Emprego de padrão único para a construção de curvas analíticas em sistema de análise por injeção em fluxo associado à espectrofotometria em fase sólida

Employment of a single standard solution for analytical curves in flow injection analysis system coupled to solid phase spectrophotometry

flow injection analysis; solid phase spectrophotometry; analytical curves

ARTIGO

Emprego de padrão único para a construção de curvas analíticas em sistema de análise por injeção em fluxo associado à espectrofotometria em fase sólida

Employment of a single standard solution for analytical curves in flow injection analysis system coupled to solid phase spectrophotometry

Fábio Santos de Oliveira^I; Mauro KornII, ^*

^IInstituto de Química, Universidade Federal da Bahia, Campus Universitário de Ondina, 40170-290 Salvador - BA

^IIDepartamento de Ciências Exatas e da Terra, Universidade do Estado da Bahia, Estrada das Barreiras, s/n, 41195-001 Salvador - BA

ABSTRACT

In this work two procedures were proposed for analytical curves construction using a single standard solution employing a flow injection system with solid phase spectrophotometric detection (FI-SPS). A flow cell contends the chromogenic reagent 1-(2-tiazolylazo)-2-naphtol was positioned on the optical path. The first procedure was based on controlled concentration of analyte on solid phase and the relations between absorbance and the total volume of injected allowed the calculation of analyte concentration. The second procedure was developed employing controlled dispersion/retention in flow system where analyte concentration was obtained by exploiting the relation between transient signals of samples and single standard solution at equivalent reading time. The procedures were successfully applied for zinc determination in synthetic solutions with good precision and accuracy at 95% confidence level.

Keywords: flow injection analysis; solid phase spectrophotometry; analytical curves.

INTRODUÇÃO

Sistemas automatizados de análise química são desenvolvidos para responderem a uma demanda da sociedade por mais e melhores informações. Em geral, as informações químicas retratam o que está presente em amostras, o que é, foi ou está sendo produzido, consumido e/ou descartado. Com os recursos da automação é possível processar um grande número de amostras, minimizar a duração da análise, reduzir a participação humana e o consumo/descarte de reagentes para o ambiente, sem comprometer a qualidade dos resultados. Nesta linha é que se enquadra a análise por injeção em fluxo (FIA) e suas variantes^1,2.

Apesar dos esforços para que métodos diretos de análise (volumetrias e gravimetrias) sejam incorporados a sistemas em fluxo, a maior parte dos sistemas desenvolvidos envolvem análises indiretas, as quais necessitam da construção de curvas analíticas. Para a construção de curvas analíticas é usual, mesmo em sistemas FIA, o preparo de diversas soluções de referência. Os primeiros trabalhos que ressaltavam a construção de curvas analíticas em sistemas de fluxo exploravam a diluição do analito em linha pela formação de gradiente de concentração^3,4, pela dispersão da solução de referência no percurso analítico; pela diluição da amostra e adição padrão empregando reamostragem^5-8; a comparação entre os sinais transientes da solução-referência e das amostras em intervalos de tempo de leitura equivalentes^9-11; a diluição controlada da solução do analito no fluxo carregador, empregando duas bombas peristálticas de rotação variável^12-15; variação do grau de dispersão pela mudança do comprimento da alça de amostragem¹⁶; diluição controlada em "loop" fechado¹⁷; e, pelo emprego da transformada de Fourrier em associação ao movimento peristáltico dos fluidos¹⁸.

O objetivo deste trabalho é avaliar a possibilidade de aplicação de dois procedimentos para a construção de curvas analíticas, empregando uma única solução de referência em sistema envolvendo a concentração do analito, em fase sólida, e detecção in situ. Na espectrofotometria em fase sólida o analito pode ser simultaneamente concentrado e determinado em uma única operação. Os procedimentos foram avaliados na construção de curva analítica para zinco, em sistema FIA, com detecção por espectrofotometria em fase sólida (FI-EFS).

PARTE EXPERIMENTAL

Reagentes e soluções

Todas as soluções foram preparadas com reagentes de grau analítico de pureza e água desionizada. As soluções de referência de zinco (0,10 – 2,0 µg mL^-1) foram preparadas a partir de solução estoque 1000 µg mL^-1, sendo o pH das soluções ajustado para 6,2 com solução tampão de hexamina 0,5 mol L^-1. A solução de TAN foi preparada dissolvendo-se 1,0 mg de 1-(2-tiazolilazo)-2-naftol (Merck) em 1 mL de etanol, completando o volume com solução 5% (m/v) em Triton X-100 (Merck) para 100 mL. O TAN foi imobilizado em sílica funcionalizada C₁₈ (60-100 µm), obtida a partir de cartuchos Sep-Pak (Waters) e utilizado para retenção de zinco na cubeta de fluxo. Foi utilizado água desionizada como fluido carregador.

Equipamentos

Espectrofotômetro Femto 432 (Brasil), equipado com cubeta de fluxo de 40 µL para FI-EFS. A cubeta de fluxo foi construída no laboratório, segundo Teixeira et al.¹⁹ e consiste em duas placas de Perspex de 3 mm de espessura, separadas por tira de borracha de 1 mm de espessura e conectadas por parafusos para evitar vazamentos. A cubeta de fluxo foi posicionada o mais próximo possível do detector, garantindo a iluminação de toda área da cubeta que continha a fase sólida^20,21. Um orifício retangular de 5 mm x 8 mm foi feito na tira de borracha para conter 23 mg de C₁₈, com as mesmas dimensões do feixe incidente.

Para propulsão dos líquidos foi empregada bomba peristáltica Gilson Minipuls 3 (França). O sistema de fluxo (Figura 1) foi constituído com válvulas solenóides de três vias (Neptun Research, EUA), tubos de polietileno (diâmetro interno = 0,8 mm), conectores e junções de acrílico do tipo "T".

Para aquisição dos dados gerados pelo espectrofotômetro e controle das válvulas solenóides foi empregado microcomputador, 486 equipado com interface de controle e aquisição de dados PCL 711S (Advantech, EUA). Para o acionamento das válvulas solenóides empregou-se interface de potência²⁰. Um sistema para sincronizar o início da etapa de amostragem, consistindo de bateria de 9 V conectada a uma chave interruptora (tipo "switch") posicionada para ser pressionada durante a passagem dos roletes da bomba peristáltica, foi construído. O sinal gerado pelo sincronizador era monitorado pelo sistema de controle e aquisição de dados. O software para a rotina de análise foi desenvolvido em QuickBASIC 4.5.

Diagrama de fluxo e procedimento geral

O reagente cromogênico foi imobilizado no suporte sólido bombeando, durante 10 min, a solução de TAN através da cela de fluxo contendo C₁₈, com vazão de 1,5 mL min^-1. O excesso de TAN na cubeta para FI-EFS foi removido com solução de HCl 0,1 mol L^-1 e, em seguida, água desionizada foi inserida na cubeta para retirar o excesso do ácido.

Na Figura 1 é apresentado o diagrama de fluxo. A vazão em todas as vias foi ajustada para 1,0 mL min^-1. Acionando-se simultaneamente as válvulas v₁ e v_2, interrompia-se o fluxo do carregador e a solução do analito era impulsionada para o percurso analítico. Após o intervalo de tempo de (Dt, s), v₁ e v₂ eram desativadas, voltando a fluir a solução carregadora. O volume da alíquota da solução, contendo o analito, inserida no percurso analítico é dado por V(µL) = 16,67^.Dt. A leitura do sinal analítico foi realizada em 585 nm à freqüência de 10 Hz. A etapa de eluição era realizada acionando-se simultaneamente as válvulas v₂ e v₃, interrompendo o fluxo do carregador e injetando a alíquota da solução do eluente (HCl 0,1 mol L^-1). Os intervalos de tempo de eluição não eram os mesmos para as duas rotinas estudadas. Ao atingir a cubeta de fluxo, a solução do eluente (HCl 0,1 mol L^-1) desproporcionava o complexo Zn-TAN, removendo os Zn²⁺. A remoção do reagente cromogênico não era significativa. Por fim, desativando as válvulas v₂ e v₃, apenas o carregador era introduzido no percurso analítico.

Procedimento A

Inicialmente foram realizadas 6 injeções seqüenciais da solução de referência de Zn²⁺ (2,00 µg mL^-1) ativando simultaneamente v₁ e v₂ por 2 s (V = 33 µL). O íon metálico foi eluído pela inserção de 40 µL da solução de HCl. Após cada uma das injeções do analito era realizada a leitura dos sinais transientes por 45 s, sendo armazenado o sinal máximo nesse intervalo de tempo. Curvas relacionando a absorbância medida com o tempo total de abertura de v₁ e v₂ foram traçadas para a solução de referência (2,00 µg mL^-1) e para amostras sintéticas de zinco. A concentração de zinco nas amostras foi calculada, relacionando as inclinações das retas obtidas para solução do padrão único e para as amostras.

Procedimento B

Fez-se a inserção de 83 µL da solução de referência (2,00 µg mL^-1) no percurso analítico, sendo registrado o perfil dos sinais transientes durante 45 s. Após este período o Zn²⁺ foi eluído pela injeção de 40 µL de solução de HCl 0,1 mol L^-1. O mesmo procedimento foi realizado para as amostras sintéticas de zinco. A concentração de zinco nas amostras sintéticas foi calculada relacionando os sinais analíticos da solução de referência com os sinais analíticos de cada uma das amostras sintéticas em intervalos de tempo de leitura equivalentes, empregando os sinais analíticos obtidos 17 s após a amostragem.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Procedimento A

Em espectrofotometria em fase sólida (EFS) o valor de absorbância registrado depende da absortividade do complexo do analito com o reagente em fase sólida, do caminho ótico, da concentração do analito na solução amostra, do volume da solução do analito posto em contato com a fase sólida, da massa de fase sólida, da densidade da fase sólida e da razão de distribuição da fase sólida. Em condições de equilíbrio a absorbância na fase sólida é dada por²²:

onde A_sf é a absorbância da fase sólida, a_sf é a absortividade (mL µg^-1 cm^-1), b_sf é o caminho ótico (cm), C_o é a concentração do analito na solução amostra (µg mL^-1), V_aq é o volume da solução amostra que interagiu com a fase sólida (mL), m_sf é a massa da fase sólida (g), d_sf é a densidade da fase sólida (g mL^-1) e D é a razão de distribuição do analito entre a fase sólida e a fase aquosa.

Quando o valor da razão de distribuição é muito maior que o volume da solução de analito que interage com a fase sólida, o quociente entre V_aq e D tende a zero e o valor da absorbância da fase sólida é dado por:

Mantendo-se o caminho óptico e a massa da fase sólida constantes, pode-se representar a Equação 2 da seguinte forma:

onde K_sf é uma constante que engloba a absortividade do complexo imobilizado na fase sólida, caminho ótico, massa e densidade da fase sólida. A partir da Equação 3 pode-se observar que, mantendo-se constante a concentração do analito na solução, a relação entre o sinal analítico e o volume de solução é linear, dentro de uma faixa de volume²³.

No sistema FI-EFS proposto, o volume de solução injetada depende da vazão (f) e do tempo de abertura da válvula. Englobando a vazão na constante, temos:

Caso sejam realizadas injeções consecutivas da solução de referência, sem que sejam realizadas eluições entre estas, a absorbância será diretamente proporcional ao tempo total (ou cumulativo) de abertura da válvula do analito:

onde A_R é a absorção da solução de referência e b_R é uma constante de proporcionalidade para essa solução de referência que pode ser obtida por regressão linear (A_Rx t). Realizando o mesmo processo para uma solução-amostra tem-se:

onde A_s é a absorbância e b_s é a constante de proporcionalidade para essa solução-amostra. Sabendo-se que b_S = K'_sf C_s e b_R = K'_sf C_R, onde C_R e C_s são, respectivamente, as concentrações do analito nas soluções de referência e amostra, pode-se calcular a concentração da amostra empregando um único padrão através da relação:

Procedimento B

A absorbância após um determinado tempo t da inserção da alíquota da solução de referência no percurso analítico é dada por:

onde K_(t) é uma constante de proporcionalidade relacionada com a absortividade após t segundos, A_R(t) a absorbância após t segundos. A absorbância da amostra após o mesmo intervalo de tempo t e com volume injetado igual ao do padrão, supondo que a zona da amostras duas soluções sofreram os mesmos níveis de dispersão, é dada por:

A relação entre a A_s(t) e A_R(t) é dada por

A inclinação da reta obtida de A_s(t) em função de A_R(t) é dada por:

sendo possível a obtenção dos valores de F, para as diferentes amostras, por regressão linear. A concentração do analito é calculada por:

A Equação 12 evidencia a possibilidade de determinação de espécies química por FI-EFS empregando uma única solução de referência e efetuando a injeção de uma única alíquota da amostra.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Avaliação do procedimento A

Esta metodologia para construção de curvas analíticas em sistemas FI-EFS é baseada na concentração controlada do analito, em função do volume injetado de solução. O procedimento desenvolvido empregando injeções seqüenciais da solução do padrão único foi avaliado para determinação de zinco. Foram construídas curvas relacionando o valor de absorbância, obtido após cada injeção, com o tempo total de acionamento da válvula da amostra (v₁) para a solução de referência e para as soluções de zinco em diferentes concentrações, como apresentado na Figura 2.

Todas as curvas ilustradas na Figura 2 apresentaram boa linearidade (r > 0,996, N = 6), comprovando a ocorrência de relação linear entre absorbância e tempo de acionamento de v₁ para o sistema FI-EFS desenvolvido. Na Figura 2 pode ser observado que os coeficientes angulares aumentaram com o aumento da concentração de zinco nas soluções avaliadas, [b = 0,01065^.C_Zn (µg mL^-1) + 0,00002, r = 0,9998, N = 8].

Empregando solução de referência 2,00 µg mL^-1 em Zn²⁺, o procedimento foi empregado para determinação de zinco em amostras sintéticas, sendo os resultados apresentados na Tabela 1.

A partir dos dados apresentados na Tabela 1 pode-se concluir que as concentrações de zinco calculadas concordam com as concentrações reais, apresentando boa precisão e exatidão para um nível de 95% de confiabilidade.

Durante os experimentos foi constatada dependência linear (r = 0,9998, N = 6) entre a absortividade molar aparente e o volume injetado das soluções de zinco, obtendo uma equação do tipo e (l mol^-1 cm^-1) = (417 ± 4) V(µL) – (5,4 ± 0,6)10³. Desta forma, a sensibilidade do método analítico pode ser controlada.

Empregando o procedimento A, no sistema FI-EFS, foram processadas 12 amostras por hora, em triplicata, sendo possível realizar até 120 injeções sem a necessidade de nova imobilização do TAN no C₁₈. O consumo máximo das soluções contendo o analito, para determinações realizadas em triplicata, foi inferior a 3 µg de zinco (1,40 mL) por análise. Os limites de detecção e quantificação foram estimados em 15 µg L^-1 e 50 µg L^-1, respectivamente²⁴.

Avaliação do Procedimento B

Esta metodologia baseia-se na dispersão controlada no percurso analítico do sistema FIA, associada à concentração na fase sólida. As curvas apresentadas na Figura 3 ilustram os perfis dos sinais transientes obtidos após injeções de 83 µL das soluções de Zn²⁺ na faixa de concentração entre 0,10 e 2,0 µg mL^-1, podendo ser observado que as inclinações das curvas aumentam com o aumento da concentração do analito. Isso ocorre, pois, como para todas soluções contendo o analito foi injetado o mesmo volume (83 µL), a quantidade de analito que chega à cubeta por unidade de tempo aumenta com o aumento da concentração. A partir dessa informação, uma alternativa mais evidente para o cálculo da concentração empregando solução única de referência seria empregar as derivadas da absorbância em função do tempo relacionadas com as soluções de referência e da amostra. Todavia, nesse caso, o uso da derivada diminuiria significativamente a relação sinal ruído, dificultando a estimativa da concentração do analito nas amostras.

Nessa metodologia, empregou-se o coeficiente angular da reta obtida plotando-se os valores de absorbância da amostra versus os da solução de referência, correspondentes aos mesmos intervalos de tempo pós-amostragem, para o cálculo das concentrações de zinco. Assim, um grande número de pontos (N = 430) são empregados para o cálculo por regressão linear da inclinação dessas retas, aumentando o grau de confiabilidade no resultado (concentração do analito nas amostras).

A Figura 4 ilustra as curvas que relacionam os valores de absorbância das amostras com a absorbância da solução do padrão único de zinco (2,00 mg mL^-1), sendo que todas as curvas apresentaram linearidade satisfatória, apresentando coeficientes de correlação linear superiores a 0,990 (N = 430). A não linearidade das retas (Figura 4) para concentrações acima de 0,50 mg mL^-1 se deve principalmente à variação do coeficiente de dispersão com o aumento da concentração do analito, o que poderia ser contornado empregando-se uma câmara de mistura no percurso analítico. Contudo, a relação linear entre as inclinações das retas e as concentrações do analito permitiu a aplicação dessa metodologia, uma vez que essas estão diretamente relacionadas com as derivadas dos sinais em relação aos tempos de leitura. Segundo as curvas ilustradas na Figura 4, a inclinação das retas aumenta com o aumento da concentração de zinco nas amostras ( [f = 0,478 C_s (µg mL^-1) + 0,025], r = 0,99995, N = 7).

Na Tabela 2 são apresentados os resultados obtidos no cálculo das concentrações de zinco em amostras sintéticas empregando o procedimento baseado na dispersão controlada. Pode-se constatar que os valores de concentração calculados concordaram com os valores reais para 95% de confiabilidade.

A sensibilidade das medidas realizadas injetando-se 83 µL das soluções contendo zinco foi elevada, sendo a absortividade molar aparente estimada em 4,35x10⁴ L mol^-1 cm^-1. O consumo máximo das soluções de zinco foi inferior a 1 µg do analito (1,0 mL) por análise. Os limites de detecção e quantificação foram estimados em 18 µg L^-1 e 62 µg L^-1 , respectivamente²⁴.

O sistema proposto possibilitou a determinação de até 30 amostras por hora, sendo possível a realização de até 50 injeções sem a necessidade de repor o reagente cromogênico na fase sólida.

Comparação entre os procedimentos de construção de curvas analíticas a partir de solução de referência única

O Procedimento A apresentou algumas vantagens: (i) a existência de um modelo teórico (teoria da extração líquido sólido), prevendo a existência de uma região onde ocorre dependência entre o sinal analítico e o volume de solução do analito posto em contato com a fase sólida; (ii) pode ser empregado em sistemas em batelada; e, (iii) como a eluição foi realizada somente após a realização de uma série de injeções da solução do analito, o ácido injetado removia uma quantidade menor do reagente imobilizado, permitindo empregar a cubeta para um maior número de determinações sem que fosse realizada a etapa de recondicionamento da fase sólida.

Contudo, podem ser inferidas algumas vantagens pela aplicação do Procedimento B (dispersão controlada): (i) como é necessária uma única injeção da solução da amostra e da referência, houve aumento na freqüência analítica e, conseqüentemente, (ii) diminuição no consumo das soluções e, (iii) devido ao elevado número de pontos envolvidos na estimativa dos coeficientes angulares, os resultados tendem a ter melhor precisão.

A diferença entre os valores de absortividade molar aparente obtidos no procedimento B (4,35x10⁴ L mol^-1 cm^-1) e no procedimento A (2,92x10⁴ L mol^-1 cm^-1), adotando-se o volume injetado de 83 µL no dois casos, deve-se ao aumento da velocidade de retenção do analito na fase sólida quando a zona da amostra estava menos dispersa, o que ocorreu no procedimento B.

Todavia, segundo os dados exibidos nas Tabelas 1 e 2, os resultados obtidos pelos dois procedimentos foram comparáveis quanto à precisão e exatidão, para 95% de confiabilidade. Deve-se salientar que o rigor na preparação da solução de referência é imprescindível em ambos procedimentos, visto que os possíveis erros sistemáticos presentes nessa etapa devem ser desprezíveis quando comparados aos erros aleatórios oriundos das etapas de retenção, reação e medida, assemelhando-se à construção convencional de curvas de calibração a partir de diluições de uma solução estoque.

CONCLUSÃO

As metodologias propostas mostraram-se simples e eficientes para a determinação de zinco em amostras sintéticas, empregando uma única solução de referência, apresentando boa precisão e exatidão.

O grau de automação relativamente elevado do sistema possibilitou a realização das determinações com o mínimo de intervenção do operador, uma vez que a aquisição de dados e a manipulação do sistema FI-EFS foram controladas por software. O sistema FI-EFS mostrou-se versátil, não sendo necessárias alterações nas configurações para as determinações empregando as duas metodologias.

As metodologias de cálculo descritas podem ser aplicadas a qualquer sistema FI-EFS, empregando outros reagentes, suportes sólidos e analitos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Superintendência de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Governo do Estado da Bahia (CADCT), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

Recebido em 15/5/02

Aceito em 13/11/02

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  04 Ago 2003
• Data do Fascículo
  Ago 2003

Histórico

• Aceito
  13 Nov 2002
• Recebido
  15 Maio 2002