Métodos de Preparo de Amostras para Determinação de 15 N por IRMS.
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Métodos de Preparo de Amostras Métodos de Preparo de Amostras
para Determinação depara Determinação de1515N por IRMSN por IRMS
Análise de Nitrogênio (15N) em IRMS
N-combinado
N-inorgânico (N-NH4+, N-NO3, N-NO2)
N-orgânico
(matéria orgânica)
(N- mineral)
N2
N-combinado N2
Métodos Convencionais de Preparo de Amostras
Método por via úmida:
Kjeldahl-Rittenberg
Oxidante
H2O2 // KMnO4
N-orgânico N-mineralmistura
digestora +
Sal
Li2SO4
Catalisador
Se, HgOÁcido
H2SO4
2NH3+ 1H2SO4 (NH4)2SO4
* 1948: Kjeldahl-Rittenberg (NH4 N2)
* Kjeldahl: N-combinado N-amoniacal
conversão
H2SO4 (c) +
* Atualmente: muitas variações método
Etapas
coleta
secagem (60oC)
moagem (150 m)
pesagem (0,1 – 0,2 g)
Tubo de ensaio
Capela
Bloco digestor(340oC)
Tubo de digestão
Mistura digestora
Digestão incompleta Digestão completa
5 h
extrato(NH4)2SO4
Destilação por arraste vapor
Difusão amoniacal
Destilação por arraste vapor
destilador
H2O
NH3H2O(v)
(NH4)2SO4
NaOH
H3BO3caldeira
extrato
sistema refrigeração
(NH4)2SO4 + 2NaOH 2NH4OH + Na2SO4
NH3 + H3BO3 NH4H2BO3 (borato de amônio)
Titulação
2NH3 2H2O+
NH4H2BO3 + H2SO4
H3BO3 + (NH4)2SO4
Titulação: N-total
início fim
Secagem
(NH4)2SO4 + LiOBr
N2 + H2SO4 + H2O + LiBr
1948: Kjeldahl-Rittenberg (NH4 N2)
(NH4)2SO4
60oC
(sal)MS
Tubo em Y de Rittenberg (Fonte: Mulvaney, 1993).
LiOBr
(NH4)2SO4
- 196 oCarmadilha criogênica
IRMS(vista parcial)
N2
Br2
H2O
N2
Sistema deadmissão
Fonte de ionização Analisador Detector
Íons: ImpulsoselétricosÍons
Moléculas:íonsMoléculas
Alto vácuo
IRMS
Recuperação do resíduo contendo BrRecuperação do resíduo contendo Br
25
Resíduo (LiBr + LiOH)
Sol. Ácido Sulfúrico
Sol. LiOH
Adição de ácido sulfúricoAdição de ácido sulfúrico
Sol. LiOH
Fim da reaçãoFim da reação
Li OBr +LiOH
Destilação de amônia Dest. Incompleta. Contaminação cruzada durante a destilação
Concentração de amostras de Perdas de amônio como amônia. Contaminaçãoamônio de amônio da amostra por NH3 da atmosfera
Etapa Fonte de erro
Conversão do N-combinado do Uso de métodos de digestào não espec.material orgânico a forma NH4
+ de conversão. Conversão incompleta
Conversão do amônio a N2 na
Remoção incompleta, antes da reação, do N2
reação com LiOBr
dissolvido na solução ou no tubo de reação. Incompleta conversão do NH4 a N2. Falha na
recuperação do N2 dissolvido, produto da reação com LiOBr. Vazamento de ar atm. Para
o interior do tubo de reação.
Possíveis erros envolvidos no preparo de amostrasde nitrogênio (N2) para determinação de 15N comuso de LiOBr (fonte: Hauck & Bremmer, 1976).
Difusão
amoniacal
Micro-difusão
amoniacal
Difusão
N-NH4+
extratodigerido
Tubo digestão-difusão
extrato digerido
Solo/Planta
KHSO4 ou H2SO4
NaOH (10 ml - 18 M)
Tubo digestão-difusão
NH3
Titulação(base)H2SO4 exc.
Recuperação N-NH4
+
(140oC - 24h)
(NH4)2SO4 + 2NaOH 2NH4OH + Na2SO4
N-total
20
40
60
80
100
120
Tempo de difusão amônia (h)
8 24 48 72 96 168
% d
ifu
são 80oC
140oC
(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) v = 70 mL – 1 mg N (80oC n=8, 140oC n=10)
Tempo x temperatura (vfixo)
Tempo x temperatura (vfixo)
(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) v = 70 mL – 1 mg N (80oC n=8, 140oC n=10) - % átomos do padrão 1,3161
1,286
1,290
1,294
1,298
1,302
1,306
1,310
1,314
0 24 48 72 96 120 144 168 192
% á
ts 1
5N
Tempo de difusão amônia (h)
80oC
140oC
padrão
40
60
80
100
120
Volume (mL)50 30 10
24 h
8 h
Volume x tempo (Tcte = 140oC)%
di f
usã
o
(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) 140oC (8 h, n=4, 24h, n=5
1,300
1,304
1,308
1,312
1,316
1,320
% á
ts 1
5N
50 30 10
padrão
Volume x tempo (Tcte = 140oC)
(Fonte: O`Deen & Porter, 1979) 140oC (8 h, n=4, 24h, n=5
24 h
8 h
Difusão
N-solo: NH4+, NO3
- e NO2-
N-inorgânico soloextrator
KCl
Keenney & Nelson, 1982
(1:3 a 1:10 de solo:extratante)
destilador
extrato
NH3
H2SO4
N-NH4+
1a difusão
MgO(alcali)
(NH4)2SO4atenção
2a difusão
redução: nitrato e nitrito
N-NO3+ NO2
Liga de Dewarda
Cu (50%) + Al (45%) + Zn (5%)
H2SO4
troca
adição
NH3
(NH4+)
Difusão
N-mineral extratos solo
Desenv. técnica
Brooks et. al. (1989)
difusão N-mineral extratos de solo
frasco
especialfinalidade
disco (papel
microfibra vidro)
amostra
MgO+
Liga de Dewarda
10lKHSO4
2,5 M
extratorKCl
ms = 50 a 100 g NANCA-SL
(adaptada de Brooks et al, 1989)
Volume da N na Ácidosolução solução ("TRAP")
(mL) (mg L-1) Média SD
40 2 KHSO4 100
60 2 H2SO4 96
5 20 KHSO4 103 40 20 H2SO4 101
Tabela 1. Recuperação de 15N de solução padrãopara armadilha com ácido em papel (n=5); Tempo 140h.
0
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160
tempo difusão (h)
N r
em
an
esc
en
te n
a s
olu
ção
, %
40 mL.2mgN L-1 KHSO4
60 mL.2mgN L-1 KHSO4
40 mL.20mgN L-1 H2SO4
(fonte: Brooks et al, 1989) solução padrão KCl papel microfibra vidro
Difusão de NH3
Primeira Variante do Método da Micro-Difusão
Desenvolvido no LIE-CENA
Microdifusão
N-inorgânico
Desenv. técnica
Mortatti et al (2002)
tempo volatilização velocidade analítica
difusão
vácuofinalidade
(Fonte: Mortatti et al., 2002)
Aplicações:
Baixos teores N:
águas fluviais,
residuárias e
extratos de solo
Baseia-se:
Técnica difusão
amonical (sistema
fechado à vácuo)
Micro-difusão
N-inorgânico
N-amoniacal
Formas de N - dissolvido águas
N-inorgânico
NH4+ NO3
- NO2-
N-nítrico
50 e 125 mL
Materiais
Erlenmeyers
Cachimboborossilicato
Bomba vácuo
Amostra(20 mL)
10 µL solução padrão
Sulfato de Amônio
(δ15N = +20 %o)
Testes do Método
filtro de fibra de vidro cachimbos
vazador
Método
10 mm diâmetro
10 µL - KHSO4
(2,5 M)
MgO
(200 mg)
Vácuo
(bomba manual)380 mmHg = 0,5 atm = 50,7 kPa
Método
Entrada MgO
NH4 + MgO Mg(OH)2 + NH3
NH3 + KHSO4 KSO4 + NH4
alcalinização volatização
Método
Método
Estufa
(8 h, 40ºC)
Dessecador
Ambiente livre NH3
H2SO4 (con)
0
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100
15N
-(N
H4)
2SO
4 (‰
)
60oC 40oC 25oC
sem vácuo
com vácuo
tempo de difusão = 1, 2, 4, 8, 12, 48, 72 e 96 h
Erlenmeyer = 50 mL
8 h
Testes difusão (NH3)
20 mL solução; 200 mg MgO e 10 L de KHSO4 2,5 M
0
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100Tempo (h)
sem vácuo
com vácuo
60oC 40oC 25oC
15N
-(N
H4)
2SO
4 (‰
)Erlenmeyer = 125 mL
Testes difusão (NH3)
tempo de difusão = 1, 2, 4, 8, 12, 48, 72 e 96 h
fonte: Mortatti et al (2000)
Segunda Variante do Método da Micro-
Difusão Desenvolvido no LIE-CENA
1) Fita de PTFE Concentração do N-
amônio por microdifusão
2) Filtro GF/D
3) KHSO4 (10L; 2,5M)4) Tampar e
selar
5) Extrato + MgO +
filtro
6) Agitação
7) Secagem
Espectrômetro
De Massas
(Fonte: D’Andrea et al., 2011)
Filtro cápsula estanho
Análise isotópica
ANCA-SL
Método
(6x12 mm)
Método por via seca:
Combustão de Dumás modificado
CuO
O que é o Método Dumás?O que é o Método Dumás?
M.O.
Ampola
vidro
H2O(v)
SOxNOx
N2 CO2
550OC
Cu + NOx CuO + N2
Cu + SOx CuO + So
Redução: NOx e SOx H2O(v)
KOH (l)
Linha de alto vácuo
N2
CO2
N2CO2
H2O(v)
CO2 + KOH KCO3 + H2O
H2O
Armadilhacriogênica
N2 (l)
H2O
N2
Tubo
borossilicato
ou
quartzo
Método por via seca:
Combustão de Dumás modificado
Amostra(1 a 2 mg)
CuO
CaO1,5 g
= 9 mm
Pirani
A1 A1
0,01 mbar
Linha de alto vácuo (LAV)
CapilarMaçarico
Combustão
Mufla
12 h / 3 h
550ºC / 900ºC
Gases
Cu + SO2 So + CuO
Cu + NOx N2 + CuO
CaO + CO2 CaCO3
CaO + H2O Ca(OH)2
CO2
H2O(v)
SOx
NOx
N2
N-orgânico + CuO + CaO Cu
N2
Sistema deadmissão
Fonte de ionização Analisador Detector
Íons: ImpulsoselétricosÍons
Moléculas:íonsMoléculas
Alto vácuo
IRMS
Determinação: N (Método Determinação: N (Método
Automatizado - Automatizado - ANCA-SL))
Técnica
Início na década dos anos 80
Analisador elementar de N
Inventores: Preston e Owens
(Barrie & Prosser, 1996)
Melhorias técnica, 1986 – coop.indústria
Equipamento dedicado
Preston e Owens
Controle: programa computador
Preparo amostra
Análise
por IRMS
ANCA-MS
Integração
Etapas: Coleta, Preparo e Análise
Cápsula: Sn
Amostra
Auto amostrador
ANCA-SL
66 amostras
(6x12 mm)
ANCA-SL
adaptado (Barrie & Prosser, 1996)
N2
28
29
30
CG
CG
MgClO4
entrada amostras
(simples)
redução
Fo
rno
de
ox
ida
ção
carbosorb
(Cu0)
(Cr2O3; CuO; Ag)
fluxo He pulso O2
Purgação amostras
tubo de combustão
ANCA-SL
Catalisador(Cr2O3)
Fios(CuO)
Lã de AgOxidação
hidrocarbonetos
halogênios
1000 oC 1700 oC
pulso O2
ANCA-SL
ANCA-SL
CO2
H2O(v)
NOx
N2
Cobremetálico
Redução: Cu + NOx N2 + CuO
1700 oC 600 oC
Reciclagem
Nova Linha de Reciclagem de Cobre-LIENova Linha de Reciclagem de Cobre-LIE
Retenção: H2O(v)
Perclorato de magnésio
Mg(ClO4)2
(a) retenção: CO2
Carbosorb (base)
(b) transposição: CO2
(a) transposição: N2
(a)
(b)
AnáliseN2 caminho (a)
CO2 caminho (b)
Porquê reter o CO2 ?
N2
14N 14N = 28
14N 15N = 29
15N 15N = 30
12C16O16O = 28
CO2
O C O
CO
O C
Transposição de N2 e CO2 !
15N15N
30
14N14N
28
14N15N
29
14N
15N
14N
15N
Transposição de N2 e CO2 !
12C16O18O12C17O17O
13C16O17O
46
12C16O16O
44
13C16O16O
12C16O17O
45
12C
13C
16O
17O
18O
CG
CG
Cromatografia Gasosa (CG)
CO2: polar
N2: apolar
CO2
28
29
30
móvel
fases
estacionária
N244
45
46
ANCA-SL
adaptado (Barrie & Prosser, 1996)
N2
28
29
30
CG
CG
MgClO4
entrada amostras
(simples)
redução
Fo
rno
de
ox
ida
ção
carbosorb
(Cu0)
(Cr2O3; CuO; Ag)
ResultadosÁtomos % ou %o
concentração de C, N e S (%)(referente a padrões)
Espectrômetro de massa
Ionização por impacto de elétronsSeparação por campo magnético
Detecção das massas
Separação Cromatográfia
Combustão Controladaseguido de
Oxidação e Reduçãodos gases de carbono e nitrogênio
Amostrador automático66 amostras
Cápsula de Estanho com amostra
IRMS-ANCA (Automatic Nitrogen And Carbon Analyser) SL 20/20:IRMS-ANCA (Automatic Nitrogen And Carbon Analyser) SL 20/20:COM UM ANALISADOR ELEMENTAR - EUROPA SCINTIFIC LDA.COM UM ANALISADOR ELEMENTAR - EUROPA SCINTIFIC LDA.
Sistema ANCA-G para análise de gases N2O e CH4
Referências
BARRIE, A.; PROSSER, S.J. Automated analysis of light-element stable
isotopes by isotope ratio mass spectrometry. In BOUTTON, T.W. and
YAMASAKI, S. Eds. Mass spectrometry of Soils, p. 01-46, 1996.
MULVANEY, R.L. Mass Spectrometry. In: KNOWLES, R.; BLACKBURN,
T.H. eds. Nitrogen Isotope Tecniques. Academic Press, San Diego,
1993, p. 11-57.