Metodologia Analítica II sem/2018 – Profa Ma Auxiliadora - 1

Universidade Federal de Juiz de Fora

Instituto de Ciências Exatas

Departamento de Química

Disciplina

Metodologia Analítica QUI102

II 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 MULTIMODOO

DIRECIONADA

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.