DESEMPENHO DE ESPECTROFOTÔMETROS UV/VIS/IVP: EMPREGO DOS MATERIAIS DE REFERÊNCIA

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1 ENQUALAB-08 Congresso da Qualidade em Metrologia Rede Metrológica do Estado de São Paulo - REMESP 09 a 12 de junho de 08, São Paulo, Brasil DESEMPENHO DE ESPECTROFOTÔMETROS UV/VIS/IVP: EMPREGO DOS MATERIAIS DE REFERÊNCIA Juliana F. Santos Gomes 1, Marcelo B. Guedes 1, Iakyra B. Couceiro 2, Hans Peter Grieneisen 2 Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - Ietro Diretoria de Metrologia Científica e Industrial - Dimci 2 Divisão de Metrologia Óptica Diopt diopt@ietro.gov.br 1 Laboratório de Colorimetria e Espectrofotometria Lacoe lacoe@ietro.gov.br Resumo: O Espectrofotômetro é um instrumento de grande importância e aplicação em diversos setores industriais, tais como petroquímico, químico, ambiental, farmacêutico, análise clínica, controle de qualidade, etc. Portanto, é fundamental mensurar fatores que influenciam na medição com esses instrumentos e verificar periodicamente sua desempenho e manter a rastreabilidade de suas medidas utilizando materiais de referência padrão. Estes materiais de referência padrão dividem-se em duas categorias principais: materiais usados na verificação e calibração da escala de comprimento de onda e materiais de referência empregados na verificação e calibração da escala fotométrica de espectrofotômetros. O envelhecimento desses materiais de referência, assim como a degradação das superfícies metálicas, principalmente filtros de densidade neutra, podem resultar na alteração dos valores de transmitância (absorbância) e de comprimento de onda, sendo assim necessária sua verificação periódica. A verificação e calibração periódica também faz-se necessária devido ao desgaste físico de alguns componentes ópticos do instrumento e algumas normas orientam esta verificação, tais como ASTM E275, ASTM 387, ASTM E925, ASTM E958 e ASTM E1866. Na escala fotométrica, em geral, a análise da escala de transmitância (absorbância) do instrumento, é realizada levando-se em consideração as variações com respeito aos valores padronizados dos materiais de referência. Na escala de comprimento de onda, são utilizados padrões de referência específicos, com bandas de absorção em diferentes intervalos de comprimento de onda. Palavras Chave: Espectrofotômetro UV/VIS/IVP, Materiais de Referência, Filtro óptico, Calibração 1 INTRODUÇÃO O Espectrofotômetro é um instrumento fundamental para a análise de diversos parâmetros em áreas como petroquímica, química, ambiental, farmacêutica, análise clínica, controle de qualidade, etc tornando-se, portanto, fundamental mensurar os fatores que influenciam nos resultados obtidos a partir destes equipamentos, além de verificar periodicamente sua desempenho e manter a rastreabilidade de suas medidas. Na verificação periódica da desempenho de espectrofotômetros, assim como na calibração destes instrumentos faz-se necessário a determinação de erros resultantes de parâmetros como velocidade de varredura, largura da fenda, luz espalhada, linearidade, ruído fotométrico, entre outros, originados muitas vezes por desgaste físico de alguns componentes ópticos do instrumento. Para tal objetivo, são usualmente empregados materiais de referência padrão para espectrofotometria, em cuja verificação podem ser usadas as normas ASTM E275, ASTM 387, ASTM E925, ASTM E958 e ASTM AS ESCALAS DE INFLUÊNCIA NA MEDIDA A avaliação da desempenho dos espectrofotômetros deve ser realizada através da análise de parâmetros que influenciam as medições nas duas escalas de influência, a escala fotométrica e a escala de comprimento de onda. Na escala de comprimento de onda, são utilizados padrões de referência específicos, com bandas de absorção em diferentes intervalos de comprimento de onda. Nesta escala são analisados os fatores de maior influência que afetam os resultados das medições no espectrofotômetro: a largura de banda espectral, a velocidade de varredura e a exatidão do comprimento de onda. Na escala fotométrica, transmitância (ou absorbância), a análise é realizada levando-se em consideração as variações com respeito aos valores padronizados dos materiais de referência, filtros neutros e filtros de corte. Para isto, são analisados os seguintes fatores: linearidade de resposta, ruído fotométrico, estabilidade fotométrica, correção da linha de base, exatidão, repetitividade fotométrica e luz espalhada. Escala de comprimento de onda A verificação da escala de comprimento de onda de um espectrofotômetro é normalmente realizada utilizando padrões físicos absolutos, lâmpadas de descarga, tais como, de mercúrio e de deutério. A verificação também pode ser realizada, empregando materiais de referência padrão apropriados que apresentam bandas de absorção estreitas, em diferentes intervalos nas faixas espectrais do UV e do VIS, que serão apresentadas posteriormente.

2 O número de bandas espectrais identificáveis e espectralmente resolvidas pode ficar severamente comprometido pelo aumento da largura da fenda. Isto ocorre devido ao aumento da banda passante espectral que produz o alargamento espectral de cada banda individual, dificultando a localização dos picos. O aumento da velocidade de varredura também afeta as medidas de comprimento de onda, resultando num desvio na posição da banda espectral no comprimento de onda da banda de absorção na direção do deslocamento. Sendo assim, as medições de comprimento de onda devem ser realizadas em função desses dois parâmetros que mais afetam o resultado das medições como pode ser verificado, a seguir, nos exemplos apresentados nas figuras 1 e 2. Desvio (NIST - Larad) 0, 0,15 0, ,10-0,15-0, -0,25-0,30-0,35 Figura 1 - Desvios apresentados em diferentes larguras de banda para velocidade de varredura de 30/min, empregando o filtro de solução de óxido de hólmio SRM 34 NIST. Desvio (NIST-Larad) 0, Figura 2 Desvios apresentados em diferentes velocidades de varredura para largura de fenda de 1, empregando o filtro de óxido de hólmio SRM 34 NIST. Para uma melhor caracterização desta escala devem também ser realizadas análises das linhas de emissão tabeladas das lâmpadas espectrais, como também medidas experimentais da largura de banda espectral à meia altura (ASTM 958). Escala Fotométrica: Comprimento de Onda () 0,1 0,25 0, ,01 249,86 278,10 287,19 333,42 345,51 361,26 385,65 416,33 451,28 467,88 485,28 536,74 6,65 6,52 536,64 485,29 467,83 451,30 416,28 385,66 361,31 345,47 333,44 287,18 278,10 249,87 241,13 Comprimento de Onda () 1 /min /min 30 /min 15 /min A verificação da escala fotométrica, transmitância (ou absorbância) do instrumento, pode ser efetuada usando materiais de referência padrão com densidade neutra, isto é, com percentuais de transmitância (ou absorbância) pouco variáveis em função do comprimento de onda, e filtros de cortes em diferentes comprimentos de onda. Entretanto, a calibração da escala fotométrica sofre influências dependentes diretamente do instrumento, tais como luz espalhada, ruído fotométrico, estabilidade, linearidade e reprodutibilidade fotométrica. A luz espalhada constitui a parte da radiação indesejada transmitida em outros comprimentos de onda fora da banda de passagem nominal do monocromador e medida pelo sistema de detecção (ASTM 387). Entretanto, depende também da distribuição espectral da fonte de radiação e da sensibilidade do detector. A quantidade de luz espalhada pode ser estimada usando substâncias com bandas de absorção intensas e estreitas, tais como filtros de corte cut off, certos líquidos e cristais. O ruído fotométrico é causado pelas flutuações na velocidade que os fótons da radiação incidente atingem à superfície do detector, e a linearidade é a relação linear entre a potência radiante incidente no seu detector e alguma quantidade medida proveniente do sistema. A estabilidade a curto e longo prazo de um espectrofotômetro está relacionada principalmente à qualidade na construção do equipamento, ou seja, dos elementos ópticos e mecânicos. A estabilidade a curto e longo prazo da fonte de radiação e do sistema de detecção também afeta o resultado de uma medição. A verificação da estabilidade do equipamento, assim como seu monitoramento, podem ser efetuados empregando filtros ópticos apropriados. A estabilidade também pode ser verificada sem o uso de filtros ópticos, mantendo o compartimento de amostra vazio, sendo analisada a variação do valor fotométrico em função do tempo. Na Figura 3, é apresentado um exemplo da análise de estabilidade fotométrica A t (min) Figura 3. Estabilidade fotométrica do espectrofotômetro. 3 OS PADRÃOS DE REFERÊNCIA EM ESPECTROFOTOMETRIA UV/VIS/IVP Materiais de Referência Padrão para Espectrofotometria são empregados na verificação periódica da desempenho de

3 %T espectrofotômetros, assim como na calibração de instrumentos e na determinação de erros instrumentais. Os materiais de referência padrão dividem-se em duas categorias principais: materiais usados na verificação e calibração da escala de comprimento de onda de espectrofotômetros e materiais de referência empregados na verificação e calibração da escala fotométrica de espectrofotômetros. Comprimento de Onda Na verificação da escala de comprimento de onda de um espectrofotômetro são empregados materiais de referência apropriados que apresentam bandas de absorção estreitas, em diferentes intervalos. A largura de banda espectral e a velocidade de varredura são selecionadas a fim de melhorar a resolução do espectro e buscar a melhor desempenho do equipamento. Dentre os diferentes materiais de referência padrão mais usualmente empregados destacam-se: filtros de vidro de didímio e de óxido de hólmio, usados como padrões de comprimento de onda desde 1945 e 1961, respectivamente. O filtro de didímio apresenta um grande número de bandas de absorção nas regiões espectrais do visível e do infravermelho próximo, enquanto que o filtro de óxido de hólmio apresenta linhas de absorção mais estreitas nas regiões espectrais do ultravioleta e do visível. Na região espectral do ultravioleta também pode ser empregado vapor de benzeno como material de referência padrão. Na região espectral do infravermelho próximo podem ser utilizados o 1, 2, 4-Triclorobenzeno, óxidos de terras raras em vidro (SRM35) e filmes de poliestireno. Esta verificação também pode ser realizada através do uso de lâmpadas de descarga, tais como as lâmpadas de mercúrio e deutério. Exemplos de espectros destes padrões de comprimento de onda são apresentados nas Figuras 4, 5, 6 e 7. 77, ,0 Figura 4. Espectro do filtro de vidro de didímio na região do visível %T 80, Figura 5. Espectro do filtro de vidro de óxido de hólmio na região do ultravioleta e visível. A 0,75 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, , ,0 Figura 6. Espectro de filtro de vapor de benzeno na região espectral do ultravioleta. Absorbância Poliestireno SRM 35 cm Figura 7. Espectro de filme de poliestireno e óxidos de terras raras SRM 35 na região espectral do IVP. Outros filtros ópticos não exemplificados, tais como filtros de interferência, são verificados de forma semelhante, sendo que uma análise preliminar é efetuada caso a caso a fim de determinar as condições ideais de calibração

4 %T %T Escala Fotométrica A verificação da escala fotométrica é tão importante quanto à da escala de comprimento de onda. Neste caso, são verificadas as escalas de transmitância e absorbância do aparelho, usando filtros de vidro de densidade neutra, com diferentes percentuais de transmitância (absorbância), referentes a comprimentos de onda específicos. Vários materiais de referência têm sido empregados na determinação da exatidão da escala fotométrica de espectrofotômetros, dentre os quais se destacam: vidros inorgânicos e soluções padrão. Filtros de vidro de densidade neutra, tais como Schott NG-4 e NG-5, e filtros com película metálica em sílica fundida são usados como padrões na verificação da escala fotométrica de espectrofotômetros convencionais, nas regiões do ultravioleta e do visível. Soluções padrão, por exemplo, de dicromato de potássio, são usualmente empregadas, sendo normalmente mantidas em cubetas seladas de quartzo. Exemplos de espectros destes materiais de referência padrão são apresentados nas Figuras 8, 9 e Figura 8. Transmitância espectral de conjunto de filtros de vidro de densidade neutra com transmitância nominal de 10, e 30% na região do visível , Figura 9. Transmitância espectral de conjunto de filtros de vidro de densidade neutra com transmitância nominal 10, 30 e 90% na região do ultravioleta e visível. 30% % 10% 90% 30% 10% 0,85 0,8 0,7 0,6 A 0,5 0,4 0, ,0 Figura 10. Espectro de absorção de solução padrão de dicromato de potássio na região espectral do ultravioleta. 4 - CONCLUSÃO O conhecimento da exatidão dos resultados das medidas efetuadas no espectrofotômetro é possibilitado através da sua caracterização periódica (ASTM E925), considerando todas as fontes de incertezas e parâmetros de influência no processo de medição (ASTM E275). A periodicidade desta caracterização deve ser respeitada considerando a existência de vários fatores que modificam as características do instrumento e dos materiais de referência ao longo do tempo. A verificação da confiabilidade das medições também pode ser garantida através de comparações na área de espectrofotometria, tendo como objetivo fundamentar tecnicamente a equivalência entre as calibrações realizadas em espectrofotômetros comerciais de diferentes laboratórios. O envelhecimento dos materiais de referência, sejam de vidro ou filme, assim como a degradação das superfícies metálicas em filtros ópticos, principalmente filtros de densidade neutra, podem resultar na alteração dos valores de transmitância e/ou absorbância e de comprimento de onda, sendo necessária a verificação periódica e calibração desses materiais. Filtros com superfície metálica são menos estáveis que os filtros de vidro de densidade neutra e requerem, portanto, verificações mais freqüentes. Apesar dos materiais de referência tipo solução ou vapor serem estáveis fotoquimicamente, suas estabilidades também devem ser avaliadas periodicamente. O Laboratório de Colorimetria e Espectrofotometria do Ietro (Lacoe) oferece desde 1998 serviços de calibração de materiais de referência em espectrofotometria, possibilitando a rastreabilidade das medidas nacionalmente, atendendo à crescente demanda de serviços metrológicos de aplicação científica e industrial. O reconhecimento da competência do Lacoe, através da participação em diferentes comparações interlaboratoriais, possibilitou a prestação de serviços de calibração de filtros ópticos, fazendo parte do banco de dados do Bureau

5 International des Poids et Mesures (BIPM), a partir do MRA Acordo de Reconhecimento Mútuo. 5 REFERÊNCIAS ASTM E275-01, Standard Practice for Describing and Measuring Performance of Ultraviolet, Visible and Near Infrared Spectrophotometers ASTM E925-02, Standard Practice for Periodic Calibration of Narrow Band-pass Spectrophotometers ASTM , Standard Test Method for Estimating Stray Radiant Power of Spectrophotometers by the Opaque Filter Method ASTM E958-93, Standard Practice for Measuring Practical Spectral Bandwidth of Ultraviolet-Visible Spectrophotometers ASTM , Standard Guide for Establishing Spectrophotometer Performance Tests