Preparo de amostras para análise elementar aplicado a estudos agroambientais

Marina Colzato

1. Introdução

Para grande parte das técnicas analíticas, a amostra é introduzida no equipamento na forma líquida. Dessa forma, é necessária etapa de extração ou decomposição de amostras sólidas.

Por outro lado, esforços têm sido feitos no desenvolvimento e ampliação do uso de técnicas de análise direta de sólidos, tais como XRF e LIBS, dentre outras menos difundidas, como SS-GFAAS, LA-ICP-MS e LA-ICP OES. Para análise por essas técnicas, o preparo de amostras é muito simplificado.

É importante destacar que o planejamento experimental com a definição do problema analítico e a escolha da técnica de determinação precedem a escolha da estratégia de preparo de amostra.

O objetivo com este texto é sintetizar estratégias de preparo de amostras para análise elementar. Serão apresentados os fundamentos e algumas estratégias exemplificadas. Mais do que uma descrição exaustiva dos métodos, pretende-se apresentar a amplitude das estratégias.

2. Desenvolvimento das estratégias de preparo de amostras

O principal impulsionamento para desenvolvimento da química analítica é a demanda que vem de novos analitos ou da necessidade de medidas de concentrações cada vez mais baixas. Dessa forma, a evolução dos problemas analíticos, que foram se tornando cada vez mais complexos, exigiu também a evolução dos métodos, com pesquisa e treinamento adequados. Senise, em 1982, destaca o pepel da química analítica no aperfeiçoamento dos métodos para atendimento aos objetivos de cada pesquisa. O químico analítico deve ter conhecimento de diferentes abordagens para permitir escolha de uma solução eficiente para um problema, obtendo resultados confiáveis.

Dentro de muitas possibilidades de métodos desde os clássicos até os mais automatizados, é necessário dissuadir o ímpeto de comparar os métodos e classifica-los como melhor ou pior. O “melhor” método para cada caso, ou seja, o método adequado, é aquele que atende aos objetivos da análise.

3. Seleção de métodos para preparo de amostras

A definição do problema analítico para adequada seleção do método de preparo deve considerar, minimamente, as seguintes características:

Natureza da amostra: líquida/sólida; orgânica/inorgânica; homogênea/heterogênea etc.

Massa disponível: coleta única/disponibilidade de obter nova amostra; massa restrita (tecido de animal, pólen, solo da rizosfera)/sem restrição de massa (parte aérea de plantas, solo, fruta)

Concentração esperada: μg/kg ou menor (contaminantes); mg/kg (macro ou microtrutrientes); g/kg ou até % (composição de fertilizantes).

Em uma segunda etapa, é necessário fazer a escolha da técnica de determinação. A ordem de grandeza da concentração esperada do analito deve estar dentro da faixa de trabalho do equipamento. Por exemplo, análise por espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado é mais sensível (ng/L) que espectrometria de absorção atômica com chama (mg/L) ou espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (μg/L).

Deve-se avaliar também qual é o volume necessário para a determinação, ou da massa, no caso de uso de técnicas de análise direta de sólido. O preparo de amostra deve considerar a ordem de grandeza esperada do analito, levando em conta o fator de diluição inserido durante a etapa de preparo de amostra. Por exemplo, 1 g de amostra pode gerar um extrato de 100 mL, impondo um fator de diluição de 100 vezes.

Como exemplo, considere-se que houve incorporação inapropriada de resíduo de curtume em solo cultivado com cana-de-açúcar. Estratégias diferentes devem ser adotadas se o problema analítico for análise de teor total de cromo no colmo, ou no solo da rizosfera. O colmo tem natureza orgânica, enquanto o solo tem minerais como sua composição majoritária. A massa disponível de colmo não é limitante, por outro lado, o solo da rizosfera, muito próximo da raíz, tem massa limitada. A concentração esperada em ambos é dependente da concentração do Cr presente no resíduo e da taxa de transferência para o colmo, onde espera-se que seja mais baixa.

4. Preparo de amostra para análise elementar em solução

4.1. Conceitos fundamentais

Considerando que as técnicas instrumentais de análise elementar (FAAS, ICP OES, ICP-MS, estre outros) promovem quebras de ligações químicas antes da etapa analítica, é intuitivo que quanto mais livres os elementos, ou seja, quanto menos ligações ou interações restarem da matriz, mais eficiente será a medida. Assim, considera-se que o processo de digestão das amostras é aquele que promove reações químicas que modificam as espécies químicas da amostra.

Reconhece-se como um parâmetro de eficiência de digestão para amostras orgânicas é o RCC (%) – residual carbon content. (%RCC=(C_r/C₀)*100. Como critério geral, o RCC deve ser <10% para não ter dificuldades no processo de introdução da amostra.

A natureza das ligações que serão quebradas deve ser considerada para a escolha adequada do método. Os sólidos podem ser iônicos, moleculares, covalentes ou metálicos, requerendo procedimentos diferentes para decomposição.

Neste contexto, nota-se a complexidade de decomposição de solos, sedimentos e minérios, por exemplo, por se tratarem de misturas de sólidos com ligações de diferentes naturezas. Dessa forma, o uso de estratégias combinadas pode ser necessário.

Termodinamicamente, a dissolução ocorre quando a relação dos fatores entálpicos (∆H) e entrópicos (∆S) resultarem em energia livre de Gibbs (ΔG=ΔH-TΔS) dos produtos menor do que dos reagentes (∆G <0) e é favorecida com dissipação de energia ou dispersão da matéria, deslocando o equilíbrio segundo princípios de Le Chatelie. Como exemplos de estratégias para acelerar a reação temos a adição de um complexante do produto. Além disso, o aumento da temperatura (T) favorece a solubilização.

Para preparos que envolvem oxidação ou redução, o potencial de eletrodo (E) mede a tendência da ocorrência de reações redox, sendo que quando E>0, as reações são espontâneas com diminuição da energia livre de Gibbs, de acordo com ΔG=-nFE (n = número de elétrons envolvidos no processo e F é a constante de Faraday).

Considerando aspectos cinéticos, de acordo com a teoria das colisões, a frequência de colisões na solução e a velocidade das reações é diretamente proporcional a concentração dos reagentes, temperatura e é favorecida pela diminuição do tamanho de partícula ou aumento da área superficial. O excesso de reagentes (por exemplo, ácidos concentrados) na maior parte dos processos de preparo de amostras, baseia-se no aumento da frequência de colisões.

Equação de Arrhenius expressa tais aspectos e é dada por:

k = A e^-Ea/RT

Em que k é a constante de velocidade de reação, R é a constante universal dos gases, T é a temperatura e A é o fator de frequência de colisões e o fator exponencial corresponde a fração das espécies com energia superior a energia de ativação. É nesse fator que o uso de um catalizador tem influência, poque diminui a energia de ativação e, dessa forma, uma fração maior terá energia suficiente para a reação.

4.2. Estratégias exemplificadas para decomposição de amostras

Antes de iniciar o procedimento, de modo geral, as amostras são previamente secas em temperatura que não promova perda do analito. Para amostras agronômicas como solo e tecido vegetal, geralmente 60 ⁰C é adequada. A secagem feita até massa constante permite expressar os resultados em massa seca. Como alternativa, as amostras podem ser liofilizadas.

Moagem é recomendada para garantir a homogeneidade e representatividade da porção amostrada, além de aumentar a superfície de contato, o que favorece o fator cinético da reação. Para tanto, utilizam-se moinhos de impacto (martelo, criogênico) ou de corte (tipo Willey).

Os desafios principais no preparo de amostras são a decomposição ou extração incompleta, perda de analitos por volatilização (especialmente Hg, Sb, As, Sn e Se, que são voláteis na maior parte das formas químicas), contaminação, adsorção nas paredes dos frascos e formação de sólidos insolúveis.

A seguir, serão apresentados exemplos que empregam diferentes estratégias para análise elementar.

4.2.1. Frasco aberto – bloco digestor e chapa aquecedora

Os procedimentos de decomposição em frasco aberto promovem decomposição de amostras utilizando transferência condutiva de calor, utilizam chapas aquecedoras e blocos digestores e devem ser realizados em capela.

Apresentam como vantagem baixo custo e alta disponibilidade de equipamentos nos laboratórios. Como desvantagem, são demorados, não são adequadas para analitos voláteis e são sujeitos a erros por contaminação cruzada.

São muito usados em laboratórios de caracterização de solos, tecido vegetal e fertilizantes. O principal motivo são as referências normativas publicadas por instituições de referência, como MAPA – Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento e USEPA – agência de proteção ambiental dos estados Unidos.

Exemplo:

Digestão de solos, sedimentos e lodos pelo método 3050b do conjunto de métodos Solid Waste 846 da USEPA (agência de proteção ambiental dos Estados Unidos), utiliza peróxido de hidrogênio, ácido clorídrico e ácido nítrico. Realizada em chapa aquecedora ou bloco digestor.

O peróxido de hidrogênio tem a função de oxidar a matéria orgânica. O HCl apresenta ação despassivante e Cl^– é complexante para muitos elementos. O HNO₃ é usado como oxidante.

Este método e o 3051a (abordado no próximo item), são os recomendados para comparar resultados com os valores orientadores de qualidade de solo da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo)

Digestão de tecido vegetal pelo método da Embrapa com solução nitro-perclórica na proporção 2:1. Realizada em bloco digestor.

O ácido perclórico tem forte ação oxidante, tem elevada periculosidade e comercialização controlada. A mistura com ácido nítrico visa moderar a ação oxidante do ácido perclórico, reagindo com materiais facilmente oxidáveis, que poderiam reagir com o ácido perclórico de maneira perigosa.

4.2.2. Frasco fechado – aquecimento assistido por micro-ondas

Baseia-se no aquecimento gerado por migração iônica e rotação de dipolos quando as moléculas absorvem a radiação micro-ondas. Dessa forma, querer presença de íons e moléculas polares na solução. Os fornos disponíveis comercialmente apresentam variações como pressão máxima suportada, presença e tipo do dispositivo de alívio de pressão, forma de controle da temperatura, capacidade dos frascos em volume e número de frascos por batelada (variando de 1 a 40 frascos).

Sistema fechado tem como vantagens, em comparação com sistemas abertos:

– procedimento mais rápido (2 h aberto, 15 min fechado, por exemplo)

– é adequado para analitos voláteis

– tem maior eficiência da digestão porque permite uso de temperatura superior a temperatura de ebulição dos ácidos

– menor risco de contaminação

– menor consumo de reagentes.

Como desvantagem, podemos apontar o alto custo dos equipamentos, limitação para digerir massas elevadas e impossibilidade de decompor matrizes diferentes em um mesmo ciclo.

Medida de pressão previne explosões e aumenta segurança operacional. As medidas de temperatura podem ser usadas para regular a potência durante o processo.

A medição de temperatura e pressão é feita durante o ciclo. Alguns modelos tem sondas para medidas dentro do frasco reacional, ainda que em apenas um frasco do conjunto. Outros modelos, tem sensor de temperatura por infravermelho na base da cavidade do micro-ondas. Os frascos giram dentro da cavidade suportados por um carrossel. Com o sensor na base do equipamento, é feita a média da temperatura dos frascos. Por esse motivo, a distribuição dos frascos no carrossel deve ser simétrica e também deve ser feita uma batelada por matriz, porque matrizes diferentes, principalmente com teor de matéria orgânica muito distintos, aquecem em diferentes velocidades.

O aumento da pressão com aquecimento assistido por micro-ondas é mais gradual do que os condutivos, porque o frasco, os materiais dentro da cavidade e o gás são transparentes a radiação micro-ondas. Isso gera um gradiente de temperatura que resulta em condensação na parte do frasco acima da amostra, e que ajuda no controle da temperatura e pressão do processo.

O processo de regeneração do ácido nítrico em micro-ondas permite o uso do ácido nítrico diluído, por exemplo, 2 mol L^-1 preferencialmente ao concentrado (14 mol L^-1).

A regeneração ocorre na presença de O₂ (originado do peróxido de hidrogênio, por exemplo), de acordo com:

(CH₂)_n + 2HNO₃ –> CO₂ + 2 NO + 2 H₂O

2 NO + O₂ –> 2 NO₂

2 NO₂ + H₂O –> HNO₃ + HNO₂

2 HNO₂ –> H₂O + NO₂ + NO

Exemplo:

Digestão de tecido vegetal com 2 mL de peróxido, 2 mL de ácido nítrico e 5 mL de água ultrapura, em micro-ondas.

Outros exemplos de métodos de referência que utilizam digestão assistida por radiação micro-ondas:

Digestão ácida assistida por micro-ondas de matrizes silicatadas e orgânicas pelo método 3052 do SW 846 da EPA, que utiliza aquecimento com micro-ondas em um ciclo de apenas 15 minutos. Como reagentes, inclui ácido nítrico, ácido fluorídrico e peróxido de hidrogênio como alternativa.

O HF tem elevada periculosidade e é usado para decomposição de silicatos ou materiais de alta resistência química (Nd, Ti, Zr, W) – carbetos, nitretos, boretos. Como alternativa para não utilizar esse ácido por segurança operacional, pode-se usar o método de fusão.

O HNO₃ pode ser obtido com alta pureza com sub-boiling para que o extrato seja usado em técnicas que requerem baixos limites de quantificação, como ICP-MS. Como são mais caros, pode-se comprar o ácido com pureza analítica e destilar abaixo do ponto de ebulição do ácido em destiladores apropriados.

Outros métodos largamente utilizados são o 3051a, que é muito similar ao 3050b, mas utiliza frasco fechado, e o 3015a para amostra aquosas, que usa 45 mL de amostra e 5 mL de ácido.

– Digestão de fertilizantes para determinação de As, Cd, Cr, Pb e Hg segundo método 17318:2015 da International Organization for Standardization, que utiliza aquecimento com micro-ondas e ácido nítrico, sendo adequado para fertilizantes orgânicos e minerais.

4.2.3. Fusão

A estratégia de fusão é adotada para obter amostras líquidas ou sólidas e é baseada em reações redox. É adequada para materiais que não são dissolvidos em ácidos minerais concentrados à quente ou que formam soluções ácidas instáveis, como silicatos, minérios de Ti e Zr, e óxidos de Al, Si e W.

A amostra é misturada a um fundente (eletrólito ácido – para óxidos básicos ou carbonatos ou básico – para amostras ácidas) em uma proporção otimizada empiricamente. Essa mistura é colocada em um cadinho de níquel ou platina, aquecida em mufla e resfriada para solidificação. Para obter solução, pode-se solubilizar esse material em ácido diluído.

Exemplo:

Fusão alcalina de rocha finamente dividida com carbonato de sódio, que é o agente fundente mais comum. É um fundente básico utilizado para amostras silicatadas e outros compostos refratários, como rochas. Atua como fonte de O^2-, que é uma base de Lewis e solubiliza a sílica da seguinte forma:

CO₃^2- à CO₂ + O₂

SiO₂+ O^2- à SiO₃^2-

4.2.4. Combustão

Também conhecido como via seca, pode ser feita em sistema aberto ou fechado e é um método clássico para decomposição de materiais orgânicos. Converte carbono e hidrogênio em seus correspondentes produtos de oxidação, majoritariamente dióxido de carbono e água. Apresenta como vantagens:

a decomposição da matriz orgânica é praticamente completa;
as soluções resultantes apresentam baixa acidez, porque soluções diluídas são utilizadas;
podem ser decompostas massas de até 10 g;
matrizes orgânicas com elevada estabilidade podem ser decompostas;

Ocorrem reações exotérmicas, emissão de luz e formação de ondas de choque. A ignição é a etapa inicial e ocorre quando uma reação de oxidação é acelerada e os reagentes são rapidamente consumidos, sendo comum a emissão de luz e a reação continua até o consumo dos reagentes. Obtém-se resíduo orgânico na forma de cinza solúvel em solução diluída de ácido ou base.

Exemplo:

Decomposição de tecido vegetal por via seca segundo o método da Embrapa para análise de macro e micronutrientes. A amostra é colocada em um cadinho de porcelana e incinerada em forno tipo mufla elétrico a 500-550 ⁰C em atmosfera ambiente. O oxigênio da atmosfera atua como agente oxidante e o resíduo proveniente da queima é composto por óxidos de metais, sulfatos não voláteis, fosfatos, silicatos etc. O resíduo é recuperado em solução 1 mol L^-1 de ácido clorídrico ou nítrico.

5. Análise direta de sólido

Para técnicas que envolvem ablação com laser antes etapa de determinação, os sólidos são dispostos no equipamento na forma de pastilhas de 0,5 até 2 cm de diâmetro, tipicamente. O preparo de pastilhas é comum, utilizando aglutinantes opcionalmente e uma prensa hidráulica. Deve-se, no entanto, atentar para a distribuição do tamanho de partículas

O tamanho de partícula mais adequado para garantir a homogeneidade da matriz em estudo deve ser avaliada por meio do desvio padrão de medidas em diferentes áreas da pastilha, geralmente < 50 micrometros. A massa de amostra e a pressão utilizada na prensa deve ser padronizada entre as amostras para que não haja alteração na representatividade do volume amostrado. O preparo adequado minimiza variações significativas na densidade, porosidade e rugosidade das pastilhas.

Pode-se também utilizar o material diretamente, como uma semente ou uma folha. Nesse caso, a lavagem com água ou soluções é crítica porque pode haver gradiente da superfície para a parte mais interna da amostra.

Para análise de fluorescência de raios-x, a agregação em pastilha não é requisito, e as amostras podem ser colocadas desagregadas em suportes apropriados de material transparente aos raios-X.

6. Recomendações gerais

Para todas as metodologias de extração, existem uma tendência a miniaturização dos procedimentos para alinhamento com os preceitos da química analítica verde, que são:

Eliminação ou redução do uso de substâncias químicas (reagentes, solventes, preservantes, aditivos para ajuste de pH, entre outros)
Minimização do consumo de energia
Destinação adequada aos resíduos gerados
Redução de riscos ao operador

7. Considerações finais

Da mesma forma que se listam os requisitos para um método de determinação ser considerado adequado, são encontradas também diversas estratégias de preparo de amostra para análise elementar.

Espera-se o preparo de amostra seja, na medida do possível, eficiente, simples e rápido, que não danifique os materiais e equipamentos, que não tenha erros sistemáticos, seja seletivo, requeira mínima manipulação e ofereça segurança operacional. Devem ser considerados também frequência analítica, custo, segurança dos analistas e disponibilidade de equipamentos.

Nota-se também que o atendimento a referências normativas guia a escolha do método em muitas análises agroambientais.

A análise amostra certificada ou de referência é uma excelente ferramenta para definição da adequabilidade ao objetivo das medidas.

8. Bibliografia

ROCHA, Fábio Rodrigo Piovezani; NÓBREGA, Joaquim Araújo; KAMOGAWA, Marcos Yassuo. Fundamentos do preparo de amostras. In: Métodos de preparo de amostras para análise elementar[S.l: s.n.], p. 572 il, 2016.