EQ03-AF Introdução O níquel é um elemento natural muito abundante no meio ambiente e pode ser combina- do com outros metais, tais como ferro, cobre, cromo e zinco, para formar ligas [1]. A importância da determinação de íons de elementos de transição, tais como Ni(II), em amostras ambientais, é bas- tante enfatizada devido a sérios riscos que esses elementos causam ao sistema biológico. As princi- pais fontes de Ni(II) em sistemas aquáticos são provenientes da dissolução das rochas e solos, cic- los biológicos, e especialmente de processos indus- triais [2]. Sabe-se que a inalação de compostos que 25Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 www.scielo.br/eq www.ecletica.iq.unesp.br Volume 33, número 4, 2008 Otimização multivariada e aplicação do sorvente SiO2-Nb2O5 para determinação em linha de Ni(II) em matriz aquosa J. N. Bianchin, R. Mior, E. Martendal, J. S. Carletto e E. Carasek*. Departamento de Química, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis 88040900, SC, Brazil *ecarasek@hotmail.com Resumo: Neste estudo foi desenvolvido uma metodologia para determinação de Ni(II) em amostras de água usando a extração em fase sólida (SPE) em um sistema por injeção em fluxo (FI) e detecção por espectrometria de absorção atômica em chama (F AAS). O adsorvente utilizado para a extração e pré-con- centração do Ni(II) foi a sílica gel modificada com óxido de nióbio(V). Variáveis químicas e de fluxo do sistema em linha foram otimizadas usando planejamento fatorial completo (N = 2k + 3). As condições ini- ciais do sistema FI-F AAS foram volume de amostra de 10 mL e concentração de Ni(II) de 100 µg L-1. O tampão Sörensen foi selecionado neste estudo. A resposta analítica utilizada foi absorvância integrada. Após a otimização foram obtidos os parâmetros analíticos de mérito: faixa linear de trabalho estudada de 5-100 µg L-1; R = 0.9999; RSD = 1,5% (35 µg L-1, n = 7); limite de detecção de 0,8 µg L-1; limite de quan- tificação de 2,7 µg L-1 e fator de enriquecimento de 92,25. Foram analisadas amostras de água do rio Araranguá e a da rede de abastecimento da cidade de Florianópolis, ambas do estado de Santa Catarina. As duas amostras não apresentaram concentração de níquel acima do limite de detecção e após fortificação das mesmas os valores de recuperação foram na faixa de 100,2 a 103,8%. Palavras-chave: F AAS; Análise por injeção em fluxo; SiO2-Nb2O5; Níquel. contém Ni(II) podem trazer sérios danos à saúde, incluindo o câncer do sistema respiratório [1]. Além disso, o desgaste de jóias feitas de ligas de níquel tais como anéis, correntes e braceletes, pode ocasionar em algumas pessoas uma doença de pele, conhecida como níquel-eczema [1]. Esses metais encontram-se, em geral, em concentrações-traço e por isso é necessário o desenvolvimento de métodos analíticos que pos- sibilitem suas determinações quantitativas de acordo com os crescentes níveis de exigência das organizações governamentais. A espectrometria de absorção atômica em chama (F AAS) é uma das técnicas mais uti- EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 25 lizadas para a determinação de vários elementos metálicos e semimetálicos em diferentes tipos de amostras, com boa precisão e exatidão [3]. Apesar disso, existem muitas dificuldades para a determinação de traços de metais em amostras ambientais devido à baixa concentração do anali- to e/ou efeitos de matriz. Sendo assim, etapas de separação e pré-concentração podem ser necessárias para a viabilização da análise. O iso- lamento e o enriquecimento do analito pode ofe- recer vantagens como minimização dos efeitos de matriz e abaixamento do limite de detecção, per- mitindo a aplicação de uma instrumentação sim- ples e de menor custo de aquisição e manutenção para a quantificação do analito, além de facilitar a automação das análises [4]. A extração em fase sólida (SPE) é uma técnica muito empregada para a extração de anal- itos presentes em matrizes complexas. A SPE emprega cartuchos recheados com sorventes e os mecanismos de retenção são idênticos àqueles envolvidos em cromatografia líquida em coluna [5]. A fácil adaptação de mini-colunas para pré- concentração em sistema em fluxo, o uso de pequenas quantidades de eluente e a disponibili- dade de vários sorventes são vantagens impor- tantes desta técnica [6]. A sílica gel tem sido muito usada como suporte para a imobilização de uma grande varie- dade de moléculas, organo ou inorganofun- cionais, obtendo-se materiais para diferentes apli- cações, tais como empacotamento para coluna cromatográfica, suporte para catálise homogênea, matriz para imobilização de enzimas e adsorvente de íons em solução [6]. Existe um grande número de publicações que discutem as propriedades de adsorção e aplicações para sílica modificada com óxidos metálicos [2], podendo-se tomar como exemplo o óxido de nióbio(V) ancorado sobre sílica gel. Este material apresenta algumas carac- terísticas como: grande capacidade de troca iôni- ca, estabilidade operacional, resistência elevada à solubilização em diversos solventes, mantendo suas propriedades de troca iônica após um grande número de extrações, sem perder suas caracterís- ticas. Esta capacidade de troca iônica está atribuí- da aos sítios ácidos de Lewis e a reação envol- vendo um ou vários grupos hidroxilas dos sítios ácidos de Bronsted [7]. A análise por injeção em fluxo (FIA) é uma técnica onde se efetua a análise em série com operações de separação. No sistema FIA, uma solução amostra, em condições previamente otimizadas, é injetada no sistema geralmente com auxílio de uma bomba peristáltica. A espécie analítica presente na amostra, ao passar pela mini-coluna, é extraída pelos sítios ativos do material extrator e a quantidade de analito retido na coluna é proporcional à vazão da amostra e ao tempo de pré-concentração. O analito é extraído da mini-coluna com o auxílio de um eluente apro- priado, onde a solução resultante contendo o analito é deslocada até um detector e o sinal analítico é monitorado [8]. Atualmente a possibilidade de obtenção de uma grande quantidade de dados numéricos tem crescido em todos os campos da ciência, incluindo a química analítica, devido ao desen- volvimento de novas técnicas e instrumentação que permitem uma resposta de forma mais rápida. Neste contexto, a aplicação de ferramentas estatísticas é de fundamental importância, princi- palmente para explorar e entender uma gama crescente de dados e informações originadas de um sistema [9]. O planejamento para um experi- mento pode ser do tipo multivariado, em que todos os experimentos são feitos antes da análise dos resultados, e do tipo univariado, em que o resultado do experimento anterior determina as condições a serem usadas no experimento seguinte [10]. As principais desvantagens da análise univariada são o grande número de ensaios necessários para otimização e a falta de informações acerca das interações entre a variá- vel em estudo e as demais variáveis que afetam o sistema. Técnicas envolvendo otimização multi- variada estão sendo preferencialmente aplicadas em procedimentos analíticos por permitirem otimizar simultaneamente todas as variáveis com reduzido número de experimentos e ainda fornecerem dados acerca da interação entre as variáveis [10]. Entre estas técnicas, o planejamento fatorial completo é bastante empregado para avaliar a sig- nificância de variáveis [8]. O número de experi- mentos requeridos para isto é calculado como N = 2k, onde k é o número de variáveis. Quando há ape- nas variáveis quantitativas podem-se usar pontos 26 Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 26 centrais, neste caso três replicatas, resultando em N = 2k +3, garantindo melhor ajuste do erro estatísti- co. A matriz Doehlert é um planejamento uniforme proposto por Doehlert em 1970 e tem sido muito usado para otimização de duas variáveis, consistin- do de um ponto central e seis pontos formando um hexágono, situado em um círculo [8]. Neste trabalho, o planejamento fatorial completo e matriz Doehlert foram usados para otimização das variáveis de um sistema de pré-con- centração em linha com detecção por espectrome- tria de absorção atômica em chama (F AAS) com o objetivo de aplicar o sorvente promissor de sílica gel modificada com óxido de nióbio (V) para deter- minação de Ni(II) em matrizes aquosas. Material e métodos Instrumentação Um espectrômetro de absorção atômica Varian SpectrAA 50 (Varian, Victória, Austrália), equipado com atomizador em chama, lâmpada de catodo oco de Ni(II) (Hitachi, HLA – 4S) e corre- tor de fundo (lâmpada de arco de Deutério) foi usado para a determinação de Ni(II). As leituras de absorvância foram realizadas conforme instruções do fabricante. Uma bomba peristáltica da Ismatec - IPC, provida de 8 canais e de tubos de Tygon®, foi usada para bombear todas as soluções nas eta- pas de pré-concentração e eluição. Reagentes e soluções Todas as soluções foram preparadas empregando-se água deionizada proveniente de um sistema de purificação de água Milli-Q® da Millipore® (Bedford, MA, USA) e todos os reagentes usados foram de grau analítico. A limpeza dos aparatos de laboratório foi feita com o uso de uma solução 2% (v/v) de Extran® Merck (Darmstadt, Alemanha) por imersão por 24 h, enxaguados com água destilada, então sub- mersos durante 48 h em solução 20% (v/v) de ácido nítrico Vetec (Rio de Janeiro, Brasil) e banho de ultra-som por 1 h, a seguir foram en- xaguados com água deionizada. Soluções de tra- balho foram preparadas, diariamente, a partir de diluições adequadas de uma solução estoque (Merck) de Ni(II) 1008 mg L-1 . 27Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 Solução de ácido nítrico utilizada como eluente foi preparada pela diluição de ácido nítri- co concentrado (Merck,) em água. Sistema de pré-concentração em fluxo A sílica modificada com óxido de nióbio (V) foi aplicada em um sistema de pré-concen- tração automatizado. O módulo de análise é com- posto de uma bomba peristáltica, quatro válvulas solenóides de três vias e uma mini-coluna de Teflon®, preenchida com 100 mg do material adsorvente, que foi acoplada ao espectrômetro de absorção atômica com chama, conforme mostra a Figura 1. A mini-coluna, com 55 mm de compri- mento e 3 mm de diâmetro interno, foi preenchida em ambas extremidades com pequena quantidade de lã de vidro, para evitar perda da sílica modifica- da. A mini-coluna foi estável durante todos os experimentos. As quatro válvulas solenóides de três vias foram acionadas por um programa de computador escrito em Quick BASIC 4.5. As eta- pas de adsorção e dessorção dos analitos, no sis- tema de pré-concentração em linha, foram contro- ladas por tempo. O sistema de pré-concentração em linha foi otimizado pelo método multivariado, com a finali- dade de determinar as condições químicas e de fluxo ótimas para o analito em estudo. Na etapa de adsorção do analito pelo material adsorvente conti- do na mini-coluna (Figura 1A), a válvula V1 foi acionada, e as demais permaneceram desligadas. A solução de trabalho flui através da válvula V1, mini-coluna e válvula V2, respectivamente, sendo o efluente descartado. Neste estágio, ocorre a troca iônica na mini-coluna. Ao mesmo tempo o eluente, uma solução de HNO3, é bombeado para o seu próprio frasco através da linha de retorno. Na etapa de dessorção do analito ligado aos sítios ativos do material extrator (Figura 1B), a válvula V1 foi desligada e as válvulas V2, V3 e V4 foram acionadas pelo programa do computa- dor. O eluente, uma solução de HNO3 1 mol L-1 percola pelas válvulas V2, V3 e mini-coluna, respectivamente. O eluato, que é o eluente mais o analito, ao passar pela válvula V4, foi introduzido diretamente no sistema nebulizador-queimador do espectrômetro. O fluxo do eluente passou pela mini-coluna no sentido contrário ao fluxo da solução de trabalho. As leituras dos sinais analíti- EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 27 28 Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 µg L-1, sendo o tampão usado Sörensen 0,01mol L- 1 e resposta analítica a absorvância integrada. A Figura 2 ilustra o gráfico de Pareto, onde são observadas as variáveis e suas significâncias. Como pode ser visto no Gráfico de Pareto os fatores concentração do eluente, pH, vazão do eluente e a interação entre eles são estatisticamente significantes. A vazão da amostra foi mantida con- stante, pois a mesma apresentou significância pequena frente às outras variáveis. Por possuir um sinal negativo, a melhor vazão encontra-se entre o ponto médio e o inferior, sendo então fixado o cos foram realizadas como área de pico. Como a linha de base aumentava com o decorrer do tempo, a leitura do branco do equipamento era realizada após a medição de cada replicata. Todas as análises foram feitas em duplicata. Resultados e discussão A otimização do sistema em linha foi feita pelo método multivariado usando planejamento fatorial completo (N = 2k +3, com k = 4, onde: N = número de experimentos e k = número de fatores). Foram otimizados quatro fatores: pH amostra, con- centração do eluente (HNO3), vazão da amostra e do eluente. Na Tabela 1 estão dispostos os níveis mínimos e máximos utilizados para realizar os experimentos. A partir dos resultados obtidos e usando análise de variância (ANOVA) e probabilidade es- tatística (p = 0,05) foi construído o gráfico de Pareto para determinar a influência dos fatores e suas inter- ações no sistema. As condições iniciais do sistema FI-F AAS foram: volume de amostra a ser pré-con- centrada de 10 mL, concentração de Ni(II) de 100 Tabela 1. Variáveis e níveis (fatores) usados no planejamento fatorial. Variável Mínimo Ponto Máximo (-) Central (+) pH da amostra 5 6 7 Concentração do eluente (mol L-1) 0,5 1.25 2,0 vazão da amostra (mL min-1) 4 6.5 7 Vazão do eluente (mL min-1) 4 5 6 Figura 1. Diagrama do sistema de pré-concentração em linha utilizado neste estudo. (A) processo de adsorção e (B) processo de desorção. V: válvula, L: caminho livre, D: caminho para descarte, MC: mini-col- una contendo o adsorvente, R: retorno da amostra ou eluente, circulo achurado: válvula aberta e circulo branco: válvula fechada. EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 28 ponto médio como vazão da mostra, visto que, de acordo com o gráfico de Pareto, uma vazão menor resultaria em pequeno ganho de sinal analítico em detrimento à freqüência analítica. Desta forma foram desenvolvidos dois planejamentos Doehlert envolvendo as váriáveis pH e concentração do eluente (matriz Doehlert 1) e concentração do eluente com a vazão do elu- ente (matriz Doehlert 2) para obtenção dos val- ores ótimos de cada fator. Os 7 experimentos requeridos em cada matriz Doehlert foram feitos em duplicata e estão mostrados nas Tabelas 2 e 3. Os resultados obtidos nas duas matrizes 29Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 doehlert foram tratados gerando superfícies respos- ta. O planejamento matriz doehlert 1 (pH x Concentração do eluente) demonstrou que as condições ótimas para um máximo de absorvância, a partir da superfície de resposta, foram pH 5,66 e concentração do eluente de 0,84 mol L-1. A Figura 3 mostra a superfície resposta da matriz Doehlert 1 utilizada para otimização final do sistema FI-F AAS O planejamento matriz Doehlert 2 (concentração do eluente versus vazão do elu- ente) demonstrou que as condições ótimas para um máximo de absorvância foram vazão de elu- ente de 3,8 mL min-1 e concentração do eluente de 0,8 molL-1. A Figura 4 mostra a superfície Figura 2. Gráfico de Pareto obtido no estudo de otimização das variáveis e sua significância no processo de pré-concentração de Ni(II) usando SPE com mini-coluna de silica gel modificada com óxido de nióbio e detecção por F AAS. Tabela 2. Níveis, variáveis (fatores) e sinais analíticos obtidos para a metodologia de superfície de resposta gerada pela matriz Doehlert (matriz 1) usando SPE com mini-coluna de silica gel modificada com óxido de nióbio(V) e detecção com F AAS. Corrida pH da Concentração Absorvância amostra do eluente integrada (mol L-1) 1 5 0,875 0,6635 2 5,25 0,5 0,6583 3 5,25 1,25 0,6572 4 5,5 0,875 0,7339 5 5,75 0,5 0,704 6 5,75 1,25 0,6855 7 6 0,875 0,7116 Tabela 3. Níveis, variáveis (fatores) e sinais analíticos obtidos para a metodologia de superfície de resposta gerada pela matriz Doehlert (matriz 2) usando SPE com mini-coluna de silica gel modificada com óxido de nióbio(V) e detecção com F AAS. Corrida pH da Vazão do Absorvância amostra eluente integrada (mol L-1) (mL min-1) 1 0,5 4.5 0,6606 2 0,69 4 0,7214 3 0,69 5 0,6638 4 0,88 4,5 0,6850 5 1,07 4 0,7265 6 1,07 5 0,6533 7 1,26 4,5 0,6561 Figura 3. Superfície de resposta obtida da matriz Doehlert para a otimização do pH da amostra e con- centração do eluente na determinação de Ni(II) em amostras aquosas por FI-F AAS. EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 29 resposta da matriz Doehlert 2 utilizada para otimização final do sistema FI-F AAS. Os resultados de ambas as matrizes Doehlert são concordantes, pois foi obtido, na matriz Doehlert 1 (pH versus concentração do eluente) um sinal máximo da absorvância integrada de 0,72 e concentração do eluente 0,80 molL-1, sendo que na matriz Doehlert 2 (concen- tração do eluente versus vazão do eluente) o sinal máximo de absorvância integrada foi de 0,74 e a concentração do eluente 0,85 mol L-1. A partir das variáveis otimizadas foram obtidos os parâmetros analíticos de mérito e os resultados estão dispostos da Tabela 4. 30 Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 Figura 4. Superfície de resposta obtida a partir da matriz Doehlert para a otimização da concentração do eluente e vazão da amostra na determinação de Ni(II) em amostras aquosas por FI-F AAS. Tabela 4. Parâmetros analiticos de mérito para a deter- minação de Ni(II) utilizando a metodologia proposta. Faixa linear* 5 – 100 µg L-1 Coeficiente de correlação (R) 0.9999 RSD (35,0 µg L-1, n = 7) 1,5 % Limite de detecção 0,8 µg L-1 Limite de quantificação 2,7 µg L-1 Factor de enriquecimento (FE) 92,25 *faixa linear estudada. A metodologia de análise pode ser avalia- da pela aplicação de testes de recuperação, que consiste em adicionar à amostra uma determina- da quantidade do analito. A concentração final deve ser igual à soma da concentração medida do analito na amostra e da concentração adicionada. Assim, o valor recuperado de analito que foi adi- cionado é a diferença entre o valor medido antes e após a adição sendo este representado na forma de percentual do valor adicionado, e é geralmente aceitável recuperações entre 80% e 120%. O sis- tema em fluxo proposto foi utilizado para a deter- minação de Ni em amostras de água da rede de abastecimento (Florianópolis, SC) e de água do rio Araranguá (Araranguá, SC). Para verificar a exatidão do método, foram aplicados testes de recuperação, adicionando-se alíquotas para con- centrações adicionais de Ni (II), respectivamente, 15,0 e 35,0 µg L-1 em ambas as amostras. Neste trabalho a recuperações para águas da rede de abastecimento de Florianópolis e do rio Araranguá foram de 92 a 104%. Conclusões A otimização do sistema proposto, uti- lizando método multivariado foi adequada, apresentando a vantagem de mostrar a inter- ação simultânea entre as variáveis e um menor número de experimentos necessários para a otimização, comparado com a otimização uni- variada. O sistema em linha FI-F AAS foi sim- ples e eficiente, tendo como característica a alta estabilidade operacional do sorvente emprega- do, que manteve suas características inalteradas durante todo o trabalho. Por se tratar de um método automatizado, uma alta precisão foi alcançada. Além disso, a metodologia apresen- tou limite de detecção comparável com os apre- sentados na literatura [11]. Recebido em 17 de abril de 2008 Aceito em 14 de outubro de 2008 EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 30 Referências Bibliográficas [1] S. L. C. Ferreira, W. N. L. Santos, V. A Lemos, Anal. Chim. Acta 481 ( 2003) 283-290. [2] A. R. Khorrami, N. Hossein, A. R. Fakhari, Talanta 64 (2004) 13-17. [3] H. F. Maltez, E. Carasek, Talanta 65 (2005) 537-542. [4] R. C. Costa, A. Araújo, Química Nova 24 (2001) 588-591. [5] R. Barrionuevo, F. M. Lanças, Química. Nova 24 (2001) 172-175. [6] H. F. Maltez, E. Carasek, Talanta 74 (2007) 586-592. [7] A. C. Pereira, L. T. Kubota, Química Nova 27 (2004) 725- 729. [8] R. L. Dutra, H. F. Maltez, E. Carasek, Talanta 69 (2006) 488-493. [9] E. R. Pereira-Filho, R. J. Poppi, M. A. Z. Arruda, Química Nova 25 (2002) 246-253. [10] M. G. R. Vale, I. C. F. Damin, A. Klassen, M. Silva, B. Welz, A. F. Silva, F. G. Lepri, D. L. G. Borges, Microchem. Journal 77 (2004) 131-140. [11] J. Suvardhan, D. Kumar, P. Subramanyam, P. R. Prasad, Y. Lingappa, P. D. Rekha, K. Chiranjeevi, J. Hazard. Mat. 146 (2007) 131-136. 31Ecl. Quím., São Paulo, 33(4): 25-32, 2008 J. N. Bianchin, R. Mior, E. Martendal, J. S. Carletto and E. Carasek. Multivariate optimization and application of silica gel chemically modified with Niobium (V) oxide for the determination of Ni (II) in aqueous matrices in an on-line system . Abstract: In this study a new method for Ni(II) determination in aqueous samples using solid phase extraction coupled to a flow injection system and flame atomic absorption spectrometry was devel- oped. The sorbent used for Ni(II) preconcentration and extraction was silica gel chemically modified with niobium(V) oxide. Flow and chemical variables of the system were optimized through a multi- variate procedure. The factors selected were buffer type, eluent concentration, and sample and eluent flow rates. The detection limit was 0.8 µg L-1 and the precision was 1.5%. Results for recovery tests using different environmental samples were between 100.2 and 103.8%. Keywords: F AAS; flow injection analysis; SiO2-Nb2O5; nickel. EQ03-AF 11/12/08 9:49 Page 31