DESENVOLVIMENTO DE MATERIAL DE REFERÊNCIA DE ÓXIDO DE HÓLMIO PARA CALIBRAÇÃO DA ESCALA DE COMPRIMENTO DE ONDA DE ESPECTRÔMETROS

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1 DESENVOLVIMENTO DE MATERIAL DE REFERÊNCIA DE ÓXIDO DE HÓLMIO PARA CALIBRAÇÃO DA ESCALA DE COMPRIMENTO DE ONDA DE ESPECTRÔMETROS Debora Emy Fujiy Gonçalves 1, Juliana Freitas Santos Gomes 2, Ana Paula Dornelles de Alvarenga 2, Thiago de Oliveira Araujo 2 e Paulo Paschoal Borges 2 1 Visomes Comercial Metrológica Ltda. 2 Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro) Resumo: A utilização de material de referência certificado nas análises químicas é um requisito importante em sistemas de garantia da qualidade, uma vez que permite que seja obtida a rastreabilidade metrológica de resultados, alcançando, assim, resultados válidos e comparáveis entre si. Este trabalho descreve o desenvolvimento e a produção do material de referência de óxido de hólmio para ser utilizado na calibração da escala de comprimento de onda de espectrômetros UV-Vis e os estudos de viabilidade realizados que foram necessários para estabelecer os parâmetros de medição a serem utilizados nas próximas etapas da produção do material. Palavras-chave: Óxido de hólmio, MRC, comprimento de onda. 1. INTRODUÇÃO Laboratórios analíticos utilizam materiais de referência certificados (MRC) para diversas atividades, como, por exemplo, na validação de métodos e no controle de qualidade, já que eles fornecem rastreabilidade ao Sistema Internacional de Unidades (SI) e confiabilidade necessária para os resultados de medição. Uma área que utiliza MRC é a Óptica, sendo a espectrofotometria a principal técnica utilizada em laboratórios para quantificação de analitos, devido ao seu baixo custo operacional e fácil utilização. Por meio da espectrofotometria, componentes desconhecidos de uma solução podem ser identificados por seus espectros característicos ao ultravioleta (UV) ou visível (Vis). Os compostos químicos absorvem radiação em determinados comprimentos de onda do espectro e o espectrofotômetro UV-Vis mede a quantidade de radiação absorvida, correlacionando a absorbância da amostra com a concentração do analito de interesse. 1

2 Diversos analitos têm sua absorbância alterada drasticamente em intervalos pequenos de comprimento de onda, dessa forma, a precisão e a exatidão na medição dessa escala são requeridas e a calibração do espectrofotômetro é, portanto, essencial. Para isto, são utilizados MRC específicos para calibrar a escala de comprimento de onda como, por exemplo, soluções de óxido de hólmio (Ho 2 O 3 ). O espectro de transmitância do Ho 2 O 3 em solução encontra-se na Figura 1. Figura 1. Espectro de transmitância da solução de Ho 2 O 3. A Norma ABNT NBR ISO [1], atualmente em vigor, e os Guias da série 30 apresentam uma sistemática para a produção de MRC abordando as definições relacionadas ao tema, o processo de certificação e as competências do produtor. As recomendações da Norma e dos Guias estão sendo consideradas para se obter um MRC que atenda aos requisitos do ponto de vista metrológico. O Guia 35 [2] aborda os princípios gerais e estatísticos para a certificação do material e, dentre as etapas minuciosamente descritas, trata dos estudos de viabilidade. Os estudos de viabilidade são estudos curtos destinados a abordar questões sobre a viabilidade de produzir e caracterizar um material suficientemente homogêneo e estável. Algumas vezes, um estudo de viabilidade é proposto para que sejam efetuados ajustes nos procedimentos de medição. Os estudos de viabilidade do Ho 2 O 3 foram necessários para estabelecer alguns parâmetros para a medição e, assim, definir o procedimento e a metodologia a serem utilizadas nos estudos de homogeneidade, estabilidade e na caracterização do material. 2

3 2. OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados dos estudos de viabilidade da produção de MRC de solução de Ho 2 O 3 no Brasil para a calibração de espectrômetros, primordial para garantir a rastreabilidade e confiabilidade dos resultados das medições espectrofotométricas na região UV-Vis. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Para a produção do candidato a MRC foram necessários os seguintes materiais: - Óxido de hólmio (Ho 2 O 3 ) com pureza de 99,99%, da Alfa Aesar, EUA. - Ácido perclórico (HClO 4 ) com concentração 70% P.A., da Merck, Alemanha. - Água desionizada, com condutividade menor ou igual a 1 μs cm 1, obtida com purificador de água sistema Elga, Inglaterra. - Balança analítica digital, da Mettler Toledo, EUA. - Banho termostático, da Lauda, Alemanha. Outros materiais de laboratório foram utilizados, como béqueres de vidro, erlenmeyer, balões volumétricos, funil de vidro, espátulas, suporte universal e garras. Para os estudos de viabilidade, foram preparados 25 ml de solução 4% (m/v) de Ho 2 O 3 em 10% (v/v) de HClO 4, quantidade suficiente para a realização dos estudos necessários, segundo o procedimento de Weidner et al. [3]. Também foram preparados 25 ml de HClO 4 10 % (v/v), necessários para um dos estudos. As soluções preparadas estão ilustradas na Figura 2. Figura 2. Soluções de Ho 2 O 3 e HClO 4. 3

4 Nos estudos de viabilidade, a transmitância espectral da solução de Ho 2 O 3 produzida foi medida utilizando dois espectrofotômetros: - Marca Perkin Elmer, modelo Lambda 25, que possui feixe duplo, monocromador único e trabalha na faixa de comprimentos de onda de 190 nm a 1100 nm. Como fontes de luz, utilizam-se lâmpada de deutério para a região UV e lâmpada de tungstênio para a região do visível. O sistema de detecção consiste de uma fotomultiplicadora e um detector de fotodiodo, a grade é de 1053 linhas, a largura de banda é fixa em 1 nm, possui precisão de comprimento de onda de 0,1 nm e reprodutibilidade melhor que 0,05 nm. A velocidade de varredura do instrumento é variável em 7,5 nm min 1, 15 nm min 1, 30 nm min 1, 60 nm min 1, 120 nm min 1, 240 nm min 1, 480 nm min 1, 960 nm min 1, 1920 nm min 1 e 2880 nm min 1. A incerteza expandida do equipamento está estimada em 0,22 nm, para um fator de abrangência k = 2, numa probabilidade de abrangência de 95,45 %. - Marca Agilent, modelo Cary 4000, que possui feixe duplo, duplo monocromador e trabalha na faixa de comprimentos de onda de 175 nm a 900 nm. Como fontes de luz, utilizamse lâmpada de deutério para a região UV e lâmpada de tungstênio para a região do visível. O sistema de detecção consiste de uma fotomultiplicadora, a grade é de 1200 linhas, a largura de banda é variável entre 0,01 nm e 5,00 nm com intervalo de 0,01 nm, possui precisão de comprimento de onda de 0,08 nm e reprodutibilidade melhor que 0,005 nm. A velocidade de varredura do instrumento é variável entre 3 nm min 1 a 2000 nm min 1. A incerteza expandida do equipamento está estimada em 0,11 nm, para um fator de abrangência k = 2, numa probabilidade de abrangência de 95,45 %. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os estudos de viabilidade foram necessários para estabelecer os parâmetros de medição que serão utilizados nas próximas etapas da produção. Os parâmetros analisados foram: utilização do branco de medição, ambientação prévia da cubeta de quartzo com a solução de Ho 2 O 3, variação do comprimento de onda com o tempo (estabilidade da solução), velocidade de varredura e a largura da banda espectral. 4

5 4.1 Branco de medição Espectrofotômetros necessitam de uma referência (branco de medição), que pode variar conforme o tipo de material a ser analisado, para ser utilizada durante as medições com o equipamento. De forma a avaliar a influência do branco na medição da solução de Ho 2 O 3 com o espectrofotômetro, testes foram realizados com 10% de HClO 4, que é o solvente utilizado para o MRC. Sendo assim, a solução preparada de HClO 4 foi utilizada na cubeta de referência. As medições foram realizadas no espectrofotômetro Perkin Elmer e os parâmetros utilizados nas medições foram: largura de banda de 1 nm, velocidade de varredura de 480 nm min 1, 1 ciclo de medição e 3 replicatas. A solução de Ho 2 O 3 preparada foi analisada de duas maneiras: (1) utilizando, no compartimento de referência do espectrofotômetro, uma cubeta de quartzo contendo solução de 10% de HClO 4 ; (2) deixando o compartimento de referência do espectrofotômetro vazio (tendo como referência o ar). Os espectros obtidos nas medições podem ser verificados na Figura 3, e os valores dos comprimentos de onda dos picos de mínimo de transmitância estão descritos na Tabela 1. Figura 3. Espectros de transmitância da solução de Ho 2 O 3, utilizando como referência o ar e HClO 4. 5

6 Tabela 1. Comprimento de onda dos picos de mínimo de transmitância (valores médios obtidos em três medições, valores em nm). Referência: Ar Referência: HClO 4 Diferença 241,11 241,10-0,01 250,06 250,06 0,00 278,08 278,08 0,00 287,20 287,20 0,00 333,69 333,64-0,05 345,38 345,37-0,01 361,10 361,08-0,02 385,83 385,83 0,00 416,23 416,23 0,00 451,42 451,41-0,01 467,92 467,92 0,00 485,10 485,10 0,00 536,54 536,57 0,03 640,45 640,42-0,03 Com os espectros da Figura 3, percebe-se que há uma grande diferença entre a linha de base da medição utilizando o ar e o HClO 4 como referência, gerando diferenças significativas nos valores de transmitância. Porém, analisando os dados da Tabela 1, verificase que, para o parâmetro de comprimento de onda (propriedade certificada no MRC de interesse), não há diferenças significativas entre os resultados obtidos das duas medições. Dessa forma, definiu-se que, nas medições a serem realizadas com o lote de solução de Ho 2 O 3 a ser produzido, o compartimento de referência do espectrofotômetro deverá ser deixado vazio. Esta informação deverá constar no certificado do MRC produzido, no campo de instruções de uso do material. 4.2 Ambientação a cubeta Foi analisada também necessidade de ambientar previamente a cubeta de quartzo com um pouco da solução de Ho 2 O 3 antes de preencher a cubeta com a solução de medição. Para isso, foram realizadas medições no espectrofotômetro Perkin Elmer das seguintes maneiras: (1) ambientando a cubeta de medição com uma alíquota de Ho 2 O 3 e depois, preenchendo-a com a solução; (2) sem ambientar previamente a cubeta, preenchendo-a diretamente com a solução de Ho 2 O 3. A configuração do espectrofotômetro utilizada para as medições foi: largura de banda de 1 nm, velocidade de varredura de 480 nm min 1, 1 ciclo de medição e 3 replicatas. 6

7 Os espectros obtidos nas medições podem ser verificados na Figura 4, e os valores dos comprimentos de onda dos picos de mínimo de transmitância estão descritos na Tabela 2. Figura 4. Espectros de transmitância da solução de Ho 2 O 3, ambientando (ou não) previamente a cubeta. Tabela 2. Comprimento de onda dos picos de mínimo Ambientando previamente a cubeta de transmitância (valores em nm). Sem ambientar a cubeta Diferença 241,10 241,11 0,01 250,06 250,06 0,00 278,07 278,08 0,01 287,18 287,20 0,02 333,69 333,69 0,00 345,40 345,38-0,02 361,10 361,10 0,00 385,84 385,83-0,01 416,23 416,23 0,00 451,44 451,42-0,02 467,94 467,92-0,02 485,10 485,10 0,00 536,55 536,54-0,01 640,44 640,45 0,01 7

8 Comprimento de Onda (nm) Nos espectros da Figura 4, percebe-se que não há uma diferença significativa entre a linha de base dos espectros da medição ambientando previamente a cubeta e na medição sem ambientar a cubeta. E, analisando os dados da Tabela 2, verifica-se que também não há diferenças significativas entre os resultados obtidos das duas medições para o parâmetro de comprimento de onda. Sendo assim, foi definido que, nas medições a serem realizadas com o lote de Ho 2 O 3 produzido, as cubetas de quartzo utilizadas não deverão ser ambientadas previamente com uma alíquota do material. 4.3 Estabilidade das amostras Testes foram realizados para verificar a estabilidade das soluções preparadas, analisando se a solução de Ho 2 O 3 permaneceria estável por pelo menos alguns dias após aberta a embalagem. Para isso, a solução foi monitorada durante 14 dias e mantida dentro da cubeta de medição, realizando-se medições regularmente e acompanhando o comprimento de onda dos picos de mínimo de transmitância. Neste estudo, foram realizadas medições no espectrofotômetro Agilent cujos parâmetros foram: largura de banda de 0,1 nm, velocidade de varredura de 20 nm min 1 e 2 ciclos de medição. Os picos monitorados foram os 13 picos certificados pelo NIST informados no padrão de referência SRM 2034 [4] e, para cada pico monitorado durante os 14 dias, foi verificado o desvio padrão das leituras e a inclinação da reta gerada. Um exemplo de reta de um pico de transmitância está ilustrado na Figura 5, obtida através dos dados observados, que constam na Tabela y = -0,0001x + 418, /mar 19/mar 22/mar 25/mar 28/mar 31/mar Figura 5. Gráfico com os valores de monitoramento do pico de 416 nm da solução de Ho 2 O 3. 8

9 Tabela 3. Dados obtidos no monitoramento da solução Média dos comprimentos de onda (nm) de Ho 2 O 3 durante 14 dias. Desvio padrão (nm) Inclinação 640,41 0,03-0, ,42 0,02 0, ,20 0,02 0, ,78 0,01-0, ,02 0,02 0, ,36 0,02 0, ,27 0,02 0, ,46 0,04-0, ,48 0,01 0, ,03 0,01 0, ,15 0,02-0, ,78 0,02 0, ,97 0,01 0,001 Analisando os resultados da Tabela 3, verifica-se que as inclinações para todas as velocidades ficaram em aproximadamente zero, evidenciando que não houve tendência nos resultados. Ou seja, os comprimentos de onda dos picos da solução de Ho 2 O 3 se mantiveram estáveis durante os 14 dias de monitoramento. Desta forma, este resultado indica que o estudo de homogeneidade pode ser realizado dentro de um período de até duas semanas. 4.4 Influência da velocidade de varredura Um parâmetro de medição importante de ser estabelecido é a velocidade de varredura. Dependendo da velocidade de varredura utilizada, pode ocorrer o deslocamento da posição do pico de mínima transmitância, gerando maiores erros na escala de comprimento de onda. Para esse estudo, foram realizadas medições no espectrofotômetro Agilent com as seguintes velocidades: 6 nm min 1, 12 nm min 1, 20 nm min 1, 30 nm min 1, 40 nm min 1, 50 nm min 1, 75 nm min 1, 100 nm min 1, 150 nm min 1 e 200 nm min 1. A configuração do espectrofotômetro utilizada para as medições foi: largura de banda de 0,1 nm e 2 ciclos de medição. Os valores obtidos nas medições foram apresentados na Tabela 4 e comparados com os valores apresentados no certificado do SRM do NIST [4]. 9

10 Comprimento de onda medido (nm) Valor certificado Tabela 4. Valores obtidos na medição de solução de Ho 2 O 3 em diferentes velocidades de varredura (valores em nm). Velocidade de Varredura (nm min 1 ) ,45 640,42 640,47 640,43 640,43 640,44 640,39 640,44 640,49 640,50 640,34 536,50 536,45 536,48 536,50 536,48 536,46 536,44 536,50 536,45 536,50 536,44 485,26 485,21 485,25 485,25 485,25 485,27 485,27 485,25 485,18 485,25 485,16 467,77 467,80 467,81 467,81 467,80 467,79 467,80 467,75 467,81 467,75 467,84 416,10 416,06 416,03 416,08 416,08 416,06 416,09 416,13 416,04 416,00 416,23 385,36 385,37 385,39 385,36 385,35 385,41 385,38 385,38 385,32 385,50 385,26 361,37 361,37 361,30 361,33 361,35 361,36 361,31 361,38 361,43 361,25 361,28 345,46 345,50 345,59 345,54 345,55 345,54 345,45 345,44 345,49 345,50 345,47 333,51 333,46 333,52 333,53 333,50 333,52 333,54 333,50 333,55 333,50 333,65 287,03 287,01 287,02 287,02 287,00 287,02 287,02 287,00 287,12 287,00 287,03 278,24 278,22 278,18 278,21 278,23 278,24 278,22 278,25 278,27 278,25 278,37 249,79 249,78 249,82 249,81 249,83 249,80 249,80 249,75 249,88 249,75 249,73 241,00 240,97 240,98 240,98 241,00 240,99 241,04 241,00 241,03 241,00 241,07 Primeiramente, foi comparada a diferença entre os valores. Em termos de erro absoluto, observou-se que os resultados ficam com erros mais altos à medida que a velocidade de varredura atingiu maiores valores, como em 100 nm min 1, 150 nm min 1 e 200 nm min 1. Para as velocidades menores que estas, os erros estão distribuídos de forma mais equivalente. Entretanto, a escolha não pôde ser realizada apenas visualizando os valores. A escolha da velocidade de varredura foi obtida a partir de uma análise considerando qual velocidade que minimiza os erros em todos os pontos. Foi, portanto, feito um ajuste de reta para cada conjunto de dados de comprimentos de onda em cada velocidade em função de seu valor certificado. As curvas ajustadas estão apresentadas na Figura 6 e os resultados na Tabela Velocidades (nm.min -1 ) Ajustes lineares Comprimento de onda declarado no certificado do SRM2034 (nm) Figura 6. Variação entre o comprimento de onda medido e o comprimento de onda referente ao certificado do NIST, em função das velocidades de varredura. 10

11 Tabela 5. Dados do ajuste linear das velocidades de varredura. Velocidade de varredura (valores em nm min -1 ) Número de dados Graus de liberdade Soma quadrática dos resíduos 0,0087 0,0320 0,0116 0,0116 0,0109 0,0110 0,0056 0,0274 0,0459 0,0928 Coeficiente de Pearson (r) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 R² 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Intercepção 0,002-0,009 0,007 0,028 0,028 0,051-0,014 0,103-0,042 0,137 Inclinação 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 Um critério de análise seria escolher a reta que tem o coeficiente angular mais próximo de 45 graus, o que indicaria a melhor velocidade para se obter a menor diferença entre todos os pontos ao mesmo tempo. O gráfico mostrado na Figura 6, em que foi feito o ajuste linear, foi obtido com os dados da Tabela 5. Fazendo o ajuste linear e analisando os resultados, observou-se que a inclinação para todas as velocidades foi 1, assim como o R². Verificou-se que o que impacta para diferenciar a qualidade das velocidades de varredura é a soma quadrática dos resíduos. Com esse critério, velocidades maiores obtêm-se resíduos maiores, portanto, tais velocidades não devem ser escolhidas para serem utilizadas. A velocidade de 6 nm min 1 é uma das que possui menor resíduo, porém essa é uma velocidade muito lenta, tornando-se impraticável utilizá-la nas medições. As velocidades entre 20 nm min 1 e 75 nm min 1 são as que possuem resíduos bem baixos, portanto seria interessante utilizá-las nas medições por serem velocidades que fornecem os erros mais baixos e que geram espectros em tempo hábil. 4.5 Análise da largura da banda espectral Outro parâmetro de medição importante de ser estabelecido no espectrofotômetro é a largura da banda espectral (spectral bandwidth SBW) a ser utilizada nas medições. Dependendo de qual largura da banda espectral for utilizada, há comprometimento na identificação de picos de mínima transmitância que estão próximos no espectro, já que pode haver sobreposição deles e ocorrendo, assim, dificuldade na visualização. O número de picos identificados no espectro também pode variar conforme a largura da banda espectral escolhida. Para esse estudo, foram realizadas medições no espectrofotômetro Agilent cuja configuração foi: velocidade de varredura de 20 nm min 1, 2 ciclos de medição e SBW 11

12 variando em 1 nm, 2 nm, 3 nm e 4 nm. Os espectros obtidos nas medições podem ser verificados na Figura 7, em que houve a variação da largura da banda espectral nas medições. Figura 7. Comparação dos espectros de transmitância em diferentes larguras de banda. Com a Figura 7, verifica-se que a resolução dos picos de transmitância fica pior com o aumento da largura da banda espectral, na qual dois ou mais picos próximos se sobrepõem, não podendo ser distinguidos e visualizando apenas um pico. Observa-se que, com a SBW de 1 nm, obtém-se uma melhor resolução dos picos. 5. CONCLUSÕES Os estudos de viabilidade mostraram-se importantes para definir os parâmetros para a medição da solução de Ho 2 O 3 candidata a MRC nos estudos de homogeneidade e estabilidade. A partir dos estudos realizados, os parâmetros a serem utilizados na certificação 12

13 do candidato a MRC foram definidos: largura de banda espectral de 1 nm e velocidade de varredura de 30 nm min 1, não sendo necessário utilizar o branco de referência, nem ambientar as cubetas e realizando todas as medições com a amostra dentro do período de uma semana. Dessa forma, a próxima etapa será a produção de um lote do candidato a MRC de Ho 2 O 3 e, assim, realizar os estudos de homogeneidade, estabilidade de curto e longo prazo e a caracterização do MRC, além da avaliação da incerteza de medição, necessários para a certificação do material. O desenvolvimento do MRC de Ho 2 O 3 irá contribuir para garantir a confiabilidade e qualidade dos resultados das medições espectrofotométricas no país. Referências Bibliográficas: [1] ABNT NBR ISO 17034:2017, Requisitos gerais para a competência de produtores de material de referência. [2] ISO Guia 35:2012, Materiais de referência Princípios gerais e estatísticos para certificação. [3] Weidner, V.R. et al., Spectral transmittance characteristics of holmium oxide in perchloric acid solution, Journal of Research of the National Bureau of Standards, 1985, V.90 nº2. [4] NIST, Standard Reference Material 2034 Holmium oxide solution wavelength standard (240 nm to 650 nm),