Preparação de Amostras de Alimentos Utilizando Homogeneização e Digestão Ácida Úmida Assistida por Micro-ondas para Determinação de Multielementos com ICP-MS

A análise elementar é um processo analítico para determinar a composição elementar de várias amostras. Ele pode ser usado para controlar a ingestão de metais no corpo humano (especialmente metais pesados¹), uma vez que suas altas concentrações podem causar problemas de saúde indesejados. Os metais pesados também são um dos principais contaminantes ambientais, portanto, o controle de sua presença no ambiente é necessário². Além disso, a análise elementar pode ser empregada para determinar a origem geográfica dos produtos alimentícios³ e para controlar a qualidade dos alimentos e dos recursos hídricos⁴. Além disso, é usado para a determinação de micro e macronutrientes em solos⁵ e para obter informações sobre processos geológicos ao longo da história, examinando a composição química de minerais e sedimentos⁶. Estudos também têm sido realizados para determinar a presença de metais raros em resíduos eletroeletrônicos para posterior regeneração de metais⁷, avaliar o sucesso de tratamentos medicamentosos⁸ e verificar a composição elementar de implantes metálicos⁹.

A espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) e a espectroscopia de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) são técnicas comumente utilizadas para a análise elementar de várias amostras¹⁰. Eles permitem a determinação simultânea de múltiplos elementos com limites de detecção (LOD) e limites de quantificação (LOQ) tão baixos quanto ng/L. Em geral, ICP-MS tem menores valores de LOD¹¹ e uma faixa de concentração linear mais ampla em comparação com ICP-OES¹². Outras técnicas para determinar a composição elementar são a espectrometria de emissão óptica com plasma induzida por micro-ondas¹³ e várias variantes da espectroscopia de absorção atômica (EAA), incluindo espectroscopia de absorção atômica com chama, espectroscopia de absorção atômica eletrotérmica², espectroscopia de absorção atômica com vapor frio e espectroscopia de absorção atômica com geração de hidreto¹⁴. Além disso, a determinação elementar com baixos LOD e LOQ é possível com diferentes métodos eletroanalíticos, especialmente com voltametria de redissolução anódica^15,16. É claro que existem outros métodos para determinar a composição elementar das amostras, mas eles não são tão frequentemente empregados quanto os métodos acima mencionados.

A determinação elementar direta de amostras sólidas é viável usando espectroscopia de degradação induzida por laser e fluorescência de raios X¹⁷. No entanto, para a determinação elementar com ICP-MS, ICP-OES e AAS é necessário converter amostras sólidas em estado líquido. Para este fim, a digestão ácida é realizada usando ácidos e reagentes auxiliares (na maioria dos casos H₂O₂). A digestão ácida é realizada em temperatura e pressão elevadas, convertendo a parte orgânica da amostra em produtos gasosos e convertendo os elementos metálicos em sais solúveis em água, dissolvindo-os na solução¹⁸.

Existem dois tipos principais de digestão ácida, a digestão de vasos abertos e a digestão de vasos fechados. A digestão em vasos abertos é custo-efetiva¹⁴ , mas apresenta limitações, como a temperatura máxima de digestão, que coincide com a temperatura de ebulição dos ácidos à pressão atmosférica. A amostra pode ser aquecida em placas quentes, blocos de aquecimento, banhos de água, banhos de areia² e por micro-ondas¹⁹. Ao aquecer a amostra dessa maneira, grande parte do calor gerado é perdido para o entorno²⁰, o que prolonga o tempo de digestão¹⁴. Outras desvantagens da digestão em vasos abertos incluem o maior consumo de produtos químicos, a maior possibilidade de contaminação do ambiente circundante e a possível perda de analitos devido à formação de componentes voláteis e sua evaporação a partir da mistura reacional²¹.

Sistemas de vasos fechados são mais convenientes para a digestão de amostras orgânicas e inorgânicas em comparação com sistemas de vasos abertos. Os sistemas de vasos fechados utilizam uma variedade de fontes de energia para aquecer as amostras, como aquecimento por condução e micro-ondas²². Os métodos de digestão que utilizam micro-ondas incluem a combustão induzida por micro-ondas²³, sistemas de câmara de reação única²⁴ e a digestão ácida úmida assistida por micro-ondas (MAWD) ^{comumente usada 25,26}. O MAWD permite a digestão em temperaturas operacionais mais elevadas, variando entre 220 °C e 260 °C e pressões máximas de até 200 bar, dependendo das condições de trabalho do instrumento²⁷.

A eficiência e a taxa de MAWD dependem de vários fatores, incluindo a composição química das amostras, a temperatura máxima, o gradiente de temperatura, a pressão no recipiente de reação, a quantidade de ácidos adicionados e a concentração de ácidos utilizados²⁸. No MAWD, a digestão ácida completa pode ser alcançada em poucos minutos devido às condições de reação elevadas em comparação com digestãos mais duradouras em sistemas de vasos abertos. Menores volumes e concentrações de ácidos são necessários na DMA, o que está de acordo com as diretrizes atuais de química verde²⁹. Na MAWD, uma quantidade menor de amostra em comparação com a digestão em vasos abertos é necessária para realizar a digestão ácida, geralmente até 500 mg de amostra é suficiente 30,31,32. Maiores quantidades de amostra podem ser digeridas, mas requerem uma quantidade maior de produtos químicos.

Uma vez que o instrumento para MAWD controla automaticamente as condições de reação e a pessoa não entra em contato direto com os produtos químicos durante o aquecimento, o MAWD é mais seguro de operar do que as digestãos de vasos abertos. No entanto, a pessoa deve sempre proceder com cautela ao adicionar produtos químicos aos vasos de reação para evitar que eles entrem em contato com o corpo e causem danos. Os vasos de reação também precisam ser abertos lentamente, pois a pressão é acumulada dentro deles durante a digestão ácida.

Embora a digestão ácida seja uma técnica útil para preparar amostras para determinação elementar, a pessoa que a realiza deve estar ciente de suas possíveis limitações. A digestão ácida pode não ser adequada para todas as amostras, especialmente aquelas com matrizes complexas e aquelas que são altamente reativas ou podem reagir explosivamente. Portanto, a composição da amostra deve sempre ser avaliada para selecionar os produtos químicos adequados e as condições de reação para uma digestão completa que dissolva todos os elementos desejados na solução. Outras preocupações que o usuário deve considerar e abordar são as impurezas e a perda de analitos em cada etapa da preparação da amostra. A digestão ácida deve ser sempre realizada de acordo com regras específicas ou utilizando protocolos.

O protocolo descrito abaixo fornece instruções para a homogeneização de amostras de alimentos em um misturador de tamanho laboratorial, um procedimento para limpar os componentes do misturador, pesar adequadamente a amostra, adicionar produtos químicos, realizar a digestão ácida por MAWD, limpar os vasos de reação após a digestão completa, preparar as amostras para determinação elementar e realizar uma determinação quantitativa multielemento com ICP-MS. Seguindo as instruções abaixo, deve-se ser capaz de preparar uma amostra adequada para a determinação elementar e realizar as medições das amostras digeridas.