Métodos Físicos de Análise - ABSORÇÃO ATÔMICA. Métodos Físicos de Análise MÉTODOS FÍSICOS DE ANÁLISE - PDF
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Nina Caldeira Pinho
1 Métodos Físicos de Análise - ABSORÇÃO ATÔMICA Prof. Dr. Leonardo Lucchetti Mestre e Doutor em Ciências Química de Produtos Naturais NPPN/UFRJ Depto. de Química de Produtos Naturais Farmanguinhos Fiocruz Docente do Programa de Pós-Graduação em Vigilância Sanitária Instituto Nacional de Controle de Qualidade em Saúde Fiocruz Docente do Curso de Mestrado Profissional em Gestão, Pesquisa e Desenvolvimento na Indústria Farmacêutica Farmanguinhos Fiocruz Métodos Físicos de Análise A espectrofotometria de absorção atômica (EAA) baseia-se no princípio que estabelece que os átomos livres em estado estável podem absorver a luz a um certo comprimento de onda. A absorção é específica a cada elemento: nenhum outro elemento absorve este comprimento de onda. O método éúnico para cada elemento, sendo usado para a análise de traços de metal de amostras biológicas, metalúrgicas, farmacêuticas e atmosféricas, dentre outras. 1
2 Quando uma solução com um sal metálico for aspirado por uma chama, forma-se um vapor que contém átomos do metal. Alguns destes átomos do metal, no estado gasoso, podem ser promovidos a um nível de energia suficientemente elevado para que ocorra a emissão da radiação característica do metal; Ou, alternativamente, os átomos no estado fundamental podem absorver energia radiante proveniente de uma fonte específica. Análises instrumentais: Espectrofotometria de emissão de chama (fotometria de chama) Espectrofotometria de absorção atômica Espectrofotometria de fluorescência atômica Técnica 1- A determinação espectrofotométrica de espécies pode ser realizada somente em uma amostra gaseificada na qual os átomos individuais tais como Ag, Al, Au, Fe e Mg estão bem separados um dos outros; 2- É preciso calor para gaseificar a amostra. O calor é gerado a partir de uma chama ou forno de grafite. A EAA por chama pode analisar apenas soluções, ao passo que a EAA com forno pode analisar soluções e amostras sólidas. Um atomizador de chama consiste em um nebulizador que transforma a amostra em um aerossol que alimenta o queimador. A fonte mais utilizada para as medições de absorção atômica é uma lâmpada de catodo oco. Consiste em um ânodo de tungstênio e um catodo cilíndrico apoiado em um tubo de vidro que contém gás inerte, como por exemplo o argônio. 2
3 Etapas de formação de átomos metálicos numa chama Evaporação do solvente deixando um resíduo sólido Vaporização do sólido com a dissociação nos seus átomos constitutivos que inicialmente estarão no estado fundamental Excitação de alguns átomos a um nível de energia mais elevado, graças à energia térmica da chama, atingindo um estado no qual podem irradiar energia Etapas de formação de átomos metálicos numa chama Energia térmica ou elétrica 5p 4p 3p sódio 5p 4p 3p nm 3s 3s Resultado: espectro de linhas Absorbância ou Emissão Comprimento de onda (nm) 3
4 Espectro de emissão Emissão atômica 4
5 Fundamento e requisitos Fundamento Todo átomo é capaz de absorver sua própria radiação (Bunsen e Kirchhoff, 1860) Requisitos Gerar nuvem de átomos no estado fundamental Incidir na nuvem de átomos radiação com λ adequado Diferenciar sinal de absorção atômica de sinal de absorção de fundo (absorção molecular e espalhamento de radiação) 5
6 Componentes da AA Fonte de radiação Monocromática x policromática Atomizador Chama x tubo de grafite (x superfícies metálicas) Sistema óptico Resolução Detector Fotomultiplicador (x detector de estado sólido) Instrumentação Instrumentação Utiliza-se um monocromador para isolar um feixe estreito de comprimento de onda. Um fotomultiplicador converte a luz em sinais elétricos. 6
7 Instrumentação Instrumentação Instrumentação: espectrofotômetro de feixe simples 7
8 Instrumentação: espectrofotômetro de feixe simples Instrumentação: espectrofotômetro de feixe duplo Instrumentação: fontes de luz para AA Processo de emissão Lâmpada de catodo oco 8
9 Instrumentação: fontes de luz para AA (proporcionar a radiação necessária, na forma de linhas) Lâmpada de catodo oco (LCO) Bulbo de vidro contendo gás inerte (argônio) e catodo elaborado com o elemento de interesse Emite somente linhas de interesse Existem lâmpadas multi-elementos Instrumentação: fontes de luz para AA (proporcionar a radiação necessária, na forma de linhas) Lâmpada de descarga sem eletrodos Bulbo de vidro contendo sal do elemento de interesse. Excitação por radiofrequência (bobina) Mais intensa que LCO, menos estável Instrumentação: sistema nebulizador-queimador 9
10 Instrumentação: chamas para AA Instrumentação: atomizadores e temperaturas de atomização Instrumentação: atomizadores e faixas ótimas de concentração e volumes de amostras 10
11 Programa de aquecimento Etapa de secagem Etapa de pirólise 11
12 Etapa de atomização Atomização Solução Problema nebulização Spray Líquido/Gás dessolvatação Aerosol Sólido/Gás volatilização Íons ionização Átomos dissociação Moléculas gasosas íons excitados ÁTOMOS EXCITADOS Moléculas excitadas Atomização: Sistemas fundamentados na chama (líquidos e gases) Combustível mais utilizado: acetileno (C 2 H 2 ) Oxidante mais utilizado: ar (temperatura da chama: o C) Outros oxidantes:óxido nitroso (N 2 O)(temperatura da chama: o C) 12
13 Atomização: Sistemas eletrotérmicos (líquidos e sólidos) Forno de grafite Amostra é inserida em um tubo de grafite, aquecido eletricamente Maior tempo de residência do vapor atômico Maior sensibilidade Pequenos volumes de amostra Amostras sólidas Atomização: chama x eletrotérmica VANTAGENS Atomização: chama x eletrotérmica VANTAGENS 13
14 Curvas de temperatura (pirólise e atomização) Temperatura de pirólise elevada Separação entre analito e matriz Viabilizar a obtenção de condições isotérmicas Melhorar a separação temporal entre AA e BG Aplicações recentes da técnica de espectrofotometria de absorção atômica de alta resolução com fonte contínua e atomização em forno de grafite 14
15 Espectrofotometria de Absorção Atômica - Classificação FAAS (espectrometria de absorção atômica com chama) GFAAS (espectrometria de absorção atômica com forno de grafite) WCAAS (espectrometria de absorção atômica com filamento de tungstênio) HGAAS (geração de hidretos) CVAAS (vapor frio) FAAS (chama) Faixa típica de trabalho: mg/l Problemas Baixa eficiência do processo de introdução de amostra Diluição da nuvem atômica nos gases da chama Gradientes de temperatura e de composição química na chama Tempo de residência dos átomos na zona de observação GFAAS (forno de grafite) Faixa típica de trabalho: µg/l Atomizador: tubo de grafite Controle do ambiente químico Controle do ambiente térmico Tempo de residência da nuvem atômica na zona de observação Ideia básica: gerar uma nuvem de átomos densa e em condições controladas (L vov, 1958) - Nuvem de átomos densa = sensibilidade - Condições controladas: remoção de interferentes (programa de aquecimento) e temperatura controlada (ambiente isotérmico) 15
16 GFAAS (forno de grafite) Programa de temperatura do forno Secagem ( o C): eliminação do solvente Calcinação ( o C): eliminação da matriz (mineralização) Atomização ( o C): produção de vapor atômico Utilização de gases de purga (argônio) Remoção de gases produzidos na secagem e calcinação Reduzir a oxidação do tubo Evita a produção de gases tóxicos durante a atomização Temperatura Tempo Interferências FAAS: principais interferências são causadas por produtos de combustão na chama GFAAS: principais interferências são causadas por componentes da matriz Limitações da montagem tradicional Monoelementar!! Tendência QA: Multielementar Fonte de radiação Várias lâmpadas monoelementares (catodo oco) Uma lâmpada multielementar (Xe,W, D2) Sistema óptico Detector de estado sólido 16
17 Tratamento quantitativo Lei de Lambert-Beer Curvas de calibração Absorbância Faixa linear Concentração Aplicações Chama: aproximadamente 64 elementos Forno: aproximadamente 55 elementos Geração de hidretos: 8 elementos Vapor frio: 1 elemento (Hg) Ambiental: solos, águas, plantas, sedimentos... Clínica: urina, cabelo, outros fluidos... Alimentos: enlatados... Industrial: Fertilizantes, lubrificantes, minérios... ICP-AES (espectrofotometria de emissão atômica com acoplamento de plasma induzido) Fonte de plasma para produzir espectros de emissão a partir da excitação e decaimento de átomos e íons de interesse Poderosa ferramenta analítica para e determinação de metais, semimetais e não-metais em diversos tipos de amostras. Um plasma pode ser definido como uma nuvem de gás parcialmente ionizado e com elevada temperatura. 17
18 Comprimentos de onda característicos e limites de detecção dos elementos analisados por ICP-AES ICP-AES (espectrofotometria de emissão atômica com acoplamento de plasma induzido) O gás (normalmente Ar) se ioniza em um campo elétrico forte por uma corrente direta ou por radiofrequência. Ambos os tipos de descarga produzem um plasma, o plasma de corrente direta (Direct Current Plasma-DCP) ou o Plasma de Acoplamento Indutivo (Inductively Coupled Plasma - ICP) As fontes de plasma operam com elevada temperatura ( K) e alta densidade eletrônica (1 3 x e - /cm 3 ). Nessas temperaturas, em que normalmente operam as fontes de ICP, há energia suficiente para dissociação de compostos com elevada energia de dissociação, por exemplo óxidos refratários, carbetos etc, gerando osátomos eíons necessários para que ocorram transições eletrônicas. Outro aspecto a ser considerado é que o plasma possui energia suficiente para promover a excitação da maioria dos elementos químicos, proporcionando alta sensibilidade com ampla faixa de linear de trabalho e estabilidade temporal satisfatória. ICP-AES x AAS: vantagens Técnica multielementar, podendo determinar vários elementos em uma única operação e com uma cobertura de concentração muito mais ampla. Faixa linear de trabalho dos ICP-AES é usualmente de 0,1a 1000 µg/ml. A faixa de trabalho dos instrumentos de AAS é normalmente de 1 a 10 µg/ml. Apresenta sensibilidade aumentada, principalmente para elementos nos quais falham os métodos de absorção atômica (Be, B, P, Ge, Nb, Sn, La, Hf, W e U). Pode-se, no caso de um instrumento de análise simultânea, aumentar a precisão com padrões internos, com um desvio padrão relativo típico de 0,1 a 1,0%. A precisão, no caso dos instrumentos de AAS de chama é, normalmente, de 1 a 2% e nos instrumentos em forno de 1 a 3%. A ablação e outros métodos de vaporização permitem a medida rápida de muitas amostras sólidas. 18
19 ICP-AES: detecção Fotomultiplicadores: caracterizam-se por ótima razão sinal/ruído e resposta linear em uma ampla faixa de comprimento de onda. Detectores de estado sólido: são dispositivos de dimensão física reduzida, não apresentando uma razão sinal/ruído tão favoráveis quanto os fotomultiplicadores e devem ser operados em baixa temperatura em uma célula Peltier. QUESTÃO DE CONCURSO 65. Considere as afirmações sobre absorção atômica: I - A quantidade de luz absorvida é proporcional ao número de átomos que estão no estado fundamental presentes na chama. Este é o princípio básico da espectroscopia de absorção atômica. II - Como um átomo de um determinado elemento químico dá origem a um espectro de raias definido e característico, segue-se que diferentes estados de excitação estão associados a diferentes elementos. III -Como os espectros de absorção da maior parte dos elementos são mais simples do que os respectivos espectros de emissão, a espectroscopia de absorção atômica está menos sujeita a interferências entre elementos do que a espectroscopia de emissão de chama. IV -A espectroscopia de absorção atômica é sempre menos sensível do que a espectroscopia de emissão de chama. V - O espectro de absorção de um dado elemento é normalmente associado apenas às transições que envolvem o estado fundamental. Das afirmações acima são corretas, somente: A) I, II e III B) I, II e IV C) I, II, III e V D) III, IV e V (PERITO LEGISTA, SSP-CE, 2003) 19
5. MÉTODOS ANALÍTICOS UTILIZADOS Os métodos analíticos utilizados na caracterização química de amostras geológicas são variados. Os métodos clássicos, como a gravimetria, a volumetria e outros, exigem