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This work presents new approaches for halogen determination in a variety of samples using inductively coupled plasma - mass spectrometry (ICP-MS) and for isotope ratio measurements by multicollector - inductively coupled plasma - mass spectrometry (MC-ICP-MS) and application of the methods developed to real environmental cases. Four methods for solid sampling (SS) analysis by ICP-MS, three using electrothermal vaporization - inductively coupled plasma - mass spectrometry (ETV-ICP-MS) and one using laser ablation - inductively coupled plasma - mass spectrometry (LA-ICP-MS), and two methods for isotopic analysis by MC-ICP-MS, one for Br and another for Cl in sea water, were developed. The methods were applied for studying samples from real study cases, providing significant results with respect to environmental processes. For all three methods using SS-ETV-ICP-MS, the solid samples were directly weighed into graphite "cups" that were subsequently inserted into the graphite furnace, and the instrumental parameters were optimized for high sensitivity and efficient matrix removal. Chlorine determination in biological samples could be carried out using aqueous standard solutions, when using pre-dried modifiers (Pd + Nd or Pd + Ca) or using solid certified reference material (CRM), accompanied with or without the same pre-dried, achieving a limit of quantification (LOQ) of 5 ?g g-1. For Br and Cl determination in coal samples, Cl was accurately determined using calibration against solid standards, whereas Br could also be quantified adequately by using calibration against aqueous standard solutions, both using pre-dried modifiers (Pd + Ca), LOQs of 0.03 ?g g-1 for Br and 7 ?g g-1 for Cl were achieved. F, Cl, Br and I were determined in particulate matter, F was determined via high resolution - continuum source molecular absorption spectrometry (HR-CS MAS) for monitoring the CaF molecule, while Cl, Br and I were determined via SS-ETV-ICP-MS. This method allowed the quantification of the halogens in 14 PM10 samples collected in a Northeastern coastal city in Brazil. The results demonstrated variations of the halogen contents according to meteorological conditions, particularly related to rainfall, humidity and sunlight irradiation. Bromine determination in polymer samples was accomplished via LA-ICP-MS after the optimization of the operational parameters for high sensitivity. Under optimized conditions, it was possible to accurately determine Br in 5 different certified polymer reference materials and 5 real polymer samples by external calibration using different certified materials containing different concentrations of Br and by external calibration against a single certified material monitoring 12C+ as internal standard. The LOQ obtained was 110 ?g g-1 of Br. Bromine and Cl isotopic analysis in seawater via MC-ICP-MS was proven feasible, operated in high mass resolution and by decreasing the memory effect using 5 mmol L-1 of NH4OH in sample, standard and wash solutions. Optimal analyte concentrations were = 3 mg L-1 for Br and = 70 mg L-1 for Cl. The major cation load of seawater was removed via cation exchange chromatography (Dowex 50WX8 resin). In the case of Br, evaporation of the samples at 90°C permitted analyte preconcentration without Br loss or isotope fractionation. Mass discrimination was corrected for by external correction in a sample-standard bracketing approach for both elements. Sr, Ge and Se were also tested as potential internal standards for Br isotopic analysis but provided no advantage. Both methods demonstrated high precision and accuracy based on the comparison of experimental values with certified and literature values. The methods were applied within the context of an environmental study of Br and Cl in sea ice collected during the Sea Ice Physics and Ecosystem eXperiment 2012 voyage at different depths and locations. The concentration of these elements in the samples ranged from 700 to 31000 ?g L-1 for Br and from 200 mg L-1 to 8000 mg L-1 for Cl, and a relation between the concentrations and the corresponding ?81Br and ?37Cl values was found. Lower concentrations and ???values were observed for sea ice collected at greater depths and are probably related to desalinization processes.<br> |
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Resumo : Os halogênios são um grupo de elementos que apresentam diversas particularidades, tornando-os muito importantes para diversos propósitos. No entanto, esses elementos apresentam elevado grau de toxicidade quando ingeridos ou inalados, e são considerados perigosos quando presentes no meio ambiente, devido principalmente ao fato de poderem reagir com moléculas de O3, promovendo a destruição da camada de ozônio. Considerando a alta aplicabilidade dos halogênios e seus efeitos adversos ao ambiente e em sistemas biológicos, faz-se necessário o estabelecimento de métodos sensíveis, com exatidão e precisão, para a sua determinação. Técnicas como eletrodos de íon seletivos, cromatografia de íons, análise por ativação de nêutrons instrumental, espectroscopia de fluorescência por raios-X, entre outros, foram propostos e aplicados com sucesso para analise de halogêneos em diversas matrizes, no entanto, em alguns casos, morosas etapas de preparo de amostras são necessárias, além de algumas das técnicas apresentarem limitações para analise multielementar, baixa sensibilidade, baixa frequência analítica, incidência de interferências e curta faixa linear para quantificação. Além de problemas para sua quantificação, a medida de razão isotópica de halogênios ainda é um desafio. Algumas técnicas têm sido aplicadas para este propósito como a espectrometria de massas de razão isotópica e espectrometria de massas por ionização química, entretanto, normalmente apresentam baixa precisão além de apresentarem muitos dos problemas apresentados para quantificação. Desta forma, o objetivo geral deste trabalho é apresentar propostas a fim de solucionar os problemas enfrentados para análise de halogênios por espectrometria de massas por plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) e analise de razões isotópicas por multicoletor (MC)-ICP-MS, aplicando os métodos desenvolvidos para o estudo de casos ambientais reais. Uma breve introdução abordando os conceitos básicos sobre a importância dos halogênios, uma visão geral sobre funcionamento de equipamentos ICP-MS, determinação e análise isotópica de halogênios por ICP-MS é apresentada no Capítulo 1 o qual é seguindo pelos Capítulos 2, 3 e 4 onde se apresentam novas propostas para determinação de halogênios por meio da analise direta de sólidos utilizando vaporização eletrotérmica (SS-ETV)-ICP-MS e aplicação dos métodos propostos a analise de amostras biológicas, minerais e ambientais em diferentes estudos. O Capítulo 5 apresenta o desenvolvimento de um método simples para determinação direta de Br em amostras de polímeros por ablação a laser (LA)-ICP-MS, enquanto que os Capítulos 6, 7 e 8 abordam o desenvolvimento de métodos para medida da razão isotópica de halogênios em água do mar e amostras de gelo marinho por MC-ICP-MS. No Capítulo 2, uma nova metodologia para a determinação de Cl em amostras biológicas e botânicas usando SS-ETV-ICP-MS é apresentada. As amostras sólidas foram pesadas diretamente em plataformas de grafite (copos de grafite da técnica cup-in-tube) e inseridas no forno de grafite. Os parâmetros de potencial de rádio frequência (RF) e a vazão de gás carreador foram otimizados em 1300 W e 0,7 L min-1, respectivamente. Padrões aquosos foram utilizados para a obtenção da curva de calibração com o auxílio de modificadores pré-secos (Pd + Nd ou Pd + Ca) ou utilizando um material de referencia certificado (CRM) sólido com os mesmos modificadores pré-secos ou sem a utilização de modificadores. O limite de quantificação (LOQ) obtido foi 5 ?g g-1 sob condições otimizadas. A concentração de Cl foi determinada em cinco amostras de referência certificadas, com concentrações certificados para Cl, além de três amostras de referência certificados com concentrações certificadas para Cl indisponíveis, neste último caso, os resultados foram comparados àqueles obtidos utilizando espectrometria de absorção molecular de alta resolução com fonte contínua (HR-CS MAS). As concentrações obtidas demonstraram-se em acordo, a um nível de confiança estatística de 95%, com os valores certificados ou de referência.O Capítulo 3 apresenta um novo método para a determinação direta e simultânea Br e Cl em amostras de carvão utilizando SS-ETV-ICP-MS. O processo não requer pré-tratamento de amostras e necessita de pequenas alíquotas de massa de amostra (cerca de 0,5 mg). Todos os parâmetros operacionais, incluindo vazão de gás carreador e potencial de RF, foram otimizados para o máximo de sensibilidade. O uso de modificadores/ carreadores de aerossóis (Pd, Pd + Al e Pd + Ca) foi avaliado e a combinação de Pd e Ca foi escolhida, permitindo a adoção das temperaturas de pirólise e vaporização de 700 oC e 1900 oC, respectivamente. Cloro foi determinado com o auxilio de calibração utilizando padrões sólidos, enquanto Br foi determinado tanto por calibração aquosa quanto utilizando CRM sólidos. Os LOQs obtidos foram de 0,03 ?g g-1 para Br e 7 ?g g-1 para Cl, interferências espectrais não foram observadas.No Capítulo 4 foi avaliada a viabilidade da análise direta de sólidos por HR-CS MAS para a determinação de F e ETV-ICP-MS para determinação simultânea de Cl, Br e I em material particulado inalável no ar (PM10), coletados na região metropolitana de Aracaju, Sergipe, Brasil. As análises de F por HR-CS MAS foram realizadas monitorando a molécula de CaF que foi gerada a altas temperaturas na câmara de grafite após a adição de cálcio em uma relação Ca/ F de 35. As análises por ETV-ICP-MS foram realizadas utilizando Ca como modificador químico/ carreador de aerossol com a utilização concomitante de Pd como modificador permanente, a fim de evitar perdas de Cl, Br e I durante a etapa de pirólise. A abordagem de analise direta de sólidos resultou em LOQs adequados para a determinação de halogêneos em PM10, usando a calibração por adição de analito ou calibração utilizando um CRM solido. O método permitiu a quantificação dos halogênios em 14 PM10 coletadas em uma cidade costeira do nordeste do Brasil. Os resultados demonstraram variações de teor de halogênios de acordo com as condições meteorológicas, principalmente relacionados a chuvas, umidade e irradiação solar. O Capítulo 5 foi destinado à avaliação da utilização da LA-ICP-MS para análise de Br em amostras de polímeros. Os parâmetros operacionais do LA-ICP-MS, incluindo a vazão de gás carreador, potencial de RF, tamanho da cratera de ablação e frequência do laser foram otimizados para o máximo de sensibilidade. Os valores otimizados foram 0,6 L min-1 para vazão de gás carreador (He), 950 W de potencial de RF, 120 ?m de tamanho da cratera de ablação e 15 Hz de frequência do laser. Sob condições otimizadas foi possível determinar, com exatidão, Br em 5 amostras certificadas de polímeros e 5 amostras reais de polímeros obtidas em estabelecimentos locais em Ghent, Bélgica por calibração externa utilizando CRMs contendo diferentes concentrações de Br e por calibração externa utilizando apenas um CRM monitorando 12C+ como padrão interno. O LOQ obtido foi de 110 ?g g-1 para Br.O Capítulo 6 apresenta um método simples para medida da razão isotópica de Br em água do mar por MC-ICP-MS, utilizando nebulização pneumática para introdução da amostra. Os sinais dos isótopos de Br+ foram medidos livre de interferências utilizando alta resolução. O efeitos de memória para Br foi diminuído utilizando 5 mmol L-1 NH4OH como solução de limpeza entre as medidas. O conteúdo catiônico da água do mar foi removido por cromatografia catiônica utilizando uma resina Dowex 50WX8. Pré-concentração das amostras foi obtida por evaporação a 90°C, sem perda ou fraccionamento isotópico de Br. Discriminação de massas foi corrigida por correção externa utilizando bracketing, embora Sr, Ge e Se foram testados como potenciais padrões internos. Os valores 81Br/ 79Br obtidos para os materiais de referência isotópicos (NaBr) NIST (material de referencia padrão) SRM 977 e (água do mar) IRMM BCR-403 demonstraram estar de acordo com os valores da literatura.No Capítulo 7, a medida da razão isotópica de Cl em água do mar por MC-ICP-MS através de nebulização pneumática tradicional foi realizada utilizando, i) alta resolução de massa (potencial de resolução de 10.000) para resolver interferências espectrais, ii) 5 mmol L-1 NH4OH como solução de limpeza a fim de diminuir o efeito de memória e iii) uma concentração de Cl de = 70 mg L-1. A carga catiônica da água do mar e de sais de cloreto (NaCl, KCl) foi eficientemente removida sem afetar a composição isotópica original da Cl através de cromatografia catiônica utilizando resina de troca iônica Dowex 50WX8. O método desenvolvido demonstrou alta exatidão e precisão, atestadas pela medição da razão isotópica 37Cl/ 35Cl na amostra CRM NIST 975a (valor obtido de 0,319765 ± 0,000022, em comparação com um valor de referência de 0,319768 ± 0,000187 a uma precisão de ~ 0,007%, desvio padrão relativo, n = 3). Além disso, o valor???37Cl (baseado no padrão de cloro em água do mar, SMOC) foi determinado para cinco padrões diferentes que variaram de -0,54 a + 0,89 ?. O Capítulo 8 apresenta um estudo ambiental de Br e Cl em gelo marinho coletados durante a expedição Sea Ice Physics and Ecosystem eXperiment 2012, em diferentes profundidades e locais. Todas as medições de razão isotópicas de Br e Cl foram realizadas de acordo com os métodos apresentados no Capítulo 6 e 7. A concentração destes elementos variou de 700 para 31000 ?g L -1 para Br e de 200 para 8000 mg L-1 para Cl, sendo que as menores concentrações foram relacionados com o gelo coletado em maiores profundidades, estando a diminuição da concentração de Br e Cl provavelmente relacionadas a processos de dessalinização. Os valores de ?81Br e ??37Cl apresentaram relação linear com a suas concentrações, sugerindo que o processo de dessalinização desempenha um papel no fraccionamento isotópico no gelo do mar. |
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