Apresentação detecção Química Arquivo

CENTRO TECNOLÓGICO DO EXÉRCITO
DIVISÃO DE DEFESA QBN
DETECÇÃO E IDENTIFICAÇÃO
DE AGENTES QUÍMICOS
Instrutor: Maj Roberto
[email protected]
CTEx/ DDQBN/ SDQ Tel: +55 21 2410-6305
DETECÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE AGENTES
QUÍMICOS
DETECÇÃO
X
IDENTIFICAÇÃO
DETECÇÃO
Dicionário: Ação ou efeito de detectar.
Operação militar cuja finalidade é determinar a
posição de aviões, submarinos, minas, etc.
 Determinar a presença de agentes químicos.
IDENTIFICAÇÃO
Ação ou efeito de identificar = reconhecer se uma
pessoa ou coisa é a mesma que se supõe ou
busca.
Técnicas analíticas que dêem informações estruturais:
MS, FTIR, RAMAN, NMR.
Detecção
A capacidade de detectar a presença de
agentes químicos é fundamental para:
- Determinar o nível de proteção;
- Minimizar a contaminação;
- Determinar as ações de resposta;
- Orientar o tratamento adequado.
Local x Remoto x Standoff
Local ou pontual: detecta-se o
agente presente em amostras do
ar, solo ou água, na vizinhança
imediata do equipamento.
Até 5 km
Remoto: ao se detectar o agente, um alarme é
enviado a um local remoto, afastado do
equipamento.
Standoff: detecção de
agentes químicos à
distância, em local
afastado
do
equipamento.
NÍVEIS
Níveis de detecção:
1) Provável – detecção positiva e informação médica;
2) Confirmada – detecção positiva com outra tecnologia;
3) Identificação – identificação inequívoca em laboratório.
Emprego dos Detectores
Monitoração para avaliação de contaminação:
• Identificar e delimitar a contaminação por agentes químicos
(no terreno, em equipamentos e pessoal) após um ataque ou
durante operações de reconhecimento;
• Avaliar a necessidade ou a eficácia de operações de
descontaminação;
• Evitar a entrada de pessoal ou material contaminado em
uma área de proteção coletiva.
Emprego dos Detectores
Monitoração contínua e alarme:
• Monitorar a atmosfera para dar o alerta de um ataque
por agentes químicos (equipamento fixo no terreno,
viaturas ou instalações);
• Monitorar o interior de áreas de proteção coletiva
(abrigos QBN, viaturas blindadas, labmovel, etc), de
forma a verificar a eficiência do sistema;
SISTEMA DE MONITORAÇÃO
SISTEMA DE MONITORAÇÃO
-Monitoração de pontos sensíveis
-Integração de detectores QBRN
-Integração de monitores através de software de comando e controle
-Utilização de sistemas de predição de espalhamento
Qual detector devo usar?
Características
Características a considerar na escolha do equipamento:
Tempo de resposta
Falso positivo
Falso negativo
Sensibilidade
Seletividade
Resolução
Tecnologia de detecção
Tempo de Reposta
Alguns agentes neurotóxicos podem matar em
poucos minutos.
X
Alguns agentes vesicantes podem levar horas
para terem seus sintomas percebidos.
Tempo de Reposta
O tempo de resposta deve ser menor que 30s.
Depois de um alarme, o detector deve retornar a
linha de base rapidamente caso a concentração
do agente diminua (por dissipação ou por saída da
área contaminada).
Falso Positivo x Falso Negativo
Falso Positivo – Indicação da presença de um agente, quando não
está presente – preferível para as equipes de socorro.
Falso Negativo – Indicação da ausência de um determinado
agente, embora ele esteja presente.
Falso Positivo x Falso Negativo
Exemplo:
Observado no detector
negativo
positivo
negativo
VN
FP
positivo
FN
VP
Situação Real
Falso positivo – detecção positiva e agente ausente.
Falso negativo – detecção negativa e agente presente.
Falso Positivo x Falso Negativo
O ideal é que o detector não tenha nem falsos
positivos nem falsos negativos.
No campo de batalha ou situações de emergência
se toleram melhor os falsos positivos.
Nos laboratórios analíticos se devem evitar falsos
positivos.
Características
Características a considerar na escolha do equipamento:
Tempo de resposta – tempo que leva para detectar o agente.
Falso positivo – detecção positiva e agente ausente.
Falso negativo – detecção negativa e agente presente.
Sensibilidade – nível mínimo de detecção.
Seletividade
Resolução
Tecnologia de detecção
Sensibilidade
Capacidade de o sistema discriminar entre pequenas diferenças de
concentração do analito. Relacionada com o ruído de fundo e com o
limite de detecção. Os limites de detecção são quantificados em
unidades de concentração: ppm, mg/L, ppb, etc.
Detector A
Sinal do Agente
Detector B
Ruído alto = limite de
detecção alto = baixa
sensibilidade = FALSO
NEGATIVO
Ruído baixo = limite de
detecção baixo = alta
sensibilidade
Sensibilidade
Os equipamentos devem ser capazes de detectar os
agentes químicos em concentrações da ordem de:
a)
0.05 – 0.5 mg/m3 (contaminação atmosférica – perigo
por inalação);
b)
5 – 50 mg/m2 (contaminação superficial – perigo por
contato)
O nível de alarme se estabelece pelo usuário ou vem
predefinido de fábrica.
Características
Características a considerar na escolha do equipamento:
Tempo de resposta
Falso positivo – detecção positiva e agente ausente.
Falso negativo – detecção negativa e agente presente.
Sensibilidade – quantidade mínima detectada.
Seletividade – distinção entre as espécies químicas.
Resolução
Tecnologia de detecção
Seletividade
Capacidade de o equipamento distinguir o sinal do
analito do sinal de outras espécies químicas
presentes na amostra (metabólitos, impurezas, etc.)
Seletividade
• Um
detector
com
baixa
seletividade é um detector que “vê
tudo” – mais falsos positivos.
• Um detector com alta seletividade,
“vê pouco”, apenas determinadas
espécies selecionadas – mais
falsos negativos.
Características
Características a considerar na escolha do equipamento:
Tempo de resposta – tempo que leva para detectar o agente.
Falso positivo – detecção positiva e agente ausente.
Falso negativo – detecção negativa e agente presente.
Sensibilidade – quantidade mínima detectada.
Seletividade – distinção entre as espécies químicas.
Resolução – capacidade de separar sinais.
Tecnologia de detecção
RESOLUÇÃO
Detector A
Detector B
1
234 5
1
Espectro de baixa resolução
Espectro de alta resolução
Mais falsos negativos
Menos falsos negativos
Bibliotecas
• Cada equipamento compara os sinais medidos com os sinais das
substâncias de interesse armazenados previamente em uma base
de dados (biblioteca).
• O tamanho da biblioteca está relacionado com a resolução:
quanto melhor a resolução, maior poderá ser a biblioteca.
• Quanto menor a biblioteca, menos falsos positivos e mais falsos
negativos.
• Quanto maior a biblioteca, menos falsos negativos e mais falsos
positivos.
Tecnologias de Detecção e Identificação
•
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•
Reações enzimáticas;
Reações eletroquímicas (EC);
Fotometria de chama (FS);
Espectrometria de mobilidade iônica (IMS);
Ultra High Field Assimetric Ion Mobility (UH-FAIMS);
Ion Trap IMS (ITMS);
Surface Acustic Wave (SAW);
Fluorescência de polímero amplificada (AFP);
Espectrometria de massa (MS);
Espectroscopia de infravermelho (FTIR);
Espectroscopia de Raman;
Outras (ativação por neutrons - NIPPS; RMN, cromatografia,
etc)
KITS DE DETECÇÃO
C2 Chemical Agent Detector Kit
Kits de Detecção
•
Propósitos específicos: detecção de agente químico em água, ou
confirmação de detecção após um alarme automático de um
monitor.
• A tecnologia básica consiste de reações químicas que ocorrem
quando agentes químicos interagem com várias soluções e
substratos.
• O indicador mais comum para uma resposta positiva é uma
mudança de cor.
• Facilidade de operação, baixo peso, pouco volume e grande tempo
de prateleira.
REAÇÕES ENZIMÁTICAS
DETECTOR AKERS
Neurotóxico
vesicante
REAÇÕES ENZIMÁTICAS
Reações Enzimáticas
Tubos Colorimétricos
Vídeos Explicativos
Fotometria de Chama
• os compostos são queimados e emitem luz, a
qual passa por um filtro ótico e chega a um
detector fotossensível, produzindo um sinal de
resposta.
• os filtros selecionam  na faixa de 510 a 526
nm (HPO – neurotóxicos ) e próxima a 394 nm
(S2 – vesicantes).
FOTOMETRIA DE CHAMA
S2
HPO
Na
K
FOTOMETRIA
AP2C
AP4C
Fotometria de Chama
• Vantagem: o ar é direcionado diretamente para
dentro do instrumento e analisado.
• Desvantagens:
- limitação aos agentes que contêm S ou P;
- interferências (falsos positivos).
Fotoionização (PID)
Fotoionização (PID)
Fotoionização (PID)
Exs.: PpbRAE3000, multiRAE, AreaRAE, ToxiRae,
MiniRAE (RAE Systems).
Espectrometria de Mobilidade Iônica (IMS)
Mobilidade Iônica (IMS)
Vantagens da IMS:
• Coleta de ar diretamente sem preparação ou
concentração.
• Análises em uma pequena câmara, simples e de custo
relativamente baixo;
• Excelente sensibilidade de detecção.
Desvantagem: Falso Positivo com substâncias comuns.
Mobilidade Iônica (IMS)
Utilizada em muitos detectores: CAM, GID, M90, ChemPro,
RAID, etc.
M-90
Smith – LCD 3
UH Field Assimetric IMS (UH-FAIMS)
•O Campo elétrico varia assimetricamente com o
tempo, provocando movimento de zig-zag do íon,
oscilando entre as regiões de alto e baixo campo.
•Acrescenta um novo método de separação, onde
somente íons com mobilidade diferencial entre os
campos igual a zero (K+ - K0 = 0) atingem o detector.
Field Assimetric IMS (FAIMS)
Field Assimetric IMS (FAIMS)
Lonestar System - Owlstone Nanotech
Ion Trap Mobility Spectrometry (ITMS)
•Melhora o desempenho do IMS tradicional.
•Com ITMS, a ionização atinge o equilíbrio
em uma região livre de campo e só então é
pulsada para dentro do tubo de DRIFT.
VaporTracer (GE Security)
Ion Trap Mobility Spectrometry (ITMS)
Surface Acoustical Wave (SAW)
• Converte ondas acústicas em sinais
elétricos,
explorando
propriedades
piezoelétricas de certos materiais.
• Um cristal piezoelétrico é recoberto com
um polímero que adsorve seletivamente
substâncias químicas.
Surface Acoustical Wave (SAW)
Surface Acoustical Wave (SAW)
Exs.: Hazmatcad e Safesite (MSA)
Combinação de SAW e sensores eletroquímicos.
Fluorescência de Polímero Amplificada
Alguns polímeros fluorescem quando se ligam a
substâncias químicas específicas.
Fluorescência de Polímero Amplificada
Fluorescência de Polímero Amplificada
Fluorescência de Polímero Amplificada
Detecção de traços de explosivos em nível de até parte por
quatrilhão (PPQ)
Combinação de Tecnologias
Combinação de tecnologias em um único
detector:
• Vantagem:
- Sensível diminuição de falsos positivos.
• Desvantagens:
- Preço.
Exs.: HGVI e GDA2.
Combinação de Tecnologias
HGVI - Smith detection
Tecnologias:
- IMS;
- PID;
- matriz de sensores Tagushi
(TGS);
- Detector Gama;
Peso: 3,4 Kg
HGVI
GDA2 - Airsense
•Quatro tecnologias de detecção:
- IMS;
- PID;
- EC;
- MOS (Metal Oxide Sensor = SC
- semiconductor gas sensor).
GDA-2- Airsense
• Alarma também quando susbtâncias
desconhecidas são detectadas.
• Software de análise.
• Permite criar biblioteca própria.
• WLAN & GPS.
GDA2 – Matriz Híbrida de Sensores
Metal Oxide Sensors
Célula
Eletroquímica
Display
Detector de
Fotoionização
PID
Vários princípios de Detecção
em um único dispositivo de mão
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR):
Detectores Portáteis
Ranger
HAZMAT ID
GASMET
TRUEDEFENDER
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR):
Detectores Remotos
Detector-Alarme Remoto de Agentes
Químicos M21 (RSCAAL).
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR):
Detectores Remotos
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR):
Detectores Remotos
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR):
Detectores Remotos
Infravermelho
- Fornece informações sobre os grupos funcionais presentes.
- Permite a análises de compostos inorgânicos.
- Permite análise de amostras gasosas, líquidas e sólidas.
Infravermelho
Princípios Básicos
- λ= 2,5-25 μm (número de onda = 4000 a 400 cm-1).
- A absorção de radiação infravermelha pelas moléculas
promove a vibração de ligações químicas.
O-->--P--<--F
- Correlação entre o comprimento de onda e as ligações
químicas (ex: P-O, P-F, C-Cl).
-- A absorção é medida como uma função do comprimento de
onda.
Espectro de Infravermelho do
Sarin
P-O-C
P=O
P-F
CH3
P-CH3
Espectroscopia RAMAN
Espectroscopia RAMAN
Os equipamentos de espectroscopia Raman iluminam a amostra com
uma intensa fonte de luz monocromática (laser) e analisam a luz
dispersada.
- A maioria da luz dispersada é da mesma frequencia da fonte de
excitação (dispersão Rayleigh ou elástica).
- Uma quantidade muito pequena da luz dispersada interage com as
moléculas da amostra e sua frequencia é diferente da luz emitida
(dispersão Raman).
Espectroscopia RAMAN
RAMAN x FTIR
O espectro Raman é complementar ao infravermelho, mas a técnica oferece
algumas vantagens:
- pouca ou nenhuma preparação de amostras;
- a água e vapores de CO2 apenas dispersam a radiação (não necessitam ser
purgados, não necessário aparatos especiais para soluções aquosas);
- podem-se utilizar recipientes normais de vidro;
- pode-se utilizar fibra ótica para análises remotas (100 m);
- bandas mais finas e espectros mais limpos que IR;
- permite análise orgânica e inorgânica;
- útil para ver ligações simétricas (S-S; C=C; etc.).
RAMAN x FTIR
RAMAN
FTIR
Dificuldade ou Impossibilidade de
ID
Metais
Dificuldade ou Impossibilidade de
ID
Metais
Substancias escuras
Soluções aquosas > 90%
Substâncias que fluorescem
IDENTIFICA
IDENTIFICA
Soluções Aquosas, biológicas
Substancias escuras e
fluorescentes, biológicas
Detectores imagem
Screening Equipment – Whole Body Imager (WBI)
Detectores Terahertz
Ativação por neutrons (NIPPS)
Ativação por nêutrons (TNA)
MM2
HAPSITE
Cromatografia Gasosa acoplada a
Espectrometria de Massas (GC-MS)
EM
CG
GC acoplada a Espectrometria de
Massas de Alta Resolução (GC-HRMS)
GC
HRMS
Cromatografia Líquida acoplada a
Espectrometria de Massas (LC-MS)
LC
MS-MS
Espectrometria de Massas
- Técnica mais utilizada para análises de agentes químicos;
- Grande sensibilidade (ng - pg = 10-9 a 10-12 g);
- Permite análise quantitativa;
- Altamente Seletivo (“impressão digital” do composto);
- Fácil comparação com espectros de referência (base de dados
OPCW, biblioteca NIST);
- Espectros de
interpretados;
compostos
desconhecidos
podem
ser
- Permite a análise de misturas complexas quando combinado
com CG (CG-EM = “casamento perfeito”) ou outras técnicas.
Fragmentação do Sarin
Espectro de Massas do Sarin
[M-C3H3]+
[O=P(OH)2]+
[M-CH3]+
CG-EM: Mostarda
Espectrômetros de Massas
Portáteis
MM2
HAPSITE
MS200
Laboratório Móvel de Identificação
Laboratório Móvel de Identificação
DDQBN/ CTEx
Estação Meteorológica
Chuveiro de
descontaminação
Porta de
entrada
Entrada de
Amostras
Pistões autonivelantes
Laboratório de Análises Químicas
DDQBN / CTEx
- OPCW Proficiency Test
- Análises de AQ em amostras
ambientais e industriais
- Análises químicas em materiais de
emprego militar
- Análises Forenses
Conclusão
Dúvidas?
Maj Roberto
[email protected]
CTEx/ DDQBN
Seção de Defesa Química/ Laboratório de Análises Químicas.
Tel: +55 21 2410-6305