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Prof. Valmir F. Juliano
2º/2011
INTRODUÇÃO AOS MÉTODOSINTRODUÇÃO AOS MÉTODOSINSTRUMENTAIS DE ANÁLISEINSTRUMENTAIS DE ANÁLISE
QUI624
Está fazendo o curso de Farmácia? Então você tem de gostar muito Está fazendo o curso de Farmácia? Então você tem de gostar muito de Química e de Biologia. Como essas duas áreas perpassam por de Química e de Biologia. Como essas duas áreas perpassam por
todo o curso, desde o Ciclo Básico até o último período, o estudante todo o curso, desde o Ciclo Básico até o último período, o estudante precisa ter uma forte inclinação para essas áreas.precisa ter uma forte inclinação para essas áreas.
"Gostei muito do curso da UFMG. Ele nos oferece "Gostei muito do curso da UFMG. Ele nos oferece um bom embasamento sobre a profissão de um bom embasamento sobre a profissão de
farmacêutico. Formei em 2001 e foram quatro anos farmacêutico. Formei em 2001 e foram quatro anos dedicados exclusivamente ao curso, pois as aulas dedicados exclusivamente ao curso, pois as aulas
são pela manhã e à tarde. Considero que o são pela manhã e à tarde. Considero que o profissional de farmácia precisa ser mais profissional de farmácia precisa ser mais
valorizado tanto em relação às condições de valorizado tanto em relação às condições de trabalho quanto financeiro. O segmento de trabalho quanto financeiro. O segmento de
farmácia industrial é o que tem maior mercado, farmácia industrial é o que tem maior mercado, pois o farmacêutico pode trabalhar tanto na pois o farmacêutico pode trabalhar tanto na
produção do medicamento, quanto com controle produção do medicamento, quanto com controle de qualidade, procedimento padrão. Atualmente, de qualidade, procedimento padrão. Atualmente,
trabalho com distribuição de medicamentos e trabalho com distribuição de medicamentos e passei em um concurso para perito criminal, na passei em um concurso para perito criminal, na
área laboratorial."área laboratorial."Aluno formado na UFMG em 2001Aluno formado na UFMG em 2001
“…“…Ao transferir bens materiais, o Ao transferir bens materiais, o doador perde a sua posse. Há, porém, doador perde a sua posse. Há, porém, alguns atributos intrínsecos que não alguns atributos intrínsecos que não
podem ser transferidos de um podem ser transferidos de um indivíduo para o outro, como a beleza indivíduo para o outro, como a beleza
e a coragem. O conhecimento, por e a coragem. O conhecimento, por outro lado, é algo tão importante que outro lado, é algo tão importante que
os deuses decidiram que o doador os deuses decidiram que o doador pode retê-lo mesmo que o tenha pode retê-lo mesmo que o tenha
transmitido…”transmitido…”
Atribuído a Pitágoras de Samos, ~ 520 a.C.Atribuído a Pitágoras de Samos, ~ 520 a.C.
BibliografiaBibliografia1. Holler, F. J.; SKOOG, D. A.; Crouch, S. R. Princípios de
Análise Instrumental. 6ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2009.
2. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J.; Crouch, S. R. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed. Pioneira Thomson Learning, São Paulo, 2006.
3. Skoog, D. A.; Holler, F. J.; Nieman, T. A. Princípios de Análise Instrumental. 5ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2002.
4. Harris, D. A. Análise Química Quantitativa. 6ª ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 2005.
5. Ohlweiler, O. A. Fundamentos da Análise Instrumental. Livros Técnicos e Científicos Ed. RJ. 1981.
6. Ewing, G. W. Métodos Instrumentais de Análise Química. Vol. I, Ed da USP, SP, 1977.
7. Willard, H. H. et al. Instrumental Methods of Analysis. 7th ed. Wadswoth Publishing Company, California, 1988.
8. Christian, G. D.: Reilly, J. E. Instrumental Analysis. 2 th ed. Allyn and Bacon, Inc. Boston, 1986.
A Química Analítica trata de métodos para a A Química Analítica trata de métodos para a
determinação da composição química das determinação da composição química das
amostras.amostras.
Identidade das espécies atômicas ou moleculares ou dos grupos
funcionais presentes em uma amostra
Informações numéricas relativas a um ou mais
componentes de uma amostra
Análise Química = Química Analítica⊂
Métodos Qualitativos e Quantitativos
““A análise química é umA análise química é um
conjunto de técnicas e manipulações destinadas a conjunto de técnicas e manipulações destinadas a
proporcionar o conhecimento da composiçãoproporcionar o conhecimento da composição
qualitativa e quantitativa de uma amostra, qualitativa e quantitativa de uma amostra,
mediante métodos de rotina. A química analítica émediante métodos de rotina. A química analítica é
um ramo da química, a ciência que persegue o um ramo da química, a ciência que persegue o
objetivo de resolver os problemas de composiçãoobjetivo de resolver os problemas de composição
com operações de rotina”.com operações de rotina”.
Estágios de uma análise quantitativaEstágios de uma análise quantitativaEtapas Exemplos de procedimentos
1. Amostragem Depende do tamanho e da natureza física da amostra
2. Preparação de uma amostra analítica
Redução do tamanho das partículas, mistura para homogeneização, secagem, determinação do peso ou do volume da amostra
3. Dissolução da amostra Aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente, diluição
4. Remoção de interferentes Filtração, extração com solventes, separação cromatográfica
5. Medidas na amostra Padronização, calibração
6. Resultados Cálculo dos resultados analíticos
7. Apresentação dos resultados Impressão e arquivamento
AMOSTRAGEMAMOSTRAGEM
Análise de Alumínio em Água do Mar
Análise de Sódio e Cálcio em Solo
Métodos CLÁSSICOS Métodos CLÁSSICOS versusversus INSTRUMENTAIS INSTRUMENTAIS Designação histórica, pois os dois métodos têm uma diferença temporal pouco maior que um século.
Método Clássico:• Baseiam-se na separação dos ANALITOS por: PRECIPITAÇÃO, EXTRAÇÃO OU DESTILAÇÃO
•Análise Qualitativa: reações específicas gerando produtos caracterizados por cor, ponto de fusão ou ebulição, solubilidade, etc.
•Análise Quantitativa: medidas titulométricas (volumétricos) ou gravimétricas.
Métodos CLÁSSICOS Métodos CLÁSSICOS versusversus INSTRUMENTAIS INSTRUMENTAIS
Método Instrumental – Início do século XX: • Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade, Potencial de eletrodo, Emissão ou absorção de luz, etc.• Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos de precipitação, extração e destilação.
Muitos dos fenômenos por trás de métodos instrumentais são conhecidos há um século ou mais. A aplicação de tais fenômenos, contudo, foi adiada pela falta de instrumentação simples e confiável.
O crescimento dos métodos instrumentais de O crescimento dos métodos instrumentais de análise modernos tem ocorrido paralelamente análise modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de computadorese de computadores.
O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?
São métodos realizados em instrumentosSão métodos realizados em instrumentos.- Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos!
Instrumentos simples....
O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?
São métodos realizados em instrumentosSão métodos realizados em instrumentos.- Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos!
Ou complexos ....
Métodos INSTRUMENTAISMétodos INSTRUMENTAIS
Cada tipo de instrumento tem uma aplicação:Cada tipo de instrumento tem uma aplicação:- Distinta e limitada e ...- Possui vantagens e desvantagens.
• Medidas de pH em soluções aquosas (não aquosas em alguns casos). Fornece informações a respeito da concentração de íons H3O+.
• Baixo custo inicial e manutenção barata. Fácil de usar.
• Caracterização de sólidos cristalinos. Fornece informações sobre a estrutura cristalina.
• Custo inicial elevado e manutenção relativamente cara.
Métodos INSTRUMENTAISMétodos INSTRUMENTAIS
Um grande objetivo da química Um grande objetivo da química analítica moderna é o desenvolvimento analítica moderna é o desenvolvimento de instrumentos e metodologias com a de instrumentos e metodologias com a
consciência “verde”. consciência “verde”.
Métodos com consumo mínimo de Métodos com consumo mínimo de amostra, de reagentes, de etapas e, de amostra, de reagentes, de etapas e, de preferência, análises com a amostra preferência, análises com a amostra in in
natura,natura, reduzindo ao máximo a reduzindo ao máximo a quantidade de rejeitos.quantidade de rejeitos.
Classificação dos métodos analíticos
CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS
Chamados de métodos de via úmida
Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos)
Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as técnicas clássicas, mas outras não o são!que as técnicas clássicas, mas outras não o são!
Gravimetria Volumetria Eletroanalítico
Espectrométrico
Cromatográfico
Propriedades Propriedades elétricaselétricas
Propriedades Propriedades ópticasópticas
Propriedades Propriedades diversasdiversas
PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PELOS MÉTODOS INSTRUMENTAISPELOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS
Propriedade característica Método instrumentalEmissão de radiação Espectroscopia de emissão atômica e
molecular (RX, UV, Vis, luminescência)
Absorção de radiação Espectroscopia de absorção atômica e molecular (UV, Vis, IV, RX)
Espalhamento de radiação Turbidimetria e nefelometria
Difração de radiação RX e elétrons
Potencial elétrico Potenciometria; cronopotenciometria
Resistência elétrica Condutimetria
Corrente elétrica Amperometria; voltametria; polarografia
Massa Gravimetria (microbalança de cristal de quartzo)
Relação massa/carga Espectrometria de massas (CG-EM e CL-EMCG-EM e CL-EM)
Características térmicas TGA, DSC, DTAOs métodos destacados em vermelho serão abordados nesta disciplina.
INSTRUMENTOS PARA ANÁLISEINSTRUMENTOS PARA ANÁLISE
O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada.É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta.
Fonte deEnergia
Sistema emEstudo
InformaçãoAnalítica
Estímulo Resposta
Estímulo Resposta
Espectrofotômetro UV/Visível
INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTESINSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTES
Equipamentos e técnicas utilizados nesta disciplina.Equipamento não utilizado, mas a técnica é usada para a emissão atômica em chama.
FUNÇÃO DO INSTRUMENTOFUNÇÃO DO INSTRUMENTO
Traduzir a composição química em uma informação
diretamente observável pelo operador.
Os instrumentos transformam um sinal analítico
que usualmente não é diretamente detectável ou
entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser
medido.
O instrumento atua direta ou indiretamente como
um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a
amostra desconhecida em relação a um padrão.
FUNÇÃO DO ANALISTAFUNÇÃO DO ANALISTA
Ter conhecimento do que está realmente
medindo!
Seleção de um método analíticoSeleção de um método analíticoConhecer os detalhes práticos das diversas
técnicas e seus princípios teóricos.Definir claramente a natureza do problema
analítico, respondendo às questões:
•Que exatidão é necessária?
•Qual é a quantidade de amostra disponível?
•Qual é o intervalo de concentração do analito?
•Que componentes da amostra causarão interferência?
•Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra?
•Quantas amostras serão analisadas?
•Qual o tempo requerido para a análise?
Qualquer que seja o método Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será instrumental, o sinal analítico será
sempre uma função da concentração sempre uma função da concentração do analito (atividade).do analito (atividade).
S = f(C)S = f(C)
Vtitulante
Sin
al a
nalí
tico
Curva de titulação potenciométrica
Qualquer que seja o método Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será instrumental, o sinal analítico será
sempre uma função da concentração sempre uma função da concentração do analito (atividade).do analito (atividade).
S = f(C)S = f(C)
Vtitulante
Sin
al a
nalí
tico
Curva de titulação condutométrica ou
espectrométrica
Qualquer que seja o método Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será instrumental, o sinal analítico será
sempre uma função da concentração sempre uma função da concentração do analito (atividade).do analito (atividade).
S = f(C)S = f(C)
[Analito]
Sin
al a
nalí
tico
SA = mCA + Sbr
Curva Analítica
Amostra: Porção de um determinado material que representa a totalidade.Analito: Espécie (iônica, atômica ou molecular) que se deseja determinar em uma amostra.Matriz: Conjunto de todos os constituintes que compõem uma amostra.Detector: Dispositivo mecânico, elétrico ou químico que identifica, registra ou indica uma alteração em uma das variáveis na sua vizinhança (pressão, temperatura, etc.).Sistema de detecção: Conjunto inteiro que indica ou registra as quantidades físicas ou químicas.Transdutor: Dispositivo que converte informação de domínio não-elétrico em informação de domínio elétrico e vice-versa (microfone, fotocélulas, etc.).Sensor: Dispositivo analítico capaz de monitorar espécies químicas específicas de forma contínua e reversível (eletrodo de vidro, QCM, etc.). Equivale ao transdutor associado a uma fase de reconhecimento quimicamente seletiva.
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumentalCurva analítica: Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluções-padrão (padrão externo). Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração.Branco (br): Sinal do instrumento para matriz (ou imitação) na ausência do analito ou de uma espécie que corresponda ao analito.
Limite de detecção (LD ou cm): Concentração ou massa
mínima do analito que pode ser detectada em um nível confiável.
Sm = Sbr + k sbr (valor mais aceito k = 3)
onde Sm e Sbr são o sinal analítico mínimo e do branco e s é o desvio padrão do
branco.
Limite de quantificação (LQ): Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco.Limite de resposta linear (LRL): Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade.
m
ks
m
SSc brbrmm
Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica: Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL.Método do padrão interno: Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras, aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. Compensa diversos tipos de erros, aleatórios ou sistemáticos.
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
LQ
LRL
cm
FOT
Sin
al A
nalí
tico
Concentração
Método de adição de padrão: Consiste em uma série de medidas envolvendo a adição de incrementos de uma solução-padrão do analito à alíquotas da amostra de mesmo volume com a finalidade de corrigir a interferência da matriz sobre o sinal analítico.
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
-10 -5 0 5 10 15 20 250,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2y = 0,0382x + 0,2412
R2 = 0,9999
Sin
al a
nalít
ico
Volume de solução do padrão, mL
Exatidão: Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão.Precisão: Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma análise.Tendência (bias) ou viés (): Fornece uma medida do erro
sistemático, ou determinado, de um método analítico. = – ,
onde é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração
verdadeira .
Sensibilidade: A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito. Em uma curva de calibração, a sensibilidade é a inclinação da curva (m).
S = mc + Sbr, onde S é o sinal medido, c é a concentração do
analito e Sbr é sinal do instrumento para o branco.
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
Sensibilidade analítica: A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida:
= m / sS . Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é
independente das unidades de medida de S.Seletividade: A seletividade de um método analítico refere-se ao grau em que o método esta livre de interferência de outras espécies contidas na matriz da amostra. Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e, assim, procura-se minimizá-las.• Define-se um coeficiente de seletividade que representa a resposta relativa do método a cada uma das espécies interferentes em relação ao analito de interesse. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A, bem como B e C potencialmente interferentes:
S = mAcA + mBcB + mCcC + Sbr; e
S = mA(cA + kB,AcB + kC,AcC) + Sbr
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
A
BAB m
mk ,
A
CAC m
mk ,
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
Um método que produz
resposta para apenas um
analito é chamado
específico
Um método que produz
resposta para vários
analitos, mas que pode
distinguir a resposta de
um analito da de outros
é chamado seletivo
0 2 4 6 8 100
10
20
30
40
50
60
Sin
al A
nal
ític
o
Concentração (mg/L)
B A
Repetibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as mesmas condições (mesmo operador, mesmo equipamento, mesmo laboratório em um pequeno intervalo de tempo).
Reprodutibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob diferentes condições (diferentes operadores, diferentes equipamentos, diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico, obtido nas condições acima, aconteçam com a mesma probabilidade especificada. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.
Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica
InstrumentalInstrumental
• Não desenvolvam a “Arte de Enrolar”
O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM
QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL?QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL?
“A exatidão é um parâmetro de difícil precisão, pois está sujeita a uma série de erros determinados.”
“O ponto de equivalência é encontrado se interpolando por extrapolação o ponto no qual a curva muda de sua
concavidade.”
“Uma maior exatidão seria obtida condutimetricamente, uma vez que em condutimetria é possível determinar
pequenas variações de potencial ...”
“... em se tratando de uma amostra com várias matrizes, este tipo de detector traria maior seletividade ...”
Dados de calibração obtidos para determinação do analito X em solução aquosa.
Exemplo Exemplo
1:1:
[X], ppm Nº replicatas Sinal analítico médio
Desvio padrão
0,00 25 0,031 0,0079
2,00 5 0,173 0,0094
6,00 5 0,422 0,0084
10,00 5 0,702 0,0084
14,00 5 0,956 0,0085
18,00 5 1,248 0,0110
a) Determinar a sensibilidade de calibração.b) Determinar a sensibilidade analítica.c) Determinar o coeficiente de variação para a média de cada
grupo de replicatas.d) Determinar o limite de detecção do método.
a) Inclinação: m= 0,067 ppm-1
y = 0,067x - 0,001
R2 = 0,9996
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Cx, ppm CV, %
2,00 7,1 5,4
6,00 8,0 2,0
10,00 8,0 1,2
14,00 7,9 0,89
18,00 6,1 0,88
d) Limite de detecção:
= 3 x 0,0079 / 0,067 = 0,35 ppm m
ksc brm
Exemplo Exemplo
1:1:
b) = m / sS c) CV = (sx / Sam)x100 Sam = sinal analítico médio
O gráfico deve ser traçado com o sinal O gráfico deve ser traçado com o sinal analítico, descontando-se o sinal do branco.analítico, descontando-se o sinal do branco.
Alíquotas de exatamente 5,00 mL de uma solução de fenobarbital foram transferidas para frascos volumétricos de 50,00 mL e foram ajustados com KOH para tornarem-se básicas. Os seguintes volumes de solução-padrão contendo 2,000 g/mL de fenobarbital foram introduzidas em cada frasco: 0,000, 0,500, 1,00, 1,50 e 2,00 mL. O volume foi completado e as leituras de cada frasco em um fluorímetro forneceu as seguintes respostas: 3,26, 4,80, 6,41, 8,02 e 9,56.a) Construa o gráfico com os dados.b) Usando o gráfico, determine a concentração de fenobarbital na amostra desconhecida.c) Obtenha a equação por regressão linear (mínimos quadrados).d) Calcule a concentração pela equação obtida em (c).e) Calcule o desvio padrão para a concentração obtida em (d).
Exemplo Exemplo
2:2:
y = 79,1x + 3,246
R2 = 0,9999
0
2
4
6
8
10
12
-0,05 -0,03 -0,01 0,01 0,03 0,05 0,07
[F], g/mL
Sin
al a
nal
ític
o
Pela equação, para y = 0 x = -3,246 / 79,1 = 0,0410 g/mL.
Como a amostra foi diluída de 5,00 para 50,00 mL, a sua
concentração é 10 vezes maior: 0,0410 x 50 / 5 = 0,410 g/mL.
Desvio padrão relativo da regressão, sc/c = 0,007957 (ou
0,7957%)Desvio padrão da medida = 0,410 x 0,007957 = 0,003 (ou 0,3%)
V, mL C, g/mL S
0,000 0,000 3,26
0,500 0,0200 4,80
1,00 0,0400 6,41
1,50 0,0600 8,02
2,00 0,0800 9,56
Exemplo Exemplo
2:2:
0,0407 g/mL