Espectrometria de Absorção Atômica com Chama - FAAS
Elma Neide V. M. Carrilho Universidade Federal de São Carlos Centro De Ciências Agrárias - Araras
3o Workshop “Ensaio de Proficiência para Laboratórios de Nutrição Animal (EPLNA)”
29 e 30/03/2012 Embrapa Pecuária Sudeste
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Espectroscopia • Termo geral para a ciência que trata da interação da matéria com vários tipos de radiação. – Radiação eletromagnética ⇒ outras formas de energia; Ex.: íons, e-.
Espectrometria/métodos espectrométricos • Amplo grupo de métodos analíticos que são baseados em espectroscopia molecular e atômica. • Tratam da mediada da intensidade da radiação com um transdutor fotoelétrico. Ex.: luz branca, calor, raios X e γ, microondas.
Fundamentos de Espectroscopia Atômica
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Espectrofotometria • Medição de substâncias químicas baseada em informação espectral de um conjunto de fótons, em um espectrofotômetro.
Fotometria • Quantificação por intensidade de luz, não necessariamente mantendo a informação espectral. Colorimetria • Quantificação em colorímetro. EPLN
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2
A radiação eletromagnética pode ser descrita pelo modelo clássico de uma onda senoidal.
• Comprimento de onda, velocidade, freqüência e amplitude.
Raios cósmicos Raios gama Raios X IR Microondas Ondas de rádio UV
Comprimento de onda Energia
Espectro Eletromagnético
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Espectro Eletromagnético
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Espectro eletromagnético foi observado pela primeira vez quando Isaac Newton fez a luz solar atravessar um prisma, observando como resultado uma luz colorida, hoje denominado:
Descoberta do espectro solar (1666) por Isaac Newton
Luz solar Prisma
Figura Varian
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Linhas de Fraunhofer: Cerca de 700 linhas escuras do espectro solar foram mapeadas em 1817
Josef Fraunhofer (06/03/1787-1826): aos 11 anos era aprendiz de um fabricante de vidro em Munique; aos 20 anos era capataz de ótica; aos 22 diretor de companhia e aos 24 responsável pela fabriacação completa do vidro
KD Olhs. ICP Information Newsletter, v.30, n.2, 2004.
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Joseph Fraunhofer - “Pai da Astrofísica”
1816 : começou construir telescópios astronômicos
Usou fenda ótica pela primeira vez e observou chamas de óleo e álcool, assim como a luz solar
1817: descreve o uso do prisma
1823: descreve uma rede de difração de vidro
KD Olhs. ICP Information Newsletter, v.30, n.2, 2004.
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Instrumento espectral utilizado por Kirchoff e Bunsen
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Chama contendo Na, K e Li
Kirchoff e Bunsen – 1860
Todo átomo é capaz de absorver sua própria radiação
KD Olhs. ICP Information Newsletter, v.30, n.2, 2004.
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Gustav Robert Kirchhoff
Wilhelm Bunsen
KD Olhs. ICP Information Newsletter, v.30, n.2, 2004.
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Experimento de Kirchhoff & Bunsen (1a)
Prisma
Fundo branco
alça de Pt
Lente
Lente
cortesia Varian
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Experimento de Kirchhoff & Bunsen (1b)
Prisma
Fundo branco
NaCl sobre alça de Pt
Lente
Lente
Linhas escuras
cortesia Varian
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Experimento de Kirchhoff & Bunsen (1c)
Prisma
NaCl sobre alça de Pt
Lente
589,0 589,6 nm
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Experimento de Kirchhoff & Bunsen (2)
queimador
Prisma
Placa branca
Sal sobre alça de platina Lente
Descoberta do césio (do latim coesium = azul celeste)
455,5 nm EPLNA_2
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Experimento de Kirchhoff & Bunsen (2a)
queimador
Prisma
Placa branca
Sal sobre alça de platina Lente Descoberta do rubídio
780 nm
Apontamentos de aula da disciplina FANII, Prof. Francisco José Krug, [email protected]
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Absorção de energia de um fóton de radiação
M + hν → M*
Átomos gasosos
no estado fundamental Radiação eletromagnética
característica
Átomos gasosos excitados
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0
2
1
E1 - E0 = E10 = hν10
Excitação por absorção de um fóton hν, energia
térmica ou partículas com energia cinética
+ energia
Elétron no estado fundamental
Elétron no estado excitado
( hν10 )
hν10 = hc
λ10
h = 6,6 x 10-34 J s c = 3,0 x 108 m s-1
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Excitação atômica
M + hν → M*
Átomos gasosos no estado fundamental
Radiação eletromagnética característica
Requer sistema de atomização
Proveniente da fonte de radiação em AAS
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Excitação atômica
M + energia térmica → M*
Átomos gasosos no estado fundamental
Chama, plasma, fornos eletrotérmicos
Requer sistema de atomização
Requer fonte de excitação EPLN
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2
0
2
1
Emissão de radiação UV ou visível com λ10
E1 - E0 = E10 = hν10 = hc/λ10
Transições eletrônicas em átomos gasosos
+ energia
Elétron no estado fundamental
Elétron no estado excitado
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0
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1
hν10
hν20
hν21
E = hν = hc/λ
Transições eletrônicas em átomos gasosos
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0
2
1
λ10
λ20
λ21
E20 = hν20 = hc/λ20
Excitação e emissão atômicas
E21 = hν21 = hc/λ21
E10 = hν10 = hc/λ10
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0
2
1
λ10
λ20
λ21
E20 = hν20 = hc/λ20
Excitação e emissão atômicas
E21 = hν21 = hc/λ21
E10 = hν10 = hc/λ10
λ10 λ20 λ21
inte
nsid
ade EPLN
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Diagrama de níveis de energia
Eo
E2
E3
E1
λ1 λ2 λ3 λ4
E4
λ5 λ6
Linhas de ressonância: transições a partir de Eo
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cortesia Varian
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Diagrama de absorção de energias (Poucas linhas/Elemento)
a b c d
Eo Estado fundamental
Estados excitados
Excitação
Ener
gia
λb
λa
λc } E3
E2
E1
E ∞ Ionização
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cortesia Varian
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Diagrama de emissão de energias (muitas linhas/elemento)
a b c d
Eo Estado fundam.
Estados excitados
Emissão
Ener
gia
λb
λa
λc } E3
E2
E1
E ∞ Ionização
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cortesia Varian
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Para a determinação dos teores de elementos individuais na amostra é necessária a transformação dos elementos de interesse da matriz orgânica carbonácea em uma forma inorgânica simples.
A grande maioria das técnicas analíticas exige que o analito esteja dissolvido em meio líquido
“A espectrometria de absorção atômica (AAS; EAA) é uma técnica espectroanalítica para determinações quantitativas de elementos, baseada na absorção de radiação das regiões visível e UV por átomos livres no estado gasoso” Atomic Absorption Spectrometry B. Welz and M. Speling, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 1999
A radiação absorvida é específica para cada átomo e corresponde ao salto do elétron para níveis de energia característicos de cada elemento.
O comprimento de onda, no qual a luz é absorvida, é específico para cada elemento. Se uma amostra contém Ni, por exemplo, mas possui outros elementos como Pb e Cu sendo expostos à luz do comprimento de onda característico para Ni, somente os átomos de Ni irão absorver esta luz;
A quantidade de luz absorvida neste comprimento de onda é proporcional ao número de átomos do elemento selecionado em um caminho ótico;
Envolve a medida de absorção da intensidade da radiação eletromagnética, proveniente de uma fonte de luz, por átomos gasosos no estado fundamental;
Determinação quantitativa de elementos (metais e alguns não metais) em uma ampla variedade de amostras (águas, materiais biológicos, clínicos, ambientais, alimentos, geológicos, etc.).
Radiação de uma fonte contínua é focalizada pela lente através da chama de um bico de Bunsen, no qual NaCl é introduzido.
O feixe de radiação é disperso pelo prisma e observado na tela. A linha D do Na aparece como uma descontinuidade preta no outro lado continuo do espectro.
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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O sinal de emissão da lâmpada de cátodo oco é absorvido pela nuvem atômica
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Espectrômetro de AA com chama
Somente os átomos de Zn absorbem a radiação emitida pela lâmpada de Zn Seletividade
A chama é transparente Não interfere
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Espectrômetro com Duplo feixe
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Espectrometria de Absorção Atômica
Técnica analítica que se baseia na absorção de radiação das regiões visível e ultravioleta do espectro eletromagnético por átomos no estado fundamental
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
M0g
I0 It
A = log I0/It EPLNA_2
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Espectrometria de absorção atômica
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Fonte de radiação hν
Sistema de atomização
M + hν → M*
Conjunto monocromador
Amostra com teor c do analito M
Detector (Transdutor)
logIo/It = kc ou A = abc
Io
It
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Espectrômetro de absorção atômica
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detector
Solução (branco, padrão ou amostra)
Registrador
Fonte de radiação
Atomizador Monocromador
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Lâmpada de catodo oco
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Fonte de luz usada para gerar radiação no comprimento de onda característico de cada elemento
A radiação absorvida pelos átomos é gerada em lâmpadas de catodo oco (LCO)
As LCO emitem somente o espectro do elemento do catodo, juntamente com o do gás de enchimento
A LCO é preenchida com neônio ou argônio a baixas pressões e possui como catodo o elemento a ser determinado
Com o potencial aplicado entre os eletrodos, ioniza-se o gás Ne ou Ar. Estes íons Ne+ são atraídos pelo catodo, chocando-se nele e transferindo energia que leva a excitação dos átomos deste e emissão do espectro.
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Ionização do gás Ne Ne Ne+ + e-
Ablação do material do catodo Ms + Ecin (Ne+) Mg
Excitação Mg + Ecin (Ne+) Mg*
Emissão Mg* Mg hν1 + hν2 + hν3
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Atomizador: átomos são gerados para que possam absorver a radiação proveniente da lâmpada de catodo oco e, conseqüentemente, determinada a concentração do elemento de interesse
Transformar íons e moléculas em átomos no estado fundamental
Os gases mais apropriados:
• ar ou óxido nitroso, empregados como gases de suporte da combustão
• acetileno, empregado como gás combustível
A chama
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Ca Y
Cu Mn Li
Sr
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Energia da chama
Combustível e comburente Acetileno – Ar (2250 0C) Acetileno – Oxido nitroso (2850 0C)
A temperatura da chama deve ser escolhida em função da matriz da amostra e da energia necessária para atomização do elemento.
Ex: Temos CdCl ou CdO
Energia de dissociação do CdCl 48,8 kcal/mol e do CdO 88 kcal/mol
A formação depende da chama ser oxidante ou redutora
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Átomos no estado fundamental depende da: composição da chama
complexidade do meio
Chama Transparência
Eficiência na atomização
Limites de detecção: 10 µg L-1 a 100 mg L-1
Métodos bem estabelecidos
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Regiões da Chama
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Cone externo: recombinação
Região interconal: parte da chama mais utilizada
Cone primário: emissão de bandas de C2, CH, e outros radicais
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
O tipo de chama mais utilizado em espectrometria de absorção atômica é uma mistura ar/acetileno, numa proporção relativamente elevada de oxidante em relação ao combustível (chama azul).
As mudanças na proporção oxidante/combustível podem alterar os equilíbrios, melhorando a eficiência de atomização.
A chama redutora (amarela) é obtida aumentando-se a quantidade de acetileno em relação ao ar, promovendo um aumento da pressão parcial de uma série de produtos da combustão (por exemplo CO), facilitando a atomização de elementos com tendências a formação de óxidos refratários.
Por outro lado, a chama oxidante (azul clara) é obtida diminuindo a quantidade de acetileno em relação ao ar, favorecendo aqueles elementos cuja eficiência de atomização se dá via formação de óxidos.
Chamas Redutoras: Excesso de gás combustível (C2H2) *Utilizadas na determinação de elementos com tendências a formar óxidos refratários (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Mo, Cr, Sn) Limitações: alta emissão devido aos carbonos não queimados Chamas Oxidantes: Pouco gás combustível (C2H2) *Utilizadas na determinação de elementos com características mais voláteis e metais nobres (Au, Ir, Pd, Pt, Rh, etc) EPLN
Perfis de temperatura, em oC, para uma chama de gás natural/ar
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Dis
tânc
ia a
cim
a do
orif
ício
, cm
Ponta do queimador
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Resumo de eventos em uma chama laminar de mistura prévia
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Fl = taxa de aspiração da amostra
Fcomb = vazão do gás combustível
Fox = vazão do gás oxidante
εn = eficiência de nebulização
βs = fração dessolvatada
βv = fração volatilizada
βa = fração atomizada
hobs = altura de observação EPLN
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Queimador
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Efeito Venturi
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
líquido
Gás sob alta pressão
Aerossol
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
queimador nebulizador
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Aspiração da amostra
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Aerossol líquido/gás
Oxidante Combustível
Dreno Amostra
M+ A-
Amostra nebulizada Nebulização Condensação
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Atomização
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
MA (g)
MA (l)
MA (s)
Aerossol líquido/gás
Vaporização
Fusão
Dessolvatação
Sublimação
Combinação Dissociação
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Em d
ireçã
o a
cham
a M+(g) ↔ M+*(g) (excitação do íon) ↑↓ -1e- M(g) ↔ M*(g) (excitação do aerossol) ↑↓ MX(g) (vaporização do líquido) ↑ MX(l) (fusão do cristal) ↑ MX(s) (vaporização do solvente) ↑ MX(l) (formação aerossol) ↑ MX(l) (solução contendo analito) EPLN
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Possíveis vias
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
M+* M* MOH*; MO*
M+ M + A MOH; MO Recombinação Ionização
Desionização
Emissão Excitação
Dissociação
Combinação Dissociação
Excitação Emissão de bandas
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Interferências em espectrometria de absorção atômica
Espectrais Não espectrais
no transporte de soluções na volatilização do soluto na fase vapor
interferências de dissociação interferência de ionização
na distribuição espacial geometria da chama na difusão lateral
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
IUPAC. Nomenclature, symbols units and their usage in spectrochemical analysis-III. Analytical Flame Spectroscopy and Associated Non-Flame Procedures. Spectrochim. Acta, 33B: 247, 1978.
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Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
A supressão da interferência química pode ser feita através:
A ionização de um analito reduz a sensibilidade e causa excesso de curvatura em altas concentrações Agentes supressores de ionização como NaCl, KCl, LiCl ou CsCl eliminam esse efeito indesejável
Vantagens NaBH4: reação rápida alta eficiência de transporte (~100%) permite a separação do analito específica para alguns estados de oxidação permite especiação química [Se(IV) e Se(VI)] fácil automatização
Limitações: é possível ocorrer interferências requer ajuste cuidadoso das condições químicas específica para alguns estados de oxidação EPLN
Sistema inovador para preparo de soluções e diluição de amostras
Possibilidade de expansão da faixa de trabalho
Nova geração de bombas peristálticas EPLN
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2
Excelente Seletividade
Faixa linear limitada
Interferências químicas por elementos na matriz da amostra
Quantificação por curva analítica C = ax +b
Sensibilidade s = dx/dc
Concentração característica é o valor da concentração do analito que corresponde a uma leitura de 0,0044 de absorbância, descontando a leitura do branco.
Características analíticas
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Concentrações Características (µg/L)
Elemento FAAS GFAAS Al 1000 1,5 Ba 500 1 Cd 20 0,06 Co 100 1 Pb 500 1,5 Si 2000 6,0 EPLN
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Padronização e Calibração
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
Curva de calibração
b = coeficiente angular
y
x
a
y = a + bx
y = parâmetro físico
x = conc. do analito
a = valor do branco
)
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Desvios na calibração
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
y
x 0
Erros de calibração: erros sistemáticos na preparação dos padrões causam erro nas medidas e no resultado final da análise.
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Análises Quantitativas
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
retaangcoefLD branco
..3σ
=“Menor quantidade de um analito que pode ser detectada em uma amostra”
retaangcoefLQ branco
..10σ
=“Menor quantidade de um analito que pode ser quantitativamente determinada com adequada exatidão e precisão”
Deve-se, portanto, trabalhar em faixas acima do LQ.
Evitar trabalhar entre LD e LQ.
Limite de detecção, para n=10:
Limite de quantificação, para n=20:
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Análises Quantitativas
Precisão Repetibilidade: Condições iguais Reprodutibilidade:Condições diferentes
Exatidão Refere-se à concordância entre a média dos valores encontrados e o
valor real para um elemento em uma dada amostra. Técnica ou método para comparação dos resultados: Standard Methods; AOAC; Materiais de referência: SRMs, CRMs, RMs; Método da adição do analito: volume fixo da amostra; pequeno volume
do analito
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Controles e Cuidados
Ambiente de trabalho
Sala especial com ar insuflado através de filtros: • HEPA (high efficiency particulate air filter, ≥ 0,3 µm) por entradas
colocadas no forro - 80 a 90 % do ar é filtrado; • Filtros ULPA (ultra low penetration air filter, > 99,997 %)
Sala com capela de fluxo laminar: secar materiais descontaminados;
Capela VIDY: para destiladores “subboiling” de quartzo Kürner para purificação de ácidos; para preparo de soluções;
Editado por Elma Neide V. M. Carrilho
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Controles e Cuidados
Vidraria & frascos Lixiviação com HNO3 1:1 (v/v) por, pelo menos, 24 h; Vapor de HNO3 por ~ 6 h; Reagentes Solução estoque: comprar pronta; ácidos puros e ultra puros; destilar ácidos menos puros; H2O Destilada, desionizada: Sistema Milli-Q ou similar; Armazenagem Soluções e amostras em meio ácido: evita adsorção; metais solúveis.