Uso de radiação ultravioleta no preparo de amostra: princípios e

Uso de radiação ultravioleta no preparo de amostra:
princípios e aplicações
ANDREA CAVICCHIOLI
INSTITUTO DE QUÍMICA – USP – SÃO PAULO
V Workshop sobre preparo de amostra, São Paulo, 19/10/2004
Conteúdo deste seminário:
1. Considerações sobre o pré-tratamento de amostras
2. Apresentação da digestão por irradiação UV
3. Exemplos de aplicações:
passadas (procedimentos bem estabelecidos)
presentes (situação atual )
“futuras” (desenvolvimentos recentes)
Pré-tratamento: o que é isso?
“Conversão
da amostra
numa
forma em
adequada
para que
Determinação
de proteínas
danificadas
sangue humano
a análise
Krug,da
II exposição
Workshop
sobre preparo
como proceda”
marcadores (F.
biológicos
a hidrocarbonetos
de amostras, Piracicaba,aromáticos
1998)
(R. Hanway, A. Cavicchioli e P. Farmer, Biomarkers, 2000.
DIÁLISE
PRECIPITAÇÃO PROTEíNA
HIDRÓLISE
•ESTADO FÍSICO da amostra deve ser compatível com a
4 h.analítica utilizada
4 h.
24 h.
técnica
EFS
PRÉ-CONC.
HPLC (SEMI PREP)
•COMPOSI0,5
ÇÃO
amostra
deve0,25
ser apropriada
h. QUÍMICA da12
h.
h.
para o objetivo analítico (tipo de analito, limite de
detecção, precisão e exatidão)
GC-MS
HPLC (ANALíTICO)
DERIVATIZAÇÃO
0,25 h.
0,5 h.
2 min.
OTIMIZAÇÃO DO MÉTODO: 6 MESES
0,1%
•Solubilização
•Purificação
•Transferência de meio
•Pré-concentração/diluição
•Derivatização
UV
•Separação
extração
cromatografia
diálise
distilação
etc.
•Decomposição
ENERGIA
TÉRMICA (via seca/úmida - sistemas abertos/fechados)
SONOLÍTICA (ultra-som)
ELETROQUÍMICA
RADIANTE (microondas, UV, IV, Raios-X)
DECOMPOSIÇÃO NO PRÉ-TRATAMENTO DE
AMOSTRAS (abertura ou digestão):
•Serve tanto para solubilizar como para purificar
•Para purificar, é uma abordagem menos sofisticada
que as técnicas cromatográficas
•É um procedimento característico da análise de
espécies inorgânicas Æ destruição de espécies
orgânicas
•Freqüentemente visa a determinação do conteúdo total
de elementos individuais, sendo também uma
ferramenta útil para estudos de especiação
PROCESSOS DE DERIVATIZAÇÃO
Conversão quantitativa de um analito em uma forma
química mais apropriada para a detecção
EXEMPLOS
•Complexos coloridos em espectrofotometria no visível
•Formação de hidretos para detecção em AAS (Sn, As,
Sb)
•Formação de espécies eletroativas (voltametria etc.)
•Formação de espécies voláteis para GC
Fontes
FONTES
Lâmpadas de descarga de vapores de mercúrio
(lâmpadas de mercúrio)
Ar
Hg
TIPO DE LÂMPADA
PRESSÃO
(torr)
DIMENSÕES
EMISSÃO
BAIXA PRESSÃO
(60 W)
10-3 – 101
1m
15-40 mm
254 nm
MÉDIA PRESSÃO
(400-600 W)
103
10-50 cm
10-40 mm
UV + Vis
ALTA PRESSÃO
(1000-2000 W)
104
10-50 cm
10-40 mm
”
ESPECTRO DE EMISSÃO DE LÂMPADA DE Hg DE BAIXA PRESSÃO
λ (nm)
ESPECTRO DE EMISSÃO DE LÂMPADA DE Hg DE MÉDIA PRESSÃO
λ (nm)
FONTES
LAMPADAS DE BAIXO CUSTO
(Aguiar e Gutz,
PRÉ-TRATAMENTO POR IRRADIAÇÃO UV: REATORES
Batch
Modelo Metrohm
Lâmpada UV 500/1000 W
Tubos de quartzo
Resfriamento com ar/água
T=60 – 90 °C
PRÉ-TRATAMENTO POR IRRADIAÇÃO UV: REATORES
Sistema em fluxo
Vários modelos
Serpentina de quartzo
ou PTFE
ESTEQUIOMETRIA DA MINERALIZAÇÃO
R-H Æ CO2 + H2O (SO42-, PO43-, NO3-)
O2 + 4 H+ Æ 2 H2O
NO3- Æ
S2O82- Æ
H2O2 Æ
O3 Æ
Et – OH = 19.8 eV
Ph – OH = 12 eV
CH3 – H = 4,5 eV
31
6,9
40
180
4,9
253
2,8
3,1
eV
365
400
nm
R1
hν
R1* + O2
R1•
+ O2
O2
hν
2 O + O2
RO2•
R2
1O
2
O3 + H2O
hν
H2O2 + O2
hν
O2- •
HO•
EXEMPLOS
EXTRAÇÃO DE HIDROGÊNIO
ADIÇÃO - ELIMINAÇÃO
EXEMPLOS
HYDROXILAÇÃO SEQÜENCIAL– ABERTURA ANEL AROMÂTICO
DIGESTÃO UV: VANTAGENS...
•É realizada em condições de T e P relativamente baixas
•É facilmente implementada em fluxo
•Pode ser realizada sem adição de reagentes (reduz
problemas de contaminação)
... E DESVANTAGENS
•Só para amostras liquida
•Não é muito agressiva ou abrangente quanto ao tipo de
amostra
Digestão de amostra: Microondas vs UV
Microondas
Eficácia
Abrangência
Segurança
Praticidade
Perdas e
Contaminação
UV
HISTÓRICO DO PRÉ-TRATAMENTO POR IRRADIAÇÃO UV
(UMA ORGANIZAÇÃO SIMPLIFICADA):
PASSADO: PROCEDIMENTOS BEM ESTABELECIDOS,
EQUIPAMENTOS COMERCIAIS (digestão em batch,
analisadores de C, P, N totais ). 1970 – 1995
PRESENTE: NOVAS TENDÊNCIAS AINDA EM FASE
EXPERIMENTAL (técnicas de digestão em fluxo)
1995 – 2000
FUTURO: DESENVOLVIMENTOS E CONTRIBUIÇÕES MAIS
RECENTES. 2001
PASSADO
NATURE: 1966
PHOTO-OXIDATION OF ORGANIC MATTER
IN SEA WATER BY UV RADIATION:
ANALYTICAL AND OTHER APPLICATIONS
F.A.J. Amstrong, P.M. William and J.Strickland
Digestão em batch de amostras de água
lag
rios
água
os
va
u
h
c
de
água potável
ne
v
orvalho
e
a
águ
amostras estuarinas
ar
m
de
’70 - ’80
Digestão em batch de amostras de água
DETERMINAÇÃO DE METAIS PESADOS (Zn(II), Cd(II), Pb(II), Cu(II),
Ni(II) e Co(II)) EM ÁGUAS NATURAIS
E EM
EFLUENTES URBANOS
Decomposição de
matéria orgânica
responsável pela
complexação de
metais pesados
30 min a 65 °C
Zn
Pb
UV
UV
Cd
UV
Cu
UV
(V. Pfund, p. Rach, D. Saur, R. Neeb, Euroanalysis, Paris, 1987)
Digestão em batch de amostras de água
Especiação de Cd(II) em água de mar
Sinal antes da digestão
Cd(II)livre
Cd(II)org
Tempo (min)
(E. Helmers. Fresenius J. Anal. Chem., 1994, 350, 62
Digestão em batch de amostras de água
Influência dos parâmetros experimentais
Intensidade
a: 1000 W
b: 500 W
Temperatura
a: 72 °C
b: 56 °C
c: 37 °C
Concentração
Adição de H2O2
6x50 µL
Diluição
a: 1:5
b: 1:1
2x150 µL
3x100 µL
(D. Saur, V. Gemmer e R. Neeb, Metrohm Monograph, 1989)
Digestão em batch de matrizes biológicas
INVESTIGATION OF THE COMPLETENESS OF DIGESTION
PROCEDURES PRIOR TO VOLTAMMETRIC TRACE METAL
ANALYSIS OF OLIVE LEAVES
Determinação voltamétrica de metais pesados em folhas de
oliveira. Via úmida (HNO3/H2O2) + UV (3-7 h)
i
2 µA
0h
0,2 µA
3h
50 nA
7h
Pb
Cu
0
UV
Zn
-1
E
(J. Hertz e R. Pani, Fresenius Z. Anal. Chem., 1987, 328, 487)
Digestão em batch de matrizes complexas
Cuidados no uso de
H2O2 com técnicas
eletroanalíticas
i
UV com H2O2
UV sem H2O2
sem digestão
E (V)
-1
0
(M.Vega et al., Fresenius J. Anal. Chem., 1994, 350, 139)
Especiação em águas naturais - tratamentos em batch
PRECONCENTRATION OF CHROMIUM(III) FROM SEA-WATER BY
ADSORPTION ON SILICA AND VOLTAMMETRIC DETERMINATION
•Necessidade de determinar de Cr(III) para avaliar a razão Cr(III)/Cr(VI)
•Pré-concentração de Cr(III) em partículas de sílica em pH 7-9
•Redissolução de Cr(III)ads e conversão para Cr(VI) por irradiação UV
•Análise de Cr(VI) por CSV
Cr(III)
Cr(III)
UV
Cr(VI)
Cr(III)
CSV
Cr(III)
(M. Boussemart e C.M.G. van den Berg, Analyst, 1994, 119, 1349)
Especiação em águas naturais - tratamentos em batch
DETERMINATION OF SELENIUM IN FRESHWATERS BY
CATHODIC STRIPPING VOLTAMMETRY AFTER UV IRRADIATION
UV
Se(VI) Æ Se(IV)
ORGÆ CO2 + H2O
Determinação por CSV
(Cu2Se)
UV: 600 W
60 min + 45 min
em presença de matéria orgânica
(G. Mattsson, L. Nyholm, A. Olin e U. Örnemark, Talanta, 1995, 42, 817)
Determinação de Carbono Orgânico Total (on-line)
Skalar
TOC Analyzer SK-12
UV
1993
K2S2O8
PRESENTE
Digestão on-line de amostras de água
Digestão on-line de amostras de água
(C.M.G.van den Berg et al., Anal. Chim.Acta, 1997, 346, 101)
(L. Campos, Quim. Nova, 2001, 24, 257)
Digestão on-line de amostras de água
•Possibilidade de automação e monitoramento in situ
(p.e. em embarcações, campanhas de amostragem- análise
sem necessidade de armazenamento)
•Com a redução do volume de amostra, os tempos de
digestão foram reduzidos para poucos minutos (no caso de
amostras de mar)
•Uso de bobinas de PTFE com redução dos custos e
possibilidade de equipamentos artesanais
Digestão on-line de amostras de água
“Desenvolvimento de métodos eletroanalíticos envolvendo
processos catalíticos e sua extensão à análise por injeção em
fluxo”
Uso de fontes de UV de média pressão obtidas de
lâmpadas convencionais de iluminação pública
(M.A.S. Aguiar,Tese de doutoramento, IQ-USP 2000)
Determinação de Fósforo Total (on-line)
Conversão de substratos orgânicos modelo contendo P
para PO43- (detecção espectrofotométrica)
A=ácido fítico
B=tripolifosfato
A
A
B
B
A
B
(R.L.Berson et al., Anal. Chim. Acta, 1995, 326, 29)
Especiação de Nitrogênio (on-line)
Determinação de nitrito, nitrato e N orgânico total em
efluentes urbanos
NO2-
NO2- + NO3- + NT
1)Griess
NO2- + NO31)NO3-ÆNO22)Griess
NO2- + NO3- + NT
NO2- + NO3NO2-
1)UV
1)NO3-ÆNO22)Griess
(V.Cerdà et al., Analyst, 1996, 121, 13)
Digestão em batch de amostras complexas - acoplamento
com cromatografia de íons
SAMPLE PRETREATMENT BY UV PHOTOLYSIS FOR
THE ION CHROMATOGRAPHIC ANALYSIS OF PLANT
MATERIAL
Folhas etc.
Material finamente triturado: UV, 500 W (H2O2 e/ou HNO3), 85 °C
60-120 min
Fe3+
mAU
Cu2+
Ni2+
Co2+
min
(P.L. Buldini, S. Cavalli e A. Mevoli, J. Chromat., 1996, 739, 167)
Digestão on-line e acoplamento com HPLC
INTERFACING HPLC AND COLD VAPOUR AAS WITH ONLINE UV IRRADIATION FOR THE DETERMINATION OF
ORGANIC MERCURY COMPOUNDS
•Separação cromatográfica de
compostos orgânicos de Hg (Hg,
CH3Hg, C2H5Hg e PhHg).
• Destruição dos compostos orgânicos
•Formação de hidreto e determinação
por Absorção Atômica
(H.F.Schöler, J. Chrom., 1994)
ATOM CELL
HYDRIDE
NaBH4 GENERATOR
UV COIL
HCl
HPLC
SAMPLE
INJECTOR
Digestão on-line e acoplamento com HPLC
4
3
2
•Volume de amostra= 20 µL
1
• Limide de detecção: ng
•Tempo de residência= 5 min
•UV: 8W, baixa pressão
1: Hg2+
2: C6H5Hg+
3: C2H5Hg+
4: CH3Hg+
min
O
1O Ret. Time
2O
Digestão on-line e acoplamento com HPLC
SPECIATION DETERMINATION OF ARSENIC IN URINE BY
HPLC HGAAS WITH ONLINE UV PHOTOOXIDATION
•Amostras reais complexas
•Separação cromatográfica de 6 compostos orgânicos
de As.
• Destruição dos compostos orgânicos por
UV/K2S2O8/NaOH
•Determinação por HGAAS
(D.L.Tsalev, Analyst, 1998)
Digestão on-line e acoplamento com HPLC
Outras contribuições:
•Sistema automático para especiação de Sn em águas naturais
•Determinação de iodo urinário para diagnóstico clínico
FUTURO
Digestão em sistema acoplados microondas-UV
•“Reatores para digestão com
efeito combinado UV+microondas
•Electrodless” Cd lamps, lâmpadas
UV ativadas por microondas
•Testado na análise de leite
desnatado (Cd, Fe, Cu, Pb):
digestão 5 vezes mais eficiente se
comparado com UV convencional
(D. Floriam e G. Knapp, Anal. Chem., 2001, 73, 1515)
Digestão fotocatalitica em presença de
suspensões de TiO2
•Baseado no uso do catalizador
fotoquímico (TiO2) para promover o
processo de oxidação
•O TiO2 forma uma fina suspensão
com aspecto leitoso (catálise
heterogênea)
•Adequado só para detectores que
toleram a presença das partículas
de TiO2 (detectores eletroquímicos)
(A. Cavicchioli e I.G.R.Gutz, Anal. Chim. Acta, no prelo)
BANDA DE
CONDUÇÃO
λ ≤ 384 nm
BANDA DE
VALÊNCIA
e-BV
O2Æ O2•- + e- +2H+ Æ H2O2 ÆHO•
Mn+ ÆM
3.23 eV
(384 nm)
h+
BV
TiO2 (anatase)
ORG Æ ••• Æ CO2 + H2O
HO- Æ HO•
•Proporciona nítida aceleração em
relação à fotólise convencional
•Testado em amostras modelo CdEDTA e em algumas matrizes reais
contendo EDTA (detergentes)
•Compatível com voltametria
efetuada em MDE
Altura do sinal analítico (%)
Digestão fotocatalítica em presença de
suspensões de TiO2
100
b
a
com TiO2
sem TiO2
50
0
0
600
Tempo de digestão(s)
1200
PÓS-TRATAMENTO DE AMOSTRA POR IRRADIAÇÃO UV
A CLEAN ANALYTICAL METHOD FOR THE
SPECTROPHOTOMETRIC DETERMINATION OF
FORMETANATE INCORPORATING AN IN-LINE
MICROWAVE ASSITED HYDROLYSIS STEP
M. J. Escuriola, A.Morales-Rubio, M. de la Guardia, Anal. Chim
Acta, 1999, 390, 147
REFERÊNCIAS
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B 2 Sup. Sala 257
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AGRADECIMENTOS
•Dissolução
“... uma amostra sólida, líquida ou gasosa é dissolvida em
líquidos adequados em baixas temperaturas”
•Abertura
“... quando a dissolução é a conseqüência de um processo
de decomposição em altas temperaturas”
R. Anderson, Sample Pretreatment and Separation, J.
Wiley, Chichester, 1991
Emissão de lâmpada de média pressão
Emissão de lâmpada de baixa pressão
PRÉ-TRATAMENTO POR IRRADIAÇÃO UV: REATORES
Batch
(L. Mart, H.W. Nürnberg e P. Valenta, Fresenius Z. Anal. Chem.,
1980, 300, 350)