Vogel: Análise Química Quantitativa
19.9 Medidas da razão isotópica
ou diferenciar áreas bem específicas de uma superfície de acordo com sua
posição, com resolução da ordem de 1 μm [8]. Analisadores com
microfeixes de laser estão começando a ser aplicados nas ciências
biológicas e nas áreas mais tradicionais da química. É possível mapear
variações na composição elementar de superfícies pequenas de tecidos
biológicos permitindo, por exemplo, o estudo da distribuição e função de
eletrólitos comuns (Na, K, Ca, Mg etc.) em neurônios.
19.8.2 Espectrometria de massas com plasma acoplado indutivamente
A espectrometria de massas com plasma acoplado indutivamente (ICP-MS)
será melhor descrita na Seção 19.11.5. Trata-se de uma técnica poderosa
que está se desenvolvendo rapidamente e que permite a determinação
simultânea de vários elementos em concentrações muito baixas, em
amostras líquidas ou em solução. Usa-se um plasma ICP convencional para
produzir os íons primários que são analisados em um espectrômetro de
massas de quadrupolo com faixa de massas até 300 unidades e resolução
unitária em toda a faixa (Fig. 19.10). A fonte de plasma funciona na pressão
atmosférica e, portanto, é um sistema API. O controle por computador e a
geometria otimizada fazem com que uma análise elementar completa possa
ser feita em uma única varredura, em cerca de 10 segundos por elemento
mesmo em concentrações baixas (~1 μg · kg –1). Como o instrumento usa
um quadrupolo como detector para o ICP, a discussão anterior sobre a
quantificação de metais em solução (Caps. 15 e 16) também se aplica a esta
técnica.
19.9 Medidas da razão isotópica
Os elementos comuns têm, na maior parte, mais de um isótopo (não-
radioativo). Como os espectrômetros de massas podem distiguir isótopos, o
espectro de massas de espécies atômicas ou moleculares fica mais
complicado. A observação de picos de isótopos, entretanto, pode ser muito útil quando se interpreta o espectro para obter informações moleculares ou
estruturais. A medida da razão isotópica, em amostras naturais ou
enriquecidas, tem aplicações bem específicas e importantes.
Fig. 19.10 Espectrômetro de massas ICP
19.9.1 Razões isotópicas naturais
Devido ao tempo de decaimento de alguns radionuclídeos comuns, é
possível determinar a idade de pedras e minerais pela medida da razão
isotópica dos elementos estáveis no fim do processo de decaimento. É
muito comum a datação geoquímica com 40 40 87 87 238 206 K/ Ar, Rb/ Sr e U/Pb. A
medida de 235 238 U/U é importante na indústria nuclear. Os íons são gerados,
freqüentemente, a partir de amostras sólidas utilizando-se uma fonte de
evaporação térmica na qual a amostra, na forma de pó, é aquecida
rapidamente em um filamento ao rubro ou em uma cama aquecida.
Amostras em fase gasosa
As razões entre outros isópotos estáveis podem ser medidas mais facilmente
se a amostra for colocada no espectrômetro em fase gás. O exemplo mais
conhecido deste tipo de análise é, talvez, a determinação de 14C (como CO )
2
na datação de radiocarbono em artefatos orgânicos de interesse histórico,
mas também são comuns as determinações de 13 12 15 14 18 16 C/ C, H/D, N/ N, O/O
e 34 32 S/S. Como em todos os experimentos de determinação de razões
isotópicas, o sistema de detecção deve ser capaz de dar resultados confiáveis para estes sistemas gasosos. Além disso, é preciso considerar
também o problema adicional do desenvolvimento de um sistema de
introdução adequado para estas amostras.
A maior parte dos experimentos é feita em instrumentos fabricados com
este objetivo particular. Eles têm, normalmente, dois sistemas de admissão
de gás, um para a amostra e outro para o padrão, que são essencialmente
dois reservatórios de 2 a 50 ml de volume. Através de um capilar de
escoamento viscoso, os gases passam destes reservatórios para uma fonte de
íons EI convencional. O reservatório do padrão tem, com freqüência,
volume variável para permitir a otimização da corrente de íons no detector
para fazer com que os sinais da amostra e do padrão sejam iguais. Os
sistemas deste tipo mais recentes são acoplados a um cromatógrafo a gás
através de um forno de combustão para que os compostos orgânicos
voláteis possam ser separados, transformados em CO 12 13 ( C/C) e lançados
2
na fonte de íons sem perdas ou contaminação [9]. O analisador
normalmente utilizado é um setor magnético de 90° no qual os íons são
projetados em um ângulo de 26,5° para que a focalização seja astigmática.
Os instrumentos mais antigos usavam magnetos permanentes e varredura
por voltagem variável. Os instrumentos mais modernos usam
eletromagnetos que geram campos de até 1 T, com faixa de massas de 280 u
e resolução igual a 500.
O detector deve ser capaz de dar uma corrente muito estável para um
dado número de íons. Atualmente, o único dispositivo capaz disto é o vaso
de Faraday, freqüentemente utilizado como um detector múltiplo,
colocando-se um vaso no foco de cada feixe de íons. O controle é feito por
computador e faz-se a contagem de íons, de preferência à medida da
corrente total. Para aumentar a acurácia da medida da razão entre os
isótopos, o sistema pode medir as razões de um dado par de íons em uma
amostra e em um padrão, em uma seqüência alternada e repetida. Razões
isotópicas medidas com esta técnica são normalmente expressas pelo valor
δ, onde δ = 1000 (R/Rs – 1), R é a razão medida na amostra e Rs é a razão medida no padrão conhecido.
Um padrão muito usado para as razões 12 13 C/C é CaCO derivado do
3
fóssil marinho da Califórnia do Sul, Belemnitella americana, que tem
valores elevados de 13C e, portanto, dá valores de δ negativos para quase
todos os outros materiais [10]. (Infelizmente, este padrão não está, no
momento, disponível no comércio.) O valor de δ pode variar entre 0 no
carbono marinho e –8 a –35, em plantas terrestres, e –50, em alguns gases
naturais. Embora pequena, a variação da abundância de 13 12 C em relação a C
pode ser medida com acurácia mesmo para espécies recentes e alguns
estudos importantes de adulteração de alimentos podem ser feitos usando o
conhecimento das razões isotópicas, em particular em materiais de origem
vegetal como açúcares e sucos de frutas. As medidas isotópicas deste tipo
estão se tornando rapidamente as técnicas padrões para a determinação de
alguns tipos de adulteração de alimentos. O uso de xaropes de baixo custo,
derivados de um ciclo C4 fotossintético, em substituição a açúcares de frutas mais caros, que utilizam um ciclo C 13 e discriminam C durante a
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fotossíntese, por exemplo, altera a razão 12 13 C/C de comidas adocicadas
[11].
Estudos com 14C
Nos métodos mais modernos de determinação de 14C em materiais antigos,
a amostra não deve estar na fase gás porque, se presente, 14N interferiria
com a medida. A técnica padrão atual é extrair e purificar o material
orgânico da amostra e convertê-lo, via CO2 e acetileno, em carbono grafítico puro. A amostra de carbono, agora no estado sólido, é ionizada
com uma fonte de íons Cs+ 14 – , para dar inicialmente Cque, por sua vez, é
convertido em íons C 3+, que são analisados em um TOF modificado. Como
os íons 14 – N são instáveis, não ocorre interferência. A análise do carbono-14
permite a obtenção de datas de fabricação confiáveis de artefatos de mais de
40 000 anos, o limite de idade que pode ser atingido com as técnicas
convencionais [12].
19.9.2 Enriquecimento isotópico (marcação isotópica)
Uma área de crescimento rápido nos estudos com isótopos é a utilização de
isótopos estáveis para marcar sistemas químicos ou bioquímicos, de modo a
obter informações estruturais ou investigar mecanismos de reação. A
técnica é conhecida, às vezes, como espectrometria de massas de razão
isotópica estável (SIRMS). Um exemplo simples de aplicação da marcação
isotópica é a substituição de hidrogênio por deutério em ressonância
magnética nuclear (RMN), mas a espectrometria de massas pode dar
informações mais claras sobre amostras menores. A marcação isotópica
também é usada para revelar os esquemas de fragmentação em espectros de
massas complexos, mas, neste caso, deve-se fazer a marcação com 13C, que
pode ser muito cara. Moléculas marcadas podem ser usadas no estudo de
caminhos metabólicos em medicina, bioquímica e toxicologia [13]. São
usadas, nestes experimentos, substâncias marcadas equivalentes às
substâncias normalmente usadas nos organismos. Pode-se também usá-las
para acompanhar o destino de substâncias exógenas como poluentes,
pesticidas e drogas. O material é marcado com D ou 13C em um sítio que
não afeta nem é afetado pelas reações subseqüentes e o caminho que o
material segue pode ser acompanhado por espectrometria de massas. Em
comparação com as técnicas mais antigas, que usavam materiais
radioativos, a marcação isotópica é muito mais segura para o analista e para
o paciente. Além disso, ela permite o uso de 18 15 O e N, impossível com
marcadores radioativos. A incorporação do átomo marcador em uma
posição determinada, entretanto, pode ser um processo lento que exige
perícia.
19.9.3 Análise por diluição isotópica
Trata-se de uma variante do enriquecimento isotópico que permite a medida
quantitativa direta. Suponha que uma amostra contém o composto M em
uma matriz. Se uma quantidade conhecida, Ai, de um análogo do composto isotopicamente modificado (representado por I) é adicionada a uma
quantidade Am da amostra e uma parte colocada em um espectrômetro de massas, o espectro conterá picos derivados de M e de I. No caso mais simples, em que um pico intenso derivado de M e o pico correspondente de
I (separados pela massa correspondente à diferença entre o composto
original e o modificado) podem ser vistos e não há contribuição de um
composto no pico do outro, tem-se que
Esta é uma aplicação especial do método do padrão interno, mais geral,
discutido nos capítulos sobre cromatografia. Este método evita o problema
da medida da quantidade de amostra colocada no sistema porque a amostra
e a referência estão juntas. Pode-se adicionar quantidades precisas do
padrão interno (I) a quantidades relativamente grandes da matriz antes da
análise de uma pequena proporção da mistura, o que permite a obtenção de
alta precisão mesmo quando a amostra tem de ser manipulada de várias
maneiras antes da medida final. No caso especial de um experimento de
espectrometria de massas, a técnica também remove muitos dos erros
associados com variações na produção de íons na fonte (que causa muitas
vezes problemas na quantificação), já que apenas um espectro de massas é
produzido e M e I estão ambos submetidos às mesmas condições de
ionização.
A sensibilidade pode ser consideravelmente aumentada com o uso do
monitoramento de um único íon (SIM) para o acompanhamento de um ou
dois picos de interesse. Além disto, é sempre possível combinar SIM com
uma das técnicas cromatográficas (CG-MS ou HPLC-MS), o que faz com
que o composto de interesse e o composto isotopicamente modificado
possam ser separados de possíveis interferentes antes do uso de SIM. Neste
caso, como as substâncias são quimicamente idênticas, elas eluem como um
único pico (separados de outros compostos da matriz), porém se SIM é
repetido muitas vezes durante a eluição do pico cromatográfico, as
abundâncias de M e I podem ser determinadas com alta precisão mesmo em
concentrações baixas.