Uso da energia de ondas ultra-sônicas no preparo de amostras

Uso da energia de ondas ultra-sônicas
no preparo de amostras
Dário Santos Júnior
([email protected])
Ultra-som:
Ondas que se propagam com freqüências
superiores às percebidas pelo ouvido humano
20 Hz
20 kHz
Infra-sons: ν ≤ 20 Hz
Sons audíveis: 20 Hz ≤ ν ≤ 20 kHz
Ultra-sons: ν ≥ 20 kHz
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Como o ultra-som está fora da faixa de
freqüência audível do homem, ele pode ser
empregado com alta intensidade.
Produção de
polímeros
Odontologia
Biologia
Alarmes
Lavadoras
(canais)
(Ruptura de
industriais
células)
Medicina
Química
Atomização de
(diagnose
(sonoquímica)
líquidos
e terapia)
Soldagem de
plásticos
Emulsificação
de cosméticos
e alimentos
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Eng. Civil
(Ensaios não
Destrutivos)
Sonoquímica:
Aplicação da energia de ondas ultra-sônicas
em reações ou processos químicos
http://www.fb-chemie.uni-rostock.de/ess/intro.htm
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Sonoquímica
([email protected])
Sonoquímica
Mauro Korn
Universidade Estadual da Bahia
Kenneth S. Suslick
Universidade de Illinois – USA
http://www.scs.uiuc.edu/suslick/britannica.html
Timothy J. Mason
Coventry University - UK
http://users.ox.ac.uk/~masondr/Sonochemistry/index2.htm
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Cavitação – A origem
da sonoquímica
([email protected])
Cavitação
Compressão
Rarefação
Compressão
Rarefação
Compressão
Rarefação
Compressão
Rarefação
Rarefação
5000 °C
2000 atm
Formação
das bolhas
Crescimento das
bolhas em ciclos
sucessivos
Alcançam
tamanho
instável
Colapso
violento
Figura adaptada de http://users.ox.ac.uk/~masondr/Sonochemistry/index2.htm
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Cavitação
Pressão
acústica
Compressão
Expansão
Raio (µm)
Colapso
Crescimento
Formação
Ondas de choque
“hot spot”
tempo (ms)
Figura adaptada de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
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Cavitação
Em bolhas de cavitação, observam-se
temperaturas equivalentes a 5000 °C,
pressões de 2000 atm e taxas de
aquecimento/resfriamento maiores que
1010 K s-1
Suslik et al. “Acoustic cavitation and its chemical consequences” Phil. Trans. Rov. Soc. London A, 1999, 357, 335-353.
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Cavitação: a origem da sonoquímica
Colapso próximo da superfície
>100 m/s
Cavitação é o nome dado ao fenômeno de formação,
crescimento e colapso de microbolhas em líquidos
Figuras adaptadas de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/execsummsono.html
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A cavitação serve como um meio para
concentrar a energia do ultra-som em
uma forma quimicamente útil.
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Efeitos da cavitação e dos microjatos
Fusão de partículas de molibdênio após sonicação
Sem ultra-som
30 min de ultra-som
Figuras copiadas de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
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Efeitos da cavitação e dos microjatos
20 kHz
50 W cm-2
Partículas de zinco (p.f. 419,5 ºC)
Fusão de partículas de zinco após sonicação
Figura copiada de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
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Efeitos da cavitação e dos microjatos
Homogeneização em sistemas líquido - líquido
Figura copiada de http://users.ox.ac.uk/~masondr/Sonochemistry/index2.htm
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Efeitos da cavitação e dos microjatos
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Efeitos da cavitação e dos microjatos
Mudanças na morfologia da superfície e no tamanho de
partículas de óxido de níquel
Figuras copiadas de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
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Efeitos da cavitação e dos microjatos
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< 15 µm
Sem ultra-som
< 15 µm
60s ultra-som
< 15 µm
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30s ultra-som
Melhor representatividade
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Cavitação - Sonoquímica
• Síntese orgânica
• Degradação de polímeros
• Polimerização
• Sonoluminescência
• Sonólise (formação de radicais livres)
• Formação de sonogéis
• Preparação de catalisadores
• Preparo de amostras visando a detecção de
elementos químicos por técnicas de espectrometria
atômica
Martines et al., Química Nova, 23(2), 251-256, 2000.
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Extrações de elementos químicos assistidas por ultra-som
visando a detecção por técnicas de espectrometria atômica
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
Limites de detecção (µg / L)
Limites de detecção típicos das técnicas de espectrometria atômica
Figura adaptada de http://www.perkinelmer.com
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Escolha do método de preparo de amostra
“Os químicos analíticos não precisam mais conviver com a
defasagem tecnológica entre as estratégias para o preparo de
amostras e a instrumentação”
J. A. Nóbrega (Julho, 2004) - baseado no trabalho de Richter, Link and Kingston, Anal. Chem., 73(1):33A, 2001
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Métodos de preparo de amostras
Características desejáveis?
• Simples e robusto
• Baixo custo
• Elevada freqüência analítica
• Multielementar
• Reduzida acidez residual
• Confiabilidade metrológica
Os métodos assistidos por ultra-som
atendem essas características?
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Extração assistida por ultra-som
Moagem
50 – 500 mg
Detecção
Sonicação
5-20 min
Centrifugação (5 min)
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Instrumentação comercialmente disponível
Sondas ultra-sônicas
130 Watt, 20 kHz
150 µL a 150 mL
500 e 750 Watt (20 kHz)
250 µL a 1 L
Caixa de
contenção de som
http://www.sonicsandmaterials.com
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Sonda ultra-sônica acoplada no autoamostrador
Vibracell, Sonics & Materials
Perkin Elmer AS 71
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Banhos ultra-sônicos
500 W
350 mL
30 - 80 W
1 - 25 litros
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Freqüência analítica
http://www.sonicsandmaterials.com/
([email protected])
Freqüência analítica
Aquasonic 75D - VWR
?
([email protected])
Otimização de banhos ultra-sônicos
([email protected])
Distribuição de energia de banhos
ultra-sônicos
([email protected])
Distribuição de energia de banhos
ultra-sônicos
([email protected])
Aplicações analíticas do ultra-som no
preparo de amostras
([email protected])
([email protected])
Condições de lixiviação otimizadas
Bermejo-Barrera et al. Anal. Chim. Acta v.239, p.211-227, 2001
Banho ultra-sônico com água a 20°C
Tempo de sonicação: 10 min
Volume do ácido: 6 ml
Tamanho da partícula: 300 µm
Massa de mexilhão: 200 mg
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Extração assistida por ultra-som
Bermejo-Barrera et al. Anal. Chim. Acta v.239, p.211-227, 2001
([email protected])
Extração assistida por ultra-som
Bermejo-Barrera et al. Anal. Chim. Acta v.239, p.211-227, 2001
([email protected])
([email protected])
([email protected])
([email protected])
~~~
~~~
~~~
Bolhas de cavitação
([email protected])
([email protected])
Extração de cobre assistida por ultra-som em
sistema de injeção em fluxo e medidas por FAAS
([email protected])
Extração de cobre assistida por ultra-som em
sistema de injeção em fluxo e medidas por FAAS
Tubo de vidro
30 mg, 250 µL
3 mol l-1 HNO3 + 3 mol l-1 HCl
5 min / amostra
11 amostras/h
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80 s
1g
Aço inoxidável
([email protected])
([email protected])
Conclusions
A dynamic ultrasound-assisted extraction method has
been proposed for the extraction of macro and
micronutrients from animal feeds. The use of an
ultrasound probe endows the methods with key features
for sample preparation. Firstly, the use of this dynamic and
automated approach allows the extraction of the target
analytes in a time shorter than that required by the
reference AOAC Method 968.08 (18 min versus 4.5 h); thus,
a reduction of the time required for either the digestion or
extraction step is obtained. Secondly, it provides results
similar to the reference method and avoids tedious manual
operations with a corresponding simplification of the
process as a consequence of a shorter number of
operations involved. Furthermore, the procedure is safer
than acid digestion or dry-ashing, as neither high pressure
nor high temperature are applied in combination with the
use of corrosive concentrated acids. This fact minimizes
contamination risks and avoids chemical emissions to the
atmosphere. The last aspect fulfils the present policy
focused at reducing environmental contamination.
The precision of the method, its efficiency, rapidity, low
cost and environmental acceptability make it a good
alternative for the determination of metals from animal
feeds.
([email protected])
3 amostras h-1
Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn
80% amplitude (400 W), 20 min sonicação, 90 ◦C
5ml HNO3 e 5ml HCl
Extrações quantitativas: Cd, Cu, Pb e Zn
Extrações parciais: Cr (75%), Mn (84%) e Ni (81%)
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Rec. (%)
97
71
84
98
90
84
89
92
([email protected])
A introdução externa de bolhas de ar no meio e o
tempo de agitação magnética empregados proporcionou
um efeito positivo na extração dos elementos.
([email protected])
Extração assistida por ultra-som em tecido vegetal
([email protected])
Extração assistida por ultra-som em tecido vegetal
([email protected])
Extração assistida por ultra-som em tecido vegetal
([email protected])
Al
Cu
Li
Mn
([email protected])
Resultados obtidos no Laboratório de
Química Analítica - CENA
([email protected])
Agitação ultra-sônica versus agitação vortex
([email protected])
Extração assistida por ultra-som em tecido vegetal
([email protected])
Extração assistida por ultra-som em tecido animal
Sonda
Banho
Vortex
110
100
90
Extração (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Cd
Cr
Pb
Cu
Zn
Mn
Elementos
([email protected])
Ca
Mg
Fe
Extração assistida por ultra-som em solos e sedimentos
([email protected])
Extração de elementos em tecidos vegetais assistida por ultra-som
Sonda ultra-sônica x banho ultra-sônico
([email protected])
Extração de elementos em tecidos animais assistida por ultra-som
Sonda ultra-sônica x banho ultra-sônico
([email protected])
Extração de elementos em solos e sedimentos assistida por ultra-som
Sonda ultra-sônica x banho ultra-sônico
([email protected])
Extração de molibdênio em plantas assistida por ultra-som
4
Proposed
method µg/g Mo
Método proposto
Bovine Liver
3
X=Y
2
Ultra-som
Rice Flour
1
Wheat Flour
0
0
1
2
3
Valor
certificado
Certified
value µg/g Mo
([email protected])
4
Extração de manganês em sedimentos e materiais
biológicos assistida por ultra-som
Proposed
method µg/g Mn
Método proposto
800
River Sediment
600
B. River Sediment
400
X=Y
Plankton
Tomato Leaves
200
Peach Leaves
0
Rice Flour
0
200
400
600
Certified
value µg/g Mn
Valor
certificado
([email protected])
800
Conclusões
Extração ultra-sônica
Características desejáveis
☺ Simples e robusto
☺ Baixo custo
Baixa freqüência analítica
☺
Multielementar
☺ Acidez residual (5 – 10 ml, < 20% v/v HNO3)
☺
Confiabilidade metrológica
([email protected])
Conclusões
O sucesso da extração ultra-sônica depende fortemente
da interação do analito com a amostra.
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Muito obrigado!
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