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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE QUÍMICA
Programa de Pós-Graduação em Química
Carlos Martín Infante Córdova
Desenvolvimento de sistemas de análises em
fluxo por multicomutação para determinação
de poluentes ambientais
São Paulo
Data de deposito na SPG: 08/09/2008
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Carlos Martín Infante Córdova
Desenvolvimento de sistemas de análises em
fluxo por multicomutação para determinação
de poluentes ambientais
Tese apresentada ao Instituto
de Química da Universidade
de São Paulo para obtenção
do titulo de Doutor em
Química (Química Analítica)
Orientador: Prof. Dr. Fábio Rodrigo Piovezani Rocha
São Paulo
2008
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Carlos Martín Infante Córdova
Desenvolvimento de sistemas de análises em fluxo por multicomutação para
determinação de poluentes ambientais
Tese apresentada ao Instituto de Química da
Universidade de São Paulo para obtenção do
Título de Doutor em Química (Química Analítica)
Aprovado em: ____________
Banca Examinadora
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
i
Dedicatória
A Graciela e Eduardo meus pais, por mostrar-me com a sua
perseverança o caminho da educação, ambos terminaram o
ensino meio com mais de 30 anos, já casados e com quatro
filhos, a família cresceu e eles sempre conseguiram dar a seus
seis filhos, todos formados no nível superior, o amor e os
ensinamentos, que sempre tenho presentes, graças aos quais
vivo em paz.
A Martha, Silvia, Antonio, Manuel e Eduardo, meus queridos
irmãos, pelos conselhos, pelo amor e pelo apoio em todas as
etapas da minha vida.
A Karina minha esposa, pelo amor, a paciência e por torcer
sempre por mi durante todos os dias da nossa vida juntos
ii
Agradecimentos
A Deus por dar-me a vida.
A meu orientador Prof. Dr. Fábio Rodrigo Piovezani Rocha pela
orientação, pelo apoio na redação dos trabalhos científicos e a
tese de doutorado.
A meus amigos, Luciana, Jorge, Sandro, Alan, Grazielli e Sidnei
pela paciência, a alegria dos momentos compartilhados e por me
oferecer toda sua força para lidar com tudo e continuar com
meu trabalho, obrigado por ajudar-me a não desistir.
A meus orientadores na Espanha o Prof. Dr. Angel Morales e o
Prof. Dr. Miguel de la Guardiã, pela orientação e amizade.
A os técnicos do laboratório, Débora e André.
Ao CNPq pela bolsa de estudos concedida.
A todos os que de alguma maneira colaboraram para a realização
da presente tese de doutorado.
iii
RESUMO
INFANTE, C. M. C. Desenvolvimento de sistemas de análises em fluxo com
multicomutação para determinação de poluentes ambientais. 2008. 169p. Tese
de Doutorado – Programa de Pós-Graduação em Química. Instituto de Química,
Universidade de São Paulo, São Paulo.
O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de procedimentos
analíticos baseados na análise em fluxo com multicomutação, acoplada à detecção
por fluorescência, espectrofotometria com longo caminho óptico ou
quimiluminescência em guias de ondas (LCW), para a determinação de poluentes
ambientais. Os procedimentos desenvolvidos atendem aos requisitos de
sensibilidade e limite de detecção impostos pela legislação ambiental vigente e as
características analíticas encontram-se em concordância com as tendências atuais
de redução do consumo de amostras e reagentes, da geração de resíduos e de
custo, apresentando alta freqüência de amostragem e operação simples. Os
módulos de análises desenvolvidos são compactos, podendo ser adaptados para o
monitoramento in situ. Com o acoplamento da cela LCW de 100 cm de caminho
óptico a sistemas de análises por injeção em fluxo e monossegmentado, para
medidas por turbidimetria e espectrofotometria, foi observada significativa melhora
nos limites de detecção e sensibilidade. Discrepâncias entre o aumento de
sensibilidade verificado e previsto pela lei de Beer têm relação com diferenças de
dispersão em celas de 1 e 100 cm. Para a determinação espectrofotométrica de
paraquat, foi desenvolvido um módulo de análises com micro-bombas solenóides.
Ácido dehidroascórbico foi empregado como reagente, sendo a solução estável por
uma semana. Resposta linear foi observada de 0,1 a 5,0 mg L
-1
, r=0,997, com limite
de detecção, coeficiente de variação e freqüência de amostragem estimados em 22
µg L
-1
, 1,0% (n=10) e 63 h
-1
, respectivamente. Os resultados para amostras de
águas foram concordantes com o procedimento de referência (95% de confiança).
Para a determinação fluorimétrica de cianeto dissociável em ácidos, foi desenvolvido
um módulo de análises com válvulas solenóides, explorando a reação com o-
ftalaldeído e glicina. Sensibilidade 2 vezes maior foi observada com a retenção da
zona de amostra por 60 s, com resposta linear entre 1 e 200 g L
-1
, r=0,999. O
coeficiente de variação, limite de detecção e freqüência de amostragem foram
estimados em 1,4% (n=10), 0,5 g L
-1
e 22 h
-1
, respectivamente. Com prévia etapa
de separação por difusão gasosa, o procedimento foi aplicado em amostras de
águas naturais, sendo os resultados concordantes com o procedimento de
referência ao nível de confiança de 95%. Para a especiação redox de cromo, os
procedimentos analíticos foram baseados em sistemas de análises em fluxo com
micro-bombas solenóides. O Cr(VI) foi determinado por espectrofotometria de longo
caminho óptico com difenilcarbazida. Resposta linear foi observada entre 2 e 40 g
L
-1
, r=0,973. O limite de detecção, coeficiente de variação e freqüência de
amostragem foram estimados em 1,8 g L
-1
, 0,6% (n=10) e 55 h
-1
, respectivamente.
Quimiluminescência foi utilizada para determinar Cr(III), com resposta linear
observada entre 2 e 50 g L
-1
, com r=0,999. O limite de detecção, coeficiente de
iv
variação e freqüência de amostragem foram estimados em 0,38 g L
-1
, 3,3% (n=10)
e 50 h
-1
, respectivamente. Oxidação em linha foi também implementada para a
determinação espectrofotométrica de cromo total. Em amostras de águas naturais,
os resultados foram concordantes para Cr(VI), mas efeitos de matriz foram
observados para Cr(III), aparentemente devido à complexação com sustâncias
húmicas.
Palavras-chave: Análises em fluxo, multicomutação, guias de ondas, paraquat,
análises ambiental, cianeto, cromo, especiação Química.
v
ABSTRACT
INFANTE, C. M. C. Development of systems of flow injection analysis with
commutation for determination of environmental pollutants. 2008. 169p. PhD
Thesis – Graduate Program in Chemistry. Instituto de Química, Universidade de São
Paulo, São Paulo.
This work aimed the development of analytical procedures based on flow
analysis with multicommutation, coupled to detection by fluorescence, long
pathlength spectrophotometry or chemiluminescence in liquid-core waveguides
(LCW), for determination of environmental pollutants. The developed procedures are
in accordance with the requirements of sensitivity and detection limits of the current
environmental legislation and the analytical characteristics are in agreement with
current trends as low sample and reagents consumption, low waste generation, high
sampling rate, low cost and simple operation. The compact flow systems could be
adapted for in situ monitoring. Improvements in detection limit and sensitivity were
observed by coupling the 100-cm LCW to flow injection analysis and
monosegmented flow analysis for turbidimetric and spectrophotometric
measurements. Discrepancies between the experimentally evaluated increase in
sensitivity and that estimated by the Beer’s law are related to differences in sample
dispersion with 1 and 100 cm flow cells. A multicommuted flow-system with solenoid
micro-pumps was used for the spectrophotometric determination of paraquat. The
reducing reagent, dehydroascorbic acid, was stable for at least one week. Linear
response was observed from 0.1 to 5.0 mg L
-1
, with r=0.997 and detection limit,
coefficient of variation and sampling rate estimated as 22 µg L
-1
, 1.0% (n=10) and 63
h
-1
, respectively. The procedure was applied for paraquat determination in water
samples, yielding results in agreement with the reference procedure at the 95%
confidence level. For the fluorimetric determination of Weak Acid Dissociable
Cyanide, a multicommuted flow system was development with solenoid valves,
exploiting the reaction with o-phthalaldehyde and glycine. A two-fold higher sensitivity
was observed with a 60-s stopped-flow interval, with linear response between 1 and
200 g L
-1
, r=0.999. The coefficient of variation, detection limit and sampling rate
were estimated as 1.4% (n=10), 0.5 g L
-1
and 22 h
-1
, respectively. After separation
by gas diffusion, the procedure was applied to the analysis of natural water samples,
with results in agreement with the reference procedure at the 95% confidence level.
For redox chromium speciation, the procedures were based on a multicommuted flow
system with solenoid micro-pumps. The determination of Cr(VI) was performed by
long pathlength spectrophotometrywith diphenylcarbazide. Linear response was
observed between 2 and 40 g L
-1
, r=0.973. The detection limit, coefficient of variation
and sampling rate were estimated as 1.7 g L
-1
, 0.6% (n=10) and 55 h
-1
, respectively.
Chemiluminescence was used to determine Cr(III), being the linear response
observed between 2 and 50 g L
-1
, with r=0.999. The detection limit, coefficient of
variation and sampling rate were estimated as 0.38 g L
-1
, 3.3% (n=10) and 50 h
-1
,
respectively. On-line oxidation was also implemented for the determination of total
chromium. In natural water samples, results were consistent for Cr(VI), but matrix
vi
effects were observed in Cr(III) determination, apparently in view of complexation
with humic substances.
Keywords: flow injection analysis, multicommutation, liquid-core waveguides,
environmental analysis, paraquat, cyanide, chromium, chemistry speciation.
vii
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura 1. Análise em fluxo segmentado por bolhas de ar 23
Figura 2. Registro do sinal analítico em função do tempo para uma
reação química hipotética
24
Figura 3. Perfil do sinal transiente tipicamente obtido em FIA e ilustração
do gradiente de concentração na zona de amostra
25
Figura 4 Sistemas de análises em fluxo em linha única (I) ou em
confluência (II).
26
Figura 5 Tendência da produção cientifica referente à análise por injeção
de fluxo (FIA)
29
Figura 6 Possíveis arranjos de um sistema de fluxo por multicomutação
com válvulas solenóides
31
Figura 7 Esquema de funcionamento de uma válvula solenóide 32
Figura 8 Típico sistema em fluxo por multicomutação com micro-bombas
solenóides
33
Figura 9 Esquema de funcionamento de uma válvula solenóide 34
Figura 10 Produção científica referente à análises em fluxo por
multicomutação
35
Figura 11 Esquema de funcionamento de um guia de ondas com núcleo
líquido
37
Figura 12 Reações de redução do Paraquat (PQ
2+
) formando o radical
livre com carga positiva e dihidrobipiridina (PQ
..
)
43
Figura 13 Reações do ditionito de sódio em meio básico 43
Figura 14 Reação de Cr(VI) com difenilcarbazida 51
Figura 15 Reação de oxidação de luminol por peróxido de hidrogênio em
meio básico na presença de um cátion metálico
53
Figura 16 Sistema de detecção multicanal acoplado à cela de fluxo de
longo caminho óptico
61
viii
Figura 17 Esquema do Arranjo eletrônico para controle dos dispositivos
ativos
62
Figura 18 Interface de interação com usuário desenvolvida em Visual
Basic 6.0
63
Figura 19 Interface para interação com usuário, operando em um dia de
trabalho regular
65
Figura 20 Esquema do arranjo eletrônico para ativação dos dispositivos 66
Figura 21 Interface para interação com usuário, operando em um dia de
trabalho regular
67
Figura 22 Sistema de análises em fluxo para medidas por
espectrofotometria com a cela de longo caminho óptico
69
Figura 23 Sistema de análises em fluxo para a determinação de paraquat 70
Figura 24 Sistema de análises em fluxo para a determinação fluorimétrica
de cianeto
73
Figura 25 Sistema de análises em fluxo para a especiação redox de
cromo
76
Figura 26 Sistema de análises em fluxo por multicomutação para a
especiação redox de cromo
78
Figura 27 Registros dos sinais transientes para celas de fluxo com (a) 1
cm e (b) 100 cm de caminho óptico, para soluções de Cr (VI)
83
Figura 28 Curvas analíticas para soluções de Cr(VI) em celas de fluxo
com (a) 1cm e (b) 100 cm de caminho óptico
84
Figura 29 Valores de absorbância e coeficientes de dispersão estimados
para celas de fluxo de 1 cm (a, a’) e 100 cm (b, b’) de caminho
óptico em função do volume de amostra
85
Figura 30 Registros mostrando o efeito Schlieren obtidos com celas de
100 cm (A e B) e de 1 cm (C e D)
87
Figura 31 Registros mostrando o efeito Schlieren, na cela de 100cm, para
reatores de 20 cm (a) a 500 cm
89
Figura 32 Registros mostrando o efeito da parada de fluxo no efeito
Schlieren, na cela de 100cm
90
ix
Figura 33 Registros mostrando a compensação do efeito Schlieren pela
diferença de sinais em diferentes comprimentos de onda
91
Figura 34 Sinais transientes obtidos para diferentes volumes de uma
suspensão de CaCO
3
com a LWC
92
Figura 35 Implementação de análise em fluxo monossegmentado em cela
de longo caminho óptico
93
Figura 36 Espectros de absorção UV-Vis de paraquat (A) e dos produtos
de reação com (B) ditionito de sódio, (C) ácido ascórbico e (D)
ácido dehidroascórbico.
96
Figura 37 Monitoramento cinético do produto formado na reação de
paraquat com (a) ditionito de sódio, (b) ácido dehidroascórbico e
(c) ácido ascórbico
97
Figura 38 Efeito das concentrações dos reagentes: (a) EDTA; (b) iodato
de potássio, (c) ácido ascórbico
99
Figura 39 Efeito do número de ciclos de amostragem 100
Figura 40 Efeito da parada de fluxo sobre o sinal analítico 101
Figura 41 Sinais transientes e curva analítica para a determinação de
paraquat com cela fluxo de 10 cm e parada de fluxo por 7s
102
Figura 42 Curvas analíticas obtidas com celas de (a) 1 cm e (b) 10 cm 103
Figura 43 Efeito da proporção entre os reagentes sobre o sinal analítico 108
Figura 44 Efeito da fração volumétrica da amostra sobre o sinal analítico 109
Figura 45 Efeito do aumento do número de ciclos de amostragem 110
Figura 46 Efeito da retenção da zona de amostra no sinal analítico 111
Figura 47 Sinais transientes para a determinação de cianeto com retenção
da zona de amostra (60 s)
113
Figura 48 Sinais transientes para a determinação de cianeto sem retenção
da zona de amostra
113
Figura 49 Curvas analíticas com (a) e sem (b) retenção da zona de
amostra
114
Figura 50 Estudo da estabilidade da solução de OPA com (a) e sem (b)
retenção da zona de amostra
116
x
Figura 51 Efeito da fração volumétrica de amostra 120
Figura 52 Influência da concentração de ácido na solução transportadora 121
Figura 53 Efeito da concentração de ácido no reagente. 122
Figura 54 (a) Variação do número de ciclos de amostragem. (b) Figura
inserida mostrando o efeito do volume das alíquotas no sinal
analítico
123
Figura 55 Efeito do aumento do tempo de residência sobre o sinal
analítico
125
Figura 56 Sinais transientes obtidos com as celas de (a) 100 cm e (b)
1 cm
126
Figura 57 Curvas de calibração obtidas com celas de (a) 100 cm e (b) 1cm
126
Figura 58
Sinais transientes obtidos para 80 g L
-1
Cr(III)
129
Figura 59 Efeito da variação da concentração de luminol sobre o sinal
analítico
130
Figura 60 Efeito da concentração de peróxido de hidrogênio 131
Figura 61 Efeito da concentração de brometo sobre o sinal analítico 132
Figura 62 Efeito da concentração de tampão sobre o sinal analítico 133
Figura 63 Variação do sinal analítico com o pH 134
Figura 64 Efeito da variação da concentração de EDTA sobre o sinal
analítico
135
Figura 65 Efeito do número de ciclos de amostragem 136
Figura 66 Curva analítica para a determinação de Cr(III) 137
Figura 67 Registros para amostras de água natural fortificada com
30 g L
-1
de Cr(III)
140
Figura 68 Efeito da concentração de peróxido de hidrogênio na oxidação
de Cr(III) a Cr(VI)
142
Figura 69 Efeito da concentração de hidróxido de sódio na oxidação de
Cr(III)
143
Figura 70 Efeito do número de ciclos de amostragem 144
Figura 71 Sinais transientes medidos em diferentes comprimentos de
onda para (a) 20 g L
-1
Cr(III) e (b) solução branco
145
xi
Figura 72 Avaliação da eficiência de oxidação: cela de 1 cm 147
Figura 73 Avaliação da eficiência de oxidação: cela de 100 cm 148
xii
LISTA DE TABELAS
Pag.
Tabela 1 Rotina de acionamento dos dispositivos para a determinação
de paraquat
71
Tabela 2 Rotina de ativação dos dispositivos ativos para a determinação
de cianeto
73
Tabela 3 Rotina de acionamento dos dispositivos para a especiação de
cromo
77
Tabela 4 Rotina de ativação dos dispositivos ativos para a especiação
redox de cromo
79
Tabela 5 Parâmetros de regressão linear de curvas analíticas obtidas
para soluções de permanganato de potássio em diferentes
intensidades do feixe de radiação
82
Tabela 6 Características analíticas de procedimentos para a
determinação de paraquat
104
Tabela 7 Efeito de espécies concomitantes na determinação de Paraquat
106
Tabela 8 Determinação de paraquat em águas naturais 106
Tabela 9 Características analíticas de procedimentos para a
determinação de cianeto
115
Tabela 10
Determinação de cianeto dissociável em ácidos 117
Tabela 11
Características analíticas dos procedimentos para
determinação de Cr(VI)
127
Tabela 12
Características analíticas de procedimentos para a
determinação de Cr(III) em águas pela medida de
quimiluminescência
138
Tabela 13
Resultados obtidos na determinação de Cr(VI) em amostras de
águas
139
Tabela 14
Resultados obtidos na determinação de cromo total e Cr(VI) 150
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CCD Dispositivo de acoplamento de carga (do inglês Charge-Coupled
Device)
CE Eletroforese capilar (do inglês capillary electrophoresis)
d.i. Diâmetro interno
DFC 1,5-Difenilcarbazida
DLL Livraria de vinculo dinâmico (do inglês Dinamic link library)
EPA Agência de protecção ambiental dos Estados Unidos (do inglês
Environmental Protection Agency)
ETAAS Espectroscopia de absorção atômica atomização eletrotérmica
(do inglês electrothermal atomic-absorption spectroscopy)
FIA Análise por injeção em fluxo (do inglês Flow Injection Analysis)
GC Cromatografia a gás (do inglês Gas Chromatography)
HPLC Cromatografia a líquido de alta eficiência (do inglês High
Performance Liquid Chromatography)
ICP OES Espectroscopia de emissão óptica em plasma indutivamente
acoplado (do inglês Inductively Coupled Plasma Optical Emission
Spectrometry)
ICP-MS Espectrometria de massas em plasma indutivamente acoplado
IUPAC União Internacional de Química Pura e Aplicada (do inglês
International Union of Pure and Applied Chemistry)
LCW Guia de ondas com núcleo líquido (do inglês Liquid–core
Waveguide)
MS Espectrometria de massas (do inglês mass spectrometry)
MSFA Análise em fluxo monossegmentado(do inglês monosegmented
Flow Analysis)
OPA o-ftalaldeído
PMT Fotomultiplicadora
PTFE Politetrafluoretileno
xiv
SIA Análise por injeção seqüencial (do inglês Sequential Injection
Analysis)
SFA Análise em fluxo segmentado (do inglês Segmented Flow
Analysis)
WAD Cianeto dissociável em ácido (do inglês Weak Acid Dissociable)
xv
SUMÁRIO
RESUMO.................................................................................................................... iii
ABSTRACT.................................................................................................................v
LISTA DE FIGURAS..................................................................................................vii
LISTA DE TABELAS .................................................................................................xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS.................................................................... xiii
1.
INTRODUÇÃO ..................................................................................................20
1.1.
Aspectos Gerais ................................................................................................20
1.2.
Análises em fluxo por multicomutação ..............................................................29
1.3.
Guias de ondas: técnicas ópticas de detecção e acoplamento a sistemas FIA.36
1.4.
Poluentes ambientais ........................................................................................40
1.4.1.
Paraquat .....................................................................................................40
1.4.2.
Cianeto dissociável em ácidos....................................................................45
1.4.3.
Especiação redox de cromo........................................................................49
2.
OBJETIVOS......................................................................................................55
3.
PARTE EXPERIMENTAL..................................................................................57
3.1.
Reagentes e Soluções.......................................................................................57
3.1.1.
Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo...........57
3.1.2.
Determinação de paraquat..........................................................................57
3.1.3.
Determinação de cianeto dissociável em ácidos.........................................58
3.1.4.
Especiação redox de cromo........................................................................58
3.1.4.1.
Estudos com quimiluminescência e espectrofotometria em guias de onda.
................................................................................................................59
3.1.4.2.
Estudos com espectrofotometria de longo caminho óptico e etapa de
oxidação em linha .....................................................................................................59
xvi
3.2.
Equipamentos e acessórios...............................................................................60
3.2.1.
Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo...........60
3.2.2.
Determinação de paraquat..........................................................................61
3.2.3.
Determinação de cianeto dissociável em ácidos.........................................64
3.2.4.
Especiação redox de cromo........................................................................66
3.2.4.1.
Estudos com quimiluminescência e espectrofotometria em guia de ondas.
................................................................................................................66
3.2.4.2.
Estudos com espectrofotometria de longo caminho óptico e etapa de
oxidação em linha .....................................................................................................68
3.3.
Sistemas de análises em fluxo e procedimentos...............................................68
3.3.1.
Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo...........68
3.3.2.
Determinação de paraquat..........................................................................70
3.3.3.
Determinação de cianeto dissociável em ácidos.........................................72
3.3.4.
Especiação redox de cromo........................................................................75
3.3.4.1.
Estudos com quimiluminescência e espectrofotometria em guia de ondas.
................................................................................................................75
3.3.4.2.
Estudos com espectrofotometria de longo caminho óptico e etapa de
oxidação em linha. ....................................................................................................78
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................82
4.1.
Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo..........82
4.1.1.
Ganho de sensibilidade...............................................................................82
4.1.2.
Avaliação do efeito Schlieren......................................................................86
4.1.3.
Outras aplicações da cela de longo caminho óptico...................................92
4.2.
Determinação de paraquat..............................................................................95
xvii
4.2.1.
Otimização das concentrações dos reagentes............................................98
4.2.2.
Efeito do número de ciclos de amostragem................................................99
4.2.3.
Efeito do tempo de residência...................................................................100
4.2.4.
Características analíticas..........................................................................102
4.2.5.
Efeito de espécies concomitantes.............................................................105
4.2.6.
Análise de amostras..................................................................................106
4.3.
Determinação de cianeto dissociável em ácidos........................................107
4.3.1.
Otimização dos volumes de reagentes e amostra ....................................108
4.3.2.
Efeito do número de ciclos de amostragem..............................................110
4.3.3.
Efeito da retenção da zona de amostra ....................................................111
4.3.4.
Características analíticas..........................................................................112
4.3.5.
Aplicação ..................................................................................................117
4.4.
Especiação redox de cromo.........................................................................118
4.4.1.
Estudos por quimiluminescência e espectrofotometria em guias de onda119
4.4.1.1.
Determinação espectrofotométrica de Cr(VI) ........................................119
4.4.1.1.1.
Estudo da proporção entre amostra e reagente.................................119
4.4.1.1.2.
Efeito da acidez da solução transportadora.......................................121
4.4.1.1.3.
Efeito da concentração de ácido no reagente....................................122
4.4.1.1.4.
Variação do número de ciclos de amostragem..................................123
4.4.1.1.5.
Efeito do aumento do tempo de residência........................................124
4.4.1.1.6.
Avaliação do ganho de sensibilidade ao introduzir a cela de longo
caminho óptico........................................................................................................125
4.4.1.2.
Determinação de Cr(III) por quimiluminescência em guias de onda .....128
xviii
4.4.1.2.1.
Avaliação da estabilidade do reagente combinado sobre o sinal
analítico ...........................................................................................................128
4.4.1.2.2.
Efeito da variação da concentração de luminol..................................129
4.4.1.2.3.
Efeito da variação da concentração de peróxido de hidrogênio.........130
4.4.1.2.4.
Efeito da concentração de brometo ...................................................131
4.4.1.2.5.
Efeito da concentração da solução tampão.......................................132
4.4.1.2.6.
Efeito da acidez .................................................................................133
4.4.1.2.7.
Variação da concentração de EDTA..................................................134
4.4.1.2.8.
Variação do número de ciclos de amostragem..................................136
4.4.1.2.9.
Características analíticas...................................................................137
4.4.1.2.10.
Aplicação ...........................................................................................139
4.4.2.
Especiação redox de cromo com espectrofotometria de longo caminho
óptico e oxidação em linha......................................................................................141
4.4.2.1.
Composição do reagente para a oxidação em linha de Cr(III) ..............142
4.4.2.2.
Efeito do número de ciclos de amostragem...........................................144
4.4.2.3.
Influência do efeito Schlieren no sinal analítico.....................................145
4.4.2.4.
Características analíticas.......................................................................146
4.4.2.5.
Aplicação...............................................................................................149
5.
CONCLUSÕES ...............................................................................................152
6.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................155
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 19 IQ-USP
“Educação gera conhecimento, conhecimento gera sabedoria, e somente um
povo sábio pode mudar seu destino”
Samuel Lima
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 20 IQ-USP
1. INTRODUÇÃO
1.1. Aspectos Gerais
Na atualidade, existe uma crescente preocupação como a conservação do
meio ambiente, o que pode ser comprovado pelas políticas cada vez mais estritas
para o controle da poluição
1,2
. Nas últimas décadas, a poluição foi agravada em todo
o mundo pela explosão populacional e industrialização
3
. Exemplos devastadores da
capacidade poluente da humanidade são evidentes. No Estado de São Paulo,
podem ser citadas a contaminação do rio Tietê, que requer 1,5 bilhões de dólares
para sua despoluição com obras projetadas em mais de 10 anos de trabalho
4
ou da
Bahia de Cubatão, onde o despejo de resíduos industriais provocou enorme impacto
no ecossistema, afetando muitos trabalhadores e moradores do centro industrial
5
.
No nível mundial, pode mencionar-se o desenvolvimento e uso indiscriminado de
novos pesticidas para melhorar a produção de diferentes culturas, o que trouxe
consigo a contaminação dos solos e águas naturais
6
e a enorme emissão de gases
estufa, gerando mudanças climáticas extremas
7
. Este exemplo coloca em evidência
que a contaminação não esta restrita ao foco emissor; pelo contrário, se espalha por
todo o planeta, tornando necessário estabelecer normas internacionais estritas
visando proteger os recursos naturais.
Um dos principais requisitos para o controle da poluição é contar com
métodos analíticos adequados para o monitoramento dos poluentes ambientais.
Diversos métodos analíticos, no passado adequados, não atendem às necesidades.
Em muitos casos, os novos limites estabelecidos para diversas sustâncias não
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 21 IQ-USP
podem ser alcançados por métodos analíticos recomendados pelos órgãos de
controle
1,8
. Em outros casos, os métodos não se encontram em concordância com
as tendências atuais como: baixo consumo de amostras e reagentes, baixa geração
de resíduos, alta freqüência de amostragem, alta sensibilidade, baixo limite de
detecção e baixo custo, sendo desejável também que estes métodos apresentem
operação simples, possibilitem a mecanização ou automatização e o monitoramento
in situ em tempo real. Estas dificuldades tornam indispensável aprimorar os métodos
analíticos existentes ou desenvolver novas metodologias para atender os requisitos
atuais. A diminuição das quantidades de amostras e reagentes traz como
conseqüência a redução da geração de resíduos, minimizando o impacto ao
ambiente, e reduzindo os custos para o processamento e transporte das amostras e
tratamento de resíduos. Altas freqüências de amostragem possibilitam analisar uma
grande quantidade de amostras, o que é especialmente útil na avaliação de
impactos ambientais em extensos territórios, tornando a amostragem mais
representativa e, ao mesmo tempo, propiciando a implementação rápida de medidas
corretivas para minimizar o impacto ambiental. Melhores sensibilidade e limites de
detecção visam atender às exigências da legislação que algumas vezes requererem
a detecção de poluentes em concentrações de até três ordens de magnitude
menores que os métodos habitualmente utilizados. Isto torna necessário recorrer a
procedimentos tediosos e demorados para pré-concentração, que geram resíduos e
freqüentemente são pouco eficientes. A diminuição de custos visa evitar a restrição
dos estudos a um menor número de amostras, o que pode conduzir a conclusões
erradas pelo número restrito de informações, dado que algumas técnicas analíticas
requerem infra-estrutura e cuidados especiais para sua aplicação. A simplificação
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 22 IQ-USP
das metodologias analíticas permite diminuir a possibilidade de erros nos
procedimentos e evitar a necessidade de analistas extremamente qualificados para
tarefas de rotina. A mecanização ou automação dos procedimentos visa atender a
vários dos requisitos mencionados anteriormente, adicionando a possibilidade de
desenvolvimento de módulos de análise compactos que podem ser transportados ao
campo para o monitoramento in situ.
A Química verde, do inglês Green chemistry, também chamada química
limpa, química ambientalmente benigna ou química auto-sustentável
9
pode ser
definida como o desenho, desenvolvimento e implementação de produtos químicos
e processos para reduzir ou eliminar o uso ou a geração de substâncias nocivas à
saúde humana e ao ambiente. A química limpa baseia-se em doze princípios,
relatados em diferentes trabalhos
10,11
. A agência ambiental norte-americana (EPA)
12
promoveu o desenvolvimento da química verde ao lançar, no início da década de 90,
o programa “Rotas Sintéticas Alternativas para Prevenção de Poluição”; uma linha
de financiamento para projetos de pesquisa. No final da década de 90, este conceito
foi também expandido para a Química Analítica
13
como uma chamada para a
reflexão, dado que é usual encontrar na literatura métodos analíticos, incluindo
métodos de referência
8
, que utilizam reagentes tóxicos e geram resíduos perigosos.
Em alguns casos, os resíduos são mais tóxicos que os analitos em estudo. O
desenvolvimento de métodos analíticos mais limpos (Green Analytical
Chemistry)
14,15
, que eliminem ou reduzam drasticamente a geração de resíduos
tóxicos
16
é extremadamente desejável no desenvolvimento de um novo
procedimento analítico.
Uma das primeiras alternativas para a mecanização de análises químicas
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 23 IQ-USP
com ênfase no processamento de um grande número de amostras, foi a análise em
fluxo segmentado por bolhas de ar (SFA)
17
. Seguindo uma seqüência lógica de
operações de modo similar ao que seria realizado pelo analista, reagentes e
amostras são misturados em um fluxo contínuo, no qual são introduzidas bolhas de
ar, com o intuito de minimizar a dispersão longitudinal, evitar a inter-contaminação
das amostras e melhorar as condições de mistura. As bolhas de ar eram usualmente
removidas antes do ingresso da zona de amostra na cela de medida. Esta
metodologia teve grande aceitação, especialmente em laboratórios de análises
clínicas. A Figura 1 apresenta um esquema geral dos sistemas de análises em fluxo
segmentado
18
.
Figura 1. Sistema de análises em fluxo segmentado por bolhas de ar. Adaptado da referencia 18.
Os métodos analíticos clássicos têm como princípio que toda medição deve
ser realizada no equilíbrio químico
19
, momento a partir do qual a variação do sinal é
desprezível. Isto pode ser impraticável quando as reações são muito lentas, ou os
produtos das reações são instáveis. Nas metodologias em fluxo, assim como em
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 24 IQ-USP
outros métodos cinéticos de análise não é necessário alcançar o estado de equilíbrio
para as medidas analíticas, conduzidas em condições de temporização reprodutível,
como se ilustra na Figura 2
18
.
Figura 2. Registro do sinal analítico em função do tempo para uma reação química hipotética. A e B
indicam os instantes de injeção e máximo sinal, respectivamente; t
1
e t
2
tempos em que se
realiza a determinação (triplicata); h, H e H
1
magnitudes dos sinais obtidos. Adaptado da
referência 18.
Se amostras e soluções de referência são analisadas em fluxo nos tempos
“B”, “t
1
” ou “t
2
”, uma resposta muito bem correlacionada é observada, com
intensidades diferentes em função da cinética da reação. Quando a mesma reação é
utilizada em batelada, torna-se difícil manter controlados os tempos de reação e as
condições de mistura para soluções de referência e amostras, pelo que é
recomendado realizar a medida quando o sinal atinge o patamar em “B”. O tempo
necessário para alcançar o equilíbrio nas determinações em batelada pode ser
bastante longo, o que compromete a freqüência analítica.
H
1
tempo
Sinal
t
1
t
2
t
1
t
2
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 25 IQ-USP
A análise por injeção em fluxo FIA
20
inicialmente proposta na década de 70,
permite realizar determinações analíticas em sistemas fora do equilíbrio químico e
sem a necessidade de segmentação por bolhas de ar. A inter-contaminação de
amostras é evitada pela dispersão controlada que resulta na formação de gradientes
de concentração, originando sinais transientes característicos, como observado na
Figura 3.
Figura 3. Perfil do sinal transiente tipicamente obtido em FIA e ilustração do gradiente de
concentração na zona de amostra.
A extensão da dispersão pode ser avaliada comparando a concentração (ou
sinal analítico) estimada na ausência de dispersão (C
0
), com a concentração obtida
ao introduzir a mesma solução em substituição à amostra (C): O coeficiente de
dispersão é dado pela relação
18
D = C
0
/C.
Tempo
Sinal
Injeção
D
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 26 IQ-USP
Os sistemas de análises em fluxo são projetados segundo a necessidade
analítica utilizando, via de regra, materiais simples como tubos de polietileno ou
Teflon
®
, conectores e injetores construídos em acrílico, um dispositivo para
movimentar as soluções (usualmente uma bomba peristáltica), um detector
adequadamente acoplado e um sistema para a aquisição de dados, como um
registrador potenciométrico ou um microcomputador. Muitos sistemas são projetados
em linha única, mas a eficiência na mistura pode ser dificultada ao aumentar o
volume de amostra, pelo que são também usuais sistemas com a adição de
soluções por confluência. Na Figura 4, são apresentados esquemas destas 2
configurações.
Figura 4. Sistemas de análises em fluxo em linha única (I) ou em confluência (II). A - amostra, I -
injetor, Bp - bomba peristáltica, B - reator, C - solução transportadora (ou reagente),
R - reagente, D - sistema de detecção, W - descarte.
Considerando o sistema I da Figura 4, uma determinação consistiria na
injeção da amostra na solução transportadora (que poderia ser a própria solução do
reagente) sendo que no caminho até à cela de medida, ocorre a interação das
soluções por dispersão. Conseqüentemente, ocorre a reação química e formação do
(I)
I
B
C
A
Bp
D
W
(II)
R
C
B
A
Bp
W
D
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 27 IQ-USP
produto de interesse analítico, o qual é monitorado utilizando uma técnica adequada.
O sinal analítico é registrado em função do tempo obtendo-se o registro
característico, apresentado na Figura 3. A altura de pico é o parâmetro mais utilizado
para quantificação. Para o sucesso da determinação, é necessário o controle da
dispersão e do tempo de residência t
r
no sistema (intervalo de tempo entre o
ingresso do analito no sistema e o momento em que atravessa a cela de medida).
As variáveis hidrodinâmicas importantes na análise por injeção em fluxo são volume
de amostra, dimensões do percurso analítico e vazão. O efeito das variáveis
químicas como pH, composição da solução transportadora e concentração de
reagentes deve também ser avaliado.
A análise por injeção em fluxo tem influenciado diversos pesquisadores
possibilitando o desenvolvimento de novas metodologias em fluxo, nas quais são
apresentadas diferentes contribuições para o desenvolvimento de procedimentos
analíticos.
Na análise por injeção seqüencial (SIA)
21
, um sistema em linha única
incorpora uma válvula multi-portas que, ao ser ativada em sincronia com uma bomba
de pistão, possibilita a formação de uma zona de amostra em uma bobina coletora,
pela aspiração de alíquotas de amostras e reagentes. A zona de amostra é
encaminhada ao detector e a mistura ocorre por dispersão nas interfaces. As
principais vantagens dos sistemas SIA são a implementação de diferentes
procedimentos sem alteração da estrutura física do módulo de análises e a
economia de amostra e reagentes. Volumes da ordem de micro litros são utilizados
e somente no momento da análise (característica do fluxo intermitente), o que
implica na geração mínima de resíduos. As principais desvantagens do SIA são a
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 28 IQ-USP
baixa freqüência de amostragem em comparação com FIA e a dificuldade de mistura
entre amostra e reagente, especialmente quando mais de duas soluções são
requeridas no procedimento analítico. Estas dificuldades podem ser contornadas
aumentando a vazão em algumas das etapas de processamento das amostras e
particionando as alíquotas de amostra e reagentes.
Na análise em fluxo monossegmentado (MSFA)
22
, a zona de amostra é
introduzida entre duas bolhas de ar para minimizar a dispersão longitudinal. Esta
proposta é especialmente útil para trabalhar com reações lentas e também
possibilita minimizar as perturbações devidas a intensos gradientes de concentração
na zona de amostra (efeito Schlieren)
23
.
Os sistemas de análises em fluxo sempre tiveram uma posição de destaque
no estudo de poluentes ambientais, o que pode ser comprovado pelos extensos
artigos de revisão
24
, incluindo reações catalíticas
25
, imunoensaios
26
, técnicas de
detecção eletroquímicas
27
, estudos de especiação
28
e a determinação de espécies
de interesse ambiental em geral
29
. Alguns artigos destacam a versatilidade das
diversas metodologias em fluxo para este tipo de análise
30,31
.
O desenvolvimento de métodos de análise baseados em metodologias em
fluxo tem sido crescente. Pesquisas realizadas na base de dados Web of Science
mostram que desde o ano 1975 até o ano 2008 fazem referência a esta metodologia
(termo utilizado na pesquisa Flow Injection Analysis) 15064 artigos, sendo que,
segundo pode ser observado na Figura 5, nos últimos anos se apresenta uma ligeira
estabilização com uma produção anual por volta dos 1000 artigos publicados.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 29 IQ-USP
509
712
694
561
551
541
461
447
171
155
145
112
103
97
89
53
42
30
23
16
8
5
87
981
875
821
889
886
896
1048
754
688
816
798
0
200
400
600
800
1000
1200
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
1981
1980
1979
1978
1977
1976
1975
Ano de publicação
Número de publicações
Figura 5. Tendência da produção cientifica referente à análise por injeção de fluxo (FIA). Base de
dados Web of Science, termo de busca “Flow Injection Analysis”.
1.2. Análises em fluxo por multicomutação
A pesar do primeiro artigo a tratar da análise em fluxo por multicomutação
32
ter sido apresentado na década de 90, os fundamentos envolvidos já estavam
presentes em trabalhos pioneiros
33
, publicados na década anterior. No entanto, a
multicomutação só foi possível graças ao avanço da tecnologia que viabilizou o
emprego de elementos discretos (e.g. válvulas solenóides de três vias)
34
para o
gerenciamento das soluções. A proposta é resultante da fusão de duas idéias, o
conceito de comutação com elementos discretos, que simula o que acontece em um
interruptor de corrente, que pode ser ligado ou desligado (comutado) e um sistema
FIA em linha única. Em geral, cada solução é gerenciada por um elemento diferente.
Em um primeiro arranjo (Figura 6a), posicionando o propulsor de fluidos no final do
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 30 IQ-USP
módulo de análises, o ingresso das soluções acontece por aspiração. Com as
válvulas desativadas, só a solução transportadora percorre o sistema. Quando
ativada (comutada) simultaneamente com outra válvula que gerencia outra solução
(por exemplo, da amostra), uma alíquota desta solução é introduzida no sistema
enquanto o fluxo de solução transportadora é interrompido. Assim, pode se inserir
alternadamente diversas soluções ativando a válvula correspondente e aquela que
controla a solução transportadora. Em outro possível arranjo (Figura 6b)
35
, com as
válvulas desativadas somente a solução transportadora percorre o sistema,
enquanto as soluções gerenciadas pelas outras válvulas permanecem re-circulando.
Para inserir uma determinada solução, é necessário acionar a válvula
correspondente. Utilizando diversas válvulas para o gerenciamento das soluções de
amostras, reagentes e solução transportadora, pode se alterar as condições de
processamento das amostras sem a necessidade de modificar a estrutura física do
módulo de análises.
As soluções podem ser introduzidas ativando vários dispositivos simultânea
ou alternadamente, formando um ciclo de amostragem que pode ser repetido
quantas vezes forem necessárias (processamento denominado amostragem
binária
36
). No percurso até a cela de medida, ocorre a interpenetração das zonas de
amostra e reagente. Considerando a vazão de cada solução e o tempo que o
dispositivo permanece ativado pode se calcular o volume de solução que ingressa
no sistema. O tempo de ativação mínimo recomendado para as válvulas solenóides
é 0,1 s, sendo que tempos menores comprometem a repetibilidade. O
gerenciamento de todo o sistema é realizado por um microcomputador, sendo
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 31 IQ-USP
necessário o desenvolvimento de um programa de controle, que também pode
efetuar a aquisição de processamento de dados.
Figura 6. Possíveis arranjos de um sistema de análises em fluxo por multicomutação com válvulas
solenóides. (a) por aspiração e (b) por bombeamento. V
1
-V
3
- válvulas solenóides, A -
amostra, R - reagente, C - solução transportadora, B - bobina, BP - bomba peristáltica, D –
sistema de detecção, W – descarte, AB - amostragem binária, AS - amostragem
simultânea.
Um esquema do funcionamento das válvulas solenóides
37
pode ser
V
1
V
3
A
R
W
C
B
D
Bp
A
R
A
R
A
R
a
AB
V
2
W
V
1
B
V
2
V
3
Bp
A
R
C
D
A
R
A
R
A
R
A
R
b
AB
AS
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 32 IQ-USP
observado na Figura 7. Quando o dispositivo encontra-se desativado, uma mola
mantém o êmbolo interno na posição inferior, e a solução só pode-se movimentar
entre A e B. Quando a válvula é ativada, o êmbolo é atraído para cima em função da
passagem de corrente pelo solenóide, fechando a saída B e possibilitando a
movimentação da solução entre A e C. Diversos arranjos podem ser adotados
segundo a necesidade de fluxo, posicionando o sistema propulsor de fluidos e as
soluções em A, B ou C.
Figura 7. Esquema de funcionamento de uma válvula solenóide. I desativada e II ativada. A, B ou C
posições para ingresso ou saída de solução.
A multicomutação possibilita o desenvolvimento de sistemas de análises em
fluxo nos quais podem ser implementadas diversas estratégias, resultando em
procedimentos versáteis e robustos
38
. A amostra pode passar por diversos
processos de tratamento e derivação química de maneira altamente reprodutível,
que podem ser modificados por controle computacional. Pequenas quantidades de
amostras e reagentes são usualmente requeridas, gerando quantidades mínimas de
resíduos. Os sistemas desenvolvidos podem ser miniaturizados e possibilitam o
A
B
B
C
C
A
Fonte
Fonte
I II
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 33 IQ-USP
monitoramento de parâmetros em campo
39
, com custo moderado
40
.
O emprego das micro-bombas solenóides
41
nos sistemas de análises em fluxo
por multicomutação trouxe novas possibilidades para o desenvolvimento de métodos
analíticos. Estes dispositivos atuam de forma ativa nas etapas de injeção e
propulsão de fluidos, dispensando volumes fixos e reprodutíveis das soluções
envolvidas no procedimento analítico, o esquema de um sistema típico é
apresentado na Figura 8.
Figura 8. Típico sistema em fluxo por multicomutação com micro-bombas solenóides. P
1
-P
3
-micro-
bombas solenóides, A - amostra, R - reagente, C - solução transportadora, B - bobina, D –
sistema de detecção, W - descarte.
Um esquema de funcionamento da micro-bomba solenóide
42
é apresentado
na Figura 9. Inicialmente, o dispositivo encontra-se desativado, mas preenchido com
solução (Figura 9-A). Ao ativar a micro-bomba, devido à corrente que atravessa o
P
1
P
3
A
P
2
C
R
X
B
W
D
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 34 IQ-USP
solenóide, o diafragma se expande aspirando um volume definido de solução para
dentro da cavidade interna do dispositivo (Figura 9-B). Quando o dispositivo é
desativado, o diafragma volta à sua posição original (Figura 9-B’), esvaziando a
cavidade na direção de saída da micro-bomba solenóide (Figura 9-A’). Os volumes
dispensados são bastante reprodutíveis, sendo o tempo de acionamento mínimo por
volta de 0,1 s.
Figura 9. Esquema de funcionamento de uma válvula solenóide. A, A’ desativada, B e B’ ativada.
Outras vantagens dos sistemas de análises em fluxo com micro-bombas
solenóides são
43
: diminuição tanto no consumo de reagentes e amostras, como na
produção de resíduos, característica dos sistemas com fluxos intermitentes, nos
quais cada solução é inserida no sistema somente quando necessário;
miniaturização dos sistemas; melhoria das condições de mistura, devido aos
pequenos volumes de solução e ao fluxo pulsado; menor consumo de energia dos
módulos de análise, possibilitando a construção de sistemas portáteis com grande
versatilidade e baixo custo. A parte eletrônica e de programação necessária para
acionamento dos dispositivos é similar à utilizada com as válvulas solenóides. Na
área ambiental, recentemente tem sido apresentados alguns trabalhos
demonstrando as potencialidades destes sistemas
44,45
.
A
B
A’
B’
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 35 IQ-USP
Segundo pesquisas na base de dados Web of Science (termo utilizado na
pesquisa multicommutation), a produção cientifica referente à análise em fluxo por
multicomutação apresenta um importante incremento nos últimos anos (Figura 10).
Segundo pesquisas na mesma base de dados, a produção científica concentra-se
em três países, Brasil com 96 publicações, Espanha com 77 publicações e Portugal
com 38 publicações. Diversos trabalhos são resultado de estudos em colaboração,
com a participação de pesquisadores de diferentes nacionalidades.
14
30
26
23
25
13
11
12
66
8
4
22
1
0
5
10
15
20
25
30
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
Ano de publicação
Número de publicações
Figura 10. Produção científica referente às análises em fluxo por multicomutação.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 36 IQ-USP
1.3. Guias de ondas: técnicas ópticas de detecção e acoplamento a sistemas FIA
As técnicas ópticas de detecção têm recebido especial atenção desde os
primórdios da Química Analítica
46
. Particularmente, a espectrofotometria de
absorção molecular é uma das técnicas de detecção mais utilizadas, devido à
robustez, baixo custo e simplicidade de operação. Geralmente, os procedimentos
são baseados em derivação química, visando a melhoria de seletividade
47
. Como
detectores, as fotomultiplicadoras apresentam excelente sensibilidade, mas
fotodiodos de silício têm ganhado espaço devido principalmente ao menor custo. Um
grande avanço na técnica foi o desenvolvimento dos espectrofotômetros multicanais,
utilizando inicialmente arranjos lineares de foto diodos (Diode array), possibilitando a
obtenção de espectros de absorção em intervalos de tempo muito curtos. Entretanto,
estes dispositivos apresentam sensibilidade inferior à alcançada com
fotomultiplicadoras. Com o avanço na eletrônica, surgiram como alternativa os
arranjos lineares de CCD (Charge-Coupled Device), os quais se comportam de
forma similar aos arranjos de foto-diodos, mas cada elemento óptico atua como um
capacitor. Assim, variando o tempo no qual se acumula a carga (tempo de
integração) é possível melhorar consideravelmente o sinal obtido
48
. Devido a esta
característica, estes dispositivos podem também ser empregados para medidas de
quimiluminescência ou de fluorescência que se caracterizam pela baixa intensidade
da radiação emitida. Ampla faixa de resposta linear e alta sensibilidade são as
características destas técnicas que têm sido freqüentemente acopladas às
metodologias em fluxo
49
. A espectrofotometria convencional também tem sido
extensamente utilizada em acoplamento com metodologias em fluxo, mas
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 37 IQ-USP
geralmente não permite atingir os limites atuais para o estudo de poluentes
ambientais. Desta forma diversas estratégias têm sido propostas para melhoria de
sensibilidade
50
.
Considerando a lei de Beer, o aumento do comprimento da cela de medida
deve resultar no aumento proporcional da resposta analítica. Esta estratégia é
freqüentemente dificultada pela perda de potência da fonte de radiação ao longo da
cela, o que aumenta o ruído e deteriora o limite de detecção
51
. Uma alternativa é
usar um dispositivo que se comporte como guia de ondas, de forma análoga ao que
acontece com uma fibra óptica convencional, substituindo o núcleo sólido por uma
solução aquosa. Para tanto, o material que constitui a cela deve ter índice de
refração menor que o da solução. Na Figura 11, é apresentado um esquema do
funcionamento de um guia de ondas.
Figura 11. Esquema de funcionamento de um guia de ondas com núcleo líquido. Ri - raio incidente,
Rr - raio refratado, R
R
- raio refletido,
1
e
2
ângulos formados com a normal, n
1
, n
2
, n
3
,
índices de refração da solução interna, do material e do ar, respectivamente, n
1
<n
2
O desenvolvimento de uma família de fluoropolímeros amorfos
52
,
denominados Teflon AF, com índices de refração (1,29-1,31) inferiores ao da água
η
2(material)
η
1(Solução)
η
3(ar)
1
R
i
2
R
r
R
R
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 38 IQ-USP
(1,33) permitiu a construção de celas que possibilitam aumentar a sensibilidade em
até duas ordens de grandeza em espectrofotometria, resultando em limites de
detecção
53,54
da ordem de nmol L
-1
. Um material muito utilizado é o Teflon AF-2400
®
com índice de refração de 1,29, que resulta ideal para soluções aquosas diluídas,
possibilitando o uso de celas com até 500 cm de caminho óptico
53,54
. Raios de luz
que ingressam no guia de ondas com ângulos adequados (
1
> 9,9-14,1
o
medidos a
partir da normal à superfície capilar, dependendo do tipo de Teflon AF), ficarão
confinados no dispositivo pelo processo de reflexão total interna. As celas podem ser
construídas a partir unicamente de Teflon AF-2400 ou a partir de um tubo capilar de
sílica coberto com Teflon AF-2400 (ou Teflon AF-1600). Essas celas têm sido
nomeadas como Tipo I e Tipo II
54,55
, respectivamente. Celas Tipo II minimizam
processos de adsorção e retenção de pequenas bolhas, porque o contato entre a
solução e o fluoropolímero poroso é evitado. O acoplamento da cela constituída por
um guia de ondas a sistemas de análises em fluxo usualmente não requer
modificações nos parâmetros hidrodinâmicos, segundo pode ser verificado em um
recente trabalho de revisão, voltado a aplicações ambientais
54
.
O aumento de absorbância, diretamente proporcional ao caminho óptico da
cela de medida, foi usualmente verificado em procedimentos que utilizam celas de
longo caminho óptico, pela comparação dos valores das absortividades molares
53,56
.
Entretanto, discrepâncias entre resultados teóricos e experimentais foram reportadas
quando a sensibilidade obtida com celas de longo caminho óptico foram comparadas
com os valores obtidos utilizando uma cela de fluxo convencional de 1 cm.
Absorbância 130 vezes maior foi obtida na determinação de fosfato pelo método do
azul de molibdênio com uma cela de 100 cm
57
. Em estudos relacionados à
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 39 IQ-USP
determinação de fenóis totais
58
e cloreto
59
com uma cela de 100 cm de caminho
óptico (Tipo I), o incremento na sensibilidade experimentalmente observado foi de
aproximadamente 80% do valor teórico. Isto foi atribuído à atenuação da potência do
feixe de radiação ao atravessar a cela de longo caminho óptico. Outros artigos
60,61
não comparam a sensibilidade com as obtidas em celas convencionais.
Existem outros aspectos que devem ser considerados para garantir uma
resposta analítica adequada ao utilizar celas com guia de ondas. A magnitude do
sinal do branco deve ser pequena, considerando que esta aumentará
proporcionalmente com o caminho óptico. As perturbações pelas diferenças de
índice de refração na zona da amostra (efeito Schlieren) devem ser compensadas
ou eliminadas para evitar os efeitos sobre a precisão e exatidão dos resultados. O
efeito de sólidos em suspensão e a presença de bolhas de ar dentro do guia de
ondas são aspectos que devem ser considerados, pois podem afetar a transmissão
da radiação através do guia de ondas.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 40 IQ-USP
1.4. Poluentes ambientais
1.4.1. Paraquat
O paraquat (dicloreto de 1,1’-dimetil-4,4’-bipiridilio) é um herbicida da família
dos bipiridilos, que contém dois grupos piridina na sua estrutura; juntamente com o
diquat, é um dos compostos mais utilizados desta família. Segundo as classificações
usuais
62
, é um herbicida de contato, dado que elimina as plantas sobre as quais é
aplicado; sua ação tóxica é breve, pois tende a se decompor rapidamente; é pós-
emergente, sendo aplicado depois do nascimento das ervas daninhas e da planta
cultivada; é não-seletivo ou total, pois destrói toda a vegetação sobre a qual é
aplicado, podendo ser seletivo em doses menores. Paraquat é amplamente usado
no mundo para o controle das ervas daninhas, por sua alta eficiência, baixo custo e
grande disponibilidade. No entanto, características pouco desejáveis estão
associadas ao uso deste herbicida, como a alta toxicidade. Segundo a classificação
da Organização Mundial da Saúde
63
, que leva em conta a toxicidade aguda, o
paraquat recebe classificação II, moderadamente perigoso para dose oral (entre 200
e 2000 mg kg
-1
para a dose letal média) e Ib, altamente perigoso para o caso de
exposição dérmica (entre 40 e 400 mg kg
-1
para a dose letal média)
64
. Encontram-se
na literatura numerosos casos de intoxicação acidental ou intencional
65
com as
agravantes de carecer de antídoto e de contar somente com algumas medidas para
tentar evitar a absorção
66
. Segundo alguns pesquisadores
67
, existe uma correlação
entre a morte de neurônios por estresse oxidativo e processos neurôdegenerativos,
como Alzheimer e Parkinson, e os níveis de exposição ao paraquat.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 41 IQ-USP
Opiniões controversas têm sido apresentadas sobre a utilização do Paraquat,
considerando os efeitos ao meio ambiente e à saúde de agricultores. Por um lado,
se faz um duro ataque ressaltando os riscos para a saúde dos usuários
68
e de outro
o herbicida é apresentado como um grande aliado no desenvolvimento de políticas
de agricultura sustentável e produtividade
69
. O interesse econômico é grande, dado
que na escala mundial por volta de 130 países fazem uso intensivo destes
herbicidas. Estima-se que em mais de 500 diferentes culturas se utiliza o diquat ou
paraquat em alguma das diferentes etapas de produção. No Brasil, é atualmente
comercializada a marca registrada Gramoxone
®
que apresenta 20%(m/v) de
Paraquat na sua formulação. Recentemente, a EPA
70
incluiu o paraquat como um
possível carcinogênico humano, estabelecendo um nível máximo tolerado para água
potável de 0,2 mg L
-1
. Chamado de nível equivalente pela EPA, este valor
corresponde à concentração limite na qual os seres humanos estariam protegidos de
efeitos adversos mediante exposição. Desta forma, a comercialização de paraquat
somente é permitida em uma categoria restrita. Diversos estudos têm mostrado que
o cátion paraquat apresenta uma ligação muito forte com argilominerais
71
que ocorre
rapidamente
72
, diminuindo a possibilidade de contaminação de águas. Entretanto, o
monitoramento deste herbicida é importante em águas naturais, dado que sua
mobilidade e biodisponibilidade ainda não estão completamente esclarecidas
73
.
Os primeiros métodos analíticos propostos para a determinação de paraquat
empregavam a espectrofotometria e se baseavam na reação com ditionito de
sódio
74,75
. Diversos procedimentos analíticos têm sido propostos, incluindo métodos
eletroanalíticos como a voltametria com eletrodos de grafite
76
ou com eletrodos de
pasta de carbono
77,78
modificados, utilizando microeletrodos
79,80
ou com eletrodos de
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 42 IQ-USP
grafite modificados com nafion
81,82
. Alguns procedimentos são baseados em
técnicas de separação como cromatografia a líquido de alta eficiência com
pareamento iônico
83,84
, derivação pós-coluna
85
ou utilizando estratégias para
melhorar a interação quando se utiliza a fase reversa
86
, cromatografia a gás
87
ou
eletroforese capilar
88,89
. As técnicas de separação são acopladas a espectrômetros
de massa para melhorar principalmente a sensibilidade e o limite de detecção. Com
tratamento prévio, a cromatografia gasosa (CG/MS) possibilita analisar amostras
complexas
90,91
e a cromatografia a líquido com pareamento iônico (HPLC/MRM)
92
e
(HPLC/MS/MS)
93
permite o estudo de amostras de sangue e urina. A análise por
injeção em fluxo foi também empregada para a determinação de paraquat.
Utilizando ditionito de sódio como reagente, foram desenvolvidos procedimentos
espectrofotométricos para a determinação direta
94
. Foram também apresentadas
propostas para separar ou pré-concentrar o paraquat com resinas de troca iônica
95
e
um método para a determinação simultânea de paraquat e diquat
96
, utilizando
detecção espectrofotométrica e espectrofluorimétrica, respectivamente. Neste
trabalho foi também desenvolvida uma metodologia para avaliar interações em solo
e argilas minerais empregando SIA. Segundo o mecanismo de reação mais aceito, o
ditionito de sódio em meio básico reduz o paraquat (–0,44V relativo ao potencial de
eletrodo normal de hidrogênio), formando um radical livre de cor azul
97
, que absorve
intensamente em 600 nm. O esquema das reações é apresentado na Figura 12.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 43 IQ-USP
N
N CH
3
CH
3
N N CH
3
CH
3
.
+
+
e
-
+
PQ
++
PQ
+
.
.
.
N
N CH
3
CH
3
.
.
.
N N CH
3
CH
3
.
.
PQ
e
-
+
PQ
+
.
.
.
Figura 12. Reações de redução do Paraquat (PQ
2+
) formando o radical livre com carga positiva e
dihidrobipiridina (PQ
..
).
Estas reações são reversíveis e o produto é estável na ausência de oxigênio,
sendo o ditionito de sódio um dos melhores agentes redutores (E
o
= –1,13V). Esta
espécie atua
98
formando o radical
.
SO
2
-
, que libera um elétron e SO
2
que, ao reagir
com água,
forma o íon bissulfito segundo apresentado na Figura 13. Esta reação é
também utilizada em diversas aplicações fora da área ambiental
99, 100
.
S S
O
OO
O
S
O
O
S
O
OH
O
S OO
H
+
H
2
O
+
e
-
2
2
2
+
+
2
2
Figura 13. Reações do ditionito de sódio em meio básico.
O procedimento recomendado pela EPA para a determinação de paraquat em
águas naturais é baseado em cromatografia líquida de alta eficiência com detecção
no ultravioleta, que requer uma etapa de pré-concentração
101
.
Os procedimentos mencionados anteriormente apresentam algumas
dificuldades: (i) nos métodos cromatográficos, grandes quantidades de amostra,
reagentes e solventes orgânicos são empregados, sendo também alto o custo de
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 44 IQ-USP
implantação; (ii) considerando a natureza iônica do paraquat, a separação é
baseada na formação de um par-iônico, o que dificulta a determinação, pois o
equilíbrio entre a fase móvel e a fase estacionaria é lento e a eficiência de
separação é muito sensível a variações de pH e da concentração do contra íon,
afetando a sensibilidade e o limite de detecção; (iii) no caso da determinação
espectrofotométrica, tanto o reagente (ditionito de sódio) quanto o radical livre
formado são muito instáveis; (iv) visando melhorar os limites de detecção, são
utilizados procedimentos de extração sólido-líquido, sendo que um dos melhores
eluentes, solução saturada de cloreto de amônio, interfere na determinação
espectrofotométrica; eluentes concentrados podem gerar efeito Schlieren em
medidas espectrofotométricas em fluxo.
Reagentes alternativos ao ditionito em meio básico têm sido pesquisados,
sendo que o ácido ascórbico
102
em um método em batelada e ou ácido
dehidroascórbico (formado pela oxidação de ácido ascórbico com iodato de
potássio) em um método em fluxo
103
, se apresentam como os mais promissores pela
maior estabilidade das soluções.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 45 IQ-USP
1.4.2. Cianeto dissociável em ácidos
O primeiro relato que se tem referência sobre o cianeto, data do ano de 1704
em Berlin, quando os pesquisadores J. C. Dippel e H. Diesbach realizavam
pesquisas com sangue. Ao aquecer uma amostra de carbonato de potássio e sulfato
de ferro obtiveram um pigmento azul muito intenso, nomeado inicialmente como azul
Berlin ou azul de Prússia
104
. O termo cianeto tem origem na palavra grega Kyanos,
que significa azul. Desde o início, tem sido alvo de diferentes estudos e as suas
aplicações são muito variadas. O cianeto é parte integrante de diversos compostos,
como sais solúveis de sódio e potássio, a vitamina B12 (cianocabalamina) e diversos
plásticos; estima-se que a cada ano são produzidas 1400000 toneladas de
cianeto
105
. Como pesticida, foi utilizado desde a década de 1940 para eliminar
bactérias, formigas, roedores e outros. Seu uso se intensificou nos Estados Unidos
na década de 1970, visando a eliminação dos coiotes, espécie predadora que tinha
causado graves problemas em diferentes localidades. A partir de 1987 a EPA proibiu
seu uso em larga escala e em zonas residenciais, mantendo um estrito controle
sobre a sua utilização.
Um uso diabólico para o ácido cianídrico foi dado pelos Nazistas durante o
Holocausto para a eliminação massiva de judeus nos campos de concentração. O
gás (comercializado como Zyklon B) era produzido a partir de cianeto de sódio e
introduzido em lugares hermeticamente fechados conhecidos como as “duchas da
morte”
106
.
Na extração de ouro, prata e cobre, é usada a propriedade do cianeto de
dissolver os metais pela formação de complexos solúveis
107
na presença de
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 46 IQ-USP
oxigênio. O processo conhecido com cianuração para a obtenção de ouro (ou prata)
a partir de minerais (Processo Mac Arthur-Forrest) foi patenteado em 1887 e
consiste basicamente de 3 etapas: (i) o cianeto de sódio ou potássio é colocado em
contato com o mineral na presença de oxigênio atmosférico, formando lentamente
complexos com os metais contidos no mineral; (ii) a solução contendo os complexos
é separada do sólido; (iii) os complexos de ouro são separados pela precipitação
com zinco metálico (processo conhecido como Merrill – Crowe
108
); (iv) o tratamento
térmico em fundição permite separar o ouro das outras sustâncias para produzir
barras de alta pureza.
A geração de resíduos na extração de ouro é extremamente elevada, sendo
uma das maiores fontes de contaminação por cianeto. Técnicas alternativas à
cianuração ainda não conseguem substituir o processo, essencialmente por
apresentarem menor eficiência e maior custo.
Dado o uso do cianeto em grande escala, graves acidentes ambientais têm
sido registrados sendo que o maior de todos ocorreu na Romênia em janeiro de
2000, comprometendo vários países da união européia
109
.
O cianeto é um poluente ambiental que tem como principal fonte a descarga
de resíduos industriais, ocorrendo em águas superficiais e subterrâneas em várias
formas, tais como o cianeto livre (CN
-
e HCN), lábil (prontamente biodisponível e
extremamente tóxico) e complexos metálicos estáveis. A concentração de cianeto
livre e potencialmente dissociável pode ser estimada por um parâmetro operacional,
denominado “Cianeto dissociável em ácido” (WAD). Nesta fração, espécies
altamente estáveis, tais como os complexos formados com ferro e níquel
110
, não são
consideradas. Este parâmetro é mais importante que a determinação do teor total,
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 47 IQ-USP
porque corresponde à fração mais tóxica e permite estimar o potencial risco de
contaminação, quando por algum motivo o pH da água for diminuído. Várias
propostas para a determinação de cianeto em diferentes tipos de amostras têm sido
apresentadas. Um dos primeiros métodos dos quais se tem referência
111
explora a
formação de complexo com os íons ferro e quantificação por espectrofotometria.
Entre os procedimentos para determinação de cianeto destacam-se:
potenciometría com eletrodos íon seletivo
112
, volumetria
113
, espectrofotometria
114,115
,
amperometria
116,117
, fluorimetria
118
, cromatografia iônica
119
e eletroforese capilar
120
.
Procedimentos baseados em amperometria ou fluorimetria são altamente sensíveis,
com limites de detecção inferiores a 1 g L
-1
. Por outro lado, procedimentos
baseados em técnicas de separação, tais como a cromatografia de íons ou a
eletroforese capilar permitem a determinação de outros analitos
119
ou a especiação
de cianeto
120
. Procedimentos em fluxo com diferentes detectores têm sido propostos
para a determinação cianeto, como discutido em artigos de revisão
121,122
.
O método mais utilizado para a determinação de CN
-
é sem duvida o
espectrofotométrico desenvolvido por Aldridge
123
baseado na reação de Köning
114
,
que tem sofrido muitas modificações ao longo dos anos. O procedimento envolve a
conversão do cianeto em uma espécie halogenada (CNCl) pela redução com
cloramina-T em meio alcalino. Este produto reage em meio ácido com piridina e
ácido barbitúrico gerando uma espécie que absorbe na região visível. Esta
metodologia faz parte dos métodos de referência
110
incluindo um procedimento
utilizando análises em fluxo segmentado por bolhas de ar.
Visando a aplicação do método para a determinação do cianeto dissociável
em ácidos em águas naturais é necessário separar a matriz, que pode ser realizado
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 48 IQ-USP
por destilação ou por difusão gasosa. Ambas as alternativas resultam em um
aumento do tempo de análise. Na destilação, volumes elevados de amostras são
requeridos, em um processo que demora por volta de 3 horas
110
. Diversos artigos
apresentam a difusão gasosa como procedimento de separação alternativo
124
,
utilizando principalmente membranas porosas de PTFE. A cela de difusão é
configurada de forma que a amostra é acidificada (solução doadora) gerando o ácido
cianídrico que atravessa a membrana, encontrando uma solução alcalina (conhecida
como solução aceptora). Um volume adequado de solução aceptora pode ser
recolhido para posterior análise ou a cela pode ser acoplada a um sistema em fluxo
para a determinação em linha.
Segundo pode ser observado, os métodos recomendados para a
determinação de cianeto dissociável em ácidos são tediosos, utilizam elevados
volumes de amostras e reagentes altamente tóxicos, gerando grandes quantidades
de resíduos. A etapa de separação para minimização de efeitos de matriz é
imprescindível, consumindo tempo e sendo de implementação complexa. Os limites
de detecção encontram-se na ordem de mg L
-1
, que são inadequados para
aplicações ambientais.
Cianeto pode ser determinado por fluorescência, baseado na reação com o
produto formado na reação entre o-ftalaldeído e glicina
118
. Este método resulta em
baixos limites de detecção e alta sensibilidade e a toxicidade dos reagentes é baixa.
Desta forma, diversos procedimentos em fluxo foram apresentados
125
possibilitando
o fracionamento em águas naturais
126
, mas com baixa freqüência de amostragem. A
reação entre o-ftalaldeído e glicina é relativamente rápida, sendo lenta a reação do
intermediário com cianeto.
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 49 IQ-USP
1.4.3. Especiação redox de cromo
O cromo foi descoberto pelo farmacêutico e químico francês Louis Nicolas
Vauquelin em 1797. É comumente utilizado em muitas aplicações industriais,
principalmente para proteger os metais da corrosão, melhorando o brilho de
determinadas peças e sendo parte integrante do processo de banho em ouro para a
produção de bijuterias.
O cromo pode sofrer transformações em seu estado de oxidação como
conseqüência do ambiente no qual se encontra
127
. Na forma trivalente, o cromo é
essencial ao metabolismo humano e sua carência causa doenças. No entanto, na
forma hexavalente, é tóxico e cancerígeno
128
.
De acordo com a IUPAC
129
, análise química de especiação é a atividade
analítica de identificar e/ou determinar a quantidade de uma ou mais espécies
químicas individuais em uma amostra. É especialmente importante a especiação de
metais, considerando a grande diferença de toxicidade entre as espécies. Para o
Cr(VI), por exemplo, a toxicidade é de 100 a 1000 vezes maior que a do Cr(III)
128
. A
determinação de cada uma das espécies é difícil em análises de rotina, sendo
normalmente substituída pela quantificação do conteúdo total de cromo, deixando de
lado informações importantes. Desta forma, na legislação atual
1
ficou estabelecido o
limite de 0,05 mg L
-1
para cromo total, eliminando a distinção anterior
130
na qual este
valor era atribuído ao Cr(VI), em concordância com os critérios estabelecidos por
outras entidades como a EPA
2
. A mudança no critério deve-se provavelmente à
praticidade no monitoramento. Seria possível concluir erroneamente que Cr(VI) não
representa perigo para a população, mas a necessidade analítica persiste dado que
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 50 IQ-USP
a especiação não é considerada e o limite de detecção do método
espectrofotométrico em batelada é insuficiente.
Um dois maiores casos de contaminação por cromo de que se tem referência
ocorreu no Estado de Califórnia nos Estados Unidos no ano de 1993. Os resíduos
de Cr(VI), utilizado pela empresa Pacific Gas and Electric Company (PG&E), para
evitar a corrosão das caldeiras terminou contaminando as águas subterrâneas, que
serviam de fonte para o abastecimento do povoado de Hinkley no deserto de
Mojave, gerando uma enorme quantidade de casos de intoxicação por Cr(VI). A
indenização paga às vítimas foi de 333 milhões de dólares, e o caso teve muita
publicidade, resultando no filme “Erin Brockovich”, relatando os acontecimentos
131
.
Diversas dificuldades estão associadas com a especiação de metais em
baixas concentrações. A maioria das técnicas com a sensibilidade apropriada
132
(e.g. ICPOES, ETAAS e ICP-MS) não permite a especiação diretamente, e a maioria
dos procedimentos que possibilitam a especiação, como a espectrofotometria
133
,
não apresentam sensibilidade adequada. Isto torna necessário implementar a
separação e ou concentração das espécies previamente à detecção, o que se
realiza principalmente pela extração líquido-líquido
134,135
ou pela extração em fase
sólida
136
. O acoplamento de técnicas de separação, como cromatografia, às técnicas
espectrométricas atômicas (técnicas hifenadas) apresenta grande potencialidade
para a especiação de metais
137
, mas com custo de implementação e operação
relativamente elevado.
Para a determinação espectrofotométrica, é amplamente empregada a reação
entre o Cr(VI) e a difenilcarbazida. Segundo o mecanismo mais aceito
133
, em meio
ácido, o cromo(VI) oxida a difenilcarbazida a difenilcarbazona, sendo reduzido a
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 51 IQ-USP
cromo(III). Os íons cromo(III) reagem com a forma enol da carbazona gerada,
formando um complexo vermelho-violeta que absorve intensamente em 554 nm
138
(Figura14).
Figura 14. Reação de Cr(VI) com difenilcarbazida.
Algumas discrepâncias foram observadas em relação a esta proposta, como a
ausência de Cr(III) na solução, indicando que a espécie intermediária poderia ser um
complexo ou um óxido ou o cromo poderia estar em outro estado de oxidação
139
. O
método recomendado pela American Public Health Association (APHA)
140
é baseado
nesta reação. A especiação redox de cromo pode ser realizada pela oxidação de
todo o cromo presente na amostra, preferencialmente com KMnO
4
, que depois é
eliminado com azida de sódio. Entretanto, a oxidação com permanganato de
potássio traz algumas dificuldades, dado que ele absorbe na mesma região que a
espécie formada com difenilcarbazida. O método em batelada envolve diversas
etapas no processamento da amostra, aumentando as possibilidades de
contaminação e erros no procedimento. Uma alta quantidade de acetona é utilizada
para solubilizar a difenilcarbazida e ácido sulfúrico concentrado é necessário para
N NH
N
O
NH
H
H
N N
N
O
N
H
H
H
4
L
H
2
L
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 52 IQ-USP
favorecer a reação. Em virtude da necessidade de alcançar o estado estacionário, o
tempo estipulado para a reação é de 5 a 10 minutos. O limite de detecção encontra-
se na ordem de décimos de mg L
-1
, não sendo adequado frente aos requisitos
estabelecidos pela legislação atual.
Um procedimento analítico em fluxo para a especiação de cromo foi
desenvolvido utilizando peróxido de hidrogênio em meio básico
141
. Este oxidante tem
sido pouco utilizado em sistemas de análises em fluxo devido à formação de bolhas,
problema que pode ser contornado otimizando as concentrações de peróxido e de
hidróxido
142
. O procedimento utiliza dois sistemas em fluxo, um para a determinação
de Cr(VI) e outro para a oxidação e determinação de cromo total, realizando a
quantificação de Cr(III) pela diferença entre os dois valores.
Uma proposta interessante para a determinação de cromo utiliza detecção por
quimiluminescência
143
, sendo a resposta proporcional à concentração de Cr(III).
Considerando a rápida emissão de luminescência, o processamento da amostra é
efetuado em fluxo, apesar do trabalho ser anterior ao primeiro artigo publicado com
os termos Flow Injection Analysis. Diversos trabalhos exploram esta reação
144
para a
especiação redox de cromo
,145,146
. No caso de cromo(III), o método é baseado na
medida da radiação emitida quando o metal catalisa a oxidação de luminol por
peróxido de hidrogênio (Figura 15)
147
. O efeito catalítico é específico para o
cromo(III) na presença de EDTA, que minimiza a possível interferência de outros
íons metálicos, que poderiam catalisar a reação. Isto ocorre porque diferentemente
do que ocorre com outros íons a formação da espécie Cr(III)-EDTA é muito lenta e o
Cr(VI) não catalisa a reação de oxidação do luminol. Entretanto, a possível
interferência de complexantes tipicamente presentes em águas naturais deve ser
Introdução Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 53 IQ-USP
avaliada. O Cr(VI) pode ser reduzido a Cr(III), empregando diversos agentes
redutores, e determinado como descrito anteriormente. A diferença entre os dois
valores permite a determinação da concentração de Cr(VI). A utilização de brometo
tem permitido melhorar os limites de detecção, possibilitando o uso de detectores
com menor sensibilidade
148
.
NH
NH
NH
2
O
O
H
2
O
2
O
O
NH
2
O
O
N
2
O
O
NH
2
O
O
+
4OH
-
+
+
4H
2
O
+
+
h
*
M
n+
Figura 15. Reação de oxidação de luminol por peróxido de hidrogênio em meio básico na presença
de um cátion metálico.
Ao subtrair magnitudes com ordem de grandeza muito diferentes, pode-se
incorrer em um aumento da incerteza associada. Desta forma, é atraente a
possibilidade de utilizar a espectrofotometria para a determinação de Cr(VI) e a
quimiluminescência para quantificação de Cr(III).
Objetivos IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 54 IQ-USP
“Para iniciar um grande projeto, faz falta valentia. Para terminar um grande
projeto, faz falta perseverança”
Popular
Objetivos IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 55 IQ-USP
2. OBJETIVOS
A presente tese de doutorado tem como objetivo geral o desenvolvimento de
métodos analíticos baseados na análise em fluxo com multicomutação, acoplando
detecção por fluorescência, espectrofotometria com longo caminho óptico ou
quimiluminescência em guias de onda, para obter características que atendam a os
requisitos atuais para a determinação de poluentes ambientais. São objetivos
específicos deste trabalho:
i. Avaliar o acoplamento de uma cela de fluxo com guia de ondas de 100 cm de
caminho óptico a sistemas de análises em fluxo;
ii. Desenvolver um procedimento de análises em fluxo por multicomutação com
micro-bombas solenóides para a determinação do herbicida paraquat, com
detecção espectrofotométrica;
iii. Desenvolver um procedimento em fluxo com detecção fluorimétrica para a
determinação de cianeto dissociável em ácidos;
iv. Desenvolver procedimentos analíticos para a especiação redox de cromo,
empregando espectrofotometria com longo caminho óptico ou quimiluminescência
em guias de onda.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 56 IQ-USP
“Nada é por acaso. Deus não joga dados com o mundo. Deus é sutil, mas não
é maldoso”
Albert Einstein
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 57 IQ-USP
3. PARTE EXPERIMENTAL
3.1. Reagentes e Soluções
Todas as soluções foram preparadas com reagentes de grau analítico e água
destilada e deionizada.
3.1.1. Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo
Soluções de permanganato e dicromato de potássio nas faixas de
concentrações de 1,0-1000 µmol L
-1
para KMnO
4
e 5,0-10000 µg L
-1
para Cr(VI)
foram preparadas em água. Uma solução 0,012% 1,5-difenilcarbazida (DFC) em 2%
de etanol foi empregados como reagente cromogênico. Soluções contendo
1,5 mol L
-1
de cloreto de sódio, tartarato de sódio e potássio, citrato de sódio e etanol
foram empregadas para investigar o efeito Schlieren. Água deionizada ou
0,25 mol L
-1
ácido sulfúrico foram empregados como transportadores. Suspensões
de carbonato de cálcio foram preparadas misturando 100 mg do reagente sólido e
100 mL de água. A suspensão foi deixada em repouso por 2 horas antes de realizar
as medidas turbidimétricas.
3.1.2. Determinação de paraquat
O reagente cromogênico (R
1
) foi preparado por dissolução de 0,25 g de ácido
ascórbico, 0,10 g KIO
3
e 0,10 g EDTA, completando o volume para 100 mL com
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 58 IQ-USP
água. Solução 1 mol L
-1
de NaOH (R
2
) foi preparada por dissolução em água e
solução estoque 1000 mg L
-1
de paraquat (Pq
2+
) foi preparada a partir do sal de
dicloreto de paraquat. Soluções de trabalho na faixa de 0,10 a 5,0 mg L
-1
foram
preparadas por diluição da solução estoque em água.
Para a determinação pelo método cromatográfico recomendado pela EPA
70
, a
fase móvel foi composta por 25:75 (v/v) acetonitrila – tampão fosfato (0,023 mol L
-1
,
pH 3,2) com 10 mmol L
-1
de ácido 1-octanossulfônico.
3.1.3. Determinação de cianeto dissociável em ácidos
Solução estoque 40 mmol L
-1
de o-ftalaldeído (OPA) foi preparada em etanol,
enquanto a solução de 20 mmol L
-1
glicina foi preparada em água. O reagente OPA
(R
1
) e o reagente glicina (R
2
), ambos na concentração 1 mmol L
-1
, foram preparados
por diluição em tampão borato 0,1 mol L
-1
, pH 8,2. Uma solução estoque 1,0 g L
-1
de
cianeto foi preparada em NaOH 0,02 mol L
-1
a partir de NaCN. Soluções de trabalho
na faixa de 1 a 200 µg L
-1
foram preparadas por diluição do estoque em NaOH 0,02
mol L
-1
. Na etapa de difusão gasosa, a solução aceptora foi NaOH 0,02 mol L
-1
e
solução de ácido clorídrico 1 mol L
-1
foi adicionada por confluência às amostras.
Uma solução 60 µg L
-1
permanganato de potássio preparada em água foi
empregada para estimar os coeficientes de dispersão.
3.1.4. Especiação redox de cromo
Uma solução estoque 1000 mg L
−1
de Cr(VI) foi preparada partindo de
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 59 IQ-USP
dicromato de potássio. Soluções de trabalho na faixa de 1 µg L
-1
a 10 mg L
-1
foram
preparadas diariamente por diluição do estoque em água. A solução estoque
1000 mg L
−1
de Cr(III) foi preparada partindo de cromo metálico por dissolução em
HCl 0,5 mol L
-1
. Soluções de trabalho na faixa de 1 µg L
-1
a 10 mg L
-1
foram
preparadas diariamente por diluição do estoque em água.
3.1.4.1. Estudos com quimiluminescência e espectrofotometria em guias
de onda
Como reagente cromogênico para a determinação de Cr(VI) por
espectrofotometria foi utilizada uma solução de 0,012% (m/v) de 1,5-difenilcarbazida
e 2% (V/V)de etanol em água deionizada ou em 0,5 mol L
-1
de H
2
SO
4
. Nas medidas
por quimiluminescência, foram utilizados dois reagentes combinados. O primeiro
reagente era composto por 1,0x10
-4
mol L
-1
EDTA e tampão carbonato/bicarbonato
0,5 mol L
-1
, pH = 10,8. O segundo reagente empregava 0,1 mol L
-1
H
2
O
2
, 1,0x10
-3
mol L
-1
luminol e 0,2 mol L
-1
NaBr. Nos estudos iniciais, foi utilizado 0,25 mol L
-1
ácido sulfúrico como solução transportadora.
3.1.4.2. Estudos com espectrofotometria de longo caminho óptico e
etapa de oxidação em linha
Para a determinação espectrofotométrica de Cr(VI) e cromo total, foi
empregada uma solução de 0,012%(m/v) de 1,5-difenilcarbazida em 2% de etanol e
0,5 mol L
-1
de H
2
SO
4
como reagente cromogênico. Uma solução 0,1% (m/m) H
2
O
2
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 60 IQ-USP
em NaOH 0,10 mol L
-1
, preparada diariamente partindo de uma solução 30% (m/m)
H
2
O
2
foi utilizada como reagente oxidante. Em todos os experimentos, o
transportador foi água.
3.2. Equipamentos e acessórios
3.2.1. Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo
As medidas por espectrofotometria foram realizadas utilizando um arranjo de
foto-detectores do tipo CCD (Ocean Optics, USB2000) conectado em uma das
portas USB disponíveis no computador (AMD Athlon com 228Mb de memória RAM).
Como fonte de radiação, foi utilizada uma lâmpada de tungstênio - halogênio (Ocean
Optics, LS-1). A cela de fluxo com longo caminho óptico (Ocean Optics) era
constituída por um capilar de sílica fundida, com 0,6 mm de diâmetro interno,
comprimento de 100 cm e aproximadamente 250L de volume interno, recoberto
com Teflon AF-2400
. Fibras ópticas (100 ou 600 m) foram empregadas para o
transporte da radiação. Um diagrama esquemático do equipamento é apresentado
na Figura 16. O mesmo arranjo foi utilizado com uma cela de 1 cm de quartzo
(Hellma) com volume interno aproximado de 80 L. O software fornecido pelo
fabricante do sistema de detecção foi utilizado para aquisição dos dados diretamente
pela saída USB.
Os sistemas de análises em fluxo foram construídos com tubos de polietileno
de 0,8 mm d.i. (sistema FIA) ou tubos de PTFE de 1,5 mm d.i. (sistema de análises
em fluxo monossegmentado) e confluências de acrílico. As soluções foram inseridas
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 61 IQ-USP
no fluxo transportador utilizando um injetor proporcional construído em acrílico. Uma
bomba peristáltica (Ismatec, IPC N-8) foi empregada para impulsionar as soluções.
Figura 16. Sistema de detecção multicanal acoplado à cela de fluxo de longo caminho óptico;
F - fonte de radiação; O - fibras ópticas; G - guia de ondas; SP - espectrômetro CCD;
M - microcomputador; W - descarte. Setas indicam os pontos de entrada (E) e saída (S) de
soluções.
3.2.2. Determinação de paraquat
Foi utilizado um espectrofotômetro com arranjo linear de diodos (HP-8452A),
equipado com uma cela de fluxo com caminho óptico de 10 cm, construída no
laboratório empregando um tudo de vidro com 2 mm d.i. e aproximadamente 300 µL
de volume interno. Uma cela de quartzo (Hellma) com 1 cm de caminho óptico e
aproximadamente 80 µL de volume interno também foi empregada. O módulo de
análises foi composto por quatro micro-bombas solenóides (Biochem, 090SP) com
W
O
G
F
SP
M
USB
E
S
O
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 62 IQ-USP
volume nominal de 8 µL por pulso, uma válvula solenóide de três vias (NResearch,
161T031), tubos de Teflon de 0,8 mm d.i. e uma confluência em acrílico.
O módulo de análises para a determinação de paraquat foi gerenciado por um
microcomputador (Pentium I, 64Mb de memória RAM). Um esquema do arranjo
electrônico empregado para acionamento dos dispositivos é mostrado na Figura 17.
Figura 17. Esquema do arranjo eletrônico para controle dos dispositivos ativos. ULN2803-circuito
integrado para ativação dos dispositivo,s LM317-regulador de voltagem, P
1
-P
3
micro-
bombas solenóides, V
1
-válvula solenóide.
A porta paralela do microcomputador foi utilizada para o controle dos
dispositivos ativos, acoplando um circuito de potência para alimentação dos
solenóides. Um circuito integrado ULN2803
149
foi empregado para compatibilizar a
LM317
0,1F
V
adj
1F
R
1
=240
R
2
=5k
P
1
P
2
P
3
V
1
12V
ULN2803
Porta paralela
do
microcomputador
d
0
d
1
d
2
d
3
d
4
d
5
d
6
d
7
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 63 IQ-USP
diferença de potencial (12V) e corrente necessária para o acionamento dos
dispositivos, utilizando-se um regulador de voltagem LM317. O software de controle
dos dispositivos foi desenvolvido em Visual Basic 6.0 (Microsoft) e um formulário
(Figura 18) permitia a entrada de variáveis para a rotina de análise desenvolvida. As
instruções eram enviadas para os dispositivos utilizando a DLL io.dll inserida no
módulo bas do programa desenvolvido. O software fornecido pelo fabricante do
espectrofotômetro foi empregado para a aquisição de dados.
Figura 18. Interface de interação com usuário desenvolvida em Visual Basic 6.0.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 64 IQ-USP
Um cromatógrafo a líquido de alta eficiência (Dionex P680) com detector UV-
Vis (UVD 170U), equipado com uma coluna C-18 (Kromasil) com dimensões 25 cm x
9 mm × 4,6 mm d.i. e 5 µm de diâmetro de partícula, foi empregado para a
comparação dos resultados com o método de referência recomendado pela EPA
101
.
3.2.3. Determinação de cianeto dissociável em ácidos
Para a medida dos sinais, foi utilizado um espectrofluorímetro usualmente
empregado em cromatografia a líquido (GBC LC1250) dotado de 2
monocromadores, lâmpada de xenônio pulsada e uma cela de fluxo com
aproximadamente 3 µL de volume iluminado. A saída analógica foi acoplada ao
microcomputador utilizando uma das entradas de uma interface PCL 711-S
(Advantech).
O módulo de análises para a determinação de cianeto foi constituído por 5
válvulas solenóides de três vias (NResearch) para o gerenciamento das soluções.
Para a propulsão dos fluidos, foi utilizada uma bomba peristáltica (Ismatec IPC 8).
Um computador (Pentium I com 64Mb de memória RAM) foi utilizado para o controle
dos dispositivos e aquisição de dados, por meio de um programa desenvolvido em
linguagem Visual Basic 3.0 (Microsoft), empregando a DLL inpout.dll para habilitar
as funções para entrada e saída de dados. A interface de interação com o usuário,
desenvolvida em Visual Basic 3.0, é apresentada na Figura 19.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 65 IQ-USP
Figura 19. Interface para interação com usuário, operando em um dia de trabalho regular.
Figura 19. Interface de interação com usuário desenvolvida em Visual Basic 3.0.
Foi também necessário construir um circuito eletrônico para compatibilizar a
intensidade de corrente e diferença de potencial, requeridas para o acionamento dos
dispositivos, conforme discrição apresentada no item 3.2.2, Um esquema do circuito
eletrônico desenvolvido é apresentado na Figura 20.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 66 IQ-USP
Figura 20. Esquema do arranjo eletrônico para ativação dos dispositivos. A interface PCL-711S foi
utilizada para aquisição de dados e controle dos dispositivos. Demais símbolos como na
Figura 17.
3.2.4. Especiação redox de cromo
3.2.4.1. Estudos com quimiluminescência e espectrofotometria em guia
de ondas.
Para a medida dos sinais analíticos, foi utilizado o sistema apresentado na
seção 3.2.1. (Figura 16). Para as medidas por quimiluminescência, a lâmpada foi
Fluorimetro
V
1
ULN2803
V
2
V
3
V
4
V
5
d
0
d
1
d
2
d
3
d
4
d
5
d
6
d
7
PCL-711S
CH1
CH3
12V
LM317
0,1
F
V
adj
R
1
=240
R
2
=5k
1F
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 67 IQ-USP
desligada e a radiação emitida foi captada por uma fibra óptica posicionada na saída
da cela mais próxima à entrada das soluções. As medidas por espectrofotometria de
longo caminho óptico foram realizadas com a lâmpada de tungstênio-halogênio
ligada. O arranjo eletrônico foi o mesmo descrito na secção 3.2.2. (Figura 17). A
interface de interação com o usuário (Figura 21) foi desenvolvida em Visual Basic
6.0 (Microsoft). O software fornecido pelo fabricante foi utilizado para a aquisição
dos dados diretamente através da saída USB. O tempo de integração empregado foi
de 2500 ms. Para todos os experimentos.
Figura 21. Interface para interação com usuário, operando em um dia de trabalho regular; a aquisição
e visualização de dados foi realizada com o programa fornecido pelo fabricante.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 68 IQ-USP
3.2.4.2. Estudos com espectrofotometria de longo caminho óptico e
etapa de oxidação em linha
O controle dos dispositivos, detecção e aquisição de dados foram realizados
como descrito na secção 3.2.4.1. para as medidas espectrofotométricas.
3.3. Sistemas de análises em fluxo e procedimentos
3.3.1. Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo
Sistemas de injeção em fluxo em linha única ou em confluência e sistemas de
análises em fluxo monossegmentado foram empregados para as medições com
celas de fluxo de 100 ou 1 cm. O sistema em confluência (Figura 22a) foi empregado
nos experimentos com permanganato de potássio e na determinação de Cr(VI) com
DFC, a fim de avaliar a melhora na sensibilidade ao usar a cela de fluxo de 100 cm.
A vazão da solução transportadora e do fluido confluente foram mantidos em
1,2 mL min
-1
.
A fim de induzir perturbações pelo efeito Schlieren, soluções contendo
1,5 mol L
-1
de substâncias que não absorvem radiação visível foram injetadas em
um sistema FIA em linha única, utilizando água como transportador. O sinal analítico
foi monitorado simultaneamente em três comprimentos de onda
(617, 700 e 800 nm), nas medidas com ambas as celas de fluxo.
Diversas estratégias foram avaliadas para minimizar ou compensar
perturbações produzidas pelo efeito Schlieren, tais como: melhoria das condições de
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 69 IQ-USP
mistura com maiores reatores, parada de fluxo e a espectrofotometria em dois
comprimentos de onda
150
. O sistema da Figura 22b foi utilizado para avaliar a
implementação da análise em fluxo monossegmentado na cela de longo caminho
óptico, utilizando soluções de permanganato de potássio como modelo. Medidas por
turbidimetria foram realizadas com o sistema em linha única mostrado na Figura 22a,
usando suspensões de carbonato de cálcio como modelo.
Figura 22. Sistemas de análises em fluxo para medidas por espectrofotometria com a cela de longo
caminho óptico: (a) sistema FIA em linha única ou em confluência e (b) sistema de análise
em fluxo monossegmentado. I - injetor proporcional, A - amostra, C - solução
transportadora, R - linha de reagente em confluência, L - alça de amostragem, B – bobina
de reação, D - sistema de detecção multicanal acoplado à cela de fluxo de longo caminho
óptico, W - descarte. Setas indicam pontos de atuação da bomba peristáltica.
B
B
a
I
R
C
W
A
L
ar
W
I
C
W
A
L
b
D
D
W
W
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 70 IQ-USP
3.3.2. Determinação de paraquat
O sistema de análises em fluxo desenvolvido é apresentado na Figura 23.
Cada um dos componentes, quatro micro-bombas e uma válvula solenóide de três
vias, foi operado independentemente por controle de software. A válvula solenóide
auxiliava na troca das soluções, evitando a passagem por todo o percurso analítico e
economizando tempo. As micro-bombas foram empregadas para amostragem e
propulsão dos fluidos. Considerando a freqüência de operação (5 Hz) e o volume
dispensado em cada pulso das micro-bombas (8 µL), a vazão de cada solução foi de
2400 µL min
-1
. A rotina de acionamento utilizada na determinação de paraquat é
apresentada na tabela 1.
Figura 23. Sistema de análises em fluxo para a determinação de paraquat: P
1
-P
4
-micro-bombas
solenóides; V - válvula solenóide; A - amostra; C - solução transportadora; R
1
– Ácido
dehidroascorbico-EDTA; R
2
- NaOH; B - bobina de reação (10 cm); D -espectrofotômetro
com arranjo linear de diodos; X - ponto de confluência; W - descarte.
P
1
P
2
P
3
R
2
A
R
1
C
P
4
X
B
V
W
D
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 71 IQ-USP
Tabela 1. Rotina de acionamento dos dispositivos para a determinação de paraquat. Números 1 e 0
indicam que os dispositivos foram ligados ou desligados. Símbolos são definidos na Figura 23.
* 20 ou 30 ciclos de amostragem para celas de fluxo de 1 cm ou 10 cm, respectivamente
** 220 ou 250 pulsos para as celas de fluxo de 1 cm ou 10 cm, respectivamente
As micro-bombas P
1
-P
3
foram acionadas simultaneamente para inserir
alíquotas de amostra e reagentes no percurso analítico. Esta etapa foi repetida 20
vezes (20 ciclos de amostragem) para a cela de 1 cm ou 30 vezes (30 ciclos de
amostragem) para cela de fluxo de 10 cm. As pequenas alíquotas de amostra e
reagentes sofrem uma rápida mistura, iniciando as reações químicas. A zona de
amostra foi transportada para a cela de fluxo e o sinal analítico foi baseado na
diferença entre os valores das absorbâncias medidas em 600 e 800 nm. Verificou-se
que 220 pulsos de P
4
(ca. 1,8 mL de solução transportadora) foram suficientes para
remover completamente a zona de amostra do sistema quando a cela de fluxo de 1
cm foi usada e 250 pulsos de P
4
foram necessários para a cela de fluxo de 10 cm.
Todas as medidas foram realizadas em triplicata.
A válvula solenóide V foi utilizada para facilitar a substituição das soluções,
especialmente da amostra. Isto foi realizado ativando simultaneamente a micro-
bomba P
2
(50 pulsos) e a válvula V, direcionando a solução para o descarte. O efeito
Etapa Descrição P
1
P
2
P
3
P
4
V N
o
de pulsos
ou tempo
1
Introdução de amostra e
reagentes
1/0
1/0
1/0
0 0 20 ou 30
*
2 Parada de fluxo 0 0 0 0 0 7 s
3
Medida do sinal e limpeza
do sistema
0 0 0 1/0
0 220 ou 250
**
0 1/0
0 0 1 50
4 Substituição de amostra
0 0 0 1/0
1 20
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 72 IQ-USP
do aumento do tempo de residência foi avaliado pelo processamento de alíquotas de
uma solução 5,0 mg L
-1
de Pq
2+
com diferentes tempos de parada de fluxo (0-90 s).
As amostras de águas naturais foram obtidas de rios nas proximidades da
cidade de Valencia, Espanha, sendo filtradas utilizando membranas de nylon de 0,22
m e preservadas a -4º C. A amostra de água mineral foi adquirida no comércio local
e preservada em geladeira a -4º C. No momento prévio a análise, uma alíquota
destas amostras foi estabilizada a temperatura ambiente.
A vazão da fase móvel utilizada na cromatografia foi 1,5 mL min
-1
. A
separação foi conduzida à temperatura ambiente, com detecção em 254 nm. O
volume de amostra injetado foi 20 µL, com tempo programado para a obtenção do
cromatograma de 8 min.
3.3.3. Determinação de cianeto dissociável em ácidos
O módulo de análises (Figura 24) foi constituído por cinco válvulas solenóides
de 3 vias, sendo necessário o uso de uma bomba peristáltica para a propulsão dos
fluidos, posicionada após a cela de fluxo e atuando por aspiração, a vazão de 3,0
mL min
-1
.
A rotina para a determinação de cianeto, apresentada na tabela 2, inicia-se
com a inserção de uma alíquota de reagente R
1
(glicina) no percurso analítico,
seguida por uma alíquota do reagente R
2
(o-ftalaldeído), e por uma alíquota da
amostra, completando um ciclo de amostragem. A zona de amostra, formada por 20
ciclos de amostragem, pode ser diretamente enviada à cela de medida ou ser retida
na bobina B previamente à detecção.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 73 IQ-USP
Figura 24. Sistema de análises em fluxo para a determinação fluorimétrica de cianeto:
V
1
-V
5
- válvulas solenóides, A - amostra, C - solução transportadora, R
1
- glicina,
R
2
- o-ftalaldeído, B - bobina de reação, D - espectrofluorímetro, Bp - bomba peristáltica,
X - ponto de confluência, W – recipiente de descarte.
Tabela 2. Rotina de ativação dos dispositivos para a determinação de cianeto. Números 1 e 0 indicam
que os dispositivos foram ligados ou desligados. Símbolos são definidos na Figura 24.
*20 ciclos de amostragem
Etapa
Descrição V
1
V
2
V
3
V
4
V
5
Time (s)
1 Introdução do Reagente 1 0 1 0 1 0 0,15*
2 Introdução do Reagente 2 0 0 1 1 0 0,20*
3
Ingresso da amostra
1 0 0 1 0 0,5*
4 Retenção da zona de amostra 0 0 0 0 1 60
5 Transporte, medida do sinal e
limpeza do sistema
0 0 0 0 0 22
6 Substituição de amostra 1 0 0 1 1 25
V
1
V
2
V
3
A
C
R
1
X
V
5
W
V
4
R
2
B
D
Bp
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 74 IQ-USP
Para a retenção da zona de amostra, a válvula 5 foi acionada, desviando o
fluxo da solução transportadora. Após o tempo programado, a válvula 5 foi
desligada, sendo a zona de amostra transportada em direção à cela de medida. A
espécie de interesse foi monitorada por fluorescência com comprimentos de onda de
330 nm para a excitação 380 nm para a emissão.
Para o fracionamento do cianeto dissociável em ácido (WAD), foi utilizado um
procedimento envolvendo difusão gasosa, segundo previamente descrito
125,151
. A
amostra com uma vazão de 0,85 mL min
-1
foi misturada com a solução 1 mol L
-1
HCl
fluindo a 0,2 mL min
-1
. O HCN separado através da membrana foi captado pela
solução aceptora constituída por 0,2 mol L
-1
NaOH com uma vazão de 0,2 mL min
-1
.
Aliquotas de 5 mL desta solução foram separadas para a determinação de cianeto.
Amostras de águas naturais foram coletadas em rios das cercanias da cidade
de São Paulo. Estas amostras foram filtradas utilizando membranas de acetato de
celulose de 0,45 µm e preservadas a -4
O
C, sendo estabilizadas a temperatura
ambiente imediatamente antes da análise. O procedimento espectrofotométrico em
batelada foi empregado como referência
110
.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 75 IQ-USP
3.3.4. Especiação redox de cromo
Dois procedimentos foram investigados para a especiação redox de cromo,
com módulos de analises baseados em componentes descritos. A válvula V
1
foi
utilizada na substituição da amostra ou das outras soluções, evitando que estas
atravessassem todo o percurso analítico, em especial a cela de longo caminho
óptico, economizando tempo e minimizando a probabilidade de contaminação.
Considerando a freqüência de operação (5 Hz) e o volume nominal das micro-
bombas (8 µL), a vazão de cada solução foi 2400 µL min
-1
. A amostragem foi
baseada em zonas coalescentes.
3.3.4.1. Estudos com quimiluminescência e espectrofotometria em guia
de ondas.
O sistema de análises em fluxo foi desenvolvido utilizando, cinco micro-
bombas e uma válvula solenóide de três vias, que podiam ser operados
independentemente por controle do software desenvolvido. O diagrama de fluxos do
sistema é apresentado na Figura 25. O sistema pode ser utilizado para a
determinação de Cr(VI) e Cr(III) de forma independentemente, sendo que o cromo
total resultaria da adição de ambos os valores. A detecção pode ser realizada
utilizando um único sistema de detecção, com a fonte de radiação desligada para a
medida de quimiluminescência e ligada para a medida espectrofotométrica. A rotina
de acionamento utilizada para a determinação de Cr(VI) apresenta-se na tabela 3.
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 76 IQ-USP
Figura 25. Sistema de análises em fluxo para a especiação redox de cromo. P
1
-P
5
- micro-bombas
solenóides: A - amostra, C - solução transportadora, R
1
- difenilcarbazida, R
2
- EDTA +
tampão carbonato/bicarbonato, R
3
– reagente contendo luminol, peróxido de hidrogênio e
brometo, B
1
, B
2
- reatores de 50 e 2 cm, respectivamente, V
1
- válvula solenóide,
D - sistema de detecção, x, y - pontos de confluência, demais símbolos definidos na
legenda da Figura 16.
Para a determinação de Cr(VI), a rotina inicia-se com a formação da zona de
amostra gerada a partir da inserção alternada de alíquotas de amostra e reagente R
1
no percurso analítico, completando um ciclo de amostragem. Esta seqüência foi
repetida 20 vezes para formar a zona de amostra. A solução transportadora foi então
introduzida para movimentar a zona de amostra em direção à cela de medida.
Atravessando a bobina de reação B
1
ocorre a formação da espécie de interesse,
monitorada em 544 nm.
P
2
P
3
P
4
R
1
R
2
C
R
3
P
5
x
B
1
V
1
W
B
2
P
1
A
y
F
SP
M
USB
O
O
In
Out
G
D
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 77 IQ-USP
Tabela 3. Rotina de acionamento dos dispositivos para a especiação de cromo. Números 1 e 0
indicam que os dispositivos foram ligados ou desligados. Outros símbolos são definidos na Figura 25.
*
Pulsos intercalados
A rotina analítica para a determinação de Cr(III) se inicia com a inserção de
alíquotas de amostra no percurso analítico, juntamente com o reagente R
2
(EDTA -
tampão carbonato/bicarbonato). Esta operação foi repetida até preencher a Bobina
B
1
. Posteriormente, alíquotas do reagente R
3
(Luminol - peróxido de hidrogênio -
brometo) foram introduzidas no sistema no ponto de confluência y, completando um
ciclo de amostragem. Foram utilizados 50 ciclos de amostragem para formar a zona
de amostra. A solução transportadora foi então introduzida para conduzir a zona de
amostra em direção à cela de medida. A quantidade de cromo total foi obtida pela
soma das concentrações de Cr(VI) e Cr(III).
Etapa
Descrição P
1
P
2
P
3
P
4
P
5
V
1
N
o
de
pulsos
Determinação de Cr(VI)
1
Inserção de amostra e reagente R
1
1/0
1/0
0 0 0 0 20
*
2 Medida do sinal e limpeza do
sistema
0 0 0 1/0
0 0 250
1/0
0 0 0 0 1 50 3 Substituição de amostra
0 0 0 1/0
0 1 20
Determinação de Cr(III)
1 Inserção de amostra e reagente R
2
1/0
0 1/0
0 0 0 20
2 Inserção de R
3
0 0 0 1/0
1/0
0 50
3 Medida do sinal e limpeza do
sistema
0 0 0 1/0
0 0 250
4
Substituição de amostra
1/0
0 0 0 0 1 50
0 0 0 1/0
0 1 20
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 78 IQ-USP
3.3.4.2. Estudos com espectrofotometria de longo caminho óptico e
etapa de oxidação em linha.
A partir dos estudos realizados anteriormente para a determinação de Cr(VI),
foi proposto um módulo de análises para possibilitar a oxidação em linha do Cr(III)
presente na amostra. Segundo apresentado na Figura 26, foram utilizadas quatro
micro-bombas e duas válvulas solenóides, que podiam ser operados
independentemente por controle do software desenvolvido.
Figura 26. Sistema de análises em fluxo por multicomutação para a especiação redox de cromo.
P
1
-P
4
- micro-bombas solenóides, V
1
,V
2
- válvulas solenóides, A - amostra, R
1
- peróxido
de hidrogênio em meio alcalino, R
2
-difenilcarbazida, C - solução transportadora,
B
1
, B
2
bobinas de reação de 30 e 50 cm, D - sistema de detecção (cela de 1 ou de 100
cm), X-ponto de confluência, W – recipiente de descarte.
A rotina de acionamento utilizada para a especiação redox de cromo é
apresentada na tabela 4. A determinação de Cr(VI), no sistema da Figura 26, inicia-
se com a inserção de uma alíquota de amostra no percurso analítico, sendo possível
P
1
P
2
P
3
A
C
R
1
R
2
P
4
X
B
1
V
1
W
B
2
V
2
D
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 79 IQ-USP
preencher toda a bobina B
1
ou conduzir uma alíquota até o encontro com o reagente
em V
2
, utilizando a solução transportadora. Posteriormente, alíquotas de reagente R
2
e amostra se misturam, utilizando a solução transportadora para movimentar a zona
de amostra, completando um ciclo de amostragem que é repetido 20 vezes. A
solução transportadora foi então introduzida para movimentar a zona de amostra em
direção à cela de medida. Ao atravessar a bobina de reação B
2
,
ocorre a formação
da espécie de interesse, monitorada em 544 nm. Uma quantidade maior de solução
transportadora foi introduzida para a limpeza do percurso analítico, preparando o
sistema para uma nova determinação, sendo 250 pulsos utilizados no total.
Tabela 4. Rotina de ativação dos dispositivos para a especiação redox de cromo. Números 1 e 0
indicam que os dispositivos foram ligados ou desligados. Símbolos são definidos na Figura 26.
Etapa
Descrição P
1
P
2
P
3
P
4
V N
o
de pulsos
Determinação de Cr(VI)
1
Inserção de amostra
1/0
0 0 0 0 20
2 Inserção de R
2
0 1/0
0 1/0
0 20
3 Medida do sinal e limpeza do
sistema
0 0 0 1/0
0 250
1/0
0 0 0 1 50 4 Substituição de amostra
0 1/0
0 0 1 20
Determinação de Cromo total
1 Inserção de amostra e R
1
1/0
0 1/0
0 0 10
2 Inserção de R
2
0 1/0
0 1/0
0 20
3 Medida do sinal e limpeza do
sistema
0 0 0 1/0
0 250
4
Substituição de amostra
1/0
0 0 0 1 50
0 1/0
0 0 1 20
Parte experimental IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 80 IQ-USP
A rotina analítica para a determinação de cromo total inicia-se com a inserção
de alíquotas de amostra no percurso analítico, juntamente com alíquotas de
reagente R
1
(H
2
O
2
em meio alcalino). Esta operação foi repetida até preencher toda
a bobina B
1
. Posteriormente, alíquotas do reagente R
2
foram introduzidas no sistema
em V
2
, sendo intercaladas na zona de amostra, completando um ciclo de
amostragem. Foram utilizados 20 ciclos para formar a zona de amostra, conduzida
em direção à cela de fluxo.
Foram construídas curvas analíticas, nas duas condições descritas
anteriormente, para a determinação de Cr(VI) e cromo total, sendo a concentração
de Cr(III) obtida pela diferença.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 81 IQ-USP
"Falaram-me e esqueci, observei e entendi, eu fiz e aprendi"
Confúcio
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 82 IQ-USP
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Avaliação da cela de longo caminho óptico para medidas em fluxo
Na presente tese de doutorado, foi criticamente avaliado o desempenho da
cela de longo caminho óptico em sistemas de análises em fluxo sob diferentes
condições operacionais, assim como possíveis aplicações da cela com guia de
ondas para o desenvolvimento de procedimentos analíticos.
4.1.1. Ganho de sensibilidade
Para avaliar se as discrepâncias observadas com relação à lei de Beer
57
tinham alguma relação com a potência da lâmpada utilizada como descrito em
trabalhos anteriores
58,59
, foram comparadas curvas de calibração obtidas reduzindo
a potencia do feixe luminoso em aproximadamente 50% pela modificação da
espessura do atenuador (1,5 e 4 mm). Os resultados são apresentados na tabela 5.
Tabela 5. Parâmetros de regressão linear de curvas analíticas obtidas para soluções de
permanganato de potássio em diferentes intensidades do feixe de radiação.
Intensidade 100% Intensidade 50%
Inclinação (8,82±0,28) x 10
4
(8,86±0,27) x 10
4
Intercepto -0,009±0,013 -0,005±0,013
Os resultados encontram-se em concordância (diferença de 0,5% com a
redução de 50% no potência do feixe de radiação) em contraposição com os
resultados previamente obtidos com celas tipo I
58
.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 83 IQ-USP
Medidas com soluções coloridas (permanganato de potássio) ou envolvendo
reação química (determinação de Cr(VI) com DFC) e estimativas dos coeficientes de
dispersão foram usadas para avaliar o incremento de sensibilidade quando foi usada
a cela de longo caminho óptico (tipo II). O incremento na sensibilidade foi estimado
pela razão dos coeficientes angulares das curvas analíticas obtidas com celas de
fluxo de 1 cm e 100 cm. Para medidas com permanganato de potássio, a
sensibilidade foi 100,2 vezes maior com a cela de longo caminho óptico, com a
curva analítica descrita pela equação:
A = (0,002±0,001) + (8,170±0,060)x10
-5
C (gL
-1
), r = 0,999.
Resultados obtidos para o sistema Cr(VI)-DFC são mostrados nas Figura 27 e
28. A curva analítica obtida com a cela de fluxo de 100 cm pode ser descrita pela
equação: A = (0,0370 ± 0,0060) + (0,0058 ± 0,0001) C (g L
-1
), r = 0,999, sendo que
a sensibilidade foi 80 vezes maior com a cela de 100 cm.
0 500 1000
1000 500 0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1000
100
80
60
40
20
10
tempo(s)
0
b
10000
8000
6000
4000
2000
0
Absorbância
a
Figura 27. Registros dos sinais transientes para celas de fluxo com (a) 1 cm e (b) 100 cm de
caminho óptico, para soluções de Cr (VI). Os números indicam concentrações em g L
-1
.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 84 IQ-USP
0 2000 4000 6000 8000 10000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 20 40 60 80 100
Absorbância
Concentração (g L
-1
)
a
b
Figura 28. Curvas analíticas para soluções de Cr(VI) em celas de fluxo com (a) 1 cm e (b) 100 cm
de caminho óptico.
Os resultados estão em concordância com os valores teóricos previstos pela
lei de Beer para as soluções de permanganato e são similares aos observados com
a cela tipo I
58,59
para o sistema com reação química. Os coeficientes de dispersão
18
foram estimados em 2,7 com a cela de 100 cm e 2,1 com a cela de fluxo
convencional de 1 cm, para um volume de amostra de 150 L. Segundo estes
resultados, as discrepâncias entre os valores de sensibilidade teórico e experimental
estão relacionadas com as diferenças na dispersão da amostra nas duas celas. Para
melhor avaliação deste aspecto, o coeficiente de dispersão foi estimado em função
do volume de amostra, sendo os resultados apresentados na Figura 29.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 85 IQ-USP
1
2
3
4
5
6
7
8
0 200 400 600 800 1000
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
Coeficiente de dispersão
a
b
b'
a'
Absorbância
Volume de amostra (L)
Figure 29. Valores de absorbância e coeficientes de dispersão estimados para celas de fluxo de 1
cm (a, a’) e 100 cm (b, b’) de caminho óptico em função do volume de amostra. Sistema
de injeção em fluxo com confluência (Fig. 22a). Soluções 60 e 0,6 mg L
-1
de KMnO
4
,
reator de 20 cm.
Os valores de absorbância das soluções de 0,6 e 60 mg L
-1
obtidos com as
celas de 1 e 100 cm se aproximam em uma situação de mínima dispersão da
amostra. Entretanto, para pequenos volumes de amostra, os coeficientes de
dispersão e os valores de absorbância são significativamente discrepantes em vista
da maior dispersão na cela de longo caminho óptico, que apresenta geometria
tubular e volume de 250 L.
Nos resultados anteriormente apresentados, não há efeito significativo de
absorção de radiação pela solução branco. Nos casos em que o sinal do branco
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 86 IQ-USP
analíticos é significativo, o emprego da cela de longo caminho óptico deve ser
criticamente avaliado, pois o incremento destes valores pode ser proporcional ao
incremento do caminho óptico. Esta dificuldade pode ser mais critica em sistemas de
fluxo baseados na adição intermitente de reagentes, como nos sistemas com
multicomutação. Por exemplo, a magnitude do branco analítico foi incrementada
para ca. 0,3 no procedimento em fluxo por multicomutação para a determinação de
fenóis totais
58
, limitando a concentração dos reagentes que poderiam ser
empregados. Esta restrição pode afetar a faixa de resposta linear e a sensibilidade.
Em outra aplicação, o incremento de sensibilidade na determinação de alumínio com
violeta de pirocatecol foi 30 vezes menor que o esperado considerando o aumento
do caminho óptico, devido à restrição da concentração do reagente, que absorve
significativamente no comprimento de onda de medida
51
. O uso de reagentes
imobilizados pode ser uma alternativa para contornar este problema
59
. No entanto, a
situação é muito diferente quando o sinal do branco deve-se às diferenças de índice
de refração na zona de amostra, como discutido no próximo item.
4.1.2. Avaliação do efeito Schlieren
Soluções concentradas de substâncias que não absorvem radiação
eletromagnética na região visível foram empregadas para gerar perturbações por
efeito Schlieren
152
. Típicos sinais distorcidos foram observados devido às diferenças
de composição entre a solução transportadora e a amostra, em ambas as celas,
segundo pode ser observado na Figura 30.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 87 IQ-USP
0 100 200 300 400 500
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
citrato de
sódio
tartarato de
sódio
tempo (s)
700 nm
etanol
citrato de
sódio
tartarato de
sódio
NaCl
etanol
NaCl
A
0 100 200 300 400 500
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Sinal
tempo (s)
617 nm
B
0 200 400 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 200 400 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
tartarato de
sódio
citrato de
sódio
tempo (s)
700 nm
D
etanol
citrato de
sódio
tartarato de
sódio
NaCl
Sinal
tempo(s)
617 nm
C
etanol
NaCl
Figura 30. Registros de perturbações por efeito Schlieren em celas de 100 cm (A e B) e de 1 cm (C
e D). Sistema FIA em linha única, volume de amostra-250 µL, vazão do transportador-
2,5mL min
-1
, reator de 20 cm, concentração de todas as soluções 1,5 mol L
-1
.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 88 IQ-USP
O perfil e a intensidade dos sinais foram afetados quando a cela de longo
caminho óptico foi utilizada. Mudanças no perfil foram evidenciadas nos
experimentos com etanol: enquanto a perturbação observada com a cela de longo
caminho óptico foi típica da presença de lentes na zona de amostra, que focalizam a
radiação para o sistema de detecção, o efeito da presença de espelhos foi
observado para a cela de 1 cm
152
. A magnitude da perturbação foi ca. 40% maior
para a cela de longo caminho óptico, bastante inferior ao esperado considerando o
incremento de 100 vezes no caminho óptico. Isto foi causado pela eficiência no
transporte da radiação no interior do guia de ondas pelo processo de reflexão total.
Adicionalmente, como foi mostrado anteriormente, existe uma diferença significativa
no coeficiente de dispersão entre as duas celas, o que também contribui para a
mudança nos perfis dos sinais transientes. No guia de ondas, a atenuação do feixe
de radiação por diferenças de índice de refração acontece somente quando o ângulo
crítico é ultrapassado. Um efeito que deve ser por tanto considerado é a alteração
da abertura numérica do cone de aceitação do guia de ondas, pela mudança do
índice de refração do núcleo liquido, podendo provocar diminuição do sinal por
perdas de radiação
51
. Segundo os resultados obtidos, quando a sensibilidade não é
um aspecto crítico, o processamento de amostras diluídas em celas de longo
caminho óptico, pode ser um alternativa interessante para minimizar o efeito
Schlieren para amostras com alta concentração de espécies concomitantes, como
águas marinhas ou extratos de solo.
Compatibilizar a composição da solução transportadora com a amostra
(matriz) é a alternativa mais simples para evitar perturbações por efeito Schlieren,
mas esta estratégia é difícil de implementar quando as amostras contém
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 89 IQ-USP
concentração alta e variável de solutos inertes
153
. Algumas estratégias foram por
tanto avaliadas para minimizar o efeito Schlieren. A melhora nas condições de
mistura pode contribuir para diminuir as variações no índice de refração entre os
elementos de fluido na zona de amostra
154
, mas esta alternativa é limitada pelo
incremento na dispersão da amostra. Esta estratégia foi avaliada para várias
soluções, sendo os resultados são apresentados na Figura 31. Substituindo o reator
de 20 cm por outro de 500 cm, foi observada uma pequena mudança na intensidade
dos sinais espúrios, não sendo esta estratégia satisfatória para eliminar a
perturbação. Estes resultados estão de acordo com o observado anteriormente,
quando os componentes do efeito Schlieren foram avaliados com celas de fluxo
convencionais
154
.
600 800 1000 12000 200 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
citrato de
sódio
b
NaCl
etanol
tartarato de
sódio
tartarato de
sódio
tempo(s)
Sinal
tempo(s)
a
etanol
citrato de
sódio
NaCl
Figura 31. Registros mostrando perturbações por efeito Schlieren com cela LWC, para reatores de
20 cm (a) e 500 cm (a), outras condições como na Figura 30.
Um experimento envolvendo parada de fluxo mostrou que a perturbação
tende a diminuir quando o fluxo é interrompido, porém, após reiniciar o fluxo, o efeito
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 90 IQ-USP
reaparece. Nos resultados mostrados na Figura 32, foi implementado um ciclo de
10 s com a bomba peristáltica ativa, seguido por um período de parada de 60 s.
Uma diminuição da perturbação durante a parada de fluxo pode ser observada,
seguido por um aumento acentuado após reiniciar a propulsão. Esta abordagem
pode ser explorada para minimizar perturbações por efeito Schlieren, mas
prejudicando a freqüência de amostragem, o que deve ser considerado.
0 50 100 150 200 250
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Parada de fluxo
Reinício de fluxo
Parada de fluxo
Reinício de fluxo
Parada de fluxo
Injeção da
amostra
Sinal
tempo (s)
Sem parada de fluxo
Figura 32. Registros mostrando o efeito da parada de fluxo no efeito Schlieren, com cela de 100 cm,
volume de amostra-250 µL, vazão-2,5mL min
-1
, reator-500 cm, concentração de citrato de
sódio 1,5 mol L
-1
, comprimento de onda analítico 617 nm.
A espectrofotometria em dois comprimentos de onda é uma alternativa
interessante para a compensação do efeito Schlieren
150
. Ao avaliar esta estratégia
na cela LCW (Fig. 33), a magnitude da perturbação foi reduzida em pelo menos
96%, sem aumentar o tempo de medição ou modificar a configuração do sistema.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 91 IQ-USP
0 200 400
0 200 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 200 400
etanol
c
tartarato de
sódio
tartarato de sódio
citrato de
sódio
citrato de sódio
Sinal
etanol
citrato de sódio
tartarato de sódio
cloreto
de
sódio
a
cloreto
de
sódio
cloreto
de
sódio
tempo (s)
etanol
b
Figura 33. Registros mostrando a compensação do efeito Schlieren pela diferença de sinais em
diferentes comprimentos de onda: (a) 617 nm, (b) 700 nm e (c) diferença entre os sinais
obtidos em 617 e 700 nm. Outras condições como na Figura 30.
Tal como anteriormente observado
51
, esta estratégia foi também eficaz para
minimizar desvios da linha base, uma desvantagem que normalmente é mais crítica
para celas de longo caminho óptico. Um detector multicanal é necessário para
implementar esta abordagem e alternativas com custos relativamente baixos estão
disponíveis
49
. No entanto, para a compensação eficiente do efeito Schlieren a
magnitude da perturbação deve ser semelhante nos comprimentos de onda
selecionados. Este aspecto deve ser experimentalmente avaliado, pois o índice de
refração é dependente do comprimento de onda. A intensidade de emissão da fonte
de radiação e da resposta do detector no comprimento de onda de referência devem
ser comparáveis ao comprimento de onda analítico, a fim de evitar a deterioração da
razão sinal / ruído e, conseqüentemente do limite de detecção.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 92 IQ-USP
4.1.3. Outras aplicações da cela de longo caminho óptico
Para avaliar a viabilidade da implementação de procedimentos baseados no
espalhamento da radiação, como a turbidimetria, em celas de longo caminho
óptico
155
, diferentes volumes de uma suspensão de carbonato de cálcio foram
inseridos em um sistema FIA em linha única. Os resultados mostrados na Figura 34
indicam que o espalhamento por partículas sólidas em suspensão pode gerar sinais
analíticos adequados na cela de longo caminho óptico.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
20 L
125 L
Sinal analitico
tempo (s)
250 L
Figura 34. Sinais transientes obtidos para diferentes volumes de uma suspensão de CaCO
3
com a
LCW. Sistema FIA em linha única com vazão de 2,0 mL min
-1
e reator de 500cm.
A magnitude do sinal variou de acordo com a quantidade de sólidos em
suspensão na zona de amostra que, neste experimento, foi modificada pela
dispersão da amostra. No entanto, o sistema de análises em fluxo deve ser
cuidadosamente planejado para evitar a retenção de partículas sólidas na cela de
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 93 IQ-USP
longo caminho óptico. As alternativas mais promissoras são a adição intermitente de
reagentes e o emprego de soluções de limpeza. O fluxo pulsado, característico da
propulsão com micro-bombas solenóides, também foi eficiente para evitar elevações
de linha base em turbidimetria
156
.
A implementação de análise em fluxo monossegmentado
22
com cela de longo
caminho óptico foi avaliada com uma solução de permanganato de potássio de
600 g L
-1
inserida entre duas bolhas de ar (Fig 35).
0 600 1200 1800
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Absorbância
tempo(s)
a
b
c
Figure 35. Implementação de análise em fluxo monossegmentado em cela de longo caminho óptico.
a) volume de amostra 500 µL (entre 2 bolhas de ar de 25 µL), reator de 85 cm (1,5 mm
d.i.), vazão da solução transportadora 1,5 mL min
-1
. b) substituindo as bolhas de ar pela
solução transportadora. c) sinal em estado estacionário obtido preenchendo todo o sistema
com a solução colorida.
Os resultados obtidos com a cela de longo caminho óptico são semelhantes
aos obtidos em MSFA com células convencionais, com o sinal analítico entre as
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 94 IQ-USP
perturbações causadas pelas bolhas de ar. Na cela LCW, as bolhas causam
acentuado espalhamento de radiação, devido às alterações do índice de refração do
núcleo (índice de refração do ar <Teflon AF 2400). Assim, o volume da zona de
amostra dever ser maior que o volume da cela (> 250 µL para a cela de 100 cm
utilizada no presente trabalho). A principal característica do sistema MSFA é a
minimização da dispersão da amostra, que é relevante em medidas em fluxo com
celas de longo caminho óptico, porque amostras com baixas concentrações são
normalmente analisadas. O coeficiente de dispersão foi estimado em (1,00 ± 0,01)
no sistema MSFA em comparação a (1,67 ± 0,01) obtido no sistema FIA operando
em condições semelhantes. A estratégia do MSFA também pode ser explorada para
eliminar o efeito Schlieren, melhorando a homogeneização da amostra e ao mesmo
tempo minimizando a interação do monossegmento com o fluido transportador
157
.
Considerando as limitações de sensibilidade da espectrofotometria
convencional, uma cela de longo caminho óptico pode ser acoplada ao sistema em
fluxo visando obter melhores limites de detecção e sensibilidade ao aumentar o
caminho óptico. Características da análise em fluxo por multicomutação como a
grande versatilidade para implementar diversos processos de derivação química de
maneira altamente reprodutível, pequenas quantidades de amostras e reagentes
requeridas para a determinação e geração mínima de resíduos, podem ser
exploradas para o desenvolvimento de procedimentos analíticos. Adicionalmente, o
uso de micro-bombas solenóide como elementos discretos permite a miniaturização
do sistema desenvolvido, com um consumo reduzido de energia, possibilitando o
desenvolvimento de sistemas portáveis, para o monitoramento de parâmetros em
campo.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 95 IQ-USP
4.2. Determinação de paraquat
Na presente tese de doutorado, foi desenvolvido um sistema de análises em
fluxo com multicomutação com micro-bombas solenóides, para a determinação de
paraquat em águas, baseado na reação com ácido dehidroascórbico, reagente muito
mais estável que o ditionito de sódio
103
. Uma cela de fluxo de 10 cm de percurso
óptico foi utilizada para melhorar a sensibilidade e o limite de detecção.
O método é fundamentado na reação do herbicida com o produto formado na
reação de ácido ascórbico com iodato de potássio em meio básico. A espécie
formada nesta reação absorve fortemente em 600 nm sendo, provavelmente, o
mesmo radical livre formado na reação com ditionito de sódio. Isto pode ser
deduzido pelas bandas similares observadas nos espectros de absorção UV-vis
apresentados na Figura 36. No comprimento de onda de máxima absorção (600 nm)
foram monitorados os sinais do produto formado entre paraquat e ditionito de sódio,
ácido ascórbico e ácido dehidroascórbico (Figura 37).
Com ditionito de sódio como reagente, o radical se forma rapidamente,
resultando em valores de absorbância relativamente altos, mas este reagente é
muito instável, mesmo em meio básico e na ausência de oxigênio não pode ser
utilizado em períodos acima de 2 horas. O ácido ascórbico é mais estável que o
ditionito, mas o radical se forma mais lentamente na reação com paraquat. Com
ácido dehidroascórbico, a reação é ligeiramente mais lenta que com ácido ascórbico,
mas é mais efetivo na formação do radical resultando em sensibilidade maior. Este
reagente é bastante estável, podendo ser utilizado até no período de uma semana,
pelo que foi selecionado para estudos futuros
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 96 IQ-USP
Fig. 36. Espectros de absorção UV-Vis de paraquat (A) e dos produtos de reação com (B) ditionito de sódio, (C) ácido ascórbico e
(D) ácido
dehidroascórbico. Concentração dos reagentes: 15 mmol L
-1
, concentração de paraquat: 10 mg L
-1
.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 97 IQ-USP
0 4 8 12 16 20
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Absorbância
tempo (s)
a
b
c
Figure 37. Monitoramento cinético do produto formado na reação de paraquat com (a) ditionito de
sódio, (b) ácido dehidroascórbico e (c) ácido ascórbico. Condições como na figura 36.
Empregando o diagrama de fluxos da Figura 23, foram realizados os estudos
para otimização, do procedimento. A alta concentração de hidróxido de sódio no
reagente provocou perturbações pelo efeito Schlieren
150
, resultando em altos sinais
de branco (ca. A = 0,205). Medidas em dois comprimentos de onda, no máximo de
absorção do produto da reação (600 nm) e comprimento de onda de referência
(800 nm) foram efetivas para compensar a perturbação, reduzindo o sinal do branco
para (ca. A = 0,002).
As frações volumétricas de amostra e reagentes foi inicialmente modificada
adotando a estratégia de amostragem binária, mas sinais analiticos com muita
variabilidade foram observados. Em um experimento em batelada, foi verificado que
ao misturar os reagentes (hidróxido de sódio e ácido dehidroascórbico) com o
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 98 IQ-USP
paraquat, a cor azul característica do radical surgia rapidamente, desaparecendo
com agitação e sendo restabelecida com a solução em repouso. Esta observação
indica a presença de uma reação oscilante
158
, na qual o radical livre Pq
.
+
é formado
ao contato com ácido dehidroascórbico em meio básico. Com a agitação, volta a ser
formado o Pq
2+
, aparentemente devido ao contato com oxigênio e, em repouso, volta
a ser gerado o radical Pq
.
+
devido à presença de um grande excesso do ácido
dehidroascórbico remanescente na solução. Melhor repetibilidade dos sinais foi
observada introduzindo simultaneamente as alíquotas de amostra e reagentes por
zonas coalescentes, estratégia adotada na otimização do procedimento.
4.2.1. Otimização das concentrações dos reagentes
A primeira etapa no desenvolvimento do procedimento foi a otimização das
concentrações dos reagentes pelo método univariado, mantendo constantes os
volumes de amostra e reagentes. Foram utilizados 30 ciclos de amostragem para
formar a zona de amostra de 720 µL (30 pulsos de 8 µL de cada solução). Os
resultados obtidos são apresentados na Figura 38.
Pode-se observar que para obter o maior sinal analítico foi suficiente uma
concentração de ácido ascórbico de 15 mmol L
-1
. Para o KIO
3
, foi escolhido o valor
de 5 mmol L
-1
, dado que maior concentração aumenta o sinal em uma porcentagem
muito pequena; desta forma as concentrações estão de acordo com o previsto pela
estequiometria da reação, sendo o ácido ascórbico quantitativamente convertido em
ácido dehidroascórbico. O EDTA foi considerado adequado em 3 mmol L
-1
dado que
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 99 IQ-USP
menores concentrações poderiam não ser efetivas para eliminar interferências de
metais pesados, tipicamente presentes em águas naturais, e maiores valores
provocam uma leve diminuição do sinal.
0 10 20 30 40
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Absorbância
Concentração (mmol L
-1
)
a
b
c
Figura 38. Efeito das concentrações dos reagentes: (a) EDTA; (b) iodato de potássio, (c) ácido
ascórbico. Volume de amostra 240 L, volumes das alíquotas dos reagentes 240 L
(30 ciclos de amostragem), cela de fluxo de 1 cm. Concentração de paraquat = 10 mg L
-1
;
reator de 50 cm.
4.2.2. Efeito do número de ciclos de amostragem
Com a concentração de reagentes anteriormente otimizada, o número de
ciclos de amostragem foi variado. Os resultados são apresentados na Figura 39.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 100 IQ-USP
0 20 40 60 80
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Absorbância
Ciclos de amostragem
Figura 39. Efeito do número de ciclos de amostragem, comprimento do reator = 100 cm. Demais
condições descritas na Figura 38.
A partir de 30 ciclos de amostragem, a condição de mínima dispersão da zona
de amostra é alcançada. Considerando que o sinal analítico obtido com 20 ciclos é
muito próximo ao obtido com 30 ciclos visando maximizar o sinal analítico sem
comprometer a freqüência de amostragem e o consumo de reagentes o valor de 20
ciclos foi escolhido para estudos posteriores.
4.2.3. Efeito do tempo de residência
Sistemas de análises em fluxo com micro-bombas solenóides facilitam a
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 101 IQ-USP
implementação de parada de fluxo para o aumento do tempo de residência, visto
que esta é a situação usual quando os dispositivos não são acionados. Desta forma
esta estratégia foi adotada para avaliar o efeito do incremento do tempo de
residência sobre o sinal analítico (Fig. 40).
0 20 40 60 80
0,00
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
Absorbância
tempo (s)
Figura 40. Efeito da parada de fluxo sobre o sinal analítico. Condições descritas na Figura 38.
O sinal analítico aumenta com o tempo de residência, atingindo a condição de
estado estacionário após 10 s de parada de fluxo. Nestas condições, o sinal analítico
é ca. 290 % maior que o obtido sem parada de fluxo. A pequena variação de sinal
até 90 s indica uma estabilidade do produto formado nas condições de trabalho,
especialmente por se tratar de um sistema fechado. O sinal referente ao branco não
sofre variação significativa nas condições estudadas. Visando minimizar o efeito
sobre a freqüência de amostragem, o fluxo foi interrompido por 7s.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 102 IQ-USP
4.2.4. Características analíticas
Nas condições otimizadas e utilizando uma cela de fluxo de 10 cm de
caminho óptico foram construídas curvas analíticas similares à apresentada na
Figura 41.
0 1 2 3 4 5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 5 10 15 20
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Absorbância
Concentração (mg L
-1
)
0
0,5
0,8
1,0
2,0
4,0
Absorbância
tempo (min)
5,0
Figura 41. Sinais transientes e curva analítica para a determinação de paraquat com cela fluxo de 10
cm e parada de fluxo por 7 s. condições 15 mmol L
-1
ácido ascórbico, 5 mmol L
-1
KIO
3
e
3 mmol L
-1
de EDTA; 30 ciclos de amostragem; comprimento do reator = 10 cm. Os
números indicam as concentração de Pq
2+
em mg L
-1
.
Ao utilizar a cela de 10 cm o volume do sistema se incrementa em ca. 250 L,
pelo que o comprimento do reator foi diminuído para 10 cm com o que o volume é
praticamente o mesmo. Os resultados demonstram boa precisão e linearidade. As
variações de linha base não afetaram significativamente as alturas dos picos,
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 103 IQ-USP
aparentemente este fato tem a ver com a qualidade do espectrofotômetro de fila de
diodos. Curvas analíticas para a cela de 10 cm e 1cm foram obtidas para
comparação, conforme apresentado na figura 42.
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Absorbância
Concentração (mg L
-1
)
a
b
Figura 42. Curvas analíticas obtidas com celas de 1 cm (a) e 10 cm (b). Condições descritas na
Figura 41.
Para a cela de fluxo de 1 cm, resposta linear foi observada entre 0,2 e
5 mg L
-1
descrito pela equação: A=(-0,001±0,001)+(0,016±0,001) C, r = 0,999. O
limite de detecção foi estimado em 57 µg L
-1
ao nível de confiança de 99,7 %. A
freqüência de amostragem e o coeficiente de variação (n=10) foram estimados em
63 e 1,0%, respectivamente. Para a cela de 10 cm, resposta linear foi observada
entre 0,1- 5,0 mg L
-1
, descrita pela equação: A = (0,001±0,001) + (0,167±0,001)C,
r = 0,999. O limite de detecção foi estimado em 22 µg L
-1
(nível de confiança de 99,7
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 104 IQ-USP
%). A freqüência de amostragem e o coeficiente de variação (n = 10) foram
estimados em 63 determinações por hora e 1,0 %, respectivamente. A sensibilidade
obtida utilizando a cela de 10 cm foi 10,5 vezes maior que a observada com a cela
de 1 cm, com somente uma pequena variação entre curvas analíticas obtidas em
dias diferentes (< 4%), o que pode ser considerado desvio experimental aleatório.
Características analíticas do procedimento proposto e de outros existentes na
literatura são comparados na Tabela 6.
Tabela 6. Características analíticas de procedimentos para a determinação de paraquat.
Característica analítica
Sistema
proposto
FIA
103
Batelada
102
Freqüência de amostragem (h
-1
) 63 120 -
Limite de detecção (µg L
-1
) 22
a
20
b
1200
Faixa linear (mg L
-1
) 0,1 – 5,0 0,1 – 1,2 1,2 – 9,6
Coeficiente de variação (%) 1,0(10) 1,0(6) 3,8
Volume de efluente (mL/determinação) 2,6 1,0 10
Temperatura para a reação (ºC) 25
c
60 20 - 30
Consumo de reagente (mg/determinação)
d
0,64 0,75 5,0
a
Em concordância com as recomendações da IUPAC ao nível de confiança de 99,7%.
b
Segundo o critério: LD= 3(coeficiente linear)/(coeficiente angular) da curva analítica
c
O procedimento foi realizado a temperatura ambiente
d
Ácido ascórbico
O procedimento apresenta características analíticas comparáveis às obtidas
no procedimento FIA
103
, com ampliação da faixa de resposta linear e pequena
redução do consumo de reagentes. Adicionalmente aquecimento ou estrito controle
de temperatura não foram necessários, contrariamente ao apresentado em trabalhos
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 105 IQ-USP
anteriores
102,103
no quais é mencionada uma variação de 700% ao incrementar a
temperatura a 60º C. Isto provavelmente tem relação com as boas condições de
mistura do sistema de micro-bombas solenóides. Outra vantagem em relação aos
trabalhos anteriores é que o reagente empregado apresenta estabilidade bastante
superior, podendo ser empregado por até 1 semana sem causar alterações
significativas na resposta analítica.
O procedimento proposto consome 0,644 mg de ácido ascórbico, 0,24 mg de
iodato de potássio e 0,21 mg de EDTA por determinação, que é 7,6 vezes menor
para o ácido ascórbico e 23,8 vezes menor para o EDTA que o apresentado no
procedimento em batelada
102
. O volume de efluente gerado é 10vezes menor.
4.2.5. Efeito de espécies concomitantes
O efeito de concomitantes sobre a determinação de paraquat foi avaliado,
para uma concentração de paraquat em 1 mg L
-1
, na faixa de concentração de 10 a
500 mg L
-1
para as espécies concomitantes, considerando ausência de interferência
variações de sinal inferiores a 5 %. Os resultados se apresentam na tabela 7.
Resultado interessante foi observado para o glifosato, que interfere somente
quando presente em quantidade 200 vezes superior à de paraquat. Glifosato é muito
utilizado como herbicida, sendo esperado em amostras reais. Interferência
significativa foi causada por espécies de estrutura similar, como o diquat, de acordo
com trabalhos anteriores. No entanto, é possível eliminar esta interferência com um
tratamento prévio com NaOH
159
. Desta forma, a determinação de paraquat com
ácido dehidroascórbico apresenta poucas interferências.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 106 IQ-USP
Tabela 7. Efeito de espécies concomitantes na determinação de Paraquat
Espécie Concentração (mg L
-1
) Variação de sinal (%)
SO
4
2-
500 4,0
NO
3
-
500 -1,1
Ca
2+
305 -2,0
CO
3
2-
300 -7,4
Glifosato 200 4,0
Cd
2+
140 -1,7
Fe
3+
80 6,0
Mg
2+
80 4,0
4.2.6. Análise de amostras
O procedimento proposto foi aplicado à determinação de paraquat após
adição de 200 µg L
-1
em amostras de águas naturais, sendo os resultados
apresentados na Tabela 8.
Tabela 8. Determinação de paraquat em águas naturais.
Procedimento proposto Método de referência (HPLC)
Amostra
Concentração
(µg L
-1
)
R (%)
a
Concentração
(µg L
-1
)
R (%)
a
Rio Jucar 215
± 3 107
208
± 10 104
Rio Turia 204
± 1 102 150
± 13 75
Represa Turia
215
± 3 107 184
± 5 92
Água mineral
171
± 4 86 200
± 22 100
a
Recuperação do analito adicionado à amostra
Os resultados estão em concordância com os obtidos pelo procedimento de
referência HPLC
101
ao nível de confiança de 95%, de acordo com o teste t pareado
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 107 IQ-USP
(n=4), t
calculado
(0,77) < t
eórico
(3,18). Outras características destacáveis do
procedimento desenvolvido são a melhoria da precisão devido à mecanização
(coeficientes de variação inferiores a 2% enquanto no procedimento por HPLC os
coeficientes de variação são maiores que 8%) e redução do tempo de análise de 8
minutos no procedimento de HPLC para 1 minuto no procedimento proposto.
4.3. Determinação de cianeto dissociável em ácidos
Para a determinação de cianeto dissociável em ácidos, a proposta foi
desenvolver um procedimento em fluxo por multicomutação com válvulas solenóides
e detecção por fluorescência
118
. O fracionamento foi realizado utilizando separação
em cela de difusão gasosa.
O método se fundamenta
160
na reação do cianeto com o produto formado na
reação entre o-ftalaldeído e glicina segundo pode-se apreciar no seguinte esquema:
CHO
CHO
RNH
2
CH
CHO
NR
CN
NR
C
N
+
Quando a concentração de etanol no reagente OPA foi maior que 10%, foram
observadas bolhas no sistema, conseqüência da maior solubilidade de oxigênio em
metanol que em água. Este aspecto se tornou mais crítico pois as soluções foram
movimentadas por aspiração, com uma pressão inferior ao ambiente, diminuindo a
solubilidade dos gases. Para evitar este inconveniente, a quantidade de etanol na
solução foi reduzida para o valor mínimo de 2,5% (necesario para a solubilização do
o-ftalaldeído
glicina
1-ciano-2-alquil-isoindol intermediário
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 108 IQ-USP
reagente) e a vazão foi mantida em 1,5 mL min
-1
. Nesta vazão e com o tempo
mínimo de ativação das válvulas solenóides de 0,1 s, o menor valor de volume que
pode ser amostrado com precisão é 2,5 L. Uma solução de 20 g L
-1
CN
-
e
reagentes com concentração de 1 mmol L
-1
foram utilizados nos estudos iniciais. O
sinal do branco foi monitorado em todos os experimentos, não apresentando
variação significativa.
4.3.1. Otimização dos volumes de reagentes e amostra
A primeira etapa no desenvolvimento do procedimento foi a otimização das
proporções dos reagentes. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 43
1/9 2/8 3/7 4/6 5/5 6/4 7/3 8/2 9/1
0,00
0,10
0,20
0,30
Intensidade de fluorescência
Proporção R
1
/R
2
Figura 43. Efeito da proporção entre os reagentes sobre o sinal analítico. Volume de amostra =
12,5 L, volume da zona de amostra = 250 L, comprimento do reator 100 cm.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 109 IQ-USP
A estratégia adotada foi variar simultaneamente os volumes de ambos os
reagentes por amostragem binária, mantendo constante o volume da amostra (12,5
L) e volume total (250 L) com 8 ciclos de amostragem. O maior sinal analítico foi
observado para a proporção de reagentes OPA: glicina (2:3), sendo esta condição
fixada para estudos posteriores. A fração volumétrica da amostra foi variada na faixa
de 0,17 a 0,92. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 44.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00
0,10
0,20
0,30
Intensidade de fluorescência
Fração volumétrica da amostra
Figura 44. Efeito da fração volumétrica da amostra sobre o sinal analítico. Proporção OPA:glicina
(2:3); volume da zona de amostra = 300 L, comprimento do reator 100 cm.
O maior sinal analítico foi obtido para a fração volumétrica de 0,5 (volume de
amostra = 12,5 L, volume de R
1
=5 L e volume de R
2
= 7,5 L em cada ciclo de
amostragem). A diminuição de sinal com o volume de amostra, possivelmente está
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 110 IQ-USP
relacionada com a dificuldade de mistura entre os reagentes e a amostra por
dispersão, dado que os reagentes encontram-se em excesso (52 vezes no caso do
OPA e 78 vezes no caso da glicina) e o pH é mantido constante com a solução
tampão. O volume de amostra de 12,5 L foi então selecionado para estudos
posteriores.
4.3.2. Efeito do número de ciclos de amostragem
Com a proporção volumétrica de reagentes e amostra anteriormente
otimizada (R
1
:R
2
:A = 2:3:5), o número de ciclos de amostragem foi variado, sendo os
resultados apresentados na Figura 45.
0 5 10 15 20
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
Intensidade de fluorescência
Ciclos de amostragem
Figura 45. Efeito do aumento do número de ciclos de amostragem, com a proporção volumétrica
OPA:glicina:amostra = 2:3:5.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 111 IQ-USP
Com o aumento do volume da zona de amostra, observa-se um aumento
significativo no sinal analítico mas também no tempo de limpeza, prejudicando a
freqüência de amostragem. Utilizando 20 ciclos de amostragem, o volume da zona
de amostra é igual ao volume do reator (500 L), levando o sistema para a condição
de volume infinito. Este valor foi escolhido para estudos posteriores.
4.3.3. Efeito da retenção da zona de amostra
Foi avaliado o efeito do incremento do tempo de residência sobre o sinal
analítico, retendo a zona de amostra na bobina de reação (Fig. 46).
0 20 40 60 80 100
0,00
0,20
0,40
0,60
Intensidade de fluorescência
tempo (s)
Figura 46. Efeito da retenção da zona de amostra no sinal analítico. Condições como na Figura 45.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 112 IQ-USP
Ao aumentar o tempo de residência, é observado um máximo de sinal em
aproximadamente 60 s, com valor 195 % maior que o observado sem retenção da
zona de amostra. A reação entre OPA e glicina é rápida, mas a formação da espécie
fluorescente com o cianeto é lenta
118
. Não foi necessária a pré-mistura dos
reagentes e um reator de 100 cm foi suficiente para o desenvolvimento da reação.
Em contraposição, em trabalhos anteriores
118,125
é mencionada a necessidade da
mistura prévia dos reagentes e de reatores de 200 a 500 cm para o desenvolvimento
da reação. O tempo requerido para a reação (60 s) foi também significativamente
menor ao previamente reportado (300 s)
118
. A diminuição no sinal após os 60
segundos pode ser devida à dispersão do produto formado que, embora seja
minimizada pela retenção da zona de amostra pode ocorrer em extensão
significativa para intervalos de tempo longos. Os coeficientes de dispersão foram
estimados experimentalmente em 3,9 e 2,2 para o sistema FIA e para o sistema por
multicomutação, respectivamente. O sinal de branco analítico não sofre variação
significativa nas condições estudadas. Para a determinação de baixas
concentrações de CN
-
, a retenção da zona de amostra é uma alternativa
interessante, apesar da apreciável diminuição na freqüência de amostragem.
4.3.4. Características analíticas
Nas condições otimizadas, foram obtidas curvas analíticas com e sem
retenção da zona de amostra, sendo os registros apresentados nas Figuras 47 e 48
e as curvas analíticas na Figura 49.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 113 IQ-USP
0 20 40 60
0,0
0,2
0,4
0,6
8
20
10
5
2
Intensidade de fluorescência
tempo (min)
0
1
Figura 47. Sinais transientes para a determinação de cianeto com retenção da zona de amostra (60
s), comprimento do reator 100 cm, proporção R
1
/R
2
/A (2:3:5), 20 ciclos de amostragem,
solução transportadora água, comprimentos de onda de excitação 330nm e de emissão
380nm. Os números indicam concentrações de CN
-
em g L
-1
.
0 10 20 30 40 50
0,0
0,2
0,4
0,6
Intesidade de fluorescência
tempo (min)
0
1
2
5
8
10
20
Figura 48. Sinais transientes para a determinação de cianeto sem retenção da zona de amostra,
condições como na Figura 47. Os números indicam concentrações de CN
-
em g L
-1
.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 114 IQ-USP
0 5 10 15 20
0,0
0,2
0,4
0,6
Intensidade de fluorescência
Concentração (g L
-1
)
a
b
Figura 49. Curvas analíticas com (a) e sem (b) retenção da zona de amostra. Condições descritas na
Figura 47.
Os registros demonstram boa estabilidade da linha base e repetibilidade dos
sinais. Com a retenção da zona de amostra (60 s), a faixa de resposta linear se
encontra entre 1 e 200 g L
-1
, sendo descrita pela equação:
I =(0,041±0,010)+(0,031±0,001)C, com coeficiente de correlação de 0,999, onde I
corresponde à intensidade de fluorescência em unidades arbitrárias e C representa
a concentração de cianeto em microgramas por litro. O limite de detecção foi
estimado em 0,5 g L
-1
(19 nmol L
-1
) ao nível de confiança de 99,7%. O coeficiente
de variação e a freqüência de amostragem foram estimados em 1,4% para o nível
de concentração 5 g L
-1
(n = 10) e 22 medidas por hora, respectivamente.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 115 IQ-USP
Sem a retenção da zona de amostra, resposta linear foi também observada
entre 1 e 200 g L
-1
, sendo descrita pela equação: I=(0,036±0,005)+(0,016±0,001)C,
com coeficiente de correlação de 0,997. O limite de detecção foi estimado em
1,0 g L
-1
, ao nível de confiança de 99,7%. O coeficiente de variação e a freqüência
de amostragem foram estimados em 3,5% para o nível de concentração 5 g L
-1
(n =
10) e 37 determinações por hora, respectivamente. A sensibilidade utilizando a
retenção da zona de amostra foi ca. 2 vezes maior que a obtida sem explorar esta
estratégia, o que justifica a diminuição de freqüência de amostragem para a análise
de amostras em baixas concentrações.
Na Tabela 9, características analíticas de procedimentos para a determinação
de cianeto são comparadas.
Tabela 9. Características analíticas de procedimentos para a determinação de cianeto
Características analíticas
Procedimento
proposto
FIA
118
FIA
125
Procedimento
em
batelada
110
Freqüência de amostragem (h
-1
) 22 12 10 –
Limite de detecção (µg L
-1
) 0,5 0,25 0,5 20
Faixa linear (µg L
-1
) 1 – 200 1– 200 1– 200
20-200
Coeficiente de variação (%), n=10
1,4
a
1,1
b
2,2
c
–
o-ftalaldeído (µg/determinação)
5,6
1300 1300 –
glicina (µg/determinação)
6,7
751 751 –
Volume de efluente (mL/determinação)
0,98 7,5 11,9 100
a
10 µg L
-1
CN
-
,
b
10,5 µg L
-1
CN
-
,
c
50 µgL
-1
CN
-
O consumo de amostra foi de 250 L por determinação. O consumo dos
reagentes foi estimado com base no volume utilizado nas determinações (150 L
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 116 IQ-USP
para glicina e 100 L para o o-ftalaldeído) e na concentração de cada um dos
reagentes, resultando em 5,6 g para OPA e 6,7 g para glicina por determinação. O
consumo de reagentes foi, portanto, até 230 vezes menor que o observado no
sistema em fluxo com adição contínua de reagentes
118
. O efluente gerado no
procedimento proposto foi pelo menos 8 vezes menor que nos procedimentos com
adição de reagentes por confluência e 100 vezes menor que no procedimento de
referência, que utiliza a reação de Koning
110
.
Considerando o alto custo do reagente OPA, foi avaliado o tempo de
estabilidade das soluções. Foram preparadas soluções dos reagentes em diferentes
dias, avaliando-se o sinal analítico obtido para 20 g L
-1
de cianeto (Fig 50.)
1 dias 6 dias 9 dias
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Intensidade de fluorescência
Tempo de preparo da solução
a
b
Figura 50. Estudo da estabilidade da solução de OPA com (a) e sem (b) retenção da zona de
amostra. Condições descritas na Figura 48.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 117 IQ-USP
Tanto com retenção, como sem retenção da zona de amostra, as variações
de intensidade de fluorescência foram pouco significativas para as medidas
efetuadas até 9 dias após preparo da solução, indicando a estabilidade do reagente.
Os sinais analíticos e do branco diminuíram com o tempo de armazenagem da
solução (em geladeira a -4
O
C), de forma que a resposta líquida, obtida ao subtrair
estes valores, apresentou pequena variação.
4.3.5. Aplicação
O procedimento desenvolvido foi aplicado à determinação de cianeto
dissociável em ácidos em águas naturais, após a etapa de difusão gasosa. Os
resultados (média e desvio padrão para 3 medidas), apresentados na Tabela 10,
foram concordantes com os obtidos pelo procedimento de referência
110
a nível de
confiança de 95%.
Tabela 10. Determinação de cianeto dissociável em ácidos em amostra de águas naturais.
Cianeto (g L
-1
)
*
Amostra Procedimento proposto Procedimento em batelada
110
1 40,3 ± 1,1 35,8 ± 1,8
2 74,0 ± 3,7 70,3 ± 1,1
3 32,5 ± 3,7 33,5 ± 2,1
4 38,6 ± 1,3 36,3 ± 1,8
5 44,4 ± 10,3 38,8 ± 1,1
*
média e desvio padrão para 3 medidas
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 118 IQ-USP
A etapa de separação prévia por difusão gasosa é imprescindível por 2
motivos: para que a fração determinada seja equivalente ao cianeto dissociável em
ácidos e para eliminar os efeitos de matriz
125
. A maior interferência relatada na
determinação de cianeto é causada por H
2
S, sendo observada somente em
concentrações elevadas, ao redor de 1 mg L
-1
, concentração não esperada em
amostras naturais
118
. Neste trabalho, a etapa de difusão gasosa não foi otimizada,
sendo as condições de operação obtidas de trabalhos anteriores
125,151
.
4.4. Especiação redox de cromo
Na presente tese de doutorado, sistemas em fluxo utilizando
multicommutação com micro-bombas solenóides foram propostos seguindo duas
rotas para o desenvolvimento de procedimentos para especiação redox de cromo.
No primeiro caso, o Cr(VI) foi determinado por espectrofotometria com o reagente
difenilcarbazida (amplamente empregado em métodos de referência
140
) e o Cr(III)
por quimiluminescência, explorando o efeito catalítico sobre a oxidação de luminol
por peróxido de hidrogênio. No segundo caso, foi utilizada a espectrofotometria com
o reagente difenilcabazida para determinação de Cr(VI) e de cromo total, após etapa
de oxidação em linha, sendo a concentração de Cr(III) obtida por diferença. A cela
de fluxo constituída pelo guia de ondas foi empregada nas medidas
espectrofotométricas e por quimiluminescência
Os primeiros estudos foram realizados utilizando o reagente difenilcarbazida
em meio aquoso, solução transportadora ácida e cela de fluxo de 1 cm. Segundo os
espectros de absorção do produto formado e do reagente, o sinal do branco deveria
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 119 IQ-USP
ser pequeno. Contrariamente, foi observado um valor relativamente alto
(ca. A = 0,050) que dificultaria o uso da cela de longo caminho óptico. O efeito
Schlieren foi considerado o maior componente do sinal do branco, o que foi
confirmado por medidas simultâneas em 2 comprimentos de onda. A
compatibilização da concentração ácida dos reagentes e do transportador seria
inviável, dado que tanto na determinação por quimiluminescência, como por
oxidação química, existem etapas realizadas em meio alcalino, sendo a reação com
difenilcarbazida conduzida em meio ácido. A estratégia de compensação do efeito
Schlieren pela diferença dos sinais medidos em dois comprimentos de onda não
requer modificação do módulo de análises e foi efetiva de acordo com os resultados
descritos anteriormente (item 4.1.2). Esta estratégia foi, portanto, adotada nos
experimentos posteriores. Os comprimentos de onda de 540nm e 700nm foram
selecionados como analítico e de referência, respectivamente, considerando o
espectro de absorção e as intensidades da fonte de radiação.
4.4.1. Estudos por quimiluminescência e espectrofotometria em guias de
onda
4.4.1.1. Determinação espectrofotométrica de Cr(VI)
4.4.1.1.1. Estudo da proporção entre amostra e reagente
Nesta primeira etapa, utilizando o sistema de análises em fluxo apresentado
na figura 25 foi fixado o número de pulsos totais em 40 (valor aproximadamente
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 120 IQ-USP
equivalente ao volume total do reator utilizado) e foi modificada a proporção entre
amostra e reagente, utilizando a estratégia da amostragem binária e cela de 1 cm.
Os resultados são apresentados na Figura 51 em função da fração volumétrica da
amostra.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Absorbância
Fração volumétrica da amostra
Figura 51. Efeito da fração volumétrica de amostra. Volume da zona de amostra = 320 µL, 5 mmol L
-1
difenilcarbazida, 2 mg L
-1
de Cr(VI), comprimento do reator = 70 cm, solução
transportadora = 0,25mol L
-1
H
2
SO
4
.
O sinal analítico alcança um máximo quando amostra e reagente se
encontram na mesma proporção volumétrica, sendo que o sinal do branco não varia
significativamente para as diferentes proporções avaliadas. Nestas condições, a
difenilcarbazida encontra-se em excesso de 143 vezes em relação ao Cr(VI)
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 121 IQ-USP
4.4.1.1.2. Efeito da acidez da solução transportadora
Foi avaliada a possibilidade de utilizar água em substituição à solução ácida
como transportador, adicionando 0,25mol L
-1
H
2
SO
4
na solução reagente. Os
resultados são apresentados na Figura 52.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Absorbância
Concentração de H
2
SO
4
(mol L
-1
)
Figura 52. Influência da concentração de ácido na solução transportadora. Solução reagente
contendo 0,25 mol L
-1
H
2
SO
4
. Outras condições definidas na Figura 51.
A presença de ácido na solução transportadora provoca um aumento de até
ca. 30% no sinal analítico, devido à compensação da diminuição de acidez perdida
por dispersão. Desta forma, optou-se por utilizar água como transportador e avaliar o
efeito da concentração de H
2
SO
4
no reagente.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 122 IQ-USP
4.4.1.1.3. Efeito da concentração de ácido no reagente
Procurando estabelecer a melhor concentração de ácido na solução reagente,
foi realizado o estudo que se apresenta na Figura 50.
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Absorbância
Concentração de H
2
SO
4
(mol L
-1
)
a
b
Figura 53. Efeito da concentração de ácido no reagente. Sinais (a) do produto formado, (b) do branco
analítico. Proporção amostra/reagente 1:1, 20 ciclos de amostragem, transportador = água.
Ao aumentar a concentração de H
2
SO
4
no reagente, o sinal analítico alcança
um máximo em 0,75 mol L
-1
. Simultaneamente observa-se um pequeno aumento do
sinal de branco provavelmente devido ao efeito Schlieren. Considerando o pequeno
ganho de sinal acima de 0,5 mol L
-1
, foi escolhido este valor para as próximas etapas
de desenvolvimento do procedimento, visando minimizar o consumo e o sinal do
branco.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 123 IQ-USP
4.4.1.1.4. Variação do número de ciclos de amostragem.
Na proporção de 1:1 para amostra e reagente, foi avaliado o efeito do número
de ciclos de amostragem sobre sinal analítico. Os resultados são apresentados na
Figura 54.
0 5 10 15 20
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
(1:1)20 (2:2)10 (4:4)5 (5:5)4 (10:10)2 (20:20)1
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Absorbância
Ciclos de amostragem
a
Absorbância
Proporção (amostra:reagente) x número de ciclos
b
Figura 54. (a) Variação do número de ciclos de amostragem. (b) Figura inserida mostrando o efeito
do volume das alíquotas no sinal analítico, concentração de ácido no reagente 0,5 mol L
-1
,
proporção amostra/reagente 1:1. Demais condições como na Figura 53
O sinal analítico aumenta em virtude da diminuição da dispersão,
conseqüência do aumento da fração do percurso analítico ocupada pela zona de
amostra, sendo que de 10 para 20 ciclos de amostragem a variação é de 5%.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 124 IQ-USP
Entretanto, quando maior o número de pulsos, maior o volume necessário para a
limpeza do sistema e maior o tempo consumido nesta etapa. Este fator é mais critico
com a cela de longo caminho óptico. Para o desenvolvimento da metodologia, foram
utilizados 20 ciclos de amostragem visando obter a maior sensibilidade possível.
Adicionalmente, foi avaliada a eficiência de mistura para alíquotas de
diferentes volumes. Mantendo o número de pulsos totais constante em 40 e a
proporção amostra/reagente 1:1, foram variados simultaneamente o número de
pulsos do reagente e o número de ciclos de amostragem. Os resultados mostrados
na Figura 52b foram concordantes com o esperado, sendo melhores condições de
mistura obtidas quando pequenas alíquotas de amostra e reagentes foram
intercaladas. Quando a zona de amostra foi constituída por 20 pulsos de amostra e
de reagentes, utilizando um único ciclo de amostragem, o sinal analítico foi 40%
menor. O sinal do branco não sofreu variação significativa nas condições estudadas.
4.4.1.1.5. Efeito do aumento do tempo de residência
O efeito do incremento do tempo de residência sobre o sinal analítico foi
avaliado nas condições otimizadas previamente, empregando a parada de fluxo com
a zona de amostra no reator. Os resultados são apresentados na Figura 55. Ao
aumentar o tempo de residência, o sinal analítico diminuiu levemente,
provavelmente devido à dispersão do produto por difusão, visto que o efeito de
convecção é eliminado nesta etapa. Isto está de acordo com o observado no item
4.3.3 .
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 125 IQ-USP
0 10 20 30
0,3
0,4
0,5
0,6
Absorbância
tempo (s)
Figura 55. Efeito do tempo de residência sobre o sinal analítico. Condições definidas na Figura 53.
Pode também ocorrer a degradação do produto com aumento de tempo de
residência, embora não se tenha referência relatando esta possibilidade. Desta
forma, a estratégia de parada de fluxo não foi aplicada nas seguintes etapas.
4.4.1.1.6. Avaliação do ganho de sensibilidade ao introduzir a cela de
longo caminho óptico.
Nas condições analíticas otimizadas, utilizando o módulo de análises
apresentado na Figura 25, foram obtidos sinais transientes para diferentes
concentrações de analito, empregando celas de fluxo de 1 e 100 cm de caminho
óptico (Figura 56). As correspondentes curvas analíticas são mostradas na figura 57.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 126 IQ-USP
0 500 1000 1500 2000 2500
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
2000
1000
3000
4000
5000
8000
10000
40
80
20
10
0,8
0
Absorbância
tempo(s)
0,5
a
b
Figura 56. Sinais transientes obtidos com as celas de (a) 100cm e (b) 1 cm. Os números indicam
concentração de Cr(VI) em g L
-1
.
0 2 4 6 8 10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
Concentração Cr(VI) mg L
-1
Absorbância
Concentração Cr(VI) mgL
-1
a
b
Figura 57. Curvas de calibração obtidas com celas de (a) 100 cm e (b) 1cm.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 127 IQ-USP
Segundo pode-se observar, os picos não sofrem alargamento significativo e o
sinal do branco não aumenta criticamente nas medidas com a cela de 100 cm. O
sinal gerado, entretanto é possivelmente devido a impurezas presentes nos
reagentes, efeito esperado ao trabalhar em faixas de concentração baixas.
O ganho de sensibilidade de 142%, obtido ao comparar o coeficiente angular
das duas curvas, é bastante superior ao esperado considerando a lei de Beer.
Segundo discutido no item 4.1.1, isto não pode ser relacionado com a diferença do
coeficiente de dispersão para ambas as celas. A diferença pode ser devida à
possibilidade de introduzir uma maior fração da zona de amostra em um mesmo
instante na cela LCW (250 L). O limite de detecção é também ligeiramente melhor
que o teoricamente esperado, considerando a lei de Beer. Os parâmetros analíticos
estimados para as celas de 1 cm e 100 cm são apresentados para comparação na
Tabela 11.
Tabela 11. Características analíticas dos procedimentos para a determinação de Cr(VI)
Característica analítica Cela de 1 cm Cela de 100 cm
Freqüência de amostragem (h
-1
) 53 53
Limite de detecção (g L
-1
), 99,7% 100 0,9
Faixa de resposta (g L
-1
) 100- 3000 5-80
Coeficiente de variação (%), n =10 0,8 0,4
Volume de amostra por determinação (L)
60 60
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 128 IQ-USP
4.4.1.2. Determinação de Cr(III) por quimiluminescência em guias de
onda
Foi avaliada a possibilidade de determinação de Cr(III) por
quimiluminescência, sendo otimizados diversos parâmetros químicos e
hidrodinâmicos.
4.4.1.2.1. Avaliação da estabilidade do reagente combinado sobre o
sinal analítico
Primeiramente, foi avaliada a possibilidade de utilizar um reagente composto
por luminol, H
2
O
2
e KBr em tampão carbonato/bicarbonato (Figura 58). Em princípio,
este reagente deveria ser instável, já que o luminol é oxidado, embora lentamente,
pelo peróxido de hidrogênio. Visando avaliar a estabilidade do reagente, sinais
analíticos foram obtidos para 80 g L
-1
de Cr(III) durante 60 minutos, em intervalos
de 1,7 minutos (Figura 58). Solução 0,1 mmol L
-1
EDTA foi adicionada
separadamente na proporção volumétrica de 1:4. Como pode ser observado,
ocorreram variações significativas no sinal analítico, embora não seja possível
identificar um padrão em função da degradação do reagente. Desta forma a
principio, é possível utilizar o reagente na forma combinada. Nos sinais de 9 a 12,
aparentemente, uma bolha de ar poderia ter ingressado em uma das micro-bombas,
causando variação do volume de solução dispensada pelo dispositivo, não sendo a
variação no sinal devida a processos químicos.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 129 IQ-USP
0 10 20 30 40 50 60
0
100
200
300
Intensidade relativa
tempo (min)
F
Figura 58. Sinais transientes obtidos para 80 g L-1 Cr(III). O sistema utilizado, Figura 25.
Composição do reagente: 0,1 mmol L
-1
luminol, 10 mmol L
-1
H
2
O
2
e 10 mmol L
-1
brometo de sódio.
4.4.1.2.2. Efeito da variação da concentração de luminol
Utilizando o módulo de análises da Figura 25, o efeito da concentração de
luminol foi avaliado na faixa de 0,02 mmol L
-1
a 5 mmol L
-1
, segundo apresentado na
Figura 59.
Foi observado um aumento significativo no sinal analítico até a concentração
de luminol de 1 mmol L
-1
. A diminuição de sinal para maiores concentrações deve-se
à auto-absorção pelo luminol, efeito que se torna mais significativo devido à
geometria da cela de medida. A concentração 1 mmol L
-1
luminol foi, portanto,
selecionada para estudos posteriores.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 130 IQ-USP
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
Intensidade relativa
Concentração de luminol (mmol L
-1
)
Figura 59. Efeito da variação da concentração de luminol sobre o sinal analítico. Concentração dos
demais reagentes: 10 mmol L
-1
H
2
O
2
, 100 mmol L
-1
brometo de sódio. 80 g L
-1
Cr(III)
4.4.1.2.3. Efeito da variação da concentração de peróxido de
hidrogênio
A concentração de peróxido de hidrogênio foi variada na faixa de 1 a
250 mmol L
-1
, sendo os resultados se apresentados na Figura 60.
Acima de 100 mmol L
-1
, observa-se uma pequena diminuição no sinal,
acompanhada pelo surgimento de bolhas na solução relativamente concentrada de
peróxido de hidrogênio, dificultando a sua utilização. Desta forma, a concentração
100 mmol L
-1
foi escolhida para os estudos posteriores.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 131 IQ-USP
0 100 200 300
0
60
120
180
Intensidade relativa
Concentração de peróxido (mmol L
-1
)
Figura 60. Efeito da concentração de peróxido de hidrogênio. Composição do reagente: 1 mmol L
-1
luminol, 100 mmol L
-1
brometo de sódio. Concentração de Cr(III) = 100 g L
-1
.
4.4.1.2.4. Efeito da concentração de brometo
O efeito da adição de brometo foi avaliado na faixa de 1 a 500 mmol L
-1
,
sendo os resultados apresentados na Figura 61.
O sinal analítico aumenta significativamente na presença de brometo que,
aparentemente tem algum efeito na reação de oxidação do luminol pela formação de
radicais livres
148
. A partir da concentração 100 mmol L
-1
, o aumento de sinal foi
pouco significativo, sendo esta concentração selecionada para estudos posteriores.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 132 IQ-USP
0 100 200 300 400 500
0
50
100
150
200
250
Intensidade relativa
Concentração de brometo de sódio (mmol L
-1
)
Figura 61. Efeito da concentração de brometo sobre o sinal analítico. Composição do reagente:
1 mmol L
-1
luminol, 100 mmol L
-1
H
2
O
2
. Concentração de Cr(III) = 80 g L
-1
4.4.1.2.5. Efeito da concentração da solução tampão
O efeito da concentração do tampão CO
3
2-
/ HCO
3
1-
foi avaliado na faixa de 0,1
até 0,9 mol L
-1
e os resultados são apresentados na Figura 62.
Até 0,4 mol L
-1
, o sinal de emissão apresenta pouca variação, diminuindo
gradualmente para concentrações acima de 0,5 mol L
-1
, provavelmente devido às
alterações de índice de refração da solução
152
. Considerando que a reação é
dependente da acidez e amostras reais requerem tamponamento, a concentração
de 0,5 mol L
-1
foi escolhida para estudos posteriores.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 133 IQ-USP
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
40
80
120
160
Intensidade relativa
Concentração do tampão carbonato/bicarbonato (mol L
-1
)
Figura 62. Efeito da concentração de tampão sobre o sinal analítico. Composição do reagente:
1 mmol L
-1
luminol, 100 mmol L
-1
brometo de sódio, 100 mmol L
-1
peróxido de hidrogênio.
Concentração de Cr(III) = 80 g L
-1
.
4.4.1.2.6. Efeito da acidez
O efeito da acidez na intensidade de emissão do luminol foi avaliado
empregando soluções tampão CO
3
2-
/ HCO
3
-
, na faixa de 10,2 a 12,0. Os resultados
são apresentados na Figura 63.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 134 IQ-USP
10,0 10,5 11,0 11,5 12,0
0
25
50
75
100
125
150
Intensidade relativa
pH
Figura 63. Variação do sinal analítico com o pH. Concentração de tampão carbonato/bicarbonato
0,5 mol L
-1
. Outras condições como na Figura 62.
Um máximo de emissão é observado em pH 10,8, o que está de acordo com
trabalhos prévios
145,146
, sendo também verificado que a aparição de bolhas no
sistema é favorecida em valores de pH menores. Desta forma, o valor de 10,8 foi
selecionado.
4.4.1.2.7. Variação da concentração de EDTA
O efeito da concentração do EDTA, reagente necessário para evitar
interferências de metais de transição que também podem catalisar a reação, foi
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 135 IQ-USP
avaliado até concentração de 50 mmol L
-1
, os resultados são apresentados na
Figura 64.
0 0,1 0,5 1 5 10 50
0
50
100
150
200
250
Intensidade relativa
Concentração de EDTA (mmol L
-1
)
Figura 64. Efeito da concentração de EDTA sobre o sinal analítico. Concentração de tampão
carbonato/bicarbonato 0,5 mol L
-1
, pH = 10,8. Outras condições definidas na Figura 62.
Pode ser observada uma diminuição no sinal ao adicionar EDTA, que
permanece praticamente constante até 10 mmol L
-1
. Na concentração de 50 mmol L
-
1
o sinal é menos da metade do obtido na ausência de EDTA, fato que poderia estar
relacionado com a formação de complexos com Cr(III), dada a alta concentração do
complexante, apesar desta reação ser relativamente lenta. A concentração máxima
de EDTA que não afeta significativamente o sinal de emissão (10 mmol L
-1
) foi então
escolhida para os próximos estudos.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 136 IQ-USP
4.4.1.2.8. Variação do número de ciclos de amostragem
Foi avaliada a influência do número de ciclos de amostragem, sendo os
resultados apresentados na Figura 65.
10 20 30 40 50 60 70
0
50
100
150
200
250
300
350
Intensidade relativa
Ciclos de amostragem
Figura 65. Efeito do número de ciclos de amostragem. Tampão CO
3
2-
/ HCO
3
-
0,5 mol L
-1
(pH 10,8),
10mmol L
-1
EDTA. Outras condições definidas na Figura 62.
Ao aumentar o número de ciclos de amostragem, o sinal analítico aumenta
significativamente até estabilizar-se a partir de 50 ciclos de amostragem, momento
no qual se alcança o estado de volume infinito. Segundo os valores nominais das
micro-bombas utilizadas, o volume total deveria ser ca. 1,25 mL, mas o volume
medido experimentalmente foi muito inferior, ca. 0,8 mL, devido à impedância
hidrodinâmica imposta pela cela LCW, sendo observada uma adequada
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 137 IQ-USP
reprodutibilidade destes valores ao longo dos experimentos. Visando maximizar a
sensibilidade, foram escolhidos 50 ciclos de amostragem para as próximas etapas.
4.4.1.2.9. Características analíticas
Nas condições otimizadas, foi obtida a curva analítica para a determinação de
Cr(III), apresentada junto com os registros dos sinais transientes na Figura 66.
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
1000 2000 3000
0
100
200
300
Log (Sinal)
Log (Concentração de Cr(III) gL
-1
)
0
Intensidade relativa
Tempo (s)
50
20
10
8
5
4
2
Figura 66. Sinais transientes e curva analítica para a determinação de Cr(III). 1mmol L
-1
Luminol,
100mmol L
-1
brometo de sódio, 100mmol L
-1
peróxido de hidrogênio, tampão CO
3
2-
/ HCO
3
-
0,5 mol L
-1
(pH 10,8), EDTA 10 mmol L
-1
. Números indicam concentração de Cr(III)
em g L
-1
.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 138 IQ-USP
Os registros demonstram excelente estabilidade da linha base. Considerando
as alturas dos picos, foi observada uma relação não linear entre o sinal de emissão
e a concentração, sendo a relação linearizada considerando o logaritmo de ambos
os parâmetros. Desta forma a resposta linear foi observada entre 2 e 50 g L
-1
,
com o coeficiente de correlação r=0,999, descrita pela equação:
Log(S)=(0,037±0,023)+(1,470±0,020)Log(C), sendo S a intensidade de
quimiluminescência em unidades arbitrárias e C a concentração de Cr(III) em g L
-1
.
O limite de detecção foi estimado em 0,38 g L
-1
ao nível de confiança de 99,7%. O
coeficiente de variação e a freqüência de amostragem foram estimados em 3,3%
para 40 g L
-1
(n = 10) e 50 medidas por hora, respectivamente.
Existe grande diversidade nos procedimentos que relatam a determinação de
cromo em águas pela medida de quimioluminiscencia, no que diz respeito ao tipo de
detector, configuração do sistema de análises em fluxo e os reagentes utilizados.
Características analíticas de alguns destes procedimentos são apresentados na
Tabela 12.
Tabela 12. Características analíticas de procedimentos para a determinação de Cr(III) em águas pela
medida de quimiluminescência.
Característica analítica
Procedimento
proposto
FIA
161
FIA
145
FIA
146
Freqüência de amostragem (h
-1
) 50 60 70 –
Limite de detecção (µg L
-1
) 0,38 0,5 0,01 3
Faixa linear (µg L
-1
) 2 – 50 < 500 < 6 20-200
Coeficiente de variação (%), n=10
3,3
5 2,5 –
Detector utilizado
CCD
PMT* PMT Fluorimetro
* fotomultiplicadora
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 139 IQ-USP
4.4.1.2.10. Aplicação
O procedimento desenvolvido foi aplicado à determinação de Cr(VI) e Cr(III)
em amostras de águas naturais, sendo os resultados apresentados na tabela 13.
Tabela 13. Resultados obtidos na determinação de Cr(VI) em amostras de águas. Média e desvio
padrão para 3 medidas.
Procedimento proposto Procedimento de referência
140
Amostra
Concentração (µg L
-1
)
a
R (%)
b
Concentração (µg L
-1
)
a
R (%)
b
Rio 1 31,6
± 0,5 105 29,5
± 0,2 98
Rio 2 30,7
± 0,1 102 34,3
± 0,1 114
Rio 3 31,3
± 0,1 104 33,6
± 0,1 112
Lagoa 30,8
± 0,1 103 30,3
± 0,2 101
Mina 30,9
± 0,1 103 31,3
± 0,1 104
a
Concentração de Cr(VI) adicionada nas amostras 30 g L
-1
b
Recuperação do analito adicionado na amostra
Os resultados obtidos para Cr(VI) foram bastante satisfatórios, o que é
demonstrado pelas porcentagens de recuperação e correlação dos resultados com
os obtidos pelo procedimento de referência (não foram observadas diferenças
significativas para o nível de confiança de 95%, segundo o teste t-student pareado).
Entretanto, para a determinação de Cr(III), os resultados foram pouco satisfatórios
sendo que, em alguns casos, o sinal analítico não foi diferente do sinal do branco,
apesar da adição de 30 gL
-1
de Cr(III), segundo apresentado na Figura 67.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 140 IQ-USP
0 1000 2000 3000 4000 5000
0
50
100
150
Intensidade
Tempo (s)
A
B
C
Figura 67. Registros para amostras de água natural fortificada com 30 g L
-1
de Cr(III). A- amostras
sem tratamento prévio, B-padrão de 50 g L
-1
de Cr(III), C- Amostras em ácido fosfórico
1 mmol L
-1
. Condições da determinação como na Figura 66.
O efeito catalítico do Cr(III) na reação de oxidação do luminol não foi
observado, possivelmente pela formação de complexos com sustâncias húmicas
tipicamente presentes nas águas naturais. Segundo a literatura, a resposta é
observada para o Cr(III) livre, sendo eliminada pela complexação
143
. Adição de ácido
na amostra foi avaliada como sugerido em trabalhos anteriores
146
para liberar o
Cr(III) complexado, resultando no aumento da intensidade de emissão, porém muito
aquém do esperado considerando a quantidade de Cr(III) adicionada (Figura 64, C).
Outros estudos devem ser posteriormente realizados no tratamento da amostra,
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 141 IQ-USP
visando a aplicação do procedimento em amostras de águas naturais. É necessário
ressaltar a dificuldade de conciliar o tratamento da amostra e o objetivo de efetuar
especiação química, dado que a proporção das espécies na sua forma original
poderia modificar-se por tratamentos típicos com ácidos e aquecimento.
4.4.2. Especiação redox de cromo com espectrofotometria de longo caminho
óptico e oxidação em linha
No item anterior, foi discutida a otimização dos parâmetros de operação para
a determinação de Cr(VI). Com base nos resultados obtidos, foi projetado o
diagrama de fluxos da Figura 26, explorando a oxidação de Cr(III) a Cr(VI) com
peróxido de hidrogênio em meio alcalino para a determinação o cromo total, sendo a
concentração de Cr(III) obtida pela diferença. Um experimento realizado em
batelada mostrou que a oxidação do Cr(VI) era instantânea em presença de
peróxido em meio alcalino, enquanto utilizando persulfato de sódio o procedimento
precisava de aquecimento e resultava bastante demorado.
Nos experimentos, a proporção entre amostra e oxidante foi estabelecida em
3:1 (procurando evitar uma diluição exagerada), com 5 ciclos de amostragem,
preenchendo o reator B
1
(Figura 26). O reagente Difenilcarbazida foi adicionado à
zona de amostra em alíquotas alternadas, utilizando 20 ciclos de amostragem. A
cela de fluxos com guia de ondas foi empregada em todas as medidas.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 142 IQ-USP
4.4.2.1. Composição do reagente para a oxidação em linha de Cr(III)
O primeiro estudo realizado foi a avaliação da composição da solução
oxidante, contendo peróxido de hidrogênio e hidróxido de sódio, visando maximizar
a eficiência de oxidação do Cr(III) a Cr(VI) e reduzir a formação de bolhas, usual no
emprego de H
2
O
2
em procedimentos em fluxo. Os resultados obtidos na otimização
da concentração de H
2
O
2
são apresentados na Figura 68.
0 200 400 600
0,0
0,1
0,2
0,3
Absorbância
Concentração de peróxido de hidrogênio (mmol L
-1
)
Figura 68. Efeito da concentração de peróxido de hidrogênio na oxidação de Cr(III) a Cr(VI).
0,1 mol L
-1
NaOH, 50 gL
-1
Cr(III), 0,012% (m/v) DFC em 0,5 mol L
-1
H
2
SO
4
, B
1
=30 cm,
B
2
= 50 cm, solução transportadora água.
Foi observado um máximo de absorbância por volta de 160 mmol L
-1
H
2
O
2
,
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 143 IQ-USP
sem ocasionar a geração de bolhas no sistema, sendo este valor utilizado nas
próximas etapas.
A oxidação de Cr(III) a Cr(VI) por peróxido de hidrogênio ocorre em meio
alcalino, sendo que também afeta a produção de bolhas no sistema. A concentração
de NaOH foi avaliada na faixa de 5 a 150 mmol L
-1
, sendo os resultados mostrados
na Figura 69.
0 50 100 150
0,0
0,1
0,2
0,3
Absorbância
Concentração de NaOH (mmol L
-1
)
Figura 69. Efeito da concentração de hidróxido de sódio na oxidação de Cr(III), com 160 mmol L
-1
H
2
O
2
. Demais condições como na Figura 68.
Segundo pode ser observado, o máximo de sinal ocorre na concentração de
50 mmol L
-1
, com leve diminuição para concentrações maiores, o que pode ser
devido à alteração da acidez ótima para a reação com DFC pela neutralização do
ácido sulfúrico pelo hidróxido de sódio. A concentração de 50 mmol L
-1
de NaOH foi
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 144 IQ-USP
utilizada nas etapas seguintes.
4.4.2.2. Efeito do número de ciclos de amostragem
Considerando os resultados obtidos, foi avaliada a melhor resposta com a
nova configuração pela variação do número de ciclos de amostragem, nas etapas de
oxidação e reação com DFC. Os resultados são apresentados na Figura 70.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Absorbância
Ciclos de amostragem
a
b
Figura 70. Efeito do número de ciclos de amostragem, nas etapas de (a) oxidação (20 ciclos na etapa
de reação com DFC) e (b) reação com DFC (5 ciclos na etapa de oxidação). Outras
condições como na Figura 68.
Como pode ser observado na Figura 70 (b), acima de 20 ciclos na etapa de
reação com DFC o ganho no sinal é desprezível, sendo este valor selecionado para
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 145 IQ-USP
os próximos estudos. No caso do número de ciclos de oxidação (Figura 70 (a)) o
valor de 25 foi selecionado por fornecer o melhor sinal. Outras proporções foram
avaliadas aleatoriamente, não resultando em variação significativa de sinal.
4.4.2.3. Influência do efeito Schlieren no sinal analítico
Considerando os diversos reagentes utilizados, era esperada uma diferença
significativa no índice de refração da zona de amostra, resultando em efeito
Schlieren. Os resultados obtidos para o branco e para uma solução de Cr(III) são
apresentados na figura 71.
100 200 300
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Absorbância
tempo (s)
554 nm
720 nm
544-720 nm
a
b
Figura 71. Sinais transientes medidos em diferentes comprimentos de onda para (a) 20 ug L-1 Cr(III)
e (b) solução branco.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 146 IQ-USP
A diferença entre medidas efetuadas em 2 comprimentos de onda foi
novamente efetiva para a compensação do efeito Schlieren, como pode ser
visualizado na Figura 71, sem consumo de tempo, ou modificação do módulo de
análises, porém requerendo um detector multicanal. A perturbação causada por
pequenas bolhas de gás que ingressam na cela de fluxo, causando deriva da linha
base, também pode ser compensada com esta estratégia, que foi aplicada em todos
os estudos com o sistema de oxidação em linha.
4.4.2.4. Características analíticas
Nas condições otimizadas, e empregando uma cela de 1 cm, foram obtidas
curvas analíticas para soluções de Cr(VI) e Cr(III) separadamente, em condições de
dispersão idênticas, sendo os resultados apresentados na Figura 72. Foi verificada
uma apreciável eficiência de oxidação, que pode ser estimada pela razão entre os
coeficientes angulares em 72%. É importante notar que a reação de oxidação é
muito rápida, característica muito importante para o desenvolvimento de um
procedimento em fluxo. Preenchendo o reator B
1
(Figura 26) com amostra (sem
adição do oxidante), foi observado um aumento de 33% no sinal analítico para o
Cr(VI), devido à menor diluição da amostra, o que é útil no caso da determinação de
baixas concentrações de Cr(VI).
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 147 IQ-USP
0 1 2 3 4 5
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Absorbância
Concentração (mg L
-1
)
a
b
Figura 72. Avaliação da eficiência de oxidação: Curvas analíticas obtidas com soluções de (a) Cr(VI)
e (b) Cr(III), em idênticas condições de dispersão.Volume da zona de amostra=250 µL,
B
1
=30 cm, B
1
=50cm, ciclos de amostragem 20, Cela de 1 cm.
No caso da determinação de Cr(VI) com a cela de 1 cm, resposta linear foi
observada entre 0,1 e 5 mg L
-1
, com o coeficiente de correlação r=0,999, descrita
pela equação: A =(0,012±0,005) + (0,075±0,002)C, sendo A absorbância no máximo
de pico e C a concentração de Cr(VI) em mg L
-1
. O limite de detecção foi estimado
em 110 g L
-1
ao nível de confiança de 99,7%. O coeficiente de variação e a
freqüência de amostragem foram estimados em 0,8% para 2 mg L
-1
(n = 10) e 50
medidas por hora, respectivamente. No caso da determinação de Cr(III) com a cela
de 1 cm (Figura 72 (b)) resposta linear foi também observada entre 0,1 e 5 mg L
-1
,
com o coeficiente de correlação r=0,998, descrita pela equação: A = (0,017±0,004) +
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 148 IQ-USP
(0,054±0,002)C. Para a cela de fluxo de 100 cm, foram também obtidas curvas
analíticas para soluções de Cr(VI) e Cr(III) separadamente em condições de
dispersão idênticas, sendo os resultados apresentados na Figura 73.
0 5 10 15 20 25 30
0,0
0,2
0,4
0,6
Absorbância
Concentração (mg L
-1
)
a
b
Figura 73. Avaliação da eficiência de oxidação: Curvas analíticas obtidas com soluções de (a) Cr(VI)
e (b) Cr(III). Condições definidas na figura 72 com a cela de LCW de 100 cm.
A porcentagem de oxidação foi 74%, concordante com a estimada no
experimento anterior. No caso da determinação de Cr(VI) com a cela de 100 cm,
resposta linear foi observada entre 2 e 20 g L
-1
, com o coeficiente de correlação
r=0,973, descrita pela equação: A = (0,060 ± 0,004) + (0,024±0,001)C, sendo A a
absorbância no máximo de pico C a concentração de Cr(VI) em g L
-1
. O limite de
detecção foi estimado em 1,7 g L
-1
ao nível de confiança de 99,7%. O coeficiente
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 149 IQ-USP
de variação e a freqüência de amostragem foram estimados em 0,6% para 5 g L
-1
(n = 10) e 55 medidas por hora, respectivamente. No caso da determinação de
Cr(III) (Figura 69. b), resposta linear foi observada entre 2 e 30 g L
-1
, com o
coeficiente de correlação r=0,998, descrita pela equação: A = (0,021±0,001) +
(0,018±0,001)C. O limite de detecção foi estimado em 1,8 g L
-1
ao nível de
confiança de 99,7%. O coeficiente de variação e a freqüência de amostragem foram
estimados em 0,8% para 10 g L
-1
(n = 10) e 49 medidas por hora, respectivamente.
4.4.2.5. Aplicação
O procedimento desenvolvido foi aplicado à determinação de Cr(VI) e cromo
total em amostra de águas naturais, após adição de 20 g L
-1
de Cr(VI) e Cr(III). Os
resultados são apresentados na Tabela 14. Para Cr(VI), os valores são maiores que
a quantidade adicionada em no mínimo 11%, indicando efeito de matriz, que não foi
verificado no experimento anterior (item 4.4.1.2.10). A inter-conversão de Cr(III) em
Cr(VI) é algo pouco provável de acontecer em águas naturais pelo que, em principio,
poderia ser descartada. Entretanto, para a determinação de cromo total, os
resultados mostraram baixas recuperações (menores que a 84%) sendo que, em
alguns casos, a concentração recuperada é quase a metade da adicionada. Isto
pode ser interpretado como uma interferência da matriz pela formação de complexos
de Cr(III) com sustâncias húmicas presentes na amostra, dado que nas amostras
com provável menor concentração de sustâncias orgânicas(amostras de mina e
lagoa) a recuperação foi ligeiramente maior.
Resultados e discussão IQ-USP
Carlos Martín Infante Córdova 150 IQ-USP
Tabela 14. Resultados obtidos na determinação de cromo total e Cr(VI).
Cromo total Cr(VI)
Amostra
Concentração (µg L
-1
)
a
R (%)
b
Concentração (µg L
-1
)
a
R (%)
b
Mina 33,6
± 0,5 84 22,4
± 1,1 112
Lagoa 26,9
± 0,3 67 23,4
± 0,2 117
Rio 1 24,6
± 0,2 61 23,3
± 0,1 117
Rio 2 22,1
± 0,2 55 23,4
± 0,1 117
Rio 3 18,3
± 0,5 46 22,3
± 0,1 111
a
Média e desvio padrão para 3 medidas
b
Recuperação do analito adicionado na amostra
Outros estudos devem ser posteriormente realizados a procura de uma
alternativa para aplicar o procedimento a amostras de águas naturais. Considerando
que a maior dificuldade está relacionada à determinação de cromo total, a etapa de
oxidação poderia ser aprimorada (com aquecimento, modificação da composição do
reagente, aumento do tempo de residência). Outra alternativa poderia ser realizar
esta etapa em batelada, eventualmente utilizando procedimentos foto-oxidativos
para a decomposição das sustâncias orgânicas. No caso da determinação de Cr(VI)
a dificuldade é maior para aplicar o tratamento da amostra, dado que a proporção
das espécies na sua forma original poderia modificar-se inviabilizando a especiação.
Conclusões Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 151 IQ-USP
"Nossa recompensa encontra-se no esforço e não no resultado. Um esforço
total é uma vitória completa"
Mahatma Gandhi
Conclusões Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 152 IQ-USP
5. CONCLUSÕES
Foi demonstrada a versatilidade e potencialidades da cela de longo caminho
óptico para acoplamento a sistemas de análises por injeção em fluxo e
monossegmentado, para medidas por espectrofotometria de longo caminho óptico e
turbidimetria. Foi observada significativa melhora no limite de detecção e na
sensibilidade, verificando-se que o aumento de sensibilidade em discordância com o
previsto pela lei de Beer está relacionado com as diferentes extensões da dispersão
nas celas de fluxo utilizadas.
Foi desenvolvido um procedimento analítico baseado em análise em fluxo por
multicomutaçao com micro-bombas solenóides para a determinação do herbicida
paraquat em águas. O reagente ácido dehidroascórbico mostrou-se altamente
estável, podendo ser utilizado até no período de uma semana. A detecção
espectrofotométrica com uma cela de 10 cm de caminho óptico foi suficiente para
alcançar os requisitos estabelecidos pela EPA para o controle do herbicida em
águas de consumo humano.
Para a determinação de cianeto dissociável em ácidos, em amostras de
águas naturais, foi desenvolvido um procedimento analítico baseado em análise em
fluxo por multicomutação com válvulas solenóides, que mostrou-se muito robusto e
de simples implementação. A detecção fluorimétrica baseada na reação com o-
ftalaldeído, com prévia etapa de separação por difusão gasosa, apresentou limite de
detecção e sensibilidade comparável aos procedimentos anteriormente descritos,
com freqüência de amostragem 2 vezes maior. O consumo de reagente e geração
Conclusões Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 153 IQ-USP
de efluentes foram significativamente diminuídos em quantidade e em toxicidade em
comparação com o método de referência.
Foram também desenvolvidos procedimentos analíticos baseados na análise
em fluxo por multicomutação com micro-bombas solenóides para a especiação
redox de cromo. Implementando a detecção direta de cada uma das espécies, com
espectrofotometria de longo caminho óptico para Cr(VI) e quimiluminescência para
Cr(III), os resultados foram concordantes para Cr(VI), mas foram observados
severos efeitos de matriz na determinação por quimiluminescência, aparentemente
pela formação de complexos com sustâncias húmicas. O processo de oxidação em
linha para a determinação do cromo total alcançou eficiência superior a 70%,
também afetada pela complexação por sustâncias húmicas. Desta forma, com
nenhuma das estratégias avaliadas, foi possível discriminar ambas as espécies na
ordem de microgramas por litro, tornando necessários estudos adicionais
Nas aplicações desenvolvidas a sensibilidade e os limites de detecção foram
adequados para a quantificação das espécies de acordo com limites estabelecidos
pela legislação atual. O consumo dos reagentes foi diminuído em todos os casos,
conseqüência da adição intermitente de pequenas alíquotas e as condições de
mistura foram melhoradas pelo fluxo pulsado característico do uso das micro-
bombas. A estratégia da compensação do efeito Schlieren baseada em medidas em
2 comprimentos de onda foi eficaz nas determinações de paraquat e cromo, sem
modificação do sistema de fluxos utilizado.
Referencias bibliográficas Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 154 IQ-USP
"Não se pode ensinar tudo a alguém, apenas ajudá-lo a encontrar por si
mesmo".
Galileu Galilei
Referencias bibliográficas Tese de doutorado
Carlos Martín Infante Córdova 155 IQ-USP
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 Brasil. Conselho Nacional do Meio Ambiente. Dispõe sobre a classificação dos
corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como
estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras
providências. Resolução, nº 357, 17 de março 2005, Brasília. 1-23.
2 Níveis máximos de contaminantes: Agência de proteção ambiental dos Estados
Unidos; 2002. [citado 24 julho 2008]. Disponível em:
http://www.epa.gov/safewater/contaminants/index.html
3 Morin E, Kern AB. Terra Pátria. Lisboa: Instituto Piaget; 1993.
4 Projeto Tietê: Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo;
2007. [citado 24 Julho 2008]. Disponível em:
http://www2.sabesp.com.br/projetotiete
5 Branco SM. O fenômeno “Cubatão" na visão do ecólogo Samuel Murgel
Branco. São Paulo: CETESB/ASCETESB; 1984.
6 Singh KP, Mohana D, Sinhab S, Dalwani R. Impact assessment of
treated/untreated wastewater toxicants discharged by sewage treatment plants
on health, agricultural, and environmental quality in the wastewater disposal
area. Chemosphere (Oxford) 2004;55(3):227-230.
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8 Eaton AD, Clesceri LS, Greenberg AE. Standard Methods for the Examination
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Association, 1995.
9 Tundo P, Anastas P, Black DS, Breen J, Collins T, Memoli S, Miyamoto J,
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