Você certamente teve contato com a Análise Instrumental nas disciplinas da graduação. Mas o quanto você está confortável com o assunto?
Na indústria, o conhecimento de análise instrumental é relevante para as questões de qualidade. Você quer garantir que seu produto é seguro, estável e atende às devidas especificações.
Também é desejável oferecer esta garantia a externos. Sejam eles órgãos governamentais fiscalizadores ou os seus clientes, que podem exigir certificações antes da realização da compra.
Neste texto, falaremos de 4 aspectos básicos da Análise Instrumental que você precisa conhecer. Tenho certeza que à medida que estas técnicas se tornarem mais familiares, mais fácil será perceber o potencial de aplicação que elas possuem nas diversas áreas da engenharia química.
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Na indústria, o conhecimento de análise instrumental é relevante para as questões de qualidade. Você quer garantir que seu produto é seguro, estável e atende às devidas especificações.
Também é desejável oferecer esta garantia a externos. Sejam eles órgãos governamentais fiscalizadores ou os seus clientes, que podem exigir certificações antes da realização da compra.
Neste texto, falaremos de 4 aspectos básicos da Análise Instrumental que você precisa conhecer. Tenho certeza que à medida que estas técnicas se tornarem mais familiares, mais fácil será perceber o potencial de aplicação que elas possuem nas diversas áreas da engenharia química.
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| (Imagem de Joakim Roubert por Pixabay) |
1 - Para que aprender Análise Instrumental?
As Análise Instrumental é fundamental na indústria. Alimentos, fármacos e combustíveis, principalmente, precisam ter a sua qualidade garantida para a proteção da vida humana e combate a fraudes. Por isso, os profissionais destas áreas precisam estar bem versados nestas técnicas.
Ao longo da história, as tentativas de burlar as especificações destes produtos trouxeram danos imensuráveis e, inclusive, mudaram a forma como conhecemos alguns deles. Um exemplo vem do etanol hidratado, que ganhou uma cor nova para evitar a fraude do álcool molhado, comum, há vários anos atrás.
Além disso, a pesquisa e o desenvolvimento de produtos não é possível sem metodologias adequadas de análise. Em situações como esta, você pode inclusive ter que selecionar ou desenvolver e validar um novo método analítico.
a) Seletividade: o quanto o método consegue diferenciar o analito específico dos outros presentes na matriz.
b) Sensibilidade: capacidade do método de distinguir duas concentrações próximas.
c) Exatidão: concordância entre o valor real e o sinal devolvido pelo instrumento.
d) Precisão: avalia a semelhança entre os resultados de várias medidas feitas sobre a mesma amostra.
e) Robustez: medida da capacidade do método permanecer estável mesmo sob pequenas alterações nas condições de experimento.
f) Limite de detecção: menor concentração na qual o analito pode ser detectado pelo aparelho nas condições experimentais utilizadas.
g) Limite de quantificação: menor concentração de analito que pode ser quantificada pelo aparelho nas condições experimentais utilizadas.
1º passo - Amostragem: etapa em que deve ser escolhida e separada uma parte do analito que seja representativa do todo.
2º passo - Preparação: processo que torna a amostra compatível com a análise (pode ser necessário diluir a mistura, diminuir a granulometria ou até mesmo fazer uma separação para modificar a matriz em que a análise está sendo feita).
3º passo - Geração de sinal: é registro da resposta da substância ao estímulo do equipamento.
4º passo - Detecção: é saída do equipamento que pode ser interpretada e avaliada pelo analista.
5º passo - Calibração: processo que permite determinar o comportamento da proporcionalidade existente entre os resultados das análises instrumentais e a concentração do analito. Há dois tipos de calibração:
a) Calibração com padrão externo: são utilizados pelos menos 5 padrões, cujas concentrações de analito são previamente conhecidas. Estes padrões são analisados no equipamento sob as mesmas condições em que serão analisadas as amostras de concentração desconhecida.
Neste tipo de calibração, a concentração da amostra deve estar entre as concentrações dos (pelo menos) cinco padrões utilizados. Por isso, a escolha das misturas utilizadas na calibração deve considerar a faixa de concentração esperada para a amostra.
Esta necessidade ocorre porque a obtenção dos parâmetros de proporcionalidade entre o sinal de resposta do aparelho e a concentração das soluções se dá, normalmente, por técnicas de regressão.
A regressão é um método preditivo de modelagem de dados. Portanto, à princípio, não há impedimento do uso de uma amostra fora da faixa de concentração dos analitos utilizados na calibração.
Contudo, como por razões de praticidade, tempo e economia, a quantidade de padrões utilizados na calibração é pequena; a qualidade da predição feita por regressão diminui caso a concentração real da amostra esteja muito distante da faixa de concentração previamente utilizada. O que compromete a análise.
Na calibração com padrão externo, os valores de medida são corrigidos pelo branco, que consiste apenas na matriz da mistura. Neste caso, é importante notar que se houver alguma interação entre a matriz e o analito, esta interação não será considerada na correção da leitura feita pelo aparelho.
b) Calibração com padrão interno: o padrão interno é uma substância que é adicionada em uma quantidade fixa tanto na amostra, quanto no branco e nos padrões de calibração. Este padrão interno pode ajudar a corrigir diversos erros de variações do sinal do equipamento.
O sinal deste padrão interno deve ser característico e claramente distinto do analito de interesse. Como a quantidade é sempre a mesma, caso haja diferença nas respostas do padrão interno, é possível diferenciar as mudanças de resultado causadas por variações no sinal das mudanças de resultado causadas por diferenças de concentração.
Assim como na calibração com padrão externo, esta calibração também envolve a construção de uma curva cujos parâmetros serão obtidos por regressão. Esta curva terá no eixo y a concentração dos padrões externos utilizados e no eixo x a razão entre as respostas do analito e do padrão interno.
a) Métodos espectrométricos
São baseados na medida das interações entre a radiação e a matéria. A espectroscopia abrange todas as técnicas baseadas na coleta de informações através da transmissão, absorção ou reflexão de radiações incidentes em uma amostra.
b) Métodos eletroanalíticos
Esta noção também é verdadeira caso você tenha interesse em seguir uma carreira acadêmica. Afinal, a coleta de resultados de diversas pesquisas na EQ só pode ser feita a partir da Química Analítica, área que engloba a Análise Instrumental.
Afinal, a inovação, as patentes e as conquistas na engenharia química sempre envolveram também a qualidade. Sendo esta, portanto, indissociável do restante.
Mas não paramos por aqui. Em todas essas situações, o valor deste tipo de conhecimento se faz evidente. Todavia, esse aprendizado pode ser útil também em áreas mais inesperadas, como a comercial.
Às vezes, quando uma marca deseja expandir o comércio no mercado internacional, ela pode ter que mudar as perspectivas que possui sobre a qualidade de seus produtos. Neste cenário, as especificações para cada tipo de mercadoria podem variar de acordo com o país em que ela é vendida. Mais do que isso, nem sempre elas são parecidas com os padrões utilizados no país de origem do produto.
Deste modo, pode ser necessário fazer o orçamento da realização de alguns testes que os laboratórios de qualidade da sua empresa não podem realizar. A avaliação das propostas recebidas durante esta tarefa pode ser muito facilitada caso você tenha conhecimentos gerais dos métodos analíticos.
Por fim, é mais fácil perceber a importância destas técnicas em suas aplicações. Por isso, neste link, você poderá ler um pouco mais sobre a aplicação da Análise Instrumental no controle de qualidade. Neste caso, o setor estudado é o de biocombustíveis.
2 - Como selecionar o método analítico?
A primeira etapa de um planejamento de experimento de análise instrumental, uma vez identificada a necessidade de determinar qualitativamente ou quantitativamente um composto no seu produto, é a escolha do método. Para selecionar um método analítico adequadamente, você deve levar em consideração os seguintes fatores:
a) Analito de interesse: o que você quer analisar? Quais as propriedades físico-químicas que o caracterizam? Se você conhece bem as características do seu analito, é mais fácil identificar, em primeira mão, que tipo de metodologia não seria adequada para a sua análise.
b) O meio a ser analisado: entenda a matriz que acompanhará o analito durante o experimento. Quais as propriedades desta matriz? Quais as possíveis interações que seus componentes podem ter entre si ou com o analito de interesse?
c) Tempo para obter o resultado: para um mesmo analito pode haver análises rápidas ou demoradas, cada uma com suas respectivas vantagens e desvantagens. Qual delas atende melhor os seus objetivos? O que este tempo de análise influencia nos custos experimentais?
d) Existência de um método analítico validado: a existência ou não de um método validado para as suas condições experimentais pode fazer muita diferença. Caso não exista uma metodologia previamente desenvolvida, será necessária realizar a validação deste seu novo método, o que torna o seu trabalho ainda mais desafiador (e caro). Este aspecto também está relacionado à confiabilidade do método, que será discutida com mais propriedade no próximo tópico.
e) Possíveis interferências: as interferências diminuem a seletividade ou especificidade do método para o analito estudado. Há vários tipos de interferência como, por exemplo, as interferências de matriz, as interferências cinéticas e as interferências espectrais. A presença significativa ou não de um tipo de interferência depende do método utilizado.
a) Analito de interesse: o que você quer analisar? Quais as propriedades físico-químicas que o caracterizam? Se você conhece bem as características do seu analito, é mais fácil identificar, em primeira mão, que tipo de metodologia não seria adequada para a sua análise.
b) O meio a ser analisado: entenda a matriz que acompanhará o analito durante o experimento. Quais as propriedades desta matriz? Quais as possíveis interações que seus componentes podem ter entre si ou com o analito de interesse?
c) Tempo para obter o resultado: para um mesmo analito pode haver análises rápidas ou demoradas, cada uma com suas respectivas vantagens e desvantagens. Qual delas atende melhor os seus objetivos? O que este tempo de análise influencia nos custos experimentais?
d) Existência de um método analítico validado: a existência ou não de um método validado para as suas condições experimentais pode fazer muita diferença. Caso não exista uma metodologia previamente desenvolvida, será necessária realizar a validação deste seu novo método, o que torna o seu trabalho ainda mais desafiador (e caro). Este aspecto também está relacionado à confiabilidade do método, que será discutida com mais propriedade no próximo tópico.
e) Possíveis interferências: as interferências diminuem a seletividade ou especificidade do método para o analito estudado. Há vários tipos de interferência como, por exemplo, as interferências de matriz, as interferências cinéticas e as interferências espectrais. A presença significativa ou não de um tipo de interferência depende do método utilizado.
2 - Como avaliar a confiabilidade de um método de análise instrumental?
Uma análise sem confiabilidade não serve para nada. Por isso, é preciso ter atenção a este aspecto do método quando aplicado a determinado analito. Normalmente, esta confiabilidade está relacionada aos parâmetros da resposta do equipamento no experimento. Estes parâmetros são:a) Seletividade: o quanto o método consegue diferenciar o analito específico dos outros presentes na matriz.
b) Sensibilidade: capacidade do método de distinguir duas concentrações próximas.
c) Exatidão: concordância entre o valor real e o sinal devolvido pelo instrumento.
d) Precisão: avalia a semelhança entre os resultados de várias medidas feitas sobre a mesma amostra.
e) Robustez: medida da capacidade do método permanecer estável mesmo sob pequenas alterações nas condições de experimento.
f) Limite de detecção: menor concentração na qual o analito pode ser detectado pelo aparelho nas condições experimentais utilizadas.
g) Limite de quantificação: menor concentração de analito que pode ser quantificada pelo aparelho nas condições experimentais utilizadas.
3 - Como fazer um experimento de Análise Instrumental?
O fluxograma de um experimento de análise é apresentado abaixo. Cada uma delas é explicada com mais detalhes a seguir.1º passo - Amostragem: etapa em que deve ser escolhida e separada uma parte do analito que seja representativa do todo.
2º passo - Preparação: processo que torna a amostra compatível com a análise (pode ser necessário diluir a mistura, diminuir a granulometria ou até mesmo fazer uma separação para modificar a matriz em que a análise está sendo feita).
3º passo - Geração de sinal: é registro da resposta da substância ao estímulo do equipamento.
4º passo - Detecção: é saída do equipamento que pode ser interpretada e avaliada pelo analista.
5º passo - Calibração: processo que permite determinar o comportamento da proporcionalidade existente entre os resultados das análises instrumentais e a concentração do analito. Há dois tipos de calibração:
a) Calibração com padrão externo: são utilizados pelos menos 5 padrões, cujas concentrações de analito são previamente conhecidas. Estes padrões são analisados no equipamento sob as mesmas condições em que serão analisadas as amostras de concentração desconhecida.
Neste tipo de calibração, a concentração da amostra deve estar entre as concentrações dos (pelo menos) cinco padrões utilizados. Por isso, a escolha das misturas utilizadas na calibração deve considerar a faixa de concentração esperada para a amostra.
Esta necessidade ocorre porque a obtenção dos parâmetros de proporcionalidade entre o sinal de resposta do aparelho e a concentração das soluções se dá, normalmente, por técnicas de regressão.
A regressão é um método preditivo de modelagem de dados. Portanto, à princípio, não há impedimento do uso de uma amostra fora da faixa de concentração dos analitos utilizados na calibração.
Contudo, como por razões de praticidade, tempo e economia, a quantidade de padrões utilizados na calibração é pequena; a qualidade da predição feita por regressão diminui caso a concentração real da amostra esteja muito distante da faixa de concentração previamente utilizada. O que compromete a análise.
Na calibração com padrão externo, os valores de medida são corrigidos pelo branco, que consiste apenas na matriz da mistura. Neste caso, é importante notar que se houver alguma interação entre a matriz e o analito, esta interação não será considerada na correção da leitura feita pelo aparelho.
b) Calibração com padrão interno: o padrão interno é uma substância que é adicionada em uma quantidade fixa tanto na amostra, quanto no branco e nos padrões de calibração. Este padrão interno pode ajudar a corrigir diversos erros de variações do sinal do equipamento.
O sinal deste padrão interno deve ser característico e claramente distinto do analito de interesse. Como a quantidade é sempre a mesma, caso haja diferença nas respostas do padrão interno, é possível diferenciar as mudanças de resultado causadas por variações no sinal das mudanças de resultado causadas por diferenças de concentração.
Assim como na calibração com padrão externo, esta calibração também envolve a construção de uma curva cujos parâmetros serão obtidos por regressão. Esta curva terá no eixo y a concentração dos padrões externos utilizados e no eixo x a razão entre as respostas do analito e do padrão interno.
4 - Quais os tipos de métodos de Análise Instrumental?
Os métodos instrumentais são divididos em: espectroscópicos, eletroanalíticos e cromatográficos. Vamos conhecer um pouco mais sobre cada um deles.
a) Métodos espectrométricos
São baseados na medida das interações entre a radiação e a matéria. A espectroscopia abrange todas as técnicas baseadas na coleta de informações através da transmissão, absorção ou reflexão de radiações incidentes em uma amostra.
Os fundamentos do princípio de funcionamento dos equipamentos utilizados neste conjunto de metodologias são baseados no comportamento da luz como onda e como fóton. A teoria dos orbitais moleculares também complementa e é complementada pelo entendimento de algumas destas técnicas.
Exemplos de métodos de Análise Instrumental espectrométricos são a Espectroscopia atômica, óptica (ultravioleta e visível), infravermelho e Espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Você pode conhecer mais sobre os métodos espectrométricos neste link.
Baseiam-se nas propriedades elétricas do analito em solução. Estas propriedades podem ser a diferença de potencial, a carga, a resistência elétrica ou a corrente. Permitem determinar a concentração do analito em uma determinada matriz a partir da seletividade do potencial e do material do eletrodo utilizado.
Além disso, esse tipo de instrumentação também pode ser utilizado para estudo de reações eletroquímicas. Neste caso, a eletroanálise pode ajudar a entender as propriedades de um dado material como eletrodo para a reação desejada ou pode permitir avaliar melhor sistemas em que ocorrem muitas reações simultâneas e/ou consecutivas.
Exemplos de métodos eletroanalíticos são a Potenciometria, a Voltametria e a Coulometria. Mais informações sobre esse tipo de metodologia estão disponíveis aqui e aqui.
c) Métodos cromatográficos
A cromatografia é um método de separação aplicado à análise. Esta separação é baseada nas diferentes interações que os componentes de uma mistura apresentam nas fases móvel (líquido ou gás) e estacionária (líquido ou sólido). Usualmente, esta diferença resulta na retenção seletiva/específica de algum componente na fase estacionária.
Uma das principais vantagens dos métodos cromatográficos é a variedade de combinações entre fases que pode ser utilizada, o que permite uma faixa ampla de aplicações. Essa metodologia também permite a detecção e estudo de outros componentes da amostra, não se limitando ao analito de interesse.
Há vários tipos de cromatografia, cada um com suas peculiaridades. Estes tipos podem ser classificados pela forma física do sistema, pelos diferentes mecanismos de separação utilizados ou pelas fases móveis empregadas.
Quanto à forma física, a cromatografia pode ser em coluna ou planar. Os mecanismos de separação, por outro lado, podem ser: adsorção, partição, troca iônica ou exclusão. Já as fases móveis da cromatografia podem ser líquida, gasosa ou supercrítica.
Você pode explorar mais esse assunto no livro Métodos Cromatográficos, de Antônia Amorim (2019), disponibilizado pela Capes.
Caso tenha interesse em revisar ou aprender novas técnicas, a UNIVESP (Universidade Virtual do Estado de São Paulo) possui uma playlist completa no youtube em que são tratados conceitos gerais e técnicas específicas da Análise Instrumental. Não deixe de conferir!
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