Dispersão da Zona de Amostra

• Uma bomba peristáltica

• Uma válvula de injeção – duas posições • reator (bobina de reação)

• Detector com cela de fluxo

Sistema de Linha Simples

http://www2.iq.usp.br/docente/jcmasini/disciplina/QFL5716/ http://www.flowinjectiontutorial.com/

Dispersão da Zona de Amostra

Dispersão

Detecção

Lavagem

Injeção

Detector

DISPERSÃO AXIAL X RADIAL

COEFICIENTE DE DISPERSÃO (D)

D=C

_/C

C0_{= concentração original da amostra} Cmax_{= concentração do elemento de} fluido de máxima concentração após o processo de dispersão

Para um detector espectrofotométrico:

D =A

_/A

A0_{= Absorbância da amostra não dispersa} Amax_{= Absorbância lida no máximo de} pico

D = 2 significa que a amostra foi diluída na razão de 1:1 com o fluido transportador

D pode ser determinado para qualquer elemento de fluido da zona de amostra e não apenas para o correspondente ao máximo do pico

COEFICIENTE DE DISPERSÃO

LIMITADA

: D = 1 – 2

MÉDIA

: D = 2 – 10

DISPERSÃO LIMITADA

Para obter dispersão limitada, injeta-se um volume de amostra elevado, diminui-se o comprimento da bobina de reação/diluição e diminui-se o diâmetro interno do tubo.

Dispersão limitada é usada para:

•Medidas de pH ou de condutividade •Medidas amperométricas •Injeção automatizada em instrumentos de absorção atômica, fotometria de chama ou ICP

Geralmente usada em análises que não envolvem reação química em solução antes da detecção

DISPERSÃO MÉDIA

Para obter dispersão média: • incorpora-se uma bobina de diluição/mistura (ou ajusta-se seu comprimento)

•Insere-se um ponto de confluência •Ajusta-se o volume de amostra injetado

Em um sistema de dispersão média obtém-se um típico sinal de FIA em que a concentração máxima (Cmax₎

corresponde a 10 – 50% da concentração original (C0₎

É usada principalmente quando é necessário introduzir um

reagente para gerar um produto detectável – típico para

medidas espectrofotométricas

DISPERSÃO ELEVADA

Para obter dispersão elevada: • Diminua o volume de amostra injetada

•Aumente o volume do reator, com possível inclusão de câmara de diluição Gera elevada diluição da amostra, de modo que Cmax_{< 0.1 C}0

Utilizada para analisar amostras concentradas,

acomodando C

_{dentro da faixa de resposta linear do}

detector

PROTOCOLO DE OTIMIZAÇÃO

Tempo de Reação Concentração de reagentes

São os parâmetros mais importantes para o desenvolvimento de um método analítico por FIA, pois influenciam diretamente o limite de detecção, a sensibilidade e a freqüência analítica.

Coeficiente de Dispersão, D Tempo de Residência, T

Orientam a otimização dos sistemas de análise por injeção em fluxo

O volume de amostra necessário para se atingir 50 % do estado estacionário depende do volume e geometria do canal entre o injetor e o detector. Depende também do volume da cela de fluxo

Injeção de corante em tubo com 0.5 mm I.D. tubing, 20 cm de comprimento, vazão de 1,5 mL/min em um sistema de linha simples.

Aumento do volume de amostra injetada aumenta altura de pico até um certo limite (D ~ 1, volume infinito)

Até D=2 (em um sistema de linha simples), a altura de pico aumenta linearmente com o volume de amostra.

O volume de amostra é um parâmetro fundamental na otimização de protocolos FIA. Permite: • Ajuste de sensibilidade e limite de detecção

• Identificação da faixa de resposta linear do detector • Diluição automática da amostra

O volume de amostra em sistemas FIA manuais é alterado trocando-se as alças de amostragem do injetor

K = constante; n = Sv/S1/2;

S1/2= volume de amostra para atingir 50% do estado estacionário (D=2) Injetando 2S1/2→ 75% de C0_{→ D = 1,33} Injetando 7S1/2→ 99,2% de C0_{→ D = 1,008} max 0 max / 1 2 1 ) 693 , 0 exp( 1 ) exp( 1 kSv n D C C n = − = − − = − − =

Alterar o volume de amostra é um modo eficiente

para manipular a dispersão e, por consequência, a

sensibilidade e o limite de detecção. Aumento do

volume de amostra aumenta a sensibilidade e o limite

de detecção

(desde que a zona de amostra receba

quantidade de matéria de reagente apropriada)

.

Diluição de amostras concentradas é possível

diminuindo-se drasticamente o volume de amostra

REGRA 1

2

)

5

,

0

(

d

Sv

π

θ

=

θ = Dimensão que o volume de amostra (Sv) ocupa no canal do fluxo, com diâmetro d

Se d é reduzido pela metade, o mesmo Sv ocupará uma distância θ 4 x maior – Restringe o contato da porção central da zona de amostra com a solução transportadora

Exemplo: injeção de 100 µµµLµ

Ocupa 12,7 cm de um tubo de 1 mm de d.i. Ou

50,95 cm de um tubo com 0,5 mm de d.i.

REGRA 2

Dispersão limitada é obtida injetando um volume de

amostra de 1 S

em um sistema constituído por um

canal (bobina de reação) curto e de pequeno

diâmetro

Canais estreitos:

Economia de reagente – química verde Aumento da frequência de amostragem

Aumento da impedância hidrodinâmica – aumento de pressão no sistema Facilidade de entupimento por partículas

Compatibilizar com a cela de fluxo

Típico → 0,50 mm D.I., Dispersão média a elevada → 0,75 a 1 mm Baixa Dispersão → 0,3 mm

Altura de pico, tempo de residência,

comprimento do canal e vazão

Q

V

F

L

Q

L

d

T

(

/

2

)

/

/

/

=

=

=

π

T =Tempo de residência médio

L= comprimento do tubo (entre o injetor e o detector) Q = vazão

F=Velocidade linear de fluxo Vr=volume do reator

Influência do comprimento da bobina na altura de pico e em D após injeção de 60 µµµL de amostra, 0,5 mm D.I., µ Vazão = 1,5 ml/min. Corante injetado em transportador inerte em sistema de linha simples

Dispersão, tempo de residência,

comprimento do canal e vazão

v r

T

S

D

d

D

=

[

2

π

(

/

2

)

]

/

Dmax_{, para D}max_{> 2, diminui linearmente com o aumento de Sv, ou seja, a} altura de pico aumenta proporcionalmente com Sv

Embora o decréscimo na altura de pico e o alargamento do pico diminuam em relação a distância percorrida, o aumento de L pode não ser vantajoso acima de uma dado limite – Dispersão elevada e baixa frequência de amostragem. Em vez de se aumentar L (Vr) pode-se diminuir a vazão e manter L com as dimensões definidas por razões práticas – comprimento das conexões entre injetor e bobina e desta com o detector – solução de compromisso. Sistemas típicos: L = 10 a 100 cm, com d = 0,5 mm. Ajusta-se T em ~ 20 – 30 s controlando-se a vazão. Maiores valores de T são obtidos por bombeamento intermitente

Dispersão, tempo de residência,

comprimento do canal e vazão

Coeficiente de dispersão em função de diferentes períodos de parada de fluxo. Em b, c e d o fluxo é parado após 5,5 s da injeção por períodos de 10, 20 e 30 s, respectivamente

REGRA 3

A dispersão da zona de amostra aumenta com a raiz quadrada da distância percorrida através da linha de fluxo e diminui com o decréscimo da vazão. Se é preciso diminuir a dispersão e aumentar o tempo de residência, as dimensões do tubo devem ser minimizadas e a vazão diminuída.O modo mais efetivo de aumentar o tempo de residência e evitar dispersão elevada é injetar a amostra no fluxo, pará-lo, e retomar o bombeamento após tempo adequado

Altura de Pico e Geometria do Canal

Sistema com câmara de mistura/diluição

ou

Onde C = concentração da amostra após um tempo t da injeção, Vm= volume da

câmara

Para t = 0 s, C = Cmax_{= C}0_S v/Vm t1/2= 0,693 Vm/Q t1/2= tempo necessário para C cair a C/2 4 t1/2ou 2,8 Vm/Q necessários para o sinal voltar a 6% do pico

Se o volume da amostra é muito menor do que o volume da câmara, e se a amostra é instantaneamente homogeneizada e misturada na solução no interior da câmara, valem as relações:

REGRA 4

Qualquer sistema de fluxo contínuo contendo uma

câmara de mistura gera elevada dispersão e baixa

sensibilidade de medida em relação a uma sistema

sem esse tipo de câmara. Diminui a frequência de

amostragem, a menos que se aumente a vazão.

Consequência: elevado consumo de reagente.

Pode ser usado para grandes diluições amostras

concentradas

DISPERSÃO E GEOMETRIA

Mudanças bruscas na direção do fluxo aumentam a transferência de massa radial. Este efeito é amplificado aumentando-se a velocidade linear de fluxo. Em um tubo retosob regime de fluxo laminar, a transferência de massa radial é muito lenta, sendo promovida apenas por difusão. Enrolando o tubocom geometria de bobina helicoildalse promove o aparecimento de fluxos secundários na direção radial, o que é ainda mais acentuado no reator enovelado

por causa das mudanças bruscas e aleatórias da direção do fluxo. Bobinas montadas em armações poliméricas ou preenchidas com esferas de vidro foram propostas nos primeiros sistemas FIA, sendo hoje raramente utilizadas, apesar de serem eficientes para promover a dispersão radial.

Bobina Helicoidal x Tubo Reto

Aspecto da zona de amostra (corante azul) injetada em solução

transportadora incolor através de 500 cm de tubo (helicoidal

ou reto) com 0,5 mm de diâmetro interno, acompanhados o

sinal do detector

BOBINA EMPACOTADA E ENOVELADA

Tubo transparente de 0,5 mm de diâmetro interno empacotado com esferas de vidro (esquerda) e enovelado apoiado em suporte plástico perfurado (direita). Note que as fronteiras entre o corante e a solução transportadora são muito mais nítidas e bem definidas do que as mostradas no slide anterior. Aumenta-se a dispersão radial e diminui-se a dispersão axial.

DISPERSÃO E GEOMETRIA DO CANAL

A = tubo reto B = Bobina helicoidal C = Bobina enovelada

D = Bobina (0,86 mm I.D.) empacotada com esferas de vidro (0.6 mm)

L = 80 cm, 0,5 mm I.D. Vr = 160 µL Q = 0,75 mL/min Tampão borato 0,1M BTB 620 nm

REGRA 5

Para reduzir a dispersão axial, que diminui a

frequência de amostragem, a linha de fluxo deve

ser uniforme, sem seções largas (que se

comportam como câmaras de diluição) e devem

ser enrolada (helicoidal), enovelada, estruturada

em suporte ou empacotada. Outros tipos

mudanças bruscas de direção de fluxo podem ser

incluídas no sistema

Largura de pico, e Frequência de

amostragem

Análises/hora Smax= 3600/largura de pico (em s) na linha base

Largura de pico, e Frequência de

amostragem

REGRA 6

Para obter a máxima frequência de amostragem o sistema deve trabalhar com o mínimo S1/2devendo ser operado com o menor volume prático de amostra (Sv). Sistemas com o menor fator de dispersão axial requerem o menor consumo de reagente e produzem a máxima frequência de amostragem em relação ao tempo de residência da zona de amostra movendo através da linha de fluxo

DISPERSÃO DA ZONA DE AMOSTRA

EM UM FLUXO DE REAGENTE

D

R

_{= C}

R

0

/C

R

Sistema de linha simples

Para manter excesso de reagente em toda zona de amostra (excesso de ~ 5 x a relação estequiométrica) e se as concentrações (mol/L) de amostra e reagente forem iguais,

dispersão média em Cmax deve ser obtida Para aumentar a sensibilidade diminuindo a dispersão da zona de amostra a concentração de reagente CR0_{deve ser} aumentada

Injection of increasing sample volumes causes the formation of a double peak. Reaction product (yellow) is formed at the interface

between the sample (red) and the reagent (blue). A

B

Sistemas de Linha Simples - Exemplos

Análise elementar por absorção atômica em chama – Dispersão limitada

Sistemas de Linha Simples - Exemplos

Análise elementar por absorção atômica em chama – Dispersão limitada

(a) – curva analítica para Zn (0.2 a 5 mg/L)

(b) - Sinal obtido para uma solução de Zn(II) 1,5 mg/L por FIA (A) e aspiração convencional (B)

(c) - Curva analítica para Pb (2, 5, 10, 15 e 20 mg/L) obtido em 0 e 3.3% NaCl – diminuição do efeito de matriz Vazão = 4,9 mL/min, Sv = 150 µL

Sistemas de Linha Simples - Exemplos

Determinação potenciométrica de pH

10 cm, 0,5 mm I.D.

Sv = 30 µµµLµ

Solução Transportadora: NaCl 0,4M + Tampão NaH2PO4/Na2HPO4 0,1 mM (pH6,64)

NaCl – condutividade – diminuir a resistência entre o eletrodo de vidro e o de referência

pH na faixa intermediária entre os dois extremos da escala (picos positivo e negativos) Capacidade tamponante menor do que a da amostra Se capacidade tampão da amostra > que da solução transportadora → aumentar volume da amostra (150 a 300 µL) → D ~ 1

Sistemas de Linha Simples - Exemplos

Determinação potenciométrica de Ca(II) e pH

DISPERSÃO DA ZONA DE AMOSTRA

EM UM FLUXO DE REAGENTE

Sistema de confluência _{DSnunca atinge o valor 1,}

mesmo em condições de injeção de “volume infinito”, estado estacionário, etc

A dispersão do reagente não é influenciada pela dispersão da zona da amostra. O reagente é continuamente adicionado a todos os elementos de fluido da zona de amostra Se CR0_{= CS}0 CR CR DR CR y x y CS SS max 0 0_{/ = [ /( + )]=} = →

DISPERSÃO DA ZONA DE AMOSTRA

EM UM FLUXO DE REAGENTE

Sistema de confluência

Em comparação com o sistema de linha simples, nos sistemas com confluência é mais fácil manter um excesso de reagente em contato com toda a zona de amostra, mesmo com DS próximo a da condição de estado estacionário (“volume infinito”).

Se as vazões nas linhas de transmissão x e y são iguais, DSmaxSSnunca é maior que

2 e, portanto, o reagente pode ser usado com concentração apenas levemente acima da relação estequiométrica (economia de reagentes)

Determinação de fosfato – Linha simples x Confluência

- Sensibilidade

7H3PO4+ 12(NH4)3Mo7O24+ 51H+→7(NH4)3PO4••••12MoO3+ 51NH4++ 36H2O

Mo(VI)-complexo amarelo + Ac. Ascórbico →Mo(V)- complexo azul (azul de molibdênio)

(a) Sv=30 µµµµL (b) Sv=200 µµµµL (c) Sv=400 µµµµL Sv = 30 µµµLµ 0,005 M Molibdato de Amônio 0,7% (m/v) ac. ascórbico

Determinação de fosfato – Linha simples x Confluência

- Sensibilidade

7H3PO4+ 12(NH4)3Mo7O24+ 51H+→7(NH4)3PO4••••12MoO3+ 51NH4++ 36H2O

Mo(VI)-complexo amarelo + Ac. Ascórbico →Mo(V)- complexo azul (azul de molibdênio)

Sv = (a) 23, (b) 70, (c) 115, (d) 180 µµµµL e (e) 320 µµµµL de 2 mg/L P-PO4

3-O,0025M Molibdato de Amônio 0,25% (m/v) ac. ascórbico

SISTEMA COM CONFLUÊNCIA E ECONOMIA

DE REAGENTES – ZONAS COALESCENTES

PROTOCOLO DE OTIMIZAÇÃO

de reação e a razão da mistura entre amostra e reagente. Quanto maior a bobina, maior será a dispersãoda amostra e menor será a sensibilidade da medida por causa da maior diluição do produto formado.

Tal diluição pode ser compensada aumentando-se o volume da amostra, o que resulta em aumento da altura de pico. Porém deve-se garantir excesso de reagente em toda zona de amostra. Para isso, em sistemas de linha simples, usa-se como critério de orientação D ~ 2.

A grande maioria dos métodos de FIA trabalha com volumes de amostra entre 50 - 200 µL, vazões de 1 a 2 mL min-1_{usando reatores helicoidais com}

50 a 100 cm de comprimento e diâmetro interno de 0,5 a 0,8 mm. FERRAMENTAS ADICIONAIS DE OTIMIZAÇÃO:

•Geometria dos canais de fluxo •Pontos de confluência •Parada de fluxo (stopped flow)

Exemplos de configurações

A- Linha simples

B- Duas linhas com um ponto de confluência C- Pré-mistura de reagentes – linha simples

D- Duas linhas com um ponto de confluência e mistura prévia de reagentes E- Três linhas com dois pontos de confluência – adição sequencial de reagentes F-Reator empacotado em linha

G- Injeção dupla e uma confluência (interpenetração) H- reatores sequenciais

I-Linha simples com câmara de mistura/diluição J- Linha simples com parada de fluxo K- Sistema para extração com solvente L- Sistema para diálise e difusão gasosa

M- Duas linhas, ponto de confluência incluindo reator empacotado N-Injeção hidrodinâmica