Prof. Valmir F. Juliano 1º/2013

QUI221

INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE

Classificação dos métodos analíticos

CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS Chamados de métodos de via úmida Baseados em propriedades físicas ( químicas em alguns casos ) Gravimetria Volumetria Eletroanalítico Cromatográfico Espectrométrico Propriedades elétricas Propriedades ópticas Propriedades diversas

Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as técnicas clássicas, mas outras não o são!

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE

O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada.

É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta.

Estímulo Fonte de Energia Resposta Sistema em Estudo Informação Analítica

FUNÇÃO DO INSTRUMENTO Traduzir a composição química em uma informação diretamente observável pelo operador.

Os instrumentos transformam um sinal analítico que usualmente não é diretamente detectável ou entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser medido.

O instrumento atua direta ou indiretamente como um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a amostra desconhecida em relação a um padrão.

FUNÇÃO DO ANALISTA

Ter conhecimento do que está realmente medindo!

Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade).

S = f(C)

pH

D

E

V titulante

Curva de titulação potenciométrica

Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade).

S = f(C)

K ou L, A

V titulante

Curva de titulação condutimétrica ou espectrométrica

Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade).

A E (V) I (A) R (

W

) Etc...

S = f(C)

S A = mC A + S br [Analito]

Curva Analítica

Glossário da Química Analítica Instrumental Amostra : Porção de um determinado material que representa a totalidade.

Analito : Espécie (iônica, atômica ou molecular) que se deseja determinar em uma amostra.

Matriz : Conjunto de todos os constituintes que compõem uma amostra.

Detector : Dispositivo mecânico, elétrico ou químico que identifica, registra ou indica uma alteração em uma das variáveis na sua vizinhança (pressão, temperatura, etc.).

Sistema de detecção : Conjunto inteiro que indica ou registra as quantidades físicas ou químicas.

Transdutor : Dispositivo que converte informação de domínio não-elétrico em informação de domínio elétrico e vice-versa (microfone, fotocélulas, etc.).

Sensor : Dispositivo analítico capaz de monitorar espécies químicas específicas de forma contínua e reversível (eletrodo de vidro, QCM, etc.). Equivale ao transdutor associado a uma fase de reconhecimento quimicamente seletiva.

Glossário da Química Analítica Instrumental Curva analítica : Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluções padrão (padrão externo). Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração .

Branco (br) : Sinal do instrumento para matriz (ou imitação) na ausência do analito ou de uma espécie que corresponda ao analito.

Limite de detecção (LD ou c S m = S br + k s br m ) : Concentração ou massa mínima do analito que pode ser detectada em um nível confiável.

(valor mais aceito k = 3)

c m



S m



m br



ks m br

onde S m e S br são o sinal analítico mínimo e do branco e s é o desvio padrão do branco.

Limite de quantificação (LQ) : Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco.

Limite de resposta linear (LRL) : Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade.

Glossário da Química Analítica Instrumental LRL c m LQ FOT Concentração Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica : Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL.

Método do padrão interno : Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras, aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. Compensa diversos tipos de erros, aleatórios ou sistemáticos.

Glossário da Química Analítica Instrumental 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 y = 0,0382x + 0,2412 R 2 = 0,9999 -10 -5 5 10 15 20 Volume de solução do padrão, mL 25 Método de adição de padrão : Consiste em uma série de medidas envolvendo a adição de incrementos de uma solução-padrão do analito à alíquotas da amostra de mesmo volume com a finalidade de corrigir a interferência da matriz sobre o sinal analítico.

Glossário da Química Analítica Instrumental Exatidão : Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão.

Precisão : Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma análise.

Tendência (bias) ou viés ( D ) : Fornece uma medida do erro sistemático, ou determinado, de um método analítico. D = m – t , onde m é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração verdadeira t .

Sensibilidade : A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito. Em uma curva de calibração, a sensibilidade é a inclinação da curva (m). S = mc + S br , onde S é o sinal medido, c é a concentração do analito e

S br

é sinal do instrumento para o branco.

Glossário da Química Analítica Instrumental Sensibilidade analítica : A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida: g = m / s S . Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é independente das unidades de medida de S.

Seletividade : A seletividade de um método analítico refere-se ao grau em que o método esta livre de interferência de outras espécies contidas na matriz da amostra. Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e, assim, procura-se minimizá-las.

• Define-se um coeficiente de seletividade que representa a resposta relativa do método a cada uma das espécies interferentes em relação ao analito de interesse. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A, bem como B e C potencialmente interferentes : S = m A c A + m B c B + m C c C + S br ;

k B

,

A



m m B A

e

k C

,

A



m m C A

S = m A (c A + k B,A c B + k C,A c C ) + S br

Glossário da Química Analítica Instrumental Um método que produz resposta para vários analitos, mas que pode distinguir a resposta de um analito da de outros é chamado

seletivo 60 50 40 30 20 10 0 0 B A 2 4 6 Concentração (mg/L) 8

Um método que produz resposta para apenas um analito é chamado

específico 10

Glossário da Química Analítica Instrumental Repetibilidade : Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as mesmas condições (mesmo operador, mesmo equipamento, mesmo laboratório em um pequeno intervalo de tempo).

Reprodutibilidade : Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob diferentes condições (diferentes operadores, diferentes equipamentos, diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico, obtido nas condições acima, aconteçam com a mesma probabilidade especificada. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.

O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL?

• Não desenvolvam a “Arte de Enrolar”

“A exatidão é um parâmetro de difícil precisão, pois está sujeita a uma série de erros determinados.” “O ponto de equivalência é encontrado se interpolando por extrapolação o ponto no qual a curva muda de sua concavidade.” “Uma maior exatidão seria obtida condutimetricamente, uma vez que em condutimetria é possível determinar pequenas variações de potencial ...” “... em se tratando de uma amostra com várias matrizes, este tipo de detector traria maior seletividade ...”

Exemplo 1: Dados de calibração obtidos para determinação do analito X em solução aquosa.

[X], ppm 0,00 2,00 6,00 10,00 14,00 Nº replicatas 25 5 5 5 5 Sinal analítico médio 0,031 0,173 0,422 0,702 0,956 Desvio padrão 0,0079 0,0094 0,0084 0,0084 0,0085 18,00 5 1,248 0,0110

a) Determinar a sensibilidade de calibração.

b) Determinar a sensibilidade analítica.

c) Determinar o coeficiente de variação para a média de cada grupo de replicatas.

d) Determinar o limite de detecção do método.

Exemplo 1: a) Inclinação: m= 0,067 ppm -1

Cx, ppm

2,00 6,00 10,00 14,00 18,00 b) g

= m / s S

g 7,1 8,0 8,0 7,9 6,1 c) CV = (s x / S am )x100  S am = sinal analítico médio

CV, %

5,4 2,0 1,2 0,89 0,88 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 0 2 4 6 8 y = 0,067x - 0,001 R 2 = 0,9996 10 12 14 16 18 20 d) Limite de detecção:

O gráfico deve ser traçado com o sinal analítico, descontando-se o sinal do branco.

c m



ks br m

= 3 x 0,0079 / 0,067 = 0,35 ppm

Exemplo 2: Alíquotas de exatamente 5,00 mL de uma solução de fenobarbital foram transferidas para frascos volumétricos de 50,00 mL e foram ajustados com KOH para tornarem-se básicas. Os seguintes volumes de solução padrão contendo 2,000 m g/mL de fenobarbital foram introduzidas em cada frasco: 0,000, 0,500, 1,00, 1,50 e 2,00 mL. O volume foi completado e as leituras de cada frasco em um fluorímetro forneceu as seguintes respostas: 3,26, 4,80, 6,41, 8,02 e 9,56.

a) Construa o gráfico com os dados.

b) Usando o gráfico, determine a concentração de fenobarbital na amostra desconhecida.

c) Obtenha a equação por regressão linear (mínimos quadrados).

d) Calcule a concentração pela equação obtida em (c).

e) Calcule o desvio padrão para a concentração obtida em (d).

Exemplo 2:

V, mL

0,000 0,500 1,00 1,50 2,00

C,

m

g/mL

0,000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800

S

3,26 4,80 6,41 8,02 9,56 -0,05 -0,03 2 0 -0,01 6 4 12 10 8 y = 79,1x + 3,246 R 2 0,01 0,03

[F],

m

g/mL

= 0,9999 0,05 0,07 0,0407 m g/mL Pela equação, para y = 0  x = -3,246 / 79,1 = 0,0410 m g/mL.

Como a amostra foi diluída de 5,00 para 50,00 mL, a sua concentração é 10 vezes maior: 0,0410 x 50 / 5 =

0,410

m

g/mL

.

Desvio padrão relativo da regressão, s c /c = 0,007957 ( ou 0,7957% ) Desvio padrão da medida = 0,410 x 0,007957 = 0,003 ( ou 0,3% )