BRUNA REGINA DE TOLEDO SAMPAIO
NOVAS ABORDAGENS PARA MICROEXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPME): EXTRAÇÃO EMPREGANDO FIBRA RESFRIADA E USO DE
RECOBRIMENTOS POLIMÉRICOS IÔNICOS LÍQUIDOS CAMPINAS 2015
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
BRUNA REGINA DE TOLEDO SAMPAIO
NOVAS ABORDAGENS PARA MICROEXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPME): EXTRAÇÃO EMPREGANDO FIBRA RESFRIADA E USO DE
RECOBRIMENTOS POLIMÉRICOS IÔNICOS LÍQUIDOS
ORIENTADOR: PROF. DR. FABIO AUGUSTO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRA EM QUÍMICA NA ÁREA DE QUÍMICA ANALÍTICA.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA POR BRUNA REGINA DE TOLEDO SAMPAIO, E ORIENTADA PELO PROF.DR. FABIO AUGUSTO.
_______________________ Assinatura do Orientador CAMPINAS ANO
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Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca do Instituto de Química
Simone Lucas Gonçalves de Oliveira - CRB 8/8144
Sampaio, Bruna Regina de Toledo,
Sa47n SamNovas abordagens para microextração em fase sólida (SPME) : extração empregando fibra resfriada e uso de recobrimentos poliméricos iônicos líquidos / Bruna Regina de Toledo Sampaio. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
SamOrientador: Fabio Augusto.
SamDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química.
Sam1. Microextração em fase sólida. 2. Fibra resfriada. 3. Polímero iônico líquido. 4. Cromatografia gasosa. 5. Espectrometria de massas. I. Augusto, Fabio. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: New approaches to solid-phase microextraction (SPME) : cold fiber
extractions and polimeric ionic liquid sorbent coatings
Palavras-chave em inglês:
Solid phase microextraction Cold fiber
Ionic liquid polymer Gas chromatography Mass spectrometry
Área de concentração: Química Analítica
Titulação: Mestra em Química na área de Química Analítica Banca examinadora:
Fabio Augusto [Orientador] Eduardo Carasek da Rocha Susanne Rath
Data de defesa: 06-03-2015
Programa de Pós-Graduação: Química
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
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“But I have promises to keep and miles to go before I sleep. And miles to go before I sleep.”
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Dedico esta dissertação à minha família, em especial à minha mãe Therezinha, por ser um exemplo de vida, por todo amor, carinho, compreensão, incentivo e apoio incondicional nos momentos difíceis e nos felizes também. Dedico também ao meu querido namorado Leandro por todo amor, carinho, companheirismo, incentivo, paciência, respeito e por tornar meus dias mais felizes. À vocês meu eterno amor e agradecimento!
"Love is our true destiny. We do not find the meaning of life by ourselves alone. We find it with another." (Thomas Merton)
“ Talvez não tenhamos conseguido fazer o melhor, mas lutamos para que o melhor fosse feito, não somos o que deveríamos ser, não somos o que iremos ser, mas graças a Deus não somos o que éramos.” (Martin Luther King)
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AGRADECIMENTOS
Agradeço à minha família: minha mãe Therezinha, minha tia Cristina, meus primos Guilherme e Gustavo e meus avós (in memorian) por todo amor, apoio e carinho! Sem vocês não teria alcançado meus sonhos e nem chegado onde cheguei! Meu imenso obrigada!
Agradeço ao professor Fabio Augusto por todas as oportunidades concedidas, pela sua orientação, por todo aprendizado e pela confiança que depositou em mim. Ao senhor muito obrigada!
À minha orientadora de iniciação científica professora Carla Bottoli pela oportunidade, orientação e ensinamentos.
Aos professores Matthieu Tubino e Susanne Rath pelas sugestões no exame de qualificação que contribuíram para o aprimoramento desse trabalho. Agradeço também ao professor Eduardo Carasek e novamente à professora Susanne pela disponibilidade em participar da minha banca de defesa, pelas correções e por todas as valiosas sugestões que contribuíram nessa dissertação.
Aos meus queridos companheiros de laboratório (Andréia, Bruno, Gabriela, Fabiana, Fabiane, Helga, Karina, Jadson, Jordana, Julie, Márcio, Mariana, Mayra, Paloma, Paula, Paulo, Sandra, Stanis e Soraia) pelo aprendizado e pelos momentos de descontração. À nossa técnica Lucília por ser sempre tão amiga e prestativa!
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Aos amigos da favela da UNICAMP agradeço pela inestimável amizade e acima de tudo pelas lembranças que guardo com muito carinho no meu coração! Aos amigos da turma 08, em especial ao Willian Dantas e à Mariana Baptistão pelo companheirismo, pelos conselhos e por todos esses anos de sincera amizade! Adoro vocês! Obrigado.
Aos professores do IQ/UNICAMP que contribuíram para minha formação profissional e pessoal. Aos funcionários do IQ/UNICAMP pela enorme presteza e carinho com que sempre me trataram.
Ao meu querido companheiro Leandro por todo incentivo durante minha graduação e mestrado, amor, carinho, paciência, compreensão e por todos os momentos maravilhosos que já se passaram e por todos aqueles que estão por vir. Agradeço também a seus pais Lau e Wong, sua irmã Daniela, seu cunhado Donald e seus sobrinhos Julie e Carl pelo carinho e apoio.
Enfim, agradeço à todos que contribuíram direta ou indiretamente para o desenvolvimento deste trabalho.
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ACKNOWLEDGEMENTS
I would like to thank prof. Jared Anderson for providing us this unique and wonderful opportunity! Thank you for all the learning, support, friendship, and advices. I really miss working in your lab!
To my dearest labmates Ali, Cheng, Honglian, Julia, Kevin, Melissa, Nicholas, Omprakash, Rui, Tianhao, Tien, and Will thank you. I have learned so much in such a short period of time! I have learned so much about ionic liquids, but I also learned about your culture, values and language. It was my pleasure to work with you guys!
In special, thank you Tien and Honglian for the invaluable friendship! Thank you for welcoming us so warmly! Thank you for our lunches and dinners together and for our wonderful conversations! My stay in Toledo would not have been the same without you! I really miss you guys! Hope you guys can visit Brazil soon!
Finally, I would also like to acknowledge all staff from The University of Toledo that contributed to this work and Supelco for providing us with part of the consumables used throughout this work. Thank you!
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SÚMULA CURRICULAR
Nome: Bruna Regina de Toledo Sampaio1) Formação Acadêmica:
Ano Título ou Atividade Instituição
2008 – 2012 Graduação Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) 2013 – 2015 Mestrado UNICAMP
2013 – 2014 Estágio no Exterior The University of Toledo
2) Lista de Financiamentos à Pesquisa:
Vigência Tipo de Bolsa Agência de Fomento
2010 – 2011 Iniciação Científica PIBIC/SAE 2011 – 2012 Iniciação Científica PIBIC/SAE 2013 Mestrado CAPES
2013 – 2014 Estudante Visitante The University of Toledo
3) Indicadores Quantitativos:
- Publicações em Periódicos com Seletiva Política Editorial: Artigos da Dissertação:
1. B. R. Toledo, L. W. Hantao, T. D. Ho, F. Augusto, J. L. Anderson,
Journal of Chromatography A 1346 (2014) 1-7.
2. T. D. Ho, B. R. Toledo, L. W. Hantao, J. L. Anderson, Analytica
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Outros Artigos:
1. L. W. Hantao, B. R. Toledo, F. A. L. Ribeiro, M. Pizetta, C. G.
Pierozzi, E. L. Furtado, F. Augusto, Talanta 116 (2013) 1079-1084.
- Capítulos em Livros: Um (01) capítulo sobre Microextração em Fase
Sólida (SPME) no livro intitulado “Preparo de Amostras para Análise de
Compostos Orgânicos” da Editora GEN.
- Apresentações em Congressos: 5 (pôster) e 2 (oral). 4) Outras informações:
- Participações no Programa de Estágio Docente (PED): 1˚S/2014 (QA-316
Química Analítica III) e 2˚S/2014 (QA-416 Química Analítica IV).
- Participação no Programa de Apoio Didático (PAD): 1˚S/2012 (QG-107 Química I (Biologia) e QG-100 Química (Engenharia Mecância)).
- Prêmios:
1. Melhor Pôster, Congresso Latino-Americano de Cromatografia e Técnicas
Relacionadas (COLACRO, 2012).
2. Melhor Pôster, International Symposium on Advances in Extraction
Technologies (Extech, 2013). - Organização de eventos:
1. I Escola de Inverno de Separações, Universidade Estadual de Campinas,
Campinas, 2010.
2. 15th International Symposium on Advances in Extraction Technologies, João Pessoa, 2013.
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RESUMO
Título: NOVAS ABORDAGENS PARA MICROEXTRAÇÃO EM FASE
SÓLIDA (SPME): EXTRAÇÃO EMPREGANDO FIBRA RESFRIADA E USO DE RECOBRIMENTOS POLIMÉRICOS IÔNICOS LÍQUIDOS. Nesta dissertação são descritas duas novas abordagens para microextração em fase sólida. A primeira delas tem como objetivo aumentar a massa dos analitos extraídos já que a mesma é limitada pelo reduzido volume da fase extratora. Para isso, foi desenvolvido um dispositivo no qual ocorre a compartimentalização do processo de dessorção dos analitos da matriz e a sorção dos mesmos pela fibra de SPME. Dessa forma é possível operar simultaneamente nas temperaturas ótimas de cada processo. O processo de extração ocorre no modo headspace dinâmico, no qual um gás de purga é percolado pela matriz aquecida, tornando-se saturado pelos analitos. Este gás transporta os analitos para o interior do dispositivo onde os mesmos serão extraídos pela fibra de SPME resfriada. Esse resfriamento é vantajoso pois a sorção do analitos pela fibra é um processo exotérmico. Já a segunda abordagem propõe a confecção de novas fibras sortivas baseadas em polímeros iônicos líquidos (PILs) com o intuito de expandir a aplicabilidade da SPME pois comercialmente, a quantidade de fibras disponíveis é bastante limitada, principalmente no que se refere à extração de analitos polares. Nesta abordagem foi possível a confecção de fibras baseadas em PILs empregando-se nitinol como suporte, o que promoveu maior resistência e durabilidade para a fibra. Estas novas fibras foram submetidas à condições adversas de extração, mantendo sempre sua seletividade ao longo das extrações além de apresentaram valores de desvio padrão relativo em torno de 15% na extração de mistura de padrões. Por fim, tais fibras foram aplicadas, como prova de conceito, em um estudo de simulação de adulteração em café, ou seja, na diferenciação de cafés de origens distintas.
xix
ABSTRACT
Title: NEW APPROACHES TO SOLID-PHASE
MICROEXTRACTION (SPME): COLD FIBER EXTRACTIONS AND POLYMERIC IONIC LIQUID SORBENT COATINGS.
This dissertation describes two new approaches to solid-phase microextraction (SPME). The first approach aims to increase the mass of the extracted analytes, which is limited by the small volume of the extraction phase. In this context, it is proposed the development of a device that compartmentalizes the desorption of the analytes from the matrix to the headspace and their sorption by the SPME fiber. This setup allows the simultaneous operation of each process at their optimum temperatures. The extraction process takes place in the dynamic headspace where an inert purge gas is percolated through the sample matrix, becoming saturated with the analytes. This gas transports the analytes to the device where they will be sorbed by cold SPME fiber. This cooling is advantageous since the sorption of analytes by the fiber is an exothermic process. The second approach proposes the development of sorbent coatings based on polymeric ionic liquids (PILs) in order to expand the diversity of SPME coatings, as the commercially available fibers are rather limited, especially with respect to the extraction of polar analytes. In this approach it was possible to fabricate fibers based on PILs using nitinol as support, which promoted a greater strength and durability to the fiber. These new fibers were subjected to adverse extraction conditions; such fibers maintained their selectivity throughout the study and exhibited values of standard deviation around 15% in the extraction of a standard mixture. Finally, the fibers were applied, as a proof of concept, in a study of adulteration in coffee (simulation), in other words, to distinguish coffees with different origins.
xxi
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIAÇÕES E ACRÔNIMOS ...xxv
LISTA DE TABELAS ...xxxi
LISTA DE FIGURAS ...xxxiii
CAPÍTULO 1: Introdução Geral ...1
1.1 Introdução geral ...3
1.2 Referências Bibliográficas ...9
CAPÍTULO 2: Desenvolvimento e aplicação de um dispositivo que emprega fibra resfriada no modo headspace dinâmico ...11
2.1 Introdução e justificativa ...13 2.2 Revisão Bibliográfica ...19 2.3 Teoria ...35 2.4 Objetivos ...39 2.5 Materiais e Métodos ...40 2.5.1 Reagentes e materiais ...40 2.5.2 Montagem do dispositivo ...41 2.5.3 Métodos ...45
2.5.3.1 Avaliação da aplicabilidade do dispositivo em estudos quantitativos e repetibilidade ...45
2.5.3.2 Estudo do dispositivo ...46
2.5.3.3 Aplicação em amostras de alimentos ...46
2.5.3.4 Instrumental Analítico ...47
2.5.3.5 Identificação dos analitos ...48
2.6 Resultados e discussão ...49
2.6.1 Fundamentos ...49
2.6.2 Montagem do dispositivo de resfriamento de fibras de SPME no modo headspace dinâmico ...50
xxii
2.6.3 Otimização dos parâmetros do dispositivo de resfriamento de fibras de SPME no modo headspace dinâmico ...58 2.6.4 Avaliação da aplicabilidade do protótipo em amostras de alimentos ...63 2.7 Conclusões Parciais ...69 2.8 Referências Bibliográficas ...70 CAPÍTULO 3: Confecção de fibras sortivas com recobrimentos poliméricos iônicos líquidos ...73 3.1 Introdução e justificativa ...75 3.2 Revisão Bibliográfica ...84 3.2.1 Líquidos iônicos e polímeros iônicos líquidos empregados como fases extratoras para microextração em fase sólida (SPME) ...84 3.2.1.1 Fibras de SPME baseadas em fases sorventes derivadas de ILs revestidas fisicamente ...84 3.2.1.2 Fibras de SPME baseadas em fases sorventes derivadas de ILs quimicamente ligadas...88 3.2.1.3 Fibras de SPME baseadas em fases sorventes derivadas de polímeros iônicos líquidos...92 3.3 Objetivos ...101 3.4 Materiais e métodos ...102 3.4.1 Confecção de fibras para SPME recobertas com polímeros iônicos líquidos quimicamente imobilizados em fios de nitinol (NiTi) ...102 3.4.1.1 Reagentes e materiais ...102 3.4.1.2 Instrumental Analítico ...103
xxiii
3.4.1.4 Confecção das fibras de SPME ...110 3.4.1.5 Avaliação das fibras ...111 3.4.1.6 Prova de conceito: determinação de ésteres ftálicos em café ...115 3.4.2 Detecção e quantificação de adulteração em café utilizando polímeros iônicos líquidos como fases extratoras ...117
3.4.2.1 Reagentes e materiais ...117 3.4.2.2 Instrumental Analítico ...117 3.4.2.3 Síntese dos líquidos iônicos ...118 3.4.2.4 Confecção das fibras de SPME ...119 3.4.2.5 Preparo de amostra ...120 3.4.2.6 Identificação dos analitos ...120 3.4.2.7 Análise multivariada de dados ...121 3.5 Resultados e discussão ...121 3.5.1 Confecção de fibras para SPME recobertas com polímeros
iônicos líquidos quimicamente imobilizados em fios de nitinol (NiTi) ...123 3.5.1.1 Avaliação das fibras ...123 3.5.1.2 Prova de conceito: determinação de ésteres ftálicos
em café ...134 3.5.2 Detecção e quantificação de adulteração em café utilizando
polímeros iônicos líquidos como fases sorventes ...137 3.6 Conclusões parciais ...154 3.7 Referências Bibliográficas ...156 CAPÍTULO 4: Conclusões Gerais e Perspectivas ...163 4. Conclusões gerais e perspectivas ...165
xxv
LISTA DE ABREVIATURAS E ACRÔNIMOS
2AP: 2-acetil-1-pirrolina
[AMIM]: 1-alil-3-metilimidazólio
[BMIM]: cátion 1-butil-3-metilimidazólio [EeMim]: cátion 1-etóxietil-3-metilimidazólio [OMIM]: cátion 1-octil-3-metilimidazólio
[Phpromim]: cátion 1-metil-3-fenilpropilimidazólio [ViBHDIM]: cátion 1-vinil-3-benzilhexadecilimidazólio [ViHIm]: cátion 1-vinil-3-hexilimidazólio
[ViHDIm]: cátion 1-vinil-3-hexadecilimidazólio [Cl]: ânion cloreto
[CO2CF3]: ânion trifluoroacetato
[NMes2]: ânion bis(metilsulfonil)imidato
[NTf2]: ânion bis(trifluorometil)sulfonilimidato
[PF6]: ânion hexafluorofosfato
[TfO]: ânion trifluorometanosulfonato AIBN: 2,2’-azo-bis(isobutironitrila)
xxvi
BMPO: bis[(3-metildimetóxisilil)propil] BMPT: N-butil-metilpiridínio
BTEX: mistura composto por benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno CAR/PDMS: Carboxen/poli(dimetilsiloxano)
CF-SPME: microextração em fase sólida com fibra resfriada CTL: sensor de cataluminescência
CW/DVB: Carbowax/divinilbenzeno
DAROCUR 1173: 2-hidróxi-2-metilpropiofenona DHS: extrações no modo headspace dinâmico DTG: gravimetria térmica diferencial
DVB/CAR/PDMS: divinilbenzeno/Carboxen/poli(dimetilsiloxano) EOF: fluxo eletroosmótico
FAMEs: ésteres metílicos de ácidos graxos GC: cromatografia gasosa
GC x GC: cromatografia gasosa bidimensional abrangente
GC-FID: cromatógrafo à gás com detecção por ionização em chama GC-MS: cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas
xxvii
GC-NPD: cromatógrafo à gás com detector de nitrogênio-fósforo
GC-TOFMS: cromatógrado à gás hifenado à um espectrômetro de massas com analisador por tempo de vôo
HCB: hexaclorobenzeno
HOCs: contaminantes orgânicos hidrofóbicos
HP-50: coluna cromatográfica composta de poli(difenildimetilsiloxano) com 50% de monômero difenilsiloxano
HS: headspace
HS-SPME: extração por microextração em fase sólida através do headspace ILs: líquidos iônicos
IT-MS: espectrômetro de massas com analisador ion trap (armadilha de íons)
LC: cromatografia líquida
LTPRI: índice de retenção linear com temperatura programada MALDI: dessorção/ionização à laser auxiliada por matriz MDGC: cromatografia gasosa multidimensional
MTBE: éter metil terc-butílico NiTi: nitinol
xxviii
NTD: extração em agulha PA: poli(acrilato)
PAEs: ésteres aromáticos ftálicos
PAHs: hidrocarbonetos policíclicos aromáticos PCA: análise de componentes principais
PDMS: poli(dimetilsiloxano)
PDMS/DVB: poli(dimetilsiloxano)/divinilbenzeno
PDMS-MTMS: poli(dimetilsiloxano)-metiltrimetóxisilano PEEs: estrogênios ambientais fenólicos
PEG: poli(etilenoglicol)
PILs: polímeros iônicos líquidos
PLS: Regressão por Mínimos Quadrados Parciais PTFE: poli(tetrafluoretileno)
RMN: ressonância magnética nuclear
RMSEC: raiz quadrada do erro médio quadrático da calibração
RMSECV: raiz quadrada do erro médio quadrático de validação cruzada RMSEP: raiz quadrada da média quadrática dos erros de previsão
xxix
RMSPD: raiz quadrada percentual do desvio RSD: desvio padrão relativo
RTILs: líquidos iônicos que são líquido na temperatura ambiente SBSE: extração sorvente em barra de agitação
SDV: desvio padrão do erro da validação externa SFE: extração empregando fluído supercrítico SIM: monitoramento seletivo de íons
SLB-5ms: coluna cromatográfica composta de poli(difenildimetilsiloxano) com incorporação de 5% do monômero difenilsiloxano
SN2: reação de substituição nucleofílica bimolecular
SPE: extração em fase sólida
SPME: microextração em fase sólida TEC: componente termoelétrico TGA: análise termogravimétrica THF: tetrahidrofurano
TIC: cromatograma de íons totais UV: ultravioleta
xxx
VOCs: compostos orgânicos voláteis VTMS: viniltrimetóxisilano
xxxi
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Analitos e suas temperaturas iniciais ótimas em extrações
empregando CF-SPME.26...26
Tabela 2.2. Avaliação da repetibilidade do protótipo de maior volume
morto*...50
Tabela 2.3. Seleção do modo de resfriamento do gás nitrogênio empregado
no dispositivo que resfria fibras de SPME no modo headspace dinâmico: banho de gelo vs nitrogênio líquido*...52
Tabela 2.4. Avaliação da repetibilidade do dispositivo*...55
Tabela 2.5. Sumário das condições ótimas de ciclo de trabalho e
porcentagem de resfriamento obtidas para cada analito...59
Tabela 3.1. Principais interações intermoleculares que podem existir entre
ILs e analitos neutros...73
Tabela 3.2. Composição e abreviação das fibras baseadas em PILs
envolvidas no estudo de copolimerização fotoiniciada por radiação UV.60..94
Tabela 3.3. Abreviação e composição das fibras baseadas em PILs
suportadas em nitinol empregadas no estudo de sua avaliação...106
Tabela 3.4. Nome, estrutura e íons monitorados dos analitos utilizados na
avaliação das fibras confeccionadas...107
xxxii
utilizados no estudo da aplicação de fibras baseadas em PILs suportadas em nitinol...111
Tabela 3.6. Identificação e composição das fibras baseadas em PILs
utilizadas nos estudo de adulteração em café...114
Tabela 3.7. Intervalos de desvio padrão obtidos nos estudos envolvendo
pH...125
Tabela 3.8. Valores de exatidão e desvio padrão relativo obtidos na extração
de ésteres aromáticos ftálicos em café líquido (60 ˚C) através de imersão direta empregando-se a Fibra 3...131
Tabela 3.9. Identificação tentativa dos analitos da fração volátil e
semi-volátil de café Arábica...137
Tabela 3.10. Comparação dos analitos encontrados na fração volátil e
semi-volátil de café quando extraídos por diferentes recobrimentos de SPME derivados de PILs...140
xxxiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Primeira fibra comercial de SPME confeccionada pela
Sigma-Aldrich.2 Em rosa encontra-se destacado a fase extratora. Traduzida de Lord, H.; Pawliszyn, J. Journal of Chromatography A 2000, 885, 153-193 ...2
Figura 1.2. Escolha de revestimentos para fibras de SPME: propriedades
dos analitos alvo. Adaptada de Pawliszyn, J. Solid phase microextraction:
theory and practice; John Wiley & Sons, 1997 ...4
Figura 1.3. Uso do amostrador de SPME para o processo de extração e de
dessorção do material extraído para análise por GC. Retirada de Valente, A. L. P.; Augusto, F. Química Nova 2000, 23, 523-530 ...5
Figura 2.1. Diagrama dos métodos de preparo de amostra livres de
solventes. SFE: extração empregando fluído supercrítico; SPE: extração em fase sólida; SPME: microextração em fase sólida ...11
Figura 2.2. Efeito da temperatura de extração no tempo de equilíbrio e na
quantidade extraída por SPME através do headspace. Temperatura de extração: (w): 22 ˚C, (▲): 40 ˚C, (■): 60 ˚C e (●): 73 ˚C. Adaptada de Lord, H.; Pawliszyn, J. Journal of Chromatography A 2000, 885, 153-193 ...14
Figura 2.3. Primeiro dispositivo para resfriamento de fibras de SPME.
Adapatada de Zhang, Z.; Pawliszyn, J. Analytical Chemistry 1995, 67, 34-43 ...17
xxxiv
Figura 2.4. Representação do dispositivo de resfriamento interno de fibras
de SPME miniaturizado e automatizado. Traduzida de Chen, Y.; Pawliszyn, J. Analytical Chemistry 2006, 78, 5222-5226 ...20
Figura 2.5. Resultados de recuperação obtidos na extração de VOCs
empregando-se extração através do headspace sem refriamento da fibra e com a fibra resfriada. Traduzida de Chen, Y.; Pawliszyn, J. Analytical
Chemistry 2006, 78, 5222-5226 ...21
Figura 2.6. Ilustração do dispositivo que emprega um fluxo de água no
resfrimento das fibras de SPME. Traduzida de Tabar-Heydar, K.; Khanalizadeh, G.; Mostaghim, M.; Ahmadi, S. H. Chromatographia 2009,
69, 1341-1346 ...23
Figura 2.7. Dispositivo para CF-SPME baseado em resfriamento
termoelétrico. Traduzida de Haddadi, S. H.; Pawliszyn, J. Journal of
Chromatography A 2009, 1216, 2783-2788 ...25
Figura 2.8. Ilustração do dispositivo para resfriamento de fibras de SPME
desenvolvido por Cardeal e colaboradores. Traduzida de Menezes, H. C.; de Lourdes Cardeal, Z. Journal of Chromatography A 2011, 1218, 3300-3305 ...29
Figura 2.9. Cromatogramas GC-FID empregando a fibra resfriada de PDMS
na extração da fração volátil e semi-volátil de ervas medicinais brasileiras. Tempo de extração: 15 min; temperatura da amostra: 60 ˚C. Temperatura da fibra: (A) 60 ˚C; (B) 5 ˚C e (C) 60 ˚C por 7,5 minutos e 5 ˚C por mais 7,5 minutos. Retirada de Merib, J.; Nardini, G.; Bianchin, J. N.; Dias, A. N.;
xxxv
Simão, V.; Carasek, E. Journal of Separation Science 2013, 36, 1410-1417 ...31
Figura 2.10. Processos de transferências dos analitos A) durante uma
extração na qual a fibra é resfriada e sua rota termodinâmica alternativa (passos 1, 2 e 3). nh, nc e n0 correspondem ao número de mols do ar, do
revestimento e do analito respectivamente; ns e nf (ns + nf = n0) são o número
de mols do analito na fase gasosa e no recobrimento, respectivamente.; Ts e
Tf são as temperaturas na fase gasosa e no revestimento, respectivamente; Ps
é a pressão na fase gasosa e as setas de duas pontas indicam que não ocorre nenhuma mudança naquela fase. Retirada de Zhang, Z.; Pawliszyn J.
Analytical Chemistry 1995, 67, 34-43...33
Figura 2.11. A – Dispositivo utilizado para extrações por SPME no modo
headspace dinâmico (DHS-SPME). B – Dispositivo desenvolvido para
resfriamento de fibras comerciais de SPME (CF-SPME) no modo headspace dinâmico. C – Vista em corte do adaptador. À direita temos uma foto desta seção do dispositivo...38
Figura 2.12. Foto do dispositivo desenvolvido no laboratório. (1) Entrada de
gás nitrogênio; (2) Gás nitrogênio que será resfriado; (3) Gás nitrogênio que atuará como gás de purga; (4) Entrada do gás de purga na amostra.; (5) Entrada do gás resfriado, o qual resfriará a fibra de SPME; (a) Controladores de pressão; (b) Válvulas solenoides...39
xxxvi
Figura 2.13. Dispositivo utilizado para resfriamento de fibras comerciais de
SPME empregando-se o modo headspace dinâmico. À esquerda está ilustrada a etapa de extração e à direita a etapa de resfriamento...41
Figura 2.14. Ilustração da programação das etapas de extração/resfriamento
...41
Figura 2.15. (A) Entrada do gás resfriado à 45˚ com relação a fibra. (B)
Entrada do gás resfriado à 90˚ com relação a fibra. A seta azul representa a entrada do gás (nitrogênio) o qual foi anteriormente resfriado com nitrogênio líquido. Em rosa está representada a fibra de SPME...49
Figura 2.16. Diagramas e ilustrações parciais do dispositivo empregado no
resfriamento de fibras comerciais de SPME no modo headspace dinâmico. (A) Adaptador de Teflon® com maior volume morto. (B) Adaptador de Teflon® com menor volume morto. (C) e (D) Fotos dos adaptadores com maior e menor volume morto, respectivamente...50
Figura 2.17. Curvas analíticas para (A) octano, (B) nonano, (C) decano, (D)
undecano e (E) dodecano...54
Figura 2.18. Perfil de extração da mistura de padrões por SPME no modo
headspace dinâmico...56
Figura 2.19. Resultados obtidos no estudo dos parâmetros ciclo de trabalho
xxxvii
Figura 2.20. Cromatograma GC-FID da fração volátil e semi-volátil de
amostra de chocolate cedida pela Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA/UNICAMP) obtido por SPME. Em vermelho encontra-se ilustrado a extração realizada via headspace estático e em azul a extração realizada no dispositivo que emprega fibra resfriada. Condições de extração para HS-SPME: 10 minutos à 60 ˚C. Condições de extração para fibra resfrida: 10 minutos à 60 ˚C; parâmetros do dispositivo: ciclo de trabalho igual a 50 s e porcentagem de resfriamento de 50%...62
Figura 2.21. Cromatograma GC-FID da fração volátil e semi-volátil de
amostra de café em pó obtido por SPME. Em vermelho encontra-se ilustrado a extração realizada via headspace estático e em azul a extração realizada no dispositivo que emprega fibra resfriada. Condições de extração para HS-SPME: 10 minutos à 60 ˚C. Condições de extração para fibra resfriada: 10 minutos à 60 ˚C; parâmetros do dispositivo: ciclo de trabalho igual a 50 s e porcentagem de resfriamento de 50%. Analitos: (1) piridina; (2) pirazina; (3) 2-metilpirazina; (4) 2,5-dimetilpirazina; (5) dimetilpirazina; (6) 2,6-etilpirazina; (7) 2-etil-5-m2,6-etilpirazina; (8) 2-etil-6-m2,6-etilpirazina; (9) trimetilpirazina; (10) 2,3-dietilpirazina; (11) 2,5-dimetil-3-etilpirazina e (12) 2,6-dimetil-3-etilpirazina...65
Figura 3.1. Estruturas químicas de cátions e ânions mais comuns
empregados em líquidos iônicos e polímeros iônicos líquidos. Traduzida de Ho, T.D.; Zhang C.; Hantao L.W.; Anderson, J.L. Analytical Chemistry
2013, 86, 262-285...71
Figura 3.2. Representação esquemática da reação de eliminação de
xxxviii
Figura 3.3. Esquema da reação de dealquilação. X- representa um haleto...75
Figura 3.4. Representação do processo BASILTM...76
Figura 3.5. Esquema das principais aplicações dos líquidos iônicos em
química analítica...76
Figura 3.6. Microscopia óptica das fibras de SPME baseadas em ILs
pré-tratadas com Naflon. (1) Capilar de sílica fundida; (2) Suporte pré-tratado com Naflon; (3) Suporte revestido com IL sem pré-tratamento; (4) Suporte pré-tratado com Naflon e revestido com IL. Retirada de Hsieh, Y.-N.; Huang, P.-C.; Sun, I. W.; Whang, T.-J.; Hsu, Y.; Huang, H.-H.; Kuei, C.-H. Analytica Chimica Acta 2006, 557, 321-328...81
Figura 3.7. Representação das fases sorventes ligadas à partículas de sílica.
(1) IL (HeIM)2 PEG3, 2NTf2-; (2) IL (HeIM)2 PEG3, 2TfO-; (3) PIL
[(StyrIM)2C6, 2 NTf2-]n e (4) [(StyrIM)2C6, 2 TfO-]n. Retirada de
Wanigasekara, E.; Perera, S.; Crank, J. A.; Sidisky, L.; Shirey, R.; Berthod, A.; Armstrong, D. W. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2010, 396, 511-524...86
Figura 3.8. Representação da reação de polimerização via radicais livres
empregando AIBN como iniciador para a formação dos PILs. Retirada de Zhao, F.; Meng, Y.; Anderson, J. L. Journal of Chromatography A 2008,
xxxix
Figura 3.9. Sistema empregado na extração de CO2 utilizando-se fibras de
SPME baseadas em PILs. Traduzida de Zhao, Q.; Wajert, J. C.; Anderson, J. L. Analytical Chemistry 2009, 82, 707-713...92
Figura 3.10. Esquema da rota empregada na modificação do capilar de sílica
fundida para a produção de fibras baseadas em PILs envolvidas no estudo de copolimerização fotoiniciada por radiação UV. Traduzida de Ho, T. D.; Yu, H.; Cole, W. T. S.; Anderson, J. L. Analytical Chemistry 2012, 84, 9520-9528...95
Figura 3.11. Ilustração da síntese dos compostos [VC6Im][Cl] e [VC16Im][NTf2]. Modificado de Zhao, F.; Yunjing, M., Anderson, J.L. J.
Chromatogr. A 2008, 1208, 1-9...100
Figura 3.12. Rota sintética empregada para a síntese do IL
[VBC16Im][NTf2]. Retirado de Meng Y., Anderson, J.L J. Chromatogr. A
2010, 1217, 6143-6152...101
Figura 3.13. Rota para a síntese do líquido iônico dicatiônico [(VIm)2C12] 2 [Br]. Adaptada de Baltazar Q.Q, Chandawalla J., Sawyer K., Anderson J.L.
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 2007, 302,
150-156...103
Figura 3.14. Rota para a síntese do líquido iônico dicatiônico [(VBIm)2C12] 2[NTf2]. Traduzida de Joshi, M. D. Synthesis of New Classes of Ionic
Liquids and Polymeric Ionic Liquids and their Applications in Microextraction Techniques. The University of Toledo, Toledo, 2013...104
xl
Figura 3.15. Rota da modificação realizada no fio de NiTi empregada para
ligar quimicamente os PILs em sua superfície. Traduzida de Ho, T.D; Toledo, B.R; Hantao, L.W.; Anderson, J. L. Analytica Chimica Acta 2014, 843, 18-26...105
Figura 3.16. Estruturas químicas dos ILs monoméricos e dos crosslinkers
utilizados no estudo sobre adulteração de café...114
Figura 3.17. Imagens de microscopia óptica de (A) Fibra 1A revestida
apenas fisicamente após uma extração via headspace de uma solução aquosa e (B) Fibra 1B após ciclos de dez extrações via headspace e dez extrações por imersão direta...121
Figura 3.18. Áreas dos picos obtidos da extração da mistura de padrões (A)
via headspace em temperatura ambiente e (B) via headspace em altas temperaturas (85 ºC). As barras em branco representam a Fibra 1B, as barras em cinza claro representam a Fibra 2 e as barras em cinza escuro representam a Fibra 3...123
Figura 3.19. Área dos picos obtidos da extração da mistura de padrões.
Todas as extrações foram realizadas através de imersão direta em solução aquosa. (A) pH= 7,0; (B) pH = 2,8 e (C) pH = 10,0. As barras em branco representam a Fibra 1B, as barras em cinza claro representam a Fibra 2 e as barras em cinza escuro representam a Fibra 3...126
Figura 3.20. Áreas dos picos obtidos da extração da mistura de padrões. As
extrações foram realizadas via headspace após a exposição das fibras nos solventes (A) metanol e (B) acetonitrila por 5 minutos. As barras em branco representam a Fibra 1B, as barras em cinza claro representam a Fibra 2 e as
xli
barras em cinza escuro representam a Fibra 3...128
Figura 3.21. Cromatograma GC/MS de monitoramento de íons selecionados
(SIM) de ésteres ftálicos (PAEs) na bebida café. Preparo de amostra: extração via imersão direta empregando a Fibra 3 ([VBC16Im][NTf2] / [(VBIm)2C12] 2[NTf2]). Legenda: dimetilftalato (C1), dietilftalato (C2),
dipropilftalato (C3), dibutilftalato (C4), dipentilftalato (C5), dihexilftalato
(C6) e diheptilftalato (C7)...131
Figura 3.22. Perfis de extração para cada fibra utilizada neste estudo. Fibra
1: [VC16Im][NTf2]/ [(VBIm)2C12] 2[NTf2] (monômero/crosslinker); Fibra 2:
[VC16Im][NTf2]/ [(VIm)2C12] 2[NTf2]; Fibra 3: [VBC16Im][NTf2]/
[(VBIm)2C12] 2[NTf2]; Fibra 4: [VBC16Im][NTf2]/ [(VIm)2C12] 2[NTf2];
Fibra 5: [VC6Im][Cl]; Fibra 6: [VC6Im][Cl]a/[VC16Im][NTf2]b/[(VIm)2C12]
2[Br]a/[(VIm)2C12] 2[NTf2]b e Fibra 7:
[VC16Im][NTf2]a/[VC6Im][Cl]b/[(VIm)2C12] 2[NTf2]a/[(VIm)2C12] 2[Br]b. a:
camada interna. b: camada externa...136
Figura 3.23. Estruturas químicas dos compostos voláteis e semi-voláteis de
café que contribuem para suas propriedades sensoriais...143
Figura 3.24. Estruturas químicas dos compostos voláteis e semi-voláteis de
café: metóxifenois (responsáveis pelo atributo de torra do café)...143
Figura 3.25. Estruturas químicas dos compostos voláteis e semi-voláteis de
café: pirazina e derivados (responsáveis pela fragrância natural dos alimentos)...144
xlii
Figura 3.26. Cromatogramas de íons totais obtidos no GC/MS (A) Café
referência puro; (B) Café com 1% de adulterante e (C) Café com 30% de adulterante. (D) Representa o perfil cromatográfico do branco...145
Figura 3.27. Gráfico da (A) variância explicada em y e do (B) valor de
RMSECV em função do número de variáveis latentes do modelo obtido por PLS...146
Figura 3.28. Correlação dos valores utilizados como padrão para pureza do
café referência versus os valores previstos pelo modelo PLS para o (A) conjunto de calibração e (B) conjunto externo de validação...147
Figura 3.29. Representação gráfica do módulo do vetor de regressão obtido
por PLS. Nele estão indicados alguns marcadores relacionados com o processo de adulteração em café (ver Tabela 3.9)...148
1
CAPÍTULO 1:
Introdução Geral
3
1.1 INTRODUÇÃO GERAL
A microextração em fase sólida (SPME), criada na década de 90 por Pawliszyn e colaboradores, foi desenvolvida com o propósito de suprir as necessidades de um método de preparo de amostra rápido e que possa ser utilizado tanto no laboratório como em campo.1 Essa técnica utiliza suportes de sílica fundida ou metálicos recobertos com uma fase sorvente, a qual é responsável pela extração; o suporte encontra-se conectado a um êmbolo num dispositivo de design próximo à uma seringa, como representado na Figura 1.1.
Figura 1.1. Primeira fibra comercial de SPME confeccionada pela Sigma-Aldrich.2
Em rosa encontra-se destacado a fase extratora. Traduzida de Lord, H.; Pawliszyn, J. Journal of Chromatography A 2000, 885, 153-193.
A quantidade extraída por SPME é afetada principalmente pelo valor do coeficiente de partição dos analitos entre a matriz da amostra e a fase extratora. A
4
seleção do revestimento apropriado é fundamental no desenvolvimento de um método de SPME (Figura 1.2). O tipo de revestimento é escolhido baseando-se nas propriedades físico-químicas dos analitos: pode-se aplicar a regra “semelhante dissolve semelhante”, ou seja, compostos polares são extraídos mais efetivamente por recobrimentos com a mesma polaridade. O mesmo vale para compostos apolares.3
Comercialmente, existem alguns tipos de recobrimentos disponíveis. O recobrimento mais empregado é o poli(dimetilsiloxano) (PDMS). Esse revestimento é considerado não-polar e é particularmente empregado na extração de compostos apolares, podendo também ser utilizado em uma gama bastante ampla de análises, em especial as ambientais. Já o revestimento de poli(acrilato) (PA) é um revestimento polar, sendo bastante empregado em extrações de compostos polares como os fenólicos, por exemplo. Outras fibras disponíveis consistem: Carboxen/poli(dimetilsiloxano) (CAR/PDMS), Carbowax/divinilbenzeno (CW/DVB), poli(dimetilsiloxano)/divinilbenzeno (PDMS/DVB), poli(etilenoglicol) (PEG) e divinilbenzeno/Carboxen/poli(dimetilsiloxano) (DVD/CAR/PDMS). A fibra CAR/PDMS normalmente é recomendada na determinação de compostos gasosos/voláteis, enquanto a CW/DVB é apropriada para a extração de analitos polares, em especial os álcoois. Finalmente, a fibra DVD/CAR/PDMS abrange a extração de uma gama bastante ampla de polaridades e volatilidades (em torno de C2 a C20).4
5
Figura 1.2. Escolha de revestimentos para fibras de SPME: propriedades dos
analitos alvo. Adaptada de Pawliszyn, J. Solid phase microextraction: theory and
practice; John Wiley & Sons, 1997.
Uma extração por SPME ocorre basicamente por dois mecanismos: adsorção ou absorção (também denominado de partição), sendo que o tipo de mecanismo depende das propriedades físico-químicas do recobrimento. O PDMS e a PA são fases poliméricas não porosas e amorfas, as quais extraem analitos via absorção, ou seja, a difusão das moléculas orgânicas nesses recobrimentos é relativamente rápida (bastante próxima à difusão em solventes orgânicos). Com relação às fibras mistas, as quais são constituídas de uma mistura de revestimentos (CAR/PDMS por exemplo), temos que a fase extratora primária é um sólido poroso que extrai analitos através da adsorção, i.e. o coeficiente de difusão para compostos orgânicos é pequeno. Neste caso, todas as moléculas permanecem na superfície do revestimento.5
6
O uso da SPME como técnica de extração não requer grandes habilidades nem treinamentos para que seja empregada; trata-se de uma técnica simples e rápida no que diz respeito à etapa de extração. A sequência de procedimentos para realizar a extração e a dessorção no injetor do cromatógrafo é mostrada na Figura 1.3. Com a fibra retraída na agulha, o septo do frasco de amostra é perfurado e a fibra é exposta à amostra. Terminado o tempo de extração a fibra é novamente retraída, a agulha é retirada do septo e levada para inserção no cromatógrafo a gás. Com a fibra retraída o septo do injetor é perfurado, a fibra é exposta para dessorção térmica e, terminada a dessorção, é retraída e a agulha retirada. Após esse procedimento é altamente recomendável vedar a agulha com um pedaço de septo, para evitar contaminações da fibra, o que também auxilia amostrar em locais distantes e transportar o conjunto para o laboratório.6
Figura 1.3. Uso do amostrador de SPME para o processo de extração e de
dessorção do material extraído para análise por GC. Retirada de Valente, A. L. P.; Augusto, F. Química Nova 2000, 23, 523-530.
7
Para o desenvolvimento de um método de SPME temos que, primeiramente, selecionar o modo de extração. As opções são imersão direta ou extração via
headspace. Quando temos uma matriz sólida ou que contém particulados deve-se
evitar o modo imersão direta. Já extrações através do headspace são indicadas para analitos de alta e média volatilidade; eventualmente, a SPME direta pode ser aplicada na extração de compostos voláteis dependendo da matriz e dos analitos.6 O segundo passo consiste na escolha da fibra; a discussão anterior da fibra ideal para cada tipo de analito é válida, porém deve-se provar experimentalmente.
Escolhidos o modo de extração e a fibra a ser empregada no estudo, deve-se então estabelecer o perfil de extração, ou ainda, o tempo ótimo de extração (tempo necessário para que o equilibrio seja atingido). Ainda, deve-se também selecionar a técnica de agitação, a qual é fundamental para abreviar o tempo de extração. A agitação magnética, por sua simplicidade, é a mais comumente empregada. Outras técnicas demandam dispositivos mais complexos: vibração da fibra (utilizada em injetores automáticos), movimento circular do frasco e ultrassom. Esta última pode auxiliar na diminuição do tempo no perfil de extração, mas por outro lado, pode alterar a amostra (degradar seus componentes, por exemplo).
Ao final, temos então a validação do método; suas estratégias gerais dependem, entre outros fatores, dos propósitos analíticos e da instrumentação disponível. A validação do método pode envolver o estabelecimento de parâmetros como linearidade, recuperação (fração extraída dos analitos) e repetibilidade, além da comparação com métodos convencionais, comparações interlaboratoriais, dentre outros. Um procedimento importante na convalidação de um método SPME é aplicá-lo, assim como os métodos convencionais, em amostra reais.6
8
Dentre as principais aplicações da SPME, a que vêm ganhando bastante destaque é a análise de alimentos. Tais análises são importantes na avaliação de valores nutricionais e qualidade de produtos frescos e processados, além de monitorar aditivos e contaminantes.7 Métodos que empregam extrações através do
headspace (HS-SPME), utilizando a fibra de PDMS com espessura de filme igual a
100 µm em combinação com a cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (GC/MS) são os mais relatados na análise de alimentos.7 Por exemplo, o
flavor (a combinação do paladar e do olfato) e o aroma são os critérios levados em
conta pelo consumidor na escolha dos alimentos. Compostos relacionados ao aroma e ao flavor normalmente existem em concentrações extremamente baixas em matrizes complexas de alimentos e consistem de uma grande variedade de compostos orgânicos voláteis com diferentes polaridades e reatividades.7
O presente trabalho tem como objetivo expandir a aplicabilidade da SPME em amostras complexas, onde a extração dos analitos é prejudicada seja pela baixa eficiência de extração seja pela seletividade limitada do material sorvente. Portanto, duas abordagens foram exploradas: desenvolvimento de um dispositivo que aumenta a quantidade extraída e síntese de novos materiais sorventes derivados de polímeros iônicos líquidos (PILs) para uso na SPME.
No capítulo 2 dessa dissertação será descrito o desenvolvimento e a aplicação de um dispositivo capaz de resfriar diretamente fibras comerciais de SPME realizando-se modificações no dispositivo utilizado para extrações no modo
headspace dinâmico (DHS).8 Esse resfriamento se faz necessário pois combinando-se o aquecimento da amostra com baixas temperaturas da fibra temos
9
um aumento no coeficiente de partição do analito entre o revestimento e o
headspace, o que consequentemente leva à um aumento na massa extraída.
Já no capítulo 3 será ilustrado a confecção de novas fibras sortivas baseadas em PILs pois, comercialmente, a quantidade de revestimentos é bastante limitada, principalmente no que se refere à extração de analitos polares. Os PILs são excelentes materiais como fases sorventes para SPME devido à diversas características, sendo a principal delas o possível ajuste de suas estruturas químicas que promovem interações intermoleculares únicas.
1.2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Pawliszyn, J. Handbook of Solid Phase Microextraction; Elsevier, 2011. (2) Lord, H.; Pawliszyn, J. Journal of Chromatography A 2000, 885, 153-193. (3) Pawliszyn, J. Solid phase microextraction: theory and practice; John Wiley & Sons, 1997.
(4) Wardencki, W.; Curyło, J.; Namieśnik, J. Journal of Biochemical and
Biophysical Methods 2007, 70, 275-288.
(5) Górecki, T.; Yu, X.; Pawliszyn, J. Analyst 1999, 124, 643-649. (6) Valente, A. L. P.; Augusto, F. Química Nova 2000, 23, 523-530.
(7) Kataoka, H.; Lord, H. L.; Pawliszyn, J. Journal of Chromatography A 2000,
880, 35-62.
(8) Pedroso, M. P.; Ferreira, E. C.; Hantao, L. W.; Bogusz, S.; Augusto, F. Journal
11
CAPÍTULO 2:
Desenvolvimento e aplicação de um
dispositivo que emprega fibra resfriada
13
2.1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
A análise de amostras complexas tem sido um desafio recorrente em química analítica devido, principalmente, ao seu grande número de constituintes e à elevada diferença em suas propriedades físico-químicas – aspectos comuns na área de química dos alimentos1,2 e em bioanalítica.3-5 Com isso, a análise compreensiva de seus constituintes por uma única técnica analítica é uma tarefa impraticável. Portanto, frequentemente, a amostra é fracionada durante o seu preparo. Com os avanços instrumentais tanto em cromatografia como em espectrometria de massas, nos últimos anos tem sido observado um incremento significativo na quantidade de espécies detectadas da fração de interesse. A técnica preferida para análise de moléculas pequenas, encontradas na fração volátil e semi-volátil, é a cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (GC/MS). A GC convencional e multidimensional, ambas acopladas à MS, têm permitido a detecção de centenas de compostos em uma única análise. Consequentemente, devido à essa elevada quantidade de informações, softwares modernos para processamento de dados6 e algoritmos multivariados para análise dos dados têm sido desenvolvidos e utilizados com êxito.7,8
Apesar dos avanços tecnológicos observados na GC/MS e no processamento de dados, a etapa de preparação da amostra ainda é considerada a etapa que limita a metodologia analítica, qualidade e confiabilidade dos resultados obtidos.3 Atualmente, busca-se o desenvolvimento de técnicas de preparo de amostra que utilizem pequena ou nenhuma quantidade de solventes orgânicos. Uma classificação geral de métodos de preparo de amostra livres de solventes, baseados em fases extratoras (gás, membrana e sorventes) é mostrada na Figura 2.1.
14
Figura 2.1. Diagrama dos métodos de preparo de amostra livres de solventes. SFE:
extração empregando fluído supercrítico; SPE: extração em fase sólida; SPME: microextração em fase sólida.
Dentre as diversas técnicas usualmente empregadas para fracionar e isolar compostos orgânicos voláteis, a microextração em fase sólida (SPME) tem sido a mais extensamente utilizada, desde a sua introdução na década de 90.9 A SPME possui inúmeras vantagens, podendo ser destacado: a etapa de amostragem e isolamento dos analitos da matriz é feita em uma única e simples etapa. Além disso, esta técnica não requer o uso e manuseio de solventes tóxicos.10,11 Logo, métodos que empregam a SPME são, normalmente, mais rápidos e envolvem uma menor manipulação da amostra,9 minimizando fontes de erro e evitando a introdução de artefatos de extração. Entretanto, devido ao seu design, as fibras
15
comerciais de SPME possuem uma eficiência de extração menor do que outras técnicas miniaturizadas,12 tais como a extração sorvente em barra de agitação (SBSE)13,14 e dispositivos de extração em agulha (NTD).15,16 Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo expandir a aplicabilidade da SPME em amostras complexas nos casos onde a extração dos analitos é prejudicada pela baixa eficiência de extração.
Dentre os modos de operação disponíveis para SPME, frequentemente na análise de amostras mais complexas, a extração dos analitos da fração volátil e semi-volátil é feita através do headspace (HS). Assim, a quantidade extraída em condições de equilíbrio é dada por:
𝑛 = !!!!!!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!! (Equação 2.1)
sendo: n – quantidade extraída pela fibra de SPME; Kfh – constante de distribuição
do analito entre revestimento/headspace; Khs – constante de distribuição do analito
entre headspace/matriz; Vf, Vh e Vs são os volumes do revestimento da fibra de
SPME, HS e amostra, respectivamente e C0 a concentração analítica do analito no
headspace.9
Com o intuito de aumentar a quantidade extraída por SPME, poderia-se por
exemplo aumentar o volume do revestimento da fibra (Vf): produzir fibras com
revestimentos mais espessos (df) ou fibras de maior comprimento (L). Entretanto, o
uso de revestimentos mais espessos levam a extrações mais lentas, pois o tempo necessário para atingir o equilíbrio no sistema multifásico é maior (Equação 2.2).9 Já o uso de fibras mais longas (L > 2 cm), levaria ao decréscimo da estabilidade mecânica da fibra, principalmente em meios e suspensões com elevada agitação:
16
𝑡! = !!!
!!! (Equação 2.2)
sendo que te representa o tempo necessário para se atingir o equilíbrio no sistema
bifásico (sob condições de agitação perfeitas); df e Df representam a espessura do
revestimento da fibra de SPME e o coeficiente de difusão do analito neste revestimento, respectivamente.9 Ainda, outra alternativa seria a diminuição do volume do headspace (Vh), o que não é possível devido à razões práticas, já que
em SPME trabalha-se com instrumentação miniaturizada nas extrações.
Então, para que se obtenha um aumento na eficiência de extração e rapidez no transporte dos analitos da matriz para o revestimento é interessante o uso de temperaturas de extração mais elevadas, pois isto, na maioria dos casos, leva a um aumento considerável na constante de distribuição dos analitos entre HS/matriz (Khs) além de favorecer o processo de transporte dos mesmos.9 Na Figura 2.2 está
ilustrado o efeito da temperatura no tempo de equilíbrio de metanfetamina numa extração por SPME; pode ser observada uma diminuição considerável no tempo de extração com o aumento da temperatura.17
17
Figura 2.2. Efeito da temperatura de extração no tempo de equilíbrio e na
quantidade extraída por SPME através do headspace. Temperatura de extração: (w): 22 ˚C, (▲): 40 ˚C, (■): 60 ˚C e (●): 73 ˚C. Adaptada de Lord, H.; Pawliszyn, J. Journal of Chromatography A 2000, 885, 153-193.
Entretanto, na Figura 2.2 pode ser observado também que o aumento da temperatura de extração não só acelera o processo de transporte dos analitos no sistema trifásico, mas também diminui significativamente a quantidade extraída dos mesmos.17 Isto decorre do fato de que a quantidade extraída por SPME, no equilíbrio, depende tanto da concentração inicial do analito (C0) assim como das
constantes de distribuição do analito entre as fases do sistema, conforme já ilustrado na Equação 2.1.
Sabendo que o efeito da temperatura na constante de distribuição segue a lei de Arrhenius, pode ser visto que a sua magnitude depende tanto da temperatura (T) como da variação da entalpia envolvida no processo de solvatação do analito (ΔH), conforme ilustrado na Equação 2.3.9
18 𝐾 = 𝐾!𝑒𝑥𝑝 −∆! ! ! ! − ! !! (Equação 2.3)
sendo que o sobre-escrito “0” denota a condição padrão/referência. Assim, considerando que:
(i) os analitos de interesse presentes na fração volátil e semi-volátil da amostra são frequentemente compostos orgânicos neutros nas condições de extração;
(ii) para uma fibra com revestimento líquido apolar onde o mecanismo predominante de extração é o processo de partição dominado por forças intermoleculares dispersivas não-específicas, como poli(dimetilsiloxano) (PDMS), o processo de solvatação do analito na fase extratora é, na maioria dos casos, um processo exotérmico (ΔHsolv< 0);9,18
(iii) o processo de vaporização do analito para o HS é um processo endotérmico (ΔHvap> 0);9 observa-se que, idealmente, temperaturas de extração mais elevadas
favorecem a vaporização do analito (Khs) ao passo que extrações a temperaturas
menores favorecem a solvatação do analito no revestimento da fibra de SPME (Kfs). Logo, visando melhorar a eficiência de extração seria necessário operar,
simultaneamente, a matriz e a fibra em temperaturas distintas.
Neste contexto, alguns dispositivos têm sido propostos para permitir o resfriamento da fase extratora durante a extração por SPME, como será descrito na próxima seção (Seção 2.2). Nestes dispositivos é possível trabalhar simultaneamente nas condições ótimas de extração para ambos os pares matriz/HS e HS/revestimento.
19
2.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A temperatura de extração é um parâmetro de grande importância a ser avaliado em SPME. Em temperaturas elevadas, os analitos podem efetivamente se desprender de sua matriz e mover-se para o headspace de maneira mais rápida. No entanto, o coeficiente de distribuição do analito entre o revestimento e a amostra diminui com o aumento da temperatura (já que a sorção dos analitos pela fibra é um processo exotérmico), resultando assim, em uma diminuição na quantidade extraída em condições de equilíbrio. Para prevenir essa perda na sensibilidade, o recobrimento da fibra de SPME deve ser resfriado. Alguns dispositivos foram desenvolvidos ao longo dos anos com o intuito de, simultaneamente, aquecer a amostra e resfriar a fibra.
O primeiro dispositivo para o resfriamento de fibras de SPME foi desenvolvido por Zhang e Pawliszyn no ano de 1995.19 Trata-se de um dispositivo que resfria a fibra indireta e internamente. Basicamente, a confecção deste dispositivo consistiu no uso de um capilar externo, de maior diâmetro, o qual 1 cm de seu comprimento foi recoberto com o polímero líquido poli(dimetilsiloxano) (PDMS). Em seu interior foi colocado um outro capilar de sílica, de menor diâmetro, que é responsável pela entrada de dióxido de carbono líquido (CO2(l))
proveniente de um cilindro. Foram testados diversos diâmetros para o capilar interno com o objetivo de se determinar qual a melhor vazão de CO2(l), e
consequentemente controlar a temperatura da fibra de SPME. Observou-se experimentalmente que vazões muito elevadas de CO2(l) podem levar ao
congelamento da fibra, afetando negativamente o processo de extração.
20
interno entrando no dispositivo. Então, o dióxido de carbono sofre evaporação, transformando-se em CO2(g), e durante esse processo, energia térmica é retirada da
vizinhança (i.e., fase extratora). Como consequência, a fibra de SPME é efetivamente resfriada, mesmo aquecendo-se a amostra em até 250 ˚C. Para facilitar o manuseio, e os processos de exposição e retraimento da fibra os capilares foram posicionados no corpo de uma seringa Hamilton modificada. Ainda, neste dispositivo, tanto a temperatura da fibra quanto a temperatura da amostra foram medidas com o auxílio de um termopar. Vale lembrar também que a temperatura da fibra não é uniforme: a ponta da fibra é a região de menor temperatura pois é o local onde o CO2(l) sofre evaporação. A ilustração deste
dispositivo pode ser observada na Figura 2.3:
Figura 2.3. Primeiro dispositivo utilizado para resfriamento de fibras de SPME.
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O dispositivo de resfriamento interno de fibras de SPME foi empregado em um estudo quantitativo que consistiu na extração de BTEX (mistura composta de benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno) de amostras gasosas, água e solo. Nestes experimentos, tanto o aquecimento da amostra quanto o cilindro de dióxido de carbono permaneram ligados durante toda a extração. No que diz respeito à amostras sólidas, foram empregadas a argila e a areia.
Nos experimentos envolvendo argila, temos que essa matriz retém compostos orgânicos fortemente pelo fato de possuir uma grande quantidade de metais em sua composição e também por apresentar uma elevada área superficial. Então, foi construído um perfil de extração empregando-se essa matriz, e conclui-se que para extrações realizadas através do headspace conclui-sem resfriamento da fibra, a temperatura ótima de extração foi igual a 50 ˚C. Porém, nessa temperatura apenas 0,1% do BTEX era extraído; além disso, um aumento na temperatura gerou uma diminuição na sensibilidade. Logo, o uso do dispositivo faz-se necessário pois a amostra pode ser aquecida em temperaturas bastante elevadas (o que auxilia na liberação dos analitos para o headspace) sem que a fibra também seja aquecida (o que prejudicaria a sorção dos analitos). Para as três amostras estudadas foram observados valores de recuperação em torno de 90%, além de baixos valores de limites de detecção. Tais resultados foram bastante superiores quando comparados às extrações realizadas sem o resfriamento da fibra. Por fim, temos que quanto maior for a diferença de temperatura entre a amostra e o recobrimento da fibras, maiores serão os valores dos coeficientes de distribuição, e consequentemente, maior será a quantidade extraída.19
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de resfriamento interno (representado na Figura 2.4) descrito anteriormente.20 Neste novo dispositivo algumas modificações foram realizadas sendo a principal delas o acoplamento do mesmo com um injetor automático (CTC CombiPAL). Primeiramente, foi modificada a agulha responsável pelo armazenamento da fibra de SPME. No primeiro protótipo desenvolvido, devido ao maior diâmetro dessa agulha, era necessária a troca do septo do GC a cada 5 injeções (para evitar vazamentos no injetor); este novo dispositivo permitiu o uso do mesmo septo por pelo menos 15 vezes no caso de injeções manuais e até 30 vezes quando o injetor automático era empregado. Ainda, o emprego de válvulas solenoides e um controlador de temperatura permitiram um melhor controle da temperatura da fibra (± 5 ˚C da temperatura ajustada).
Outra modificação consistiu na colocação de ferrulhos, de aço inoxidável e de Teflon®, com o objetivo de assegurar a conexão física entre as partes do dispositivo para que não ocorressem vazamentos. Por fim, a operação do dispositivo foi totalmente automatizada, ou seja as extrações não são mais realizadas manualmente, diminuindo assim possíveis erros por parte do analista. Como prova de conceito, foi realizado um estudo envolvendo a extração exaustiva de compostos orgânicos voláteis (VOCs) de amostras de ar. Esse tipo de extração é um processo dificultoso pois os coeficientes de distribuição desses compostos entre o ar e o revestimento de PDMS apresentam valores bastante reduzidos.20
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Figura 2.4. Representação do dispositivo de resfriamento interno de fibras de
SPME miniaturizado e automatizado. Traduzida de Chen, Y.; Pawliszyn, J.
Analytical chemistry 2006, 78, 5222-5226.
Os resultados obtidos na extração de naftaleno, acenaftileno, acenaftaleno e fluoreno empregando-se extrações tradicionais através do headspace e o dispositivo automatizado podem ser observados na Figura 2.5. Pode-se dizer que a recuperação foi bastante superior quando a fibra resfriada foi utilizada nas extrações.20
