Espectrometria de Absoro Atmica

Espectrometria de Absoro Atmica (AA)

(ou Atomic Absorption Spectrometry AAS)

Mtodos espectromtricos: abrangem um grupo de mtodos analticos baseados na espectrometria atmica e molecular;

Espectrometria de Absoro Atmica: pertence categoria da espectroscopia atmica;

1) Histrico e Fundamentao da Tcnica

Absoro Atmica (AA): proposta no incio de 1955 por Walsh ( tcnica de anlise qumica para determinar metais;

O fenmeno de AA foi observado inicialmente por Wollaston e Fraunhofer e explicado por Kirchoff e Bunsen;

Como tcnica analtica ( tornou-se aceita na dcada de 60, aps a introduo do primeiro instrumento comercial em 1959.

A espectroscopia atmica a principal ferramenta da qumica analtica: alta sensibilidade, capacidade de executar anlise multielementares simultaneamente e facilidade de automao;

Podem ser medidas concentraes dos constituintes em ppm ou ppb;

A absoro atmica permite detectar mais de 60 metais ou metalides;

A espectroscopia de AA se baseia na quantidade de radiao absorvida pelos tomos neutros no estado fundamental do elemento de interesse, os quais so produzidos na chama.

A passagem de radiao atravs de um meio constitudo de partculas monoatmicas (p. Exemplo: sdio gasoso) provoca absoro da radiao em algumas freqncias bem definidas ( gerao de espectros de absoro tpico.

Neste caso ( excitao eletrnica ocorre somente num processo eletrnico ( um ou mais eltrons dos tomos so levados para nveis de energia mais altos (figura 6-17) ( gera o espectro de absoro da figura 6-19 ( dois picos de absoro, resultantes da excitao do eltron 3s para dois estados 3p.

2) Viso Geral da AA Etapas:

1) Uma amostra lquida aspirada (sugada) para a chama (cuja temperatura de 2.000 a 3.000 K) ( processo de nebulizao: transformao em fino aerosol e misturada com os gases combustvel e oxidante que produzem a chama.

2) O lquido evapora e o slido remanescente atomizado (quebrado em tomos) na chama (que substitui a cubeta na espectrofotometria convencional).

Para criar as freqncias especficas da luz que so absorvidas, so utilizadas lmpadas de ctodo oco. 3) A fonte de radiao (lmpadas de ctodo oco) bombardeia a amostra com a radiao no comprimento de onda necessrio para ocorrer o processo de transio eletrnica do tomo de interesse.

4) A radiao que no absorvida passa pela chama, passa pelo monocromador (separa os comprimentos de onda) e chega at o detector.

O nmero de tomos livres no percurso da radiao aumenta a absoro da mesma e a com a medida da radiao absorvida pode-se determinar a concentrao da espcie de interesse. A diferena entre a quantidade de radiao emitida pela fonte e a quantidade de radiao que chega ao detector proporcional concentrao de tomos no estado gasoso ( determinao da concentrao do elemento de interesse.

O uso de fontes de emisso de radiao luminosa e a seleo de comprimento de onda permitem a determinao de diversos elementos.

Tcnicas de Atomizao de Amostras

a) Atomizao por chama

b) Atomizao por forno de grafite

a) Atomizao por Chama

Os processos que ocorrem durante a atomizao da amostra ( processos complexos ( etapa mais crtica na espectroscopia de chama e que limita a preciso deste mtodo.

Na atomizao por chama: uma soluo da amostra nebulizada por um fluxo de oxidante gasoso, misturada com um combustvel gasoso, e levada chama onde ocorre a atomizao;

Na chama ocorre um conjunto de processos complexos, desde a formao do aerossol molecular, dissociao das molculas e transformao dos constituintes da amostra em estado de vapor, decomposio dos constituintes em tomos ou molculas simples e excitao eletrnica de uma frao de tomos ou molculas resultantes;

Existem vrios tipos de combustveis e oxidantes usados em espectrometria de absoro atmica;

Da combinao de tipos de oxidantes e combustveis ( obtm-se diferentes faixas de temperatura;

Exemplos:

Combustvel

Oxidante

Temperatura, oC

Acetileno

Oxignio

3.050 3.150

Acetileno Ar 2.100 2.400

Acetileno xido nitroso 2.600 2.800

Gs natural Ar 1.700 1.900

Para cada tipo de elemento qumico a ser determinado, escolhe-se uma combinao de combustvel/oxidante.

As chamas de ar/acetileno e xido nitroso/acetileno so as mais utilizadas em AA.

3) Instrumentao

Os instrumentos atuais de AA permitem obter resultados analticos precisos com relativa facilidade de operao;

Os constituintes bsicos do espectrofotmetro de absoro atmica so: a) fonte de emisso de radiao, b) sistema de nebulizao-queima, c) sistema tico e d) sistema de decteo/leitura.

a) Fonte de emisso de radiao:

Lmpadas de ctodo oco : so excelentes, eficientes e econmicas fontes de radiao para a maioria dos elementos determinados por absoro atmica; constituda de um tubo selado de vidro com janela de quartzo, transparente radiao emitida; Possui atmosfera rarefeita de gases nobres (nenio ou argnio) a baixa presso ( aproximad. 10-5 mbar). O ctodo oco , normalmente, uma cavidade cilndrica feita do metal do elemento em anlise. O nodo de nquel ou tungstnio; A aplicao de uma diferena de potencial entre o ctodo e o nodo produz uma descarga eltrica que promove a ionizao do gs de enchimento; As partculas carregadas positivamente so aceleradas e incidem sobre o ctodo de carga oposta; Este fenmeno provoca o deslocamento dos tomos constituintes do ctodo que, por coliso com o gs ionizado, so excitados. Ao retornarem ao estado fundamental, os tomos emitem energia que ser absorvida pelos tomos de mesmo tipo contidos na chama. As lmpadas de ctodo oco tm um tempo de vida finito: a absoro do gs de preenchimento pelas superfcies da lmpada a principal causa do fim da sua vida; A vida mdia de uma lmpada de ctodo oco de cerca de 1.000 horas.b) Sistema de Nebulizao-Queima

Pode ser considerado como sendo um dos componentes mais simples e de maior importncia no instrumento de AA. Nele, a amostra nebulizada e atomizada no caminho tico do feixe de luz proveniente da fonte de radiao. Uma das principais diferenas entre os diferentes tipos de instrumentos a cmara de nebulizao; Cada fabricante procura encontrar sistemas visando melhor eficincia de nebulizao. Os principais sistemas de nebulizao so: a) sistema prola de vidro b) sistema Mixing vanes c) sistema ultra-som.

i) sistema prola de vidro

Sistema simples e de alta eficincia; Na parte inicial de cmara de nebulizao h um tipo de anteparo denominado prola de vidro (glass bead), onde o fluxo da amostra sofre impacto, resultando no aumento do nmero de minsculas gotculas; As partculas maiores que se condensam na periferia da cmara de nebulizao so drenadas, enquanto que as menores seguem para o queimador.ii) Queimadores

Alm da cmara de nebulizao ( o sistema possui um queimador, s vezes denominado atomizador; Existem dois tipos principais de queimadores construdos de ao inoxidvel ou de titnio, escolhidos conforme a mistura de gases a ser empregada na anlise; Para a chama de ar/acetileno ( queimador de ao inoxidvel, de 10 cm de comprimento e fenda de 1 mm de espessura; Para a chama de xido nitroso/acetileno ( queimador de titnio, com 5 cm de comprimento e 1 mm de espessura da fenda. iii) Queimadores de Pr-mistura

Neste sistema a formao de pequenas gotculas ocorre na cmara de nebulizao com anteparos de ao inox ( impedem que gotas maiores cheguem chama ( elas se chocam nos anteparos e so drenadas; o excesso de lquido coletado no fundo da cmara e retirado por um dreno;

O aerossol que alcana chama contm somente cerca de 5 % da amostra inicial.

C) Sistema tico

Fotmetro: conduz a luz proveniente da fonte at o monocromador.

Filtros: dispositivos que transmitem radiao de determinados comprimentos de onda, absorvendo total ou parcialmente outros comprimentos de onda.

Monocromadores: formado por prisma ou rede de difrao, permitem isolar uma banda de comprimento de onda bem mais estreita do que a obtida pelo filtro.

D) Sistema Eletrnico de Deteco e Leitura

O comprimento de onda da luz isolada pelo monocromador direcionado para o detector, o qual serve de uma espcie de olho do instrumento.

O componente que faz esta deteco o tubo fotomultiplicador: a corrente eltrica amplificada neste tubo atravs de choques dos eltrons: este chocam-se com a parede do tubo geram vrios eltrons. Esta corrente eltrica amplificada gera um sinal, o qual representa a medida da atenuao da luz sofrida na amostra. Este sinal convertido diretamente em unidades de concentrao.

4) Otimizao das Anlises em Absoro Atmica

Existem muitos parmetros que afetam a eficincia da AA.

Alguns so caractersticos do instrumento e outros dependem do operador.

Um operador deve sempre considerar o alinhamento do queimador, a temperatura da chama, a vazo da entrada da amostra (taxa de aspirao), a corrente da lmpada, o comprimento de onda da linha de ressonncia.

Antes da determinao, o instrumento deve ser otimizado. Isto feito em dois estgios: no primeiro, a transmisso otimizada pela seleo da corrente da lmpada, comprimento de onda, largura da banda espectral e pelo alinhamento da lmpada.

No segundo estgio, aciona-se a chama e se otimiza a absoro.

4.1) Acertos do Queimador

Alinhar a fenda do queimador com o caminho tico da fonte da emisso; Verificar a caracterstica da chama para o elemento a ser determinado: oxidante, neutra ou redutora; Acertar a chama, aspirar a soluo e calibrar para a mxima absorbncia, utilizando os botes de ajuste horizontal, vertical e rotacional do queimador.5) Interferncias em AA

Considera-se interferncia em AA qualquer efeito capaz de alterar a concentrao de tomos no estado fundamental na chama e, em conseqncia, a absoro. Como a AA uma tcnica onde a amostra comparada a uma srie de padres, deve-se ter a certeza de que a amostra e padres reagem do mesmo modo, caso contrrio o resultado afetado. As eventuais interferncias devem ser reduzidas, utilizando-se amostras e padres semelhantes, e identicamente nebulizados e atomizados. As interferncias podem ser de vrios tipos, geralmente classificadas como espectrais e qumicas.5.1) Interferncia Espectral

aquela observada quando a medida da radiao absorvida erroneamente mais elevada devido absoro de uma espcie que no seja o elemento de interesse. Ocorre interferncia deste tipo sempre que qualquer radiao se sobreponha a do elemento em determinao. A radiao interferente pode ser uma linha de emisso de outro elemento, um espectro de banda de um radical ou de uma molcula ou radiao de fundo proveniente da chama, do solvente ou da amostra. A absoro de background ou radiao de fundo resultado da atomizao incompleta dos elementos que compem a matriz. Os tomos possuem linhas de absoro muito estreitas, que dispersam a radiao numa ampla regio de comprimento de onda, sobrepondo-se a um comprimento de onda especfico de um analito. Outra causa da absoro de fundo a absoro de radiao proveniente das lmpadas de emisso de radiao por molculas presentes na chama. Para compensar este tipo de interferncia, utilizam-se corretores de fundo que permitem a medida deste tipo de absoro para que possa ser subtrada da total. Neste caso utiliza-se uma lmpada de deutrio, A lmpada de deutrio e a lmpada de ctodo oco (LCO) emitem radiao alternativamente sobre a amostra, sendo que apenas as molculas da matriz da amostra absorvam, sendo ento a diferena de absoro subtrada da energia emitida pela LCO, obtendo-se apenas a radiao absorvida pelos tomos de interesse.5.2) Interferncia Qumica

A interferncia qumica afeta a eficincia da dissociao da amostra na chama durante a formao dos tomos no estado fundamental. Na etapa de atomizao, se uma quantidade suficiente de energia no for fornecida, os componentes termicamente estveis no sero decompostos e interferncias qumicas ocorrem.

Uma forma de compensar este tipo de interferncia atravs da adio de um outro elemento ou composto que ir formar um composto termicamente estvel com o interferente.

Uma segunda maneira atravs do aumento da temperatura da chama.

Interferncia da Matriz: interferncias devido aos efeitos fsicos da matriz so aquelas que modificam a resposta do instrumento devido variao de parmetros fsicos da soluo nebulizada, tais como concentrao e viscosidade.

O efeito da matriz pode ser compensado:

Igualando-se ao mximo possvel, a composio dos padres em relao amostra, atravs da adio de cidos reagentes ou outros elementos presentes na amostra para manter as caractersticas fsicas do padro em relao s amostras.

Por exemplo, se uma amostra for tratada com hidrxido de sdio, tanto o branco como o padro devem conter o hidrxido de sdio.

A anlise de amostras orgnicas devem ser realizadas usando-se padres preparados com sal de organometlicos e se possvel, com os reagentes utilizados na preparao da amostra.

Exemplo: para um mesmo teor, por exemplo 1 mg/L de cobre em soluo aquosa ou em metil-isobutil-cetona (MIBC) a soluo de MIBC exibir um sinal de absoro trs vezes maior do que a soluo aquosa, devido viscosidade, tenso superficial e temperatura da chama.

6) Preparo da Amostra e das solues de Referncia (Solues Padres ou Soluo Estoque)

6.1) Preparo da Amostra

O preparo da amostra uma das etapas mais importantes no processo de anlise por AA; Depende de uma srie de fatores: tipo de amostra (estado fsico: slido, lquido), origem e natureza da amostra (orgnica ou inorgnica - mineral, vegetal, animal), concentrao do analito e tipo de analito, necessidade de conservao da amostra, entre outros. Tempo total gasto numa anlise qumica (mdia de todas as tcnicas):

- Coleta da amostra: 6%

- Preparo da amostra: 61%

- Anlise da amostra: 6%

- Processamento dos dados: 27%

Para cada tipo de amostra e de analito ( procedimentos diferentes para a coleta e preparo da amostra;

Existem procedimentos padres para cada amostra e analitos j desenvolvidos e padronizados ( disponveis na literatura ( protocolos e procedimentos de preparo, coleta e anlises de amostras ambientais, guas e alimentos, plantas, medicamentos, etc.

Exemplos:

( Anlise de guas e efluentes:

- AMERICAN PUBLIC HELTH ASSOCIATION APHA. Standard methods for the examination os water and wastewater. 19 ed. Washington, D.C. 1995.

- EPA Environmental Protection Agency (EUA): www.epa.gov

- Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CETESB So Paulo.

( Anlise de alimentos, plantas, minerais, medicamentos, etc.:- A.O.A.C. - ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMISTS. Official methods of analysis of the Association of Official Analytical Chemists. Washington, D. C.

( Anlise de alimentos e medicamentos:- FDA - Food and Drug Administration - (EUA).

Exemplos de Aplicaes de Protocolos de Anlise ou Protocolos Modificados: Peridicos da rea Ambiental:

- Environmental Science Technol.

- International Journal Environm. Pollution.

- Analytical Chemistry.

- Enrironmental Chemistry.

- Etc.

Peridicos Nacionais da rea de Qumica e de Sade:

- Qumica Nova.

- Cadernos de Sade Pblica

- Revista Sade Pblica

Busca de assuntos gerais e especficos em todos os peridicos internacionais mundiais (todas as reas da Qumica):

- Chemical Abstracts: resumos dos artigos de peridicos. Disponvel em material impresso (volumes mais antigos) e em CD-ROM (volumes mais recentes) disponvel na biblioteca da UEM Maring.

Internet:

- Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria Anvisa: legislao. Endereo eletrnico: www.anvisa.gov.br

Portal para busca de artigos:

- Scielo: www.scielo.br

Sistema de Busca de Peridicos (em bibliotecas): em todas as bibliotecas Nacionais: sistema COMUT Localizao e envio de artigos em peridicos de qualquer rea do conhecimento servio realizado mediante cobrana de taxa (todas as bibliotecas nacionais).

Livro que apresenta detalhadamente todas os fundamentos e tcnicas de preparo de amostras (procedimentos gerais) disponvel na biblioteca da UNIPAR:- SETTLE, Frank A. Handbook of Instrumental techniques for analytical Chemistry. New Jersey: Prentice-Hall, 1997.

6.2) Algumas Observaes Sobre o Preparo de Amostras

a) Concentrao de Amostras

Para espcies em concentraes muito baixas pode ser necessrio algum tipo de pr-concentrao da amostra.

Pode-se simplesmente evaporar o solvente.

Outro procedimento utilizado consiste na formao de quelato com o analito e sua posterior extrao com solvente orgnico imiscvel com a gua.

A pirolidina ditiocarbamato de amnio (APDC), a 8-hidroxiquinolina, difeniltiocarbazona (DFTC) e a metil-isobutil-cetona (MIBC) podem ser empregados. Este ltimo amplamente utilizado.

b) Amostras Biolgicas

Raramente existem amostras em condies de serem determinadas diretamente na chama. Quase sempre requerido algum tipo, mesmo que simples, de tratamento preliminar na chama. Amostras biolgicas contm protenas, como o soro sanguneo, so viscosas e podem bloquear o nebulizador e o queimador. Elas devem ser desproteinizadas por cido tricloroactico antes da determinao. Tecido animal ou vegetal requer tratamento preliminar que inclui secagem, calcinao, queima com mistura cida ou digesto em forno de microondas. Em todos os casos deve-se tomar precaues para se evitar a contaminao e a perda do analito por volatilizao ou outro processo.c) Amostras Inorgnicas

O tratamento de amostras desconhecidas varia segundo sua natureza. Os metais e as ligas se dissolvem em cido, eliminando-se seu excesso antes da medio. Amostras geoqumicas, como minerais, rochas e amostras de perfurao so tratadas com cido fluordrico para dissolver totalmente os silicatos. Porm, a maioria dos metais pesados pode ser extrada por digesto cida.d) Anlise de gua

Algumas aplicaes tpicas fundamentais da absoro atmica so o controle de qualidade de guas potveis, efluentes industriais, determinao de componentes metlicos em quantidades-trao na gua do mar, rios, etc. A determinao de traos de metais importantes, como cdmio, cobre, ferro, chumbo e cromo em gua de rios, usa-se MIBC para extrair os componentes metlicos da gua, previamente complexados por APDC (pirolidina ditiocarbamato de amnio); A seguir, a fase orgnica contendo os quelatos dos metais nebulizada na absoro atmica com chama ar/acetileno. Como referncia, usa-se sais de metais extrados pelo mesmo procedimento e MIBC como branco.6.3) Preparo de Solues de Referncia

Comercialmente so disponveis solues concentradas para preparar estoques contendo de 100 a 1.000 (g/mL (ppm) de diferentes ons.

As solues podem, tambm, ser preparadas pesando-se com exatido um metal ou sal apropriado. Aps dissoluo adequada, esta soluo diluda at um volume conhecido.

Exemplo: soluo padro de cobre 1.000 ppm: dissolve-se 1,0000 g de fio de cobre (pureza 99,99 %) e completa-se o volume com gua destilada para 1 L.

A partir desta soluo estoque mais concentrada, so preparadas por diluio as solues necessrias para a curva de calibrao.

Estas solues diludas devem ter as mesmas caractersticas de composio da amostra.

Existem procedimentos na literatura que descrevem a correta preparao destas solues.

No caso do espectrofotmetro de AA da GBC, o aparelho acompanha um manual com o preparo de todos os padres de metais que so determinados pelo aparelho.

7) Amostras para AA:

Podem ser analizadas amostras slidas, lquidas ou gasosas ( todas devem ser convertidas em soluo para a anlise;

Quantidade de amostra: microlitros de lquidos ou miligramas de amostra;

Tempo de anlise: 10 s para AA com chama e 2 minutos para forno de grafite;

Preciso: depende da complexidade da matriz ( 1%

8) Limitaes AA:

No fornece informaes sobre a forma qumica do metal (especiao);

A preparao de amostras pode ser demorada;

Tcnica limitada a metais e metalides;

Tcnica destrutiva da amostra;

Custo do aparelho: forno de grafite > chama;

9) Aplicaes da AA:

Amostras biolgicas:

Anlise de metais em soro sanguneo, em protenas, tecidos vegetais, etc ( tcnicas de abertura adequadas;

Amostras inorgnicas:

Metais, ligas metlicas, amostras geoqumicas, solo ( digesto cida para preparar a amostra;

Anlise de gua: controle de qualidade de guas potveis, efluentes industriais, determinao de componentes metlicos em quantidades-trao na gua de rios, mares, lagos, etc.

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