PRÉ-CONCENTRAÇÃO EM SISTEMA DE FLUXO PARA DETERMINAÇÃO MULTIELEMENTAR EM AMOSTRAS DE ÁGUAS FLUVIAIS POR FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM REFLEXÃO TOTAL
Amauri A. Menegário, Daniel C. Pellegrinotti, Maria Fernanda Giné e Virgílio F. Nascimento Filho
Centro de Enegia Nuclear na Agricultura - CENA-USP Av. Centenário, 303 – CP 96
CEP 13400-970, Piracicaba, SP, Brasil
RESUMO
Desenvolveu-se um sistema de fluxo, dimensionado em escala reduzida, para a pré-concentração de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn por extração em fases sólida-líquida em amostras fluviais, para a posterior análise por fluorescência de raios X com reflexão total (TXRF). O sistema de fluxo foi construído com uma coluna de 11 µL contendo a resina catiônica AG50W-X8 e válvulas solenóides de três vias controladas por computador, permitindo de modo automático a pre-concentração, adição do padrão interno (Ga) e a deposição do eluato no suporte refletor. Foi avaliado o efeito interferente do Na (I), Ca (II) e Fe (III) na determinação dos analitos. A metodologia proposta resultou em fatores de pré-concentração de até 20 vezes utilizando apenas 1 mL da amostra e também o consumo de eluente (HCl3 mol L-1) foi significativamente reduzido. Os limites de detecção foram 1, 2, 3 e 4 µg L-1 para Zn, Co, Cu e Ni, Mn e Pb, respctivamente. A exatidão foi avaliada analisando-se uma amostra de referência de água natural (Natural Water Standard Reference Material-1640, National Institute of Standards and Technology), mostrando boa concordância com os valores certificados.
Keywords: flow system, preconcentration, TXRF, natural water
I. INTRODUÇÃO
Elementos traços em águas fluviais estão fracionados entre duas fases: dissolvida e em material particulado em suspensão. Determinações de alguns destes elementos por fluorescência de raios X com reflexão total (total reflection X-ray fluorescence, TXRF) no material particulado (após a solubilização da fase sólida) e principalmente, na fase dissolvida requerem a inclusão de uma etapa de pré-concentração [1].
A associação de processos de separação e/ou pré-concentração às técnicas de espectrometria atômica é freqüentemente usada para aumentar a sensibilidade ou superar efeitos interferentes nas análises químicas. Tem sido constatado que a etapa de pré-concentração, quando realizada em sistemas de fluxo, é mais eficiente, reprodutível, minimiza o consumo de reagentes, de amostra, e o risco de contaminação [2].
Vários sistemas de fluxo têm sido propostos para a separação e pré-concentração de espécies químicas com resinas, associados à espectrometria de absorção atômica com chama (FAAS) [3-5], espectrometria de emissão atômica (ICP-AES) [6-11] e espectrometria de massas com fonte de plasma (ICP-MS) [12,13]. As configurações básicas dos sistemas de injeção em fluxo para pré-concentração com resinas associados a estas técnicas foram descritas por Dos Reis et al [14]. Nestes sistemas, um volume controlado de
amostra é conduzido para uma coluna de resina, retendo os íons de interesse, e posteriormente, os íons são liberados com um eluente adequado e conduzidos diretamente ao nebulizador dos equipamentos.
Poucos trabalhos têm associado a TXRF com sistemas de fluxo para a separação e pré-concentração de espécies químicas com resinas. Prange et al. [15] propuseram um procedimento para a separação e pré-concentração de V, Mn, Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, Cd, Pb e U, envolvendo a complexação com dibenzilditiocarbamato para posterior retenção dos complexos em uma coluna de sílica-gel. O procedimento manual permitiu concentrar os analitos cerca de 40 vezes, porém, foram necessários 200 ml de amostra. Kelkó-Lévai et al. [16] propuseram a determinação de Cd, Co, Cr, Ni e Pb por TXRF em substâncias farmacêuticas após pré-concentração em sistemas de fluxo. Neste trabalho, após a introdução de 10 mL da amostra na coluna, os analitos foram recolhidos em um pequeno frasco injetando-se 1 mL de eluente, em seguida, alíquotas de 10 – 20 µL foram reamostradas manualmente do eluato para posterior determinação por TXRF.
No presente trabalho desenvolveu-se um sistema de fluxo para pré-concentração de Co, Cu, Mn, Ni, Zn e Pb em amostras de águas fluviais. Visando agilizar a etapa de pré-concentração, minimizar o consumo de amostras, reagentes e risco de contaminação o sistema foi dimensionado para
associação direta das etapas de pré-concentração e determinação por TXRF.
II. EXPERIMENTAL
Equipamentos e Acessórios. As determinações por fluorescência de raios X por reflexão total foram realizadas utilizando um sistema de excitação/detecção com tubo de raios X com alvo de Mo e filtro de Zr, operado a 40 KV e 20 mA, um módulo de reflexão total com duplo cristal refletor, sistema de monitoramento do feixe (constituído por uma câmera CCD acoplada a um monitor de vídeo de 14”), detector semicondutores de Si(Li) ( com 30 e 80 mm2 de áreas ativas, janela de Be com 12,7 µm de espessura e resolução de 165 eV a 5,89 keV), sistema de aquisição de dados baseado em analisador de pulsos multicanal acoplado a microcomputador e programas aplicativos para aquisição e armazenamentos dos espectros de raios X.
As soluções-padrão e amostras foram depositadas em suportes refletores de acrílico de 3 cm de diâmetro, secas em estufa (Marconi, MA033) a 60 ± 5 0C e excitadas por 500 s. Os espectros obtidos foram analisados utilizando o programa AXIL, Analysis of X-Rays Spectra by Interative Least Squares Fitting [17].
Sistema de Fluxo. O sistema de fluxo foi construído com tubos de polietileno de 0,5 mm de diâmetro interno, tubos de bombeamento de Tygon de vários diâmetros internos, bomba peristáltica Ismatec, coluna de 11 µl contendo o trocador catiônico AG50W-X8 (Bio-Rad Labs), 200 - 400 mesh, na forma protonada, e válvulas solenóides de três vias (N-Research, 161T031) controladas por um microcomputador através de um programa escrito em Visual Basic 4.0.
Coluna. A coluna foi confeccionada com um tubo de Tygon de 1,85 mm de diâmetro interno e 4 mm de comprimento. As extremidades da coluna foram recobertas com uma tela de poliester para evitar perdas da resina e conectadas a tubos de Tygon com 0,3 mm de diâmetro interno e 8 mm de comprimento. A coluna foi preenchida com a resina seca.
Reagentes e Soluções. Os ácidos HNO3 e HCl (grau p.a.) utilizados foram destilados abaixo do ponto de ebulição. Todas as soluções foram preparadas com água purificada à resistividade de 18 MΩcm. Foram preparadas soluções- padrão contendo de 0 a 500 µg l-1 de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn em HNO3 0,025 mol L-1 a partir de uma solução estoque multielementar de 100 mg L-1. Soluções contendo 25 mg L-1 de Na (I), Ca (II) e Fe (III) em HNO3 0,025 mol L-1 foram preparadas a partir dos sais NaNO3, CaCO3 e Fe(NO3)3.9H2O (Merck), respectivamente. Uma solução- padrão 10 mg L-1 de Ga (Merck) foi utilizada como padrão interno.
Amostras. Duas amostras de águas fluviais (BF1 e BF3) foram coletadas e acidificadas com HNO3 a 0,014 mol L-1, filtradas em membranas de policarbonato, com porosidade de 0,45 µm, e estocadas a 40 C. A amostra de água de
referência Natural Water Standard Reference Material – 1640, certificada pelo National Institute of Standards and Technology foi utilizada para validação da metodologia proposta.
Sistema de Fluxo e Procedimento para Pré-concentração. O sistema de fluxo desenvolvido para pré-concentração é apresentado na Fig. 1.O suporte refletor foi centralizado a uma distância de 2 cm do ponto amostragem. Neste sistema, a amostra foi continuamente bombeada através da coluna durante um intervalo de tempo definido pela abertura da válvula V2. Posteriormente, os analitos foram eluidos com HCl 3 mol L-1 e, após a adição da solução de padrão interno (Ga, 10 mg L-1), uma porção do eluato, definida pelo tempo de abertura das válvulas V3 e V4 simultaneamente, foi recolhida no suporte refletor.
TABELA 1. Programa de Pré-concentração. V = válvula; L = ligada e D = desligada.
Válvulas Tempo (s) Etapa V1 V2 V3 V4 V5
D D L D D 55 Limpeza da coluna L D D D D 5 Limpeza da coluna D L D D D 60 Retenção dos analitos L D D D D 15 Limpeza da coluna D D L D D 15 Descarte
D D D D L 2 Adição de Ga D D L L D 23 Amostragem do eluato
A sincronia para coleta dos analitos no suporte foi realizada considerando o volume do percurso analítico (coluna - válvula V4). Assim, depois de iniciada a etapa de eluição a válvula V4 foi mantida desligada durante 15 s, permitindo que o volume de solução contido no percurso analítico (cerca de 30 µl) fosse descartado. Em seguida, depois da adição do padrão interno, cerca de 50 µl do eluato foram depositados no centro do suporte refletor. Figura 1. Diagrama de Fluxo: as linhas inteiras e tracejadas nos círculos representam a direção do fluxo nas válvulas (V1 a V5) para as situações ligadas e desligadas, respectivamente, e as setas indicam os pontos de ação da bomba peristáltica. Eluente e padrão interno (PI): 128 µL min-1; amostra e água: 923 µL min-1.
amostragem PI coluna amostra água eluente descarte V2 V3 V1 V4 V5 suporte refletor
Todas as etapas do procedimento de pré-concentração estão descritas na Tabela 1.
III. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Fig. 2 mostra as intensidades dos raios X característicos dos elementos Cu, Mn, Ni, Pb e Zn, em relação ao padrão interno Ga, obtidas em 2 suportes refletores. A semelhança entre as intensidades relativas comprova que o processo de pré-concentração e a adição do padrão interno em fluxo podem ser conduzidos com precisão satisfatória.
Os fatores de pré-concentração obtidos, calculados pela razão entre a sensibilidade obtida após a concentração pela sensibilidade obtida sem a pré-concentração, são apresentados na Tabela 2. Os fatores de pré-concentração teóricos foram calculados dividindo-se a razão volume de amostra introduzida na coluna pelo volume de eluato recolhido. O método proposto resultou em aumentos na sensibilidade relativa dos analitos de até 22,9 vezes.
O consumo de HCl concentrado por determinação foi menor que 50 µl, um tempo menor que 3 min foi suficiente para conduzir todo o processo de pré-concentração e o limite de detecção [18] foi melhorado em até 15 vezes (Tabela 2), quando comparado com a análise direta (sem a etapa de pré-concentração). Ressalte-se que estes limites de detecção ainda podem ser consideravelmente melhorados empregando-se suportes refletores de quartzo ou excitações com luz síncronton [19]. Deste modo, estes recursos também podem ser utilizados na análise de amostras em que os analitos estejam presentes abaixo dos limites de detecção apresentados na Tabela 2.
TABELA 2. Fatores de Pré-concentração (F) e Limites de Detecção (LD) [18].
F LD (µg L-1)
Elemento Obtido a Teórico b Direto Pré-concentração Co 15,9±1,5 22,1 25 2,2 Cu 20,5±2,7 22,1 20 1,5 Mn 16,4±0,3 22,1 43 3,3 Ni 19,9±0,1 22,1 22 1,8 Pb 17,0±4,1 22,1 62 3,6 Zn 22,9±3,5 22,1 15 1,1 a. n = 3 repetições.
b. Valor obtido pela razão volume recolhido (49 µL) e volume de amostra (1076 µL).
Interferências. Visando verificar uma possível interferência na retenção dos analitos pelo trocador iônico AG50W-X8, causada pela presença de íons concomitantes, foram avaliados os efeitos devido a um metal alcalino, um alcalino terroso e um de transição, utilizando Na (I), Ca (II) e Fe (III), respectivamente. A razão entre concentração dos analitos e de interferente foi mantida em 1:1000 (25 µg L-1 : 25 mg L-1) para todos as soluções testadas. A Tabela 3 mostra a recuperação (%) dos sinais dos Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn, obtidas na presença de Na (I), Ca (II) e Fe (III).
TABELA 3. Interferências de Na, Ca e Fe (25 mg l-1) nos Analitos (25 µg l-1). Recuperação (%) a Elemento Na Ca Fe Co 119 ±5 96 ±33 392 ±107 Cu 125 ±6 105 ±30 267 ±9 Mn 94 ±6 109 ±45 148 ±59 Ni 110 ±10 99 ±20 230 ±50 Pb 94 ±26 78 ±40 169 ±3 Zn 108 ±12 81 ±34 147 ±4 a. n = 3 repetições
As interferências causadas por Na (I) e Ca (II) podem ser consideradas desprezíveis nas condições do teste. A interferência causada por Fe (III) aumentou consideravelmente as intensidades de sinais relativas dos analitos, particularmente para Co, Cu e Ni, indicando que o efeito interferente não ocorreu devido uma competição entre os sítios ativos da resina AG50W-X8 pelo Fe (III). Assim, presume-se que o principal efeito interferente originou de sobreposições espectrais adjacentes a linha Fe-Kβ (principalmente para Co) e/ou devido contaminação da solução padrão. Contudo, deve-se ressaltar que esta interferência não é um fator limitante para a análise das amostras de interesse. Por exemplo, Prange et al. [1] relataram que a concentração de Fe na fase dissolvida de águas fluviais (110 µg L-1) foi cerca de 10-30 vezes a concentração de Ni (10 µg L-1) e Cu (4 µg L-1).
Os desvios padrão relativos (n = 4 repetições) das intensidades de sinais relativas ao Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn, Figura 2. Intensidades Relativas para 2 Suportes
Refletores com Solução Padrão de 25 µg l-1 .
Mn Co Ni Cu Zn Pb 0 100 200 300 400 Intensidade Relativa
calculados considerando medidas antes e depois do teste de interferência, foram 16, 16, 19, 15, 24 e 23 %, respectivamente. Estes resultados indicam que o tempo de limpeza da coluna (tabela 1) foi suficiente para eliminação de alterações no sistema causada pelos interferentes.
Análise de Amostras de Água Fluviais. A Fig. 3 mostra as curvas analíticas obtidas para soluções contendo 0, 25 50 e 100 µg L-1 de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn. Estas curvas foram utilizadas para quantificar os analitos nas amostras.
Resultados anteriores [20] mostraram que retenção de Cd, Cu, Mn, Ni e Pb por coluna de contendo 8 µl do trocador AG50W-X8 só foi efetiva para soluções contendo
concentrações de H+ iguais ou menores que 0,25 mol L-1. Este exigência foi confirmada analisando a amostra SRM – 1640 que se encontra preservada em HNO3 0,5 mol L
-1 . Os teores de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn obtidos foram cerca de 50% dos valores certificados, corroborando os resultados relatados anteriormente. Deste modo, antes da etapa de pré-concentração a amostra certificada foi diluída com água (1:1) para manter a concentração HNO3 em 0,25 mol L-1. As condições de preservação das amostras BF1 e BF2 (HNO3 0,014 mol L-1) dispensaram a etapa de diluição.
A tabela 4 mostra os resultados obtidos para as três amostras analisadas. O aumento da sensibilidade proporcionado pela pré-concentração permitiu a determinação de Cu, Mn, Ni e Zn nas amostras BF1 e BF3. As concordâncias entre os valores obtidos com os valores certificados demonstram a viabilidade do método proposto para a análise de amostras de água fluviais.
TABELA 4. Resultados para Amostras de Águas Fluviais (média de 3 repetições).
Amostras
SRM-1640 BF1 BF3
Certificado Obtidoa Obtido
Co 20,28 ±0,31 19,9 ±1,5 <LDa <LD Cu 85,2 ±1,2b 86,7 ±6,3 2,4 ±0,5 2,0 ±1,1 Mn 121,5 ±1,1 117 ±22 6,9 ±1,3 5,3 ±1,3 Ni 27,4 ±0,8b 25,6 ±0,9 <LD 2,3 ±0,5 Pb 27,89 ±0,14 28,1 ±1,6 <LD <LD Zn 53,2 ±1,1b 60,1 ±3,4 1,7 ±0,1 4,6 ±1,0 a. LD: Limite de detecção b. Valores de referência IV. CONCLUSÕES
O método proposto possibilita a determinação de Co, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn em águas fluviais com limites de detecção consideravelmente melhores que os atingidos com a analise direta. Quando comparado com procedimentos de pré-concentração manuais, é mais rápido, e reduz o consumo de reagentes. A exatidão da metodologia é limitada pelas condições de preservação das amostras.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro fornecido pela FAPESP, CNPq e CAPES.
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Zn. Zn y = 14,209x R2 = 0,9979 Cu y = 13,131x R2 = 0,9948 Ni y = 10,981x R2 = 0,9884 Pb y = 10,488x R2 = 0,9977 Co y = 9,1893x R2 = 0,9932 Mn y = 5,9559x R2 = 0,9997 0 400 800 1200 1600 0 20 40 60 80 100 Concentração (µg/L) Intensidade Relativa (µg/L) (1) (2) (3) (4) (5) (6) 1 2 3 4 5 6
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ABSTRACT
PRE-CONCENTRATION FLOW SYSTEM FOR MULTIELEMENT DETERMINATION IN RIVER
WATER BY TOTAL REFLETION X-RAY FLUORESCENCE
A scaled-down preconcentration flow system is proposed for determination of Co, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn in natural water samples, using solid-liquid extraction, and subsequent analysis by total reflection X-ray fluorescence (TXRF). The flow system was assembled with a 11 µl column of AG50W-X8 resin and three-way solenoid valves commanded by a computer, which permits the automatic preconcentration, addition of internal standard (Ga) and the deposition of the eluate on the reflector plate. The interference effect due to Na (I), Ca (II) and Fe (III) on the analytes was evaluated. The proposed methodology results in preconcentration of up to 20 times using only 1 ml sample and allowed a significant reduction in the sample eluent (HCl3 mol L-1). Detection limits were 1, 2, 3 and 4 µg L-1 for Zn, Co, Cu e Ni, Mn and Pb, respectively. The accuracy was evaluated analysing a Natural Water Standard Reference Material-1640 (Natural Institute of Standards and Technology), showing good agreement with certified values.
