Avaliação da espectrometria de emissão atômica com plasma induzido por microondas na determinação de metais em água.

BACHARELADO EM QUÍMICA INDUSTRIAL

FELIPE DE SIQUEIRA TAZAWA

AVALIAÇÃO DA ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ATÔMICA COM PLASMA INDUZIDO POR MICROONDAS NA DETERMINAÇÃO DE

METAIS EM ÁGUA

Niterói 2017

FELIPE DE SIQUEIRA TAZAWA

AVALIAÇÃO DA ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ATÔMICA COM PLASMA INDUZIDO POR MICROONDAS NA DETERMINAÇÃO DE

METAIS EM ÁGUA

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Bacharelado em Química Industrial, como requisito parcial para conclusão do curso. Área de concentração: Química analítica.

Orientador:

Prof. Dr. Anderson Araujo Rocha

Coorientadora:

Dr.a _{Cabrini Ferraz de Sousa}

Niterói 2017

T 24 Tazawa, Felipe de Siqueira

Avaliação da espectrometria de emissão atômica com plasma induzido por microondas na determinação de metais em água. - Niterói:[s.n.], 2017.

96f.

Trabalho de Conclusão de Curso – (Bacharelado em Química Industrial) – Universidade Federal Fluminense, 2017.

1. Metal. 2. Análise química. 3. Validação(Qualidade). 4. Água mineral. 5. Poluição de água. I. Título.

Aos meus familiares que não se encontram mais presentes nessa vida, mas sei que estão sempre comigo.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Marilza de Siqueira Tazawa e Nelson Masayuki Tazawa, que sempre estão me ensinando, incentivando e me dando amor e carinho quando eu mais preciso.

Ao meu irmão Guilherme de Siqueira Tazawa por se preocupar comigo e com meu bem estar e pelo apoio dado.

Ao Prof. Dr. Anderson Araujo Rocha pela oportunidade, orientação, incentivo, amizade e confiança.

A Dr.a _{Cabrini Ferraz de Sousa e a Dr.}a _{Ana Paula Mauro Gonçalves Barandas}

pela oportunidade de estágio, orientação profissional, ensinamentos, confiança, amizade e risadas.

Ao Núcleo de Águas e Biomassa (NAB-UFF), a Companhia de Pesquisas e Recursos Minerais (CPRM-RJ) e a Eurofins Innolab pela disponibilização da infraestrutura para a realização deste trabalho.

Aos meus amigos feitos ao longo do curso que me acompanharam em toda essa trajetória e me ajudaram a não desistir, em especial a Caio Machado Fernandes, Cecília Cavalcanti e Higor França.

Aos meus antigos e novos amigos feitos durante toda essa vida por conseguirem fazer com que tudo fosse mais fácil e fazerem acreditar que sou capaz.

Ao universo por sempre mudar o nosso redor e nunca fazê-lo ser da mesma forma.

A todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, o meu muito obrigado.

Agarra-te a este momento. O que puderes fazer ou sonhar que podes fazer, começa a fazê-lo. A coragem traz em si a genialidade, o poder da magia. Empenha-te somente e a mente se aquecerá. Começa e então o trabalho será completado.

RESUMO

A escolha apropriada de uma técnica analítica requer um claro estudo e entendimento das suas capacidades e limitações em relação às demais disponíveis. Uma técnica, relativamente recente, foi evoluída como alternativa para a determinação de metais, podendo ser aplicada à análise de uma água mineral. Esta técnica é denominada espectrometria de emissão atômica com plasma induzido por microondas (MP-AES), cujo principal atrativo é apresentar um custo operacional relativamente baixo quando comparado com as técnicas de fonte de plasma. O presente trabalho desenvolveu uma metodologia para a quantificação de 21 analitos, tais quais: Al, As, Ba, B, Be, Ca, Cd, Pb, Cr, Cu, Sr, Fe, Li, Mg, Mn, Mo, Ni, Na, K, Ag e V em águas, utilizando a metodologia validada realizada com base no guia do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO), “Orientação sobre validação de métodos analíticos – DOC-CGCRE-008”, de agosto de 2016. Foram avaliados os parâmetros: seletividade, linearidade e faixa de trabalho linear, limites de detecção, limites de quantificação, exatidão e precisão. Além disso, foi evoluído um estudo comparativo com a técnica espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES). Para a aplicação da técnica e da metodologia validada foram analisadas águas minerais, onde se determinou a concentração desses analitos e foi verificada que as legislações ambientais do Ministério da Saúde, na Portaria 2.914, de 12 de dezembro de 2011 e da Agência Nacional de Vigilância Sanitária, pela RDC nº 274, de 22 de setembro de 2005, que tratam do padrão de potabilidade das águas minerais, foram atendidas. Os únicos analitos que apresentaram concentração acima do limite de quantificação experimental foram Ba, Ca, K, Mg, Na e Sr.

ABSTRACT

The proper choice of an analytical technique requires a clear study and understanding of its capabilities and limitations in relation to the others available. A relatively recent technique has evolved as an alternative for the determination of metals and can be applied to the analysis of mineral water. This technique is called microwave plasma atomic emission spectrometry (MP-AES), whose main attractiveness is to present a relatively low operating cost when compared to plasma source techniques. The present work developed a methodology for the quantification of 21 analytes, such as: Al, As, Ba, B, Be, Ca, Cd, Pb, Cr, Cu, Sr, Fe, Li, Mg, Mn, Mo, Ni, Na, K, Ag e V. The validation methodology was carried out based on the Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO) guide, "Orientação sobre validação de métodos analíticos - DOC-CGCRE-008", of August, 2016. The parameters were evaluated: selectivity, linearity and linear work range, limits of detection, limits of quantification, accuracy and precision. In addition, a comparative study with the inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) technique was developed. For the application of the technique and validated methodology were analyzed mineral waters, where the concentration of these analytes was determined and it was verified that the environmental legislations of the Ministério da Saúde, Portaria 2.914, dated December 12, 2011 and the Agência Nacional de Vigilância Sanitária, by RDC number 274, dated September 22, 2005, which deal with the potability of mineral waters, were met. The only analytes that showed concentration above the limit of experimental quantification were Ba, Ca, K, Mg, Na and Mr

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Representação esquemática dos princípios de energia de excitação e

emissão dos átomos em uma fonte de plasma ... 24

Figura 2 – Diagrama de blocos dos componentes nos espectrômetros com fonte de plasma ... 25

Figura 3 – Fonte de plasma de argônio ... 26

Figura 4 – Princípio de sustentação do plasma gerado por microondas ... 27

Figura 5 – Princípio do funcionamento de um gerador de nitrogênio ... 28

Figura 6 – Representação do processo quando uma amostra é inserida em uma fonte de plasma ... 29

Figura 7 – Configuração radial e axial de uma fonte de plasma ... 30

Figura 8 – Diagrama de blocos com processo que levam a produção de átomos, moléculas e íons em um sistema contínuo de introdução de amostras em um plasma ... 31

Figura 9 – Representação de uma bomba peristáltica utilizada nas técnicas de espectrometria com fonte de plasma ... 31

Figura 10 – Nebulizador concêntrico de quartzo e câmara de nebulização ciclônica, respectivamente ... 32

Figura 11 – Arranjo óptico de um monocromador Czerny-Turner e policromador Echelle, respectivamente ... 33

Figura 12 – Fluxograma para a validação de métodos ... 41

Figura 13 – Espectros de emissão Sr (sem interferência) e B (com interferência) ... 43

Figura 14 – Representação gráfica do desvio padrão relativo (DPR,%), para avaliar a repetibilidade do método ... 50

Figura 15 – Representação gráfica do desvio padrão relativo (DPR,%), para avaliar a precisão intermediária do método ... 51

Figura 16 – Concentração de Ba nas amostras estudadas por MP-AES e ICP-OES ... 53

Figura 17 – Concentração de Ca nas amostras estudadas por MP-AES e ICP-OES ... 54

Figura 18 – Concentração de K nas amostras estudadas por MP-AES e ICP-OES ... 54

Figura 19 – Concentração de Mg nas amostras estudadas por MP-AES e ICP-OES ... 55

Figura 20 – Concentração de Na nas amostras estudadas por MP-AES e ICP-OES ... 55

Figura 21 – Concentração de Sr nas amostras estudadas por MP-AES e ICP-OES ... 56

Figura 22 – Percentual de recuperação para os analitos determinados em 6 amostras de água mineral ... 57

Figura 23 – Exemplo típico de uma curva analítica com a identificação de alguns parâmetros de desempenho ... 64

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Classificação da água mineral quanto à sua composição química ... 18

Tabela 2 – Classificação das fontes de água mineral ... 19

Tabela 3 – Padrão de potabilidade para metais que representam risco à saúde ... 21

Tabela 4 – Técnicas analíticas para análise de propriedades de água mineral ... 22

Tabela 5 – Classificação dos métodos espectroscópicos atômicos ... 23

Tabela 6 – Comparação entre MP-AES e ICP-OES ... 34

Tabela 7 – Parâmetros de validação conforme o tipo de ensaio ... 36

Tabela 8 – Concentrações das soluções-estoque ... 39

Tabela 9 – Concentrações das trabalho preparadas a partir das soluções-estoque ... 39 Tabela 10 – Águas minerais comerciáveis utilizadas no trabalho ... 40

Tabela 11 – Condições de operação do MP-AES ... 41

Tabela 12 – Comprimento de onda selecionado e condição de medição para cada analito ... 44

Tabela 13 – Valores dos coeficientes de correlação (r) para os analito estudados ... 45

Tabela 14 – Limites de detecção e quantificação calculados pelo branco ... 46

Tabela 15 – Limite de quantificação do método experimental ... 47

Tabela 16 – Níveis de concentração usados no estudo de recuperação ... 47

Tabela 17 – Resultados obtidos para avaliação da repetibilidade do método ... 49

Tabela 18 – Resultados obtidos no cálculo do teste T com grau de liberdade n1 + n2 – 2 = 40 e com 95% de confiança (α = 0,05), onde Ttabelado= 1,684 ... 52

Tabela 19 – Estudo de reprodutibilidade em 6 amostras de água mineral entre as técnicas MP-AES e ICP-OES para a determinação ([mg.L-1_{]) de 6 analitos... 56}

Tabela 20 – Critério de aceitação para recuperação ... 67

Tabela 21 – Critério de aceitação para repetibilidade ... 68

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária

DP Desvio Padrão

DPR Desvio Padrão Relativo

ICP-OES Espectrometria de Emissão Óptica com Plasma Indutivamente Acoplado INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

LD Limite de detecção

LQ Limite de quantificação

MP-AES Espectrometria de Emissão Atômica com plasma induzido por microondas ppb Partes por bilhão

ppm Partes por milhão

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO... 14

2 PANORAMA DE ESTUDO ... 15

2.1 Água Mineral ... 15

2.2 Metais presentes na água... 20

2.3 Outras determinações na água ... 21

2.4 A técnica analítica ... 23

2.4.1 Espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma ... 24

2.4.1.1 Fonte e configuração do plasma... 26

2.4.1.2 Sistema de introdução de amostra ... 30

2.4.1.3 Monocromador e policromador... 32

2.4.1.4 Sistema de detecção ... 33

2.4.2 Comparações entre as técnicas ... 34

2.5 Validação metodológica ... 35 2.5.1 Parâmetros de desempenho ... 36 3 PLANEJAMENTO E EXECUÇÃO ... 38 3.1 Materiais e equipamentos ... 38 3.2 Reagentes e soluções ... 38 3.3 Amostragem ... 40

3.4 Metodologia de análise por MP-AES ... 40

3.5 Ensaios para a validação ... 41

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 42

4.1 Seletividade ... 42

4.2 Linearidade e faixa de trabalho... 44

4.3 Limites de detecção e de quantificação... 46

4.4 Exatidão ... 47

4.5 Precisão ... 48

4.5.1 Repetibilidade ... 48

4.5.2 Precisão intermediária ... 50

4.5.3 Reprodutibilidade ... 53

4.5.3.1 Recuperação e efeito de matriz ... 57

5. CONCLUSÕES ... 59

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 60

ANEXO 1 – PARÂMETROS DE DESEMPENHO ... 63

ANEXO 2 – ESPECTRO DE EMISSÃO NA REGIÃO PRÓXIMA AO COMPRIMENTO DE ONDA (λ) DE EMISSÃO DOS ANALITOS ESTUDADOS ... 72

ANEXO 3 – TESTE DE GRUBBS REALIZADO EM TRIPLICATA (n=3) COM NÍVEL DE CONFIANÇA 97,5% (α = 0,025), ONDE GCRÍTICO = 1,155... 74

ANEXO 4 – REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DA CURVA ANALÍTICA PARA OS ANALITOS ESTUDADOS ... 86

ANEXO 5 – REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESÍDUOS DOS ANALITOS ESTUDADOS ... 89 ANEXO 6 – VALORES DE RECUPERAÇÃO (%) PARA OS

1. INTRODUÇÃO E OBJETIVO

A água é o líquido mais importante que há no planeta. Ela é essencial à vida, cobre cerca de 71% da superfície da terra, dentre os quais, 96,5% é água do mar, portanto água salgada, imprópria para consumo humano. Assim, apenas 3,5% é água docee, como é visto nos noticiários hoje em dia, a água de que se precisa para viver é um bem cada vez mais escasso e mais caro.

Além disso, dos 3,5% de água doce, praticamente metade é água congelada (1,74% do total), localizada nos polos; e outra parte (1,68% do total) é principalmente água subterrânea, cuja obtenção para uso é bem mais caro. Desta forma, somente uma parcela mínima de 0,08% é de água adequada ao uso e facilmente aproveitável e, esta parcela mínima está sendo poluída ou desperdiçada pela humanidade.

Para ser disponibilizada ao consumo humano, a água deverá ser caracterizada quanto ao seu grau de potabilidade e constituintes majoritários e minoritários e, para isto, técnicas analíticas adequadas foram desenvolvidas. Apesar de tais técnicas já estarem bem estabelecidas, o desenvolvimento de novas tecnologias permitem a evolução de metodologias mais apuradas que poderão contribuir na garantia da qualidade dos resultados analíticas na caracterização da água.

Uma nova técnica analítica, denominada espectrometria de emissão atômica com plasma induzido por microondas (MP-AES), foi desenvolvida para a determinação de metais e que pode ser aplicada no estudo de águas minerais. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar o potencial da aplicação do MP-AES para determinação de metais em água mineral, evoluindo as figuras de mérito para os elementos químicos, assim como realizando um comparativo com a técnica ICP-OES.

2. PANORAMA DE ESTUDO

2.l. Água Mineral

A água, como premissa universal, antes de qualquer outra denominação que lhe possa ser atribuída, é um recurso natural essencial à vida, não só humana, mas também vegetal e animal, o que lhe confere uma natureza pública e transgeracional.

Água mineral é a água obtida diretamente de fontes naturais ou por extração de águas subterrâneas. É caracterizada pelo conteúdo definido e constante de determinados sais minerais, oligoelementos e outros constituintes, considerando as flutuações naturais (RDC 274/2005 – ANVISA). Assim sendo, ao definir água mineral tem-se a necessidade de aprofundar os conhecimentos em água subterrânea.

Água subterrânea é toda água que ocorre abaixo da superfície da Terra, preenchendo os poros das rochas sedimentares. Elas cumprem uma fase do ciclo hidrológico, uma vez que constituem uma parcela da água precipitada. O conceito de ciclo hidrológico está ligado ao movimento e à troca de água nos seus diferentes estados físicos, que ocorre na hidrosfera, entre os oceanos, as calotas de gelo, as águas superficiais, as águas subterrâneas e a atmosfera (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 2016).

Embora elas encontrem-se armazenadas nos poros e fissuras milimétricas das rochas, estas ocorrem em grandes extensões, gerando grandes volumes de águas subterrâneas na ordem de, aproximadamente, 23.400 km³, distribuídas em uma área de 134,8 milhões de km², constituindo-se em importantes reservas de água doce (SHIKLOMANOV, 1998).

Durante o percurso no qual a água percola entre os poros do subsolo e das rochas, ocorre a depuração da mesma através de uma série de processos físico-químicos (troca iônica, decaimento radioativo, remoção de sólidos em suspensão, neutralização de pH em meio poroso, entre outros) e bacteriológicos (eliminação de microorganismosdevido à ausência de nutrientes e oxigênio que os viabilizem) que agindo sobre a água, modificam suas características anteriores, tornando-a particularmente mais adequada ao consumo humano (ABAS, 2016).

Sendo assim, a composição química da água subterrânea é o resultado combinado da composição da água que adentra o solo e da evolução química influenciada diretamente pelas litologias atravessadas, sendo que o teor de substâncias

dissolvidas nas águas subterrâneas vai aumentando à medida que prossegue no seu movimento (ABAS, 2016).

Atualmente, buscar um consenso sobre a natureza jurídica das águas subterrâneas consiste no maior desafio a ser enfrentado, visto que elas são tratadas, no ordenamento jurídico brasileiro, por vezes como recurso hídrico, e em determinadas condições específicas como recurso mineral (FREIRE, 2002), gerando assim um conflito entre esses dois termos: Toda água mineral é água subterrânea?

Talvez a resposta esclarecedora deste questionamento em parte esteja inserida na resposta de outra pergunta: Toda água subterrânea é água mineral? Partindo de uma análise técnica e jurídica sobre as diferenças conceituais entre os termos pode-se chegar à conclusão de que não há conflitos aparentes entre as normas legais.

O Código de Mineração instituído pelo Decreto-Lei nº 227/67, no artigo 10, considerou as águas minerais (inciso IV) e as jazidas de água subterrânea entre as substâncias minerais que devem ser regidas por leis específicas.

À primeira vista, este dispositivo legal desperta a interpretação de que toda água subterrânea é classificada como bem mineral, porém há necessidade, inicialmente, de se conceituar o que vêm a ser uma jazida mineral, e é no próprio Código de Mineração que é encontrado o seu conceito jurídico, nos seguintes termos:

“Art. 4º. Considera-se jazida toda massa individualizada de substância mineral ou fóssil, aflorando à superfície ou existente no interior da terra, e que tenha valor econômico (...)”

Pelo texto acima é verificado um critério duplo essencial caracterizado pela obrigatoriedade do bem em questão se enquadrar no conceito de substância mineral com valor econômico.

Segundo Freire (2002), ao analisar criteriosamente é unânime a consciência que poços de água subterrâneas contém valor econômico, não só enquanto recurso mineral, mas também como recurso hídrico. Deve-se, no entanto, verificar quais são as condições para que a água subterrânea seja classificada como substância mineral. Esses parâmetros são encontrados no Código de Águas Minerais, Decreto-Lei nº 7.841/45 que, no artigo 1º define o conceito de águas minerais nos seguintes termos:

“Art. 1º. Águas minerais são aquelas provenientes de fontes naturais ou de fontes artificialmente captadas que possuam composição química ou propriedades

físicas ou físico-químicas distintas das águas comuns, com características que lhe confiram uma ação medicamentosa.”

O código de Águas Minerais, no artigo 3º ainda dispõe que:

“Art. 3º. Serão denominadas ‘águas potáveis de mesa’ as águas de composição normal provenientes de fontes naturais ou de fontes artificialmente captadas que preencham tão somente as condições de potabilidade para a região.”

Pelo disposto acima, pode-se afirmar que a classificação, nos termos do Código de Águas Minerais, da água subterrânea como água mineral está condicionada ao preenchimento de requisitos bem definidos por lei, que por sua vez são a composição físico-química que lhe confere a ação medicamentosa comprovada e a potabilidade para consumo.

Conforme salientou Moraes (2003) as águas minerais e potáveis de mesa devem preencher esses requisitos legais no momento e local da captação, o que as diferem das águas comuns que carecem de tratamento para o consumo. Diante dessa observação é importante também ressaltar que, uma vez poluída uma fonte de água mineral, sua qualificação como substância mineral é descaracterizada.

Portanto, do ponto de vista jurídico, para a classificação das águas subterrâneas como recursos minerais é exigido, quando da captação dessas águas, o seu enquadramento aos dispositivos legais observados nos artigos 35 e 36 do Código de Águas Minerais (DECRETO-LEI 7.841/1945), onde são definidas as classificações químicas das águas minerais e das fontes de água mineral (Tabelas1 e 2), ficando vedada as modificações destas características, mesmo verificada a hipótese de necessidade de tratamento em função da poluição da fonte, pois que, nesta situação fica descaracterizada sua qualificação como água mineral, ou potável de mesa, passando a se enquadrar como águas comuns, cuja classes são definidas na Resolução CONAMA nº 20, de 1986.

Tabela 1: Classificação da água mineral quanto à sua composição química.

Classificação Caracterização

Oligominerais Quando apresentam apenas uma ação medicamentosa Radíferas Quando apresentam radioatividade permanente

Alcalina-bicarbonatadas Bicarbonato de sódio, no mínimo, 200 mg.L

-1

Alcalino-terrosas Carbonato de cálcio, no mínimo, 120 mg.L-1

Alcalino-terrosas cálcicas

Cálcio, no mínimo, 48 mg.L-1 _{sob a forma de}

bicarbonato de cálcio Alcalino-terrosas

magnesianas

Magnésio, no mínimo, 30 mg.L-1 _{sob a forma de}

bicarbonato de magnésio

Sulfatadas Sulfato (de sódio, potássio e magnésio), no mínimo, 100 mg.L-1

Sulfurosas Sulfeto, no mínimo, 1 mg.L-1

Nitratadas Nitrato (de origem mineral), no mínimo, 100 mg.L-1

Cloretadas Cloreto de sódio, no mínimo, 500 mg.L-1

Ferruginosas Ferro, no mínimo, 5 mg.L-1

Fracamente radioativas Teor de radônio, no mínimo, entre 5 e 10 unidades Mache, por litro, a 20º C e 760 mm de Hg de pressão Radioativas Teor de radônio, no mínimo, entre 10 e 50 unidades

Mache, por litro, a 20º C e 760 mm de Hg de pressão Fortemente radioativas Teor de radônio, no mínimo, acima de 50 unidades

Mache, por litro, a 20º C e 760 mm de Hg de pressão Toriativas Teor de torônio em dissolução equivalente em unidades

eletrostáticas, no mínimo, a 2 unidades Mache, por litro Carbogasosas Gás carbônico livre dissolvido, no mínimo, 200 mg.L-1

Elemento predominante No mínimo, 0,01 mg.L

-1_{, podendo ser}

iodadas, arseniadas, litinadas, etc. Fonte: Adaptado do Decreto-Lei nº 7.841, de 08 de agosto de 1945.

Tabela 2: Classificação das fontes de água mineral. Classificação Caracterização Quanto aos gases: Fracamente radioativas

Apresentam, no mínimo, uma vazão gasosa de 1 L.min-1_{, com um teor em radônio compreendido}

entre 5 e 10 unidades Mache, por litro, de gás espontâneo, a 20º C e 760 mm de Hg de pressão

Radioativas

Apresentam, no mínimo, uma vazão gasosa de 1 L.min-1_{, com um teor em radônio compreendido}

entre 10 e 50 unidades Mache, por litro, de gás espontâneo, a 20º C e 760 mm de Hg de pressão Fortemente

radioativas

Apresentam, no mínimo, uma vazão gasosa de 1 L.min-1_{, com um teor em radônio superor a 50}

unidades Mache, por litro, de gás espontâneo, a 20º C e 760 mm de Hg de pressão

Toriativas

Apresentam, no mínimo, uma vazão gasosa de 1 L.min-1_{, com um teor em torônio na eminência}

equivalente em unidades elestrostáticas a 2 unidades Mache, por litro Sulfurosas Possuem na eminência desprendimentos

definidos de gás sulfídrico

Quanto à temperatura:

Frias Temperaturas inferiores a 25º C

Hipotermais Temperaturas entre 25º C e 33º C Mesotermais Temperaturas entre 33º C e 36º C Isotermais Temperaturas entre 36º C e 38º C Hipertermais Temperaturas superiores a 38º C Fonte: Adaptado do Decreto-Lei nº 7.841, de 08 de agosto de 1945.

2.2. Metais presentes na água

A presença de metais no meio ambiente, com sua disseminação no solo, água e atmosfera tem sido motivo de crescente preocupação no mundo. A contaminação por metais é um dos maiores problemas ambientais e significa risco à saúde humana e a ecossistemas (CHEN et al., 2004).

Muitos metais são essenciais ao crescimento de todos os tipos de organismos, desde bactérias até o ser humano, mas são requeridos em baixas concentrações, porque, quando em altas concentrações, podem danificar os sistemas biológicos por apresentarem características bioacumulativas no organismo (SABIA et al., 2013).

Historicamente na civilização humana, o solo e os rios têm sido utilizados para disposição dos resíduos gerados nas atividades cotidianas e industriais, tendo certa capacidade de atenuar e depurar a maior parte dos resíduos. Entretanto, a sociedade tem se tornado de tal forma complexa e desleixada que a quantidade e a composição dos resíduos e efluentes gerados vêm se alterando em ordem de grandeza e a capacidade do solo e dos rios em reter os poluentes têm sido ultrapassadas, contaminando assim, as águas subterrâneas (FERREIRA, 2014).

As principais fontes potenciais de contaminação são: o chorume proveniente dos lixões; manuseio e descarte de matérias-primas, produtos, efluentes e resíduos em atividades industriais; o uso incorreto de agrotóxicos e fertilizantes e as atividades minerárias (FERREIRA, 2014).

Para que se tenha um controle sobre esses poluentes as legislações ambientais definem parâmetros com Valores Máximos Permitidos (VMP) que substâncias e elementos químicos podem ser encontradas nos corpos hídricos (BRAGA et al., 2005). Duas portarias estabelecem condições de qualidade para o enquadramento da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. O Ministério da Saúde (MS), pela portaria 2.914, de 12 de dezembro de 2011, e a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), pela RDC nº 274, de 22 de setembro de 2005, fixam limites para diversos parâmetros. Na Tabela 3, estão explicitados os VMP para metais.

Tabela 3: Padrão de potabilidade para metais que representam risco à saúde. Valores Máximos Permitidos (mg.L-1₎

Parâmetro Portaria MS 2.914 RDC 274 Sb 0,005 0,005 As 0,01 0,01 Ba 0,7 0,7 B - 5,0 Cd 0,005 0,003 Pb 0,01 0,01 Cu 2,0 1,0 Cr 0,05 0,05 Hg 0,001 0,001 Ni 0,07 0,02 Se 0,01 0,01 U 0,03 - Al 0,2 - Fe 0,3 - Mn 0,1 0,5 Na 200 -

Fonte: Adaptado da Portaria 2.914, de 12 de dezembro de 2011, e da RDC nº 274, de 22 de setembro de 2005.

2.3. Outras determinações na água

Para classificar e identificar uma água mineral é necessário um conjunto de técnicas analíticas que permitem fazer uma avaliação crítica dos componentes químicos, físicos e químicos, bem como das propriedades químicas, físicas e físico-químicas inerentes às fontes, respeitando os limites máximos estabelecidos pela legislação vigente. A Tabela 4 apresenta as técnicas analíticas aplicadas pelo laboratório oficial do Governo Brasileiro (LAMIN/CPRM) utilizadas nas diversas determinações em uma análise de água mineral.

Para a determinação de metais a técnica analítica mais largamente utilizada para este fim é a espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) (SKOOG et al., 1998).

Tabela 4: Técnicas analíticas para análise de propriedades de água mineral.

Técnica Analítica Determinação

In loco

Potenciometria Condutividade elétrica a 25º C e pH

Cintilometria Radioatividade temporária

(Rn 222 dissolvido) e sistema de desgaiseificação

Volumetria Alcalinidade dos bicarbonatos, carbonatos e

gás carbônico livre dissolvido

Colorimetria Íons amônio, nitritos e sulfetos

Laboratoriais (hidroquímica)

Cromatografia Cromatografia iônica

Ânions principais presentes na água mineral, incluindo os cianetos e o cátion amônio

Cromatografia gasosa Substâncias voláteis e não voláteis (organoclorados e fertilizantes)

Espectroscopia

Espectroscopia de emissão atômica

com plasma indutivamente acoplado Metais

Espectroscopia de absorção atômica

com geração de vapor Mercúrio

Potenciometria Condutividade elétrica a 25º C,

alcalinidade dos bicarbonatos e carbonatos e pH

Colorimetria Cor

Turbidimetria Turbidez

Volumetria

Dureza total, permanente e temporária e oxigênio consumido em meio ácido e alcalino

(teor de matéria orgânica)

2.4. A técnica analítica

Segundo Harris (2007) na espectrometria atômica, uma substância é decomposta em átomos ou íons em uma chama, forno ou plasma. A espectroscopia atômica faz referência a fenômenos que envolvem elétrons de valência, no qual cada elemento pode ser medido através da absorção ou emissão ultravioleta ou radiação visível.

Os métodos utilizados podem detectar partes por milhão a partes por bilhão e, também casos de concentrações ainda menores. Os métodos espectrométricos são considerados rápidos e de alta seletividade. Os elementos são determinados no meio gasoso na forma de íons elementares ou átomos individuais, com uma separação bem seletiva de cada elemento analisado (SKOOG et al., 1998).

A primeira etapa para iniciar qualquer método de espectrometria óptica é a atomização da amostra, no qual ocorre o processo de volatilização e decomposição da amostra de interesse produzindo uma fase gasosa de íons e átomos. Essa etapa pode influenciar na sensibilidade, precisão e exatidão do método, considerada uma etapa crítica. Os métodos utilizados para atomização das amostras são apresentados na Tabela5. Dentre eles os de plasma indutivamente acoplado e os de plasma induzido por microondas, utilizados em emissão óptica serão abordados mais profundamente nesse trabalho (SKOOG et al., 1998).

Tabela 5: Classificação dos métodos espectroscópicos atômicos.

Métodos de

atomização Temperatura típica de atomização, ºC espectroscopia Tipos de Nome comum e abreviações Plasma indutivamente acoplado 6000-10000 Emissão Massa

Espectroscopia de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado, ICP-OES Espectroscopia de massas com plasma

indutivamente acoplado, ICP-MS Plasma induzido

por microondas 3000-5000 Emissão

Espectroscopia de emissão atômica com plasma induzido por microondas, MP-AES

Chama 1700-3150 Absorção

Fluorescência

Espectroscopia de absorção atômica, FAAS Espectroscopia de Fluorescência atômica

Eletrotérmica 1200-3000 Absorção

Fluorescência

EAA Eletrotérmica EFA Eletrotérmica Plasma de

corrente contínua 5000-10000 Emissão Espectroscopia de plasma CC, DCP

Arco elétrico 3000-8000 Emissão Espectroscopia de emissão com fonte de arco

Centelha elétrica Varia com o tempo e _posição Emissão Massa

Espectroscopia de emissão com fonte de centelha

Espectroscopia de emissão com fonte de centelha

2.4.1. Espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma

A espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma é uma técnica capaz de realizar determinação de diversos elementos. É utilizada em diversas áreas, como na indústria mineradora, metalúrgica, agrícola, alimentos e centros de pesquisas (HARRIS, 2007; GINÉ ROSIAS, 1998).

Nessas técnicas os átomos do elemento de análise estão no estado fundamental, ou seja, com energia mais baixa, após a aplicação de uma energia os átomos são levados momentaneamente a um estado excitado, ou seja, com uma energia mais alta. Essa energia utilizada pode ser uma energia externa na forma de calor ou energia elétrica, nesse caso a energia é suprida por um plasma (SKOOG et al., 1998). Um esquema da energia de excitação e emissão em uma fonte de plasma está apresentado na Figura 1.

Figura 1: Representação esquemática do princípio de energia de excitação e emissão dos átomos em uma fonte de plasma, onde a e b representa o estado de excitação; c é a ionização; d é ionização/excitação; e é a emissão do íon; f, g e h são as emissões do átomo. λ = comprimento de onda. Fonte: Adaptado de BOSS et al. 1997.

A espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES), proporciona liberdade de interferentes, um grande intervalo linear dinâmico, menor radiação de fundo e estabilidade, além de ser uma técnica multielementar, tornando o estudo otimizado. Em contra partida, possui um custo operacional elevado pelo alto valor de mercado do gás argônio utilizado.

Com o aumento da necessidade pela determinação multielementar em uma larga faixa de concentração, acompanhado do desejo de reduzir os custos gerais de análise devido ao aumento de custo dos insumos e, pela dificuldade de fornecimento de gases e

altos custos em regiões remotas do país, foi evoluída a técnica de espectrometria de emissão atômica com plasma induzido por microondas (MP-AES), com a finalidade de sanar tais limitações, ou seja, uma técnica que apresente um menor custo agregado e aplicação multielementar em um alto range dinâmico.

Na Figura 2 estão apresentados diagramas de blocos dos componentes nas técnicas mencionadas.

(a)

(b) Figura 2: Diagramas de blocos dos componentes nos espectrômetros com fonte de plasma, (a) plasma de argônio e (b) plasma de nitrogênio.

2.4.1.1. Fonte e configuração do plasma

O plasma pode ser definido como descargas elétricas em forma de gases, parcialmente ionizados, no qual há elétrons livres e íons positivos em constante movimento, ocorrendo assim uma transferência de energia, podendo ser por radiação ou condução (GINÉ ROSIAS, 1998).

No ICP-OES o plasma é sustentado por argônio. O plasma se forma na tocha, que é constituída por três tubos concêntricos de quartzo, com entradas separadas para cada seção anular, onde entre esses tubos fluem correntes de argônio. Envolvendo a parte superior do tubo mais largo encontra-se uma bobina de indução refrigerada a água e alimentada por um gerador de radiofrequência (RF). A ionização da corrente de argônio é produzida por uma descarga de Tesla, que é iniciada por uma centelha. A interação dos íons resultantes e seus elétrons associados interagem com o campo magnético oscilante, Figura 3(H), que é produzido pela bobina de indução, Figura 3(I). Os

íons e elétrons no interior da bobina fluem em caminhos anelares fechados, devido a essas interações, e o aquecimento ôhmico é consequência da sua resistência a este movimento (SKOOG et al., 1998; GINÉ ROSIAS, 1998).

Os íons de argônio e os elétrons são as espécies condutoras principais. Os íons de argônio, uma vez formado no plasma, são capazes de absorver potência suficiente de uma fonte externa para manter sua temperatura em um determinado nível, de forma que a ionização adicional é capaz de sustentar o plasma indefinidamente (SKOOG et al., 1998).

O diferencial da técnica de MP-AES é o modo em que o plasma é gerado e sustentado. É dito que esta técnica é movida a ar pelo fato de usar nitrogênio. Com o uso de um sistema de guia de ondas patenteado (Figura 4), o plasma de microondas é criado a partir de um campo magnético axial e um campo elétrico radial assim, uma “íris ressonante” focaliza e mantém a energia do microondas onde é necessário. Isto cria um plasma toroidal com um canal central, similar ao plasma sustentado por argônio convencional. O microondas excita magneticamente o nitrogênio do plasma, alcançando rapidamente um equilíbrio térmico com os elétrons criando um plasma de alta resistência, robusto e de alta temperatura.

Figura 4: Princípio de sustentação do plasma gerado por microondas.Fonte: Adaptado de Agilent Technologies, 2016

Nessa técnica os íons de nitrogênio, juntamente com os elétrons gerados, são as espécies condutoras e absorvem potência de uma fonte externa para manter sua temperatura e sustentar o plasma. O nitrogênio pode ser fornecido através de um dewar de nitrogênio líquido, cilindro de gás ou usando um gerador de nitrogênio que o extrai de um sistema de ar comprimido, Figura 5.

Figura 5: Princípio do funcionamento de um gerador de nitrogênio. Fonte: Adaptado de Agilent Technologies, 2016

A espectrometria de emissão óptica com fonte de rádio frequência, ou seja, plasma acoplado indutivamente (ICP, do inglês, inductively coupled plasma), apresenta temperatura até duas vezes maior que o plasma induzido por microondas (MP, do inglês, microwave plasma). A alta temperatura, a estabilidade e o ar ambiente relativamente inerte das fontes de plasma eliminam muitas interferências. Além disso, a temperatura determina o grau, sendo ele estado fundamental, excitado e ionizado, em que uma amostra se decompõem em átomos. Cada um desses graus influencia na intensidade do sinal observado (HARRIS, 2007).

Devido à alta temperatura o plasma necessita ser isolado termicamente do cilindro de quartzo. Esse isolamento se dá por meio de um fluxo de gás (argônio, no ICP e nitrogênio, no MP) tangencial as paredes do tubo. O fluxo tangencial resfria as paredes internas do tubo central e centraliza o plasma. A temperatura pode atingir até 10000 K, no ICP, e 5000 K, no MP (SKOOG et al., 1998).

Com a alta temperatura do plasma a amostra em solução sofre um processo de dessolvatação, que é a remoção do solvente e transformando a solução em um aerossol. Depois esse aerossol sofre uma decomposição, se transformando em um gás de partículas individuais, esse processo se chama vaporização; e essas partículas se dissociam em átomos ou íons, processo chamado de atomização ou ionização, respectivamente. Após a conclusão dos três processos, o plasma pode excitar e/ou ionizar o átomo ou íon (BOSS et al., 1997). O esquema do processo de atomização e ionização é apresentado na Figura 6.

Figura 6: Representação do processo quando uma amostra é inserida em uma fonte de plasma. Fonte: Adaptado de BOSS et al., 1997.

Os átomos e íons permanecem por cerca de 2 milissegundo no plasma, depois eles atingem o ponto de observação no plasma. A etapa de dessolvatação e vaporização são completas e a eficiências de atomização é bastante alta, com isso os efeitos de interferentes na fase de ionização não existem ou são pequenos (SKOOG et al., 1998).

O plasma tem dois tipos de configuração para observar a emissão no ICP, sendo elas, radial e axial, Figura 7 (HOU et al., 2000).

Na observação radial o plasma é utilizado em ângulos retos, ou seja, posicionado na posição vertical. Essa observação fornece melhor precisão e estabilidade. É mais utilizada no ICP. Na observação axial o plasma é utilizado em 180º, ou seja, é posicionado na posição horizontal. Nessa observação os limites de detecção e quantificação são melhores do que na observação radial. A única desvantagem é que há um aumento potencial de interferências espectrais e interferências de matrizes (HOU et al., 2000; SKOOG et al., 1998). A observação da emissão no MP possui apenas a configuração axial.

Figura 7: Configurações radial e axial de uma fonte de plasma. Fonte: Adaptado de SKOOG et al., 1998.

2.4.1.2. Sistema de introdução de amostra

A amostra é introduzida na forma líquida. No espectrômetro a amostra líquida é convertida em aerossol em um processo chamado de nebulização. A amostra é transportada até o plasma onde ocorre o processo de dessolvatação, vaporização, atomização e excitação e/ou ionização. Os átomos excitados e/ou ionizados emitem uma radiação característica. A espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma é uma técnica que é tolerante a matrizes complexas e tem habilidade de analisar quantidades pequenas de amostras (HOU et al., 2000).

As técnicas espectroscópicas ópticas têm que atomizar a amostra, para a conversão da solução da amostra em átomos e íons em fase gasosa. O dispositivo de atomização deve realizar uma tarefa complexa de converter os elementos de análise em soluções de átomos ou íons elementares, ou ambos, na fase gasosa (SKOOG et al., 1998).

Há duas classes de dispositivos de atomização:

 Atomizadores contínuos: plasmas e chamas, as amostras são introduzidas de forma contínua. O processo desse atomizador está apresentado na Figura 8;  Atomizadores discretos: as amostras inseridas através de uma seringa ou um

Figura 8: Diagrama de blocos com processo que levam a produção de átomos, moléculas e íons em um sistema contínuo de introdução de amostras em um plasma. Fonte: Adaptado de SKOOG et al., 1998.

Alguns nebulizadores necessitam que as amostras sejam bombeadas. Com a solução bombeada, o fluxo de vazão é fixo e não depende dos parâmetros da solução da amostra, como viscosidade ou tensão superficial. Além disso, o fluxo de vazão controlado permite que se faça uma rápida lavagem do nebulizador e na câmara de nebulização (BOSS et al., 1997).

Uma bomba muito utilizada na técnica de espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma é a bomba peristáltica. Essa bomba utiliza uma série de rolos que empurram a amostra através de um tubo, processo denominado peristaltismo (BOSS et al., 1997). Uma representação de uma bomba peristáltica pode ser observada na Figura 9.

Figura 9: Representação de uma bomba peristáltica utilizada nas técnicas de espectrometria com fonte de plasma. Fonte: Adaptado de BOSS et al., 1997.

Os nebulizadores são dispositivos que convertem amostra líquida em um aerossol que pode ser transportada até o plasma (BOSS et al., 1997).

A introdução da amostra é feita por meio de um nebulizador concêntrico de quartzo, apresentado na Figura 10. O transporte da amostra para o nebulizador é feito pelo efeito Bernoulli. Esse processo é denominado de aspiração. Com a alta velocidade do gás ocorre a dispersão do líquido em gotículas finas de tamanhos variados. Assim, é utilizado uma câmara de nebulização ciclônica, também apresentada na Figura 10, para que sejam carregadas para o plasma gotículas de menor tamanho e uniforme, pois gotículas maiores requerem maior energia para a vaporização e consequente atomização e gotículas de mesmo tamanho produzem melhor reprodutibilidade (SKOOG et al., 1998).

Há outro tipo de nebulizador mais popular que apresenta um desenho de fluxo cruzado. Com esse nebulizador o mesmo efeito Bernoulli ocorre, mas o gás a alta velocidade flui cruzando um capilar em ângulo reto. É frequente nesse tipo de nebulizador o bombeamento do líquido através do capilar por uma bomba peristáltica. Existem diversos tipos de nebulizadores que estão disponíveis para nebulização de alta eficiência, nebulização de amostra com alto teor de sólidos e para produção de névoa ultrafina (SKOOG et al., 1998).

Figura 10: Nebulizador concêntrico de vidro e câmara de nebulização ciclônica, respectivamente. Fonte: Adaptado de Agilent Technologies, 2016

2.4.1.3. Monocromador e policromador

Monocromadores são instrumentos ópticos que tem a função de selecionar a faixa de espectro de emissão de luz. O monocromador isola a banda de comprimento de onda desejada para que somente essa banda seja detectada e medida. Essa faixa de

comprimento de onda é chamada de banda de passagem espectral ou largura de banda efetiva. O MP-AES utiliza um arranjo óptico Czerny-Turner, apresentado na Figura 11, um tipo de monocromador onde o espelho colimador é esférico e a variação do comprimento de onda é obtido através da rotação do prisma, Figura 11 (SKOOG et al., 1998).

Policromadores são dispositivos que contém múltiplas fendas de saída e múltiplos detectores, permitindo que muitos comprimentos de onda possam ser medidas simultaneamente, como no caso do ICP-OES, que utiliza a rede Echelle como sistema óptico, mostrado na Figura 11 (SKOOG et al., 1998).

Figura 11: Arranjo óptico de um monocromador Czerny-Turner e policromador Echelle, respectivamente. Fonte: Adaptado de Agilent Technologies, 2016

2.4.1.4. Sistema de detecção

O sistema de detecção mais utilizado nas técnicas com fonte de plasma são os dispositivos de carga acoplada (CCD). Ele é baseado na propriedade do silício no estado sólido ser sensível à radiação eletromagnética.

Nestes dispositivos, os átomos de silício estão ligados entre si, formando uma rede cristalina. A ligação silício-silício pode ser rompida através da incidência de fótons que possuam comprimentos de onda situados na região do visível ou ultravioleta. Quando essa ligação é rompida, o elétron é liberado e é formado um “buraco” na rede cristalina (BOSS et al., 1997).

Se uma diferença de potencial é aplicada através do bloco de silício, os elétrons livres se moverão em direção oposta ao campo elétrico aplicado ou para a interface, enquanto as vacâncias irão se mover em outra direção. Esse movimento dos elétrons livres e do buraco no retículo cristalino, cria uma corrente que é proporcional à quantidade de fótons que incide sobre a superfície do dispositivo (BOSS et al., 1997).

2.4.2. Comparações entre as técnicas

As técnicas apresentadas possuem vantagens e desvantagens e, ao compará-las entre si considerando alguns critérios, é possível verificar qual a técnica mais apropriada para determinado fim. Tal comparação é apresentada na Tabela 6.

Tabela 6: Comparação entre MP-AES e ICP-OES.

Relativas à amostra MP-AES ICP-OES Relativas à técnica MP-AES ICP-OES

Concentração Linearidade >10% ✓ 10³ ✓ ✓ 1 – 10% ✓ ✓ mg.L-1 _{(ppm) ✓ ✓} 105 _{✓ ✓} Alto µg.L-1 _{(Alto ppb) ✓ ✓} Baixo µg.L-1 _{(Baixo ppb) ✓ ✓ 10}6 _✓

Número de amostras Modo de uso

Pouco ✓ Simples ✓

Médio ✓ ✓

Muito ✓ Moderado ✓

Analitos por amostra Capital investido

Único ✓ ✓

Pouco (2 a 5) ✓ ✓ Baixo-médio ✓

Intermediário (5 a 10) ✓ ✓

Muitos ✓ Médio-alto ✓

Matriz Custo operacional

< 3% ✓ ✓ Baixo ✓

3 à 10% ✓ ✓ Médio ✓

>10% ✓ Alto ✓

É visto que ambas as técnicas possuem um grande range útil de concentrações, indo de concentrações em níveis ultra traços a teores majoritários. No que tange ao número de amostras, o ICP-OES possui melhor desempenho para uma elevada carga de trabalho em comparação com o MP-AES, uma explicação para tal fato é por ele ter como sistema óptico um policromador do tipo Echelle, permitindo a determinação simultânea de vários comprimentos de onda, diminuindo consideravelmente o tempo de análise. (Agilent Technologies, 2016).

Ambas as técnicas apresentam boa linearidade, mostrando assim a estabilidade que a excitação por uma fonte de plasma proporciona. O MP-AES é o que possui maior facilidade no manuseio, aumentando assim a disponibilidade de pessoal devidamente treinado para desenvolver métodos, analisar e interpretar resultados, além de apresentar menor custo operacional com o uso do nitrogênio do ar (Agilent Technologies, 2016).

2.5. Validação metodológica

A necessidade de garantir a qualidade de medições químicas, através da sua comparabilidade, rastreabilidade e confiabilidade, está sendo cada vez mais reconhecida e exigida. Dados analíticos não confiáveis podem conduzir a decisões desastrosas e a prejuízos financeiros irreparáveis. Assim, para garantir que um novo método analítico gere informações confiáveis e interpretáveis sobre a amostra, a validação deve ser realizada (RIBANI et al., 2004).

A validação de um determinado procedimento analítico objetiva demonstrar que o mesmo é adequado aos objetivos propostos, ou seja, que os parâmetros de desempenho avaliados atendam aos critérios de aceitação estabelecidos previamente, visando garantir a qualidade metrológica dos resultados analíticos, além de atestar que o método é robusto e confiável (KUBICEK et al., 2015)(INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL, 2016).

A validação auxilia os laboratórios de análises a demonstrarem corretamente os métodos analíticos aplicados, aumentando a credibilidade e a confiança no uso rotineiro da técnica para emissão de resultados (INMETRO, 2016).

No Brasil, há duas agências credenciadoras para verificar a competência de laboratórios de ensaios a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) e o INMETRO, ambos possuindo guias de orientação para a execução da validação. Porém, será utilizado neste trabalho o guia “Orientação sobre validação de métodos analíticos –

DOC-CGCRE-008”, de agosto de 2016 do INMETRO, pois a resolução da ANVISA é voltada para análises de bioanalíticos.

2.5.1. Parâmetros de desempenho

O guia do INMETRO orienta os tipos de ensaios, bem como os parâmetros a serem realizados para a validação da metodologia, tais como:

 Seletividade

 Linearidade e faixa de trabalho  Limite de detecção

 Limite de quantificação  Recuperação

 Precisão

Estes termos são conhecidos como parâmetros de desempenho analíticos, características de desempenho e, algumas vezes, como figuras analíticas de mérito (RIBANI et al., 2004).

É essencial que os estudos de validação sejam representativos e conduzidos de modo que a variação da faixa de concentração e os tipos de amostras sejam adequados. Um método para um composto majoritário requer um critério de aceitação e uma abordagem diferente de um método desenvolvido para análise de traços. A frequência com que o método será utilizado também influencia o estudo de validação que é necessário. Os parâmetros analíticos, portanto, devem ser baseados na intenção do uso do método, assim apresentados na Tabela 7.

Tabela 7: Parâmetros de validação conforme o tipo de ensaio. Tipos de Ensaio

Parâmetros Qualitativo _{analito e maior teor} Determinação do Análise de elementos _{menores e traços} Propriedades _físicas

Seletividade ✓ ✓ ✓ ✓ Linearidade e faixa de trabalho ✓ ✓ ✓ Limite de detecção ✓ ✓ Limite de quantificação ✓ Recuperação ✓ ✓ ✓ Precisão ✓ ✓ ✓

Devido a concentrações dos analitos estudados nesse trabalho possuírem concentrações com Valores Máximos Permitidos (VMP) relativamente baixos, foram utilizados os parâmetros de validação para ensaios de elementos menores e traços que se encontra no guia do INMETRO (2016).

Os parâmetros são: seletividade, linearidade e faixa de trabalho, limite de detecção, limite de quantificação, recuperação e precisão. Esses parâmetros são melhor salientados no ANEXO 1.

3. PLANEJAMENTO E EXECUÇÃO

3.1. Materiais e equipamentos

Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizados os seguintes equipamentos e acessórios:

 Espectrômetro de emissão óptica com plasma induzido por microondas (MP-AES), modelo 4100, da Agilent Technologies, com tocha axial, nebulizador concêntrico, acoplado a câmara de nebulização ciclônica.

 Espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES), modelo 5100, da Agilent Technologies, com tocha vertical em dual view nebulizador, acoplada a câmera de nebulização ciclônica.

 Produtor de água deionizada e ultrapura Direct-Q5 com resistividade de 18,2 MΩ.cm em 25 ºC, da Millipore.

 Tubo de rosca de polipropileno de 50 mL, da Sarstedt, com fundo cônico, impressão padronizada, pureza e certificação garantidos.

 Dispensador digital Dispensette® _{de 10 mL, 25 mL e 50mL com certificado de}

conformidade.

 Pipeta regulável da marca Eppendorf de 100 µL; 1000 µL e 5000 µL com certificado de calibração.

3.2. Reagentes e soluções

Todos os reagentes químicos utilizados no trabalho foram de alto grau analítico. As curvas analíticas foram preparadas através de diluições de padrões monoelementarese multielementares da marca Inorganic Ventures®_{. Foram utilizados os}

seguintes padrões:

 Padrão multielementar (PM1): Ca (1002 ± 2µg.mL-1), Na(1002 ± 2 µg.mL-1), K

(1002 ± 2 µg.mL-1_{) e Mg (1002 ± 2 µg.mL}-1_{) em 2 % de HNO} 3.  Padrão multielementar (PM2): Al (1002 ± 4 µg.mL-1_{), Ba (1002 ± 4 µg.mL}-1_{), B} (1002 ± 4 µg.mL-1_{), Fe (1002 ± 4 µg.mL}-1_{), Mn (1002 ± 4 µg.mL}-1_{) e Sr (1002 ±} 4 µg.mL-1_{) em 2 % de HNO} 3.

 Padrão multielementar (PM3): Cu (1001 ± 5µg.mL-1_{), Cr (1001 ± 5 µg.mL}-1_{), Li} (1001 ± 5 µg.mL-1_{), Mo (1001 ± 5 µg.mL}-1_{), Ni (1001 ± 5 µg.mL}-1_{) e V (1001 ±} 5 µg.mL-1_{) em 2 % de HNO} 3.  Padrão multielementar (PM4): Pb (100 ± 0,3 µg.mL-1_{), Cd (100 ± 0,3 µg.mL}-1_), Be (100 ± 0,3 µg.mL-1_{) e As (100 ± 0,3 µg.mL}-1_{) em 2 % de HNO} 3.

 Padrão monoelementar (PM5): Ag (999 ± 5µg.mL-1_{) em 2 % de HNO} 3.

Inicialmente, foram preparadas soluções-estoque, conforme apresentado na Tabela 8, a partir dos padrões certificados.

Tabela 8: Concentrações das soluções-estoque.

Analitos Padrão Concentração (mg.L-1₎

Ca, Na, K e Mg* PM1 100

Al, Ba, B, Fe, Mn e Sr PM2 10

Cu, Cr, Li, Mo, NieV PM3 10

As, Be, Cd e Pb PM4 10

Ag PM5 10

*Esses analitos possuem curvas em duas faixas de concentração.

Posteriormente foram preparadas as soluções-trabalho, para cada ponto da curva analítica, a partir das soluções-estoques, conforme apresentado na Tabela 9. Todas as soluções foram acidificadas com HNO3 2% e, após o preparo as soluções foram

medidas no equipamento de MP-AES para obtenção das curvas de calibração.

Tabela 9: Concentração da solução-trabalho preparadas a partir das soluções-estoque.

Analitos Concentrações (mg.L-1)

Brn Pad1 Pad2 Pad3 Pad4 Pad5 Pad6 Pad7 Al, Ba, B, Fe, Mn,

Sr, Cu, Cr, Li, Mo, Ni, V, As, Be, Cd,

Pb e Ag 0,0 0,005* 0,01 0,02 0,05 0,1 0,5 1,0 Ca, Na, K e Mg (Baixo) 0,0 0,1 0,5 1,0 2,0 5,0 - - Ca, Na, K, Mg (Alto) 0,0 4,0 15,0 25,0 50,0 - - -

3.3. Amostragem

Seis amostras de água foram selecionadas para o presente estudo, dentre as quais, cinco comerciáveis e uma oriunda de poço artesiano. A Tabela 10 apresenta a identificação das mesmas, com algumas características destas.

Tabela 10: Águas minerais comerciáveis utilizadas no trabalho.

Amostra Produto Fonte Volume Lote Prazo de _validade

1 Crystal Água mineral _natural Yguaba 1,5 L 20701NO 19/01/13 2 Petrópolis Água _{mineral natural} Levíssima II 510 mL 26/03/12 26/03/13

3 Petrópolis Água _{mineral natural} Levíssima 1,5 L L70053302T1 05/01/18

4 Da Montanha Água _{mineral Natural} Sant’Anna 510 mL H12:36L6 14/10/17

5

Minalba Água mineral natural gaseificada

artificialmente Água Santa 510 mL L16D0714 12/06/17

6 Água Subterrânea _Artesiano Poço 1 L - -

Duas amostras de água mineral são da mesma marca, porém de fontes diferentes. Além disso, a amostra 5, pelo fato de ser gaseificada, passou por um pré-tratamento para remoção do CO2 dissolvido, que consistiu em aeração com gás inerte, por 10

minutos. As amostras foram transferidas, em duplicata, para frascos de polipropileno de 50 mL, acidificadas com HNO3 2% e a concentração dos metais em questão foi

estudada.

3.4. Metodologia de análise por MP-AES

Para a análise de metais solúveis em água mineral por MP-AES adotou-se como referência a metodologia 3120 B do Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 22th _{Ed. Esse método baseia-se na determinação de elementos traços em}

solução aquosa, devidamente acidificada. As condições de operação do equipamento são apresentadas na Tabela 11.

Tabela 11: Condições de operação do MP-AES. Parâmetros Velocidade da bomba 15 rpm Guia de ondas 70,0ºC Magnetron 48,5 ºC Detector -0,4 ºC Janela 32,0ºC

Pressão do gás refrigerante 165 kPa Pressão do gás auxiliar 170 kPa

Os comprimentos de onda foram selecionados para cada um dos 21analitos estudados nesse trabalho, avaliando possíveis interferências espectrais. Uma vez definido o (s) comprimento (s) de onda, foi realizada uma otimização dos parâmetros instrumentais para a medição de cada analito utilizando uma solução contendo todos os analito estudados. Essa otimização visa a ajustar o método com relação à maior sensibilidade de sinal considerando altura de observação no plasma e fluxo de gás nebulização. Nos casos de haver dois comprimentos de onda distintos, foram obtidos diferentes posições de visualização e fluxos de nebulização.

3.5. Ensaios para validação

Com base no guia do INMETRO (2016) foi elaborado um fluxograma, para melhor visualização das etapas que devem ser realizadas para a validação de metodologia. O fluxograma é apresentado na Figura 12.

Figura 12: Fluxograma para a validação de métodos. Fonte: Adaptado do guia do INMETRO (2016)

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os critérios estabelecidos para a avaliação dos parâmetros nesse trabalho foram:

 Seletividade: Foram obtidos os espectros nas regiões dos comprimentos de onda (λ) de emissão para cada analito.

 Linearidade e faixa de trabalho: Foi realizado o teste de Grubbs em triplicata (n = 3) com nível de significância de α = 2,5%, onde Gcrítico= 1,155. Foram

observados os coeficientes de correlação (r), considerando aceitável um valor maior que 0,90 e verificada a presença de tendência pelo gráfico de resíduos.  Limite de detecção e limite quantificação: Foram utilizados os parâmetros da

curva analítica e o desvio padrão do branco para a estimativa do LD e LQ.  Recuperação: Avaliada através de ensaios com adição padrão na matriz,

realizada em sete replicatas independentes (n = 7) e, em no mínimo dois níveis de concentração. A faixa de aceitação deve estrar entre 80 a 110%.

 Precisão: Foram realizados os testes de repetibilidade, precisão intermediária e reprodutibilidade. Para avaliação da repetibilidade e precisão intermediária foi estabelecido um valor de DPR,% aceitável menor que 15%. O estudo da reprodutibilidade foi realizado utilizando um espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES), modelo 5100, da Agilent Technologies, localizado no laboratório inorgânico do grupo Eurofins Innolab e foi estabelecido um valor de DPR,% de acordo com o nível de concentração de cada amostra, variando entre 8% a 45%.

4.1.Seletividade

Para avaliação da seletividade do método, foram observados os espectros nas regiões dos comprimentos de onda (λ) de emissão para cada analito. A Figura 13 exemplifica dois espectros típicos obtidos, com e sem interferência.

Figura 13: Espectros de emissão Sr (sem interferência) e B (com interferência).

Os espectros são apresentados no ANEXO2, nos quais se observa que os perfis dos picos de emissão dos analitos não possuem interferências espectrais para a maioria dos elementos estudados, exceto para os analito Arsênio (As), Berílio (Be), Boro (B), Níquel (Ni) e Manganês (Mn) que não apresentaram um espectro de emissão com boa resolução por alguma interferência próximo do comprimento de onda estudado.

A partir da consulta na tabela de comprimentos de onda disponível no software do equipamento, identificou-se que os analitos Be, B e Mn possuem interferências espectrais de si mesmo e, os analitos As e Ni, possuem interferências espectrais dos analitos Be e Fe, respectivamente. Uma alternativa para evitar tais interferências seria a escolha de um comprimento de onda alternativo.

Apesar de não apresentar interferência significativa em sua vizinhança, o espectro analítico do elemento Chumbo (Pb) se mostrou com pouca intensidade ao ponto de comprometer sua resolução.

A escolha do comprimento de onda a ser usado no estudo de um determinado analito não se resume somente a aspectos de possíveis interferências em sua vizinhança. Um equilíbrio entre intensidade de sinal instrumental e exposição atenuada do detector à radiação deve ser almejada. Assim, para os elementos mais sensíveis, um segundo comprimento de onda foi selecionado, visando um menor sacrifício do detector. Por outro lado, a temperatura do plasma de nitrogênio (5000 K, relativamente baixa se comparada ao calor do plasma de argônio) faz com que, para os elementos menos sensíveis, os comprimentos de onda alternativos sejam, em sua maioria, com baixa intensidade de sinal.

Uma vez definido o comprimento de onda, a posição de visualização no plasma e o fluxo de nebulização foram otimizados a partir de um modo automático disponível no instrumento, que realiza uma varredura destes itens, buscando o melhor sinal de

resposta. Para tal procedimento, foi utilizando uma solução contendo 4 mg.L-1 _dos

elementos e, a tabela 12 apresenta os resultados obtidos.

Tabela 12: Comprimento de onda selecionado e condição de medição para cada analito. Analitos Comprimento de onda (nm) Posição de visualização Fluxo de Nebulização (L.min-1₎ Alumínio (Al) 396,152 -10 1,00 Arsênio (As) 234,984 -10 0,65 Bário (Ba) 493,408 0 0,70 Boro (B) 249,772 20 0,40 Berílio (Be) 313,042 20 0,30 Cálcio (Ca) 422,673 e 317,933 0 e 10 1,00 e 0,45 Cádmio (Cd) 228,802 10 0,50 Chumbo (Pb) 363,957 0 0,90 Cromo (Cr) 425,433 -10 0,95 Cobre (Cu) 324,754 0 0,70 Estrôncio (Sr) 407,771 10 0,60 Ferro (Fe) 371,993 -10 0,85 Lítio (Li) 670,784 0 1,00 Magnésio (Mg) 285,213 e 383,829 0 e 10 0,80 e 0,60 Manganês (Mn) 403,076 0 0,75 Molibdênio (Mo) 386,410 0 0,75 Níquel (Ni) 361,939 0 0,55 Sódio (Na) 589,592 0 1,00 Potássio (K) 766,491 e 769,897 0 1,00 Prata (Ag) 328,068 0 0,70 Vanádio (V) 437,923 -10 0,85

4.2. Linearidade e faixa de trabalho

Por meio das soluções-trabalho, verificou-se a linearidade das faixas de trabalho através da obtenção das curvas analítica sem diferentes faixas de concentração para cada analito.

Pelo teste de Grubbs (OLIVEIRA, 2008),verificou-se presença de valores extremos em cada medida de cada padrão para cada analito com nível de significância de 2,5%, onde Gcrítico = 1,155 (ANEXO 3). Assim, se Gcalculado < Gcrítico rejeita-se a

nenhum outlier nos valores apresentados, mostrando que não houve nenhuma manifestação aleatória inerente à aquisição de dados, apontando para um comportamento linear das curvas analíticas. A equação utilizada para o cálculo teste de Grubbs encontra-se abaixo:

=

xi : valor individual do sinal instrumental

x : média dos valores do sinal instrumental

A representação gráfica das curvas analíticas para os analitos podem ser observadas no ANEXO 4. Os valores dos coeficientes de correlação (r) dos analitos são apresentados na Tabela 13 e foram considerados satisfatórios pois deram acima de 0,90 como é recomendado pelo INMETRO no DOC-CGCRE-008, de agosto de 2016.

Tabela 13: Valores dos coeficientes de correlação (r) para os analitos estudados.

Analito r Analito r Analito r

Al 0,99997 Mo 0,99964 Ca - Baixo 0,99922 Ba 0,99992 Ni 0,99995 K - Baixo 0,99900 Fe 0,99985 V 0,99992 Mg - Baixo 0,99973 Mn 0,99994 As 0,99987 Na - Baixo 0,99756 Sr 0,99968 Be 0,99994 Ca-Alto 0,99919 Cr 0,99992 Cd 0,99981 K -Alto 0,99850 Cu 0,99990 Pb 0,99956 Mg-Alto 0,99870 Li 0,99994 B 0,99985 Na -Alto 0,99701 Ag 0,99990

Os gráficos de resíduos foram construídos (ANEXO 5) e o padrão de distribuição dos desvios ao longo da melhor reta aponta a aleatoriedade dos mesmos, confirmando a escolha pelo comportamento linear e homoscedástico das curvas analíticas. O resíduo foi calculado a partir da equação explicitada abaixo:

í = |X − X | (2) Onde:

Xmedido : valor medido de concentração

4.3. Limite de detecção e de quantificação

Os limites de detecção (LD) e de quantificação (LQ) teóricos foram calculados para cada analito baseado em parâmetros da curva analítica e pelo desvio padrão do branco, como mostrados nas equações abaixo. Os valores para o LD e o LQ estão apresentados na Tabela 14.

= 3,3 ×

s : estimativa do desvio padrão da resposta, neste trabalho o desvio padrão do branco; b : inclinação (coeficiente angular) da curva analítica.

= 10 ×

s : estimativa do desvio padrão da resposta, neste trabalho o desvio padrão do branco; b : inclinação (coeficiente angular) da curva analítica.

Tabela 14: Limite de detecção e quantificação calculados pelo branco.

Analito LD (mg.L-1_{) LQ (mg.L}-1_{) Analito LD (mg.L}-1_{) LQ (mg.L}-1₎ Al 0,00049 0,00149 As 0,00026 0,00078 Ba 0,00005 0,00017 Be 0,00470 0,01425 Fe 0,00132 0,00401 Cd 0,00662 0,02007 Mn 0,00033 0,00099 Pb 0,01818 0,05510 Sr 0,00003 0,00008 B 0,00400 0,01213 Cr 0,00042 0,00127 Ca 0,00012 0,00039 Cu 0,00134 0,00406 K 0,00087 0,00291 Li 0,00001 0,00003 Mg 0,00019 0,00062 Mo 0,00077 0,00234 Na 0,00362 0,01206 Ni 0,00228 0,00692 Ag 0,00039 0,00131 V 0,00062 0,00188

De acordo com a Tabela 13 os resultados obtidos estão em concordância com os VMP exigidos pelas portaria 2914, de 12 de dezembro de 2011 e RDC nº 274, de 22 de setembro de 2005, porém esses valores não podem ser considerados confiáveis, pois não foram submetidos a testes de precisão e exatidão.

A Tabela 15 a seguir mostra os valores de LQ experimental obtidos com soluções contendo a menor concentração dos analitos que poderiam ser diferenciados do sinal do branco com um nível aceitável de precisão e exatidão.