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INTRODUÇÃO À ANÁLISE INSTRUMENTAL Mauro Aquiles La Scalea Analítica Instrumental INTERFACES DA QUÍMICA ANALÍTICA Jan Sima, Cult Stud of Sci Educ (2016) 11:1269–1273 A Química Analítica trata de métodos para a determinação da composição química das amostras. Análise Química = Química Analítica “A análise química é um conjunto de técnicas e manipulações destinadas a proporcionar o conhecimento da composição qualitativa e quantitativa de uma amostra, mediante métodos de rotina. A química analítica é um ramo da química, a ciência que persegue o objetivo de resolver os problemas de composição com operações de rotina.” A Química Analítica trata de métodos para a determinação da composição química das amostras. Identidade das espécies atômicas ou moleculares ou dos grupos funcionais presentes em uma amostra Informações numéricas relativas a um ou mais componentes de uma amostra Análise Química = Química Analítica ⊂ Métodos Qualitativos e Quantitativos De acordo com dimensão da informação exigida De acordo com a proposta De acordo com a técnica Com ou sem reação (bio)química Com ou sem separação De acordo com a participação humana - uma espécie - um grupo (família) de espécies - Análise quantitativa clássica - Análise quantitativa instrumental - manual - semi-automático - automático PRINCÍPIOS DA PRÁTICA ANALÍTICA ADEQUADO? ADEQUADO? ADEQUADO? ADEQUADO? ADEQUADO? DEFINIÇÃO DO PROBLEMA SOLUÇÃO DO PROBLEMA Não Não Não Não Não Coleta de Informações Seleção da técnica analítica ou método Aplicação da análise a amostras conhecidas e desconhecidas Análise de dados, interpretação e relatório dos resultados PROCESSO ANALÍTICO amostragem tratamento medida registro de sinal Estágios de uma análise quantitativa Etapas Exemplos de procedimentos 1. Amostragem Depende do tamanho e da natureza física da amostra 2. Preparação de uma amostra analítica Redução do tamanho das partículas, mistura para homogeneização, secagem, determinação do peso ou do volume da amostra 3. Dissolução da amostra Aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente, diluição 4. Remoção de interferentes Filtração, extração com solventes, separação cromatográfica 5. Medidas na amostra Padronização, calibração 6. Resultados Cálculo dos resultados analíticos 7. Apresentação dos resultados Impressão e arquivamento AMOSTRAGEM O sonho ideal para um Método Analítico O objetivo de qualquer análise é maximizar a recuperação do analito. Condições ideais: O analito está presente numa matriz sólida e é completamente solúvel em água Um método analítico que exija apenas soluções aquosas Ausência de interferentes Dissolução única do analito com análises sucessivas sem perda de amostra Classificação dos métodos analíticos Métodos clássicos Métodos instrumentais Métodos modernos de separação e determinação propriedades físicas Análise qualitativa Análise quantitativa - medidas volumétricas - medidas gravimétricas reações químicas Propriedades físicas e químicas empregadas em métodos instrumentais Propriedades características Métodos Instrumentais espectrofotometria e fotometria; espec. fotoacústica; espectroscopias de ressonância magnética; nuclear e de ressonância de spin eletrônico Absorção da radiação Emissão da radiação espectroscopia de emissão; fluorescência; fosforescência e luminescência turbidimetria; nefelometria; espectroscopia Raman Espalhamento da radiação refratometria; interferometria Refração da radiação Difração da radiação métodos de difração de raios X e de elétrons Rotação da radiação polarimetria; dispersão óptica rotatória; dicroísmo circular Potencial elétrico potenciometria; cronopotenciometria Carga elétrica coulometria Corrente elétrica amperometria; polarografia Resistência elétrica condutimetria Massa gravimetria (microbalança de cristal de quartzo) Relação massa/carga espectrometria de massa Velocidade de reação métodos cinéticos Características térmicas gravimetria e titulometria térmica; calorimetria diferencial exploratória; análise térmica diferencial e métodos de condutimetria térmica Radioatividade métodos de ativação e diluição de isótopos HISTÓRIA DO DESENVOLVIMENTO DOS INTRUMENTOS ANALÍTICOS Dispositivo experimental Protótipo Produção do instrumento A balança foi planejada na antiguidade, mas a 1ª. balança analítica de precisão com prato único só surgiu em 1947 O colorimetro de Duboscq foi proposto em 1854 (muito usado na 1ª. metade do sec. XX) O polarógrafo foi desenvolvido por Heyrovsky-Shikata em 1924 Beckman produziu comercialmente o 1º. pH-metro em meados dos anos 30 Instrumentos para IV e fluorescência de raio X surgiram entre os anos 30 - 50 Cromatógrafia a gás anos 50 e cromatógrafia líquida anos 60 A técnica de eletroforese iniciou-se nos anos 30, mas a eletroforese capilar desenvolveu-se no fim dos anos 80 Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS Método Instrumental – Início do século XX: • Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade, Potencial de eletrodo, Emissão ou absorção de luz, etc. • Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos de precipitação, extração e destilação. O crescimento dos métodos instrumentais de análise modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de computadores. 1980 1995 2000 Atual Anos 40 1969 Determination of pH was based on phenol red and chlorophenol red as color indicators Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS Extraction of lead ions in an electric field, across a supported liquid membrane and into acceptor solution. The latter contained iodide as lead indicator. Presence of lead was followed by yellow precipitate in the acceptor solution, and this was quantified with a smartphone based on RGB analysis. O que são Métodos INSTRUMENTAIS ? São métodos realizados em instrumentos. - Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos! Instrumentos simples.... O que são Métodos INSTRUMENTAIS ? São métodos realizados em instrumentos. - Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos! Ou complexos .... Métodos INSTRUMENTAIS Cada tipo de instrumento tem uma aplicação: - Distinta e limitada e ... - Possui vantagens e desvantagens. • Medidas de pH em soluções aquosas (não aquosas em alguns casos). Fornece informações a respeito da concentração de íons H3O+. • Baixo custo inicial e manutenção barata. Fácil de usar. • Caracterização de sólidos cristalinos. Fornece informações sobre a estrutura cristalina. • Custo inicial elevado e manutenção relativamente cara. FUNÇÃO DO INSTRUMENTO Traduzir a composição química em uma informação diretamente observável pelo operador. Os instrumentos transformam um sinal analítico que usualmente não é diretamente detectável ou entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser medido. O instrumento atua direta ou indiretamente como um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a amostra desconhecida em relação a um padrão. FUNÇÃO DO ANALISTA Ter conhecimento do que está realmente medindo! SISTEMAS AUTOMATIZADOS Redução de custos REPRODUTIBILIDADE VELOCIDADE análise em tempo real análise por batelada ausência de fadiga precisão nos tempos de medida FATOR HUMANO AUTOMATIZAÇÃO DISCRETOS FLUXO CONTÍNUO Operação Exemplos típicos Tipo de automação 1. Definição da amostra determinação do peso ou volume D 2. Preparação de amostras moagem, homogeneização, secagem D 3. Dissolução da amostra tratamento com solvente e diluição C, D aquecimento, queima, fusão D4. Separação precipitação e filtração D extração, diálise, cromatografia, eletroforese C, D 5. Medida determinação de absorbância, intensidade de emissão, potencial, corrente C, D titulação e pesagem D 6. Calibração medidas de padrões C, D 7. Redução de dados cálculo de resultados, análise de dados quanto à exatidão e precisão C, D 8. Apresentação de resultados saída numérica impressa ou em gráfico C, D D = discreto, C = fluxo contínuo SISTEMAS AUTOMATIZADOS Adição de padrão Ponto central Reconstituição da amostra 37 minutos Coluna: Chromolith RP-18e, 4,6x50 mm Fase móvel: tampão fosfato 100 mM pH 2,5/MeCN (85/15 v/v) Injeção: 5 mL Temperatura: 25OC Fluxo: 4 mL/min UV: 230 nm Tempo de análise: 1,2 min Amostra: Prilocaina 50 ppm, metilparaben 40 ppm e glicose (sol. Injetável) Métodos analíticos rápidos Determinação de prilocaína Métodos analíticos rápidos Análise anfetaminas Tampão tris-fosfato 118 mM pH 3,5 c/ b-ciclodextrina hidroxipropila 16 mM T=280C, U=25 kV Capilar: 64,5 cm Capilar: 32,5 cm Determinação de anfetaminas Seleção de um método analítico Conhecer os detalhes práticos das diversas técnicas e seus princípios teóricos. Definir claramente a natureza do problema analítico, respondendo às questões: • Que exatidão é necessária? • Qual é a quantidade de amostra disponível? • Qual é o intervalo de concentração do analito? • Que componentes da amostra causarão interferência? • Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra? • Quantas amostras serão analisadas? • Qual o tempo requerido para a análise? Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). S = f(C) Vtitulante S in a l a n a lí ti c o Curva de titulação potenciométrica Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). S = f(C) Vtitulante S in a l a n a lí ti c o Curva de titulação condutométrica ou espectrométrica Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). S = f(C) [Analito] S in a l a n a lí ti c o SA = mCA + Sbr Curva Analítica ERROS DE MEDIÇÃO ERROS GROSSEIROS SISTEMÁTICOS ALEATÓRIOS TEÓRICOS CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS PESSOAIS AMBIENTAIS INSTRUMENTAIS I N C E R T E Z A P R E C I S Ã O R E P R E S E N T A T I V I D A D E x ^ m X' ^ m’ – X Xi U N IV ER SO R EA L U N IV ER SO ID EA L VERDADE ABSOLUTA Resultado individual Média de n resultados (n < 30) Média de n resultados (n > 30) Valor dado como verdadeiro Média de ∞ resultados Valor verdadeiro Uma alíquota n alíquotas (n < 30) n alíquotas (n > 30) n alíquotas analisadas por vários labs. ∞ Alíquotas “Amostra” Quasi- população População Resultados Amostragem Estatística INCERTEZA E CONFIABILIDADE CONFIABILI- DADE REPRESENTA- TIVIDADE SE N SI B IL ID A D E SE LE TI V ID A D E P R EC IS Ã O A M O ST R A G EM CUSTO EFETIVO SEGURANÇA CONFORTO MINIMIZAR ANÁLISE MAIS E MELHOR INFORMAÇÃO Alvos Qualidade Propriedades Capital Básico Acessório Resultados Processo analítico EXPEDIÇÃO BOAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO Transferência Validação Desenvolvimento Aprovado ETAPAS BÁSICAS DE UM MÉTODO ANALÍTICO NO LAB O objetivo de uma validação é demonstrar que o método é apropriado para a finalidade pretendida, ou seja, a determinação qualitativa, semi- quantitativa e/ou quantitativa de fármacos e outras substâncias em produtos farmacêuticos ANVISA Resolução - RE nº 899, de 29 de maio de 2003 VALIDAÇÃO “Fazer a validação de um método analítico pode até ser tedioso, mas as conseqüências de não fazer pode significar perda de tempo, dinheiro e recursos” J. Mark Green Anal. Chem., 68, 305A (1996) VALIDAÇÃO Validação Exatidão Precisão Limite de detecção Limite de quantificação Especificidade Linearidade Faixa de concentração Robustez Sensibilidade Seletividade Parâmetros e Exigências para Validação PARÂMETRO USP ICH AOAC/ISSO/IUPAC ANVISA INMETRO Aplicabilidade X Seletividade/Especificidade X X X X X Linearidade X X X X X Exatidão X X X X X Precisão X X X X X Faixa ou Intervalo X X X X Limite de detecção X X X X X Limite de quantificação X X X X X Sensibilidade X X X Robustez X X X X Adequação ao propósito X Variação de matriz X Incerteza de medição X 41 Exemplos de Métodos que Exigem Documentação de Validação • Métodos de Separação – HPLC, GC, TLC, GC/MS, Eletroforese capilar. • Métodos Epectrométricos – UV-VIS, IV, IVP, AA, RMN, DR-X, MS. • Análise de partículas – Laser, Microscopias. • Métodos eletroanalíticos – voltametrias de pulso, amperometria. • Métodos Titrimétricos. • Métodos Automatizados/hifenizados – análise em fluxo, robóticos. EXATIDÃO E PRECISÃO Precisão: medida da reprodutibilidade de um resultado. Se uma grandeza for medida várias vezes e os valores forem muito próximos uns dos outros, a medida é precisa. Se os valores variarem muito, a medida não é precisa. Exatidão: refere-se a quão próximo um valor de uma medida está medida está do valor “real”. Se um padrão conhecido estiver disponível , a exatidão é o quão próximo o valor determinado está do valor padrão. EXATIDÃO E PRECISÃO Quatro são os métodos principais para o estudo da exatidão: uso de material de referência certificado (MRC), comparação do método proposto com um método de referência, uso de ensaios de recuperação na matriz, estudos colaborativos. I.C. César et al. / Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 48 (2008) 223–226 EXATIDÃO E PRECISÃO Teste de recuperação Solução estoque Soluções de fortificação Fortificação da amostra Menor nível de fortificação Maior nível de fortificação Nível médio de fortificação EXATIDÃO E PRECISÃO Teste de recuperação Rec % EXATIDÃO E PRECISÃO Desvio padrão = s Variança = s2 Desvio padrão relativo = 100s/ x (coef. de variação) A precisão (VARIABILIDADE) de um processo analítico é usualmente expresso como segue para uma série de medidas. • Pode ser considerado em 3 níveis: – Repetibilidade: uma medida de variabilidade sob as mesmas condições de operação entre replicatas (intra-assay precision). Mínimo de 9 determinações cobrindo uma faixa específica. – Precisão Intermediária: medidas intra-laboratoriais (diferentes dias, diferentes equipamentos, diferentes analistas (within-laboratory variations). – Reprodutibilidade: expressa a precisão entre laboratórios, também aplicado na transferência de método. EXATIDÃO E PRECISÃO Repetibilidade O intervalo de confiança deve ser registrado para cada tipo de precisão investigado. Média da medida EXATIDÃO E PRECISÃO Médias das medidas Reprodutibilidade Precisão intermediária RELAÇÃO ENTRE PRECISÃO E CONCENTRAÇÃO Conc . Analito (%) Razão analito Unidade CV% 100 1 100% 1,3 10 10-1 10% 2,8 1 10-2 1 % 2,7 0,1 10-3 0.1% 3,7 0,01 10-4 100 ppm 5.3 0,001 10-5 10 ppm 7,3 0,0001 10-6 1 ppm 11 0,00001 10-7 100 ppb 15 0,000001 10-8 10 ppb 21 0.0000001 10-9 1 ppb 30 RELAÇÃO ENTRE PRECISÃO E CONCENTRAÇÃO SELETIVIDADE E ESPECIFICIDADE – É a capacidade que o método possui de medir exatamente um composto em presença de outros componentes tais como impurezas, produtos de degradação e componentes da matriz. – O grau de interferência : • Ingredientes ativos •Excipientes • Impurezas (precursores de síntese, enantiomeros) • Produtos de degradação • Ingredientes do placebo SELETIVIDADE E ESPECIFICIDADE TESTE DE IDENTIFICAÇÃO Para análise qualitativa é necessário demonstrar a capacidade de seleção do método entre compostos com estruturas relacionadas que podem estar presentes. Isto deve ser confirmado pela obtenção de resultados positivos (preferivelmente em relação ao material de referência conhecido) em amostras contendo o fármaco, comparativamente com resultados negativos obtidos com amostras que não contém o fármaco, mas compostos estruturalmente semelhantes. TEOR Para análise quantitativa (teor) e análise de impurezas, a especificidade pode ser determinada pela comparação dos resultados obtidos de amostras (fármaco ou medicamento) contaminadas com quantidades apropriadas de impurezas ou excipientes e amostras não contaminadas, para demonstrar que o resultado do teste não é afetado por esses materiais. Quando a impureza ou o padrão do produto de degradação não estiverem disponíveis, pode-se comparar os resultados do teste das amostras contendo impurezas ou produtos de degradação com os resultados de um segundo procedimento bem caracterizado (por exemplo metodologia farmacopéica ou outro procedimento validado). Estas comparações devem incluir amostras armazenadas sob condições de estresse (por ex. luz, calor umidade, hidrólise ácida/básica, oxidação). SELETIVIDADE E ESPECIFICIDADE MÉTODOS CROMATOGRÁFICOS Em métodos cromatográficos, deve-se tomar as precauções necessárias para garantir a pureza dos picos cromatográficos. A utilização de testes de pureza de pico (por exemplo, com auxilio de detector de arranjo de fotodiodos ou espectrometria de massas) são interessantes para demonstrar que o pico cromatográfico é atribuído a um só componente. Cromatogramas com tempos de retenção e estruturas de: (1) arteannuin B (2) artemisitene (3) artemisinin (4) artemisinic acid (5) artemether (IS) LINEARIDADE S in a l a n a lí ti c o [Analito] y x Método dos mínimos quadrados: y = ax + b a coef. angular inclinação b coef. linear intercepto LINEARIDADE Método dos mínimos quadrados: y = ax + b Interseção: b = Sxy + Sxx Inclinação: a = y + bx S in a l a n a lí ti c o [Analito] y x a b Sendo: Sxy = (x – x) (y – y) ou xy - nxy Sxx = (x – x) 2 ou x2 – n x 2 Critérios usuais de aceitação de uma curva linear r > 0.999; y-intercepto b < 0 a 5% de conc. estudada; resposta CV < 1.5-2% 5 10 15 20 25 30 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 S in a l A n a lí ti c o [Analito] Curva de calibração LINEARIDADE E CALIBRAÇÃO LINEARIDADE E ADIÇÃO DE PADRÃO Adição de padrão -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 1 2 3 4 5 6 7 S in a l a n a lí ti c o [Analito] LINEARIDADE E SENSIBILIDADE 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 S in a l a n a lí ti c o [Analito] Sensibilidade LIMITE DE DETECÇÃO E QUANTIFICAÇÃO noise Peak A LOD Peak B LOQ Baseline Limite de Quantificação (LOQ) Limite de Detecção (LOD) Razão Sinal/Ruído LIMITE DE DETECÇÃO E QUANTIFICAÇÃO • LOD: A menor concentração de um analito numa amostra que pode ser dectetada, mas não necessariamente determinada. Expressado como concentração a uma específica relação sinal:ruído (3:1) LOD = 3b/a • LOQ: A menor concentração de um analito numa amostra que pode ser determinada com precisão e exatidão aceitáveis nas condições experimentais estabelecidas, mas não necessariamente determinada. LOQ = 10b/a Expresso como concentração de analito LIMITE DE DETECÇÃO E QUANTIFICAÇÃO 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 S in a l a n a lí ti c o [Analito] Sensibilidade Intercepto LOD LOQ LINEARIDADE E INTERVALO O intervalo especificado é a faixa entre os limites de quantificação superior e inferior de um método analítico. Normalmente é derivado do estudo de linearidade e depende da aplicação pretendida do método. É estabelecido pela confirmação de que o método apresenta exatidão, precisão e linearidade adequados quando aplicados a amostras contendo quantidades de substâncias dentro do intervalo especificado. LINEARIDADE E INTERVALO 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 S in a l a n a lí ti c o [Analito] Sensibilidade Intercepto LOD LOQ Linearidade Intervalo ROBUSTEZ (Ruggedness) • Ruggedness – Grau de reprodutibilidade dos resultados sob diferentes condições • Analistas diferentes • Laboratórios diferentes • Instrumentos diferentes • Reagentes diferentes • Dias diferentes • Etc. – Expresso como %CV ROBUSTEZ (Robustness) A robustez de um método analítico é a medida de sua capacidade em resistir a pequenas e deliberadas variações dos parâmetros analíticos. Indica sua confiança durante o uso normal. Solutos podem se decompor durante preparação da amostra, extração, limpeza, transferência e estocagem (refrigeração ou amostragem automática). O desenvolvimento do método deve investigar a estabilidade de analitos e padrões. Estabilidade do sistema Estabilidade das amostras em solução de medida. Medidas de tendência (desvios) em resultados gerados durante intervalo de tempo prédeterminado: 1 – 48 houras usando amostra simples As análises devem ser feitas em replicatas. Considera-se apropriado se o CV calculado for menor que 2,0% dos valores correspondentes ao sistema de precisão. ESTABILIDADE DE SOLUÇÕES ANALÍTICAS
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