QUI346 ESPECTROFOTOMETRIA

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1 QUI346 ESPECTROFOTOMETRIA ABSORÇÃO FOTOQUÍMICA 3ª Parte A INSTRUMENTAÇÃO 07/10/2013 Mauricio X. Coutrim

2 ESPECTRO DE ABSORÇÃO A energia absorvida por um fóton é igual à diferença entre as energias do estado excitado e fundamental. A energia total absorvida pela espécie produz o espectro de absorção que identifica a espécie porque é único para cada espécie. Os espectros de absorção molecular são mais complexos (bandas) porque em cada comprimento de onda ocorrem diversas transições eletrônicas e numerosos estados vibracionais e rotacionais.

3 MÉTODOS DE ABSORÇÃO A medida da potencia de energia radiante oriunda de uma fonte que incide sob uma área de uma espécie química por segundo e que é absorvida por essa espécie é proporcional à quantidade da espécie (concentração = c). A quantidade de energia absorvida é determinada indiretamente pela potência da energia incidida (P 0 ) e da energia transmitida (P): -log (P / P 0 ) = k. c

4 MÉTODOS DE ABSORÇÃO MOLECULAR Requerem medidas de potência da luz incidente (I 0, P 0 ) e transmitida (P, I). Transmitância (T) = P / P 0 T em porcentagem (%T) = P / P % Absorbância (A) = - log T = - log P / P 0 Para um mesmo P 0 quanto menor P maior A

5 LEI DE BEER-LAMBERT A = a. b. c = a. l. c; onde: l = caminho ótico (comprimento), em cm; c = concentração (molar) da espécie; a = e = absortividade molar, em L.mol -1.cm -1 I 0 I 0 I (S) I (S+am)

6 INSTRUMENTAÇÃO Espectrofotômetros de absorção na região do UV-Vis 07/ 31/08/2014 Mauricio X. Coutrim

7 INSTRUMENTAÇÃO COMPARTIMENTO DA AMOSTRA FONTE SELETOR DE l DETECÇÃO

8 INSTRUMENTAÇÃO Os equipamentos construídos para medir a potência das energias radiantes envolvidas nas interações dessas energias com os diversos materiais são chamados de fotômetros ou espectrofotômetros. Através desses equipamentos é possível se medir a transmitância e a absorbância de soluções aquosas. E dessa forma se encontrar as concentrações das espécies absorventes em solução.

9 INSTRUMENTAÇÃO Componentes do Espectrofotômetro de absorção FONTE DE RADIAÇÃO SELETORES DE COMPRIMENTO DE ONDA TRANSDUTOR DE RADIAÇÃO RECEPIENTE DA AMOSTRA PROCESSADOR DE SINAL (AMPLIFICADOR) E DISPOSITIVO DE SAÍDA

11 FONTE DE RADIAÇÃO Precisa ter uma potência alta e estável. Tipos: Fonte Contínua: a intensidade da radiação praticamente não varia com l [lâmpadas de deutério D 2 (UV), xenônio (UV-Vis) e tungstênio W (Vis.)];

12 FONTE DE RADIAÇÃO Tipos: Fonte de Linha: emitem poucas linhas discretas de radiação [lâmpada de vapor de sódio (Vis.) e mercúrio (UV-Vis.), lâmpadas de catodo oco e descarga (UV-Vis.)]. Fonte de Laser (light amplification by stimulated emission of radiation): produzem radiação muito intensa e estreita (monocromática ~ 0,01nm)

13 FONTE CONTÍNUA: D 2 A excitação elétrica de D 2 à baixa pressão produz um espectro contínuo entre 160 nm e 375 nm. D 2 + E D 2 * 2 D + hn (2 D D 2 ) E abs = E D2 * = E D + E D`` + hn E D2 * (energia da molécula excitada) é fixa, enquanto que E D e E D`` são as energias cinéticas dos átomos de deutério, que podem variar continuamente, resultando em variação contínua de n (l).

14 FONTE CONTÍNUA: D 2 Lâmpada de deutério Duração = 2000h Fonte: erio.html

15 FONTE CONTÍNUA: D2 Lâmpada de deutério Marca: YUYU Origem: Jiangsu China (Mainland) Preço FOB: US$ 27~82 Fonte:

16 FONTE CONTÍNUA: W O filamento de tungstênio encapsulado em quartzo pode gerar espectro contínuo entre 350 e 2500 nm a ~ 3500 K. O I 2 do quartzo reage com o W produzindo WI 2 e diminui a vida útil. O gás halogênio evita essa reação e a duração pode chegar a ~ 3000 h. Fonte: A lâmpada utilizada é semelhante à inventada por Thomas Edison em 1879 que utilizou filamento de tungstênio em Fonte: a-das-grandes-invencoes/

18 SELETORES DE l Tipos de seletores: Filtros Filtros de Interferência Cunhas de Interferência (placas espelhadas em forma de cunha com 50 mm a 200 mm pode isolar banda de 20 nm) Filtros de Absorção Monocromadores Prisma Rede Reflexão Echellette (a reflexão ocorre em faces largas) Holográfica

19 FILTROS DE ABSORÇÃO Os filtros de absorção consistem na utilização de lentes com materiais que absorvem uma faixa de l da luz radiante e transmite a outra faixa de l. É utilizado em colorímetros Colorímetro Visual Del Lab Modelo DLNH-100 Fonte:

20 FILTROS DE ABSORÇÃO A seleção do filtro se baseia na cor complementar da espécie analisada (cor absorvida). P. ex., para uma solução amarela deve ser escolhido um filtro azul. Luz absorvida Luz transmitida

21 FILTRO DE INTERFERÊNCIA Filtros de interferência de múltiplas camadas consiste de filmes finos, no caminho óptico fazendo com que comprimentos de onda possam ser separados (demultiplexados). A propriedade de cada filtro é tal que ele transmite um comprimento de onda (em fase) enquanto outros são destruídos (fora de fase). Cascateando estes dispositivos, muitos comprimentos de ondas podem ser demultiplexados. Filtros de interferência de múltiplas camadas Fonte:

22 MONOCROMADORES Possibilita uma variação contínua de l (varredura do espectro). Consiste de: Fenda de entrada Lente colimadora (feixe paralelo) Prisma ou rede para deixar a radiação monocromática Lentes focalizadoras (focaliza no plano focal) Fenda de saída (isola a banda espectral)

23 MONOCROMADORES Lentes colimadoras Lentes focalizadoras Prisma rede refletora Fenda de entrada Fenda de saída

24 Figure Effect of the monochromator s slit width on noise and resolution for the ultraviolet absorption spectrum of benzene. The lit width increases from spectrum (a) to spectrum (d) with effective bandpasses of 0.25 nm, 1.0 nm, 2.0 nm, and 4.0 nm. EFEITO DA FENDA NA RESOLUÇÃO DO ESPECTRO Quanto mais estreita a fenda (passagem de l slit width) maior a resolução do espectro.

25 PRISMA E REDE DE DIFRAÇÃO Espectro visível da luz de uma lâmpada difratada por um prisma: (a) esquema (b) fotografia Espectro visível da luz de uma lâmpada difratada por uma grade de difração: (a) esquema e (b) fotografia Fonte: Atvars, TDZ; Martelli, Z. Espectroscopia Eletrônica de Absorção em

26 REDES HOLOGRÁFICAS As ranhuras das redes de reflexão podem ser feitas através de processos denominados holográficos. Uma camada muito fina de um material é depositada sobre um substrato de vidro ou de quartzo, que é, posteriormente, corroído em certas regiões definidas por uma figura de interferência gerando sobre este material um conjunto de vales e topos denominados ranhuras. A qualidade de uma grade de difração é controlada pelo número de ranhuras por unidade de área e pela precisão com que estas foram feitas. Fonte: Atvars, TDZ; Martelli, Z. Espectroscopia Eletrônica de Absorção em

27 INSTRUMENTAÇÃO Esquema Feixe simples Esquema Feixe duplo Equipamento com feixe duplo

28 ESPECTROFOTÔMETRO DE FEIXE SIMPLES Esquema de um espectrofotômetro de feixe simples Fonte:

29 ESPECTROFOTÔMETRO DE FEIXE SIMPLES Esquemas de espectrofotômetros de feixe simples com monocromador móvel e com arranjo de diodos AMOSTRA Rede de difração Móvel Fixa Arranjo de diodos Sistema de Detecção

30 ESPECTROFOTÔMETRO DE DUPLO FEIXE Esquema de um espectrofotômetro de feixe duplo Fonte Monocromador com lentes colimadoras, prisma ou rede de difração e lentes focalizadoras A Compartimentos de amostra e referência R D D D Detector(es) L e i t u r a Vantagem: a absorbância da amostra é fornecida já descontada do valor do branco Obturador e lentes de direcionamento

31 ESPECTROFOTÔMETRO DE DUPLO FEIXE Esquema óptico do espectrofotômetro de duplo feixe com um detector Obturador (Chopper) Fonte: Atvars, TDZ; Martelli, Z. Espectroscopia Eletrônica de Absorção em

32 OBTURADOR Os Obturadores Eletromecânicos (Chopper) têm a finalidade de alternar a passagem da radiação em um certo caminho óptico. Como ele gira a uma velocidade maior que a velocidade de varredura da grade, cada comprimento de onda selecionado pela grade que incide sobre o disco irá, alternadamente, fazer o caminho óptico da amostra ou da referência. Fonte: Atvars, TDZ; Martelli, Z. Espectroscopia Eletrônica de Absorção em Esquema de funcionamento do Obturador Eletromecânico. A Fonte de Radiação é transmitida (região branca vazada), emitida (região cinza do obturador espelhada) ou absorvida (região negra) pelo obturador. Os pulsos de luz refletida e transmitida são defasados em função da freqüência de rotação do obturador.

34 RECEPTOR DE AMOSTRA A cubeta precisa ser transparente à radiação incidente: Vidros de silicatos (350 a 2000 nm) Quartzo (abaixo de 350 nm) Deve ser muito bem limpa e a superfície de leitura não pode ter qualquer imperfeição O tamanho (caminho ótico) pode variar de 0,1 a 10 cm. Mais comum = 1,0 cm. Quanto maior o caminho ótico maior a sensibilidade!

35 CUBETAS Diferentes tamanhos (caminho ótico) de cubetas 10 mm 20 mm 30 mm 50 mm 100 mm Fonte:

36 CUBETAS Diferentes tipos de cubetas Cubetas típicas para acompanhamento de análise de injeção em fluxo (FIA)

37 CUBETAS Diferentes tipos de cubetas Algumas cubetas são construídas com o objetivo de isolar a solução (espécie) analisado do meio externo.

39 DETECTORES Convertem a Energia Radiante em Sinal Elétrico. * Requisitos (ideal) Alta sensibilidade Alta relação sinal/ruído Resposta constante Resposta (quase) instantânea Sinal zero na ausência de luz Sinal proporcional à Potencia Radiante (S=kP) * São de dois tipos quanto à resposta: Quânticos (fótons) UV, Vis, NIR (inf. verm. prox.) Térmicos (calor) IR

40 DETECTORES QUÂNTICOS Tipos: Células Fotovoltaicas: Semi-condutor / é / Metal Fototubos: Superfície Fotossensível (SF) é Tubos fotomultiplicadores: SF é é (cascata) De Fotocondutividade: Semi-condutor é (> condutividade) De Fotodiodos de silício: junção pn (+ -) (> condutância) De Transferência de carga: cristal de silício (hn carga medida)

41 DETECTORES MULTICANAL Contém um chip semi-condutor (silício) que processa cada elemento fotossensível (cada l) simultaneamente medindo o sinal elétrico. Tipos: Arranjos de fotodiodos (Arranjos de diodos) Dispositivos de transferência de carga Dispositivos de injeção de carga Dispositivos de cargas acopladas

42 DETECTORES MULTICANAL ESQUEMA DO FUNCIONAMENTO DE UM DETECTOR DE ARRANJO DE DIODOS CADA DIODO DETECTA UM l PRISMA OU REDE DE DIFRAÇÃO

44 AMPLIFICADOR DE SINAL O processador de sinal de saída é um dispositivo eletrônico que amplifica o sinal elétrico do transdutor O processador de sinal pode: Alterar o tipo de corrente do sinal (de cc para ca e vice-versa) Alterar a fase do sinal Limpar o sinal (remover componentes indesejáveis) Trabalhar matematicamente o sinal (derivar, integrar, etc)

45 O ESPECTRO UV-VIS Espectro de uma solução etanólica de fluoresceína 10-5 mol.l -1 (amarela). Fonte: Atvars, TDZ; Martelli, Z. Espectroscopia Eletrônica de Absorção em