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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTITUTO DE CINCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUMICA
Helvcio Costa Menezes
Belo Horizonte
2011
Anlise Ambiental de Benzeno e Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos
por Microextrao em Fase Slida e Cromatografia Gasosa Acoplada
Espectrometria de Massas
UFMG/ICEx/DQ.868
T. 369
HELVCIO COSTA MENEZES
Anlise Ambiental de Benzeno e Hidrocarbonetos Aromticos
Policclicos por Microextrao em Fase Slida e Cromatografia
Gasosa Acoplada Espectrometria de Massas
Tese apresentada ao Departamento de
Qumica do Instituto de Cincias Exatas da
Universidade Federal de Minas Gerais, como
requisito parcial obteno do grau de
Doutor em Cincias Qumica.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
BELO HORIZONTE
2011
i
Menezes, Helvcio Costa.
Anlise ambiental de benzeno e hidrocarbonetos
aromticos policlicos por microextrao em fase
slida e cromatografia gasosa acoplada
espectrometria de massas / Helvcio Costa Menezes.
2011.
xviii, 156 f. : il.
Orientadora: Zenilda de Lourdes Cardeal.
Tese (doutorado) Universidade Federal de Minas
Gerais. Departamento de Qumica.
Bibliografia: f. 124-148.
1.Qumica Analtica - Teses 2. Hidrocarbonetos
policclicos aromticos Teses 3. Extrao (Qumica)
Teses 4. Espectrometria de massa Teses 5. Anlise
ambiental Teses I. Cardeal, Zenilda de Lourdes,
Orientadora II. Ttulo.
CDU 043
ii
iii
A conscincia um singular para o qual no existe plural.
Erwin Schrdinger
Ao meu pai Jao (in memorian)
Aos meus avs Vicente e Regina (in memorian)
iv
Agradecimentos
Ao Deus de nossos coraes pela Luz, Vida, e Amor.
professora Zenilda Cardeal pela orientao, estmulo, e amizade.
Ao professor Rodinei Augusti pela cooperao e disponibilidade na soluo de
problemas.
minha me Lourdes e irm Eliana pelo amor e carinho indispensveis para
prosseguir.
Angelita pela compreenso e apoio incondicional.
Secretaria Municipal de Meio Ambiente de Divinpolis pela cooperao, e em
especial ao Nivaldo pela colaborao com as amostras.
Leiliane pelo incentivo e colaborao.
Ao Vagner pela disponibilidade e cooperao junto ao CETEC.
Ao Hlio Anderson e Irene Yoshida pelo incentivo.
Aos amigos Denise, Eugnio, Ivan, Olmpio, e Rodrigo Rgis.
Aos companheiros dos Laboratrios 171 e 167, Amauri, Breno, Cludia, Isabela,
Jaqueline, Jlio, Jnia, Karla, Marcos, Maria Jos, Miriany, Natlia, Renata, Valria,
e Vanessa. Obrigado pela convivncia e amizade.
Aos alunos da FUNEDI/UEMG Luciano, Roberta, Rosimeire, e Suzana pela
colaborao nos trabalhos de campo.
A todos os fratres e sorores.
s agncias de fomento CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro.
v
RESUMO
Neste trabalho foram desenvolvidos e validados mtodos para quantificao de
benzeno no ar ambiente e no ar expirado, hidrocarbonetos aromticos policclicos
em material particulado atmosfrico, e naftaleno em ar ambiente. Foi utilizada a
tcnica de microextrao em fase slida para amostragem e pr-concentrao, e um
sistema de gerao de padro gasoso com tubos de permeao para construo
das curvas de calibrao para benzeno e naftaleno. As anlises foram efetuadas por
cromatografia gasosa com detector de espectrometria de massas. Para a extrao
dos hidrocarbonetos aromticos policclicos do material particulado atmosfrico por
microextrao em fase slida com fibra resfriada foi desenvolvido um novo
dispositivo de resfriamento. Aps a validao as metodologias desenvolvidas foram
aplicadas para anlises em amostras reais de ar ambiente em parques, avenidas,
escritrios, laboratrios e postos de revenda de combustveis na cidade de Belo
Horizonte-MG. Simultaneamente foram realizadas as anlises de benzeno no ar
expirado dos indivduos expostos ocupacionalmente. As anlises dos
hidrocarbonetos aromticos policclicos foram efetuadas em material particulado
coletado na cidade de Divinpolis-MG durante um perodo de seis meses. Os
mtodos desenvolvidos mostraram-se adequados para todas as determinaes
ambientais: benzeno no ambiente e no ar expirado, naftaleno no ambiente, e HAP no
material particulado atmosfrico. O mtodo para determinao dos HAP alm de
rpido e sensvel dispensa o uso de solventes txicos. Os resultados encontrados
evidenciaram correlaes significativas entre as concentraes de benzeno no
ambiente e no ar expirado dos indivduos ocupacionalmente expostos ao benzeno.
Aplicaes futuras da tcnica de microextrao em fase slida com fibra resfriada
incluem anlise de alimentos, gua, solo, plantas, e fludos biolgicos.
vi
ABSTRACT
This work shows the development and validation of methods for quantification of
benzene in ambient and exhaled air, polycyclic aromatic hydrocarbons in airborne
particulate matter, and naphthalene in ambient air. Solid phase microextraction was
used for sampling and preconcentration, and a system for generating standard gas
with permeation tubes was used to the construction of calibration curves for benzene
and naphthalene. The samples were analyzed by gas chromatography with mass
spectrometry detector. A new cooling device was developed to sampling polycyclic
aromatic hydrocarbons for there extraction from airborne particulate matter by cold
fiber solid phase microextraction. The validated methodologies were applied to the
analysis of real samples in ambient air of parks, streets, offices, laboratories and fuel
stations at the city of Belo Horizonte. In addition, analyses of benzene in exhaled air
of occupationally exposed individuals were performed simultaneously. The analysis
of polycyclic aromatic hydrocarbons were made into particulate matter collected at
the city of Divinpolis over a period of six months. The methods developed in this
study show to be suitable to environmental analysis for the determination of benzene
in ambient and exhaled air, naphthalene in the environment, and PAH in airborne
particulate matter. The results showed significant correlations between the
concentrations of benzene in ambient and exhaled air of subjects occupationally
exposed to benzene. The new method proposed for the determination of PAH is
sensitive, fast and furthermore dispense the use of toxic solvents. The technique of
cold fiber solid phase microextraction can be applied to other analyses including
food, water, soil, plants and biological fluids.
vii
LISTA DE FIGURAS
Pgina
Figura 2.1 Principais vias de biotransformao do benzeno
(CYP, citocromo P450; GSH, glutationa; MPO,
mieloperoxidase; NQO1, NAD(P)H: quinona
oxiredutase)
8
Figura 2.2 Estruturas dos 16 HAP listados pela Agncia de
Proteo Ambiental Americana
10
Figura 2.3 Principais biotransformaes do Benzo[a]pireno 15
Figura 2.4 Diagrama esquemtico de um impactador de
cascata
18
Figura 2.5 Perfil da excreo pulmonar de um solvente para
uma expirao simples
24
Figura 2.6 Classificao das tcnicas para amostragem e
anlise de VOC no ar
25
Figura 2.7 Componentes do dispositivo manual de SPME 28
Figura 2.8 Processo de extrao por adsoro com SPME
utilizando fibras porosas
31
Figura 2.9 Representao da extrao por SPME no modo
headspace (a), e por imerso direta (b)
32
Figura 2.10 Representao da extrao por SPME no modo
headspace com fibra resfriada. Adaptado
33
Figura 2.11 Representao do dispositivo de SPME com
adaptao para amostragem do ar expirado
34
Figura 2.12 Representao esquemtica de um tubo de
permeao com duas fases
39
Figura 2.13 Representao de amostras em um sistema de
coordenadas com duas variveis e mudana para
um novo sistema de variveis com Componentes
Principais (PC1 e PC2)
43
viii
Figura 2.14 Representao do mtodo HCA para a construo
de um dendograma
45
Figura 3.1 Fluxograma do sistema de gerao de vapores pelo
mtodo de permeao
56
Figura 3.2 Mapa com a localizao dos pontos de
amostragem nos parques (a) e avenidas (b) na
cidade de Belo Horizonte
58
Figura 3.3 Estudo do tempo necessrio para o sistema de
permeao se estabilizar em diferentes fluxos do
gs diluente
61
Figura 3.4 Cromatograma de massas do padro gasoso de
benzeno a 64,8 g m-3 por GC/MS, modo positivo,
em varredura completa (full scan: 50 200 m/z)
com extrao dos ions m/z 51 e 78.
62
Figura 3.5 Varincia das reas em funo da rea media dos
picos para a curva de calibrao do benzeno no ar
ambiente
62
Figura 3.6 Varincia das reas em funo da rea mdia dos
picos para a curva de calibrao do benzeno no ar
expirado
63
Figura 3.7 Curva de calibrao para benzeno no ar ambiente
com amostragem por SPME em cmara de
permeao e determinao por GC/MS
63
Figura 3.8 Curva de calibrao para benzeno no ar expirado
com amostragem por SPME em cmara de
permeao e determinao por GC/MS
65
Figura 3.9 Distribuio da concentrao (g m-3) de benzeno
no ar ambiente de (a) Parques, (b) Avenidas, (c)
Escritrios e Laboratrios, (d,e) Postos de revenda
de combustveis
66
Figura 3.10 Correlao entre Ln da concentrao de benzeno
no ar expirado e no ar dos escritrios e laboratrios
70
ix
Figura 3.11 Correlao entre Ln da concentrao de benzeno
no ar expirado e no ar dos postos de revenda
70
Figura 4.1 Representao esquemtica do dispositivo
construdo para extrao DI-CF-SPME.
77
Figura 4.2 Amostradores de grandes volumes para (a)
partculas totais em suspenso (TSP Total
Suspended Particles) modelo VFC-TSP, e (b)
material particulado (PM10 - particulate matter)
modelo VFC-PM10 da Thermo Scientific Inc.
79
Figura 4.3 Representao das superfcies de resposta obtidas
a partir da funo de Desejabilidade dos modelos
de regresso dos HAP.
82
Figura 4.4 reas obtidas para extrao em filtros de quartzo
fortificados com os 16 HAP no modo DI-SPME e
DI-CF-SPME.
83
Figura 4.5 Reconstituio dos cromatogramas de massas no
modo varredura completa (full scan: 50 300 m/z)
com seleo dos ons, aps extrao e anlise dos
HAP pelos mtodos (a) DI-CF-SPME-GC/MS e (b)
DI-SPME-GC/MS nas condies otimizadas. Discos
de fibra de quartzo fortificados com os HAP.
84
Figura 4.6 Representao da viso geral do mtodo DI-CF-
SPME-GC/MS para determinao de HAP em
material particulado atmosfrico.
85
Figura 5.1 Mapa com a localizao dos pontos de
amostragem (tringulos) Caic (P1), Ermida (P2),
Sidil (P3), Sersan (P4), e Porto Velho (P5), e as
indstrias siderrgicas (crculos de 1 a 8) na cidade
de Divinpolis
92
x
Figura 5.2 Concentrao (ng m-3) mdia dos HAP no material
particulado atmosfrico coletado em Divinpolis nos
perodos de maio a julho (n = 60) e agosto a
outubro (n = 65) de 2010.
96
Figura 5.3 Distribuio das razes entre as concentraes de
FLU/(FLU+PY) e IcdP / (IcdP + BPe) nos perodos
maio a julho (crculos) e agosto a outubro
(tringulos).
103
Figura 6.1 Representao esquemtica do dispositivo para
extrao do naftaleno com CF-SPME no sistema de
gerao de padres gasosos.
111
Figura 6.2 Cromatograma de massas do padro gasoso de
naftaleno a 64,8 g m-3 por GC/MS, modo positivo,
em varredura completa (full scan: 40 350) e
extrao do ion m/z = 128.
113
Figura 6.3 reas obtidas para o naftaleno em trs nveis de
concentrao (P1 = 14,30; P2 = 78,50; P3 =
120,90 g m-3) em extrao (n = 3) no sistema de
gerao de padres gasosos com fibra SPME
resfriada (CF-SPME) e sem resfriamento (SPME)
114
Figura 6.4 Curva de calibrao para naftaleno no ar ambiente
com amostragem por CF-SPME em cmara de
permeao e determinao por GC/MS
115
Figura 6.5 Distribuio das concentraes (g m-3) de
naftaleno no ar de ambientes externos (cilindros) e
internos (colunas)
117
xi
LISTA DE TABELAS
Pgina
Tabela 2.1 Nome comun, abreviao, frmula emprica,
massa molar, e nmero CAS para os HAP
11
Tabela 2.2 Presses de vapor (P), solubilidade em gua a 25
C (S), Logartimo do coeficiente de partio
octanol-ar (LogKOA), Logartimo do coeficiente de
partio octanol-gua (LogKOW), ponto de fuso
(PF) e ponto de ebulio (PE) dos 16 HAP
indicadores de poluio
12
Tabela 2.3 Carcinogenicidade, segundo a Agncia Internacional
de Pesquisa para o Cncer, Agncia de Proteo
Ambiental, e fatores de equivalncia de alguns HAP
presentes no ar ambiente
16
Tabela 2.4 Principais caractersticas das fibras utilizadas em
SPME
29
Tabela 2.5 Publicaes recentes com amostragem por SPME
de hidrocarbonetos aromticos no ar ambiente e
no ar expirado
35
Tabela 2.6 Nmero de experimentos e eficincia dos
planejamentos Composto Central, Box-Wilson,
Box-Behnken, e Doehlert
42
Tabela 2.7 Anlise de varincia para o ajuste pelo mtodo
dos mnimos quadrados ordinrio. n= nmero
total de observaes, p= nmero de parmetros
do modelo, m= nmero de nveis distintos da
varivel independente.
48
Tabela 3.1 Localizao dos pontos de amostragem nos parques (a) e avenidas (b) e as respectivas coordenadas geogrficas na cidade de Belo Horizonte.
59
Tabela 3.2 Concentrao (g m-3) de benzeno no ar
ambiente de parques, avenidas, escritrios e
laboratrios, postos de revenda de combustveis
66
xii
Tabela 3.3 Anlise de regresso linear para a relao de Ln
da concentrao de benzeno no ar ambiente de
escritrios e laboratrios (LnEO), postos de
revenda de combustveis (LnES) e o Ln de
benzeno no ar expirado dos trabalhadores de
escritrios e laboratrios (LnBO) e dos postos de
revenda (LnBS)
70
Tabela 4.1 Matriz experimental da extrao de HAP com os
valores codificados entre parnteses para o
planejamento fatorial 23
80
Tabela 4.2 Matriz experimental da extrao de HAP com os
valores codificados entre parnteses para o
planejamento Doehlert
81
Tabela 4.3 Linearidade, limite de deteco (LD) e limite de
quantificao (LQ) para determinao de HAP
pelo mtodo DI-CF-SPME-GC/MS
86
Tabela 4.4 Quantificao de HAP em poeira urbana SRM
1649b pelo mtodo DI-CF-SPME-GC/MS.
87
Tabela 4.5 Concentrao (ng m-3) mdia (n = 3) de HAP em
amostras de material particulado atmosfrico
coletadas na cidade de Divinpolis, MG
88
Tabela 5.1 Localizao dos pontos de amostragem (P1, P2,
P3, P4 e P5) e as indstrias siderrgicas (1 a 8)
com suas respectivas coordenadas geogrficas
na cidade de Divinpolis.
93
Tabela 5.2 Concentraes mdias dos HAP (ng m-3) e 16
HAP (ng m-3) em material particulado atmosfrico
coletado nos pontos Caic (n = 25), Ermida (n =
25), Sidil (n = 25), Sersan (n = 25), e Porto Velho
(n = 25)
95
xiii
Tabela 5.3 Mdias (n = 125) das concentraes dos HAP
para o perodo de maio a outubro, fatores de
equivalncia txica (TEF), equivalentes de
benzo[a]pireno (B[a]Peq), e % B[a]Peq
97
Tabela 5.4 Parmetros metereolgicos para a cidade de
Divinpolis durante os perodos de amostragem
maio a julho (n = 60) e agosto a outubro (n = 65)
99
Tabela 5.5 Matriz de correlao para a soma das
concentraes dos 16 HAP (16HAP), soma do
material particulado (MP), e parmetros
meteorolgicos de maio a outubro
100
Tabela 5.6 Razes entre as concentraes de HAP
selecionados nos perodos de maio a julho, e de
agosto a outubro
102
Tabela 5.7 Componentes principais, pesos dos fatores,
varincia explicada e estimativa de fontes para os
HAP nos perodos de maio a julho, e de agosto a
outubro
105
Tabela 5.8 Tipo de combustvel, consumo mdio mensal e
contribuio para o consumo total das principais
indstrias instaladas no permetro urbano de
Divinpolis em 2010
107
Tabela 6.1 Coeficientes de variao para repetitividade e
reprodutibilidade intermediria em trs nveis de
concentrao de naftaleno no ar ambiente
116
Tabela 6.2 Concentrao (g m-3) de naftaleno no ar de
ambientes externos e internos.
117
xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ACGIH Conferncia Americana dos Higienistas Industriais
Governamentais (American Conference of Governmental
Industrial Hygienists)
ANOVA Anlise de Varincia
ANT Antraceno
APCI Ionizao Qumica Presso Atmosfrica (Atmospheric
Pressure Chemical Ionization)
B[a]Peq Equivalentes de Benzo[a]pireno
BaA Benzo[a]antraceno
BPe Benzo[g,h,i]perileno
CAR Carboxen
CAS (Chemical Abstracts Service)
CGxCG Cromatografia Gasosa Bidimensional Abrangente
(Compreensive Two-dimensional Gas Chromatography)
CMR Materiais de Referncia Certificados (Certified Materials
Reference)
CRY Criseno
CV Coeficiente de Variao
CW Polietilenoglicol (Carbowax)
CX Carboxen
CYP Citocromo P450
DI-CF-SPME SPME no Modo Imerso Direta com Fibra Resfriada (Direct
Imersion - Cold Fiber - Solid Phase Microextraction)
DNA cido Deoxirribonuclico (Deoxiribonucleic Acid)
DVB Divinilbenzeno
EI Impacto eletrnico (Eletronic Impact)
EPA Agncia de Proteo Ambiental (Environmental Protection
Agency)
EPC Equipamentos de Proteo Coletiva
ET Extrao Trmica
FEP Fator de Equivalncia do Potencial Carcinognico
xv
Ffaj Razo entre as Mdias Quadrticas da Falta de Ajuste e do
Erro Puro
FFD Planejamento Fatorial Completo (Full Fatorial Design)
FID Detectores de Ionizao por Chama (Flame Ionization
Detector)
FLU Fluoranteno
FR Razo entre as Mdias Quadrticas
GC Cromatografia Gasosa (Gas Chromatography)
GC/MS Cromatografia a Gs Acoplada Espectrometria de Massas
(Gas Chromatography-Mass Spectrometry)
GSH Glutationa
H Nmero de Habitantes
HAP Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos
HAP Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos
HCA Anlise Hierrquica de Agrupamentos (Hierarchy Clusters
Analysis)
HPLC Cromatografia Lquida de Alta Eficincia (High-Performance
Liquid Chromatography)
IARC Agncia Internacional para Pesquisa em Cncer (International
Agency for Research on Cancer)
IcdP Indeno[1,2,3-cd]pireno
IT Armadilha de ons (Ion Trap)
Koa Coeficiente de Partio Octanol-ar
Kow Coeficiente de Partio Octanol-gua
LD Limite de Deteco
LD Limite de Deteco
LER Limite de Exposio Recomendado
LnBO
Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar
Expirado dos Trabalhadores de Escritrios e Laboratrios
LnBS Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar
Expirado dos Trabalhadores de Postos de Revenda de
Combustveis
xvi
LnEO Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar
Ambiente de Escritrios e Laboratrios
LnES Logartimo Natural da Concentrao de Benzeno no Ar de
Postos de Revenda de Combustveis
Log Logartimo Base 10
LQ Limite de Quantificao
LQ Limite de Quantificao
LT Limite Tcnico
MESI Extrao por Membrane com Interface Sorvente (Membrane
Extraction with a Sorbent Interface)
MIMS Espectrometria de Massas por Introduo via Membrana
(Membrane Introduction Mass Spectrometry)
MMQP Metodo dos Mnimos Quadrados Ponderado
MPO Mieloperoxidase
MQep Mdia Quadrtica do Erro Puro
MQfaj Mdia Quadrtica da Falta de Ajuste
MQR Mdia Quadrtica da Regresso
MQr Mdia Quadrtica dos Resduos
MS Espectrometria de Massas (Mass Spectrometry)
MSR Metodologia de Superfcies de Resposta
NC Nvel de Confiana
NIOSH Instituto Nacional de Sade e Segurana Ocupacional
(Ocupacional National Institute for Occupational Safety and
Health)
NIST Instituto Nacional de Pares e Tecnologia (National Institute of
Standards and Tecnologies)
NQO1 Quinona Oxiredutase
P Presses de Vapor
PA Poliacrilato
PC Componentes Principais (Principal Components)
PCA Anlise de Componentes Pricincipais (Principal Components
Analysis)
PDMS Polidimetilsiloxana
xvii
PE Ponto de Ebulio
PF Ponto de Fuso
PHE Fenantreno
PM10 Material Particulado com dimetro inferior a 10 m (Particulate
Matter)
PP Polipropileno
ppm Partes por milho
PTFE Polietrafluoretileno
PUF Espuma de Poliuretano (Polyurethane Foam)
PY Pireno
r Coeficiente de Correlao
R2 Coeficiente de Determinao
REL Limite de Exposio Recomendado (Recommended
Exposition Limits)
RSD Desvio Padro Relativo (Relative Standard Deviation)
S Solubilidade em gua
SPE Extrao em Fase Slida (Solid Phase Extraction)
SPMD Dispositivo com Membrana Semipermevel (Semipermeable
Membrane Device SPMD)
SPME Microextrao em Fase Slida (Solid Phase Microextraction)
SQep Soma Quadrtica do Erro Puro
SQfaj Soma Quadrtica da Falta de Ajuste
SQR Soma Quadrtica da Regresso
SQr Soma Quadrtica dos Resduos
SQT Soma Quadrtica Total
SRM Material de Referncia Padro (Standard Reference Material)
STEL Limite de Exposio em Curto Prazo (Short Term Exposure
Limit)
TEF Fator de Equivalncia Txica (Toxic Equivalent Factor)
TLV Limite de Exposio Ocupacional (Threshold Limit Value)
TSP Partculas Totais em Suspenso (Total Suspended Particles)
UFMG Universidade Federal de Minas Gerais
USA Estados Unidos da Amrica (United States of America)
xviii
UR Unidade de Risco
UV Ultra Violeta
VOC Compostos Orgnicos Volteis (Volatile Organic Compounds)
VRT Valores de Referncia Tecnolgicos
SUMRIO
Agradecimentos........................................................................................ iv
Resumo..................................................................................................... v
Abstract..................................................................................................... vi
Lista de Figuras........................................................................................ vii
Lista de Tabelas........................................................................................ xi
Lista de Abreviaturas e Siglas.................................................................. xiv
CAPTULO 1: RELEVNCIA E OBJETIVOS.......................................... 1
CAPTULO 2: ASPECTOS GERAIS........................................................ 5
2.1- Benzeno: Fontes de Exposio Humana e Toxicologia.................... 6
2.2- Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos: Propriedades e Fontes de Exposio Humana.......................................................................
9
2.3- Efeitos Txicos dos Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos.......... 14
2.4- Anlise dos Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos no Ar Ambiente ...........................................................................................
17
2.5- Anlise de Benzeno no Ar Expirado.................................................. 22
2.6- Tcnicas para Amostragem de Compostos Volteis no Ar............... 25
2.7- Amostragem por Microextrao em Fase Slida............................... 28
2.8- Gerao de Padres Gasosos.......................................................... 36
2.9- Mtodos Quimiomtricos................................................................... 40
2.9.1-Planejamento de Experimentos....................................................... 40
2.9.2- Anlise de Componentes Principais e Anlise Hierrquica de Agrupamentos.................................................................................
43
2.10- Validao de Mtodos de Ensaios Qumicos.................................. 45
CAPTULO 3: DETERMINAO DE BENZENO NO AR AMBIENTE E NO AR EXPIRADO...................................................................................
53
3.1-Material e Mtodos............................................................................. 54
3.1.1- Reagentes...................................................................................... 54
3.1.2- Equipamentos................................................................................. 54
3.1.3- Programas Computacionais........................................................... 54
3.1.4- Sistema Cromatogrfico................................................................. 55
3.1.5- Sistema de Gerao de Padres Gasosos.................................... 55
3.1.6- Coleta de Amostras Reais.............................................................. 58
3.2-Resultados e Discusso..................................................................... 60
3.2.1-Determinao do Tempo de Equilbrio do Sistema de Gerao de Padres...........................................................................................
60
3.2.2- Validao da Metodologia.............................................................. 61
3.2.3- Anlises no Ar Ambiente................................................................ 65
3.2.4- Anlises no Ar Expirado................................................................. 69
3.3- Concluso.......................................................................................... 71
CAPTULO 4: DETERMINAO DE HIDROCARBONETOS AROMTICOS POLICCLICOS EM MATERIAL PARTICULADO ATMOSFRICO.......................................................................................
73
4.1- Material e Mtodos............................................................................ 74
4.1.1- Reagentes...................................................................................... 74
4.1.2- Equipamentos................................................................................. 74
4.1.3- Programas Computacionais........................................................... 75
4.1.4- Sistema Cromatogrfico................................................................. 75
4.1.5- Planejamentos Experimentais........................................................ 76
4.1.6- Microextrao em Fase Slida com Fibra Resfriada...................... 77
4.1.7- Coleta de Amostras........................................................................ 78
4.2- Resultados e Discusso.................................................................... 80
4.2.1- Planejamentos e Procedimentos de Otimizao............................ 80
4.2.2- Validao da Metodologia.............................................................. 85
4.2.3- Anlises no Material Particulado Atmosfrico................................ 87
4.3- Concluso.......................................................................................... 89
CAPTULO 5: MONITORAMENTO DE HIDROCARBONETOS AROMTICOS POLICCLICOS EM MATERIAL PARTICULADO ATMOSFRICO........................................................................................
90
5.1- Material e Mtodos............................................................................ 91
5.1.1- Reagentes...................................................................................... 91
5.1.2- Equipamentos................................................................................. 91
5.1.3- Programas Computacionais........................................................... 91
5.1.4- Sistema Cromatogrfico................................................................. 91
5.1.5-Coleta de Amostras......................................................................... 91
5.1.6- Anlises das Amostras................................................................... 94
5.2- Resultados e Discusso.................................................................... 94
5.2.1-Variao Sazonal dos HAP............................................................. 94
5.2.2-Distribuio das Fontes dos HAP.................................................... 101
5.5- Concluso.......................................................................................... 107
CAPTULO 6: DETERMINAO DE NAFTALENO NO AR AMBIENTE 109
6.1- Material e Mtodos............................................................................ 110
6.1.1- Reagentes...................................................................................... 110
6.1.2- Equipamentos................................................................................. 110
6.1.3- Programas Computacionais........................................................... 110
6.1.4- Sistema Cromatogrfico................................................................. 110
6.1.5- Sistema de Gerao de Padres Gasosos.................................... 111
6.1.6- Coleta de Amostras........................................................................ 112
6.2- Resultados e Discusso.................................................................... 113
6.2.1- Validao da Metodologia.............................................................. 113
6.2.2- Anlises no Ar Ambiente................................................................ 116
6.3- Concluso.......................................................................................... 119
CAPTULO 7: CONSIDERAES FINAIS.............................................. 120
CAPTULO 8: REFERNCIAS................................................................. 124
ANEXOS................................................................................................... 149
Lista de Materiais Certificados.................................................................. 150
Lista de Trabalhos Apresentados em Eventos......................................... 154
Lista de Trabalhos Publicados e Submetidos para Publicao................ 156
1
Captulo 1
RELEVNCIA E OBJETIVOS
2
Captulo 1
O ser humano pode sobreviver algumas semanas sem alimento, alguns
dias sem gua, porm no sobrevive a mais de trs minutos sem ar. Podemos
recusar gua contaminada ou alimento suspeito, porm no conseguimos fazer
o mesmo em relao ao ar poludo. No entanto, o modelo de desenvolvimento
no sustentvel baseado na utilizao do carbono como fonte de energia
primria tem contribudo de forma significativa para a deteriorao da qualidade
do ar colocando em risco nossa sobrevivncia. A poluio atmosfrica um
dos problemas ambientais mais relevantes tanto nos pases em
desenvolvimento quanto nos desenvolvidos. Este problema se agrava em
compartimentos ambientais com grandes aglomerados humanos, como nas
regies metropolitanas, onde a queima clandestina de resduos slidos,
indstrias e a emisso de gases dos veculos provocam uma elevao
preocupante nos nveis de emisses dos compostos nocivos. Em reas
urbanas, as pessoas passam a maior parte do tempo em ambientes fechados,
o que contribui para aumentar a exposio aos poluentes presentes nesses
microambientes [1].
As emisses para o ar podem ser na forma slida, lquida ou gasosa. O
tempo de permanncia desses poluentes na atmosfera varia de minutos a
sculos. Devido disperso atravs das correntes de ar, a poluio
atmosfrica no se restringe s reas onde ocorrem as emisses. As fronteiras
regionais e nacionais so facilmente ultrapassadas e os efeitos podem ser
observados em escala global. Dentre os danos ao ambiente causados pela
poluio atmosfrica pode-se citar o aumento da acidez das guas da chuva, o
ataque aos materiais e vegetao, o aumento da temperatura mdia da
atmosfera e a diminuio da camada de oznio [2]. A interao dos poluentes
com o organismo humano aumenta, principalmente, a incidncia de doenas
respiratrias, circulatrias, neoplasias e mortes [3].
A avaliao da exposio ocupacional e ambiental aos agentes qumicos
condio essencial para minimizar seus efeitos na sade humana. Para isso,
so necessrias tcnicas analticas adequadas que permitam determinar tais
substncias qumicas no ambiente e atravs do biomonitoramento.
3
Captulo 1
O conceito de limite de exposio ou limite de segurana de uma
substncia txica procura estabelecer uma relao entre a dose e a resposta
produzida nos organismos expostos. Atualmente, h uma tendncia de se
considerar que no existe dose segura diferente de zero, principalmente para
as substncias classificadas como carcinognicas, como o caso do benzeno
e dos hidrocarbonetos aromticos policclicos (HAP) [4].
Efeitos adversos sade podem ser reduzidos de forma significativa
quando se detecta em tempo hbil uma exposio perigosa. O monitoramento
da exposio ocupacional e ambiental um procedimento que permite avaliar
parmetros biolgicos e/ou ambientais com o objetivo de implantar medidas de
preveno e controle adequados para a minimizao dos riscos sade [5].
Um indicador biolgico ou biomarcador toda substncia, ou seu
produto de biotransformao, ou quaisquer alteraes bioqumicas precoces,
cuja determinao esteja associada intensidade da exposio ou ao risco
sade [6]. A determinao da substncia txica ou seu produto de
biotransformao pode ser realizado em fludos biolgicos tais como sangue,
urina e ar expirado.
Atualmente, muitas pesquisas [7-9] sobre biomarcadores tm sido
desenvolvidas com o intuito de fazer frente ao grande desafio de estabelecer
relaes entre exposies a agentes qumicos ambientais, e doenas
desenvolvidas por exposies agudas e crnicas. Para validar a utilizao de
biomarcadores necessrio estabelecer a relao qualitativa e quantitativa
com a exposio qumica. Por isso, o monitoramento ambiental permite
verificar se as medidas de controle das emisses so adequadas para reduzir
as exposies, enquanto que o monitoramento biolgico possibilita avaliar se
existe segurana quando da exposio ao agente qumico no ambiente de
trabalho ou no meio ambiente [10]. O monitoramento biolgico alm de avaliar
a exposio global ao txico, permite considerar caractersticas individuais tais
como constituio fsica e predisposio gentica.
4
Captulo 1
O desenvolvimento de metodologias para amostrar e quantificar
hidrocarbonetos aromticos no ar ambiente e no ar expirado o tema principal
desta tese. A microextrao em fase slida foi a tcnica selecionada para a
amostragem. Para identificao e quantificao foi utilizada a cromatografia
gasosa acoplada espectrometria de massas. Os principais objetivos foram
determinar benzeno no ar ambiente e no ar expirado, utilizar o benzeno no ar
expirado como biomarcador de exposio ocupacional e ambiental, determinar
naftaleno no ar ambiente, determinar hidrocarbonetos aromticos policclicos
em material particulado atmosfrico, e, por fim, monitorar hidrocarbonetos
aromticos policclicos em material inalvel presente no ar ambiente do
municpio de Divinpolis, MG.
A tese apresentada em sete captulos. Nos aspectos gerais so
apresentados os fundamentos dos principais tpicos descritos no trabalho e
uma reviso bibliogrfica. Nos captulos 3 e 4 so apresentados materiais,
mtodos, e discusso dos resultados obtidos para determinao de benzeno
no ar ambiente e no ar expirado e hidrocarbonetos aromticos policclicos em
material particulado atmosfrico. O captulo 5 trata do monitoramento dos
hidrocarbonetos aromticos policclicos e da distribuio de fontes. O captulo 6
descreve materiais, mtodos, e discusso dos resultados obtidos para
determinao de naftaleno no ar ambiente. O captulo 7 refere-se concluso
geral do trabalho e, por fim, so listadas as referncias utilizadas.
5
Captulo 2
ASPECTOS GERAIS
6
Captulo 2
2.1 Benzeno: Fontes de Exposio Humana e Toxicologia
Benzeno um poluente primrio presente no ar atmosfrico, em
ambientes internos e externos. Vaporizaes e combusto incompleta de
gasolinas so suas principais fontes antropognicas [11, 12]. Indstria
petroqumica, processamento do coque, indstrias de tintas, de vernizes, de
plsticos e indstria farmacutica so atividades que tambm contribuem com
emisses para o ambiente [13]. Em ambientes internos, alm da queima de
cigarros [14], podem-se citar os carpetes, papeles e adesivos [15], bem como
a utilizao de carvo e biomassa para aquecimento e cozimento [16, 17].
A exposio ocupacional ocorre nas refinarias, indstrias de
transformao, siderurgias, laboratrios de anlise qumica, postos de
distribuio e revenda de combustveis, oficinas mecnicas e grficas. Os
trabalhadores envolvidos com a produo, o transporte e a comercializao de
combustveis esto expostos a diversos nveis de concentrao de benzeno
cujo teor mdio em gasolinas de 3% v/v. Alteraes nesse valor ocorrem
devido procedncia, a regulamentaes adotadas por cada pas e a
adulteraes com solventes aromticos [18].
Benzeno considerado carcinognico para humanos (1A) pela Agncia
Internacional para Pesquisa em Cncer (International Agency for Research on
Cancer - IARC) [19] e listado pela Organizao Mundial de Sade (World
Health Organization - WHO) [20] como composto de prioridade mxima.
Estudos tm mostrado que alm de ser fator de risco para leucemia, o benzeno
pode provocar alteraes hematolgicas significativas em pessoas expostas a
3,19 mg m-3 (101,3 kPa e 298 K) ou 1 ppm [21].
A intoxicao humana por benzeno pode ocorrer pelas vias respiratria,
cutnea e digestiva, no entanto a principal via a respiratria [22]. Na
intoxicao aguda, a maior parte retida no sistema nervoso central, enquanto
que na intoxicao crnica distribui-se pela medula ssea, fgado e tecidos
gordurosos. As intoxicaes agudas, em geral acidentais e graves,
caracterizam-se, sobretudo, pelos seus efeitos narcticos tais como tontura,
7
Captulo 2
desmaios e coma. A exposio prolongada ao benzeno provoca diversos
efeitos no organismo humano, destacando-se entre eles a mielotoxidade, a
genotoxidade e a sua ao carcinognica. So conhecidos, ainda, efeitos sobre
diversos rgos como o sistema nervoso central e os sistemas endcrino e
imunolgico [23].
Por se tratar de um composto genotxico e, portanto sem um limite
seguro de exposio, h uma tendncia mundial em se reduzir o mximo
possvel a exposio ocupacional e ambiental ao benzeno. O Limite de
Exposio Ocupacional (Threshold Limit Value - TLV) de 1,60 mg m-3, mdia
ponderada pelo tempo, recomendado pela Conferncia Americana de
Higienistas Industriais (American Conference of Industrial Hygienists - ACGIH)
[24] tem diminudo de forma significativa nas ltimas dcadas, em 1946 esse
limite era 319 mg m-3. O Instituto Nacional de Sade e Segurana Ocupacional
(NIOSH-USA Ocupacional National Institute for Occupational Safety and
Health United States of America) (NIOSH-USA) estabeleceu o Limite de
Exposio Recomendado (Recommended Exposition Limits REL) de 0,32
mg m-3 mdia ponderada pelo tempo, e o Limite de Exposio em Curto Prazo
(Short Term Exposure Limit STEL) com 15 minutos de exposio de 3,19
mg m-3 [25]. Na Alemanha, adota-se um Limite Tcnico (LT) de 3,19 a 8 mg m-3
[26]. No Brasil, a exemplo da Alemanha, a legislao trabalhista adota Valores
de Referncia Tecnolgicos (VRT) de 3,19 mg m-3 [27].
O aumento gradativo da concentrao de benzeno em atmosferas
urbanas, com picos de concentrao que excedem vrias vezes os limites
recomendados, tem indicado que a exposio em ambientes no ocupacionais
deve receber ateno especial. Pois alm de se tratar de composto
reconhecidamente carcinognico, o nmero de pessoas expostas muito
maior em relao aos ambientes ocupacionais. H tambm a necessidade de
proteo especial para a parcela mais sensvel da populao tais como
crianas, gestantes e idosos [28].
8
Captulo 2
A Comunidade Europeia, com base nas orientaes e recomendaes
da Organizao Mundial de Sade, reconheceu a necessidade de reduzir a
poluio atmosfrica para nveis que minimizem os efeitos na sade humana e
no ambiente na sua globalidade. Para o benzeno, foi inicialmente fixado o
valor-limite de 5 g m-3 [29] como mdia anual, que foi reduzida a zero a partir
de 2010. Trata-se, portanto, de uma diretiva particularmente importante para
identificar e implementar medidas mais eficazes de reduo nas emisses de
benzeno. Convm ressaltar que valores para exposies de longo tempo de
durao no consideram que em reas urbanas as pessoas, de um modo
geral, ficam a maior parte do tempo em ambientes internos e quando esto em
ambientes externos so submetidos a altos nveis de benzeno, principalmente,
quando esto dentro de veculos em trnsito [30].
Figura 2.1 - Principais vias de biotransformao do benzeno (CYP, citocromo P450; GSH, glutationa; MPO, mieloperoxidase; NQO1, NAD(P)H: quinona oxiredutase). [19].
9
Captulo 2
Devido a sua baixa polaridade, o benzeno apresenta alta solubilidade
em lipdios, portanto se acumula preferencialmente em tecidos adiposos. A
biotransformao do benzeno (Figura 2.1) ocorre principalmente no fgado e na
medula ssea. Os seus metablitos fenlicos so mais txicos que o prprio
benzeno [31].
A ao mielotxica dos metablitos quinnicos catecol e hidroquinol
se deve a reao desses derivados com os cromossomos, provocando
alteraes morfolgicas e interferindo na diviso celular. O cido trans-trans-
mucnico possui estrutura qumica que possibilita uma atividade alquilante e
capacidade de produzir ligaes cruzadas com protenas e o cido
deoxirribonuclico (Deoxiribonucleic Acid - DNA) [32].
A avaliao do risco de exposio ao benzeno pode ser feita pelo
monitoramento ambiental ou ocupacional desse composto bem como pela
utilizao de indicadores biolgicos de exposio em sangue, urina, pele ou ar
expirado. Alm do benzeno no metabolizado, tem-se utilizado o cido trans-
trans-mucnico [33, 34], cido S-fenilmercaptrico [35, 36] e adutos do
benzeno com albumina ou hemoglobina [37, 38]. A determinao de benzeno
no metabolizado em sangue, urina e ar expirado possibilita considerar tanto
rotas conhecidas quanto desconhecidas de entrada no organismo, picos
inesperados de concentrao e diferenas genticas individuais [39].
2.2 Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos: Propriedades e
Fontes de Exposio Humana
Os hidrocarbonetos aromticos policclicos (HAP) so membros de uma
classe de compostos que esto presentes em diversos compartimentos
ambientais. No ar so encontrados tanto em ambientes internos quanto
externos. A maioria desses compostos apresentam comprovadas propriedades
cancergenas e mutagnicas [40].
10
Captulo 2
Sua natureza ubqua est evidenciada no fato de que os dezesseis HAP,
mostrados na Figura 2.2, so considerados poluentes prioritrios pela Agncia
de Proteo Ambiental Americana (Environmental Protection Agency-United
States of America - EPA-USA) [41]. Recentemente a Unio Europeia, com o
objetivo de evitar e prevenir os efeitos adversos dos HAP sade e ao
ambiente, estabelece o valor alvo de 1 ng m-3 para o benzo[a]pireno no ar
ambiente e recomenda o monitoramento do benzo[a]antraceno,
benzo[b]fluoranteno, benzo[k]fluoranteno, benzo[b]fluoranteno, indeno[1, 2, 3-
cd]pireno e dibenzo[a,h]antraceno [42].
Figura 2.2 - Estruturas dos 16 HAP preconizados pela Agncia de Proteo
Ambiental Americana como poluentes prioritrios.
Os HAP so formados pela condensao de dois ou mais anis
aromticos. Na atmosfera, esses compostos podem ocorrer na forma de gases,
adsorvidos/absorvidos em material particulado, ou ainda distribudos entre as
11
Captulo 2
fases gs-partcula, como o caso dos semivolteis. A partio gs-partcula
depende principalmente da massa molar. Os HAP com baixas massas se
concentram na fase gasosa enquanto aqueles com altas massas se associam
ao material particulado. A Tabela 2.1 mostra o nome comum, abreviao,
frmula emprica, massa molar, e nmero CAS (Chemical Abstracts Service)
para os 16 HAP considerados poluentes prioritrios.
Tabela 2.1 Nome comum, abreviao, frmula emprica, massa molar, e
nmero CAS para os HAP
Devido baixa polaridade, a solubilidades dos HAP em gua
geralmente baixa. Entretanto, seus derivados oxidados tais como cidos, fenis
e cetonas so mais polares, portanto mais solveis em gua. Os pontos de
fuso apresentam uma ampla faixa de variao e os pontos de ebulio so
acima de 200 C. Muitos desses compostos sublimam temperatura ambiente.
A presso de vapor tambm apresenta uma ampla faixa de variao. Os
coeficientes de partio octanol-ar e octanol-gua so determinantes para a
distribuio dos HAP nos diversos compartimentos ambientais e decisivos para
estabelecer planos de amostragem.A Tabela 2.2 fornece algumas propriedades
fsico-qumicas de interesse para os HAP indicadores de poluio.
Nome Comum Abreviao Frmula
Emprica
Massa
Molar
Nmero
CAS
Naftaleno NA C10H8 128,16 91203
Acenaftileno AcPy C12H8 152,20 208968
Acenafteno AcP C12H10 154,21 83329
Fluoreno FL C13H10 166,22 86737
Fenantreno PHE C14H10 178,22 85018
Antraceno Ant C14H10 178,22 120127
Fluoranteno FLU C16H10 202,26 206440
Pireno PY C16H10 202,26 129000
Benzo(a)antraceno BaA C18H12 228,29 56553
Criseno CRY C18H12 228,29 218019
Benzo[b]fluoranteno BbF C20H12 252,32 205992
Benzo[k]fluoranteno BkF C20H12 252,32 207089
Benzo[a]pireno BaP C20H12 252,32 50328
Indeno[1,2,3-cd]pireno IcdP C22H12 276,34 193395
Dibenzo[ah]antraceno dBAn C22H14 278,35 53703
Benzo[ghi]perileno BPe C22H12 276,34 191242
12
Captulo 2
Uma vez na atmosfera os HAP participam de diversas reaes qumicas,
produzindo derivados oxigenados e nitrogenados mais txicos que os
compostos de origem [43]. As reaes dos HAP quando expostos ao ambiente
so preferencialmente de adio e substituio para manter o sistema
conjugado aps a reao. O tipo de ambiente ir determinar as condies para
que as reaes ocorram [44].
Tabela 2.2 Presses de vapor (P), solubilidade em gua a 25C (S),
Logaritmo do coeficiente de partio octanol-ar (Log Koa), Logaritmo do
coeficiente de partio octanol-gua (Log Kow), ponto de fuso (PF) e ponto de
ebulio (PE) dos 16 HAP indicadores de poluio.
Os HAP presentes em partculas provenientes da queima de madeira,
devido presena de xidos inorgnicos tais como silcio e alumnio, decaem
mais rapidamente do que aqueles provenientes dos gases de exausto dos
veculos automotores [45]. Alm da estrutura qumica, origem, estado fsico, as
reaes desses compostos na atmosfera so afetadas pela presena de outros
poluentes tais como oznio, xidos de nitrognio, xidos de enxofre e por
fatores metereolgicos como irradiao solar e umidade relativa [46, 47].
Composto P
(mmHg) S
(g/L) Log KOA Log KOW
PF (C)
PE (C)
Naftaleno 7,8x10-2
31700 5,13 3,37 80,2 217,9
Acenaftileno 6,7x10-3
16100 - 4,00 92-93 270
Acenafteno 2,2x10-3
3800 6,23 4,00 96,2 279
Fluoreno 6,0x10-4
1900 6,68 4,18 116,5 294
Fenantreno 1,2x10-4
45 7,45 4,57 100 340
Antraceno 6,0x10-6
73 7,34 4,54 218 342
Pireno 4,5x10-6
135 8,43 5,18 156 399
Fluoranteno 9,2x10-6
260 8,60 5,22 110 -
Benzo[a]antraceno 2,1x10-7
14 10,8 5,91 158,5 -
Criseno 6,4x10-9
2 10,44 5,75 255,5 -
Benzo[a]pireno 5,6x10-9
1,6 11,13 6,04 117 311
Benzo[b]fluoranteno - 1,5 - 5,8 168 -
Benzo[k]fluoranteno 3,9x10-10
0,8 11,19 6,00 217 480
Benzo[g,h,i]perileno - 0,3 - 6,5 273 -
Indeno[1,2,3-cd]pireno - 0,2 - - 162 -
Dibenzo[a,h]antraceno 3,7x10-10
0,6 13,91 6,75 262 -
Fonte: adaptado [43]
13
Captulo 2
Os HAP so formados a partir da pirlise de compostos que contenha
estruturas cclicas, combusto incompleta de compostos orgnicos e processos
de biossntese. O mecanismo de formao dos HAP a partir de combustes
incompletas bastante complexo e envolve a formao de radicais livres na
zona redutora da chama. Os fragmentos combinam-se rapidamente para
formar molculas aromticas parcialmente condensadas. Com o resfriamento,
a mistura dos HAP condensa-se em um substrato particulado [48].
A distribuio dos HAP em relao ao tamanho das partculas depende
da massa molar. Compostos de maior massa molar, geralmente, esto
associados a partculas de menor tamanho [49]. Na fase gasosa predominam
os HAP volteis com dois anis e os semivolteis com trs e quatro anis.
Associados ao material particulado esto os HAP semivolteis mais pesados
contendo cinco e seis anis.
Dentre as principais fontes antropognicas desses compostos, pode-se
citar a combusto incompleta de gasolina e de diesel, processos de
incinerao, queima de biomassa, gaseificao do carvo, produo do
alumnio, ferro e ao e queima do tabaco. As fontes naturais so os vulces,
processos hidrotrmicos e incndios florestais [50]. O tipo de fonte emissora
determina a composio e a complexidade da mistura dos HAP obtida. As
fontes estacionrias contribuem com a maior parte da emisso total dos HAP
para a atmosfera, entretanto nos grandes centros urbanos as fontes mveis
prevalecem [51]. O elevado nvel desses compostos em aglomerados urbanos
se deve principalmente ao aumento do trfego veicular e a dificuldade de
disperso dos poluentes [52]. A estabilidade de muitos HAP aliada a
turbulncias na atmosfera, variaes na direo e velocidade dos ventos, faz
com que esses compostos possam ser transportados grandes distncias
atingindo receptores bem afastados dos pontos onde foram emitidos, portanto
o monitoramento em escala local, regional e continental faz-se necessrio [53,
54].
14
Captulo 2
2.3 Efeitos Txicos dos Hidrocarbonetos Aromticos
Policclicos
Os HAP so absorvidos por inalao, por via oral e por exposio
drmica. A exposio drmica significativa em algumas atividades industriais,
podendo alcanar at 90% da quantidade absorvida pelo organismo. A
absoro cutnea ocorre de forma rpida por difuso passiva [55].
Uma vez absorvidos pelo organismo esses compostos se distribuem por
todos os rgos. Os rgos formados por tecidos adiposos tendem a
armazenar os HAP que so lipossolveis. Estudos mostram que devido
excreo hepatobiliar o trato gastrointestinal apresenta nveis elevados de
metablitos independente da via de acesso ao organismo. A biotransformao
geralmente lenta, quando os HAP esto associados a partculas respirveis
(dimetro aerodinmico menor que 10 m) entretanto, na ausncia desta
associao a degradao pode ocorrer em at uma hora aps a exposio.
O metabolismo dos HAP geralmente envolve a formao de fenis ou
diis por epoxidao das ligaes duplas e derivados hidroxilados podem
conjugar com glutationa, sulfatos ou cido glicurnico. Reaes de oxidao,
reduo, hidrlise e conjugao dos HAP envolvem, alm do sistema
enzimtico citocromo P450, vrias outras enzimas distribudas em diferentes
rgos. Aps reaes de oxidao, a polaridade dos produtos oxigenados
aumenta, tornando-os mais solveis em gua, e cria stios para ligaes com
grupos mais volumosos. Alguns desses grupos podem causar danos genticos
antes de serem excretados [56].
As bases nucleoflicas do DNA so capazes de reagir com o carbono
benzlico dos derivados dihidrodiolepxidos e iniciarem um processo
mutagnico. Reaes semelhantes podem ocorrer com a albumina e a
hemoglobina. Vrias enzimas envolvidas no metabolismo dos HAP apresentam
distribuio polimrfica o que pode alterar a razo entre ativao e
desativao, aumentando, assim, o risco de desenvolvimento de cncer [57].
15
Captulo 2
Entre os HAP o benzo[a]pireno foi um dos primeiros compostos a ser
identificado como carcinognico [58]. A biotransformao do benzo[a]pireno
est representada simplificadamente na Figura 2.3. Na primeira fase da
biotransformao, a enzima P450-monoxidase catalisa a produo dos
epxidos (1), que ao sofrerem rearranjo formam fenis (2) ou di-hidrodiis (3).
Alguns fenis obtidos podem ser oxidados foma quinona (4), ou por hidrlise
formarem fenol di-hidrodiis (5).
A oxidao sucessiva dos di-hidrodiis leva a formao do fenol di-
hidrodiol (7) que pode hidrolisar espontaneamente em tetris (8). Na segunda
fase, ocorrem as reaes de conjugao dos fenis, quinonas, di-hidrodiis e
fenol di-hidrodiis com sulfatos e glicurnicos [59]. A urina e as fezes so as
principais vias de eliminao dos produtos de biotransformao dos HAP.
Figura 2.3 Principais biotransformaes do Benzo[a]pireno. Adaptado [59]
Os HAP com cinco ou seis anis tm apresentado um maior potencial
carcinognico do que aqueles com menos anis. Recentemente, foi proposto
um fator de equivalncia para avaliar o potencial dos HAP para induzir cncer,
16
Captulo 2
tomando como referncia o Benzo[a]pireno (fator 1,00) [60]. A Tabela 2.3
mostra a carcinogenicidade de acordo com a IARC-USA e a EPA-USA, e o
fator de equivalncia em relao ao Benzo[a]pireno para avaliao do potencial
carcinognico de alguns HAP comumente presentes no ar ambiente.
Tabela 2.3 Carcinogenicidade, segundo a Agncia Internacional de Pesquisa
para o Cncer (International Agency for Research on Cancer IARC), Agncia
de Proteo Ambiental (Environmental Protection Agency EPA) e fatores de
equivalncia de alguns HAP presentes no ar ambiente.
a I = evidncias inadequadas, L = evidncias limitadas, S = evidncias suficientes. [61] b 2A = evidncias adequadas, 2B= possibilidade de carcinognese, 3 = no classificado. [61] c B2 = evidncias suficientes para animais e evidncias inadequadas para estudos epidemiolgicos. NC = no classificado. [62] d FEP = Fator de Equivalncia do Potencial Carcinognico em relao ao Benzo[a]pireno. [63]
A exposio aos HAP pode ser biomonitorada atravs da determinao
de compostos individuais, misturas ou metablitos. Biomarcadores
relacionados sua ao txica podem ser determinados na urina, entretanto os
nveis encontrados para esses compostos so bem menores do que aqueles
excretados pelas fezes. O tempo de meia vida dos metablitos para a excreo
urinria apresenta uma ampla faixa de variao [64].
Composto
Classificao IARCa
Classificao EPA
c
FEPd Animais
a Humanos
b
Benzo[a]antraceno S 2A B2 0,005
Criseno L 3 B2 0,03
Benzo[a]pireno S 2A B2 1,00
Benzo[b]fluoranteno S 2B B2 0,05
Benzo[k]fluoranteno S 2B B2 0,05
Benzo[g,h,i]perileno I - - 0,02
Indeno[1,2,3-cd]pireno S 2B - 0,1
Dibenzo[a,h]antraceno S 2A NC 0,4
17
Captulo 2
Em exposies ocupacionais, a amostragem deve ser feita no final da
jornada de trabalho. O hbito de fumar deve ser sempre levado em
considerao ao se realizar biomonitoramento da exposio aos HAP.
O pireno um dos HAP mais abundantes em emisses de combustes,
por isso tem-se utilizado o 1-hidroxipireno como biomarcador urinrio para
avaliar exposio de trabalhadores expostos a emisses de combustveis
fsseis, entretanto grandes variaes so observadas entre os indivduos
expostos, possivelmente devido a variaes individuais das taxas de
biotransformao [65]. Em trabalho recente realizado com cem trabalhadores
de incineradores de material orgnico foi encontrado 1-hidroxipireno na urina
em concentraes na faixa 0,01 a 0,25 g por grama de creatinina na urina
[66]. Outros metablitos hidroxilados do naftaleno, fluoreno, fenantreno,
criseno, antraceno e benzo[a]pireno esto sendo propostos para avaliar a
exposio aos HAP [67- 69].
2.4 Anlise dos Hidrocarbonetos Aromticos Policclicos no Ar
Ambiente
A anlise dos HAP em ar ambiente um desafio analtico devido aos
baixos nveis, complexidade e diversidade de fases da matriz e presena
de ismeros. A grande faixa de variao da presso de vapor desses
compostos e a reatividade com outros poluentes presentes no ar requerem
cuidados e critrios bem definidos para realizao da amostragem. A partio
entre fases depende, principalmente, da massa total de material particulado em
suspenso, do tamanho das partculas e da temperatura [70].
Para amostragem dos HAP so utilizados mtodos ativos ou passivos.
Os mtodos ativos fazem uso de bombas que aspiram o ar sob fluxo constante.
Quando se utiliza fluxos de 0,3 a 1,5 m3 min-1 so necessrios amostradores de
grandes volumes (High Volum), mais indicados para ambientes externos. Para
fluxos mdios de 0,001 a 0,003 m3 min-1, utilizam-se amostradores de baixos
volumes.
18
Captulo 2
Nos mtodos passivos a amostra deve-se difundir atravs de uma
superfcie [71]. Estes mtodos se aplicam principalmente aos HAP na fase de
vapor e so bastante teis para amostragem em ambientes ocupacionais.
Para coleta de HAP no material particulado so utilizados filtros de fibra
de vidro, teflon e fibra de quartzo. Desses materiais, o mais utilizado o de
fibra de vidro devido principalmente ao baixo custo e facilidade de limpeza,
que pode ser feita com solventes ou pr-aquecimento a 500 C. Os filtros de
fibra de vidro quando comparados a filtros de teflon, tendem a reter maiores
nveis dos HAP mais volteis. Isso ocorre provavelmente devido a menor
queda de presso observada nos filtros de fibra de vidro [72].
A amostragem de HAP em material particulado com classificao por
tamanho da partcula pode ser feita com impactadores tipo cascata, como
mostrado no diagrama esquemtico da Figura 2.4. Nesses equipamentos,
vrias placas so sobrepostas com orifcios de tamanhos variveis. Ao passar
por essas placas ou estgios, o fluxo do ar aumentado pela diminuio das
dimenses das aberturas e provoca desvios de rota. A coleta ocorre por meio
da fora inercial que as partculas ficam sujeitas durante as mudanas de
trajetria do fluxo de ar. Nesse tipo de equipamento, possvel coletar
partculas com dimetros na faixa de 0,5 a 30 m.
Figura 2.4 - Diagrama esquemtico de um impactador de cascata. Adaptado
[73]
19
Captulo 2
Durante a amostragem do material particulado ocorre volatilizao dos
HAP com baixa presso de vapor. Em um perodo de 24 horas de amostragem,
estas perdas podem ser de at 85%. Para avaliar a partio entre as fases gs-
partcula, tem-se utilizado espuma de poliuretano (Polyurethane Foam - PUF),
aps o filtro para absoro dos compostos volteis e semivolteis.
Alternativamente podem ser utilizados filtros impregnados com materiais
absorventes, tubos com slidos adsorventes tais como Tenax (polmero poroso
de xido de 2,6-difenileno) e XAD-2 (coopolmero de poliestireno) ou
armadilhas criognicas [74]. Perdas tambm ocorrem por reaes dos HAP
com poluentes tais como oznio e xidos de enxofre e nitrognio. Essas perdas
so minimizadas pela utilizao de pr-filtros. A diminuio do tempo de
amostragem reduz perdas por volatilizao e reaes paralelas.
Aps a amostragem, os HAP devem ser extrados dos filtros para
posterior anlise. Essa etapa geralmente lenta, alm de ser uma das
principais fontes de erros quando se trabalha com nveis de traos. A extrao
Soxhlet, agitao ultrassnica, extrao com fludo supercrtico e extrao com
microondas so os mtodos mais utilizados para essa finalidade. Na extrao
Soxhlet so utilizados solventes ou misturas de solventes, o ciclohexano mais
seletivo para os HAP enquanto metanol extrai tambm quantidades apreciveis
de outros compostos, principalmente aqueles que apresentam maior polaridade
[75]. O tempo de extrao varia de 6 a 24 horas e no pode haver contato com
a luz para evitar reaes fotolticas. Uma vez observadas essas condies, o
rendimento pode se aproximar de 100% [76].
A extrao por agitao ultrassnica apresenta rendimento semelhante
ao Soxhlet, porm requer menor tempo de extrao, em geral de 20 a 30
minutos, o que leva a melhor reprodutibilidade [77]. Entretanto, ambos os
mtodos de extrao apresentam baixa eficincia para os HAP com altas
massas molares. Alternativamente, pode-se extrair HAP com fludo
supercrtico, o que melhora as condies de solvatao, aumenta a razo de
transferncia de massa e facilita a concentrao dos extratos [78].
20
Captulo 2
O gs carbnico o fludo mais utilizado para extrao dos HAP devido,
principalmente, aos baixos valores do ponto crtico (304,3 K e 7386 kPa), por
ser atxico, no inflamvel e de baixo custo [79]. Entretanto, a baixa polaridade
do gs carbnico limita sua capacidade de extrair os HAP fortemente
adsorvidos no material particulado.
A extrao com micro-ondas se baseia na absoro da energia com
frequncias mdias de 918 MHz ou 2,45 GHz para facilitar a difuso dos
compostos para o solvente [80]. O processo de absoro seletivo, pois
depende da constante dieltrica, e em se tratando de solventes apolares com
baixas constantes dieltricas no ocorre aquecimento mediante a incidncia de
micro-ondas. Para facilitar a ruptura da matriz e aumentar a migrao dos
compostos para o solvente comum adicionar a matriz uma substncia com
alta constante dieltrica. Esse procedimento de aquecimento localizado no
possvel em sistemas de aquecimento convencionais. As principais vantagens
[81] da extrao com micro-ondas so menor tempo de extrao, menores
quantidades de solventes, maior nmero de amostras extradas
simultaneamente e maior seletividade.
Para identificao e anlise dos HAP, as tcnicas mais utilizadas so a
cromatografia lquida de alta eficincia (High-Performance Liquid
Chromatography HPLC) e a cromatografia gasosa (Gas Chromatography
GC). Na HPLC, os detectores de fluorescncia e UV/Visvel so usados em
comprimentos de onda especficos para deteco seletiva dos HAP.
Geralmente a fase mvel uma mistura de acetonitrila com gua e a fase
estacionria a C18. A utilizao de colunas de fase polimrica com ligaes
cruzadas tende a melhorar a resoluo. A principal vantagem da tcnica HPLC
est na possibilidade de analisar os HAP com massas molares maiores [82].
A cromatografia gasosa para anlise de HAP faz uso de colunas
capilares com fase estacionria de polisiloxanas que podem ser aquecidas at
280 C e detectores de ionizao por chama (Flame Ionization Detector FID),
ou de espectrometria de massas (Mass Spectrometry MS).
21
Captulo 2
A grande vantagem da GC quando comparada HPLC a maior
eficincia na separao dos HAP. Para quantificao fundamental a
utilizao de materiais de referncia certificados para validar os resultados
obtidos [83].
Geralmente para determinao dos HAP em ar ambiente, os mtodos
EPA TO-13A e NIOSH 5515 so os mais utilizados [84, 85]. Esses mtodos
utilizam amostradores de grandes volumes com tubos coletores de fibra de
poliuretano. Aps a amostragem os HAP so extrados pelo processo Soxhlet,
concentrados em um evaporador Kuderna-Danish e posteriormente analisados
por HPLC. Estas metodologias no so indicadas para HAP com altas
presses de vapor, pois so fracamente retidos pela fibra de poliuretano e,
portanto, apresentam baixas porcentagens de recuperao.
Em ar urbano os HAP podem ser amostrados atravs de um amostrador
de grande volume com um tubo adsorvente de XAD-2, extrao ultrassnica
realizada com diclorometano, hexano e acetona a fim de serem efetuadas
anlises por Cromatografia a Gs acoplada Espectrometria de Massas (Gas
Chromatography-Mass Spectrometry GC/MS) [86, 87]. Processo semelhante
utilizado para determinao de HAP em emisses de fornos de carvo [88].
Amostradores de grande volume com reteno em tubos de XAD-2 so
tambm utilizados para determinao de HAP em emisses de motores a
diesel [89]. Extrao de HAP de material particulado com dimetro inferior a 10
m (Particulate Matter PM10) de rea residencial e industrial pode ser feita
utilizando ciclohexano como solvente e anlise em sistema GC/MS [90]. Pode-
se realizar tambm determinao de HAP em material particulado de zona rural
[91].
O desenvolvimento de dispositivos com membrana semipermevel
(Semipermeable Membrane Device SPMD) tem permitido a amostragem
passiva de HAP presentes no ar [92, 93]. Esta tcnica possibilita a amostragem
de HAP e nitro-HAP em ar de regies urbanas e rurais, seguida de extrao
com ciclopentano/diclorometano e anlise por GC/MS [94].
22
Captulo 2
A extrao trmica (ET) com posterior anlise por GC/MS um mtodo
alternativo para determinao de HAP em material particulado. Extraes
tpicas requerem temperaturas da ordem de 300 C. Com esta metodologia,
pode-se avaliar a extenso da reteno dos HAP de altas massas molares pelo
material particulado principalmente os provenientes de regies urbanas,
contendo altos teores de carbono [95]. Pode-se determinar HAP em aerossol
por introduo direta da amostra e dessoro trmica em um sistema GC/MS
convencional [96]. A tcnica de ionizao qumica presso atmosfrica
(Atmospheric Pressure Chemical Ionizatio APCI) tem sido adaptada para
determinao de HAP em ar ou material particulado por introduo direta da
amostra [97].
possvel tambm identificar e quantificar HAP e oxi-HAP em material
particulado atravs de Cromatografia Gasosa Bidimensional Abrangente
(Compreensive Two-dimensional Gas Chromatography GCxGC) com
detectores FID e MS. Amostradores de grandes volumes coletam o material
particulado em filtros de fibra de vidro, os analitos so extrados em sistema de
extrao em fase slida para melhorar o limite de deteco [98]. A tcnica
GCxGC facilita a resoluo dos picos gerados por matrizes complexas como
o caso do ar atmosfrico. Esta tcnica apresenta grandes potencialidades para
identificar e quantificar analitos em amostras ambientais [99 -101].
2.5 Anlise de Benzeno no Ar Expirado
Os primeiros relatos da utilizao do ar expirado para avaliar exposio
ocupacional so de 1930, desde ento vrios estudos vem sendo realizados
mostrando as aplicaes da tcnica na rea clnica e toxicolgica. A aplicao
mais comum a anlise do etanol no ar expirado de motoristas no trnsito.
Alm disso, a anlise do ar expirado pode ser utilizada para diagnosticar
doenas tais como cncer, diabetes, cardiopatias e distrbios inflamatrios
[102].
23
Captulo 2
As rpidas trocas gasosas que ocorrem nos pulmes permitem a
eliminao de substncias com altas presses de vapor e baixa solubilidade no
sangue. O equilbrio que se estabelece entre as fases sangue capilar pulmonar
e ar alveolar permite correlacionar as concentraes de benzeno presente em
cada uma dessas fases, atravs do coeficiente de partio sangue e ar alveolar
que de 7,4 [103]. Fatores tais como difuso, adsoro, ventilao,
temperatura, tcnica de expirao, metabolismo e composio do sangue
influenciam o equilbrio de fases nos pulmes e, portanto, a concentrao no ar
expirado [104].
Alguns trabalhos tm demonstrado correlaes significativas entre as
concentraes de benzeno no ambiente e no ar expirado, tais como os estudos
efetuados com mecnicos [105], fumantes ativos [106] e fumantes ativos e
passivos [107]. Devido a meia vida relativamente curta do benzeno no
organismo, as correlaes obtidas entre a concentrao no ambiente e no ar
expirado devem refletir a exposio h algumas horas que precedem as
medies [108]. As baixas concentraes e flutuaes que frequentemente
ocorrem nos ambientes ocupacionais requerem tcnicas analticas de elevada
sensibilidade. A avaliao da exposio ocupacional pode ser durante a
jornada de trabalho, ao final da jornada e na manh seguinte jornada.
Medidas realizadas durante a jornada de trabalho refletem as condies no
momento da amostragem. Medies feitas ao final da jornada refletem as
variaes de exposio que podem ocorrer durante o perodo de trabalho e as
medidas na manh seguinte refletem a exposio integral do dia anterior
amostragem [109].
Um modelo proposto para a expirao de substncias qumicas (Figura
2.5) divide o processo em trs etapas. A primeira etapa (I) contm o ar do
espao morto que contm pouca quantidade da substncia. Na etapa (II)
ocorre um aumento brusco da concentrao at que ocorra uma estabilizao
da concentrao alveolar na etapa (III). Nessa ltima etapa, h a liberao
contnua da substncia dos alvolos. Uma diminuio abrupta da concentrao
observada aps a terceira etapa devido diluio provocada pela inalao do
ar.
24
Captulo 2
Figura 2.5 Perfil da excreo pulmonar de um solvente para uma expirao
simples [104].
O ar expirado, portanto, uma mistura composta por ar de diferentes
regies do pulmo. O ar alveolar geralmente cerca de dois teros do volume
total do ar expirado. Para amostragem do ar alveolar, deve-se desprezar o
primeiro fluxo, que geralmente est diludo pelo ar retido no espao morto do
trato respiratrio (boca, nariz, faringe, traquia e brnquios). Alguns fatores
podem alterar a concentrao das substncias no ar expirado, tais como a
velocidade de difuso dos gases atravs da membrana alvolo-capilar, o
metabolismo, o gradiente de temperatura das vias areas, a composio do
sangue e a cintica de absoro e eliminao [110]. Dentre as metodologias
para biomonitoramento do benzeno no metabolizado, a determinao no ar
expirado apresenta a vantagem de ser uma tcnica no invasiva alm da
menor complexidade da matriz em relao ao sangue e urina.
25
Captulo 2
2.6 Tcnicas para Amostragem de Compostos Volteis no Ar
A amostragem de Compostos Orgnicos Volteis (Volatile Organic
Compounds VOC) no ar um desafio permanente, pois essa matriz
apresenta caractersticas tais como baixa densidade (1,2 kg m-3 a 273 K e
101,3 kPa), heterogeneidade, complexidade, composio fortemente
dependente das condies meteorolgicas e geogrficas, grande capacidade
de difuso e reatividade. Os VOC geralmente esto em concentraes muito
baixas com valores tpicos em nveis de parte por bilho em volume, o que
geralmente requer uma etapa de pr-concentrao. As estratgias de
amostragem variam de acordo com os objetivos do estudo, tipo de amostra,
faixa de concentrao, sensibilidade, exatido, preciso, interferentes,
portabilidade e custo [111]. A Figura 2.6 mostra uma classificao geral das
tcnicas utilizadas para amostragem e anlise de VOC no ar.
Figura 2.6 Classificao das tcnicas para amostragem e anlise de VOC no
ar.
26
Captulo 2
Nas tcnicas diretas podem ser utilizados vrios tipos de receptculos
tais como seringas, bulbos de vidro, sacos plsticos e recipientes de metal
[112]. A amostragem pode ser realizada no modo passivo se a presso interna
do recipiente for menor que a presso atmosfrica ou no modo ativo pelo uso
de bombas. Aps a amostragem, o ar transferido completamente para o
sistema de anlise. A amostragem passiva muito simples e permite a coleta
de vrias amostras simultneas. No modo ativo, o uso de bombas propicia o
trabalho com grandes volumes, porm compromete a portabilidade. Ambos os
modos esto sujeitos a perdas por permeao e instabilidade da amostra, alm
da necessidade de limpeza rigorosa para evitar contaminaes e efeitos de
memria [113].
Nas tcnicas com pr-concentrao os VOC podem ser coletados por
soro, membrana, ou solvente. Extrao em fase slida (Solid Phase
Extraction SPE) e SPME so as principais tcnicas que utilizam o princpio de
soro. Na extrao em fase slida, os VOC so retidos em tubos preenchidos
com sorventes adequados. Carvo ativado, carbono grafitizado, peneiras
moleculares e polmeros porosos so materiais comumente utilizados para este
propsito [114]. Os sorventes podem ser slidos (processo de adsoro) ou
lquidos (processo de absoro). A seleo do sorvente apropriado depende
principalmente das propriedades fsico-qumicas dos VOC de interesse e das
caractersticas do prprio sorvente. Combinaes de sorventes podem ser
utilizadas para aumentar a eficincia do processo e diminuir perdas dos
analitos. Perdas tambm ocorrem devido a reaes com o oznio e a
humidade [115].
Com a tcnica SPE possvel realizar a amostragem no modo ativo ou
passivo. No modo ativo, o ar bombeado com um fluxo constante (0,01 a 1400
L min-1) para um tubo metlico contendo o sorvente apropriado. Por este
processo, a eficincia da pr-concentrao aumenta para uma grande
variedade de VOC. A principal desvantagem a necessidade do uso de
bombas e medidores de fluxo, que devem estar devidamente calibrados.
27
Captulo 2
No modo passivo, a amostragem realizada atravs de um pequeno
tubo contendo o sorvente que exposto ao ar [116]. Devido elevada
afinidade dos VOC presentes no ar pelo sorvente ocorre um gradiente de
difuso (radial ou axial) destes compostos no sorvente. Atravs deste processo
possvel realizar amostragens integradas por variados perodos de tempo. Na
amostragem passiva ocorre uma menor pr-concentrao em relao ao modo
ativo e h uma maior sensibilidade s flutuaes de temperatura e
movimentao do ar [117]. A extrao dos VOC coletados no sorvente ocorre
por dessoro trmica ou com solvente. A principal desvantagem do uso de
fases slidas adsorventes a necessidade da posterior extrao do analito
com a utilizao de solventes, o que pode provocar uma diminuio da
sensibilidade analtica, alm de aumentar o risco de contaminao ambiental e
ocupacional.
Na tentativa de contornar algumas deficincias das tcnicas de extrao
por sorventes, tem sido propostas vrias alternativas como a extrao por
fludos supercrticos, extrao lquido-lquido e extrao por membranas [118].
Estas membranas geralmente so compostas por uma estrutura de silicone
que retm os analitos de forma seletiva. A anlise posterior realizada por
espectrometria de massas com introduo via membrana (Membrane
Introduction Mass Spectrometry MIMS). Com esta tcnica, possvel
monitorar VOC em tempo real devido rapidez de resposta, alm da grande
capacidade de miniaturizao pelo uso de analisadores de massas com
dimenses submilimtricas [119]. H tambm a possibilidade de se combinar
vrias membranas em um mesmo dispositivo multimembrana ou combinar uma
membrana com um sorvente (Membrane Extraction with a Sorbent Interface
MESI) [120]. Esta tcnica apresenta grande capacidade de enriquecimento,
elevado potencial de automao e diversas aplicaes ambientais e
ocupacionais [121].
28
Captulo 2
Na pr-concentrao com solventes, os VOC so absorvidos
irreversivelmente em uma fase lquida atravs do processo de quimiossoro.
Bulbos e tubos so preenchidos com o solvente e substncias adequadas para
reao com os VOC de interesse.
Com essa tcnica, possvel amostrar grandes volumes de ar,
compostos com altos pontos de ebulio e espcies reativas [122]. A principal
limitao est no fato de que o solvente pode ser facilmente contaminado pelos
VOC presentes no ambiente, alm da grande produo de resduos de
solventes.
2.7 Amostragem por Microextrao em Fase Slida
Uma tcnica que tem demonstrado ser de grande eficincia para
amostragem de compostos volteis e semivolteis no ar e em vrias matrizes
complexas a Microextrao em Fase Slida (Solid Phase Microextraction
SPME). A tcnica alm de dispensar o uso de tubos, bulbos e bolsas conjuga
amostragem e pr-concentrao em uma nica etapa. O primeiro dispositivo de
SPME foi desenvolvido por Pawliszyn e colaboradores [123]. A atual
configurao, mostrada na Figura 2.7, consiste de uma haste de slica fundida
com 10 mm de comprimento recoberta com uma fase polimrica polar ou
apolar com diversas espessuras de acordo com a aplicao. A haste pode
ficar exposta ou recolhida em uma agulha de ao por meio de um mbolo.
Figura 2.7 Componentes do dispositivo manual de SPME. Adaptado [123]
29
Captulo 2
O princpio da tcnica de SPME o equilbrio do analito entre a matriz e
a fase polimrica que recobre a haste de slica. Se a fase polimrica for lquida
h absoro do analito e se estabelece um equilbrio de partio que afetado
pela espessura do filme polimrico e pelo tamanho do analito. Em fases
polimricas slidas, a reteno do analito ocorre nos stios ativos da fibra e o
equilbrio de adsoro que ocorre depende, principalmente, do tamanho dos
poros. Aps a fase de extrao, o analito dessorvido termicamente no injetor
do cromatgrafo. Atualmente, so comercializadas fibras com espessuras de
fases, polaridades e composies variadas como mostra a Tabela 2.4.
Tabela 2.4 Principais caractersticas das fibras utilizadas em SPME.
Fonte: adaptado [124]
A amostragem por SPME pode ser utilizada com a fibra recolhida na
agulha ou exposta. Para a fibra exposta, no processo de absoro, a massa do
analito extrada proporcional a concentrao do analito na amostra de acordo
com a expresso 2.1.
Composio da Fase Polari-dade
Processo
Espes-sura de
Fase (m)
Temperatura de dessoro
(C) Aplicao
Polidimetilsiloxana (PDMS)
100 200 - 270 Volteis
apolar Absoro 30 200 270 Semivolteis
apolares
7 200 - 270 Semivolteis semipolares
Polidimetilsiloxana/ Divinilbenzeno (PDMS/DVB)
polar Adsoro
60 200 - 270 Volteis e
65 200 - 270 no volteis
Carboxen/ Polidimetilsiloxana (CX/PDMS)
polar Adsoro 75 240 - 300 Volteis
Carbowax/Divinilbenzeno (CW/DVB)
polar/ apolar
Adsoro Absoro
65 200 - 260 Volte
Polares is
Divinilbenzeno/Carboxen/ Polidimetilsiloxana (DVB/CX/PDMS)
Polar/ apolar
Adsoro 50/30 230 - 270 Volteis
Poliacrilato (PA) polar Absoro 85 220 - 310 Volteis polares
30
Captulo 2
(2.1)
Onde: n = nmero de moles absorvidos;
K = coeficiente de partio fibra/amostra;
Vf = volume da fibra;
Vs = volume da amostra;
C = concentrao do analito na amostra.
Para grandes volumes da amostra (K.Vf
31
Captulo 2
A adsoro um processo competitivo no qual espcies com baixa
afinidade pela fibra podem ser substitudas por aquelas de alta afinidade. Uma
interface se forma entre o ar e a fibra, quando essa exposta ao ar em
movimento. Os analitos so transferidos do ar para a superfcie da fibra via
difuso molecular. A concentrao dos analitos no ar pode ser considerada
constante quando h um curto perodo de amostragem e um fornecimento
constante de analito por conveco. Como mostra o grfico da Figura 2.8,
quando o processo se inicia a concentrao do analito prxima superfcie da
fibra pode ser considerada igual a zero [125].
Figura 2.8 Processo de extrao por adsoro com SPME utilizando fibras
porosas. Adaptado [125].
A quantidade de analito (m) extrada durante o tempo (t) de exposio
pode ser expressa por:
(2.5)
Onde: Dg = coeficiente de difuso molecular na fase gasosa (cm2 s-1);
L = comprimento da fibra(cm);
b = raio externo da fibra (cm);
Car = concentrao do analito no ar (ng cm-3);
= espessura da interface (cm).
32
Captulo 2
A extrao por SPME pode ser feita pela imerso direta da fibra na
matriz ou por headspace [126]. Na extrao por imerso, o analito
transportado diretamente da matriz para a fibra. A fibra pode ser usada com
proteo, isto , ser recoberta por uma membrana, que evita a soro de
outros compostos da matriz, o que torna a anlise mais seletiva. Para matrizes
aquosas, deve-se proceder a uma agitao para facilitar o processo de difuso
do analito para a fibra. Quando a matriz muito complexa ou suja, usa-se uma
membrana.
Na tcnica de headspace, a amostra slida ou lquida colocada em um
frasco de vidro que ento lacrado. A fibra exposta no topo do frasco sem
contato direto com a amostra, assim os analitos volteis entram em equilbrio
com a fibra (Figura 2.9a). Alternativamente, pode-se utilizar o frasco de
headspace para expor a fibra diretamente na amostra lquida (Figura 2.9b).
Figura 2.9 Representao da extrao por SPME no modo headspace (a) e
por imerso direta (b). Adaptado [126].
Vrias modificaes j foram introduzidas nessa tcnica para melhorar o
desempenho da extrao. O uso de bombas tem sido proposto para aumentar
a presso e acelerar a extrao em amostras slidas. A passagem de um fluxo
contnuo de gs de arraste inerte no frasco de headspace facilita a remoo de
compostos menos volteis.
33
Captulo 2
O aquecimento da gua diminui sua constante dieltrica e facilita a
remoo dos compostos mais apolares da amostra. Aquecimento da gua e
resfriamento interno da fibra aumenta o coeficiente de distribuio e melhora a
extrao de compostos volteis.
Para resfriamento interno foi proposto a utilizao de gs carbnico
lquido (Figura 2.10) que percorre internamente um tubo capilar revestido
externamente com a fibra [127]. Como a partio entre o analito e a fibra um
processo exotrmico, o resfriamento favorece a recuperao dos analitos,
principalmente, dos mais volteis. Entretanto, esta modificao apresenta
limitaes tais como baixa capacidade de resfriamento do gs carbnico, uso
de bomba, e comprometimento da portabilidade.
Figura 2.10 Representao da extrao por SPME no modo headspace com
fibra resfriada internamente. Adaptado [127].
O modo headspace permite modificaes na matriz sem danificar a fibra.
Fatores como temperaturas, agitao, tempo de exposio, e fora inica
exercem influncia na eficincia de extrao. Aps extrao, a fibra recolhida
e levada diretamente ao injetor do cromatgrafo para dessoro. Para
armazenar a fibra at o momento da anlise, deve-se resfri-la para minimizar
perdas por volatilizao.
34
Captulo 2
Muitos compostos polares presentes em matrizes complexas so de
difcil extrao, nessas situaes a tcnica da derivatizao pode ser
conjugada com a SPME para facilitar o processo [128]. Uma das maneiras
mais simples de derivatizao a adio do agente derivatizante diretamente
no frasco contendo a matriz. Aps completar a reao, a fibra de SPME
exposta para extrao do analito derivatizado. Alternativamente, faz-se uma
derivatizao da fibra de SPME com um reagente derivatizante adequado e
logo em seguida expe-se a fibra derivatizada matriz para que o analito
possa ser extrado [129].
A amostragem do ar expirado por SPME pode ser feita pela expirao
direta na fibra ou pela expirao em bolsas e recipientes com extrao
posterior. A primeira aplicao de SPME para anlise do ar expirado descrita
na literatura [130], teve como objetivo determinar etanol, acetona e isopreno.
Foram testadas quatro fibras diferentes com variaes de temperatura, tempo
de extrao e umidade para avaliar a sensibilidade da tcnica. A coleta do ar
expirado foi realizada com auxlio de um tubo de teflon adaptado ao dispositivo
de SPME (Figura 2.11), o tempo de expirao utilizado foi de 30 segundos para
coleta do ar alveolar.
Figura 2.11 Representao do dispositivo de SPME com adaptao para
amostragem do ar expirado. Adaptado [130].
Recentemente muitos trabalhos tm sido realizados utilizando SPME
para amostragem de diversos tipos de VOC no ar como clorobenzenos [131],
organofosfatos [132], aldedos [133], pesticidas [134
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