Biossorção é um processo no qual um sólido de origem natural ou seus derivados são usados para a retenção de materiais (compos Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 68 Desenvolvimento de metodologia em sistema em fluxo para determinação de Cd em água usando erva mate e chá preto como adsorvente e espectrometria de absorção atômica em chama. Renata Mior, Joyce Nunes Bianchin, Edmar Martendal e Eduardo Carasek Departamento de Química, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis 88040-900, SC, Brasil. Resumo Neste estudo, novos métodos para determinação de cádmio em amostras biológicas certificadas usando mate (llex paraguariensis) e chá preto (Camellia sinensis, L.) como biossorventes em um sistema de pré-concentração on-line acoplado à espectrometria de absorção atômica de chama foram desenvolvidos. Variáveis de fluxo e químicas do sistema proposto foram otimizadas por meio de delineamentos multivariados. pH da amostra, concentração do tampão, vazão da amostra e massa do biossorvente foram as variáveis selecionadas. O limite de detecção para cádmio foi de 0,98 µg L-1 com precisão abaixo de 3,6% (35 µg L-1, n=6) para o biossorvente de mate e 0,97 µg L-1 com precisão abaixo de 4,4% (35 µg L-1, n=7) para o biossorvente de chá preto. Para ambos os biossorventes as curvas analíticas foram lineares de 5 a 50 µg L-1, com coeficiente de correlação de 0,9995. Os métodos desenvolvidos foram aplicados com sucesso a materiais de referência certificados (rim de porco e cabelo humano). Palavras-chave: biossorventes, FAAS; análise de injeção em fluxo; cádmio. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 69 Development of a methodology in a flow system for the determination of Cd in water using mate and black tea as adsorbent and flame atomic absorption spectrometry Abstract In this study new methods for determination of cadmium in certified biological samples using mate (llex paraguariensis) and black tea (Camellia sinensis, L.) as biosorbents in an on-line preconcentration system coupled to flame atomic absorption spectrometry was developed. Flow and chemical variables of the proposed system were optimized through multivariate designs. Sample pH, buffer concentration, sample flow rate and biosorbents mass were the selected variables. The limit of detection for cadmium was 0.98 µg L-1 with a precision below 3.6% (35 µg L-1, n=6) for mate biosorbent and 0.97 µg L-1 with a precision below 4.4% (35 µg L-1, n=7) for black tea biosorvent. For both biosorbents the analytical curves were linear from 5 to 50 µg L-1, with a correlation coefficient of 0.9995. The developed methods were successfully applied to certified reference materials (pig kidney and human hair). Keywords: biosorbents, F AAS; flow injection analysis; cadmium. 1. Introdução Biossorção é um processo no qual um sólido de origem natural ou seus derivados (biossorventes), são usados para a retenção de materiais (compostos, íons metálicos, etc.) em soluções devido à altas ‘‘forças atrativas” presentes entre os dois 1. Biossorventes são uma excelente alternativa para métodos de pré- concentração e separação de íons metálicos em baixas concentrações 2. Quando comparado com sorventes convencionais, que geralmente são de alto custo, mostra-se de alta eficiência, baixo custo, boa seletividade, ampla aplicabilidade e forte capacidade de recuperação de íons metálicos 3. A eficácia dos biossorventes depende, em grande parte, da sua composição bioquímica, principalmente dos grupos funcionais 4. Os principais componentes presentes em bissorventes são carboidratos e proteínas, nestes estão presentes diferentes grupos funcionais eficazes na biossorção, tais como grupos carboxílicos e grupos amina, o que torna um fator decisivo para a capacidade de adsorção de metais 5. Outros fatores importantes para a Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 70 capacidade de adsorção de um analito de uma solução pelo biossorvente estão relacionados à área superficial disponível e a cinética do processo de adsorção 6. Muitos estudos comprovam a capacidade de biossorção de uma grande variedade dos resíduos vegetais, tais como fibras de coco e de palma7,8, fibras de mamão9, caroços de azeitonas10, casca de arroz11, casca de maracujá amarelo12, vermecomposto13 entre outros. “Mate" ou erva-mate é uma bebida preparada como chá, na forma de infusão quente de folhas secas e ramos picados de Ilex paraguariensi. Uma planta natural da América do Sul, onde é amplamente consumida14, cafeína, ácidos fenólicos, fibras, proteínas, glicose, sacarose e flavonóides são as principais substâncias encontradas na erva mate15. O chá é a segunda bebida mais consumida no mundo, após a água. O chá preto é um dos mais comumente consumidos na Índia e nos países ocidentais, derivado da planta Camellia sinensis. Este é constituído principalmente de substâncias polifenólicos, carboidratos, proteínas e uma parte significativa de lignina, cinzas e aminoácidos16. Devido aos principais sítios ativos, os grupos fenólicos e grupos carboxílicos (-OH e -COOH) presentes na composição da erva mate e do chá preto, ocorre a interação entre estes biossorventes e os metais. Estes grupos são os responsáveis por um processo mais eficiente de adsorção17. Esta técnica de adsorção é conhecida com extração em fase sólida (SPE)18. Esta, tem se tornado cada vez mais popular para a pré-concentração de íons metálicos antes de sua determinação. Em comparação com métodos tradicionais apresenta as seguintes vantagens: elevado fator de pré-concentração, uma operação simples, a separação de fase é rápida, podem ser combinadas com diferentes técnicas de detecção e reduz tempo e custos19, 20. Dois processos de extração em fase sólida (SPE) utilizando cada um biossorvente como fase sólida, erva mate e chá preto, foram combinados com a espectrometria de absorção atômica em chama (FAAS). Otimização multivariada para a determinação de traços de Cd2+ em amostras certificadas foi utilizada. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 71 2. Procedimentos Experimentais Instrumentação Neste trabalho foi utilizado um espectrômetro de absorção atômica Varian SpectrAA 50 (Varian, Victória, Austrália), equipado com atomizador em chama, lâmpada de catodo oco de Cd(II) (Hitachi, HLA – 4S) e corretor de fundo (lâmpada de Deutério) para a determinação de Cd(II). As leituras de absorvância foram realizadas conforme as condições operacionais mostradas na Tabela 1. Uma bomba peristáltica da Ismatec - IPC, dotada de 8 canais e provida de tubos de Tygon® foi usada para bombear todas as soluções nas etapas de pré- concentração e eluição. Tabela 1. Parâmetros operacionais do espectrômetro de absorção atômicas em chama para Cd (II). Parâmetro Comprimento de onda (nm) 228,8 Corrente da lâmpada (mA) 4,0 Altura do queimador (mm) 17,0 Vazão de acetileno (L min-1) 1,0 Vazão de ar (L min-1) 10,0 Taxa de aspiração (mL min-1) 5,0 Reagentes e soluções As soluções utilizadas foram preparadas empregando-se água deionizada proveniente de um sistema de purificação de água Milli-Q® da Millipore® (Bedford, MA, USA). Todos os reagentes usados foram de grau analítico. A vidraria utilizada do laboratório foi lavada com detergente neutro 20% (v/v), mantida durante uma noite em solução de ácido nítrico 10% (v/v) e a seguir enxaguada com água deionizada. A partir de diluições adequadas de uma solução estoque (grau absorção atômica, Merck) de Cd(II) 10 mg L-1, soluções de trabalho foram preparadas. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 72 A solução de ácido nítrico utilizada como eluente foi preparada pela diluição de ácido nítrico concentrado (Merck, Darmstadt, Alemanha) em água. As soluções tampão foram preparadas a partir de amônia/cloreto de amônio (Merck, Darmstadt, Alemanha). Os biossorventes erva mate e chá preto utilizados foram adquiridos em um supermercado local (Florianópolis, Brasil). Sistema de Pré-concentração A erva mate e chá preto foram aplicados no sistema de pré-concentração automatizado. O sistema de análise é composto de uma bomba peristáltica, quatro válvulas solenóides de três vias e uma mini-coluna de TeflonP®, recheada com uma determinada massa do material adsorvente, que foi acoplada ao espectrômetro de absorção atômica em chama. A mini-coluna, com 100 mm de comprimento e 3 mm de diâmetro interno, foi preenchida em ambas as extremidades com pequena quantidade de lã de vidro, para evitar perda do material sorvente. As quatro válvulas solenóides de três vias foram acionadas por um programa de computador escrito em Quick BASIC 4.5. As etapas de adsorção e dessorção dos analitos, no sistema de pré-concentração em linha, foram controladas por tempo. Esse sistema de pré-concentração em linha é o mesmo sistema utilizado em nossos trabalhos anteriores13. O sistema de pré-concentração em linha foi otimizado pelo método multivariado, com a finalidade de determinar as condições químicas e de fluxo ótimas para o analito em estudo. As leituras dos sinais analíticos foram realizadas como área de pico. 3. Resultados e Discussão Otimização do sistema em fluxo Alguns testes preliminares foram realizados para verificar o comportamento da adsorção do Cd(II) frente ao pH da amostra nos adsorventes erva mate e chá preto. Verificou-se que ocorre adsorção na faixa de pH de 7 a 9. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 73 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 = fatores). Os quatro fatores escolhidos foram o pH da amostra, concentração do tampão (fosfato para a faixa de 7 a 9 e amônia para a faixa de 8 a 9), vazão da amostra e massa de adsorvente. Na Tabela 2 estão dispostos os níveis mínimos e máximos utilizados para realizar os 19 experimentos. Tabela 2. Fatores e níveis usados no planejamento fatorial para o sorvente erva mate e chá preto. Fator Mínimo (-) Ponto central (PC) Máximo (+) pH 7 8 9 Massa de adsorvente (mg) 50 75 100 Vazão da amostra (mL min-1) 3,0 4,3 5,6 Concentração do tampão (mol L-1) 0,010 0,045 0,080 A partir dos resultados obtidos e usando análise de variância (ANOVA) e probabilidade estatística (p = 0.05) foi construído o gráfico de Pareto para determinar a influência dos fatores e suas interações no sistema. As condições iniciais do sistema FIA-F AAS foram volume de amostra de 10 mL (a ser pré- concentrada), concentração de Cd(II) de 50 g L-1, o tampão usado foi o fosfato para pH 7 e 8 e amônia para pH 9. A resposta analítica foi a absorvância integrada. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 74 Figura 1. Gráfico de Pareto obtido do estudo de otimização das variáveis e suas significâncias para a pré-concentração de Cd(II) utilizando SPE com coluna preenchida com erva mate e detecção por FAAS. Como pode ser visto no Gráfico de Pareto (Figura 1), várias interações entre as variáveis foram estatisticamente significativas. A vazão da amostra foi estatisticamente significativa com valor de efeito igual a -2.33, indicando que a vazão no nível mínimo avaliado leva a maiores respostas. Esse é um comportamento que indica que em uma vazão de 5.6 mL min-1 não é suficiente para que todo o analito seja quantitativamente retido pelo sorvente, ou seja, a vazão da amostra está diretamente ligada à cinética de adsorção. Quando a adsorção é rápida uma alta vazão da amostra pode ser empregada, melhorando a frequência analítica. A interação entre o pH da amostra e a concentração do tampão indicam que há um efeito sinérgico entre as variáveis, e nesse caso, as duas variáveis devem se deslocar para seus níveis superiores para que haja uma melhora na resposta analítica. Em outras palavras, uma melhor resposta é obtida Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 75 com pH 9 e com concentração de tampão 80 mmol L-1. O pH da amostra em um sistema de adsorção onde há troca iônica depende das características ácido-base tanto do adsorvente quanto do analito. Para maximizar a adsorção, a superfície do sorvente deve estar acima de seu ponto isoelétrico (pH no qual as cargas negativas e positivas sobre a superfície do material é igual) e o metal na forma positivamente carregada. Como essas duas condições dificilmente podem ser satisfeitas simultaneamente, uma condição compromisso deve ser encontrada. A massa de adsorvente influencia a quantidade total de sítios ativos disponíveis para que a adsorção ocorra. Nesse trabalho 100 mg de adsorvente mostrou-se mais efetivo do que 50 mg, como esperado. Após a otimização do sistema utilizando erva mate como biossorvente, repetiu-se o planejamento fatorial completo para o chá preto, os fatores escolhidos foram os mesmos como mostra a tabela 2. Com os resultados obtidos no segundo planejamento fatorial completo e usando análise de variância (ANOVA) e probabilidade estatística (p = 0,05) foi construído o gráfico de Pareto (Figura 2) para determinar a influência dos fatores e suas interações no sistema usando chá preto como material adsorvente. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 76 Figura 2. Gráfico de Pareto obtido do estudo de otimização das variáveis e suas significâncias para a pré-concentração de Cd(II) utilizando SPE com coluna preenchida com chá preto e detecção por FAAS. A análise do gráfico de Pareto indica que as melhores condições de extração são muito similares àquela obtida para o biosorvente erva mate , ou seja, 100 mg de adsorvente, pH da amostra igual a 9, concentração de tampão igual a 80 mmol L-1, vazão da amostra de 4 mL min-1. Em ambos os materiais observou- se uma retenção quantitativa do analito. A partir dos resultados obtidos foi feita uma otimização final envolvendo o pH da amostra e massa de material biossorvente através de um planejamento composto central, esse gerou uma superfície de resposta para as condições ótimas de extração do Cd (II) utilizando erva mate, como mostra a Figura 3. A otimização para o biossorvente erva mate resultou em uma faixa de pH ótima de 8,0 a 10,0 e uma massa de sorvente de 90 a 150 mg. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 77 Figura 3. Superfície de resposta obtida a partir do gráfico de Pareto pH versus massa de biossorvente erva mate.Concentração de tampão 80 mmol L-1, Vazão da amostra: 4mL min-1 e concentração de cádmio na amostra: 50 g L-1. Com o objetivo de comparar a capacidade de adsorção do analito dos dois biossorventes em estudo, o planejamento composto central foi repetido para o chá preto, gerando uma superfície de resposta com as condições ótimas para a extração de Cd(II), como mostra a Figura 4. O planejamento composto central demonstrou que as condições ótimas para um máximo de eficiência de sensibilidade, a partir da superfície resposta, foram faixa de pH 8,0 a 10,0 e a massa de boissorvente de 80 a 150 mg. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 78 Figura 4. Superfície de resposta obtida a partir do planejamento composto central, pH versus massa de biossorvente chá preto. Concentração de tampão 80 mmol L- 1, Vazão da amostra: 4mL min-1 e concentração de cádmio na amostra: 50 g L-1. A partir das variáveis otimizadas foram obtidos os principais parâmetros analíticos de mérito para ambos biossorventes e os resultados estão dispostos da Tabela 3. A fim de verificar a aplicabilidade e a precisão da metodologia proposta para determinação de cádmio, esta foi aplicada em duas amostras biológicas certificadas. Os resultados das duas amostras biológicas certificadas são mostrados na Tabela 4. Tabela 3. Parâmetros analíticos de mérito para a determinação de cádmio para ambos biossorventes. Parâmetros Erva Mate Chá preto Faixa linear (µg L−1) 3 – 50 μg L-1 3 – 50 μg L-1 Coeficiente de correlação (R) 0.9995 0.9994 RSD% (35 µg L−1, n = 6) 3.5 4.4 Limite de detecção (µg L−1) 0.9 μg L-1 0.9 μg L-1 Limite de quantificação (µg L−1) 3.0 μg L-1 3.0 μg L-1 Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 79 Tabela 4. Resultados (µg g−1) obtidos para a determinação de Cd em amostra biológica por FAAS (n = 4; 95% nível de confiança), utilizando erva mate como biossorvente. Amostra Certificada Encontrado* Human Hair (BCR-397) 0.521 ± 0.024 0.544 ± 0.039 Pig Kidney (BCR-186) 2.71 ± 0.15 2.82 ± 0.52 * Media do valor para n = 4 ± confidence interval at 95%. Observa-se de acordo com a tabela 4 que os resultados não são estatisticamente diferentes dos valores certificados, demonstrando adequadas precisão e exatidão do método desenvolvido, e que estes dois novos materiais propostos podem ser aplicados com sucesso como sorvente para determinação de cádmio em tais amostras complexas. 4. Conclusões Os dois biossorventes propostos nesse trabalho se mostraram muito eficientes na retenção de cádmio tanto de amostras de água quanto de dois materiais biológicos certificados digeridos. Ambos os materiais se mostraram estáveis durante a realização de todo trabalho. A aplicação de ferramentas quimiométricas mostrou-se adequada para otimização do sistema proposto e apresenta a vantagem de mostrar a interação simultânea entre as variáveis e menos experimentos são realizados quando comparado com a otimização univariada. O sistema em linha FI-FAAS foi simples, eficiente e apresentou boa exatidão e precisão para as amostras analisadas. Ambos sorventes propostos podem ser utilizados para retenção de outros íons metálicos em solução. Referências [1] U. Farooq, J. A. Kozinski, M. A. Khan, M. Athar, Bioresource Technol., 101 (2010) 5043. Eclética Química, 39, 68-80, 2014. 80 [2] D. Mendil, M. Tuzen, M. Soylak, J. Hazard. Mater., 152 (2008) 1171. [3] H. Yin, B. He, H. Peng, J. Ye, F. Yang, N. Zhang, J. Hazard. Mater., 158 (2008) 568. [4] S. Schiewe, A. Balaria, Chem. Eng. J., 146 (2009) 211. [5] B. Yuncu, F. D. Sanin, U. Yetis, J. Hazard. Mater., 137 (2006) 990. [6] L. C. S. Ferreira, V. A. Lemos, R. E. Santelli, E. M. Ganzarolli, A. J. Curtius, Microchem. 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