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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extracção analítica

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UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA

APLICAÇÃO DE ESPUMAS DE POLIURETANO EM

TÉCNICAS DE MICRO-EXTRACÇÃO ANALÍTICA

Isabela Marina Baía Magalhães Oliveira da Silva

Dissertação

MESTRADO EM QUÍMICA

Química

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UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA

APLICAÇÃO DE ESPUMAS DE POLIURETANO EM

TÉCNICAS DE MICRO-EXTRACÇÃO ANALÍTICA

Isabela Marina Baía Magalhães Oliveira da Silva

Dissertação orientada pelo:

Prof. Doutor José Manuel Florêncio Nogueira

MESTRADO EM QUÍMICA

Química

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica III

Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao Prof. Doutor José Manuel F. Nogueira por me ter orientado nesta dissertação, pelo apoio, pela sua disponibilidade e pelos conhecimentos transmitidos durante a realização do trabalho.

Agradeço aos meus colegas de laboratório a amizade e boa disposição que contribuiu para um bom ambiente no laboratório. Agradeço especialmente, ao Mestre Carlos Almeida e ao Doutor Nuno Neng pela simpatia, pelos conselhos, pela ajuda e pelos conhecimentos que me transmitiram sempre que precisei. Aos meus colegas de mestrado, Rodrigo Bernarda e Samir Ahmad pela troca de ideias e conhecimentos. E também aos “vizinhos” do laboratório, Sofia Alves e Tiago Jorge, pelos bons momentos.

Às “minhas meninas” que me acompanham desde sempre em todas as etapas da vida académica, que estão sempre prontas para um jantar de sushi lá em casa proporcionando bons momentos de distração e que estão sempre presentes em tudo e para tudo quando é preciso. Às minhas colegas de casa pelas parvoíces de todos os dias.

Ao meu namorado, Filipe Manso, pela sua paciência, tolerância e compreensão ao longo deste período. Por me apoiar e ouvir os meus desânimos sobre os problemas com que me deparei e os sucessos conseguidos. Pela força e por fazer sempre de tudo para me distrair e proporcionar bons momentos em alturas de tensão.

Por último, como os últimos são sempre os primeiros, quero agradecer à minha família, aos meus pais e avó materna por sempre terem acreditado em mim, sem eles não teria chegado até aqui. Agradeço todo o apoio, carinho e pela força mesmo nos momentos em que achava que não era capaz de alcançar alguns objetivos. Muito obrigada por tudo.

Obrigada! Isabela Silva

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica V

Resumo

O presente trabalho propõe um novo conceito para micro-extração estática, no qual espumas de poliuretano (PU) são usadas como fases para sorção-dessorção, aproveitando-se as excelentes propriedades sortivas e mecânicas que evidenciam. Esta nova abordagem designada por micro-extração em PU (PUμE), consiste no uso de espumas com geometria cilíndrica embebidas com solventes orgânicos adequados e operando através da tecnologia de amostragem por flutuação, seguida de dessorção líquida por compressão mecânica com recurso a seringa e análise por cromatografia em fase gasosa com injeção de grandes volumes acoplada à espetrometria de massa operando no modo de monitorização de iões selecionados (LVI-GC-MS(SIM)). Para o presente estudo selecionaram-se três fungicidas (metalaxyl-M, penconazole e tebuconazole) como compostos modelo no sentido de avaliar o desempenho desta nova metodologia em matrizes aquosas. Numa primeira fase desenvolveu-se e otimizou-se o passo de micro-extração, nomeadamente, o tipo de solvente orgânico e o volume embebido na fase de PU, mas também o passo de retro-extração, nomeadamente, o volume utilizado para dessorção e o número de compressões, tendo o clorofórmio (CF) provado ser o melhor solvente. Sob condições experimentais otimizadas (micro-extração: 30 min (1000 rpm), pH 5,5; retro-(micro-extração: CF (5 × 0,1 mL) em seringa), foram obtidas recuperações médias compreendidas entre 68 e 94 % (2,5 μg.L-1), boa

linearidade dinâmica (r2 > 0,9975) na gama compreendida entre 0,1 e 3,0 μg.L-1,

precisão conveniente (RSD < 6 %) e limites de deteção ao nível vestigial (10 < LODs < 20 ng.L-1). A aplicação da metodologia proposta a matrizes reais, nomeadamente águas (consumo Humano, subterrânea e superficial) e vinhos (branco e tinto), efetuada com recurso ao método da adição de padrão, demonstrou bom desempenho analítico. Os dados obtidos provam que a metodologia proposta (PUμE(CF)-LD(CF)seringa

/LVI-GC-MS(SIM)), mostrou ser adequada para monitorizar fungicidas em matrizes reais, apresentando diversas vantagens, nomeadamente, fácil manipulação, sensibilidade, recurso a pequeno volume de amostra e solvente, tempo analítico reduzido, simplicidade e notável desempenho analítico. Comparativamente a outras fases sortivas, o PU embebido com solventes orgânicos demonstrou ser vantajoso devido à grande capacidade de sorção, possibilidade de dessorção mecânica, regenerabilidade e baixo custo.

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VI Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

Palavras-chave

 Espumas de Poliuretano (PU)  Matriz de sorção-adsorção

 Tecnologia de amostragem por flutuação  Fungicidas

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica VII

Abstract

The present work proposes a novel microextraction concept, where polyurethane foams (PU) are used as sorption-desorption phases, taking its excellent sorption and mechanical properties. This new approach called PU microextraction (PUµE) consists in PU foams with cylindrical geometry, soaked with suitable organic solvents that operating under the floating sampling technology, followed by liquid desorption with mechanical compression using a syringe and subsequent large volume injection-gas chromatography coupled to mass spectrometry analysis, operating under the selected ion monitoring mode (LVI-GC-MS(SIM)). Three fungicides were selected (metalaxyl-M, penconazole and tebuconazole) as model compounds in order to evaluate the performance of this new methodology in aqueous matrices. In a first approach, the microextraction step was developed and optimized, in particular, the type and volume of organic solvent soaked in the PU phase, but also the back-extraction step, namely, the desorption volume used and the number of compressions, where chloroform (CF) shows to be the best solvent. Under optimized experimental conditions (microextraction: 30 min (1000 rpm) and pH 5,5; back-extraction: CF (5 × 0.1 mL) in syringe) average recovery yields ranging from 68 to 94 % (2.5 µg.L-1) were obtained, as well as, good

linearity (r2 > 0.9975) between 0.1 and 3.0 µg.L-1, convenient precision (RSD < 6%)

and detection limits at trace level (10 < LODs < 20 ng.L-1). The application of the proposed methodology to real matrices, namely water (drinking, ground and surface) and wine (white and red), were performed using the standard addition approach, demonstrating good analytical performance. The data obtained proved that the proposed methodology (PUμE(CF)-LD(CF)syringe/LVI-GC-MS(SIM)) is adequate to monitor

fungicides in real matrices, presenting several advantages, including easy manipulation, sensitivity, low sample and solvent volume requirements, reduced analytical time, simplicity and remarkable analytical performance. Moreover, when compared with other sorptive phases, the PU soaked with organic solvents proved to be advantageous due to its great sorption capacity, possibility of mechanical desorption and low cost.

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VIII Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

Keywords

 Polyurethane (PU) foams  Sorption-desorption matrix  Floating sampling technology  Fungicides

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica IX

Lista de abreviaturas e símbolos

ACN Acetonitrilo

AcOEt Acetato de etilo

AμE Micro-extração adsortiva

BAμE Micro-extração adsortiva em barra

CF Clorofórmio

DCM Diclorometano

ECD Detetor de captura eletrónica

EtOEt Éter etílico

FID Detetor de ionização de chama

GC Cromatografia em fase gasosa

HPLC Cromatografia líquida de alta eficiência

HS Espaço de cabeça (“headspace”)

HCl Ácido clorídrico

LD Dessorção líquida

LLE Extração líquido-líquido

LOD Limite de deteção

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X Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

LVI Injeções de grandes volumes

MeOH Metanol

MEPS Micro-extração em sorvente empacotado

MET Metalaxyl-M

MS Espectrometria de massa

NaCl Cloreto de sódio

NaOH Hidróxido de sódio

n-C6 n-Hexano

NPD Detetor de azoto-fósforo

PDMS Polidimetilsiloxano

PEN Penconazole

PTV Injetor de vaporização com temperatura programada

PU Poliuretano

PUµE Micro-extração em poliuretano

RSD Desvio padrão relativo

SAM Método de adição de padrão

SBSE Extração sortiva em barra de agitação

SIM Monitorização de iões selecionados

SPE Extração em fase sólida

SPME Micro-extração em fase sólida

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica XI

TCD Detetor de condutividade térmica

TD Dessorção térmica TEB Tebuconazole α Seletividade a Declive β Relação de fase ᵒC Graus Celsius

ᵒC/min Graus Celsius por minuto

cm Centímetro

g Grama

h Hora

H “altura equivalente a um prato teórico”

k Coeficiente de distribuição

KO/W Coeficiente de distribuição octanol-água KPDMS/W Coeficiente de distribuição PDMS-água

k’ Fator de capacidade

L Litro

L Comprimento da coluna

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XII Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

mg Miligrama

min Minuto

mL Mililitro

mL.min-1 Mililitro por minuto

mM Milimolar

mm Milímetro

μ Micro

µA Microampere

μg Micrograma

μg.L-1 Micrograma por litro

μL Microlitro μm Micrómetro ms Milissegundo m/z Razão massa-carga N Eficiência ng Nanograma nm Nanómetro % Percentagem % (w/v) Percentagem peso/volume % (v/v) Percentagem volume/volume

pH Simétrico do logaritmo decimal da concentração em hidrogeniões

pKa Simétrico do logaritmo decimal da constante de acidez

r2 Coeficiente de determinação

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica XIII

Rs Resolução

s Segundo

tM Tempo morto

tR Tempo de retenção

tR’ Tempo de retenção ajustado

V Volume

VPDMS Volume em PDMS

VW Volume de amostra aquosa

W Largura do pico

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica XV

Índice

Agradecimentos ... III Resumo ... V Palavras-chave ... VI Abstract ... VII Keywords ... VIII Lista de abreviaturas e símbolos ... IX Índice ... XV Índice de figuras ... XIX Índice de tabelas ... XXI

Capítulo 1 - Introdução

1.1 Preparação de amostras em análise química ... 3

1.2 Métodos baseados em sorção ... 4

1.2.1 Micro-extração em fase sólida (SPME) ... 5

1.2.2 Extração sortiva em barra de agitação (SBSE) ... 7

1.2.3 Micro-extração adsortiva em barra (BAμE) ... 9

1.3 Amostragem por flutuação ... 10

1.4 Espumas de PU ... 11

1.4.1 Aplicação dos PU em micro-extração ... 13

1.5 Técnicas Cromatográficas ... 14

1.5.1 Breve história ... 14

1.5.2 Noções teóricas... 14

1.5.3 Cromatografia em fase gasosa (GC) ... 18

1.5.3.1 Cromatografia gasosa - espetrometria de massa (GC-MS) ... 20

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XVI Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

1.7 Referências ... 23

Capítulo 2 - Parte experimental 2.1 Reagentes e padrões... 29

2.2 Amostras reais ... 29

2.3 Materiais ... 30

2.4 Equipamento ... 30

2.5 Procedimento experimental ... 31

2.5.1 Preparação das soluções de trabalho ... 31

2.5.2 Preparação dos cilindros de PU para os ensaios ... 31

2.5.3 Ensaios de extração e retro-extração ... 32

2.5.4 Validação da metodologia PUμE e aplicação a amostras reais ... 34

2.5.5 Condições da análise por LVI-GC-MS(SIM) ... 35

2.6 Referências ... 35

Capítulo 3 - Apresentação e discussão de resultados 3.1 Otimização instrumental ... 39

3.2 Otimização da metodologia PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM) ... 42

3.2.1 Otimização da PUμE ... 42

3.2.1.1 Avaliação dos solventes ... 43

3.2.1.2 Seleção dos solventes ... 44

3.2.1.3 Efeito do volume solvente ... 46

3.2.2 Otimização da LD ... 47

3.2.2.1 Efeito do volume de solvente ... 47

3.2.3 Efeito dos parâmetros da PUμE ... 50

3.2.3.1 Efeito da velocidade de agitação ... 50

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica XVII

3.2.3.3 Efeito do pH ... 52

3.2.3.4 Efeito de modificador orgânico ... 54

3.2.3.5 Efeito da força iónica ... 55

3.2.4 Validação do método PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM) ... 56

3.2.5 Matrizes reais ... 59

3.3 Referências ... 62

Anexos

Anexo A ... C A.1. Fórmulas utilizadas ... C Anexo B ... C B.1. Espetros de massa ... C Anexo C ... E C.1. Gráficos de calibração ... E C.2. Gráficos de regressão ... F

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Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica XIX

Índice de figuras

Figura 1.1 - Exemplificação esquemática de uma seringa de SPME durante a extração e

dessorção do analito num sistema de GC ... 6

Figura 1.2 - Representação esquemática de uma barra de agitação de PDMS usada na SBSE ... 7

Figura 1.3 - Comparação da eficiência extrativa por SPME (PDMS: 0,5 μL) e SBSE (PDMS: 47 μL) em função do log KO/W, em idênticas condições experimentais ... 9

Figura 1.4 – Representação esquemática da BAμE operando no modo de amostragem por flutuação ... 10

Figura 1.5 - Esquema da reação de formação das espumas de PU. ... 11

Figura 1.6 - Ilustração representativa do tM e tR num cromatograma. ... 16

Figura 1.7 - Esquema simplificado de um sistema de GC convencional. ... 18

Figura 1.8 - Diagrama simplificado dos principais componentes de um espetrómetro de massa. ... 21

Figura 2.1 - Cilindros de PU usados no presente estudo. ... 30

Figura 2.2 - Representação esquemática (a) e em imagem (b) de PUμE durante o processo de micro-extração. ... 33

Figura 2.3 - Seringa de plástico de 1 mL usada no passo de retro-extração. ... 33

Figura 2.4 - Representação esquemática (a) e imagem (b) de PUμE durante processo de retro-extração. ... 34

Figura 3.1 - Estrutura química dos três fungicidas selecionados para o presente estudo. ... 39

Figura 3.2 – Fragmentograma de massa relativo aos analitos em estudo em amostras de água por LVI-GC-MS(SIM). 1-MET, 2-PEN, 3-TEB. ... 41

Figura 3.3 - Comparação dos solventes de extração na recuperação média dos analitos em estudo em amostras de água por PUμE-LDseringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 43

Figura 3.4 - Comparação dos solventes de extração seguido de LD(CF) na recuperação média dos analitos em estudo em amostras de água por PUμE-LDseringa /LVI-GC-MS(SIM). ... 45

(22)

XX Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

Figura 3.5 - Comparação do volume do solvente no PU seguido de LD(CF) na recuperação média dos analitos em estudo em amostras de água por PUμE-LDseringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 46

Figura 3.6 - Comparação do volume de CF usado na retro-extração na recuperação média dos analitos em estudo em amostras de água por PUμE(CF)-LD(CF)seringa

/LVI-GC-MS(SIM). ... 48 Figura 3.7 - Comparação das dessorções com 0,1 mL de CF na recuperação média dos analitos em estudo em amostras de água por PUμE(CF)-LD(CF)seringa

/LVI-GC-MS(SIM). ... 49 Figura 3.8 - Efeito da velocidade de agitação na recuperação média dos três analitos em amostras de água obtidos por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 51

Figura 3.9 - Efeito do tempo de equilíbrio na recuperação média dos três analitos em amostras de água obtidos por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 52

Figura 3.10 - Efeito do pH na recuperação média dos três analitos em amostras de água obtidos por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 53

Figura 3.11 - Efeito de modificador orgânico na recuperação média dos três analitos em amostras de água obtidos por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 54

Figura 3.12 - Efeito da força iónica na recuperação média dos três analitos em amostras de água obtidos por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM). ... 56

Figura 3.13 - Fragmentogramas de massa relativos a uma amostra de água para consumo humano (a) e vinho branco (b) fortificados a 2,5 μg.L-1 obtido por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM), nas condições experimentais otimizadas. (1-MET,

(23)

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica XXI

Índice de tabelas

Tabela 3.1 - Compostos prioritários estudados e correspondentes coeficientes de partição octanol-água (log KO/W), constante de acidez (pKa), iões selecionados para

quantificação no modo SIM, e respetivos tempos de retenção (tR). ... 40

Tabela 3.2 - LODs, LOQs, gama linear, coeficiente de determinação (r2) e precisões (RSD) obtido por GC-MS(SIM). ... 42 Tabela 3.3 - Recuperação média, LODs, LOQs e coeficientes de determinação (r2) obtidos para os três fungicidas por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM), nas

condições experimentais otimizadas. ... 57 Tabela 3.4 - Valores de precisão (RSD) dos ensaios de repetibilidade no mesmo dia e em dias diferentes obtidos para os três fungicidas por PUμE(CF)-LD(CF)seringa

/LVI-GC-MS(SIM), nas condições experimentais otimizadas. ... 58 Tabela 3.5 - Declives (a) e coeficientes de determinação (r2) obtidos por SAM em águas para consumo humano, subterrânea e superficial (montante e jusante) obtidos para os três fungicidas por PUμE(CF)-LD(CF)seringa/LVI-GC-MS(SIM), em condições

experimentais otimizadas. ... 61 Tabela 3.6 - Declives (a) e coeficientes de determinação (r2) obtidos por SAM em

vinhos branco e tinto obtidos para os três fungicidas por PUμE(CF)-LD(CF)seringa

(24)
(25)

Capítulo 1

(26)
(27)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 3

1.1

Preparação de amostras em análise química

O passo de preparação de amostras é, geralmente, o passo limitativo de todo o processo analítico, demorando em média até cerca de dois terços do tempo total de análise, sendo ainda o principal responsável por eventuais erros ocorridos, assim como na discrepância de alguns valores vulgarmente encontrados em laboratórios. Em regra, o seu principal objetivo é transformar a amostra laboratorial em amostra analítica, ou seja, para uma forma mais adequada de introdução na instrumentação [1].

Durante a implementação de métodos cromatográficos, estão associadas diversas etapas prévias para preparação de amostras, contemplando fundamentalmente, a extração ou enriquecimento dos analitos da matriz, e também limpeza ou fracionamento, concentração e em certos casos até derivatização, tendo em conta todas as vantagens analíticas inerentes a cada sistema em particular [2].

A extração do composto com interesse a partir de uma amostra aquosa para um solvente orgânico é muito comum antes de qualquer análise cromatográfica. As principais razões deste procedimento são a eliminação dos compostos indesejados que se encontram muitas vezes presentes em excesso na matriz e o enriquecimento dos compostos minoritários com interesse, alcançando-se limites de deteção mais baixos [3].

A escolha do método de preparação de amostra depende principalmente da natureza dos analitos, da natureza da matriz e do nível de concentração pretendida. A extração líquido-líquido (LLE) foi nos últimos anos, a técnica de eleição em química analítica. Porém, esta técnica requer grandes volumes de amostra e de solvente orgânico, para ganho de sensibilidade com diminuição dos LODs, o que não é compatível com a tendência dominante de miniaturização, com vista a maior eficácia no trabalho laboratorial, redução dos volumes de solvente orgânico e de amostra [4].

Na atual era da “química verde”, as técnicas de preparação de amostras para análise cromatográfica já não se compadecem com o consumo excessivo de solventes orgânicos tóxicos, tendo em vista o impacto ambiental que isso acarreta. Nesta perspetiva, têm surgido novos conceitos aliados a metodologias que conseguem conjugar a miniaturização analítica com redução ou mesmo eliminação do consumo de

(28)

Introdução

4 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

solventes orgânicos (“solventless”), para enriquecimento de compostos alvo em diversos tipos de matrizes. Destacam-se neste contexto, extração em fase sólida (SPE) e mais recentemente, micro-extração em sorvente empacotado (MEPS) que operam no modo dinâmico, e as técnicas de extração sortiva, nomeadamente, micro-extração em fase sólida (SPME) e extração sortiva sob barra de agitação (SBSE), que operam no modo estático. Estas técnicas, para além de reduzirem a manipulação analítica, proporcionam significativa sensibilidade na recuperação dos analitos alvo, elevada reprodutibilidade, rapidez, baixo custo e facilidade de automatização [2, 4, 5].

1.2

Métodos baseados em sorção

As técnicas de extração sortiva têm despertado grande interesse pois são muito promissoras, “amigas do ambiente”, integrando-se nos conceitos da “química verde”. São baseadas em fenómenos de equilíbrio em que o processo de enriquecimento é controlado pelo coeficiente de partição dos compostos entre uma fase polimérica líquida imiscível (fase extratante) e a matriz da amostra. Ao contrário da SPE em que os analitos são retidos à superfície do enchimento, na extração sortiva a quantidade total da fase polimérica participa de forma decisiva no fenómeno de enriquecimento [2, 6].

Nas últimas décadas, têm sido propostos vários métodos de micro-extração baseados em sorção, principalmente para análise vestigial de compostos prioritários a partir de matrizes aquosas, prévias à análise cromatográfica. A maioria destas técnicas apresenta diversas vantagens analíticas, tais como miniaturização e grande capacidade de enriquecimento. A SPME, SBSE e mais recentemente a micro-extração adsortiva em barra (BAμE) são exemplos destas técnicas, operando todas em modo estático. No entanto, uma das principais desvantagens de algumas destas técnicas reside no passo de retro-extração, normalmente operado por dessorção térmica (TD) ou líquida (LD), dependendo do grau de compatibilidade com os sistemas instrumentais. Como regra geral, a TD é indicada para análise de compostos voláteis e semi-voláteis por GC, enquanto que a LD é mais adequada para análise de analitos com polaridade média a polar com recurso a cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). No entanto, de um ponto de vista prático, o passo de LD é o passo limitante uma vez que quer o volume de

(29)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 5

solvente utilizado quer a concentração e ainda a troca de solventes faz com que a retro-extração não seja uma etapa pouco ágil do ponto de vista prático [4].

A fase de extração mais utilizada tem sido o polidimetilsiloxano (PDMS), muito conhecido pela sua utilização como fase estacionária nas colunas de GC, sendo termicamente estável e mais inerte que os materiais adsorventes convencionais, possuindo ainda excelentes propriedades de difusão e tolera uma vasta gama de temperaturas de operação (220-320 ºC). Este material origina ainda baixo ruído instrumental, não promove decomposição dos analitos com interesse e tem a particularidade de poder ser reutilizado. A micro-extração sortiva é por natureza um fenómeno de equilíbrio, no qual o processo de enriquecimento é controlado pelo coeficiente de partição dos analitos entre a fase polimérica e a matriz da amostra [2, 6-8].

Estas técnicas têm ganho maior aceitação devido à sua relação custo-eficácia e à sua fácil manipulação. São técnicas de enriquecimento que combinam extração e concentração dos analitos em simultâneo, com a possibilidade de utilizar o modo de imersão ou espaço de cabeça (“head-space”) numa única etapa. Por outro lado, reduzem a manipulação e o tempo necessário para a preparação da amostra sendo indicadas para serem combinadas com a grande sensibilidade da instrumentação moderna [4].

1.2.1 Micro-extração em fase sólida (SPME)

A técnica de SPME foi introduzida por J. Pawliszyn e colaboradores no início da década de noventa. É baseada na sorção dos analitos presentes por exemplo numa matriz aquosa, para uma fina fibra de sílica fundida revestida por uma camada polimérica. A fibra de SPME encontra-se colocada num suporte com a forma de uma seringa, podendo ser inserida diretamente na matriz da amostra ou no espaço de cabeça acima da mesma, conforme é ilustrado na figura 1.1, sendo seguidamente, introduzida no injetor de um sistema de GC ou HPLC [2].

(30)

Introdução

6 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

Figura 1.1 - Exemplificação esquemática de uma seringa de SPME durante a extração e

dessorção do analito num sistema de GC [Adaptado de [10]].

Existem dois modos de operação em SPME, nomeadamente o direto ou por espaço de cabeça (“headspace”, HS-SPME). Na SPME direta, a fibra é imersa na amostra, e na HS-SPME a fibra é introduzida no frasco de amostragem, no volume gasoso acima da amostra. A HS-SPME é essencialmente aplicada na análise de compostos voláteis que se difundem facilmente da matriz em estudo. Esta tem ainda a vantagem de permitir diminuir significativamente o tempo de extração, uma vez a velocidade de difusão em fase gasosa ser maior do que em fase líquida [2, 6].

Um dos aspetos na otimização da SPME é a seleção do tipo de fibra específica para os compostos com interesse analítico. A fase polimérica mais usada é o PDMS com 100 μm de espessura de filme, visto ser uma fase estável a temperaturas elevadas e mecanicamente robusta. O PDMS é uma fase com características apolares, no entanto, estão disponíveis no mercado diversas fibras com diferentes espessuras e polaridades, consoante o tipo de aplicação, nomeadamente, à base de poliacrilato, PDMS-divinilbenzeno, carboxeno-PDMS, entre outras [2, 6, 9].

Exposição da fibra na amostra

Exposição da fibra no sistema de GC

(31)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 7

Atualmente, apesar da técnica de SPME já permitir automatização, a grande limitação que apresenta, para além de exigir experiência e prática de manipulação, é que esta requer reduzida quantidade de material polimérico envolvido. Para uma fibra típica de 100 μm de PDMS o correspondente volume é de aproximadamente 0,5 μL. Consequentemente, a eficiência de extração de analitos ao nível vestigial em matrizes complexas pode ser drasticamente limitada. Com base nestas considerações, foi posteriormente concebida e desenvolvida a SBSE, como técnica inovadora, muito sensível e poderosa no enriquecimento de compostos orgânicos vestigiais para análise cromatográfica [2].

1.2.2 Extração sortiva em barra de agitação (SBSE)

A SBSE é uma técnica de preparação de amostras, inicialmente proposta por P. Sandra e colaboradores no final dos anos noventa, para enriquecimento de compostos voláteis e semi-voláteis de matrizes diversas [8].

Uma barra de agitação, constituída por um magnete envolto numa fina película de vidro revestido por um filme em PDMS, como é ilustrado na figura 1.2, é colocada na amostra sob agitação, por forma a promover o movimento de rotação na matriz líquida e simultaneamente a extração dos analitos para a camada polimérica em condições experimentais otimizadas [2].

Figura 1.2 - Representação esquemática de uma barra de agitação de PDMS usada na SBSE

(32)

Introdução

8 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

A teoria da SBSE é em tudo semelhante à da SPME, considerando-se que a eficiência da extração para cada soluto entre a fase de PDMS e a amostra aquosa (w), apresenta um comportamento semelhante ao coeficiente de distribuição octanol-água (KPDMS/W ≈ KO/W) durante o equilíbrio estático. Assim, o KO/W e a relação de fase β (=

VW / VSBSE , em que VW é o volume da amostra aquosa e VSBSE é o volume de PDMS),

são parâmetros importantes para prever a eficiência da extração ou recuperação expressa em percentagem usando a seguinte equação 1.1 [4, 11]:

𝑅𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (%) = (

𝐾𝑂/𝑊 𝛽 )

1+ 𝐾𝑂/𝑊𝛽 × 100% (1.1)

Dependendo do KO/W ou polaridade, os analitos são extraídos em maior ou menor

extensão. De um modo geral, a SBSE é considerada uma técnica mais vantajosa relativamente à SPME em termos de sensibilidade e precisão para determinação a nível vestigial, uma vez na primeira o volume de PDMS utilizado para revestir a barra ser muito superior o que proporciona uma menor relação de fase. Logo, de acordo com a equação 1.1, obtêm-se maiores recuperações e limites de deteção mais baixos. O volume de PDMS numa fibra de SPME é 0,5 μL, enquanto que em SBSE existem disponíveis barras com volumes compreendidos entre 26 e 126 μL, o que significa que nesta última técnica é teoricamente possível um aumento da capacidade extrativa e, consequentemente, um aumento da sensibilidade da técnica em cerca de 50 a 250 vezes. No entanto, a maior quantidade de PDMS traduz-se também em maiores tempos de extração para alcançar o equilíbrio, uma vez a extração ser controlada por difusão dos compostos da amostra para a fase extratante [2, 4, 6].

Na figura 1.3apresenta-se uma curva que relaciona a eficiência obtida por SBSE comparativamente à SPME em função do log KO/W, demonstrando que a primeira é bem

descrita pelos coeficientes, sendo a recuperação extrativa quantitativamente superior em idênticas condições experimentais. De acordo com a literatura, para analitos com valores de log KO/W superiores a 3, são normalmente obtidas recuperações quantitativas

(33)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 9

Figura 1.3 - Comparação da eficiência extrativa por SPME (PDMS: 0,5 μL) e SBSE (PDMS:

47 μL) em função do log KO/W, em idênticas condições experimentais [Adaptado de [1]].

Uma das principais limitações da SBSE é o facto da fase PDMS responder de forma ineficiente a analitos com log KO/W inferior a 3, ou seja, os compostos mais

polares. Neste sentido, novas estratégias têm vindo a ser propostas para superar esta desvantagem, nomeadamente, os ensaios em multi-modo, procedimentos de derivatização, novas fases poliméricas ou métodos alternativos baseados em sorção, nomeadamente, as técnicas de micro-extração adsortiva (AμE), sendo por isso mesmo complementares [4, 11].

1.2.3 Micro-extração adsortiva em barra (BAμE)

Por forma a ultrapassar as limitações da técnica SBSE (PDMS), nomeadamente, a limitada sorção dos analitos polares, foram propostas as técnicas AμE [11]. Esta metodologia utiliza carvões ativados e materiais poliméricos entre outros como fases sorventes no qual a superfície apresenta características mais adequadas para extrair os solutos mais polares.

Utiliza dispositivos com recurso a tecnologias próprias para fixação de sorventes adequados a substratos, com a configuração geométrica em forma de barra cilíndrica (BAµE) que são colocados na amostra sob agitação com recurso a uma barra magnética convencional de Teflon. Sendo o dispositivo contendo o material sorvente menos denso

(34)

Introdução

10 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

que a água, durante o processo de enriquecimento a barra de extração mantém-se suspensa e em equilíbrio abaixo do vortex formado pelo movimento da agitação, utilizando assim, a tecnologia de amostragem por flutuação [13, 14]. A figura 1.4 ilustra a representação esquemática do comportamento do dispositivo durante o processo de micro-extração.

Figura 1.4 – Representação esquemática da BAμE operando no modo de amostragem por

flutuação [Adaptado de [13]].

1.3

Amostragem por flutuação

Como é de conhecimento geral, os compostos polares são facilmente adsorvidos em materiais sólidos contendo estrutura de poros com locais ativos adequados, nos quais ocorre interações eletrostáticas e/ou de natureza dispersiva [13]. Neste sentido, como referido anteriormente, foram propostas técnicas de AμE que representam potenciais alternativas para monitorizar uma vasta gama de compostos polares em matrizes reais, ultrapassando assim, as limitações da SBSE(PDMS) [11].

Estas técnicas utilizam a tecnologia de amostragem por flutuação, mostrando um grande desempenho e reprodutibilidade. É um novo conceito de enriquecimento baseado no uso de um dispositivo analítico em simultâneo com uma barra de agitação magnética. O dispositivo com a fase extratante sendo menos denso que a água encontra-se em flutuação durante o processo de extração. Durante este processo estático, os analitos migram por difusão da amostra para a fase sorvente onde ficam retidos.

(35)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 11

Uma grande vantagem desta tecnologia é o facto de evitar o contacto direto do μ-coletor com as paredes do frasco de amostra, minimizando assim a degradação mecânica dos sorventes aumentando o seu tempo de vida. São técnicas de baixo custo e mais fáceis de trabalhar, e permitem a possibilidade de se escolher a fase sorvente mais adequada ao tipo de compostos em estudo [4].

Existem vários materiais comercialmente disponíveis que se utilizam como fases sorventes nestas técnicas, nomeadamente, carvões ativados, alumina, sílica, poliestireno-divinilbenzeno, entre outros mais. Recentemente, as espumas de PU foram igualmente propostas como fases poliméricas, mostrando grande estabilidade térmica (260 ˚C) e uma excelente resistência mecânica para solventes orgânicos [4, 15].

1.4

Espumas de PU

O poliuretano (PU) foi descrito pela primeira vez por Otto Bayer em 1937 quando estudou a reação entre diisocianatos e álcoois disfuncionais. No entanto, o uso deste polímero como sorvente de várias espécies orgânicas e inorgânicas foi proposto apenas em 1970. Desde então, o PU tem sido utilizado em muitas técnicas de separação [17].

As espumas de PU são obtidas a partir da reação entre um isocianato e um poliol (figura 1.5), que forma ligações uretano, e outro tipo de reagentes como agentes de expansão, catalisadores e surfatantes. O isocianato pode ser aromático ou alifático e o poliol pode ser poliéter ou poliéster [18, 19].

(36)

Introdução

12 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

Um dos processos fundamentais na formação da espuma de PU é a sua expansão, que resulta essencialmente da formação ou introdução de um gás no seio da mistura reacional. Este processo conduz ao aumento do volume global da espuma, com paragem de crescimento quando a pressão interior nas células iguala à tensão resistente das paredes das células da espuma [16].

Dependendo dos requisitos de fabricação do PU, a espuma pode ser muito macro-porosa com uma estrutura de célula aberta e subsequentemente flexível, transmitindo baixas propriedades mecânicas, ou pode ser micro-porosa com estrutura de células fechadas e subsequentemente rígidas, transmitindo melhores propriedades mecânicas [20].

As suas propriedades podem ser determinadas pela escolha do poliol e do isocianato, logo, a sua densidade e dureza podem variar consoante a aplicação desejada, tornando este material muito atrativo para fases poliméricas. Para uma espuma de menor densidade utiliza-se maior quantidade de isocianato e água, de modo a obter uma estrutura celular mais aberta [16].

As espumas de PU podem ser consideradas sorventes adequados para a retenção de substâncias químicas, pois apresentam excelente resistência química e térmica. Além disso, são baratas e encontram-se facilmente no mercado. Estas espumas são capazes de reter diferentes classes de substâncias devido à presença de grupos polares e apolares na sua estrutura [21].

Embora as espumas de PU sejam materiais com uma grande variedade de aplicações, as mais importantes são na indústria mobiliária, na construção civil (isolamento térmicos, elétrico e acústico), indústria automóvel, do calçado e aerospacial, colchões e filtros em equipamentos de ar condicionado [22, 23].

Do ponto de vista analítico os PUs têm vindo igualmente a ser aplicados quer na análise em fase gasosa quer líquida [24, 25], apresentando para além das características sortivas, propriedades mecânicas muito interessantes, e de densidade para ser usado em amostragem por flutuação.

(37)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 13

1.4.1 Aplicação dos PU em micro-extração

Os sorventes poliméricos, nomeadamente, as espumas de PU, apresentam estruturas porosas fornecendo grande área superficial que pode melhorar a eficiência da extração, onde os mecanismos de retenção podem ocorrer quer por adsorção quer por fase reversa [4]. Além disso, devido às suas excelentes propriedades sortivas e mecânicas, os PUs tornaram-se uma nova fase para métodos baseados em sorção [15].

Uma boa vantagem deste material é que pode ser facilmente obtido com diferentes características físico-químicas para cada tipo de aplicação [24, 26]. Outra vantagem do PU é a possibilidade de reter sólidos na sua estrutura [15, 27] de células abertas. Além de sólidos também tem capacidade de reter líquidos na sua matriz tornando simultaneamente possível quer a sorção quer a dessorção dos analitos durante os passos de extração e retro-extração, respetivamente. Ao reter os líquidos a espuma expande e aumenta ainda mais o tamanho das suas células, incrementando a sua capacidade extrativa. No caso de ensaios de extração em matrizes aquosas, o solvente deverá ser imiscível com a água no sentido de não se misturarem e não ocorram perdas.

A densidade é igualmente uma propriedade importante. Uma espuma com menor densidade, ou seja, com células maiores, irá flutuar mais facilmente e manter-se suspensa e em equilíbrio abaixo do vortex formado pelo movimento da agitação, durante o processo de enriquecimento [13, 24], aumentando a sua capacidade de extração. As propriedades mecânicas e elásticas dos PUs são outras características importantes, uma vez que durante o processo de retro-extração, permitem um melhor manuseamento e compressão da espuma devido à sua flexibilidade.

Em suma, o uso de espumas de PU como fases poliméricas torna as técnicas de micro-extracção estáticas ainda mais abrangentes e eficazes, uma vez que funcionam como fase de sorção-adsorção. Além disso, são materiais muito resistentes e regeneráveis, sendo adequados para diversos tipos de matrizes em análise vestigial [4, 24, 28].

(38)

Introdução

14 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

1.5

Técnicas Cromatográficas

1.5.1 Breve história

A palavra cromatografia tem origem no termo grego “chroma+graphein” que significa escrita da cor. É um método contemporâneo que ganhou importância por volta de 1903, com o botânico russo Mikhail Tswett. Este desenvolveu vários trabalhos experimentais no domínio da separação de extratos de plantas por adsorção diferencial em colunas, usando carbonato de cálcio como fase estacionária e di-sulfureto de carbono como eluente, tendo verificado a nítida separação de diversos pigmentos corados. Mais tarde, este investigador foi considerado o pai da cromatografia devido à sua valiosa contribuição no desenvolvimento destas técnicas [29].

Depois de Tswett, vários cientistas contribuíram para o avanço quer teórico quer prático da cromatografia, tendo sido atribuídos doze prémios Nobel entre 1937 e 1972, onde as técnicas cromatográficas provaram ter desempenhado um papel importante e fundamental, tornando-se a técnica de separação mais importante do século XX. Para a história da cromatografia destacam-se ainda vários nomes de outros cientistas notáveis tais como, Izmailov, Schraiber, Stahl, Martin, Synge, etc. Estima-se, atualmente, que mais de 50 % das análises efetuadas em todo o mundo recorram a técnicas cromatográficas [30].

1.5.2 Noções teóricas

A cromatografia é uma técnica de separação baseada na distribuição dos componentes de uma mistura entre uma fase móvel, líquida ou gasosa, e uma fase estacionária que pode ser sólida ou líquida.

Sendo a cromatografia um processo dinâmico, diversos fenómenos físico-químicos ocorrem simultaneamente, nomeadamente, a interação do analito com a fase móvel e a fase estacionária, sendo condicionada pela natureza do processo de

(39)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 15

distribuição envolvido, a influência de diversos parâmetros experimentais, e cinética de transferência de massa.

A fase móvel e a fase estacionária são escolhidas de modo a que todos os componentes da amostra se distribuam entre ambas com diferentes afinidades, ou seja, têm em conta as propriedades de todas as partes envolvidas no processo e que vão permitir a separação. A separação dos analitos na coluna cromatográfica depende do grau de interação com ambas as fases. Esta pode ser definida pelo coeficiente de distribuição de analitos entre as fases e define-se pela transferência de massa que ocorre entre ambas. Assim, para um dado analito (A) temos o equilíbrio entre a fase móvel e a fase estacionária, que nos dá o coeficiente de distribuição (K) de analitos, de acordo com a seguinte expressão:

𝐾 = [𝐴]𝑆

[𝐴]𝑀 (1.2)

Onde [A]S é a concentração do analito A na fase estacionária e [A]M é a

concentração do analito A na fase móvel. Neste sentido, quanto maior for o valor de [A]S, maior será o valor do K, o que significa que há maior interação com a fase

estacionária. Os analitos com um valor de K elevado mover-se-ão mais lentamente ao longo da coluna, podendo assim ser separados dos componentes com um valor de K mais baixo.

As moléculas de soluto transportadas pela fase móvel têm tempos de retenção diferentes de acordo com os respetivos graus de adsorção na fase estacionária. O tempo de retenção, tR, é o tempo que um dado analito demora a percorrer todo o trajeto da

coluna desde o injetor ao detetor podendo ser calculado através da expressão:

𝑡𝑅 = 𝑡𝑅′ + 𝑡𝑀 (1.3) Onde tR’ é o tempo de retenção ajustado ou o tempo que depende na fase

estacionária, e tM é o tempo morto ou o tempo que depende da fase móvel que se define

pelo tempo em que qualquer espécie não tenha nenhum tipo de interação com a fase estacionária. A figura 1.6 exemplifica um cromatograma típico, registo do sinal em função do tempo, reproduzindo os conceitos descritos.

(40)

Introdução

16 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

Figura 1.6 - Ilustração representativa do tM e tR num cromatograma. [Adaptado de [30]].

Os componentes que apresentam elevada interação com a fase estacionária, ou seja, tR elevado, deslocam-se mais lentamente com o fluxo da fase móvel. De outro

modo, os componentes com baixa interação com a fase estacionária, ou seja, tR baixo,

deslocam-se rapidamente com a fase móvel. O tempo que o analito permanece na fase estacionária em relação à fase móvel é relacionado pelo fator de capacidade, k’, sendo definido por:

𝑘′=𝑡𝑅′

𝑡𝑀 (1.4)

Para baixos valores de k’ os componentes são pouco retidos pela fase estacionária da coluna, enquanto que, para valores elevados de k’, os componentes da mistura são fortemente retidos, originando tempos de retenção elevados.

Outros dois parâmetros importantes são a seletividade, α, e a eficiência da coluna cromatográfica, N. A seletividade, α, entre dois analitos (A e B) adjacentes é definida por:

𝛼 =𝑘𝐵′

𝑘𝐴′ =

𝑡𝑅(𝐵)−𝑡𝑀

𝑡𝑅(𝐴)−𝑡𝑀 (1.5)

Onde kA’ é o fator de capacidade do pico que elui mais cedo e kB’ é o fator de

capacidade do pico que elui mais tarde, ou seja, que está mais retido. Se α tiver um valor igual à unidade significa que os dois compostos não se separam, logo, não há seletividade. Para garantir que haja seletividade, ou seja, que os compostos se separam completamente, o valor de α tem que ser superior à unidade.

Tempo de retenção (min)

Sinal d

o dete

tor

(41)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 17

A eficiência da coluna define-se teoricamente pela capacidade de eluição com o mínimo de dispersão do analito. Mas esta é frequentemente expressa pelo conceito abstrato de “altura equivalente a um prato teórico”, H, ou pelo número de pratos teóricos, N, de uma dada coluna, de acordo com a teoria desenvolvida por Martin e Synge, e pode ser definida pela expressão:

𝑁 =𝐻𝐿 (1.6)

Sendo L o comprimento da coluna.

Considerando que o pico cromatográfico representa uma distribuição aproximadamente gaussiana, N pode ser definido por:

𝑁 = 16 × (𝑡𝑅 𝑊) 2 (1.7) ou 𝑁 = 5,54 × ( 𝑡𝑅 𝑊1 2 ⁄ ) 2 (1.8)

Sendo W a largura na base do pico e W1/2 a largura do pico a meia altura. A

expressão (1.7) é utilizada para picos simétricos e a expressão (1.8) é aplicada para picos assimétricos.

N é um parâmetro importante para avaliar a eficiência de uma coluna cromatográfica. Se N tiver um valor elevado, significa que os picos obtidos são mais finos, logo, há maior eficiência, e portanto melhores separações, podendo estar perante alta resolução.

O objetivo da cromatografia é a separação de componentes de uma amostra em tempo razoável e com obtenção de picos ou bandas resolvidas. A resolução, RS, traduz o

nível de separação entre duas bandas adjacentes em tempo analítico aceitável. Permite afirmar se dois componentes adjacentes são ou não completamente separados por uma coluna cromatográfica e depende de três fatores independentes, nomeadamente, seletividade, α, fator de capacidade, k’, e a eficiência, N. O cálculo da RS para dois

(42)

Introdução

18 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

𝑅𝑆 = √𝑁4 ×(𝛼−1)𝛼 × 𝑘𝐵′

𝑘𝐵′+1 (1.19)

Para que ocorram separações completas entre duas bandas adjacentes, a RS tem

que ser igual ou superior a 1,5[31-34].

1.5.3 Cromatografia em fase gasosa (GC)

O conceito de cromatografia em fase gasosa (GC), nomeadamente, cromatografia gás-líquido (GLC) foi anunciado, primeiramente, em 1941 por Martin e Synge, que também foram os responsáveis pelo desenvolvimento da cromatografia de partição. O primeiro aparelho comercial para GC apareceu em 1955. Desde essa altura, o crescimento em aplicações desta técnica tem sido enorme [30].

Os principais componentes de um cromatógrafo gasoso são o sistema de injeção, a coluna cromatográfica inserida num forno, o detetor e o sistema de aquisição e tratamento de dados (figura 1.7).

Figura 1.7 - Esquema simplificado de um sistema de GC convencional.

Garrafa do gás de arraste Injetor Coluna e Forno Sistema de aquisição de dados Detetor

(43)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 19

O gás de arraste deve ser puro e quimicamente inerte, podendo ser utilizado normalmente hélio, hidrogénio ou azoto. Este vai transportar a amostra ao longo da coluna sem interagir com a mesma. Para colunas empacotadas o fluxo de gás de arraste encontra-se compreendido entre 25 e 150 mL.min-1, enquanto que para colunas capilares se situa entre 1 e 25 mL.min-1 [31].

O método mais comum de injeção envolve uma micro-seringa que injeta a amostra através de um septo para uma câmara de vaporização localizada no topo da coluna [32].

Existem diversos tipos de sistemas de injeção, sendo que os mais utilizados operam frequentemente por vaporização isotérmica com ou sem repartição de fluxo (“split/splitless”) ou sob vaporização com temperatura programada (PTV). Na injeção no modo “split”, a amostra, imediatamente após a introdução e vaporização no injetor, é repartida em duas frações, entrando a mais pequena para a coluna e a maior eliminada através de uma válvula. A forma como a amostra é dividida pode ser determinada através da relação entre a quantidade de gás de arraste que deixa o injetor pela válvula de “split” e o fluxo na coluna (razão de “split”). Na injeção no modo “splitless” toda a amostra injetada é introduzida na coluna, o que a torna apropriada para análise vestigial de amostras complexas.

O modo de injeção PTV oferece uma maior sensibilidade analítica devido à possibilidade de injeções de grandes volumes (LVI) de amostra, tornando assim este modo de introdução decisivo em análise vestigial. A amostra é injetada num injetor frio (normalmente 10-40 ˚C abaixo do ponto de ebulição do solvente), sendo o arrefecimento do “liner” efetuado por ar comprimido ou azoto líquido. Durante a injeção e após a eliminação do solvente (“solvent vent”), a amostra fica retida no “liner”, sendo o injetor posteriormente aquecido e os analitos transferidos para a coluna cromatográfica, onde são separados.

Existem dois tipos de colunas para GC, nomeadamente, colunas de empacotamento e colunas capilares sendo atualmente as últimas as mais utilizadas porque oferecem maior resolução e eficiência.As colunas capilares são constituídas por um tubo de sílica fundida, com revestimento exterior em poliimida, sendo a parede interna revestida pela fase estacionária. As fases estacionárias mais comuns são revestidas por polisiloxanos, uma vez este tipo de polímeros serem considerados mais

(44)

Introdução

20 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

resistentes e suportarem tempos de vida mais elevados. O tipo e a percentagem de grupos substituintes diferenciam cada fase e ditam as características de polaridade, sendo o polidimetilsiloxano (PDMS), com características apolares, a mais vulgar. As colunas capilares disponíveis comercialmente têm cerca de 5 a 100 m de comprimento, com diâmetros internos compreendidos entre 0,1 e 0,75 mm. A coluna encontra-se localizada num forno com temperatura programada que permite a separação dos vários compostos podendo esta separação desenvolver-se a temperatura constante (isotérmica) ou por gradiente de temperatura.

O detetor ideal para GC deve apresentar como características principais, o facto de poder proporcionar uma sensibilidade adequada, boa estabilidade e precisão e dar resposta linear numa gama alargada de concentrações para os analitos em estudo. Deve apresentar uma vasta gama de temperatura de funcionamento, ser de fácil utilização, o seu tempo de resposta deve ser reduzido e independente do fluxo. A sua resposta deve ser equivalente para todos os analitos ou em alternativa, uma resposta seletiva para determinadas classes de compostos. Atualmente existe uma grande variedade de detetores para GC, conforme as necessidades de aplicação pretendidas, dos quais se destacam o detetor de ionização de chama (FID), de condutividade térmica (TCD), de captura eletrónica (ECD) e de azoto-fósforo (NPD). A GC pode ainda ser associada a outras técnicas analíticas, assumindo especial relevo a espetrometria de massa (MS), com vantagens acrescidas em termos de identificação espetral, sensibilidade e seletividade [31, 33-35].

1.5.3.1 Cromatografia gasosa - espetrometria de massa (GC-MS)

A GC-MS é uma técnica hifenada que combina o poder de separação da cromatografia com a deteção seletiva e sensível da MS. É uma das técnicas mais utilizadas quer em estudos qualitativos quer quantitativos de compostos presentes numa grande diversidade de matrizes.

Os sistemas de MS são basicamente constituídos por sistema de introdução de amostra (“inlet”), interface, fonte de iões, analisador de massa, detetor de iões e sistema

(45)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 21

Sistema de injeção Interface / Fonte de iões Analisador de massa Detetor Sistema de aquisição de dados

para controlo e aquisição de dados (figura 1.8). A interface encontra-se antes da fonte de iões.

Figura 1.8 -Diagrama simplificado dos principais componentes de um espetrómetro de massa.

O analisador de massa mede a razão massa-carga (m/z) dos iões produzidos pela amostra.

Neste sistema, a amostra é introduzida no injetor do cromatógrafo gasoso, que após a separação dos componentes na coluna, os compostos eluídos entram na fonte de ionização onde são bombardeados por um feixe de eletrões, ocorrendo a sua ionização e posterior fragmentação. O conjunto de iões previamente formados é desviado e acelerado na direção do analisador de massa, por ação de um campo elétrico onde são separados de acordo com a razão massa/carga (m/z). Dado que cada composto sofre uma ionização e fragmentação características, o correspondente espetro de massa, que relaciona a intensidade dos iões com a razão m/z, oferece informação única e característica de cada composto, como uma “impressão digital”, a qual pode ser usada para o identificar.

Os analisadores de massa mais comuns são o quadropólo, a armadilha de iões (“ion trap”) e tempo de voo. Os iões separados são transferidos para o detetor, no qual a energia de colisão dos iões com a superfície do detetor é convertida num sinal elétrico. O sistema de deteção mais comum é o multiplicador de eletrões que apresenta um tempo de resposta rápido (da ordem dos nanosegundos), capaz de adquirir elevadas correntes, utilizando uma tensão de aceleração a fim de transformar a corrente iónica

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Introdução

22 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

numa corrente eletrónica suscetível de ser medida, originando um espetro da abundância em função da m/z.

A grande vantagem da utilização do acoplamento do MS a um sistema cromatográfico reside na sua capacidade em responder a todos os compostos orgânicos voláteis e semi-voláteis. Quando opera no modo de varrimento contínuo (“full-scan”) permite a identificação de compostos em amostras desconhecidas com recurso a bibliotecas espetrais de referência. Quando o objetivo reside na quantificação vestigial de compostos alvo, o modo monitorização selecionado de iões (SIM), permite elevada sensibilidade e seletividade, tornando-se numa ferramenta analítica muito poderosa [31, 33-35].

1.6

Objetivos

A presente dissertação tem como principal objetivo o desenvolvimento de um novo conceito de extração analítica no modo estático, designado por micro-extração em PU (PUμE), usando fungicidas como compostos modelo em matrizes aquosas, contemplando:

 Utilização de espumas de PU com geometria cilíndrica como fases poliméricas sorventes aproveitando as características de baixa densidade e consequente capacidade de flutuação, bem como as propriedades mecânicas, nomeadamente a flexibilidade e resistência;

 Aplicação da tecnologia de amostragem por flutuação com cilindros de PU embebidos em solventes orgânicos apropriados, com posterior dessorção com compressão mecânica seguida por análise LVI-GC-MS(SIM);

 Estudo do tipo e volume de solventes orgânicos de extração bem como volume do solvente de retro-extração e número de compressões;

 Otimização do método, validação e aplicação a matrizes reais de água e vinho.

(47)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 23

1.7

Referências

[1] – D. Barceló, M. Hennion, “Trace determination of pesticides and their degradation products in water”, Elsevier 2nd Ed. (2003).

[2] – C. Almeida, P. Rosário, P. Serôdio, J. M. F. Nogueira, “Novas perspectivas na preparação de amostras para análise cromatográfica”, Boletim da Sociedade Portuguesa de Química 95 (2004), 69-77.

[3] – R. Reeve, “Introduction to Environmental Analysis”, West Sussex: Wiley, England (2002).

[4] – J.M.F. Nogueira, “Novel sorption-based methodologies for static microextraction analysis: A review on SBSE and related techniques”, Analytica Chimica Acta 757 (2012) 1-10.

[5] – F. David, P. Sandra, “Stir bar sorptive extraction for trace analysis”, Journal of Chromatography A 1152 (2007) 54.

[6] – S. Mitra, “Sample preparation techniques in analytical chemistry”, EUA: Wiley (2003).

[7] – F. David, B. Tienpont, P. Sandra, “Stir bar sorptive extraction of trace organic compounds from aqueous matrices”, LC-GC Europe 16 (2003) 410.

[8] – E. Baltussen, P. Sandra, F. David, C. Cramers, “Stir bar sorptive extraction (SBSE), a novel extraction technique for aqueous sample: theory and principles”, J. Microcolumn Separations 11 (1999) 737.

[9] – J. R. Dean, “Extraction methods for environmental analysis”, John Wiley & Sons, Reino Unido (1998).

[10] – Supelco, “Solid phase microextraction: theory and optimization of conditions”, Bulletin 923 (1998).

[11] – N.R. Neng, A.R.M. Silva, J.M.F. Nogueira, “Adsorptive micro-extraction (AμE) techniques - novel analytical tools for trace levels of polar solutes in aqueous media”, Journal of Chromatography A 1217 (2010) 7303-7310.

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Introdução

24 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

[12] – P. Serôdio, J.M.F. Nogueira, “Multi-residue screening of endocrine disrupters chemicals in water samples by stir bar sorptive extraction-liquid desorption-capillary gas chromatography – mass spectrometry detection”, Analytica Chimica Acta 517 (2004) 21-32.

[13] – N.R. Neng, “Desenvolvimento de novas metodologias analíticas conducentes à monitorização de poluentes orgânicos prioritários em matrizes aquosas”, Tese de Doutoramento em Química, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (2011). [14] – N.R. Neng, A.S. Mestre, A.P. Carvalho, J.M.F. Nogueira, “Powdered activated carbons as effective phases for bar adsorptive micro-extraction (BAμE) to monitor levels of triazinic herbicides in environmental water matrices”, Talanta 83 (2011) 1643-1649.

[15] – N.R. Neng, M.L. Pinto, J. Pires, P.M. Marcos, J.M.F. Nogueira, “Development, optimisation and application of polyurethane foams as new polymeric phases for stir bar sorptive extraction”, Journal of Chromatography A 1171 (2007) 8-14.

[16] – J.S.S. de Melo, M.J. Moreno, H.D. Burrows, M.H. Gil, “Química de polímeros”, Imprensa da Universidade de Coimbra, Portugal (2004).

[17] – K. Rzeszutek, A. Chow, “Extraction of phenols using polyurethane membrane”, Talanta 46 (1998) 507-519.

[18] – W. Vilar – Química e Tecnologia dos Poliuretanos. Brasil. [Consultado a 18 de Junho de 2013]. Disponível em WWW: <URL: http://www.poliuretanos.com.br/> [19] – Sarier, E. Onder, “Thermal characteristics of polyurethane foams incorporated with phase change materials”, Thermochimica Acta 454 (2007) 90-98.

[20] – N.S. Parsons, M.H.W. Lam, S.E. Hamilton, F. Hui, “A preliminary investigation into the comparison of dissolution/digestion techniques for the chemical characterization of polyurethane foam” Science and Justice 50 (2010) 177-181.

[21] – E.E. Baldez, N.F. Robaina, R.J. Cassella, “Employment of polyurethane foam for the adsorption of Methylene Blue in aqueous medium” Journal of Hazardous Materials 159 (2008) 580-586.

(49)

Introdução

Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica 25

[22] – J.L. Rivera-Armenta, Th. Heinze, A.M. Mendoza-Martínez, “New polyurethane foams modified with cellulose derivatives” European Polymer Journal 40 (2004) 2803-2812.

[23] – T. Wang, L. Zhang, D. Li, J. Yin, S. Wu, Z. Mao, “Mechanical properties of polyurethane foams prepared from liquefied corn stover with PAPI”, Bioresource Technology 99 (2008) 2265-2268.

[24] – F.C.M. Portugal, M.L. Pinto, J.M.F. Nogueira, “Optimization of polyurethane foams for enhanced stir bar sorptive extraction of triazinic herbicides in water matrices”, Talanta 77 (2008) 765-773.

[25] – F.C.M. Portugal, M.L. Pinto, J. Pires, J.M.F. Nogueira, “Potentialities of polyurethane foams for trace level analysis of triazinic metabolites in water matrices by stir bar sorptive extraction”, Journal of Chromatography A 1217 (2010) 3707-3710. [26] – A.R.M. Silva, F.C.M. Portugal, J.M.F. Nogueira, “Advances in stir bar sorptive extraction for the determination of acidic pharmaceuticals in environmental water matrices. Comparison between polyurethane and polydimethylsiloxane polymeric phases”, Journal of Chromatography A 1209 (2008) 10-16.

[27] – M.L. Pinto, J. Pires, A.P. Carvalho, M.B. de Carvalho, J.C. Bordado, “Characterization of adsorbent materials supported on polyurethane foams by nitrogen and toluene adsorption”, Microporous and Mesoporous Materials 80 (2005) 253-262. [28] – I. Silva, “Aplicação de espumas de poliuretano como fases poliméricas inovadoras em técnicas analíticas de micro-extração”, Projeto Tecnológico I da Licenciatura em Química Tecnológica, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (2011).

[29] – J.M.F. Nogueira, “Mikhail S. Tswett: Um legado para a cromatografia moderna”, Boletim da Sociedade Portuguesa de Química, 100 (2006) 51-58.

[30] – L.S. Ettre, “Chromatography: the separation technique of the 20th century”, Chromatographia 51 (2000) 7-17.

[31] – D. Harvey, “Modern analytical chemistry”, McGraw-Hill Companies, Inc., International Edition, EUA (2000).

(50)

Introdução

26 Aplicação de espumas de poliuretano em técnicas de micro-extração analítica

[32] – A.R.M. Silva, “Desenvolvimento de novas metodologias analíticas para monitorização de PPCPs em matrizes reais”, Tese de Doutoramento em Química, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (2010).

[33] – D.C. Harris, “Quantitative Chemical Analysis”, 6ª ed. New York: W.H. Freeman (2003).

[34] – D.A. Skoog, F.J. Holler, S.R. Crouch, “Principles of instrumental analysis”, 6ª ed. Belmont: Thomson & Brooks/Cole (2007).

[35] – H.J. Hübschmann, “Handbook of GC/MS: fundamentals and applications”, 2ª ed. Alemanha: Wiley (2008).

(51)

Capítulo 2

(52)

Imagem

Figura  1.1  -  Exemplificação  esquemática  de  uma  seringa  de  SPME  durante  a  extração  e  dessorção do analito num sistema de GC [Adaptado de [10]]
Figura  1.4  –  Representação  esquemática  da  BAμE  operando  no  modo  de  amostragem  por  flutuação [Adaptado de [13]]
Figura 1.7  -  Esquema simplificado de um sistema de GC convencional.
Figura 2.2 - Representação esquemática (a) e em  imagem (b) de PUμE durante o processo de  micro-extração.
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Referências

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