Metodologia Analítica I sem/2017 Profa Ma Auxiliadora - 1 · pressionada com uma seringa ou gás....
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Metodologia Analítica II sem/2017 – Profa Ma Auxiliadora - 1
Universidade Federal de Juiz de Fora
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Química
Disciplina
Metodologia Analítica QUI102
I semestre 2018
AULA 02
Tratamento de amostras (Parte B)
Profa. Maria Auxiliadora Costa Matos
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Preparo de Amostras: ULTRASSOM
Ultrassom são ondas mecânicas com frequências superiores a 20 kHz, e portanto não
audíveis por humanos. Estas ondas mecânicas se propagam através de meios materiais em
sucessivos ciclos de compressão e rarefação.
Baixa amplitude
Uso diagnóstico clínico. Ultrassons f > 2MHz
Alta amplitude
Podem provocar transformações
nos meios submetidos a isonação.
Ultrassons f 2Hz
Micro jato
A sonicação em líquidos leva à
agitação e ao aquecimento do meio. Nucleação crescimento colapso
“Microbolhas”
Ultrassons
20 kHz < f < 1000 kHz
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ULTRASSOM: Cavitação Acústica
“A cavitação tem início na fase de rarefação das ondas acústica, quando
moléculas de gases e vapores presentes no líquido são direcionadas para o
interior dos núcleos produzidos pela disrupção do meio (formação da as bolhas)
devido abrupta mudança de pressão ocorridas quando uma onda acústica passa
da fase de rarefação para de compressão.”
“A microbolha não irá extinguir na etapa de compressão da onda acústica
subsequente aquela que levou à formação da cavidade, uma vez que devido ao
período da ordem de algumas dezenas de microssegundos, apenas poucas
moléculas dos gases contidos na bolha serão expulsas do interior ao serem
direcionados para o meio líquido”.
Nos ciclos subsequentes de rarefação, as dimensões das bolhas aumentaram
até atingir seu diâmetro crítico, implodindo no próximo ciclo de compressão. Métodos de preparo de amostras para análise elementar, Krug, F. J & Rocha, F. R. P. SBQ, 2016
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EXTRAÇÃO ASSISTIDA POR ULTRASSOM
Essas ondas criam uma única vibração, gerando o
aumento da pressão do liquido e criando o que
chamamos de cavitação. Esse fenômeno é
caracterizado pela formação de cavidades, para as
quais os gases dissolvidos no liquido migram gerando
microbolhas, que durante a sonicação expandem e
comprimem seu volume causando aumento de pressão e
liberação de calor ao implodirem.
Press
ão
+
-
tempo
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EXTRAÇÃO ASSISTIDA POR ULTRASSOM
Amostras Sólidas
O ultrassom em soluções induz o fenômeno de cavitação acústica no meio líquido. Na
interface sólido-líquido ocorre, crescimento e implosão de bolhas de cavitação que leva a
formação de micro jatos com energia suficiente para causar fragmentação das partículas
e aumento da área superficial para extração.
Há também o surgimento de fissuras através das quais a
solução extratora poderá penetrar no interior das
partículas.
Há diminuição do gradiente de concentração pelo
aumento do transporte de massas ocasionado pela
turbulência e micro jatos.
Banhos Ultrassom: acoplamento de um ou mais cristais
piezelétricos na parte inferior de um vaso metálico.
Aplicando uma diferença de potencial nas faces laterais
de um transdutor piezelétrico, são provocadas vibrações
nas faces perpendiculares do dispositivo, e este vibrará
a uma frequência pré-determinada (20 e 40 kHz).
Micro jato
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DECOMPOSIÇÃO POR MICRO-ONDAS
Micro-ondas são radiações eletromagnéticas, portadoras de energia, com frequências
que varia de 300 a 300.000 MHz. Para fins científicos a usual é 2450 MHz (comprimento
de onda 12,2 cm e energia 10-5 eV) e potencia 600 W.
O material que absorve a radiação Micro-ondas sofre um grande aumento da
temperatura devido à interação da radiação com os íons e solvente provocando migração
iônica e rotação de dipolos
Micro-ondas não são radiações
ionizantes. A energia das micro-
ondas é muito menor que a
energia necessária para quebrar
as ligações das moléculas
orgânicas mais comuns.
Migração iônica: os íons se deslocam produzindo fluxo de
corrente. O movimento de outros íons no fluxo oposto
produz calor, aumentando a temperatura no meio.
Rotação de dipolos: as moléculas dipolares se alinham com
os polos do campo elétrico alternado gerado pela radiação
micro-ondas.
Aplicação:
-A maioria destina-se a
decomposição de
amostras orgânicas e
inorgânicas.
-Extração
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FORNOS DE MICRO-ONDAS
Geralmente o preparo de amostras com aquecimento por radiação micro-ondas
proporciona de composições mais rápidas e seguras do que aquelas baseadas com
aquecimento condutivo.
Sistemas monomodos: permitem a formação de ondas estacionárias que possuem a mesma
amplitude, mas oscila em diferentes direções. Elevada taxa de aquecimento, cavidade
pequena – um frasco.
Sistemas multimodo liberam a radiação as em uma cavidade que pode utilizar vários
frascos de decomposição. Por causa do tamanho da cavidade as taxas de aquecimento e
resfriamento são menores que nos sistemas monomodo, mas são os equipamentos mais
para sistemas com frascos fechados de decomposição.
Sistemas multimodo direcionado permitem a radiação mais homogênea em uma cavidade.
Esse modo híbrido resulta em elevadas taxas de aquecimento e de resfriamento
(características dos sistemas monomodo) combinada com a capacidade de processamento
de diversos frascos de composição (típica de sistemas multimodonomodo).
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REPRESENTAÇÃO DE SISTEMAS DE MICROONDAS
Cavidade monomodo Cavidade multimodo direcionado
Fornos multimodos
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FORNOS DE MICRO-ONDAS
Forno Micro-ondas com cavidades
A radiação produzida pelo magnetron é transportada
através do guia de ondas para a cavidade, sendo
dispersa em direções especificas, permitindo maior
irradiação da zona próxima a cavidade.
Magnetrons Ânodo e cátodo e uma série de
cavidades. Ao aplicar alta voltagem são gerados
elétrons que entram em ressonância sob influência
do campo magnético produzindo oscilações
magnetrons.
Forno Micro-ondas com cavidades
Forno Micro-ondas focalizado
Decomposição em frascos fechados (quartzo, vidro
borosilicato ou *PTFE 240C, *PFA 300 a 310 C, *TFM
320 a 340 C ) e sob pressão atmosférica. Uma tampa é
adaptada na parte superior impedindo a
contaminação pelo ar e permitindo adição de
reagentes.
Forno Micro-ondas focalizado * Fluoropolimeros: PTFE - Politetrafluoretileno é conhecido mundialmente pela marca Teflon® da Dupont e PFA - Perfluoroalcóixido,
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TRATAMENTO DE AMOSTRAS PARA ANALITOS
ORGÂNICOS
PURIFICAÇÃO DE EXTRATOS
Geralmente análise de amostras complexas com medidas realizadas em
equipamentos como UV, HPLC, GC, AA necessitam de várias etapas de
tratamento além da medida:
Extração;
Clean up (eliminação de impurezas);
Concentração;
Ajuste de condições do meio (pH, força iônica, etc)
Ajuste da concentração, volume, etc
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Evitar interferência;
Preservar as colunas cromatográficas;
Minimizar operações de limpezas do injetor e detectores em análises
cromatográficas.
Ex.: micropoluentes orgânicos em águas, solos sedimentos, biota, etc.
Clean up Visa eliminar substancias provenientes da matriz que são coextraidas
e que podem interferir no método analítico.
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TÉCNICAS USUAIS PARA CLEAN UP
Extração liquido-liquido É baseada na solubilidade relativa dos analitos presentes nas
amostras em dois solventes imiscíveis.
Extração liquido-sólido Amostra é a fase líquida e a fase extratora é um sólido.
Ex. Concentração de compostos orgânicos semivoláteis (demanda
emergencial).
A SPE baseia-se nos mecanismos de separação da cromatografia
líquida clássica (cromatografia líquida de baixa pressão – coluna
aberta).
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EXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPE)
Técnica de separação baseada nos mecanismos de separação da
cromatografia líquida clássica.
Mecanismos de separação &
Adsorventes mais usado: Adsorção (sílica, alumina, florisil)
Partição fase normal (-CN, -NH2)e fase reversa (C18, C8, C2, etc)
Troca iônica (SO3-, N+(CH3))
Exclusão por tamanho (SEPHADEX).
A solução contendo a amostra é
colocada no topo do cartucho de
extração (contem a fase sólida), sendo
aspirada com um pequeno vácuo, ou
pressionada com uma seringa ou gás.
Após a fase líquida ter sido drenada, o
analito retido no cartucho é eluido com
um pequeno volume de solvente, de
forma a obter a solução do analito em
concentração apropriada para a análise.
Polipropileno
(grau médico)
Fase sólida Disco polietileno
(20 µm)
Reservatório
o
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PRINCIPAIS ETAPAS EMPREGADAS EM SPE
SPE_Manifold
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MODOS DE OPERAÇÃO EM SPE
1. Concentração do analito: “Enriquecimento”
Um grande volume de amostra é passado pelo cartucho, o analito é retido na
fase estacionária, eluindo os interferentes e o solvente. Na etapa seguinte, o
composto de interesse é eluido com pequeno volume de solvente obtendo-se
uma solução concentrada do analito.
2. Isolamento do analito (clean up) O objetivo principal é isolar os analitos de interesse dos interferentes da
matriz. Em alguns casos, o analito está presente na amostra em concentração
adequada para a análise, porém alguns constituintes da matriz podem
interferir na análise.
Em alguns casos, o isolamento e concentração da amostra são realizados no
mesmo procedimento.
Ex. Análise de HPAs em amostras de água potável.
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MODOS DE OPERAÇÃO EM SPE
3. Isolamento do matriz (clean up) Apenas os interferentes da matriz são retidos na fase sólida. O analito elui
direto com solvente e é coletado para a análise.
4. Estocagem do analito
A amostra é passada pelo cartucho, os analitos são retidos na fase sólida e em
seguida são conservados em baixas temperaturas até o momento de eluição. As
vantagens deste método são: evitar transporte de grandes volumes de
amostras, permitir análise de compostos lábeis ou voláteis, coleta de amostras
em locais distante do laboratório de análise.
Há necessidade de estudos preliminares sobre estabilidade do analito no
cartucho (tempo de estocagem, temperatura, natureza da fase).
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MICROEXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPME)
Técnica baseada na sorção dos analitos por uma fibra de
sílica modificada quimicamente com posterior dessorção
térmica do analitos em um cromatógrafo a gás.
A seringa é utilizada para introduzir a fibra no injetor e
para protegê-la enquanto não estiver em uso.
Fibras 10 cm (1 a 2 cm recoberto com fase estacionária)
Di ext. fibra 170 μm.
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MODO DE EXTRAÇÃO
1. Extração direta: (Volatilidade média a baixa – Amostras gasosas, líquidas)
O recobrimento da fibra é inserido diretamente na amostra e os analitos são
transportados da amostra para a fase extratora.
A agitação mecânica é utilizada pra acelerar este processo.
Em amostras gasosas, a convecção natural do ar é suficiente para estabelecer
o equilíbrio.
2. Headspace: (Volatilidade média a alta – Amostras líquidas e sólidas)
Os analitos devem ser transportados através de barreiras de ar antes de
atingirem o recobrimento da fibra. Este procedimento protege a fibra de
possíveis danos causados por interferentes de elevada massa molar ou baixa
volatilidade (materiais húmicos), proteínas, etc.
Permite modificação da matriz sem danos na fibra (pH).
A concentração de equilíbrio independe da localização da fibra no headspace. 3. Extração indireta: (Volatilidade baixa – amostras complexas)
Membrana protetora sobre a fibra para sua proteção – amostras de fluidos
biológicos.