aula-introdutoria-renata-19-03-2019

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INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS
INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE
Profa. Renata Luz
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Instituto de Ciência Exatas
Departamento de Química
Química Analítica Qualitativa 
A química analítica é uma ciência metrológica que busca 
desenvolver, otimizar e aplicar ferramentas analíticas para 
obter informações a respeito da composição química, 
bioquímica e da estrutura da matéria, visando a resolução de 
problemas científicos, técnicos, econômicos e sociais. 
Química Analítica
Química Analítica
Análise
Quantitativa
Análise
Estrutural
Análise
Qualitativa
Análise Qualitativa
 Tem como objetivo a identificação do analito na amostra:
 íons
 moléculas
 espécies atômicas
 grupos funcionais 
Origina uma resposta binária: sim/não. 
 A incerteza é dependente do método ou da técnica adotada.
Exemplos: identificação de íons metálicos em uma amostra, 
hidrocarbonetos aromáticos na atmosfera, pesticidas em alimentos, 
drogas no sangue, etc. 
Análise Quantitativa
 Tem como objetivo determinar a quantidade de um analito em uma 
porção do material (amostra):
 íons
 moléculas
 espécies atômicas
 grupos funcionais 
 Origina uma resposta numérica.
A incerteza dessa resposta está implicitamente relacionada às 
incertezas de todas as etapas adotadas durante o procedimento 
experimental.
Análise Estrutural
 Tem como objetivo principal estabelecer a estrutura de uma 
espécie química ou bioquímica.
A informação pode-se referir a uma substância pura (ex. proteína) 
ou no conjunto (ex. distribuição espacial dos componentes em 
uma amostra).
Análise
qualitativa
Análise
quantitativa
Análise
estrutural
Métodos
Analíticos Clássicos
Métodos
Analíticos Instrumentais
Métodos Analíticos Clássicos
 Os métodos clássicos surgiram nos primeiros anos da química. Ou seja, 
após o desenvolvimento de métodos de separação (precipitação, destilação 
e extração), conseguiu-se isolar o analito, que era então tratado com 
reagente, gerando um produto de reação que poderia ser identificado 
qualitativamente ou quantitavamente.
 Os métodos clássicos apresentam três características importantes 
relacionadas à obtenção das informações qualitativas e quantitativas:
 uso dos sentidos (mudança de cor e cheiro)
 uso de balança (gravimetria) e bureta (volumetria) 
 emprego de reações químicas como operações prévias 
fundamentais do procedimento analítico
Métodos Analíticos Instrumentais
 Os métodos instrumentais apresentam como característica principal a obtenção das 
informações por meio de instrumentos, diferentes aos utilizados nas análises clássicas:
 Técnicas Ópticas: Espectrofotometria molecular (absorção e emissão), 
Espectrometria atômica (absorção e emissão)
 Técnicas Eletroanalíticas: Condutometria, Potenciometria, Polarografia, 
Coulometria, Voltametria
 Técnicas Magnéticas: Espectrometria de massas, Ressonância magnética nuclear
 Técnicas Térmicas: Análise térmica diferencial, Termogravimetria
 Técnicas Radioquímicas: Análise por ativação neutrônica
Introdução à Análise Instrumentais
Classificação INSTRUMENTAIS
Baseados em propriedades físicas 
(químicas em alguns casos)
Eletroanalítico
Espectrométrico
Cromatográfico
Propriedades 
elétricas
Propriedades 
ópticas
Empregados na separação 
de compostos
A análise Instrumental
São tipos de análises realizadas em instrumentos (equipamentos) por analistas 
que conhecem as características e funcionamento dos mesmos
Principais características dos Instrumentos:
-Vantagem de utilizar pouca amostra e pouco reagente, permitindo mais
repetições;
-Cada instrumento tem uma aplicação relacionada ao tipo de amostra e no tipo
de resultado que se quer obter;
-Cada instrumento possui vantagens e desvantagens.
Introdução à Análise Instrumentais
Seleção do Método
A seleção de um método é baseado na natureza do problema analítico:- O analito de 
interesse e suas características físico-químicas;
-A matriz analítica ao qual o analito encontra-se sorvido (água, solo, ar fluido
biológico, sedimento, planta, resíduos industriais, etc;
-Seu estado fisíco (sólido, liquido ou gasoso);
-necessidade de obtenção do resultado a custo, médio ou a longo prazo de tempo;
-Existência de método analítico desenvolvido e/ou validado que atenda aos limites
de detecção ou de quantificação exigidos;
-Possíveis interferências causadas pelos componentes da amostra;
-Custo por amostra.
Nem sempre o equipamento mais sofisticado é o que fornece resultado mais extato
Introdução à Análise Instrumentais
Características do Método
A confiabilidade dos resultados vai depender da resposta do instrumento à analise
que se quer realizar. Essa resposta depende de vários fatores como:
-Especificidade/seletividade;
-Sensibilidade;
-Exatidão;
-Precisão;
-Robustez;
-Limite de detecção;
-Limite de quantificação.
Introdução à Análise Instrumentais
Características do Método
-Especificidade capacidade do método em detectar o analito na presença de 
outros componentes da matriz ou impurezas. 
- Sensibilidade capacidade do método em distinguir , com determinado nível de 
confiança, duas concentrações próximas . A sensibilidade de um instrumento ou 
método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na 
concentração de um analito.
-Exatidão grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) 
e o valor de uma referência padrão.
-Precisão grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do 
mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma 
análise.
-Robustez é a medida da sua capacidade permenecer inalterado sob pequenas
variações nos parâmetros do método.
Introdução à Análise Instrumentais
Características do Método
Exemplo: Análise do pesticida X em amostras de morango
Especificidade e sensibilidade: diferenciação do pesticida x em meio a outros
compostos e capacidade de gerar sinal da substância de interesse em meio à outra
substância com concentração próxima.
Exatidão: comparação com materiais/análises de referência.
Precisão: repetição das medidas para analisar discrepância no método.
Robustez: varia os métodos de análise (parâmetros) para verificar se há alterações
significativas nos valores encontrados.
Introdução à Análise Instrumentais
Características do Método
-Limite de detecção é a menor concentração do analito que pode ser detectada, 
mas não necessariamente quantificada, sob condições experimentais estabelecidas
-Limite de quantificação é definido como a menor concentração do analito, que
pode ser quantificada na amostra, com exatidão e precisão aceitáveis, sob as 
condições experimentais adotadas.
Introdução à Análise Instrumentais
O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou 
químicas do analito em uma informação que pode ser manipulada e interpretada.
É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou 
nuclear) para provocar uma resposta.
Fonte de
Energia
Sistema em
Estudo
Informação
Analítica
Estímulo Resposta
Instrumentos para Análise
Passos gerais que devem ser seguidos para uma medida por análise instrumental
1- Amostragem – Escolha da parte e quantidade de material levado à análise. Deve-
se ter cuidado nessa etapa para que a amostra escolhida seja representativa do todo 
estudado.
2- Preparação– Procedimentos que tornam a amostra compatível com a análise. 
Exemplo: moagem, dissolução, extração, etc.
3- Geração de sinal – Registro da resposta de uma substância a um sinal imposto, 
como corrente elétrica,diferença de potencial e radiação eletromagnética.
4- Sistema de detecção – a informação gerada é detectada e traduzida para uma 
forma de saída útil que pode ser convertida e compreendida pelo analista.
Instrumentos para Análise
Exemplo:
Problema– Após a morte de três cervos em uma reserva florestal , investigadores 
resolveram investigar um possível envenenamento por arsênio, elemento presente em 
herbicidas
Amostragem– Os investigadores retiraram os rins dos cervos, que foram triturados e 
homogeneizados e selecionados aleatoriamente uma parte equivalente a 10 g.
Preparação– a amostra foi calcinada e o sólido resultante foi solubilizado em ácido 
clorídrico para separar as espécies de arsênio.
Geração de sinal – A análise se deu por espectrofotometria, na qual o analito (de cor 
vermelha) foi submetido à radiação eletromagnética e averiguada sua capacidade em 
absorver essa radiação.
Detecção – O espectrofotômetro na região do vísivel forneceu dados relativos à 
absorbância, que é proporcional à concentração das espécies de arsênio na amostra. 
Para transformar o valor de absorbância em concentração , utilizou-se uma curva de 
calibração.
Instrumentos para Análise
As análise instrumentais sempre vão gerar um sinal/resultado que é proporcional à
concentração do analito.
A calibração determina a relação entre a resposta analítica e a concentração do
analito, com o uso de padrões químicos
Curva de calibração - Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal
analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluções-padrão
(padrão externo). Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração.
Calibração dos métodos de Análise
Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma 
função da concentração do analito (atividade).
Vtitulante
S
in
al
 a
n
al
ít
ic
o
Curva de titulação potenciométrica
pH
S = f(C)
Calibração dos métodos de Análise
Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre 
uma função da concentração do analito (atividade).
Vtitulante
S
in
al
 a
n
al
ít
ic
o
Curva de titulação condutimétrica ou espectrométrica
K ou L,
A
S = f(C)
Calibração dos métodos de Análise
Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será sempre uma 
função da concentração do analito (atividade).
[Analito]
S
in
al
 a
n
al
ít
ic
o
SA = mCA + Sbr
Curva Analítica
A
E (V)
I (A)
R (W)
Etc...
S = f(C)
Calibração dos métodos de Análise
-Para a realização da calibração, vários padrões (pelo menos 5) que contém concentrações 
conhecidas do analito são introduzidas no instrumento e feita a leitura, sob as mesmas 
condições da amostra.
-Os padrões são considerados “externo” 
pois são preparados e analisados 
separadamente das amostras.
-Normalmente são utilizados soluções 
com concentrações crescentes do padrão 
do analito e correlacionando-se 
a resposta instrumental com a 
concentração, se obtêm uma curva de
calibração.
Calibração com Padrão Externo
-É desejável que a concentração da amostra deva estar dentro da faixa de 
concentração das soluções padrão.
-A leitura dos padrões é corrigida pelo valor da leitura de uma solução apenas da 
matriz da amostra, sem o analito de interesse (branco).
Vantagem: É uma técnica simples e se aplica a vários tipos de análise 
instrumental.
Desvantagem: Não leva em conta o efeito da matriz, ou seja, os interferentes que 
podem alterar o sinal analítico.
Calibração com Padrão Externo
Calibração com Padrão Externo
A curva linear é mais adequada , pois apresenta a mesma sensibilidade para toda a faixa 
de calibração. 
Os métodos dos mínimos quadrados é aplicado a uma curva de calibração a fim de 
se obter uma relação linear entre a resposta da medida do aparelho y e a concentração 
padrão do analito x.
Relação matemática – equação da reta: Y = ax + b
Onde b é o intercepto (valor de y quando x é igual a zero) e a é a inclinação da linha. 
Calibração com Padrão Externo
Cálculo x computador
Calibração com Padrão Externo
Exemplo: Quantificação do teor de Eugenol no óleo do cravo da índia
Calibração com Padrão Externo
Exemplo: Quantificação do teor de Eugenol no óleo do cravo da índia
R- coeficiente de correlação (linearidade do gráfico)
R = 1 correlação perfeita
0,91< R < 0,99 correlação fortíssima
Limitação da curva de calibração normal
- Quando se utiliza a curva de calibração normal, assumimos que qualquer diferença 
entre a matriz dos padrões e a matriz da amostra não afeta a inclinação da curva 
(sensibilidade)
-Um erro proporcional determinado é introduzido quando as diferenças entre as duas 
matrizes afetam a sensibilidade, como ilustrado na figura.
Calibração com Padrão Externo
Para se avaliar se as diferenças entre as inclinações
das curvas são significativas, pode se aplicar os testes 
estatísticos F e t.
Limitação da curva de calibração normal
- Quando o efeito de matriz é esperado e a matriz da amostra é conhecida, pode-se 
realizar uma curva por ajuste de matriz (matrix matching)
-Neste método de calibração, a matriz da amostra é adionada nos padrões de calibração 
de modo a se compatibilizar a matriz e minimizar os erros.
OBS: nem sempre se consegue realizar o ajuste de matriz, pois muitas vezes é difícil 
obter a matriz sem o analito.
Calibração com Padrão Externo
Calibração com Adição de Padrão Interno
- É uma forma de calibração muito utilizada quando se tem efeito de matriz e não é 
possível realizar o ajuste de matriz.
- Neste método de calibração, quantidades conhecidas do analito são adicionadas a 
balões contendo volumes fixos da amostra, branco e nos padrões de calibração da 
análise. Posteriormente, o volume do balão é completado com um diluente adequado 
(água, ácidos diluídos, solventes orgânicos, etc)
-Um padrão interno escolhido e empregado adequadamente pode compensar diversos 
tipos de erros.
-A calibração por esse método envolve a construção de uma curva que relaciona a razão 
entre o sinal do analito e o sinal do padrão interno em função da concentração do 
analito nos padrões.
Calibração com Adição de Padrão Interno
Exemplo do preparo de uma curva de calibração por adição de padrão
Calibração com Adição de Padrão Interno
Cuidados
-Deve-se ter uma ideia de concentração do analito na amostra para se definir a alíquota 
da amostra a ser tomada e as adições do padrão que serão realizadas.
-A faixa linear da técnica de medida deve ser respeitada, ou seja, a soma da 
concentração do analito na amostra e da adição do padrão no último ponto deve ser 
menos que limite da faixa linear.
Calibração com Adição de Padrão Interno
-Como a curva de calibração por adição de padrão é construída na amostra, ela não 
pode ser estendida para a análise de outras amostras. Desta forma, para cada amostra 
deve-se construir uma curva de calibração. Este fato dificulta a aplicação deste método 
de calibração para análises de rotina, onde um grande número de amostras precisa ser 
analisado.
-O método de adições de padrão pode ser utilizado para checar a validade da curva de 
calibração por padrões externos (avaliação do efeito de matriz).
-O sucesso da utilização dos métodos de calibração com padrões internos e de adições 
de padrão depende da habilidade do analista manusear amostras e padrões 
reprodutivelmente e da estabilidade do equipamento.
Calibração com Adição de Padrão Interno
-Quando o procedimento não pode ser controlado de forma que todas as amostras e 
padrões são tratados igualmente, a exatidão e precisão do método podem sercomprometidos.
-Nos casos onde o processo analítico não é reprodutível, a padronização é possível se o 
sinal do analito for referenciado ao sinal gerado por outra espécie que foi adionada em 
concentração fixa e conhecida em todos os padrões e amostras.
-A espécie adicionada é chamada de padrão interno e deve ser essencialmente diferente 
do analito.
Calibração de Métodos Instrumentais
Método da adição de padrão
-Desde que o analito e o padrão interno em qualquer amostra ou padrão 
recebem o mesmo tratamento e estão sujeitos as mesmas variações, a razão 
dos sinais não será afetada.
-Se uma solução contém um analito de concentração CA e um padrão interno 
de concentração CPI , então o sinal devido ao analito, SA, e ao padrão interno, 
SPI, são :
-Sendo kA e kPI as constantes de proporcionalidades do analito e do padrão 
interno. Para facilitar a aplicação do padrão interno, plota-se a curva de 
calibração relacionando-se a razão sinal do analito (AS)/sinal do padrão 
interno (SPI) x a concentração do analito (CA) 
-Para se obter a concentração do analito na amostra, basta utilizar a razão 
sinal do analito na amostra/sinal do padrão interno e jogar na equação da 
curva de calibração
Calibração com Padrão Interno
Exemplo: Quantificação do teor de Eugenol no óleo do cravo da índia
Carvona padrão interno
Calibração com Padrão Interno
Exemplo: Quantificação do teor de Eugenol no óleo do cravo da índia
Carvona padrão interno