Erros Sistemáticos no Preparo de Amostras em Análise Química: Causas e Soluções, Notas de estudo de Materiais

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Capítulo 3

ERROS

SISTEMÁTICOS

NO PREPARO

DE AMOSTRAS

Dário Santos Junior Joaquim Araújo Nóbrega Gabriel Gustinelli Arantes de Carvalho Francisco José Krug

ser determinada. No fim da década de 1970, um dos principais motivos do insu- cesso da implementação da espectrometria de absorção atômica em forno de grafite (GFAAS) foram os altos valores dos brancos analíticos. Em GFAAS, é comum a determinação de massas da ordem de picogramas. De qualquer forma, esse assunto vem sempre à tona quando os resulta- dos analíticos apresentam erros não toleráveis e/ou quando são acompanhados de incertezas que impeçam tomadas de decisão. Supõe-se que o analista possua as ferramentas metrológicas necessárias para impedir que falsos resultados (positivos ou negativos) sejam emitidos. A importância da qualidade do resultado analítico pode ser colocada de outra forma: os prejuizos causados por resultados errados são usualmente maiores que os investimentos na instrumentação analítica. Esse aspecto fica evidente quando se analisam os resultados obtidos pelo IMEP ( International Measurement Evaluation Program ) em uma série de artigos liderados por Paul De Bièvre, renomado cientista do IRMM ( Institute for Reference Materials and Measurements ) na União Europeia. O IMEP é um projeto do IRMM, em cooperação com o NIST ( National Institute of Standards and Technology ), com o objetivo de aumentar a confiabilidade das medições em química sob os auspícios da IUPAC ( International Union of Pure and Applied Chemistry ), EUROMET ( Association of European Institutes for Metrology ), CITAC ( Cooperation for International Traceability in Analytical Chemistry ) e EURACHEM. No artigo de Lamberty et al. ,^4 referente ao IMEP 3, os resultados das deter- minações de 10 elementos em águas foram apresentados por 155 participantes. Ao agrupá-los em função dos métodos utilizados (ICP OES, ICP-MS, FAAS, GFAAS, por exemplo), observaram-se resultados imprecisos e inexatos, independentemen- te dos métodos usados. Os resultados mais contraditórios foram observados na determinação de ferro. No artigo de Van Nevel et al. ,^5 referente ao IMEP 6, merece menção que resultados inexatos e imprecisos também foram obtidos por laborató- rios acreditados, certificados ou autorizados, quando se determinou chumbo em águas. Esses resultados não surpreendem quando se recorre aos trabalhos de Tölg e Tschöpel.^1 Segundo esses autores, as dificuldades são maiores para a determinação de elementos que ocorrem em altas concentrações na crosta terrestre, como Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Mn e Ti, mas encontrados a nível de traços nas amostras. Isso ocorre porque esses elementos estão sempre presentes no ambiente de trabalho, principalmente na forma de poeira. Dificuldades também são comuns na determi-

nação de elementos que contaminam o ambiente de trabalho como resultado da poluição antrópica (Zn, Pb, Cd, Hg, Cu, As, Ni, por exemplo). As mais importantes fontes de erros sistemáticos podem ser agrupadas nas diferentes etapas da sequência analítica:^1 a) Amostragem inapropriada, homogeneização e armazenamento inadequados da amostra; b) Contaminação da amostra e/ou solução da amostra por aparelhos, frascos, reagentes e poeira durante o procedimento analítico; c) Efeitos de adsorção e dessorção nas paredes internas dos frascos e fases sóli- das de diferentes materiais (filtros, colunas e precipitados); d) Perdas de elementos (Hg, As, Se, Cd e Zn) ou seus compostos (óxidos, hale- tos e hidretos) por volatilização; e) Reações químicas incompletas ou indesejáveis, como mudança do estado de oxidação, precipitação, troca iônica e formação de complexos; f ) Influências da matriz na geração do(s) sinal(is) analítico(s), como atomiza- ção incompleta e interferências espectrais; g) Calibração e avaliação incorretas, resultantes do uso de padrões inapropria- dos, soluções-padrão instáveis e funções matemáticas inapropriadas, por exemplo.

Além disso, no caso da determinação de elementos-traço em águas natu- rais, fatores relacionados à amostragem ( e.g. profundidade e dispositivos de coleta), armazenamento ( e.g. tipo de frascos), preservação ( e.g. pH) e outros pré-tratamen- tos como filtração e pré-concentração, por exemplo, devem ser cuidadosamente selecionados para se obter resultados confiáveis e metrologicamente corretos. 6 Em meados da década de 1970, Sturgeon et al.^6 observaram diminuições apreciáveis (de 1 a 3 ordens de grandeza) nos níveis basais de alguns elementos-traço ( e.g. Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb e Zn) em águas oceânicas e lacustres em relação aos resultados reportados em trabalhos de anos anteriores. Essa diminuição nas concen- trações desses elementos não reflete um fenômeno natural nos referidos comparti- mentos aquáticos, mas sim os avanços no controle de contaminação durante toda a sequência analítica, ou seja, desde o momento da coleta das amostras até a medição instrumental propriamente dita. A maioria dos avanços, tanto na instrumentação disponível, quanto nos métodos e técnicas de separação e pré-concentração, aliados

Figura 3.1. Erros e incertezas na sequência analítica. Adaptada da referência 12.

O branco analítico é, reconhecidamente, o “calcanhar de Aquilles ” da análise de traços. Isso foi destacado por Thomas Murphy na histórica monografia “ The Role of Analytical Blank in Accurate Trace Analysis ”, que está disponível em um compêndio de trabalhos do livro “ Accuracy in Trace Analysis: Sampling, Sample Handling, and Analysis ”, editado pelo NBS ( National Bureau of Standards ), hoje NIST ( National Institute of Standards and Technology ). 13 Não obstante, é possível a obtenção de brancos que não comprometam os resultados analíticos, a partir dos princípios e práticas que regem a cultura de qualidade nos laboratórios. O livro “ Think Blank ”,^14 por exemplo, mostra os muitos benefícios que podem ser obtidos com a implementação de práticas modernas para a diminuição de brancos utilizan- do equipamentos de última geração. Segundo Murphy, 13 “o branco analítico é simplesmente a contaminação pelo elemento ou composto, que está sendo determinado, causada por todas as fon- tes externas à amostra”. Uma amostra deve ser analisada em um número apropriado de repetições (n medidas), de tal forma que o resultado encontrado seja expresso como a média das n medidas (mam) acompanhada de uma incerteza, que é, geral- mente, equivalente à estimativa de 1 desvio-padrão (s (^) am), ou seja,

m (^) am ± sam

Na química analítica, com particular atenção para a determinação de elementos-traço, o resultado final da análise deverá considerar o valor do bran- co. Quando se manipulam soluções, o branco analítico é a solução resultante de todas as etapas do procedimento analítico na ausência da amostra. Em geral, o branco é mais afetado na etapa de preparo da amostra, devido aos riscos de con- taminações. Seguindo o mesmo raciocínio, o branco deverá ser medido com n repeti- ções e o resultado será uma média (m (^) br) acompanhada do respectivo desvio-padrão (s (^) br):

mbr ± sbr

O resultado final será a diferença dessas médias acompanhada do desvio- padrão que é a raiz quadrada da soma dos quadrados dos desvios-padrão das medi- das da amostra e do branco:

(m (^) am - mbr) ± (sam^2 + sbr^2 )1/

Os exemplos da Tabela 3.1 mostram como o valor do branco pode com- prometer a qualidade de um resultado. No caso 1, a incerteza das medidas do bran- co é refletida totalmente no resultado final, ao passo que no caso 2, a incerteza do resultado final reflete as incertezas das medidas da amostra e do branco.

Assim, é possível diminuir o valor e a variabilidade do branco analítico e melhorar a exatidão e precisão dos resultados, com o controle das fontes de conta- minação externa e corrigindo-se as medidas devidamente. Para atingir esses objeti- vos, o analista deverá atentar para:

Tabela 3.1. Exemplos da propagação da incerteza das medidas do branco no resultado final da determinação de um analito. Adaptada da referência 15.

Amostra Branco Resultado final mam ± sam mbr ± sbr (mam - mbr) ± (sam^2 + sbr^2 )1/ Caso 1 15 ± 1 5 ± 5 10 ± 5 Caso 2 15 ± 1 2 ± 1 13,0 ± 1,

Os erros sistemáticos serão aqui tratados obedecendo-se a seguinte sequên- cia, conforme sugestão de Knapp:^16

• Erros devidos à contaminação pelo ar e por impurezas em reagentes e materiais;
• Erros devidos às perdas de elementos por volatilização ou adsorção;
• Erros devidos à decomposição/dissolução incompleta das amostras.

3.3. ERROS POR CONTAMINAÇÃO

3.3.1. Contaminação pelo ar

A contaminação pelo ar é a principal responsável por altos valores dos brancos analíticos. Os principais contaminantes presentes nas poeiras de origem geológica, predominantemente solos, são Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K e Ti. Poei- ras metalúrgicas apresentam elevados teores de Fe. Segundo Tölg e Tschöpel, 1 a atmosfera de áreas densamente povoadas apresenta elementos como V, Zn, Ni, Co, Mn Pb, Cr, Cu e F, em concentrações maiores que 0,1 μg m -3^ , além de S e Cl. A Figura 3.2 mostra os principais materiais contaminantes que podem estar presentes no ar. A atmosfera do laboratório poderá apresentar partículas provenientes das paredes, da pintura, do piso, do mobiliário, dos equipamentos, das vestimentas e do próprio analista. Essas partículas, quando em contato com as amostras, poderão provocar contaminações severas. Em alguns casos, a prevenção contra a contami- nação poderá ser bastante efetiva com um investimento relativamente pequeno, ou utilizando sistemas fechados para o preparo das amostras e das soluções. Segundo Tschöpel,^17 o mínimo que se deve ter à disposição é uma capela de fluxo laminar, pois, mesmo em um corredor, a atmosfera no interior desta capela é melhor do que dentro de um laboratório sem nenhum tratamento do ar. Entretanto, recomenda- se trabalhar em áreas limpas para evitar e/ou controlar a contaminação pelo ar. A classe de limpeza dessas áreas era projetada em função do número máximo de partí- culas de 0,5 μm pé-3. Um ambiente com Classe de Limpeza 100, ou simplesmente Classe 100, apresenta, no máximo, 100 partículas de 0,5 μm pé -3. Essa classifica- ção baseava-se no US Federal Standard 209E (Tabela 3.2), que foi posteriormente

Tabela 3.2. Número máximo de partículas por pé cúbico de ar, segundo a antiga norma ameri- cana FS-209E “ Airborne Particulate Cleanliness Classes in Cleanrooms and Clean Zones ”.

Classe (^) 0,1 μm 0,2 μm Tamanho da partícula0,3 μm 0,5 μm 5,0 μm

1 35 7.5 3 1 10 350 75 30 10 100 750 300 100 1000 1000 7 10000 10000 70 100000 100000 700

Figura 3.2. Tamanho dos principais contaminantes do ar. Observar a indicação para filtros HEPA (eficiência de 99,97% para partículas ≥ 0,3 μm). Adaptada da referência 13.

substituída pela FS-209E, a qual incorpora o sistema métrico, onde a Classe 100 corresponde a, no máximo, 3520 partículas de 0,5 μm m-3.

título “ Notice of Cancellation for FED-STD-209E, Airborne Particulate Cleanliness Classes in Cleanrooms and Clean Zones ”. Como já foi afirmado, a maneira mais eficiente e conveniente de controlar as contaminações pelo ar é realizar o preparo da amostra e das soluções em uma sala limpa. Por definição, uma sala limpa é uma área hermeticamente isolada da atmosfera externa, onde ar previamente filtrado por um filtro ou conjunto de filtros primários, refrigerado e convenientemente desumidificado, é introduzido por um sistema de insuflamento. O insuflamento é feito de tal forma que a pressão no inte- rior da sala seja positiva com referência à pressão externa, e que o ar pré-tratado seja introduzido na sala limpa através de filtros especiais, denominados filtros HEPA (acrônimo do inglês High Efficiency Particulate Air filters ). A Figura 3.3 mostra um esquema de sala limpa desenvolvida para o Laboratório de Análise de Materiais de Alta Pureza do Max-Planck-Institut für Metallfforschung , em Dortmund, Alemanha. Apesar desse laboratório ter sido desativado há alguns anos, ele foi uma referência para muitos laboratórios de vários centros de pesquisa. Deve-se notar, nesse esque- ma, que é possível trabalhar com capela de exaustão, através da qual também flui ar de alta pureza com insuflamento através de filtro HEPA. O ar que flui através dessa capela não pode ser recirculado por causa dos gases tóxicos e corrosivos provenien- tes das decomposições e/ou dissoluções das amostras com ácidos concentrados. Na sala limpa proposta por Tölg e Tschöpel^1 é possível obter um ambiente Classe 10000 (ISO Classe 7) na área de circulação interna e Classe 100 (ISO Clas- se 5) no interior da capela de exaustão. Para se ter uma ideia do significado desses valores, em um laboratório normal, o número de partículas maiores que 0,5 μm pode chegar a 2 x 10^7 m-3.^19 Os filtros HEPA apresentam uma eficiência de 99,97% para retenção de partículas ≥ 0,3 μm. Assim, esses filtros impedem a entrada de partículas de poeira geológica, pólen, bactéria, pó de carvão, mas não filtram, eficientemente, partículas menores presentes na fumaça de cigarro e em poeiras de origem metalúrgica (Figu- ra3.2). Filtros HEPA especiais, HEPA Tipo D, denominados filtros ULPA ( Ultra Low Penetration Air ) deverão reter, por definição, 99,9995% de partículas ≥ 0,12 μm, e são recomendados em ambientes projetados para atender ISO Classe 3 e ISO Classe 4. O esquema da Figura 3.4 mostra uma sala limpa com bancadas central e laterais, onde podem ser instaladas capelas de exaustão, desde que o ar não retorne para o sistema de tratamento, e capelas de fluxo laminar.

Apesar de aparentemente simples, a construção de salas limpas é complexa pois, em alguns casos, é permitido que o fluxo na área de circulação seja turbulen- to, sendo laminar apenas no interior das capelas ou sobre as bancadas. Em outros

Figura 3.3. Corte esquemático de uma sala limpa com capela de exaustão. Adaptada da refe- rência 1. Figura reproduzida com permissão da John Wiley and Sons.

Figura 3.4. Corte de uma sala limpa com bancadas central e auxiliar e capela com exaustão. Adaptada da referência 20.

1. Todos os itens pessoais, como celulares, chaves, relógios, anéis, brincos, cigarros e isqueiros, devem ser guardados fora da sala limpa;
2. Não se deve fumar próximo ao local onde é feita a tomada de ar para o tra- tamento primário;
3. A entrada de qualquer pessoa no interior de salas limpas só deve ser per- mitida com uso de roupas especiais, que incluem, no mínimo, capas para calçados, calças, jalecos e gorros. Os projetos de salas limpas sempre incluem antessalas e, em alguns casos, antecâmaras para a remoção de partículas pre- viamente à entrada dos usuários;
4. O uso de cosméticos é vedado às pessoas que ingressarem nas salas limpas, incluindo rouge , baton, sombra para olhos, lápis para olhos, máscaras, deli- neadores, cílios postiços, esmalte de unhas, fixadores de cabelos, mousse, shampoo anticaspa à base de sulfeto de selênio, tintas de cabelo (algumas são feitas com acetato de chumbo), assim como o uso em quantidade excessiva de loções e perfumes. A Tabela 3.4 mostra os principais contaminantes pre- sentes em cosméticos. A composição varia muito e raramente é informada pelos fabricantes. Vide também a composição média de alguns contaminan- tes em cosméticos na Tabela 3.5;
5. Usar somente papéis aprovados para uso em salas limpas. O uso de papel toalha é proibido. Deve-se usar, se possível, secador de mãos equipado com filtro HEPA;
6. Usar somente canetas aprovadas para salas limpas;
7. Não se deve tocar na superfície de qualquer material sem luvas apropriadas, principalmente quando não houver certeza absoluta de que a superfície está bem limpa;
8. Usar somente luvas sem talco ou outro tipo de pó. Em alguns casos, usam-se pinças para manipular as amostras. As impressões digitais são fontes severas de contaminação, particularmente para determinação de baixas concentra- ções de Na e Cl;
9. Deve-se evitar o contato de solventes com a pele, pois pode haver remoção de gorduras e tecido morto na forma de escamas. A Tabela 3.5 também mos- tra alguns contaminantes presentes na pele;
10. O uso de loções ou sabonetes à base de lanolina pode, às vezes, ser tolerado por diminuir a emissão de flocos de pele;

11. Todas as ferramentas de trabalho, os reservatórios de água e outros materiais devem ser limpos com o mesmo critério usado para limpar as superfícies das bancadas das salas limpas;
12. Nenhum utensílio pode ser colocado diretamente sobre a bancada. Normal- mente, usa-se uma bandeja apropriadamente forrada com papel especial para esta finalidade;
13. Somente panos de limpeza apropriados para a classe de uso da sala limpa poderão ser usados;
14. Todos os equipamentos e materiais introduzidos em ambiente estéril deverão ser passíveis de esterilização;
15. Não é permitida a entrada de qualquer pessoa fisicamente doente em ambientes estéreis, especialmente aquelas com desordens estomacais ou res- piratórias. Essa é uma boa prática em qualquer sala limpa.

Além dessas precauções, deve-se ter um controle rígido de parâmetros ope- racionais, tais como a direção e o fluxo de ar, a pressão interna, a umidade relativa

Tabela 3.4. Contaminantes comumente encontrados em alguns cosméticos. Adaptada da re- ferência 23.

Cosmético Elementos presentes na composição Baton Bi, Fe, Mg, Mn, Ti e Zn Sombra para olhos Al, Bi, Cr, Fe, Mg, Mn, Si e Ti Rouge (“Blush”) Ca, Fe, Mg, Si e Ti Máscara Al, Cr, Fe, Mg, Na e Ti Pós faciais Bi, Ca, Fe, Mg, Si, Ti e Zn Base Al, Fe, Mg, Na, Si, Ti e Zn

Tabela 3.5. Potenciais contaminantes em ambientes de trabalho. Adaptada das referências 24 - 26. Dados reproduzidos com permissão da IAEA-International Atomic Energy Agency.

Contaminante Al Ca Fe K Pb Zn Poeira geológica (μg g-1) 3000 2700 3200 8000 2150 1600 Fumaça de cigarro (μg g-1) 7 10 Cosméticos (μg g-1) 60000 1100 250 35000 Suor (μg mL-1) 4 - 10 1 350 0,1 - 3 1 Pele (μg g-1) 1 - 2 250 10 3000 6 - 20 Cabelo (μg g-1^ ) 4 - 30 3200 5 - 70 900 3 - 70 450

de alta pureza. Alguns fabricantes incorporam a foto-oxidação com radiação UV (185 e 254 nm) na entrada do sistema para a decomposição de compostos orgâni- cos e organometálicos (fundamentos descritos no Capítulo 12). Os íons são, então, retidos nas resinas de troca iônica e a qualidade da água pode ser, em princípio, pré-avaliada com a medição da resistividade ou da condutividade. A produção da água deverá ser conduzida em ambiente com Classe de limpeza apropriada (ISO Classe 5 é recomendável) e o armazenamento em reci- pientes isentos de contaminantes. A qualidade da água, como reagente, é definida pela ASTM ( American Society for Testing and Materials ), NCCLS ( National Com- mittee for Clinical Laboratory Standards ), CAP ( College of American Pathologists ) e ISO®^ 3696/BS 3997 como Tipo I, Tipo II, Tipo III ou Tipo IV, em função da condutância específica (μmhos cm-1), da resistividade (MΩ cm), do teor de silicato (mg L-1), contagem de bactérias e pH (Tipos III e IV). Para fins de tratamento, um sistema que produz água de altíssima pureza deverá atender aos critérios para o Tipo I, com resistividade ≥ 18 MΩ cm. Água Tipo II deverá apresentar resistividade ≥ 1-2 MΩ cm. A resistividade maior que 18,2 MΩ cm é uma indicação da qualidade, mas não necessariamente um atestado de água de altíssima pureza. Para tanto é reco- mendável determinar os elementos de interesse, utilizando métodos com limites de detecção da ordem de ng L -1^ ou μg L -1, como ICP-MS e GFAAS. A Tabela 3. mostra um exemplo da qualidade de água tratada em sistemas comerciais. 28

Ácidos Os ácidos inorgânicos podem ser fontes de contaminação severas, depen- dendo do elemento a ser determinado e da qualidade e do volume do ácido uti- lizado. Mesmo ácidos de alta pureza disponíveis comercialmente podem apresen- tar concentrações relativamente elevadas de alguns contaminantes (Tabelas 3.9 e 3.10), inviabilizando a determinação de elementos-traço face aos elevados valores dos brancos analíticos. Naturalmente, os valores dos brancos dependem do volu- me do ácido utilizado, que pode ser significativamente diminuído utilizando-se sistemas fechados ou estratégias que possibilitem a diminuição do consumo, par- ticularmente na decomposição de amostras. Mesmo assim, o consumo de ácidos de alta pureza pode ser relativamente alto. A melhor alternativa para a utilização de ácidos de altíssima pureza, a um custo relativamente baixo, é a purificação por

Tabela 3.7. Concentrações de impurezas (μg L-1) em água sob diferentes tratamentos. Dados compilados por Iyengar e Sansoni, 30 reproduzidos com permissão da IAEA-International Atomic Energy Agency.

Torneira Desionizada

Destilação térmica em quartzo seguida de desio- nização em colunas Al 57 0,10 <0, Br 95 0,10 - Ca 55 000 1 <0, Cd 0,70 <0,10 <0, Cl 14 100 1 <0, Co - <0,10 0, Cr - <0,10 0, Cs 0,02 - <0, Cu - 0,20 <0, F 1,40 - <0, Fe - 0,20 <0, I 9,40 - <0, K 28 000 0,04 <0, Mg 10 400 0,30 <0, Mn 2,20 0,05 <0, Na 8100 0,03 <0, Ni 30 <0,1 <0, P 43 0,004 <0, Pb 8,50 0,10 <0, Rb 10 - <0, S 14100 4 <0, Sb 0,60 <0,50 <0, Si 4900 0,50 - Sn 0,60 0,10 <0, Sr 11000 0,06 <0, V 18,50 <0,1 0, Zn 5,60 <0,1 <0,

destilação abaixo do ponto de ebulição do ácido. Esse método, denominado em inglês “sub-boiling distillation” , baseia-se no aquecimento de um líquido com radia- ção no infravermelho, utilizando-se uma resistência elétrica aquecida por efeito Joule, devidamente protegida por um invólucro de vidro ou de quartzo. O líquido