alguns HAP comumente presentes no ar ambiente.

Tabela 2.3 Carcinogenicidade, segundo a Agncia Internacional de Pesquisa

para o Cncer (International Agency for Research on Cancer IARC), Agncia

de Proteo Ambiental (Environmental Protection Agency EPA) e fatores de

equivalncia de alguns HAP presentes no ar ambiente.

a I = evidncias inadequadas, L = evidncias limitadas, S = evidncias suficientes. [61] b 2A = evidncias adequadas, 2B= possibilidade de carcinognese, 3 = no classificado. [61] c B2 = evidncias suficientes para animais e evidncias inadequadas para estudos epidemiolgicos. NC = no classificado. [62] d FEP = Fator de Equivalncia do Potencial Carcinognico em relao ao Benzo[a]pireno. [63]

A exposio aos HAP pode ser biomonitorada atravs da determinao

de compostos individuais, misturas ou metablitos. Biomarcadores

relacionados sua ao txica podem ser determinados na urina, entretanto os

nveis encontrados para esses compostos so bem menores do que aqueles

excretados pelas fezes. O tempo de meia vida dos metablitos para a excreo

urinria apresenta uma ampla faixa de variao [64].

Composto

Classificao IARCa

Classificao EPA

c

FEPd Animais

a Humanos

b

Benzo[a]antraceno S 2A B2 0,005

Criseno L 3 B2 0,03

Benzo[a]pireno S 2A B2 1,00

Benzo[b]fluoranteno S 2B B2 0,05

Benzo[k]fluoranteno S 2B B2 0,05

Benzo[g,h,i]perileno I - - 0,02

Indeno[1,2,3-cd]pireno S 2B - 0,1

Dibenzo[a,h]antraceno S 2A NC 0,4

17

Captulo 2

Em exposies ocupacionais, a amostragem deve ser feita no final da

jornada de trabalho. O hbito de fumar deve ser sempre levado em

considerao ao se realizar biomonitoramento da exposio aos HAP.

O pireno um dos HAP mais abundantes em emisses de combustes,

por isso tem-se utilizado o 1-hidroxipireno como biomarcador urinrio para

avaliar exposio de trabalhadores expostos a emisses de combustveis

fsseis, entretanto grandes variaes so observadas entre os indivduos

expostos, possivelmente devido a variaes individuais das taxas de

biotransformao [65]. Em trabalho recente realizado com cem trabalhadores

de incineradores de material orgnico foi encontrado 1-hidroxipireno na urina

em concentraes na faixa 0,01 a 0,25 g por grama de creatinina na urina

[66]. Outros metablitos hidroxilados do naftaleno, fluoreno, fenantreno,

criseno, antraceno e benzo[a]pireno esto sendo propostos para avaliar a

exposio aos HAP [67- 69].

2.4 Anlise dos Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos no Ar

Ambiente

A anlise dos HAP em ar ambiente um desafio analtico devido aos

baixos nveis, complexidade e diversidade de fases da matriz e presena

de ismeros. A grande faixa de variao da presso de vapor desses

compostos e a reatividade com outros poluentes presentes no ar requerem

cuidados e critrios bem definidos para realizao da amostragem. A partio

entre fases depende, principalmente, da massa total de material particulado em

suspenso, do tamanho das partculas e da temperatura [70].

Para amostragem dos HAP so utilizados mtodos ativos ou passivos.

Os mtodos ativos fazem uso de bombas que aspiram o ar sob fluxo constante.

Quando se utiliza fluxos de 0,3 a 1,5 m3 min-1 so necessrios amostradores de

grandes volumes (High Volum), mais indicados para ambientes externos. Para

fluxos mdios de 0,001 a 0,003 m3 min-1, utilizam-se amostradores de baixos

volumes.

18

Captulo 2

Nos mtodos passivos a amostra deve-se difundir atravs de uma

superfcie [71]. Estes mtodos se aplicam principalmente aos HAP na fase de

vapor e so bastante teis para amostragem em ambientes ocupacionais.

Para coleta de HAP no material particulado so utilizados filtros de fibra

de vidro, teflon e fibra de quartzo. Desses materiais, o mais utilizado o de

fibra de vidro devido principalmente ao baixo custo e facilidade de limpeza,

que pode ser feita com solventes ou pr-aquecimento a 500 C. Os filtros de

fibra de vidro quando comparados a filtros de teflon, tendem a reter maiores

nveis dos HAP mais volteis. Isso ocorre provavelmente devido a menor

queda de presso observada nos filtros de fibra de vidro [72].

A amostragem de HAP em material particulado com classificao por

tamanho da partcula pode ser feita com impactadores tipo cascata, como

mostrado no diagrama esquemtico da Figura 2.4. Nesses equipamentos,

vrias placas so sobrepostas com orifcios de tamanhos variveis. Ao passar

por essas placas ou estgios, o fluxo do ar aumentado pela diminuio das

dimenses das aberturas e provoca desvios de rota. A coleta ocorre por meio

da fora inercial que as partculas ficam sujeitas durante as mudanas de

trajetria do fluxo de ar. Nesse tipo de equipamento, possvel coletar

partculas com dimetros na faixa de 0,5 a 30 m.

Figura 2.4 - Diagrama esquemtico de um impactador de cascata. Adaptado

[73]

19

Captulo 2

Durante a amostragem do material particulado ocorre volatilizao dos

HAP com baixa presso de vapor. Em um perodo de 24 horas de amostragem,

estas perdas podem ser de at 85%. Para avaliar a partio entre as fases gs-

partcula, tem-se utilizado espuma de poliuretano (Polyurethane Foam - PUF),

aps o filtro para absoro dos compostos volteis e semivolteis.

Alternativamente podem ser utilizados filtros impregnados com materiais

absorventes, tubos com slidos adsorventes tais como Tenax (polmero poroso

de xido de 2,6-difenileno) e XAD-2 (coopolmero de poliestireno) ou

armadilhas criognicas [74]. Perdas tambm ocorrem por reaes dos HAP

com poluentes tais como oznio e xidos de enxofre e nitrognio. Essas perdas

so minimizadas pela utilizao de pr-filtros. A diminuio do tempo de

amostragem reduz perdas por volatilizao e reaes paralelas.

Aps a amostragem, os HAP devem ser extrados dos filtros para

posterior anlise. Essa etapa geralmente lenta, alm de ser uma das

principais fontes de erros quando se trabalha com nveis de traos. A extrao

Soxhlet, agitao ultrassnica, extrao com fludo supercrtico e extrao com

microondas so os mtodos mais utilizados para essa finalidade. Na extrao

Soxhlet so utilizados solventes ou misturas de solventes, o ciclohexano mais

seletivo para os HAP enquanto metanol extrai tambm quantidades apreciveis

de outros compostos, principalmente aqueles que apresentam maior polaridade

[75]. O tempo de extrao varia de 6 a 24 horas e no pode haver contato com

a luz para evitar reaes fotolticas. Uma vez observadas essas condies, o

rendimento pode se aproximar de 100% [76].

A extrao por agitao ultrassnica apresenta rendimento semelhante

ao Soxhlet, porm requer menor tempo de extrao, em geral de 20 a 30

minutos, o que leva a melhor reprodutibilidade [77]. Entretanto, ambos os

mtodos de extrao apresentam baixa eficincia para os HAP com altas

massas molares. Alternativamente, pode-se extrair HAP com fludo

supercrtico, o que melhora as condies de solvatao, aumenta a razo de

transferncia de massa e facilita a concentrao dos extratos [78].

20

Captulo 2

O gs carbnico o fludo mais utilizado para extrao dos HAP devido,

principalmente, aos baixos valores do ponto crtico (304,3 K e 7386 kPa), por

ser atxico, no inflamvel e de baixo custo [79]. Entretanto, a baixa polaridade

do gs carbnico limita sua capacidade de extrair os HAP fortemente

adsorvidos no material particulado.

A extrao com micro-ondas se baseia na absoro da energia com

frequncias mdias de 918 MHz ou 2,45 GHz para facilitar a difuso dos

compostos para o solvente [80]. O processo de absoro seletivo, pois

depende da constante dieltrica, e em se tratando de solventes apolares com

baixas constantes dieltricas no ocorre aquecimento mediante a incidncia de

micro-ondas. Para facilitar a ruptura da matriz e aumentar a migrao dos

compostos para o solvente comum adicionar a matriz uma substncia com

alta constante dieltrica. Esse procedimento de aquecimento localizado no

possvel em sistemas de aquecimento convencionais. As principais vantagens

[81] da extrao com micro-ondas so menor tempo de extrao, menores

quantidades de solventes, maior nmero de amostras extradas

simultaneamente e maior seletividade.

Para identificao e anlise dos HAP, as tcnicas mais utilizadas so a

cromatografia lquida de alta eficincia (High-Performance Liquid

Chromatography HPLC) e a cromatografia gasosa (Gas Chromatography

GC). Na HPLC, os detectores de fluorescncia e UV/Visvel so usados em

comprimentos de onda especficos para deteco seletiva dos HAP.

Geralmente a fase mvel uma mistura de acetonitrila com gua e a fase

estacionria a C18. A utilizao de colunas de fase polimrica com ligaes

cruzadas tende a melhorar a resoluo. A principal vantagem da tcnica HPLC

est na possibilidade de analisar os HAP com massas molares maiores [82].

A cromatografia gasosa para anlise de HAP faz uso de colunas

capilares com fase estacionria de polisiloxanas que podem ser aquecidas at

280 C e detectores de ionizao por chama (Flame Ionization Detector FID),

ou de espectrometria de massas (Mass Spectrometry MS).

21

Captulo 2

A grande vantagem da GC quando comparada HPLC a maior

eficincia na separao dos HAP. Para quantificao fundamental a

utilizao de materiais de referncia certificados para validar os resultados

obtidos [83].

Geralmente para determinao dos HAP em ar ambiente, os mtodos

EPA TO-13A e NIOSH 5515 so os mais utilizados [84, 85]. Esses mtodos

utilizam amostradores de grandes volumes com tubos coletores de fibra de

poliuretano. Aps a amostragem os HAP so extrados pelo processo Soxhlet,

concentrados em um evaporador Kuderna-Danish e posteriormente analisados

por HPLC. Estas metodologias no so indicadas para HAP com altas

presses de vapor, pois so fracamente retidos pela fibra de poliuretano e,

portanto, apresentam baixas porcentagens de recuperao.

Em ar urbano os HAP podem ser amostrados atravs de um amostrador

de grande volume com um tubo adsorvente de XAD-2, extrao ultrassnica

realizada com diclorometano, hexano e acetona a fim de serem efetuadas

anlises por Cromatografia a Gs acoplada Espectrometria de Massas (Gas

Chromatography-Mass Spectrometry GC/MS) [86, 87]. Processo semelhante

utilizado para determinao de HAP em emisses de fornos de carvo [88].

Amostradores de grande volume com reteno em tubos de XAD-2 so

tambm utilizados para determinao de HAP em emisses de motores a

diesel [89]. Extrao de HAP de material particulado com dimetro inferior a 10

m (Particulate Matter PM10) de rea residencial e industrial pode ser feita

utilizando ciclohexano como solvente e anlise em sistema GC/MS [90]. Pode-

se realizar tambm determinao de HAP em material particulado de zona rural

[91].

O desenvolvimento de dispositivos com membrana semipermevel

(Semipermeable Membrane Device SPMD) tem permitido a amostragem

passiva de HAP presentes no ar [92, 93]. Esta tcnica possibilita a amostragem

de HAP e nitro-HAP em ar de regies urbanas e rurais, seguida de extrao

com ciclopentano/diclorometano e anlise por GC/MS [94].

22

Captulo 2

A extrao trmica (ET) com posterior anlise por GC/MS um mtodo

alternativo para determinao de HAP em material particulado. Extraes

tpicas requerem temperaturas da ordem de 300 C. Com esta metodologia,

pode-se avaliar a extenso da reteno dos HAP de altas massas molares pelo

material particulado principalmente os provenientes de regies urbanas,

contendo altos teores de carbono [95]. Pode-se determinar HAP em aerossol

por introduo direta da amostra e dessoro trmica em um sistema GC/MS

convencional [96]. A tcnica de ionizao qumica presso atmosfrica

(Atmospheric Pressure Chemical Ionizatio APCI) tem sido adaptada para

determinao de HAP em ar ou material particulado por introduo direta da

amostra [97].

possvel tambm identificar e quantificar HAP e oxi-HAP em material

particulado atravs de Cromatografia Gasosa Bidimensional Abrangente

(Compreensive Two-dimensional Gas Chromatography GCxGC) com

detectores FID e MS. Amostradores de grandes volumes coletam o material

particulado em filtros de fibra de vidro, os analitos so extrados em sistema de

extrao em fase slida para melhorar o limite de deteco [98]. A tcnica

GCxGC facilita a resoluo dos picos gerados por matrizes complexas como

o caso do ar atmosfrico. Esta tcnica apresenta grandes potencialidades para

identificar e quantificar analitos em amostras ambientais [99 -101].

2.5 Anlise de Benzeno no Ar Expirado

Os primeiros relatos da utilizao do ar expirado para avaliar exposio

ocupacional so de 1930, desde ento vrios estudos vem sendo realizados

mostrando as aplicaes da tcnica na rea clnica e toxicolgica. A aplicao

mais comum a anlise do etanol no ar expirado de motoristas no trnsito.

Alm disso, a anlise do ar expirado pode ser utilizada para diagnosticar

doenas tais como cncer, diabetes, cardiopatias e distrbios inflamatrios

[102].

23

Captulo 2

As rpidas trocas gasosas que ocorrem nos pulmes permitem a

eliminao de substncias com altas presses de vapor e baixa solubilidade no

sangue. O equilbrio que se estabelece entre as fases sangue capilar pulmonar

e ar alveolar permite correlacionar as concentraes de benzeno presente em

cada uma dessas fases, atravs do coeficiente de partio sangue e ar alveolar

que de 7,4 [103]. Fatores tais como difuso, adsoro, ventilao,

temperatura, tcnica de expirao, metabolismo e composio do sangue

influenciam o equilbrio de fases nos pulmes e, portanto, a concentrao no ar

expirado [104].

Alguns trabalhos tm demonstrado correlaes significativas entre as

concentraes de benzeno no ambiente e no ar expirado, tais como os estudos

efetuados com mecnicos [105], fumantes ativos [106] e fumantes ativos e

passivos [107]. Devido a meia vida relativamente curta do benzeno no

organismo, as correlaes obtidas entre a concentrao no ambiente e no ar

expirado devem refletir a exposio h algumas horas que precedem as

medies [108]. As baixas concentraes e flutuaes que frequentemente

ocorrem nos ambientes ocupacionais requerem tcnicas analticas de elevada

sensibilidade. A avaliao da exposio ocupacional pode ser durante a

jornada de trabalho, ao final da jornada e na manh seguinte jornada.

Medidas realizadas durante a jornada de trabalho refletem as condies no

momento da amostragem. Medies feitas ao final da jornada refletem as

variaes de exposio que podem ocorrer durante o perodo de trabalho e as

medidas na manh seguinte refletem a exposio integral do dia anterior

amostragem [109].

Um modelo proposto para a expirao de substncias qumicas (Figura

2.5) divide o processo em trs etapas. A primeira etapa (I) contm o ar do

espao morto que contm pouca quantidade da substncia. Na etapa (II)

ocorre um aumento brusco da concentrao at que ocorra uma estabilizao

da concentrao alveolar na etapa (III). Nessa ltima etapa, h a liberao

contnua da substncia dos alvolos. Uma diminuio abrupta da concentrao

observada aps a terceira etapa devido diluio provocada pela inalao do

ar.

24

Captulo 2

Figura 2.5 Perfil da excreo pulmonar de um solvente para uma expirao

simples [104].

O ar expirado, portanto, uma mistura composta por ar de diferentes

regies do pulmo. O ar alveolar geralmente cerca de dois teros do volume

total do ar expirado. Para amostragem do ar alveolar, deve-se desprezar o

primeiro fluxo, que geralmente est diludo pelo ar retido no espao morto do

trato respiratrio (boca, nariz, faringe, traquia e brnquios). Alguns fatores

podem alterar a concentrao das substncias no ar expirado, tais como a

velocidade de difuso dos gases atravs da membrana alvolo-capilar, o

metabolismo, o gradiente de temperatura das vias areas, a composio do

sangue e a cintica de absoro e eliminao [110]. Dentre as metodologias

para biomonitoramento do benzeno no metabolizado, a determinao no ar

expirado apresenta a vantagem de ser uma tcnica no invasiva alm da

menor complexidade da matriz em relao ao sangue e urina.

25

Captulo 2

2.6 Tcnicas para Amostragem de Compostos Volteis no Ar

A amostragem de Compostos Orgnicos Volteis (Volatile Organic

Compounds VOC) no ar um desafio permanente, pois essa matriz

apresenta caractersticas tais como baixa densidade (1,2 kg m-3 a 273 K e

101,3 kPa), heterogeneidade, complexidade, composio fortemente

dependente das condies meteorolgicas e geogrficas, grande capacidade

de difuso e reatividade. Os VOC geralmente esto em concentraes muito

baixas com valores tpicos em nveis de parte por bilho em volume, o que

geralmente requer uma etapa de pr-concentrao. As estratgias de

amostragem variam de acordo com os objetivos do estudo, tipo de amostra,

faixa de concentrao, sensibilidade, exatido, preciso, interferentes,

portabilidade e custo [111]. A Figura 2.6 mostra uma classificao geral das

tcnicas utilizadas para amostragem e anlise de VOC no ar.

Figura 2.6 Classificao das tcnicas para amostragem e anlise de VOC no

ar.

26

Captulo 2

Nas tcnicas diretas podem ser utilizados vrios tipos de receptculos

tais como seringas, bulbos de vidro, sacos plsticos e recipientes de metal

[112]. A amostragem pode ser realizada no modo passivo se a presso interna

do recipiente for menor que a presso atmosfrica ou no modo ativo pelo uso

de bombas. Aps a amostragem, o ar transferido completamente para o

sistema de anlise. A amostragem passiva muito simples e permite a coleta

de vrias amostras simultneas. No modo ativo, o uso de bombas propicia o

trabalho com grandes volumes, porm compromete a portabilidade. Ambos os

modos esto sujeitos a perdas por permeao e instabilidade da amostra, alm

da necessidade de limpeza rigorosa para evitar contaminaes e efeitos de

memria [113].

Nas tcnicas com pr-concentrao os VOC podem ser coletados por

soro, membrana, ou solvente. Extrao em fase slida (Solid Phase

Extraction SPE) e SPME so as principais tcnicas que utilizam o princpio de

soro. Na extrao em fase slida, os VOC so retidos em tubos preenchidos

com sorventes adequados. Carvo ativado, carbono grafitizado, peneiras

moleculares e polmeros porosos so materiais comumente utilizados para este

propsito [114]. Os sorventes podem ser slidos (processo de adsoro) ou

lquidos (processo de absoro). A seleo do sorvente apropriado depende

principalmente das propriedades fsico-qumicas dos VOC de interesse e das

caractersticas do prprio sorvente. Combinaes de sorventes podem ser

utilizadas para aumentar a eficincia do processo e diminuir perdas dos

analitos. Perdas tambm ocorrem devido a reaes com o oznio e a

humidade [115].

Com a tcnica SPE possvel realizar a amostragem no modo ativo ou

passivo. No modo ativo, o ar bombeado com um fluxo constante (0,01 a 1400

L min-1) para um tubo metlico contendo o sorvente apropriado. Por este

processo, a eficincia da pr-concentrao aumenta para uma grande

variedade de VOC. A principal desvantagem a necessidade do uso de

bombas e medidores de fluxo, que devem estar devidamente calibrados.

27

Captulo 2

No modo passivo, a amostragem realizada atravs de um pequeno

tubo contendo o sorvente que exposto ao ar [116]. Devido elevada

afinidade dos VOC presentes no ar pelo sorvente ocorre um gradiente de

difuso (radial ou axial) destes compostos no sorvente. Atravs deste processo

possvel realizar amostragens integradas por variados perodos de tempo. Na

amostragem passiva ocorre uma menor pr-concentrao em relao ao modo

ativo e h uma maior sensibilidade s flutuaes de temperatura e

movimentao do ar [117]. A extrao dos VOC coletados no sorvente ocorre

por dessoro trmica ou com solvente. A principal desvantagem do uso de

fases slidas adsorventes a necessidade da posterior extrao do analito

com a utilizao de solventes, o que pode provocar uma diminuio da

sensibilidade analtica, alm de aumentar o risco de contaminao ambiental e

ocupacional.

Na tentativa de contornar algumas deficincias das tcnicas de extrao

por sorventes, tem sido propostas vrias alternativas como a extrao por

fludos supercrticos, extrao lquido-lquido e extrao por membranas [118].

Estas membranas geralmente so compostas por uma estrutura de silicone

que retm os analitos de forma seletiva. A anlise posterior realizada por

espectrometria de massas com introduo via membrana (Membrane

Introduction Mass Spectrometry MIMS). Com esta tcnica, possvel

monitorar VOC em tempo real devido rapidez de resposta, alm da grande

capacidade de miniaturizao pelo uso de analisadores de massas com

dimenses submilimtricas [119]. H tambm a possibilidade de se combinar

vrias membranas em um mesmo dispositivo multimembrana ou combinar uma

membrana com um sorvente (Membrane Extraction with a Sorbent Interface

MESI) [120]. Esta tcnica apresenta grande capacidade de enriquecimento,

elevado potencial de automao e diversas aplicaes ambientais e

ocupacionais [121].

28

Captulo 2

Na pr-concentrao com solventes, os VOC so absorvidos

irreversivelmente em uma fase lquida atravs do processo de quimiossoro.

Bulbos e tubos so preenchidos com o solvente e substncias adequadas para

reao com os VOC de interesse.

Com essa tcnica, possvel amostrar grandes volumes de ar,

compostos com altos pontos de ebulio e espcies reativas [122]. A principal

limitao est no fato de que o solvente pode ser facilmente contaminado pelos

VOC presentes no ambiente, alm da grande produo de resduos de

solventes.

2.7 Amostragem por Microextrao em Fase Slida

Uma tcnica que tem demonstrado ser de grande eficincia para

amostragem de compostos volteis e semivolteis no ar e em vrias matrizes

complexas a Microextrao em Fase Slida (Solid Phase Microextraction

SPME). A tcnica alm de dispensar o uso de tubos, bulbos e bolsas conjuga

amostragem e pr-concentrao em uma nica etapa. O primeiro dispositivo de

SPME foi desenvolvido por Pawliszyn e colaboradores [123]. A atual

configurao, mostrada na Figura 2.7, consiste de uma haste de slica fundida

com 10 mm de comprimento recoberta com uma fase polimrica polar ou

apolar com diversas espessuras de acordo com a aplicao. A haste pode

ficar exposta ou recolhida em uma agulha de ao por meio de um mbolo.

Figura 2.7 Componentes do dispositivo manual de SPME. Adaptado [123]

29

Captulo 2

O princpio da tcnica de SPME o equilbrio do analito entre a matriz e

a fase polimrica que recobre a haste de slica. Se a fase polimrica for lquida

h absoro do analito e se estabelece um equilbrio de partio que afetado

pela espessura do filme polimrico e pelo tamanho do analito. Em fases

polimricas slidas, a reteno do analito ocorre nos stios ativos da fibra e o

equilbrio de adsoro que ocorre depende, principalmente, do tamanho dos

poros. Aps a fase de extrao, o analito dessorvido termicamente no injetor

do cromatgrafo. Atualmente, so comercializadas fibras com espessuras de

fases, polaridades e composies variadas como mostra a Tabela 2.4.

Tabela 2.4 Principais caractersticas das fibras utilizadas em SPME.

Fonte: adaptado [124]

A amostragem por SPME pode ser utilizada com a fibra recolhida na

agulha ou exposta. Para a fibra exposta, no processo de absoro, a massa do

analito extrada proporcional a concentrao do analito na amostra de acordo

com a expresso 2.1.

Composio da Fase Polari-dade

Processo

Espes-sura de

Fase (m)

Temperatura de dessoro

(C) Aplicao

Polidimetilsiloxana (PDMS)

100 200 - 270 Volteis

apolar Absoro 30 200 270 Semivolteis

apolares

7 200 - 270 Semivolteis semipolares

Polidimetilsiloxana/ Divinilbenzeno (PDMS/DVB)

polar Adsoro

60 200 - 270 Volteis e

65 200 - 270 no volteis

Carboxen/ Polidimetilsiloxana (CX/PDMS)

polar Adsoro 75 240 - 300 Volteis

Carbowax/Divinilbenzeno (CW/DVB)

polar/ apolar

Adsoro Absoro

65 200 - 260 Volte

Polares is

Divinilbenzeno/Carboxen/ Polidimetilsiloxana (DVB/CX/PDMS)

Polar/ apolar

Adsoro 50/30 230 - 270 Volteis

Poliacrilato (PA) polar Absoro 85 220 - 310 Volteis polares

30

Captulo 2

(2.1)

Onde: n = nmero de moles absorvidos;

K = coeficiente de partio fibra/amostra;

Vf = volume da fibra;

Vs = volume da amostra;

C = concentrao do analito na amostra.

Para grandes volumes da amostra (K.Vf

31

Captulo 2

A adsoro um processo competitivo no qual espcies com baixa

afinidade pela fibra podem ser substitudas por aquelas de alta afinidade. Uma

interface se forma entre o ar e a fibra, quando essa exposta ao ar em

movimento. Os analitos so transferidos do ar para a superfcie da fibra via

difuso molecular. A concentrao dos analitos no ar pode ser considerada

constante quando h um curto perodo de amostragem e um fornecimento

constante de analito por conveco. Como mostra o grfico da Figura 2.8,

quando o processo se inicia a concentrao do analito prxima superfcie da

fibra pode ser considerada igual a zero [125].

Figura 2.8 Processo de extrao por adsoro com SPME utilizando fibras

porosas. Adaptado [125].

A quantidade de analito (m) extrada durante o tempo (t) de exposio

pode ser expressa por:

(2.5)

Onde: Dg = coeficiente de difuso molecular na fase gasosa (cm2 s-1);

L = comprimento da fibra(cm);

b = raio externo da fibra (cm);

Car = concentrao do analito no ar (ng cm-3);

= espessura da interface (cm).

32

Captulo 2

A extrao por SPME pode ser feita pela imerso direta da fibra na

matriz ou por headspace [126]. Na extrao por imerso, o analito

transportado diretamente da matriz para a fibra. A fibra pode ser usada com

proteo, isto , ser recoberta por uma membrana, que evita a soro de

outros compostos da matriz, o que torna a anlise mais seletiva. Para matrizes

aquosas, deve-se proceder a uma agitao para facilitar o processo de difuso

do analito para a fibra. Quando a matriz muito complexa ou suja, usa-se uma

membrana.

Na tcnica de headspace, a amostra slida ou lquida colocada em um

frasco de vidro que ento lacrado. A fibra exposta no topo do frasco sem

contato direto com a amostra, assim os analitos volteis entram em equilbrio

com a fibra (Figura 2.9a). Alternativamente, pode-se utilizar o frasco de

headspace para expor a fibra diretamente na amostra lquida (Figura 2.9b).

Figura 2.9 Representao da extrao por SPME no modo headspace (a) e

por imerso direta (b). Adaptado [126].

Vrias modificaes j foram introduzidas nessa tcnica para melhorar o

desempenho da extrao. O uso de bombas tem sido proposto para aumentar

a presso e acelerar a extrao em amostras slidas. A passagem de um fluxo

contnuo de gs de arraste inerte no frasco de headspace facilita a remoo de

compostos menos volteis.

33

Captulo 2

O aquecimento da gua diminui sua constante dieltrica e facilita a

remoo dos compostos mais apolares da amostra. Aquecimento da gua e

resfriamento interno da fibra aumenta o coeficiente de distribuio e melhora a

extrao de compostos volteis.

Para resfriamento interno foi proposto a utilizao de gs carbnico

lquido (Figura 2.10) que percorre internamente um tubo capilar revestido

externamente com a fibra [127]. Como a partio entre o analito e a fibra um

processo exotrmico, o resfriamento favorece a recuperao dos analitos,

principalmente, dos mais volteis. Entretanto, esta modificao apresenta

limitaes tais como baixa capacidade de resfriamento do gs carbnico, uso

de bomba, e comprometimento da portabilidade.

Figura 2.10 Representao da extrao por SPME no modo headspace com

fibra resfriada internamente. Adaptado [127].

O modo headspace permite modificaes na matriz sem danificar a fibra.

Fatores como temperaturas, agitao, tempo de exposio, e fora inica

exercem influncia na eficincia de extrao. Aps extrao, a fibra recolhida

e levada diretamente ao injetor do cromatgrafo para dessoro. Para

armazenar a fibra at o momento da anlise, deve-se resfri-la para minimizar

perdas por volatilizao.

34

Captulo 2

Muitos compostos polares presentes em matrizes complexas so de

difcil extrao, nessas situaes a tcnica da derivatizao pode ser

conjugada com a SPME para facilitar o processo [128]. Uma das maneiras

mais simples de derivatizao a adio do agente derivatizante diretamente

no frasco contendo a matriz. Aps completar a reao, a fibra de SPME

exposta para extrao do analito derivatizado. Alternativamente, faz-se uma

derivatizao da fibra de SPME com um reagente derivatizante adequado e

logo em seguida expe-se a fibra derivatizada matriz para que o analito

possa ser extrado [129].

A amostragem do ar expirado por SPME pode ser feita pela expirao

direta na fibra ou pela expirao em bolsas e recipientes com extrao

posterior. A primeira aplicao de SPME para anlise do ar expirado descrita

na literatura [130], teve como objetivo determinar etanol, acetona e isopreno.

Foram testadas quatro fibras diferentes com variaes de temperatura, tempo

de extrao e umidade para avaliar a sensibilidade da tcnica. A coleta do ar

expirado foi realizada com auxlio de um tubo de teflon adaptado ao dispositivo

de SPME (Figura 2.11), o tempo de expirao utilizado foi de 30 segundos para

coleta do ar alveolar.

Figura 2.11 Representao do dispositivo de SPME com adaptao para

amostragem do ar expirado. Adaptado [130].

Recentemente muitos trabalhos tm sido realizados utilizando SPME

para amostragem de diversos tipos de VOC no ar como clorobenzenos [131],

organofosfatos [132], aldedos [133], pesticidas [134

BTEX e HPA No Ar Atmosférico

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