i
BENEDITO BATISTA FARIAS FILHO
MECANIZAÇÃO DAS MEDIDAS EM RING OVEN POR ESPECTROSCOPIA DE EMISSÃO ÓPTICA EM PLASMA INDUZIDO POR LASER (LIBS): DETERMINAÇÃO DE COBRE EM
CACHAÇA E IDENTIFICAÇÃO DE ORIGEM
CAMPINAS 2014
iii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
BENEDITO BATISTA FARIAS FILHO
MECANIZAÇÃO DAS MEDIDAS EM RING OVEN POR ESPECTROSCOPIA DE EMISSÃO ÓPTICA EM PLASMA INDUZIDO POR LASER (LIBS): DETERMINAÇÃO DE COBRE EM
CACHAÇA E IDENTIFICAÇÃO DE ORIGEM
ORIENTADOR: PROF. DR. CELIO PASQUINI
TESE DE DOUTORADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTOR
EM CIÊNCIAS.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA
POR BENEDITO BATISTA FARIAS FILHO, E ORIENTADO PELO PROF.DR. CELIO PASQUINI.
______________________ Assinatura do Orientador
CAMPINAS 2014
iv
BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP
Farias Filho, Benedito Batista, 1985-
F225m Mecanização das medidas em ring oven por espectroscopia de emissão óptica em plasma induzido por laser (LIBS) : determinação de cobre em cachaça e identificação de origem / Benedito Batista Farias Filho. – Campinas, SP : [s.n], 2014.
Orientador: Celio Pasquini.
Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química. 1. LIBS. 2. Técnica do ring oven. 3. Cobre. 4. Cachaça. I. Pasquini, Celio. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Mechanization of the ring oven measurement by laser induced
breakdown spectroscopy (LIBS) : determination of copper in cachaça and identification of origin
Palavras-chave em inglês:
LIBS
Ring oven technique Copper
Cachaça
Área de concentração: Química Analítica Titulação: Doutor em Ciências
Banca examinadora: Celio Pasquini [Orientador] Mário César Ugulino de Araújo Boaventura Freire dos Reis Adriana Vitorino Rossi Dosil Pereira de Jesus Data da defesa: 09-12-2014
vii
Dedico este trabalho aos meus pais, Benedito e Maria do Socorro, por sempre me apoiarem e incentivarem em minhas escolhas. Obrigado por tudo!
ix
Os sonhos não determinam o lugar em que você
vai estar, mas produzem a força necessária para
tirá-lo do lugar em que está.
(Augusto Cury)
Ora, a fé é o firme fundamento das coisas que se
esperam e a prova das coisas que se não veem.
(Carta aos Hebreus 11:1)
Se cheguei até aqui foi porque me apoiei no
ombro dos gigantes.
xi
À Deus, autor de minha fé, razão de tudo que tenho e de tudo que sou por me conceder forças nos momentos que mais precisei, e por estar sempre comigo durante toda a minha jornada de vida;
À minha família, pais, irmãos e sobrinhos, pelo apoio e amor incondicional, por fazerem mais do que lhe cabiam, por entenderem minha ausência e por sempre estarem torcendo por mim; Ao meu orientador professor Celio Pasquini pelo acolhimento, paciência, confiança e apoio durante todo o tempo que temos trabalhado juntos. Muito obrigado!;
Aos professores Jarbas, Ivo e Solange pela ajuda, conversas e momentos alegres e divertidos compartilhados no laboratório;
Aos amigos que fizeram com que meus dias em Campinas fossem únicos, pelas conversas, brincadeiras, encontros, companheirismo, gargalhadas, alegrias e tristezas. Por chorarem comigo, rirem comigo, deixo os meus eternos agradecimentos e dizer que a amizade de vocês foi um presente de Deus: Beatriz, Igor José, Juliana, Rafael Lisandro e Régis.
À Ju Santiago por todo apoio, carinho, palavra de motivação e torcida. Só tenho que agradecer por tudo que fez por mim durante esses anos de amizade.
À Laiane, amiga desde a época da graduação pelos momentos tão felizes que passamos juntos, compartilhando os momentos bons e tristes de uma vida acadêmica. Pelas palavras de apoio quando eu fraquejei e pela amizade que criamos.
À Lívia Martins, minha grande amiga desde a graduação que tem estado comigo em todas as situações da vida, pelo carinho, pelas conversas tão construtivas, pelo apoio e torcida de sempre;
Aos amigos que fiz no decorrer da minha vida acadêmica e que tornaram pessoas muitos especiais: Jacira, Anna Thaise, Lili, Leonel e Diana;
Às amigas que passaram e que ainda estão no GIA e eu tive o prazer de conhecer, pela amizade, carinho, ajuda e companheirismo: Paula, Lívia Paulia, Ju Cortez e Klécia (Chefa);
xii
Filho pelo apoio, companheirismo (mesmo estando longe), por entenderem minha ausência e pela enorme torcida;
À Mirla pela amizade, disponibilidade e ajuda nas medidas realizadas no Absorção Atômica em Chama;
Ao Diego pela presteza e toda a competência quando a ele recorri precisando de ajuda no laboratório;
Ao Mário da Oficina de Mecânica Fina do IQ pela confecção das peças da plataforma rotatória;
Aos colegas do Grupo de Instrumentação e Automação em Química Analítica (GIA), do Laboratório de Química Ambiental (LQA) e do Grupo de Espectrometria Atômica (GEATOM) pelos momentos de descontração, conversas e aprendizado;
Aos amigos que tive o prazer de conhecer na Unicamp: Sol, Aline, Thiago, Lu, Rodrigo; À CAPES e ao INCTAA pela ajuda financeira.
xiii
Benedito Batista Farias Filho
Formação acadêmica/titulação
2010 - 2014 Doutorado em Ciências.
Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil 2008 - 2010 Mestrado em Química Analítica.
Universidade Federal do Piauí, UFPI, Teresina, Brasil 2005 - 2008 Graduação em Licenciatura Plena em Química.
Universidade Federal do Piauí, UFPI, Teresina, Brasil Atividades Acadêmicas
Artigo Científico
Farias Filho, B. B.; Lage, M. C. S. M.; Fontes, L. M.; Santos, L. M.; Cavalcante, L. C. D.; Fabris, J. D. Reconstituição da paleodieta de populações humanas de sítios arqueológicos do PARNA Serra da Capivara: Análise isotópica e elementar. Revista de Arqueologia Americana, v. 30, p. 219-240, 2012.
Trabalhos publicados em anais de eventos científicos
Pasquini, C.; Farias Filho, B. B. Mechanization of the ring-oven measurement by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS): determination of copper in cachaca. In: 8th. International Conference On Laser-induced Breakdown Spectroscopy, 2014, Beijing.
Alves, E. W.; Farias Filho, B. B.; Ribeiro, A. S.; Pasquini, C. Análise de tintas anti-incrustantes por Espectrometria de Emissão Óptica de Plasma Induzido por Laser (LIBS). In: 17º Encontro Nacional de Química Analítica, 2013, Campos do Jordão/SP.
Participação de eventos científicos
I Workshop sobre laser em Química Analítica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2014. Prêmios
Projeto de Iniciação Científica premiado no II Congresso de Ciência, Tecnologia e Inovação, Teresina, 2007.
Participações no Programa de Estágio a Docência (IQ - Unicamp)
xv
MECANIZAÇÃO DAS MEDIDAS EM RING OVEN POR ESPECTROSCOPIA DE EMISSÃO ÓPTICA EM PLASMA INDUZIDO POR LASER (LIBS): DETERMINAÇÃO DE COBRE EM CACHAÇA E IDENTIFICAÇÃO DE ORIGEM
A determinação direta de amostras líquidas utilizando principalmente a Espectroscopia de Emissão Óptica em Plasma Induzido por Laser (LIBS) é muito difícil devido aos limites de detecção insuficientes da técnica. Procedimentos de pré-concentração, como o ring oven, permitem que o analito seja determinado a partir de técnicas que utilizam a microanálise como o LIBS, depois da sua transferência para um substrato sólido (papel de filtro). Embora esta abordagem tenha sido previamente descrita na literatura, o procedimento de medida foi feito manualmente. Assim, neste trabalho, foi desenvolvido um sistema de medida mecanizado para analisar por LIBS o conteúdo do anel produzido pela técnica ring oven visando melhorar a precisão e reduzir o tempo de análise. O sistema é composto por um motor contínuo que gira uma plataforma a 10 rpm constituída por um disco de teflon® adaptado ao seu eixo central e que serve como suporte para amostra. A câmara de ICCD do sistema de detecção do LIBS foi programada para integrar o sinal produzido por 120 pulsos do laser que são disparados espaçados uniformemente sobre o contorno do anel durante 6 segundos. Para preparo dos anéis, 60 µL das soluções ou amostras de cachaça eram dispensadas sobre o papel de filtro com vazão de 25 µL min-1 e, em seguida, lavadas com 45 µL de HCl 0,05 mol L-1. Foi utilizado lítio (2 mg L-1; 670,80 nm) como padrão interno para construção das curvas analíticas na faixa de 0 a 8 mg L-1 de cobre (324,75 nm). O padrão interno foi efetivo para corrigir as falhas de amostragem ao longo do contorno do anel durante o processo de medida. As curvas analíticas construídas foram lineares (r > 0,990) na faixa de concentração estudada e o limite de detecção e de quantificação foram de 0,3 mg L-1 e 1,0 mg L-1, respectivamente. Os resultados da determinação de cobre em oito amostras de cachaça mostraram-se estatisticamente indistinguíveis, em nível de 95% de confiança, quando comparados com aqueles obtidos por meio do método oficial de adição de padrão e medidos por espectrometria de absorção atômica em chama (FAAS), com precisão média relativa de 9%. O procedimento de pré-concentração necessitou menos que seis minutos enquanto que as medidas do anel formado, usando o sistema mecanizado, necessitaram no total de dois minutos adicionais. Além disso, foi verificada a potencialidade da técnica ring oven/LIBS para classificação geográfica, por meio de modelos multivariados quimiométricos (LDA, PLS-DA e SIMCA) de cachaças da região de Salinas (MG). A capacidade preditiva das amostras foi melhor para o modelo quimiométrico baseado em Análise Discriminante Linear (LDA), conseguindo classificar corretamente 70% das amostras.
xvii
MECHANIZATION OF THE RING OVEN MEASUREMENT BY LASER INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY (LIBS): DETERMINATION OF COPPER IN CACHAÇA AND IDENTIFICATION OF ORIGIN
Direct determination of liquid samples using Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is very difficult mainly due to the insufficient limits of detection of this technique. Procedures of preconcentration, such as the ring oven, allow the determination of analyte by microanalysis techniques, after transferring it to a solid substrate (filter paper). Although this approach has been previously described in literature, the measurement procedure was performed manually. Thus, in this work a mechanized measurement system was developed to analyze by LIBS the contents of the ring produced through the ring oven technique in order to improve the precision and reduce the analysis time. The system consists of a continuous motor that spinning a platform at 10 rpm constituted by a teflon® disc coupled to its axis, serving as a support for the sample. The ICCD camera of the detection system of LIBS was programmed to integrate the signal generated by 120 laser pulses that is fired uniformly spaced on the ring contour during 6 seconds. To prepare the rings, 60 µL of standard solutions or samples of cachaça (sugar cane spirit) were dispensed on the filter paper at flow rate of 25 µL min-1 and afterwards washed with 45 µL of HCl 0.05 mol L-1 (42% v/v ethanol). Lithium (2 mg L-1, 670.80 nm) was used as internal standard for the construction of analytical curves in the range from 0 to 8 mg L-1 of copper (324.75 nm). The internal standard was effective to correct the sampling failures around the contour of the ring during the measurement process. Analytical calibration curves were linear (r> 0.99) in the concentration range studied and the limits of detection and quantification were of 0.3 mg L-1 and 1.0 mg L-1, respectively. The results of determination of copper in eight samples of cachaça showed be statistically indistinguishable, at 95% confidence level, when compared with the official method of standard addition and measurement by flame atomic absorption spectroscopy (FAAS), with an average relative precision of 9%. The procedure to carry out the preconcentration requires less than six minutes, while the measurements of the formed ring, using the mechanized system, requires an total two minutes to be performed. Moreover, it was verified the potentiality of ring oven/LIBS technique for geographic classification of cachaça of Salinas region (Minas Gerais State) using chemometric multivariate modeling (LDA, SIMCA and PLS-DA). The better predictive performance was attained by the chemometric model based Linear Discriminant Analysis (LDA), achieving correctly classification of 70% of the samples.
xix
LISTA DE ABREVIAÇÕES e SIGLAS...XXIII LISTA DE TABELAS...XXVII LISTA DE FIGURAS...XXIX
1. INTRODUÇÃO ... 3
1.1. Cachaça ... 3
Origem e produção da cachaça ... 3
1.1.1. Cachaças com selo de Indicação de Procedência (IP): as cachaças de Salinas.. 6
1.1.2. Controle de qualidade da cachaça ... 8
1.1.3. 1.2. Métodos analíticos para a determinação de cobre em cachaça ... 10
1.3. Espectroscopia de emissão ótica em plasma induzido por laser (LIBS) ... 14
1.4. A técnica de pré-concentração analítica ring oven ... 18
1.5. Quimiometria ... 20
Modelos de classificação quimiométricos ... 21
1.5.1. 1.5.1.1. Análise por Componentes Principais (PCA) ... 22
1.5.1.2. Modelagem Flexível e Independente por Analogia de Classe (SIMCA) ... 24
1.5.1.3. Análise Discriminante Linear baseada em PCA (PCA-LDA) ... 25
1.5.1.4. Análise Discriminante pelos Mínimos Quadrados Parciais (PLS-DA) ... 26
LIBS e Quimiometria ... 29
1.5.2. Aplicação de métodos quimiométricos para classificação de cachaça ... 31
1.5.3. 2. OBJETIVO ... 35
3. PARTE EXPERIMENTAL ... 39
3.1. Construção do sistema mecanizado para medidas por LIBS empregando ring oven. 39 3.2. Instrumentação LIBS ... 42
3.3. Reagentes, soluções e amostras ... 43
xx
LIBS com o modo integrate on chip ... 46
3.6. Estudos de parâmetros que influenciam o sinal analítico ... 46
Influência do tipo de lente empregado para focalização da radiação laser ... 46
3.6.1. Efeito o volume de solução ácida de lavagem do analito ... 46
3.6.2. Efeito do volume de amostra ... 47
3.6.3. Influência do teor de sacarose ... 47
3.6.4. Efeito do teor alcoólico ... 47
3.6.5. 3.7. Estabilidade do sinal analítico ... 47
3.8. Figuras de Mérito ... 48
Curvas analíticas ... 48
3.8.1. Limite de detecção e de quantificação ... 48
3.8.2. Repetibilidade ... 49
3.8.3. Exatidão ... 49
3.8.4. 3.9. Estudos da potencialidade de determinação de chumbo em amostras de cachaça.. 49
3.10. Quantificação de cobre por calibração multivariada ... 50
3.11. Modelos quimiométricos de classificação para as amostras de cachaça de Salinas.50 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 55
4.1. Sistema de mecanização de medidas ring oven por LIBS ... 55
4.2. Otimização do sistema de pré-concentração por ring oven. ... 57
4.3. Avaliação do sistema de medida no modo integrate on chip ... 58
4.4. Fator de pré-concentração (K) ... 61
4.5. Resultados iniciais da determinação de cobre em cachaça por ring oven/LIBS ... 63
4.6. Padronização interna para as medidas em ring oven/LIBS ... 66
4.7. Estudo de parâmetros que influenciam o sinal analítico ... 69
Influência dos tipos de lentes para a focalização da radiação laser ... 69
4.7.1. Efeito do volume de solução ácida para lavagem do analito... 71
4.7.2. Efeito do volume de amostra ... 72 4.7.3.
xxi
Efeito do teor alcoólico ... 77
4.7.5. 4.8. Estabilidade do sinal analítico ... 80
4.9. Figuras de mérito do método ring oven/LIBS para determinação de cobre em cachaça. ... 82
Limite de detecção, de quantificação e faixa linear de calibração ... 82
4.9.1. Repetibilidade analítica ... 82
4.9.2. Avaliação da exatidão da determinação de cobre em cachaça ... 83
4.9.3. 4.10. Estudos preliminares visando avaliar a possibilidade de detecção de chumbo em amostras de cachaça por ring oven/LIBS. ... 84
4.11. Calibração multivariada por regressão por mínimos quadrados parciais (PLS) ... 88
4.12. Identificação de origem de cachaças ... 92
Pré-tratamento dos dados ... 92
4.12.1. Avaliação dos modelos quimiométricos de classificação ... 98
4.12.2. 4.12.2.1. Análise Exploratória dos Dados ... 98
4.12.2.2. Modelagem Flexível e Independente por Analogia de Classe ... 100
4.12.2.3. Análise Discriminante por Mínimos Quadrados Parciais (PLS-DA) ... 102
4.12.2.4. Análise Discriminante Linear (LDA) ... 103
5. CONCLUSÃO E PERSPECTIVAS FUTURAS ... 109
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 115
7. APÊNDICES ... 125
APÊNDICE 1 - Espectro LIBS típico de uma amostra de cachaça pré-concentrada obtido medindo-se anel produzido por ring oven. ... 125
APÊNDICE 2 - Método proposto para determinação de cobre em cachaça por ring oven/LIBS. ... 126
xxiii
AAS, Espectrometria de absorção atômica (do inglês, Atomic Absorption Spectrometry) ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas
AOTF, Filtro Ótico Acústico Sintonizável (do inglês, Acousto-Optic Tunable Filters) APCS, Associação de Produtores de Cachaça Artesanal de Salinas
CCD, Detector de Carga Acoplada Intensificado (do inglês, Charge-coupled Device) COW, Correlation Optimised Warping
DO, Denominação de Origem DPR, desvio padrão relativo
FAAS, Espectrometria de Absorção Atômica em Chama (do inglês, Flame Atomic Absorption
Spectrometry)
GC, Cromatografia Gasosa (do inglês, Gas Chromatography)
GF AAS, Espectrometria de Absorção Atômica em Forno de Grafite (do inglês, Graphite
Furnace Atomic Absorption Spectrometry)
HPLC, Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (do inglês, High Performance Liquide
Chromatography)
HR-CS AAS, Espectrometria de Absorção Atômica com Fonte Contínua e de Alta Resolução (do inglês, High-resolution Continuum Source Atomic Absorption Spectrometry)
ICCD, Detector de Carga Acoplada Intensificado (do inglês, Intensified Charge-coupled
Device)
ICP MS, Espectrometria de Massas com Plasma Indutivamente Acoplado (do inglês,
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)
ICP OES, Espectrometria de Emissão Óptica com Plasma Indutivamente Acoplado (do inglês, Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy).
xxiv INPI, Instituto Nacional de Propriedade Intelectual IP, Indicação de Procedência
K, fator de pré-concentração
LA-ICP MS, Espectrometria de Massas com Plasma Indutivamente Acoplado (do inglês,
Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)
LD, limite de detecção
LDA, Análise Discriminante Linear (do inglês, Linear Discriminant Analysis)
LIBS, Espectroscopia de Emissão Óptica em Plasma Induzido por Laser (do inglês, Laser
Induced Breakdown Spectroscopy)
LQ, limite de quantificação
m, sensibilidade da curva analítica
MS, Espectrometria de Massas (do inglês, Mass Spectrometry) PC, Componente Principal (do inglês, Principal Component)
PCA, Análise por Componentes Principais (do inglês, Principal Component Analysis) PLS, Regressão pelos Mínimos Quadrados Parciais (do inglês, Partial Least Square)
PLS-DA, Análise Discriminante por Regressão dos Mínimos Quadrados Parciais (do inglês,
Partial Least Square - Discriminant Analysis)
PTFE, politetrafluoretileno (do inglês, Polytetrafluoroethylene)
RMSEC, erro quadrático médio de calibração (do inglês, Root Mean Square Error of
Caibration)
RMSECV, erro quadrático médio de validação cruzada (do inglês, Root Mean Square Error of
Cross - Validation)
RMSEP, erro quadrático médio de previsão (do inglês, Root Mean Square Error of Prediction) rpm, rotação por minuto
xxv
SIMCA, Programa de Modelagem Independente para Analogia de Classe (do inglês, Soft
Independent Modeling of Class Analogy)
VL, variáveis latentes
xxvii
Tabela 1 - Limites máximos permitidos de contaminantes orgânicos e inorgânicos para cachaça de acordo com a legislação brasileira [1] ... 9 Tabela 2 - Dados das curvas analíticas construídas para determinação de cobre a partir de soluções contendo diferentes teores de açúcar. ... 75 Tabela 3 - Determinação de cobre em cachaças adoçadas utilizando soluções de calibração contendo 10 g L-1 de açúcar por FAAS e LIBS ... 76 Tabela 4 - Adição de padrão de cobre para amostras de cachaças adoçadas determinadas por meio da curva analítica contendo açúcar em 10 g L-1. ... 77 Tabela 5 - Estudo da repetibilidade para as medidas de cobre realizadas por ring oven/LIBS e FAAS (n = 3) ... 83 Tabela 6 - Determinação de cobre em amostras de cachaça artesanal utilizando método por FAAS e ring oven/LIBS. ... 84 Tabela 7 – Concentrações de referência (FAAS), concentrações obtidas utilizando calibração univariada e concentrações previstas utilizando o modelo de calibração multivariada PLS para a determinação de cobre em cachaça pré-concentrada por ring oven. ... 91 Tabela 8 - Erros e acertos na classificação de amostras da região de Salinas e de outras do restante do Brasil utilizando o modelo PCA-LDA. ... 105
xxix
Figura 1 - Distribuição regional de marcas de cachaças comercializadas no Brasil. ... 5
Figura 2 - Países importadores de cachaça e a sua porcentagem em volume importada durante o ano de 2013 [9]. ... 5 Figura 3 - Localização da microrregião de Salinas no estado de Minas Gerais (imagem gentilmente cedida pelo autor [14]). ... 7 Figura 4 - Diagrama esquemático de um instrumento LIBS: (A) fonte e sistema de refrigeração do laser; (B) laser pulsado; (C) espelho dicroico; (D) lente; (E) amostra; (F) suporte para a amostra; (G) coletor óptico; (H) fibra óptica; (I) sinal de acionamento do detector; (J) seletor de comprimento de onda; (K) detector e (L) computador. ... 15 Figura 5 – Estrutura química da celulose mostrando as unidades monoméricas da glicose e as ligações de hidrogênio intramolecular. ... 19 Figura 6 - Representação da matriz de dados espectrais usado para construção de modelos qumiométricos. Neste exemplo, os dados de cada amostra referem-se aos seus espectros LIBS. ... 20 Figura 7 – Representação da decomposição da matriz dos dados originais em matriz dos escores, dos pesos e resíduos. ... 23 Figura 8 - Modelo de classificação por SIMCA construído a partir da PCA de três classes diferentes, empregando três componentes principais para cada classe. ... 24 Figura 9 - Métodos de classificação por LDA (A) linear (B) quadrática e (C) Mahalanobis. ... 25
Figura 10 – Representação da decomposição em variáveis latentes para as matrizes das variáveis independentes (X) e dependentes (Y) para construção do modelo PLS. ... 26
xxx
para construção do modelo PLS-DA para duas classes. ... 28 Figura 12 - Foto da plataforma rotatória de amostragem (A) vista lateral, (B) vista superior com controlador de velocidade. ... 39 Figura 13 – Porta-amostra de teflon®
da empregado, para fixação do papel de filtro contendo o analito pré-concentrado por ring oven. Disco fixo contendo a agulha central e anel removível para fixação do papel contendo a amostra (A); amostra fixada no centro do disco fixo, orientada por meio de uma agulha (B); amostra presa pelo anel removível para ser analisada por LIBS (C)... 40 Figura 14 - Molde de teflon® e haste pontiaguda usada para perfurar o centro do anel pré-concentrado. ... 41 Figura 15 - Foto do instrumento LIBS e da plataforma rotatória de medida. ... 42
Figura 16 - Sistema de pré-concentração ring oven: (A) solução contendo a amostra/padrão; (B) bomba peristáltica; (C) sistema de injeção em fluxo; (D) forno de aquecimento; (E) controlador de temperatura; (F) frasco de descarte da solução. ... 44 Figura 17 - Dispositivo para transferência da solução de corante para o centro do papel de filtro. ... 45 Figura 18 - Representação do anel obtido por ring oven e parâmetros para o cálculo da velocidade de rotação da plataforma de medida. ... 55 Figura 19 - Anel obtido após a otimização do procedimento de pré-concentração por
ring oven. Diâmetro: 18 mm ... 57
Figura 20 - Sinal analítico do cobre (λ = 324,75 nm) utilizando o sistema de medida
accumulate (30 pulsos) e o modo integrate on chip (120 pulsos). Anéis obtidos a partir da
xxxi
imagem das regiões analisadas. ... 60 Figura 22 - Aquo-complexo de cobre adsorvido pela celulose (Adaptado de [94]) ... 61
Figura 23 - Representação de um anel e suas dimensões. ... 62
Figura 24 - Curvas de adição de padrão para o cobre utilizando a intensidade de emissão em 324,75 nm (A) e utilizando a intensidade relativa Cu/Li (B) construídas a partir de anéis preparados pela pré-concentração de 600 µL de amostra e fortificada com cobre nas concentrações de 0, 1, 3 e 5 mg L-1 e contendo lítio 2 mg L-1 como padrão interno... 64 Figura 25 - Curva analítica de adição de padrão construída utilizando a razão das intensidades de emissão do cobre (324,75 nm) e do lítio (670,80 nm). Dados obtidos a partir de anéis preparados pela pré-concentração de 600 µL de solução contendo a amostra original e fortificada com cobre nas concentrações de 0, 0,1, 0,3, 0,5 e 3 mg L-1 e lítio 2 mg L
-1
. ... 66 Figura 26 - Variação do sinal analítico (A) intensidade e (B) razão de intensidade (Cu/Li) de anéis obtidos pré-concentrando 60 µL de solução contendo 5 mg L-1 de Cu2+ e 2 mg L-1 de Li+ e comparado com manchas produzidas sobre o papel de filtro, empregando 20 µL de solução contendo 241 mg L-1 de Cu2+ e 97 mg L-1 de Li+. ... 67 Figura 27 - Curvas analíticas para o cobre utilizando a (A) intensidade de emissão em 324,75 nm e (B) a razão das intensidades de emissão do cobre e do lítio (670,80 nm). Volume pré-concentrado: 60 µL. ... 68 Figura 28 - Comportamento do sinal analítico utilizando lentes do tipo cilíndrica e esférica para a análise de anéis preparados a partir da pré-concentração de 60 µL de solução contendo 5 mg L-1 de cobre. ... 70 Figura 29 - Influência do volume de HCl 0,05 mol L-1 sobre a intensidade de emissão do cobre e da intensidade relativa Cu/Li para a lavagem de um anel obtido com 60 µL de solução contendo 3 mg L-1 de cobre e 2 mg L-1 de lítio (n = 3). ... 71
xxxii
Figura 31 - Influência do teor de açúcar sobre o sinal analítico. Volume pré-concentrado: 60 µL. ... 74 Figura 32 - Anéis preparados a partir da pré-concentração de 60 µL de solução de cobre 3 mg L-1 contendo teores de açúcar de 0 (A), 2 (B), 5 (C), 10 (D) e 30 (E) g L-1. ... 75 Figura 33 - Influência do teor alcoólico sobre o sinal analítico do cobre e da razão Cu/Li de anéis pré-concentrados obtidos a partir de soluções contendo 3 mg L-1 de cobre e 2 mg L-1 de lítio (n=3). ... 78 Figura 34 – Estudo do diâmetro do anel formado variando-se o teor alcoólico de 38 a 54% (v/v) (n = 3). ... 79 Figura 35 - Estabilidade das curvas analíticas obtidas com anéis preparados e analisados a cada sete dias durante quatro semanas. ... 80 Figura 36 - Curvas analíticas construídas a partir de anéis preparados e analisados no mesmo dia ao longo de cinco dias. ... 81 Figura 37 - Sinais analíticos de manchas preparadas aplicando-se 20 µL de solução contendo 96, 160 e 320 mg L-1 de chumbo sobre o papel de filtro. As intensidades e as estimativas do desvio padrão foram obtidas a partir de medidas em triplicata. ... 85 Figura 38 - Sinal analítico do chumbo e da razão Pb/Li de anéis obtidos da pré-concentração de 1500 µL de solução contendo 0,2 mg L-1 de chumbo e 0,04 mg L-1 de lítio. ... 86 Figura 39 - Sinal analítico do chumbo e da razão Pb/Li de anéis obtidos da pré-concentração de 1500 µL de solução contendo 0,2 mg L-1 de chumbo e 0,04 mg L-1 de lítio e utilizando ácido clorídrico 0,05 mol L-1 e ácido acético 0,1 mol L-1 para lavagem da região interna ao anel. ... 87
xxxiii
modelo PLS obtido usando a faixa espectral de 200 a 1000 nm (● calibração; ● validação cruzada). Número de fatores: 2. ... 89 Figura 41 - Espectro suavizado com filtro Savitsky-Golay (janela de 9 pontos) e normalizado pela linha de emissão do lítio sem pré-tratamento (A), pré-tratados por suavização, normalização e segunda derivada (B) referentes a região espectral contendo as duas linhas de emissões do cobre em 324,75 nm e 327,34 nm ... 90 Figura 42 - Valores de referências (padrões) versus valores previstos de cobre para o modelo PLS usando a faixa espectral que contém as linhas de emissão do cobre em 324,75 e 327,34 nm (● calibração; ● validação cruzada). Número de fatores: 1. ... 90 Figura 43 - Espectros de emissão obtidos pela medida de anéis preparados a partir da pré-concentração de 30, 60 e 600 µL de uma amostra de cachaça. Raias de emissão em 407,74 nm (Cr I), 585,77 nm (Ni I), 643,92 nm (Ca I), 646,28 nm (Fe I); 647,12 nm (Na II), 649,33 nm (Al II) e 714,83 nm (Mn II). ... 93 Figura 44 - Gráfico de scores das duas primeiras componentes principais para 27 amostras de cachaça Salinas (●) e 55 amostras de outras regiões do Brasil (■), sem pré-tratamento dos dados e utilizando toda a faixa espectral de 200 a 1000 nm. O valor entre parêntese é a variância explicada para cada componente principal. ... 94 Figura 45 - Espectros de emissão (200-1000 nm) das amostras de cachaças pré-tratados por suavização com filtro Savitsky-Golay (janela de 11 pontos), ajustado pela linha base e normalizado pela linha de emissão do lítio, (A) toda faixa espectral tratada e (B) região referente a linha de emissão do lítio. ... 95 Figura 46 – Linhas de emissão do lítio (670,80 nm), cobre (324,75 nm) e potássio (777,354 nm) pré-tratadas por suavização com filtro Savitsky-Golay (janela de 11 pontos), ajustado pela linha base e normalizado sem aplicar o COW (A, C e E) e com aplicação do COW (B, D e F). ... 97
xxxiv
tratados por suavização com filtro Savitsky-Golay (janela de 11 pontos), ajustados pela linha base, normalizado pela linha de emissão do lítio e alinhadas pelo algoritmo COW. ... 98 Figura 48 - Gráfico de scores das três primeiras componentes principais para amostras de cachaça Salinas (●) e Outras (■) com pré-tratamento dos dados (suavização, ajuste de linha base, normalização e correção de deslocamento espectral) utilizando somente as 101 linhas de emissão selecionadas. O valor entre parêntese é a variância explicada para cada componente principal. As três primeiras PCs explicam 94% da variância. ... 99 Figura 49 - Gráfico de pesos das variáveis em PC1 (86%) referente a PCA dos espectros das amostras de cachaças de Salinas e Outras. ... 100 Figura 50 - Gráfico de Si x Hi (nível de significância de 5%) do modelo das classes, (A) Cachaças de Salinas e (B) cachaças de outras regiões do Brasil. (■) refere-se às amostras de Salinas e (●) refere-se às amostras Outras. ... 101 Figura 51 - Valores de referências (padrões) versus valores previstos para classificação por PLS-DA para as amostras de cachaças da região de Salinas (valor de referência 1) e para as demais amostras (valor de referência 0). Modelo construído a partir de um fator (● calibração e ● validação cruzada). ... 103 Figura 52 - Gráfico de scores das funções discriminantes (FD) do modelo de calibração PCA-LDA quadrático para as cachaças da região de Salinas (●) e das demais regiões do Brasil (●). ... 104 Figura A1 – Espectro LIBS típico de uma amostra de cachaça obtido utilizando 120 pulsos do laser para medir o anel preparado pela pré-concentração de 60 µL de amostra. O sinal (*) refere-se à linha de emissão do Cu(I) em 324,75 nm e o (*) refere-se à linha de emissão do Li(I) em 670,80 nm, que foi utilizado como padrão interno...125
3
1. INTRODUÇÃO
1.1. Cachaça
Origem e produção da cachaça
1.1.1.
A origem da cachaça coincide com a chegada da cana-de-açúcar (Saccharum
offinarum) em terras brasileiras. Originário da Ásia, esse vegetal da classe das
monocotiledôneas foi trazido ao Brasil na época colonial por Martin Afonso de Sousa em 1530 que a implantou na capitania hereditária de São Vicente [1].
Durante o período colonial a mão de obra escrava era a responsável por realizar todos os trabalhos de plantio, colheita e moagem da cana-de-açúcar para a produção do açúcar que servia para adoçar as bebidas dos senhores de engenho. Acontece que ao final dos trabalhos os escravos levavam para suas casas o resto do caldo da cana-de-açúcar produzido durante o dia que, por vezes, era esquecido e acabava por fermentar formando o que eles denominavam de “cagança” que uma vez consumido provocava sensação de embriaguez [2]. Esse caldo fermentado seria a primeira versão, pouco elaborada e preparada, do que se conhece hoje como a tradicional cachaça brasileira.
Devido a grande aceitação da cachaça no Brasil colonial, pelas mais variadas classes sociais, em 1649 iniciou-se a proibição da fabricação da bebida. Isto ocorreu porque houve um aumento no consumo, que antes era restrito aos escravos, pelos senhores de engenho, tornando uma ameaça aos lucros da coroa portuguesa, pois causou a redução na importação da bagaceira (aguardente de bagaço de uva) fabricada em Portugal. Somente em 1661, a sua produção foi liberada pela rainha regente de Portugal, Dona Luísa de Gusmão [3].
Ao longo dos anos, a cachaça fez parte de diversos episódios históricos do Brasil desde o período colonial até os dias de hoje. Símbolo dos ideais de liberdade dos Inconfidentes Mineiros e de manifestações populares contrárias a sua discriminação como a Semana de Arte Moderna em 1922, a bebida tem ganhado cada vez mais espaço junto a sociedade contemporânea [4].
4
Hoje a produção da cachaça não consiste apenas em deixá-la fermentar por um período de tempo, mas preparar todo o caldo a fim de que se tenha um produto com aroma e paladar agradáveis. As etapas de preparo da bebida destilada consistem primeiramente em moer a cana para obtenção do mosto (caldo da cana-de-açúcar) o qual em seguida é fermentado e levado para colunas de destilação para obtenção da cachaça.
Durante o processo de destilação é possível obter três frações, a cabeça, o coração e a cauda que diferem entre si pelo grau do teor alcoólico e a composição química relacionada aos produtos voláteis que se encontram presentes na fração destilada. Para selecionar a fração referente à cachaça, os fabricantes utilizam o que chamam de corte (descarte) das frações da cabeça e cauda.
A primeira fração a ser dispensada é a cabeça, que se refere 5 a 10% de todo o volume destilado. Esta fração possui um elevado teor alcoólico, 70 a 55% (v/v) e contém os produtos mais voláteis do caldo destilado como metanol, aldeídos e ésteres. A fração seguinte é de interesse, considerada como o destilado nobre, corresponde de 75 a 80% (v/v) do volume destilado e contém teor alcoólico referente ao da cachaça (38 a 48% v/v). Por fim, a última fração que corresponde a 10% do volume total destilado, possui teor alcoólico abaixo de 38% (v/v) e contém os produtos menos voláteis como compostos fenólicos e ácidos orgânicos [5].
A aguardente de cana é uma bebida com graduação alcoólica de 38 a 54% (v/v) a 20 ºC, obtida do destilado alcoólico simples de cana-de-açúcar ou pela destilação do mosto fermentado do caldo de cana-de-açúcar [6]. A definição mais ampla para a cachaça, também conhecida como pinga, caninha e jeribita, refere-se a uma aguardente de cana autenticamente brasileira que contém de 38% a 48% (v/v) de álcool a 20 ºC obtida a partir do caldo fermentado e destilado da cana-de-açúcar [6].
A cachaça é a segunda bebida mais consumida no Brasil, perdendo apenas para a cerveja. Estima-se uma produção anual de 1,3 bilhões de litros, distribuída em 5 mil marcas registradas, da qual 90% é suprida pelo setor industrial e apenas 10% de maneira artesanal [7,8]. No entanto, a maneira artesanal, geralmente praticada por pequenos produtores usando destiladores de alambiques, ainda é a mais apreciada e preferida pelos consumidores. A região sudeste é detentora de mais da metade da produção do país (Figura 1) sendo o estado de Minas Gerais o principal representante [6].
5
Figura 1 - Distribuição regional de marcas de cachaças comercializadas no Brasil.
Considerada a terceira bebida mais consumida no mundo, a cachaça é bastante apreciada pelas pessoas de diversos países. Estima-se que somente no ano de 2013 o produto destilado foi exportado para mais de 59 países entre eles, Alemanha, Paraguai, Portugal e Estados Unidos, representando cerca de 9,21 milhões de litros (Figura 2) [9].
Figura 2 - Países importadores de cachaça e a sua porcentagem em volume importada durante o
ano de 2013 [9].
Notavelmente, a cachaça tem ganhado seu espaço junto às bebidas destiladas tradicionais, o que mostra a potencialidade de mercado seja no âmbito interno ou externo atingindo níveis cada vez mais competitivos. No entanto, o aumento na cadeia produtiva, muitas vezes realizada de forma clandestina, impede os órgãos competentes terem um controle de certificação da qualidade da bebida. Dentro desse contexto, produtores de determinada região, conhecida pela qualidade da bebida, tem buscado o selo de procedência, preocupado em garantir que o produto que chega ao consumidor seja autêntico, sem adulteração e com origem certificada.
8,7% 0,4% 15,2% 72,6% 3,1% Nordeste Norte Sul Sudeste Centro-Oeste 29% 12% 8% 8% 6% 5% 4% 4% 3% 3% 18% Alemanha Paraguai Portugal Estados Unidos França Bolivia Espanha Bélgica Chile Itália Outros
6
Cachaças com selo de Indicação de Procedência (IP): as cachaças
1.1.2.
de Salinas
Com o crescimento no consumo e exportação de bebidas bem como as exigências do mercado, cada vez mais competitivo, observa-se um aumento da necessidade de investimento visando a diferenciação dos produtos. Esse investimento traz benefícios para os produtores, que agregam valor ao produto, fortalece a exportação e aumenta a produção interna. Para o consumidor, o produto, uma vez certificado dentro das normas estabelecidas, tem garantidas a qualidade e a segurança alimentar [10].
Uma maneira de obter a diferenciação de produtos é por meio da Indicação Geográfica (IG) que é um instrumento de natureza jurídica concedida a um produto ou serviço que possui identidade própria intrínseca de apenas uma região dentro de ampla faixa territorial. O reconhecimento da Indicação Geográfica é feito pelo Instituto Nacional de Propriedade Intelectual (INPI) que estabelece duas modalidades: a Denominação de Origem (DO) e a Indicação de Procedência (IP) [11].
Segundo a Lei de Propriedade Intelectual, o selo de Denominação de Origem é dado ao nome geográfico de país, cidade, região ou localidade de seu território, que designe produto ou serviço cujas qualidades ou características se devam exclusiva ou essencialmente ao fator geográfico, incluindo fatores naturais e humanos [12]. Ao passo, que a Indicação de Procedência (IP) é dada ao nome geográfico de país, cidade, região ou localidade, que tenha sido reconhecido com centro de extração, produção ou fabricação de determinado produto ou de prestação de determinado serviço [12].
Assim, pode-se observar que existem diferenças entre as duas formas de Indicação Geográfica. A Denominação de Origem está relacionada a fatores geográficos como solo, clima, biomas e enquanto que a Indicação de Procedência está necessariamente ligada à qualidade do produto e não apenas à característica da região. O INPI e o MAPA são os órgãos responsáveis por conceder o selo de IG às bebidas alcoólicas, contemplando a modalidade Indicação de Procedência, agregando valor e qualidade em relação às demais cachaças do Brasil. No Brasil, somente duas regiões possuem o selo de Indicação de Procedência para cachaças, a região de Paraty no estado do Rio de Janeiro e a área que delimita a Região de Salinas no norte do estado de Minas Gerais.
7
As cachaças da região de Salinas tiveram seu reconhecimento nacional iniciado por volta da década de 1940 com o surgimento de algumas marcas hoje consolidadas no mercado de bebidas alcoólicas, principalmente devido à conquista de diversos prêmios [13]. Apesar de estar há muito tempo no mercado e de ter conquistado ainda mais consumidores, sendo sinônimo de padrão de qualidade, a cachaça da Região de Salinas só recebeu o selo de Indicação de Procedência pelo INPI/MAPA no ano de 2012.
Segundo o INPI a região geográfica de Salinas (coordenadas geográficas 16° 18’ 1,2’’ e 15º 50’ 50,4’’ ao sul do equador e 42° 37’ 0,2’’ e 41° 45’ 13,6’’ a oeste de Greenwich) compreende uma área de 2541,99 km2 e representa todo o município de Salinas e Novorizonte e parte dos municípios de Taiobeiras, Rubelita, Santa Cruz de Salinas e Fruta de Leite. A Figura 3 mostra a localização da microrregião de Salinas com os municípios que compõem a área da Indicação de Procedência.
Figura 3 - Localização da microrregião de Salinas no estado de Minas Gerais (imagem gentilmente
8
Nada se sabe a respeito dos fatores que caracterizam a área geográfica limitada pela região de Salinas. Contudo eles podem estar relacionados com o clima e o solo, que possibilitam diferenciação na maturação e qualidade da cana, a forma de armazenamento da bebida e a produção com normas e de forma bem artesanal, que são praticadas por gerações de produtores.
A associação de Produtores Artesanais de Cachaças de Salinas (APCS), responsável pela solicitação de IG, representa 28 produtores associados, contabilizando 52 marcas que produzem cerca de três milhões de litros por ano. A Associação procura preservar a marca de cachaça de Salinas, combater a falsificação e buscar a padronização de produtos visando alcançar mais mercados consumidores [15]. No entanto, o grande desafio para os produtores da região de Salinas está na tentativa de controlar e impedir a falsificação das bebidas no qual trazem prejuízos tanto para o mercado produtor quanto para os consumidores que são enganados e acabam adquirindo um produto de qualidade inferior àquela oferecida pela cachaça original.
Controle de qualidade da cachaça
1.1.3.
Considerando a importância econômica e cultural da cachaça, tem-se buscado a certificação, autenticação e segurança alimentar de forma a garantir que o produto que chega ao consumidor seja de qualidade comprovada. Para isso, existem leis que delimitam a quantidade máxima de alguns parâmetros químicos para a adequação e controle de contaminantes orgânicos e inorgânicos.
As bebidas destiladas são compostas por água e etanol, no entanto outras substâncias orgânicas e inorgânicas estão presentes e podem ter origem desde o processo de plantio da cana de açúcar até o processo de fabricação do caldo destilado, principalmente na etapa de fermentação e destilação.
Durante a fermentação alcoólica (produção de etanol e gás carbônico) além do álcool etílico como produto principal, pode haver reações que favorecem a produção de pequenas quantidades de produtos secundários, devido às condições físico-químicas e microbiológicas do processo bioquímico envolvido. Tais compostos são os responsáveis por alterar as
9
propriedades organolépticas do produto final e incluem os álcoois superiores, ácidos, ésteres, acetais, fenóis, hidrocarbonetos, aldeídos e cetonas.
Os componentes inorgânicos possíveis de serem detectados na cachaça são o cálcio, ferro, magnésio, potássio, cobre, arsênio, sódio e chumbo que são provenientes principalmente das características do solo onde a cana é cultivada ou do processo de corte e transporte da matéria prima até o local onde será produzida a bebida [16].
Para regulamentar a comercialização da cachaça e garantir a qualidade do produto que chega ao consumidor, o Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA) regulamentou níveis máximos de contaminantes orgânicos e inorgânicos conforme apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 - Limites máximos permitidos de contaminantes orgânicos e inorgânicos para cachaça de
acordo com a legislação brasileira [1]
CONTAMINANTE LIMITE (mg L-1) Orgânicos Metanol 20 Carbamato de etila 0,15 Acroleína 5 Álcool sec-butílico 10 Álcool n-butílico 3 Inorgânicos Cobre 5 Chumbo 0,2 Arsênio 0,1
A grande maioria dos contaminantes presentes em amostras de cachaças é de natureza orgânica. Para esses casos específicos técnicas analíticas como a Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC, do inglês, High Performance Liquid Chromatography), a Cromatografia Gasosa (GC, do inglês Gas Chromatography) e a Espectrometria de Massas (MS, do inglês Mass Spectrometry) têm sido bastante utilizadas.
Apesar de possuir vários compostos de origem inorgânica, a legislação vigente considera como contaminantes apenas o arsênio, o chumbo e o cobre e seu controle e avaliação são realizados por meio da Espectrometria de Absorção Atômica (AAS, do inglês
10
1.2. Métodos analíticos para a determinação de cobre em cachaça
Dentre os contaminantes inorgânicos presentes na cachaça o cobre é aquele que mais se destaca em vista do seu maior teor quando comparado aos demais, principalmente para bebidas produzidas de maneira artesanal. Na legislação brasileira a quantidade máxima permitida de cobre em cachaça é de 5 mg L-1. Países como Canadá, Estados Unidos e a comunidade europeia, são mais rígidos, e não permitem que a bebida importada contenha um teor maior que 2 mg L-1, fato que dificulta a exportação do produto.
Originado durante o processo de destilação artesanal, o cobre presente nas bebidas é proveniente de recipientes ou destiladores chamados de alambiques. A preferência por esse tipo de material deve-se a resistência à corrosão, boa condução de calor e durabilidade, além da melhoria nas propriedades organolépticas da cachaça, pois reduz a sua acidez e níveis de aldeídos e compostos sulforosos [17].
A contaminação da bebida pelo cobre ocorre devido à formação de uma camada de coloração verde nas paredes internas do alambique, quando este não está em uso, causadas pela exposição ao ar úmido que contém gás carbônico. O produto formado é o carbonato básico de cobre, CuCO3Cu(OH)2 também chamado de azinhavre, que por ser
solúvel em meio ácido, é arrastado durante o processo de destilação por vapores alcoólicos ácidos sendo levado até a bebida.
2Cu + O2 + H2O + CO2
→
CuCO3Cu(OH)2(s)CuCO3Cu(OH)2(s) + 4H+(aq)
→
2Cu2+(aq) + 3H2O(l) + CO2(g)Para evitar essa fonte de contaminação é comum os produtores de cachaça em realizar a limpeza dos alambiques usando suco de limão, que por ter característica ácida, facilita a dissolução do azinhavre e dessa forma impede que outras fontes ácidas o arrastem para o produto final.
Apesar de ser considerado um elemento essencial ao organismo humano [18], a alta concentração de cobre provocada, por exemplo, pela ingestão de bebidas que possuem
11
quantidades acima do permitido pode provocar danos a saúde humana. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS) a ingestão diária de cobre varia de 1 a 5 mg dia-1 [19]. Uma vez no organismo humano, o cobre solúvel pode se ligar ao grupo S-H de proteínas e enzimas afetando o sistema renal, nervoso central e causar o desenvolvimento da doença de Wilson, uma enfermidade que provoca alterações cerebrais e hepáticas irreversíveis [20,21].
Esforços têm sido feitos para minimizar ou eliminar o cobre das bebidas destiladas, uma vez que se trata de uma questão de saúde pública. Materiais como aço inoxidável, alumínio e porcelanas são alguns dos substituintes para o alambique de cobre, no entanto, o produto destilado apresenta qualidade organoléptica inferior, com aroma típico de sulfeto [22]. Outros métodos incluem dupla destilação e processos de adsorção (carvão ativado) ou uso de resina de troca iônica [23,24].
A literatura apresenta diversas propostas de métodos analíticos visando o controle de qualidade da bebida, sendo a espectrometria de absorção atômica (AAS) a mais empregada. A seguir é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os trabalhos envolvendo a determinação de cobre em cachaça.
O método recomendado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT NBR 13921) para determinação de cobre em aguardente contempla o uso da espectrometria de absorção atômica em chama (FAAS, do inglês Flame Atomic Absorption
Spectrometry) e a espectrofotometria no UV-visível [25]. Para a FAAS é utilizado o método
da curva de calibração com padrões de solução alcoólica de 50% (v/v) preparados na faixa de 1-5 mg L-1 de cobre e as medidas realizadas utilizando chama ar/acetileno no comprimento de onda de 324,7 nm. O método proposto pode sofrer interferências devido ao elevado efeito de matriz da amostra, porque o grau alcoólico da amostra não reflete diretamente aquele dos padrões podendo assim haver alteração na viscosidade e na tensão superficial das soluções, motivo pelo qual a eficiência de nebulização não é a mesma [26,27].
Dessa forma o método da adição de padrão para esse caso é o mais recomendado, como propõe o Instituto Adolfo Lutz, que recomenda o preparo de soluções contendo 10 mL de amostra, enriquecidos com padrão de cobre cujas concentrações finais são 0, 0,2, 0,5, e 1,0 mg L-1. O branco é feito com uma solução alcoólica 8% (v/v) e a leitura realizada em um
12
instrumento FAAS, utilizando chama oxidante ar/acetileno e no comprimento de onda de 324,7 nm [28].
O método utilizando a técnica espectrofotométrica UV-visível se baseia na redução do cobre II a cobre I pela hidroxilamina em presença de acetato de sódio e posterior complexação com o 2,2-diquinolina. A absorbância do complexo colorido é medida no comprimento de onda de 546 nm com padrões contendo 0 a 6 mg L-1 para construção da curva analítica. O teor de cobre na amostra é determinado em comparação com a absorbância da amostra de cachaça com a curva analítica construída [25].
Além do método da adição de padrão em FAAS, trabalhos têm sido realizados empregando a padronização interna para determinação de espécies inorgânicas presentes em amostras de bebidas destiladas com o intuito de minimizar o efeito de matriz.
Raposo Jr. et al. [26] avaliaram o uso de padrões interno como o índio, estanho, telúrio e bismuto, onde os dois últimos mostraram ser os mais apropriados para determinação de cobre por espectrometria de absorção atômica com fonte contínua e de alta resolução (HR-CS AAS, do inglês High-resolution Continuum Source Atomic Absorption
Spectrometry). O uso dos padrões internos mostrou-se eficiente para eliminar flutuações das
medidas da absorbância causadas pela variação do teor de etanol, o que provoca alterações físicas na viscosidade e tensão superficial da solução, levando a diferenças na taxa de aspiração do nebulizador. Foram obtidos coeficientes de regressão de 0,9994 usando como padrão interno o bismuto e 0,9990 utilizando como padrão interno o telúrio, com limite de detecção de 5 µg L-1, recuperações de 99 - 101% e desvio padrão relativo de 0,8 - 3,7% (bismuto) e 0,4 - 4,4% (telúrio). O método foi utilizado para determinação de cobre em 22 amostras de bebidas destiladas, sendo sete delas amostras de cachaça, cujo teor variou de 0,79 – 3,76 mg L-1. Os resultados foram comparados pelo método da adição de padrão por FAAS e mostraram serem estatisticamente iguais.
Miranda et al. [29] propôs um método para determinação de cobre em aguardente de cana empregando a FAAS e a técnica de padrão interno. Foram testados Ag, Bi, Co e Ni como padrão interno, sendo a prata na concentração de 2 mg L-1 (328,1 nm) o mais apropriado, alcançando limite de detecção de 15 µg L-1 para o cobre. Os resultados das análises de cinco amostras de cachaça apresentaram precisão e exatidão comparáveis aos
13
obtidos por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES, do inglês, Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy).
Padrões internos, como bismuto e antimônio, foram avaliados por Caldas et al [30] na determinação direta e simultânea de As, Cu e Pb por espectrometria de absorção atômica em forno de grafite (GF AAS, do inglês Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry), utilizando Pd(NO3)2 e Mg(NO3)2 como modificadores químicos. Os resultados para o cobre
mostraram boa correlação linear (0,999) com recuperação de 97% a 108%, limite de detecção de 22 µg L-1 e desvio padrão relativo de 1,8%. O método foi aplicado para análise de dez amostras de cachaças e comparado com o método empregando espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP MS, do inglês Inductively Coupled Plasma
Mass Spectrometry) cujos resultados foram estatisticamente concordantes.
Outras técnicas analíticas também têm sido usadas para determinação de cobre em amostras de bebidas destiladas como a fluorescência de raios X (XRF, do inglês X-ray
Fluorescence) [31] e o uso de um método potenciométrico utilizando um eletrodo de
íon-seletivo para íons cobre a partir de membranas de sulfeto de cobre [32]. Nada se pode ser encontrado na literatura sobre a determinação de cobre em cachaça utilizando técnicas de ablação a laser, tais como a ablação a laser em espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (LA-ICP MS, do inglês Laser Ablation Inductively Coupled Plasma
Mass Spectrometry), e mesmo a espectroscopia de emissão óptica em plasma induzido por
laser (LIBS, do inglês Laser Induced Breakdown Spectroscopy), pois para essas técnicas o analito deve estar preferencialmente presente em um substrato sólido.
Assim, a motivação desse trabalho surgiu a partir do uso da instrumentação LIBS aliada a técnica de pré-concentração ring oven de maneira que juntas pudessem fornecer um método para a determinação de cobre em amostras de cachaças e de identificação das cachaças da região de Salinas.
A seguir será descrita a instrumentação LIBS e a técnica de pré-concentração por
ring oven, bem como os métodos quimiométricos de classificação como o SIMCA, baseado
em Análise de Componentes Principais (PCA), Análise Discriminante Linear (LDA, do inglês
Linear Discriminant Analysis) e Análise Discriminante pelo Método dos Mínimos Quadrados
14
1.3. Espectroscopia de emissão ótica em plasma induzido por laser (LIBS)
As etapas de preparo de amostra são muitas vezes tediosas, demandam longo tempo e afetam a exatidão e precisão das medidas devido a perdas e contaminação. Uma alternativa viável para contornar tais problemas é a utilização da amostragem direta de sólidos a qual permite a determinação rápida, inclusive em linha de produção (on line) e em campo (in situ), minimizando a geração de resíduos e, consequentemente, a agressão ao meio ambiente.
Um método de análise direta de sólidos pode ser realizado incidindo um feixe de laser pulsado sobre a superfície de uma amostra. Durante esse processo ocorre a fusão do material, sua vaporização e a formação de um plasma resultante do aumento da temperatura local. O plasma formado apresenta altas temperaturas (10000 a 20000 K), o que faz com que átomos, íons e moléculas sofram excitação eletrônica e seguida de relaxação e emissão de radiação eletromagnética que permite determinar a composição da amostra que se está analisando. O processo de contato laser-amostra que remove uma parte do material é denominado ablação (processo de amostragem) e faz parte, entre outras técnicas, da espectroscopia de emissão óptica em plasma induzido por laser (LIBS).
A técnica LIBS está diretamente relacionada com o desenvolvimento da tecnologia dos lasers, principalmente com o surgimento do laser pulsado de rubi na década de 1960 [33,34]. Em 1962, foi observada pela primeira vez a formação de uma pluma luminosa que foi chamada de microplasma e iniciaram-se as tentativas da sua utilização como fonte espectral em microanálise. Um ano mais tarde, o fenômeno de formação do plasma induzido por laser foi aplicado em medidas analíticas de superfície, uma vez que era possível obter um espectro contendo raias de emissão de vários elementos constituintes da amostra. Desde então, o interesse pela técnica tem se expandido principalmente por apresentar características atraentes para a química analítica [35,36].
LIBS é uma técnica analítica multielementar, em estágio de consolidação, que apresenta algumas vantagens em relação àquelas que se baseiam em medidas de emissão atômica, tais como: caráter não-destrutivo, uma vez que necessita de uma pequena quantidade de amostra (ng a µg), nenhum ou pouco preparo da amostra, possibilidade de análise remota, miniaturização e portabilidade [37]. Essas características fazem com que
15
essa técnica seja aplicada em uma variedade de amostras sólidas, líquidas e gasosas de interesse ambiental, geológico, da indústria metalúrgica, biológico, arqueológico, militares, forenses, entre outros [38]. No entanto, a técnica LIBS apresenta algumas limitações como altos limites de detecção quando comparados com as técnicas convencionais e baixa precisão (até 20%). Em relação às técnicas analíticas baseadas em ablação a laser, LIBS é mais vantajosa devido ao baixo custo do instrumento, rapidez nas medidas e facilidade de uso [39].
A instrumentação de um sistema LIBS (Figura 4) é composta basicamente por uma fonte de excitação que é o laser pulsado, lentes ópticas para focalização da radiação emitida pelo laser sobre a amostra e coleta da radiação emitida, o qual é direcionada a um seletor de comprimento de onda, e em seguida a um sistema de detecção que fornecerá os dados na forma de espectros, onde as linhas espectrais são atribuídas às espécies químicas que compõem a amostra em análise [38,40].
Figura 4 - Diagrama esquemático de um instrumento LIBS: (A) fonte e sistema de refrigeração do
laser; (B) laser pulsado; (C) espelho dicroico; (D) lente; (E) amostra; (F) suporte para a amostra; (G) coletor óptico; (H) fibra óptica; (I) sinal de acionamento do detector; (J) seletor de comprimento de onda; (K) detector e (L) computador.
O laser (do inglês, light amplification by stimulated emission of radiation) é a fonte de radiação em um sistema LIBS [41,42]. A produção de radiação eletromagnética no laser ocorre através da emissão estimulada de um meio ativo, processo em que um agente externo provoca a excitação e a relaxação de um elétron do meio e que fornece radiação eletromagnética. As partes que compõe um laser são: o meio ativo, que pode ser gasoso
16
(CO2, N2, He/Ne), sólido (rubi, Ti:safira, Nd:YAG, Nd:LSB) ou líquido (corante orgânico), uma
fonte de excitação desse meio (fonte externa de bombeamento) e a cavidade do laser (região ressonante) composta por dois espelhos [41,43].
Os lasers são classificados de acordo com a fonte de bombeamento (fonte externa para excitação das espécies), por exemplo, lasers de flashlamp e, nos mais atuais, os lasers de diodo que dão origem aos microchips lasers. Em instrumentos LIBS, a mais popular fonte de radiação é o laser de estado sólido bombeado por flashlamp, no entanto nos últimos anos tem crescido o interesse pelo uso de laser bombeado por diodo, tais como os microchips lasers. Esse interesse advém do processo de miniaturização de instrumentos em muitas áreas da indústria o que viabiliza a aplicação em campo (portabilidade) e redução de custo do equipamento quando comparado aos comerciais [44].
Diversos são os tipos de seletores de comprimentos de onda utilizados para medidas LIBS, dos quais se destacam: monocromadores baseados em arranjos ópticos, os monocromadores com filtro ótico-acústico (AOTF, do inglês Acousto-Optic Tunable Filters) e policromadores do tipo echelle constituído de dois elementos ópticos dispersivos, uma rede de difração especial (rede echelle) e um prisma ou outra rede que fornece uma dispersão bidimensional assegurando uma alta resolução e uma ampla faixa de comprimento de onda [45-48].
Sem dúvida, os trabalhos envolvendo LIBS, em sua maioria, empregam detectores baseados em arranjos de fotodiodos e os de carga acoplada. Os arranjos de fotodiodos e os dispositivos de carga acoplada (CCD do inglês, Charge-Coupled Device) são sensores fotocondutores dispostos linearmente com um conjunto de sensores que são agrupados em 256 ou até 4096 elementos (pixels), sendo utilizados em conjunto com um seletor de comprimento de onda baseado em rede de difração. A diferença entre esses dois tipos de detectores de arranjos lineares encontra-se na alta sensibilidade do CCD em baixos níveis de radiação [49].
Os detectores de carga acoplada bidimensionais intensificados (ICCD do inglês,
Intensied Charge-Coupled Device) são utilizados em conjunto com os seletores de
comprimento de onda do tipo “echelle”, devido à formação de uma imagem bidimensional oriunda da radiação dispersada por esse tipo de policromador. Juntos esse sistema de detecção constitui o que há mais de moderno em medidas de sinais de emissão de
17
instrumentos LIBS por apresentar alta sensibilidade e fornecer espectros de emissão de alta resolução e em uma ampla faixa de comprimento de onda [50]. Além disso, esses detectores permitem obter sinais analíticos em alta velocidade, da ordem de nanosegundos, permitindo temporizar o sistema LIBS para detecção da emissão da radiação, técnica chamada de TRELIBS (LIBS resolvida no tempo) [51].
Apesar de ser uma técnica que pode ser empregada para uma variedade de amostras, LIBS ainda é limitada quando se quer analisar amostras líquidas, isto porque é necessária uma alta energia do laser para induzir a formação do plasma sobre este tipo de amostra. Outros motivos são que durante o contato laser-amostra pode ocorrer a formação de ondas na superfície do líquido e ainda a produção de bolhas que podem alterar o local de formação do plasma cada vez que é realizada uma nova medida. Além disso, o líquido pode espirrar e atingir as partes óticas (lentes para focalização do laser e para coleta da radiação) do instrumento, necessitando que este seja limpo constantemente. Tudo isso reflete diretamente na repetibilidade das medidas bem como leva a altos limites de detecção.
Para superar os problemas relacionados à obtenção de altos valores de limites de detecção, a utilização de jatos de amostra a partir de bombeamento do líquido [52,53] ou alteração da configuração convencional do instrumento LIBS [54] possibilita melhorar significativamente na sensibilidade da medida. No entanto, a estratégia do bombeamento requer um elevado volume de amostra e a alteração na configuração original do LIBS encarece significativamente o instrumento, ambas alternativas não são desejáveis sob o ponto de vista analítico. Dessa forma, outra alternativa seria a utilização de um suporte sólido para que o analito seja nele imobilizado e analisado ou para ele transferido em conjunto com um procedimento de pré-concentração.
Robustos para uma variedade de técnicas analíticas, os procedimentos de pré-concentração também têm sido utilizados para medidas que empregam instrumentos LIBS. Para essa abordagem a pré-concentração emprega um meio absorvente sólido que possibilita depositar amostras líquidas no material eliminando a dificuldade da formação de plasma pela interação laser-líquido, cuja análise só é possível com a utilização de instrumentação mais complexa. Sem dúvida, a vantagem de se utilizar técnicas de pré-concentração por meio de suportes sólidos advém do ganho na sensibilidade analítica e, como consequência, da melhoria do limite de detecção. Membranas poliméricas de troca
