2.1. Efeito de Doppler e efeito de pressão 2.2. Efeito da temperatura 2.3. Instrumentação 2.4. Tipos de interferências

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1 ANÁLISE INSTRUMENTAL MESTRADO BIOQUÍMICA 1.ºANO Capítulo 2 2. Espectroscopia de emissão e absorção atómica 2.1. Efeito de Doppler e efeito de pressão 2.2. Efeito da temperatura 2.3. Instrumentação 2.4. Tipos de interferências

2 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Emissão atómica Absorção atómica Fluorescência atómica

3 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Emissão por sólidos ou líquidos Largura de banda na ordem de nm Emissão/absorção por átomos em fase gasosa Largura de banda na ordem de 0,001 nm (espectros de riscas)

4 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Factores que podem conduzir ao alargamento das riscas As causas mais importantes do alargamento são: Efeito de Doppler Efeito da Pressão Resulta num alargamento de risca entre 0,001 e 0,01 nm

5 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Alargamento por efeito de Doppler Átomos movendo-se na direcção da fonte de radiação são mais sensíveis a oscilações da radiação eletromagnética, absorvendo radiação de menor frequência. A população atómica sofrerá um alargamento da risca espetral, dl, dado por:

6 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Alargamento por efeito de pressão A presença de moléculas e átomos da mesma espécie ou de um gás estranho vai manifestar-se por colisões com os átomos em estudo (efeito de Lorenz). Estas colisões diminuem o tempo de vida dos estados excitados. A incerteza na frequência da radiação emitida e absorvida depende da frequência das colisões, sendo por isso proporcional à pressão. Para concentrações relativamente baixas de um elemento, o alargamento é principalmente devido ao efeito Doppler. Em conjunto os dois efeitos provocam um alargamento da ordem de 0,001-0,01 nm

7 Espectroscopia de emissão e absorção atómica A temperatura afecta a espetroscopia atómica A razão entre o número de eletrões em dois estados de energia em equilíbrio térmico a uma dada temperatura pode determinar-se pela lei de distribuição de Boltzmann: Onde

8 Espectroscopia de emissão e absorção atómica A temperatura afecta a espetroscopia atómica Como praticamente todos os átomos estão no estado fundamental às temperaturas da chama (mais do que 99,9%), as riscas utilizadas em absorção atómica são quase sempre as correspondentes à transição do nível fundamental (riscas de ressonância). Verifique que menos de 0,02% de átomos de sódio estão no 1.º estado excitado a 2600K. Dados: DE=3.371x10-19 J/átomo; g*=2; g 0 =1 Qual o aumento do número de átomos excitados (%) se a temperatura aumentar 10 K? A diferença é relevante? E a diferença nos átomos no estado fundamental? Portanto, a fotometria de chama de absorção atómica não é tão dependente da temperatura da chama como a de emissão. No entanto, qualquer variação de temperatura da chama provoca alterações na percentagem dos óxidos formados, o que afecta igualmente a absorção atómica e a fotometria de chama de emissão.

9 ANÁLISE INSTRUMENTAL MESTRADO BIOQUÍMICA 1.ºANO Capítulo 2 2. Espectroscopia de emissão e absorção atómica 2.1. Efeito de Doppler e efeito de pressão 2.2. Efeito da temperatura 2.3. Instrumentação 2.4. Tipos de interferências

10 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Os componentes básicos de um espetrofotómetro de absorção atómica incluem uma fonte primária, que emite o espetro do elemento a determinar, um dispositivo para a vaporização da amostra, um monocromador para isolar a faixa espetral, um detetor de radiação e um sistema para medir o sinal.

11 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Processos de atomização Três abordagens podem ser usadas para converter a amostra em átomos livres Atomização por chama (líquidos e gases) Atomização por câmara de grafite (sólidos e líquidos) Atomização/ionização com plasma acoplado por indução (ICP)

12 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Atomização com chama Um atomizador de chama tem um queimador longo e estreito que serve de percurso para a amostra (b). A amostra é introduzida por aspiração. O nebulizador controla o fluxo de amostra, produzindo um aerossol. A câmara de mistura assegura que a amostra é misturada com o oxidante e o carburante antes de entrar na chama.

13 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Atomização com chama O gás de combustão mais vulgar é o acetileno Usa-se ar ou protóxido de azoto como oxidante, sendo o N 2 O aquele que produz uma chama mais quente Acetileno / ar ºC Acetileno / N 2 O ºC N 2 O dá origem, geralmente, a uma chama com mais ruído Ar/acetileno (menor energia) mais indicada para elementos facilmente ionizáveis (ionização é indesejável na absorção). Acetileno/N2O indicada para elementos refratários (os que requerem maior energia para atomizar)

14 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Atomização com câmara de grafite As amostras são colocadas num tubo de carbono aquecido eletricamente câmara de grafite O tempo de residência da amostra é maior, permitindo melhorar a sensibilidade entre 100 e 500 vezes. É possível analisar amostras sólidas Usa-se frequentemente o árgon, como gás de purga, para evitar a oxidação da grafite A temperatura máxima recomendada é 2550ºC, durante 7 segundos Além da maior sensibilidade, nesta técnica evita-se a formação de óxidos

15 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Atomização/ionização com plasma acoplado por indução (ICP) Átomos de árgon são inicialmente ionizados por uma descarga inicial, e os electrões livres acelerados por radiofrequências. Por colisão a energia é transmitida a todo o gás, mantendo a temperatura entre 6000 e K. As elevadas temperaturas e o tempo relativamente longo de interação das partículas do plasma garantem a completa vaporização do soluto e alto grau de atomização. O ambiente quimicamente inerte, elimina muitas das interferências da atomização com chama.

16 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Atomização/ionização com plasma acoplado por indução (ICP) O ICP é usado quase exclusivamente na emissão atómica. A sensibilidade pode ser muito aumentada (250 a 3000 vezes) com deteção por espetrometria de massa (ICP- MS).

17 Espectroscopia de absorção atómica Fontes de radiação Na absorção atómica, usa-se uma fonte com largura de uma risca, de forma a reduzir o efeito de interferências e outros elementos, de 2 tipos: Lâmpada de cátodo ôco Lâmpada de descarga sem eléctrodos

18 Espectroscopia de absorção atómica Lâmpada de cátodo ôco Nenhum monocromador usual isola uma faixa espetral tão estreita como a largura de uma risca espetral de absorção atómica. O problema é resolvido usando lâmpadas de cátodo ôco como fonte de radiação. Estas operam a temperatura e pressão muito mais baixas do que na chama (menores efeitos Doppler e de pressão), pelo que se obtém uma largura de banda muito pequena. Obtém-se assim, uma fonte com largura de uma risca para reduzir o efeito de interferências de outros elementos.

19 Espectroscopia de absorção atómica Lâmpada de cátodo ôco São tubos de descarga com Ne ou Ar a baixa pressão, em que o vapor do elemento a excitar é produzido por volatização catódica durante a descarga. Quando se aplica um potencial de V, uma descarga enche o interior do cátodo. Iões do gás nobre são acelerados em direcção ao cátodo que o atingem com energia suficiente para ejectar átomos do elemento para a fase gasosa (sputtering). Utilizada na absorção atómica com chama ou câmara de grafite. Geralmente á necessária uma lâmpada para cada elemento.

20 Espectroscopia de absorção atómica Lâmpada de descarga sem elétrodos Um sal do metal de interesse é selado num tubo de quartzo. Um campo de RF é usado para excitar o gás que, por sua vez, ioniza o metal. A intensidade da emissão é cerca de 10 a 100 vezes maior, mas menos estável do que as lâmpadas de cátodo ôco.

21 Espectroscopia de absorção atómica Correção de absorção de fundo (background) A correção de fundo é necessária para distinguir o sinal do analito do da absorção, emissão ou dispersão devido à matriz da amostra ou chama, câmara ou plasma. O modulador rotatório (chopper) permite descontar o sinal correspondente à emissão, mas não corrige a dispersão. A correção da absorção de fundo, é realizada através de: Lâmpada de deutério Efeito de Zeeman

22 Espectroscopia de absorção atómica Correção com a lâmpada de D2 (190 a 430 nm) Com a lâmpada de cátodo ôco (HC) mede-se a absorção do elemento e background numa região muito estreita. Com a lâmpada de deutério (D2), a absorção é medida numa largura de banda mais larga. Como a risca para o elemento é muito fina, mede-se essencialmente o background. A amostra é atravessada alternadamente por um feixe proveniente de uma fonte de AA ou de uma lâmpada de D2.

23 Espectroscopia de absorção atómica Correção com a lâmpada de D2

24 Espectroscopia de absorção atómica Correção de fundo baseada no efeito de Zeeman (190 a 900 nm) Quando um campo magnético paralelo ao percurso ótico é aplicado, a risca de absorção (ou emissão) é desdobrada em 3 componentes. O componente original não tem a polarização adequada para absorver radiação paralela ao campo magnético e é invisível. Quando o campo magnético está ligado, durante parte do ciclo,o analito e outras espécies absorvem. Durante o outro ciclo, apenas as outras espécies absorvem. Aplica-se principalmente em câmara de grafite. Bastante eficiente, embora caro.

25 Espectroscopia de absorção atómica Correção de fundo baseada no efeito de Zeeman Magnete Circuito eletrónico Absorção de fundo mais absorção atómica Intensidades do sinal em termos da transmitância. Um campo magnético permanente, provoca o desdobramento dos níveis de energia eletrónico dos átomos. Durante parte do ciclo com a radiação plano-polarizada, o analito e outras espécie absorvem. No outro ciclo apenas as outras espécies absorvem.

26 Espectroscopia de absorção atómica Interferências espectrais Sobreposição do sinal do analito com o de outras espécies presentes na amostra ou na chama ou câmara de grafite (lâmpada de D2 e efeito de Zeeman para esta última). Elementos cujas riscas sejam muito próximas. Neste caso deve-se escolher outra risca para a análise, se não se possuir espectrofotómetro de alta resolução. Compostos que formam óxidos estáveis a altas temperaturas não atomizam completamente. Estas espécies têm bandas de absorção relativamente largas.

27 Espectroscopia de absorção atómica Interferências químicas Causadas por componentes da amostra que provocam uma diminuição da extensão da atomização. Ex. Sulfato e fosfato formam sais muito estáveis com o catião cálcio. Modificadores de matriz podem ser adicionados à amostra no sentido de resolver as interferências químicas. Ex: La 3+ reage preferencialmente com sulfato e fosfato, o que liberta o Ca 2+ ; O EDTA reage preferencialmente com o Ca 2+ e também impede a formação dos sais estáveis. Temperaturas de atomização mais altas também resolvem problemas de interferência química. Determinados componentes da amostra podem provocar uma diminuição da extensão da atomização. Ex: No caso da câmara de grafite, os modificadores de matriz reduzem a perda de analito durante a carbonização (pirólise) ao tornar a matriz mais volátil ou o analito menos volátil.

28 Espectroscopia de absorção atómica Interferências de ionização Ocorrem quando uma parte significativa dos átomos do elemento sofre ionização à temperatura da chama; os átomos ionizados são perdidos para a absorção. O grau de ionização depende da temperatura da chama. A chama de protóxido de azoto-acetileno produz ionização considerável, mesmo de elementos, como alumínio, não facilmente ionizáveis. Afecta significativamente os metais alcalinos, que têm energias de ionização baixa. O potássio a 2500 K está 33% ionizado. Adiciona-se à amostra supressores de ionização, no sentido de diminuir a extensão da ionização. São elementos ainda mais facilmente ionizáveis que fazem com que a concentração de electrões seja elevada (deslocamento do equilíbrio). O césio ou potássio em elevada concentração (1000 ppm), por exemplo.

29 Espectroscopia de absorção atómica Interferências da matriz Relacionam-se com a as propriedades físicas das soluções, como a viscosidade e tensão superficial, que altreram o fluxo da solução ao nebulizador e, consequentemente, ao atomizador. A presença de solventes orgânicos ou diferentes concentrações de sólidos dissolvidos na solução aquosa, podem interferir com a absorção de um dado elemento. Assim, sugere-se o uso do método de adição de padrão, a fim de minimizar estas interferências.

30 Espectroscopia de emissão e absorção atómica Comparação dos métodos Absorção em chama Absorção em forno Emissão em plasma Plasma - EM LD (ng/g) ,01 1 0, Faixa de linearidade Precisão Tempo curto (5 10 min) Tempo longo (horas) Interferências Espectral Química Massa Tempo por amostra 0,1 1% 1 10% Muito poucas Muitas s p/ elemento 0,5 5% 1 10% Muito poucas Muitíssimas min p/ elemento 0,1 2% 1 5% Muitas Muito poucas elementos/min 0,5 2% < 5% Poucas Algumas Muitas 2 5 min todos elementos Volume por amostra Grande Muito pequeno Médio Médio Custo relativo de aquisição

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