Avaliação comparativa de procedimentos para o preparo de amostras agroindustriais na determinação... por Volnei Resta Amorim Filho - Versão HTML

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

INSTITUTO DE QUÍMICA DE SÃO CARLOS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: QUÍMICA ANALÍTICA

VOLNEI RESTA AMORIM FILHO

AVALIAÇÃO COMPARATIVA DE PROCEDIMENTOS PARA O

PREPARO DE AMOSTRAS AGROINDUSTRIAIS NA

D ETERMINAÇÃO DE ELEMENTOS INORGÂNICOS POR

TÉCNICAS ESPECTROMÉTRICAS

SÃO CARLOS - SP

MARÇO 2006

Volnei Resta Amorim Filho

Avaliação comparativa de procedimentos para o preparo de

amostras agroindustriais na determinação de elementos

inorgânicos por téc nicas espectrométricas

Tese apresentada ao Instituto de Química de

São Carlos, da Universidade de São Paulo

para a obtenção do título de Doutor em

Ciências (Química Analítica)

Orientador: Prof. Dr. Wagner Luiz Polito

SÃO CARLOS – SP

MARÇO 2006

DEDICATÓRIA

A JESUS, Autor da Vida e principal responsável pelo início,

meio e fim desse trabalho.

A minha amada esposa JULIANA, que sempre esteve ao meu

lado em todos os momentos, me incentivando e apoiando.

Aos meus FAMILIARES EM GERAL, que são a minha

retaguarda em qualquer circunstância.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Wagner Luiz Polito, por sua orientação, ensinamentos,

amizade, paciência e oportunidade de trabalho.

Aos Profs. Dr. José Anchieta Gomes Neto e Dra. Mercedes de Moraes,

por disponibilizarem seus laboratórios para a realização da maior parte

do trabalho, pelas dicas, conselhos e amizade.

Ao Instituto de Química de São Carlos/USP e ao Instituto de Química

de Araraquara/UNESP pelo apoio institucional e as facilidades

oferecidas.

Aos amigos de laboratório: Gian, Carolina, Adriana, Elisângela, Tina,

Vanessa, Fabiana, Ricardo Azevedo, Naíse, Marielsa, Patrícia e Beatriz

pela amizade conquistada, pelas dicas e ajuda durante todo o trabalho.

A Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal do Estado de São

Paulo (CAPES) pela bolsa concedida.

A Microbiol Indústria e Comércio Ltda. pelas amostras de rochas

concedidas.

A Associação dos Cafeicultores da Região de Patrocínio (ACARPA) e

COCAPEC (Franca/SP) pelas amostras de café verde arábica

concedidas.

A Elanco Saúde Animal – Divisão do Eli Lilly do Brasil Ltda. (São

Paulo-SP) pelas amostras de antibiótico concedidas.

“Se o Senhor não edificar a casa, em vão trabalham os que a

edificam; se o Senhor não guardar a cidade, em vão vigia a

sentinela. Inútil vos será levantar de madrugada, repousar tarde,

comer o pão que penosamente granjeastes; aos seus amados Ele o dá

enquanto dormem”. (Salmos 127:1,2)

“Não to mandei eu? Sê forte e corajoso; não temas, nem te espantes,

porque o Senhor, teu Deus, é contigo por onde quer que andares”.

(Josué 1:9)

“Bem aventurado o homem que teme ao Senhor e anda nos seus

caminhos! Do trabalho de tuas mãos comerás, feliz serás, e tudo te

irá bem”. (Salmos 128:1,2)

“Nada há melhor para o homem do que comer, beber e fazer que a

sua alma goze o bem do seu trabalho. No entanto, vi também que

isto vem das mãos de Deus, pois separado deste, quem pode comer

ou pode alegrar-se?” ( Eclesiastes 2:24,25)

DADOS CURRICULARES

1. DADOS PESSOAIS

1.1

Nascimento: 02/04/1974

1.2

Nacionalidade: Brasileiro

1.3

Naturalidade: Araraquara - SP

1.4

Estado Civil: Casado

1.5

Endereço residencial: Rua Dr. Cristiano Infante Vieira, 560

Bairro: Parque das Laranjeiras – Araraquara – SP CEP: 14801-556.

1.6

Telefone para Contato: (16) 33356127 ou (16) 97847160.

1.7. e-mail para contato: volfilho@gmail.com ou volneifilho@bol.com.br

2. FORMAÇÃO ACADÊMICA

2.1. Licenciado em Química

Graduação em Química (Licenciatura) concluída em Dezembro de

1998 no Instituto de Química de Araraquara/SP – UNESP.

2.2. Mestre em Química

Mestrado em Química concluído em Dezembro de 2002 no Instituto de

Química de Araraquara/SP - UNESP.

Título da dissertação: Otimização de método na determinação simultânea

de As, Cu, Mn, Sb e Se ou Cd, Cr, Ni e Pb em águas minerais por

espectrometria de absorção atômica com atomização eletrotérmica.

3. TRABALHO (S) CIENTÍFICO (S) PUBLICADO (S) OU ACEITO

PARA PUBLICAÇÃO

• FILHO, V.R.A.; FERNANDES, K.G.; MORAES, M.; NETO, J.A.G.

Simultaneous

Determination

of

Antimony,

Arsenic,

Copper,

Manganese and Selenium in Drinking Water by GFAAS with

Transversely Heated Graphite Atomizer and Longitudinal Zeeman-

Effect Background Correction. Atomic Spectroscopy v.23 (1), p.7-11,

2002.

• FILHO, V.R.A; FERNANDES, K.G.; MORAES, M.; NETO, J.A.G.

Evaluation of the mixtures Ammonium Phosphate/Magnesium Nitrate

and Palladium Nitrate/Magnesium Nitrate as modifiers for simultaneous

determination of Cd, Cr, Ni and Pb in Mineral Water by GFAAS.

Journal of the Brazilian Chemical Society v.15 (1), p.28-33, 2004.

• FILHO, V.R.; POLITO, W.L.; NETO, J.A.G. Comparative procedures

for the sample decomposition of rocks used in organic agriculture in the

determination of Cu, Fe, Mn and Zn by FAAS. Atomic Spectroscopy

v.25 (6), p.233-237, 2004.

• FILHO, V. R. A.; POLITO, W.L.; OLIVEIRA, S.R.; NETO, J. A. G.;

FRESCHI, G. P. G. Simultaneous determination of Cd and Pb in

antibiotics used in sugar-cane fermentation process by GFAAS.

Eclética Química v.31(2), p.7-12, 2006.

• FILHO, V.R.A.; POLITO, W.L.; NETO, J.A.G. Comparative studies

for the sample decomposition of green and roasted coffee in the

determination of nutrients and data exploratory analysis. Journal of the

Brazilian Chemical Society, 2006 (aceito para publicação).

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 4.1 – Moinho criogênico e alguns de seus principais componentes....48

Figura 4.2 - Sistema Kjeldahl ( Tecnal, Modelo TE-036) empregado na coleta

do N na forma de sais de amônio.................................................52

Figura 4.3 - Forma de pico ideal obtida para Cd quando usada uma

temperatura de atomização ótima..............................................62

Figura 5.1 - Gráficos de temperatura (oC) e pressão (bar) obtidos para as 4

amostras de rochas digeridas em sistema de forno de microondas

fechado (procedimento 5 – Tabela 4.2).....................................77

Figura 5.2 - Gráficos de temperatura (oC) e pressão (bar) obtidos para 6

amostras diferentes de café verde e torrado digeridas em sistema

de forno de microondas fechado (Tabela 4.3)...........................86

Figura 5.3 - Análise de Componentes Principais (PCA - PC1 x PC3) para

cafés verdes e torrados...............................................................89

Figura 5.4 - Análise por Agrupamentos Hierárquicos (HCA) para cafés

verdes e torrados......................................................................89

Figura 5.5 - Análise de Componentes Principais (PCA - PC1 x PC2) para

cafés verdes................................................................................90

Figura 5.6 - Análise por Agrupamentos Hierárquicos (HCA) para cafés

verdes.......................................................................................91

Figuras 5.7 - Curvas de pirólise ( ) e de atomização (h) para

40 pg de Cd e 200 pg de Pb em meio de HNO3 0,028 mol L-1 e

dos modificadores 250 µg W + 5 µg Pd..................................94

Figura 5.8 - Perfis dos sinais atômicos (linhas contínuas) para 2,0 µg L-1 Cd e

10,0 µg L-1 Pb em meio de HNO3 0,028 mol L-1 usando-se tubos

THGA end-capped e 250 µg W + 5 µg Pd como modificador

químico (Tp = 600 oC; Ta = 2200 oC)..........................................95

Figura 5.9 - Curva analítica para Cd na presença de W + Pd como

modificador químico em meio de HNO3 0,70 mol L-1..........98

Figura 6.0 - Curva analítica para Pb na presença de W + Pd como

modificador químico em meio de HNO3 0,70 mol L-1..........98

Figura 6.1 - Gráficos de temperatura (oC) e pressão (bar) obtidos para 6

amostras diferentes de antibióticos sólidos digeridos em

sistema de forno de microondas fechado (Tabela 5.0)............99

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1. - Revisão da literatura para o pré-tratamento de amostras de

rochas na determinação de elementos inorgânicos por técnicas

espectrométricas.......................................................................31

Tabela 3.2. - Revisão da literatura para o pré-tratamento de amostras de café

na determinação de elementos inorgânicos por técnicas

espectrométricas.........................................................................37

Tabela 4.1 - Parâmetros Instrumentais (Espectrômetro de Absorção Atômica

em Chama Perkin-Elmer AAnalyst 100).................................44

Tabela 4.2 - Procedimentos de decomposição testados para o preparo de

amostras de rochas...................................................................47

Tabela 4.3 - Programa de aquecimento do forno de microondas otimizado

empregado

na

mineralização

de

amostras

de

café

comparativamente ao programa estabelecido pelo fabricante..50

Tabela 4.4 - Parâmetros Instrumentais (Espectrômetro de Absorção Atômica

em Chama com corretor por efeito Zeeman Hitachi Z-8100)

para a determinação de Ca, Mg, Cu, Fe, Mn e Zn em amostras

de café verde e torrado..............................................................51

Tabela 4.5 - Condições mono-elementares recomendadas para a determinação

de Cd e Pb em THGA................................................................63

Tabela 4.6 - Programa de aquecimento empregado no recobrimento do tubo

de grafite THGA end-capped com o modificador permanente

W................................................................................................64

Tabela 4.7 – Seqüência de parâmetros e ações realizados pelo autoamostrador

no recobrimento do tubo de grafite THGA end-capped com o

modificador permanente W.......................................................65

Tabela 4.8 - Programa de aquecimento empregado no tratamento térmico do

tubo de grafite THGA end-capped recoberto com W................65

Tabela 4.9 – Seqüência de parâmetros e ações realizados pelo autoamostrador

no tratamento térmico do tubo de grafite THGA end-capped

recoberto com W........................................................................66

Tabela 5.0 - Programa de aquecimento do forno de microondas empregado na

mineralização de amostras de antibióticos sólidos....................67

Tabela 5.1 - Concentração de Cu (mg kg-1) determinada em 4 amostras de

rochas

usando

seis

procedimentos

de

decomposição

diferentes....................................................................................72

Tabela 5.2 - Concentração de Fe (mg kg-1) determinada em 4 amostras de

rochas

usando

seis

procedimentos

de

decomposição

diferentes....................................................................................72

Tabela 5.3 - Concentração de Mn (mg kg-1) determinada em 4 amostras de

rochas

usando

seis

procedimentos

de

decomposição

diferentes....................................................................................73

Tabela 5.4 - Concentração de Zn (mg kg-1) determinada em 4 amostras de

rochas

usando

seis

procedimentos

de

decomposição

diferentes....................................................................................73

Tabela 5.5 - Teores de Cu, Fe, Mn e Zn (mg kg-1) encontrados nas rochas

MB-4 e IPIRÁ em 2 laboratórios particulares diferentes........76

Tabela 5.6 - Resultados comparativos para K, N, Ca, Mg (%) e Na (mg kg-1)

em amostras de café verde e torrado e três materiais de

referência padrão de folhas........................................................78

Tabela 5.7 - Resultados comparativos para Fe, Mn, Zn e Cu (mg kg-1) em

amostras de café verde e torrado e três materiais de referência

padrão de folhas.........................................................................80

Tabela 5.8 – Valores comparativos de concentração de cálcio obtidos em

digeridos de café verde variando-se as quantidades de lantânio

adicionadas...............................................................................87

Tabela 5.9 - Programa de aquecimento do atomizador utilizado na

determinação simultânea de Cd e Pb em amostras de

antibiótico sólido....................................................................92

Tabela 6.0 - Porcentagens de recuperação para a adição de 1,0 µg L-1 Cd e

15 µg L-1 Pb nos seis digeridos de antibióticos estudados.......100

LISTA DE ABREVIATURAS

NIST – Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (do inglês National

Institute of Standards and Technology).

PTFE – Politetrafluoretileno (do inglês Polytetrafluorethylene).

PFA – PTFE modificado quimicamente (do inglês Perfluoroalcoxi)

TFM – marca registrada da Hoeschst para PTFE modificado quimicamente

(do inglês Teflon Fluor Modified)

ETAAS – Espectrometria de absorção atômica com atomização eletrotérmica

(do inglês Electrothermal Atomic Absorption Spectrometry).

FAAS – Espectrometria de Absorção Atômica em Chama (do inglês Flame

Atomic Absorption Spectrometry).

ICP-OES – Espectrometria de Emissão Óptica em Plasma Indutivamente

Acoplado (do inglês Inductively Coupled Plasma Optical

Emission Spectrometry).

GFAAS – Espectrometria de Absorção Atômica em Forno de Grafite (do

inglês Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry).

FIA – Análise por Injeção em Fluxo (do inglês Flow Injection Analysis).

THGA – Tubos de grafite com aquecimento transversal (do inglês

Transversely Heated Graphite Atomizer).

HCL – Lâmpada de catodo oco (do inglês Hollow Cathode Lamp).

EDL – Lâmpada de descarga sem eletrodo (do inglês Electrodeless Discharge

Lamp).

STPF – Forno de grafite com plataforma à temperatura estabilizada (do inglês

Stabilized Temperature Platform Furnace).

SIMAAS – Espectrometria de absorção atômica simultânea (do inglês

Simultaneous Multi-element Atomic Absorption Spectrometry).

ICP-MS – Espectrometria de massas com plasma acoplado indutivamente (do

inglês Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry).

Tp e Ta – Temperaturas de pirólise e de atomização, respectivamente.

SIMAAC – Espectrometria de absorção atômica simultânea com fonte

contínua (do inglês Simultaneous Multi-element Analysis with a

Continuum Source).

EDTA

Ácido

etilenodiaminotetracético

(do

inglês

Ethylenediaminetetraacetic acid).

MIBK (ou IBMK) – Metil isobutil cetona (do inglês Methyl Isobuthyl Ketone).

HG-FAAS – Espectrometria de absorção atômica em chama com um sistema

de geração de hidretos (do inglês Hydride Generation Flame

Atomic Absortion Spectrometry).

HG-ICP-OES – Espectrometria de Emissão Óptica em Plasma Indutivamente

Acoplado com um sistema de geração de hidretos (do inglês

Hydride Generation Inductively Coupled Plasma Optical

Emission Spectrometry).

FI-HGAAS – Espectrometria de absorção atômica com um sistema de geração

de hidretos acoplado a um sistema de injeção em fluxo (do

inglês Flow Injection Hydride Generation Atomic Absortion

Spectrometry).

PCA – Análise de Componentes Principais (do inglês Principal Component

Analysis).

HCA – Análise por Agrupamentos Hierárquicos (do inglês Hierarchical

Cluster Analysis).

SRM – Material de Referência Padrão (do inglês Standard Reference

Material).

RESUMO

Neste estudo foram avaliados procedimentos analíticos comparativos

para o preparo de três tipos de amostras agroindustriais (rochas, cafés e

antibióticos) na determinação de elementos inorgânicos pelas técnicas de

espectrometria de absorção atômica em chama (FAAS), espectrometria de

emissão atômica em chama (FAES) e espectrometria de absorção atômica em

forno de grafite (GFAAS).

Seis procedimentos de decomposição de rochas foram estudados e

classificados em 3 grupos: GRUPO I: bombas de teflon; GRUPO II: bloco

digestor; GRUPO III: forno de microondas convencional. Os elementos Cu,

Fe, Mn e Zn foram quantificados pela técnica FAAS em duas amostras

comerciais e dois materiais de referência padrão de rochas. Os melhores

resultados foram obtidos para os procedimentos que empregaram forno de

microondas convencional usando-se HF na mistura ácida.

Os teores de 9 nutrientes foram determinados em 35 amostras de café

(verde e torrado) por FAAS (Ca, Mg, Fe, Cu, Mn e Zn), FAES (Na e K) e pelo

método Kjeldahl (N). As amostras foram preparadas por dois procedimentos

de decomposição via úmida, um deles empregando bloco digestor e V2O5

como catalisador e o outro forno de microondas convencional. A exatidão dos

métodos foi verificada pela análise de três materiais de referência padrão de

folhas. Um teste foi realizado moendo-se uma das amostras de café verde em

dois tipos de moinho (criogênico e tipo Willye) para avaliar possíveis

contaminações. Contaminação com Fe foi observada com o uso do moinho

tipo Willye. Outro teste constou da determinação desses 9 nutrientes em uma

amostra de café verde com casca. Altos teores de Na, Ca, K e Fe foram

encontrados na casca do café verde, confirmando assim a possibilidade de

reaproveitamento desses resíduos em processos de adubação e na produção de

ração animal. Análises quimiométricas aplicando-se PCA e HCA mostraram

que os elementos Na, K, Ca, Mg, Fe e Cu foram os principais responsáveis

pela discriminação entre as amostras de café verde e torrado.

Um método foi desenvolvido para a determinação simultânea de Cd e

Pb por GFAAS em antibióticos sólidos usados na fermentação da cana de

açúcar. Seis amostras de antibióticos sólidos comerciais foram analisadas

injetando-se 20 µL das amostras decompostas em meio ácido (forno de

microondas convencional) dentro da plataforma de grafite pré-tratada com W

seguido de 5 µL do modificador químico Pd 1000 mg L-1. As amostras foram

solubilizadas por dois procedimentos: 1) 3 mL HNO3 conc. + 2 mL H2O2

30% (v/v) e, 2) 4 mL HNO3 20% (v/v) + 1 mL H2O2 30% (v/v). As

temperaturas de pirólise e atomização do programa de aquecimento do

atomizador foram fixadas em 600oC e 2200oC, respectivamente. As massas

características calculadas para a determinação simultânea foram 1,6 pg Cd e

41,7 pg Pb. Limites de detecção (LOD) baseados na absorbância integrada

foram 0,02 µg L-1 Cd e 0,7 µg L-1 Pb e os desvios padrões relativos ( n = 10)

para Cd e Pb foram 5,7% e 8,0%, respectivamente. As recuperações de Cd e

Pb adicionadas às amostras digeridas variaram de 91% a 125% (Cd) e

80% a 112% (Pb).

ABSTRACT

Analytical comparative procedures for the preparation of three types of

agro industrials samples (rocks, coffees and antibiotics) were evaluated in the

determination of inorganic elements by flame atomic absorption spectrometry

(FAAS), flame atomic emission spectrometry (FAES) and graphite furnace

atomic absorption spectrometry (GFAAS) techniques.

Six decomposition procedures of rocks were studied and classified in

3 groups: GROUP I: wet digestion in teflon bombs; GROUP II: wet

digestion in digester heating block; GROUP III: wet digestion in

conventional microwave oven system. The elements Cu, Fe, Mn and Zn were

quantified by FAAS in two commercial samples and two standard reference

materials of rocks. The best results were obtained for the procedures that

employed conventional microwave oven system using HF in the acid mixture.

The contents of 9 nutrients were determined in 35 coffee samples (green

and roasted) by FAAS (Ca, Mg, Fe, Cu, Mn and Zn), FAES (Na and K) and

Kjeldahl method (N). Samples were prepared by two different wet digestion

decomposition procedures; one of them employing digester heating block and

the catalyst V2O5 and the other one employing a conventional microwave oven

system. The accuracy of the methods was checked after analysis of three leave

standard reference materials. A test was done in a green coffee sample ground

in two types of mill (cryogenic and Willye) to evaluate possible

contaminations. Contamination by Fe was observed with the use of Willye

type mill. Another test was the determination of these 9 nutrients in an

unpulped ripe cherry. High levels of Na, Ca, K and Fe were encountered in the

green coffee rinds, which can be used as a complement in manuring process

and for animal ration production. Chemometric analysis using PCA and HCA

showed that Na, K, Ca, Mg, Cu and Fe were the principal elements to

discriminate samples between green and roasted coffee.

A method has been developed for the simultaneous determination of Cd

and Pb in antibiotics used in sugar-cane fermentation by GFAAS. Six samples

of commercial solid antibiotics were analyzed by injecting 20 µL of digested

samples (closed microwave oven system) into the pretreated graphite platform

with W followed by 5 µL of 1000 mg L-1 Pd chemical modifier. Samples were

solubilized by two procedures: 1) 3 mL HNO3 conc. + 2 mL H2O2 30% (v/v)

and, 2) 4 mL HNO3 20% (v/v) + 1 mL H2O2 30% (v/v). The pyrolysis and

atomization temperatures of the heating program of the atomizer were fixed at

600oC and 2200oC, respectively. The calculated characteristic masses for the

simultaneous determination were 1.6 pg Cd and 41.7 pg Pb. Limits of

detection (LOD) based on integrated absorbance were 0.02 µg L-1 Cd and

0.7 µg L-1 Pb and the relative standard deviations ( n = 10) for Cd and Pb were

5.7% and 8.0%, respectively. The recoveries of Cd and Pb added to the

digested samples varied from 91% to 125% (Cd) and 80% to 112% (Pb).

SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS

RESUMO

ABSTRACT

1. OBJETIVOS DO TRABALHO.....................................................1

2. INTRODUÇÃO..............................................................................2

2.1. Moagem..............................................................................5

2.2. Secagem..............................................................................7

2.3. Dissolução..........................................................................8

2.3.1. Dissolução Seca – Fusão e Oxidação Seca...........10

2.3.2. Dissolução Úmida – Oxidação Úmida.................12

2.3.2.1. Energia Térmica........................................15

2.3.2.2. Energia Ultra-sônica.................................16

2.3.2.3. Energia Radiante (radiação infravermelha,

ultravioleta e microondas).......................17

2.3.3. Preparo de amostras – tendências atuais e

futuras.................................................................20

3. REVISÃO DA LITERATURA....................................................25

3.1. Rochas inorgânicas usadas na agricultura orgânica ........26

3.2. Café – Importância no cenário mundial e nacional..........33

3.3. Antibióticos sólidos contendo agentes bacterianos de

origem

fermentativa

utilizados

em

processos

fermentativos alcoólicos industriais no controle de

bactérias contaminantes..................................................40

4. PARTE EXPERIMENTAL..........................................................43

4. MATERIAIS E MÉTODOS........................................................44

4.1 Materiais usados na análise de rochas moídas .................44

4.1.1. Instrumentação......................................................44

4.1.2. Reagentes, soluções e amostras............................45

4.1.3. Descontaminação e armazenagem dos materiais..46

4.2. Procedimentos testados na decomposição de rochas

moídas.............................................................................46

4.3. Materiais utilizados na análise de café verde e

torrado.............................................................................48

4.3.1. Instrumentação......................................................48

4.3.2 Reagentes, soluções e amostras.............................52

4.3.3. Descontaminação e armazenagem dos materiais..55

4.4. Procedimentos estudados no preparo das amostras de

café..................................................................................55

4.5 Tratamento dos dados: teste t emparelhado e análise

multivariada......................................................................57

4.6 Materiais utilizados na análise de antibióticos sólidos.....57

4.6.1 Instrumentação.......................................................57

4.6.2 Reagentes, soluções e amostras.............................58

4.6.3. Descontaminação e armazenagem de materiais...59

4.7 Otimização do programa de aquecimento do forno para a

determinação simultânea de Cd e Pb em antibióticos

sólidos...............................................................................60

4.8 Desenvolvimento de método para a determinação

simultânea de Cd e Pb em digeridos de antibióticos sólidos

por GFAAS.......................................................................62

4.8.1 Construção das curvas de temperatura de pirólise e

de atomização........................................................62

4.8.2. Programas de recobrimento do tubo de grafite com

o modificador permanente tungstênio e de

tratamento térmico do tubo..................................64

4.8.3 Preparo das amostras.............................................66

4.8.4 Avaliação da exatidão do método empregando

testes de adição e recuperação.............................68

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES................................................69

5.1 Teores de Cu, Fe, Mn e Zn encontrados em amostras de

rochas empregando-se 6 procedimentos diferentes no

preparo das amostras........................................................70

5.2 Teores de Ca, Mg, N, Na, K, Cu, Fe, Mn e Zn encontrados

em amostras de café verde e torrado empregando-se

3 procedimentos diferentes no preparo das amostras.......78

5.2.1 Análise de Componentes Principais (PCA) e Análise

por Agrupamentos Hierárquicos (HCA) - amostras

de café......................................................................87

5.3 Programa de aquecimento otimizado do tubo de grafite

usado na determinação de Cd e Pb em amostras de

antibiótico sólido................................................................92

5.4 Gráficos obtidos no preparo das amostras de antibióticos

sólidos em sistema de forno de microondas fechado.........99

5.5 Determinação simultânea Cd e Pb em digeridos de

antibióticos sólidos por GFAAS e avaliação da exatidão do

método empregando testes de adição e recuperação........100

6. CONCLUSÕES..........................................................................102

6.1 Rochas.............................................................................103

6.2 Café verde e torrado........................................................104

6.3 Antibióticos sólidos.........................................................105

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................106

1

1. OBJETIVOS DO TRABALHO

O objetivo desse trabalho foi avaliar comparativamente vários

procedimentos de decomposição para o preparo de amostras agroindustriais na

determinação de elementos inorgânicos por técnicas espectrométricas. Assim,

os teores de alguns macro e micronutrientes foram determinados em rochas

empregadas na agricultura orgânica (Cu, Fe, Mn e Zn) e amostras de café

verde e torrado (Ca, Mg, Na, K, N, Cu, Fe, Mn e Zn).

Encontra-se

na

literatura

uma

grande

diversidade

de

procedimentos para a decomposição desses tipos de materiais, porém, a

grande maioria deles requer longo tempo de espera até que as amostras

estejam prontas para serem analisadas. Além disso, muitos procedimentos

empregam grandes quantidades de reagentes, levando a um aumento nos

custos e resíduos gerados. Dessa forma, os procedimentos estudados sempre

primaram por alta eficiência, segurança, simplicidade, rapidez, baixo custo e

minimização de perdas, contaminações e resíduos gerados. Também, deve-se

considerar a importância desses materiais no cenário do agronegócio nacional

e mundial, principalmente quando se trata do café.

Procedimentos de decomposição em forno de microondas

convencional empregando-se ácido concentrado e diluído foram estudados na

determinação simultânea de Cd e Pb por espectrometria de absorção atômica

em forno de grafite (GFAAS). Seis amostras de antibióticos sólidos

comerciais empregados no controle de bactérias contaminantes em processos

fermentativos foram avaliadas. Os estudos foram realizados em tubos de

grafite “end-capped” recobertos com o modificador permanente W e com a

co-injeção do modificador químico Pd, visando principalmente o aumento do

tempo de vida útil do tubo de grafite.

Introdução

3

2. INTRODUÇÃO

Nos últimos cinco anos, o ritmo de crescimento do agronegócio

brasileiro foi quase o dobro do registrado pelo país. O Brasil lidera as

exportações mundiais de café, açúcar, álcool, tabaco, couro, suco de laranja,

carne bovina e de frango. Junto, o agronegócio representa cerca de 35% da

economia brasileira (PRATES; EDWARD, 2004; SALGADO, 2004). A feliz

união entre agricultura, pesquisa de ponta, investimentos em máquinas

modernas, alta tecnologia e crédito farto é a responsável por esse crescimento.

Também, com o aumento das exportações, aumentou-se a

exigência por produtos de maior qualidade com baixo custo e é nesse ponto

que vários campos da química, biologia, informática, entre outros, têm

crescido consideravelmente. Em algumas propriedades, por exemplo, o

empresário do campo examina suas lavouras palmo a palmo, digita

informações sobre a condição das plantas e do solo num computador e, com a

ajuda de um aparelho de GPS (que dá as coordenadas de latitude e longitude

via satélite) registra o local exato. Essa leitura precisa permite dar o

tratamento necessário a cada área da propriedade (PRATES; EDWARD,

2004).

Dentro desse quadro, inúmeras amostras agro-industriais têm

sido analisadas diariamente em laboratórios do mundo todo com a finalidade

de monitorar os teores de elementos inorgânicos essenciais e tóxicos, além de

outros compostos de interesse, visando um maior controle de qualidade dos

produtos comercializados. Dessa forma, toda vez que uma amostra tiver que

ser analisada, algumas etapas devem ser levadas em consideração pelo

analista, como ilustra o fluxograma à seguir (KRUG, 2000; MARKERT,

1995):

4

DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ANALÍTICO

Quais são as informações analíticas desejadas?

ESCOLHA DO MÉTODO

S implicidade, segurança, baixo custo, rapidez, mínimo de perdas,

contaminações, manipulação experimental e geração de resíduos.

AMOSTRAGEM REPRESENTATIVA

PRÉ-TRATAMENTO DA AMOSTRA

1. Físico: lavagem, secagem, homogeneização, polimento superficial...

2. Químico: oxidação via seca e via úmida, enriquecimento, especiação, extração...

M

EDIDA INSTRUMENTAL E AVALIAÇÃO / INTERPRETAÇÃO DOS

DADOS OBTIDOS

Que ações tomar? O problema analítico inicial foi resolvido?

Dentro desse quadro, uma das etapas mais críticas é a de pré-

tratamento da amostra, pois nessa etapa há maior possibilidade de aumento

dos erros estimados (cerca de 30% do valor total), tempo (61% do tempo total)

e custo (DE OLIVEIRA, 2003; KRUG, 2000; MARKERT, 1995). Em geral, a

maioria das amostras requer etapas de pré-tratamento preliminares. Dessa

forma, evidencia-se a necessidade crescente na química analítica em

desenvolver novos procedimentos analíticos para o pré-tratamento de

amostras. Esses procedimentos devem sempre primar por eficiência,

5

segurança, simplicidade, rapidez, baixo custo e minimização de perdas,

contaminações e resíduos gerados (DE OLIVEIRA, 2003; KRUG, 2000;

MARKERT, 1995).

Normalmente, amostras agro-industriais encontram-se na forma

sólida, sendo que, comumente, no pré-tratamento das amostras são

empregados três estágios antes de se proceder as análises por técnicas

espectroanalíticas: moagem, secagem e dissolução. Outras poucas técnicas

permitem a análise direta da amostra sem nenhuma preparação prévia, tais

como espectrometria de fluorescência de raios-X, ablação com laser, análise

por ativação neutrônica instrumental, termogravimetria, entre outras. As

principais desvantagens dessas técnicas é que elas não são encontradas na

maioria dos laboratórios e existem casos em que não são igualmente

apropriadas para todos elementos e tipos de amostras (KRUG, 2000).

2.1. Moagem

Uma das etapas mais prováveis de gerar erros é a moagem. Deve

ser assegurado que a composição química da amostra analisada seja a mesma

da amostra original (MARKERT, 1995). Amostras finamente divididas são

mais homogêneas e mais fáceis de serem mineralizadas, devido ao aumento da

área superficial das amostras. Podem ocorrer problemas de contaminação

devido à abrasão do almofariz ou partes do moinho (dependendo da dureza da

amostra). Também, eventualmente, ocorrem perdas por volatilização de

alguns elementos durante o processo de moagem devido ao aquecimento

excessivo da amostra. Especialmente em análises de elementos-traço (µg L-1)

ou ultra-traço (ng L-1), a contaminação com certas substâncias pode causar

distorção dos resultados analíticos obtidos. Contaminações com os elementos

6

Fe e Cr, por exemplo, foram constatadas por Markert em moagens de

materiais vegetais quando empregado moinho de aço inoxidável (MARKERT,

1995). Iwansson e Landström (2000) estudaram a contaminação de diversos

tipos de amostras de rochas moídas em três tipos de moinhos comumente

empregados. Dependendo da natureza da amostra e do tipo de moinho

empregado foram constatadas contaminações com Fe, Cr, Mn, Nb, Sc, Co, W

e Ta. O melhor é que o elemento a ser determinado não esteja presente no

moinho utilizado.

Existem três tipos de moagem:

1) Grosseira: tamanho de partícula cerca de 5 mm. Normalmente, são

usados equipamentos como moinhos de facas e moinhos

mandibulares ;

2) Fina: tamanho de partícula de 5 mm a 63 µm. Normalmente, são

usados equipamentos como moinhos vibracionais que usam discos

e sistemas de moagem que empregam almofariz;

3) Extra fina: tamanho de partícula < 63 µm. Normalmente, são

usados equipamentos como moinhos de bolas, moinho vibracionais

que utilizam bolas e moinhos criogênicos (MARKERT, 1995).

Cabe aqui um destaque especial para os moinhos criogênicos.

Estes dispositivos são utilizados na moagem de produtos com baixo ponto de

fusão, como por exemplo: materiais gordurosos, partes fibrosas de plantas,

alimentos, entre outras partes que, se não forem previamente congeladas

aglomeram-se nos equipamentos convencionais. Isso dificulta o processo de

moagem.

Também, esse tipo de equipamento apresenta outras vantagens

como por exemplo: menor contaminação das amostras (devido a menor

7

abrasão de materiais do moinho pelo baixo aquecimento das partes), maior

eficiência, o que leva a uma diminuição do tempo de moagem e possibilidade

de cominuir espécies sensíveis a oxidação (ex. carotenos, vitamina A),

substâncias que podem perder seu aroma (como por exemplo amostras de

café) e, também, hormônios, penicilinas e similares (MARKERT, 1995).

Normalmente, dióxido de carbono (ou gelo seco) e nitrogênio líquido são

utilizados em moinhos criogênicos para congelar as amostras. O nitrogênio

líquido é o mais comum. Uma aplicação comum desse tipo de moagem ocorre

quando se deseja trabalhar com suspensões de materiais sólidos em análises de

elementos inorgânicos por GFAAS (ANTHEMIDIS; PLIATSIKA, 2005;

CARRIÓN et al., 1987; FULLER; HUTTON; PRESTON, 1981; MIERZWA

et al., 1998; SANTOS JR. et al., 2002) Entretanto, a principal desvantagem de

se utilizar um moinho criogênico é o encarecimento do processo de moagem.

2.2. Secagem

Usualmente, a etapa de secagem é empregada em amostras

sólidas que apresentam água em quantidade variável e em forma não

determinada. O objetivo dessa etapa é obter um valor de referência constante

pela determinação do peso seco, uma vez que o peso líquido é difícil de

quantificar e pode influenciar na exatidão e precisão dos resultados obtidos

(KRUG, 2000; MARKERT, 1995).

A secagem pode ser feita em dessecador, estufa com circulação

forçada de ar ou por liofilização. Na liofilização (secagem a frio) a amostra é

inicialmente congelada e depois seca sob vácuo em temperaturas da ordem de

45 oC, dependendo do tipo de amostra e dos elementos a serem analisados

(KRUG, 2000). Por exemplo, podem ser secos a 105 oC: solos, rochas,

8

sedimentos e minérios, desde que não ocorram riscos de perdas de elementos

por volatilização e, excepcionalmente, por degradação (decomposição)

térmica da amostra. Em geral, materiais biológicos são secos em estufas com

circulação forçada de ar a 60 oC. Alguns minerais (como vários aluminatos e

silicatos) podem necessitar de temperaturas maiores que 1000 oC. Materiais

vegetais são secos no vácuo (15 Torr), suavemente, a temperatura de 40-60 oC.

Este tipo de secagem é muito eficiente. Além da eliminação de água das

amostras, a etapa de secagem é empregada para proteger os materiais vegetais

contra a decomposição microbiana durante o armazenamento (CORREIA;

OLIVEIRA; OLIVEIRA, 2000; MARKERT, 1995; SANTOS JR et al., 2002).

2.3. Dissolução

A grande maioria das técnicas espectroanalíticas utilizadas

rotineiramente na determinação de elementos inorgânicos requer que a

amostra esteja na forma de uma solução aquosa. Assim, a dissolução prévia

das mesmas é uma etapa importante, pois, a maioria das amostras agro-

industriais se encontra na forma sólida (HOENIG; KERSABIEC, 1996).

Amostras na forma líquida são mais versáteis do que na forma sólida nos

seguintes aspectos (KRUG, 2000):

a) As curvas analíticas podem ser feitas com soluções padrão de

fácil preparação,

b) As diluições são simples e,

c) Os constituintes podem ser separados com ou sem pré-

concentração.

9

Outras vantagens a serem consideradas na dissolução de

muitas amostras são (FLORES, 1997):

a) A mineralização converte o analito para uma forma química

simples, com uma resposta uniforme,

b) Possibilidade de destruição parcial ou total de compostos

orgânicos que interferem durante as medidas em muitas técnicas

analíticas

c) Solução homogênea resultante, o que nem sempre é observado

em sólidos.

Por outro lado, a maioria dos materiais é pouco solúvel em água

ou em outro solvente, sendo necessário dissolvê-los com ácidos ou decompô-

los com fundentes apropriados. Só, então, faz-se a dissolução com água ou

ácidos diluídos (KRUG, 2000). Como já citado anteriormente, há também a

possibilidade de se analisar diretamente algumas amostras sólidas por

algumas técnicas como espectrometria de fluorescência de raios-X, ablação

com laser, análise por ativação neutrônica instrumental, termogravimetria,

entre outras, mas essa não é regra (MIERZWA et al., 1998).

De uma forma geral, o preparo de amostras agro-industriais

(inorgânicas ou orgânicas) para análises espectroanalíticas é feito por

dissolução seca ( fusão – amostras inorgânicas e oxidação seca – amostras orgânicas) ou por dissolução úmida (empregando ácidos, mistura de ácidos ou

mistura de ácidos com outros reagentes), usando-se frascos abertos ou

fechados, pressurizados ou não (DE OLIVEIRA, 2003; LOMBARDI, 2001;

OHLWEILER, 1982).

10

2.3.1. Dissolução Seca Fusão e Oxidação Seca

Normalmente, a dissolução seca com fundentes apropriados

(usados em processos de fusão) é empregada para amostras inorgânicas que

não são facilmente dissolvidas em ácidos minerais a quente, ou que são

atacadas lentamente ou parcialmente, apenas. Alguns exemplos de amostras

desse tipo são: cimento, aluminatos, rochas silicatadas, óxidos minerais,

minérios de ferro, ligas metálicas, entre outros. Normalmente, o procedimento

de abertura da amostra baseia-se na adição de uma quantidade dez vezes maior

do fundente na amostra sólida finamente moída em cadinhos de níquel ou

platina e levados a uma mufla aquecida entre 300 a 1000oC. Faz-se o

aquecimento com o auxílio de uma chama, radiação de microondas ou por

condutividade térmica. A amostra deve ficar totalmente dissolvida na solução

fundida, resultando em um líquido claro que se solidifica com o esfriamento

da massa. O material é então solubilizado em água ou ácido diluído e fica

pronto para análise. Existem vários tipos de fusões, usualmente classificadas

de acordo com a natureza e tipo do fundente empregado:

a) Fusão alcalina com carbonatos, hidróxidos e boratos alcalinos,

b) Fusões alcalinas oxidantes com peróxido de sódio ou misturas de

carbonato de sódio e agentes oxidantes,

c) Fusões ácidas com dissulfatos, fluoretos e trióxido de boro (DE

OLIVEIRA, 2003; KRUG, 2000; OHLWEILER, 1982).

As principais desvantagens desse método são as impurezas

presentes nos fundentes que podem levar a contaminações, grandes

quantidades de eletrólitos formados na solução resultante, especialmente no

caso de algumas técnicas espectroscópicas e risco de perdas por volatilização.

11

Para o caso de amostras orgânicas, a oxidação seca baseia-se na

queima (ou pirólise) da fração orgânica da amostra com oxigênio atmosférico,

obtendo-se um resíduo inorgânico não volátil na forma de cinza,

posteriormente solubilizado em ácido diluído. As amostras são colocadas em

um cadinho (por exemplo, quartzo, porcelana) e aquecidas no ambiente

atmosférico. O oxigênio atmosférico atua como agente oxidante e o resíduo

proveniente da queima consiste de óxidos de metais, assim como sulfatos não

voláteis, fosfatos, silicatos, entre outros. O procedimento de decomposição

deve ser conduzido em um forno tipo mufla ajustando-se a temperatura a um

valor suficientemente alto para decompor a amostra em um tempo razoável

(horas), sem que ocorra a perda do analito na forma de espécies inorgânicas

voláteis. A temperatura normalmente empregada varia entre 450-550 oC. (DE

OLIVEIRA, 2003; KRUG, 2000; LOMBARDI, 2001; OHLWEILER, 1982).

A oxidação seca é uma técnica que apresenta como vantagens:

a) Simplicidade,

b) A relação entre a massa de amostra e volume final é muito

flexível,

c) Requer pouca atenção do operador,

d) Não requer ácidos concentrados,

e) Não requer capelas especiais e,

f) O digerido encontra-se em meio compatível com o método de

determinação.

12

Como desvantagens pode-se citar:

a) perdas de elementos por volatilização

b) perdas de amostra como aerosol sólido,

c) perdas de amostra na forma de espuma e,

d) alto risco de contaminação externa ou pela reação da amostra

com a superfície de cadinhos inapropriados para a calcinação.

Alguns dos problemas acima mencionados podem ser

minimizados ou solucionados das seguintes formas:

a) A adição de aditivos químicos ou reagentes auxiliares,

normalmente um sal, como por exemplo, o nitrato de magnésio,

catalisa a oxidação, minimiza perdas por volatilização e previne

reações entre os componentes da cinza e o material do cadinho,

b) O emprego de cadinhos de quartzo ou platina evitam possíveis

reações entre as cinzas e a superfície do cadinho e,

c) O uso da tampa do cadinho impede que a amostra ou parte da

mesma seja perdida (KRUG, 2000; LOMBARDI, 2001).

2.3.2. Dissolução Úmida Oxidação Úmida

Tanto em amostras agroindustriais inorgânicas como orgânicas,

na maior parte dos casos, são empregadas oxidações úmidas a quente com

ácidos minerais diluídos ou concentrados, mistura de ácidos minerais e

misturas de ácidos com outros reagentes. A dissolução desses materiais pode

ser conduzida em frascos abertos ou fechados, pressurizados ou não. A

maioria dos métodos de decomposição úmida (decomposição total ou parcial)

13

envolve o uso de alguma combinação de cinco ácidos (nítrico, clorídrico,

sulfúrico, perclórico e fluorídrico), sendo que esses dois últimos são evitados

sempre que possível, pois, podem causar explosões imprevisíveis e

queimaduras seríssimas. O ácido fluorídrico é utilizado na dissolução de

materiais contendo alto teor de silicatos. Posteriormente, os íons fluoreto

resultantes devem ser mascarados com ácido bórico (H3BO3) antes da

introdução da amostra em espectrômetros de absorção e emissão atômicas,

uma vez que esses íons podem atacar peças de vidro (borosilicato) e quartzo

presentes no interior dos equipamentos. Nesse caso específico, a escolha dos

frascos ou recipientes de decomposição também é importante, sendo que são

recomendados materiais como a platina, PTFE, PFA, TFM, polipropileno,

entre outros (DE OLIVEIRA, 2003; KRUG, 2000; LOMBARDI, 2001;

OHLWEILER, 1982).

Na prática, a grande maioria dos métodos de dissolução de

amostras agroindustriais via úmida baseia-se no uso de uma mistura de ácidos

minerais concentrados ou na mistura de ácidos minerais concentrados com

outros reagentes. Alguns aspectos importantes devem ser considerados, tais

como (DE OLIVEIRA, 2003):

a) Força e ponto de ebulição de cada ácido usado, assim como seu

poder oxidante e complexante,

b) Solubilidade dos sais resultantes,

c) Segurança na manipulação e,

d) Pureza dos reagentes.

14

No caso específico da mistura de ácidos minerais algumas

vantagens podem ser conseguidas na dissolução das amostras, tais como:

a) Diferentes propriedades úteis podem ser combinadas (ácido com

alto poder oxidante com um ácido com alto poder complexante),

b) Dois ácidos podem reagir formando produtos com maior

reatividade do que qualquer um deles empregado isoladamente,

c) Uma propriedade indesejável de um ácido pode ser moderada

pela presença de um segundo ácido e,

d) A amostra pode ser dissolvida com um ácido, o qual é separado

da mistura por um outro ácido que o substitui.

A adição de outros reagentes na mistura ácida tem por objetivo

principal melhorar a eficiência da dissolução das amostras. Dentre os

reagentes mais comuns empregados estão os agentes oxidantes (por exemplo:

H2O2), os eletrólitos inertes (por exemplo: Na2SO4) e os catalisadores (por

exemplo: Cu2+, KRUG, 2000).

Pequenas quantidades de H2O2 são usadas em procedimentos para

a oxidação de materiais orgânicos com misturas ácidas para a remoção de

produtos coloridos que permanecem em solução e para aumentar o poder

oxidante do(s) ácido(s) empregado(s). Esse reagente apresenta como

vantagens o fato de ser um agente oxidante poderoso, seu produto de

decomposição é a água (resíduo limpo) e pode ser encontrado com alto grau

de pureza.

Os eletrólitos inertes são usualmente empregados para aumentar o

ponto de ebulição de um ácido, permitindo assim maiores temperaturas finais

de dissolução.

15

Alguns catalisadores aumentam significativamente a velocidade

das reações químicas envolvidas quando usados adequadamente. Um exemplo

típico do emprego desses três tipos de reagentes com um ácido concentrado

ocorre no método Kjeldahl, que visa a determinação de nitrogênio total em

amostras orgânicas. A adição do agente oxidante H2O2 aumenta o poder

oxidante do H2SO4. O eletrólito inerte Na2SO4 (K2SO4; Li2SO4) aumenta a

temperatura de ebulição do H2SO4. A adição de um catalisador ou mistura de

catalisadores (CuSO4; HgSO4; Se) aumenta a velocidade das reações químicas

envolvidas no processo de dissolução da amostra.

As formas de energia usualmente empregadas em procedimentos

que empregam oxidação úmida a quente são a térmica, a ultra-sônica e a

radiante (infra-vermelho, ultravioleta e microondas).

2.3.2.1. Energia térmica

Decomposições feitas em frascos abertos normalmente empregam