CURSO PROFISSIONAL TÉCNICO DE ANÁLISE LABORATORIAL

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1 DIREÇÃO GERAL DOS ESTABELECIMENTOS ESCOLARES DIREÇÃO DE SERVIÇOS DA REGIÃO CENTRO ANO LECTIVO CURSO PROFISSIONAL TÉCNICO DE ANÁLISE LABORATORIAL MÉTODOS OPTICOS ESPECTROFOTOMETRIA MOLECULAR (UV VIS) Chama se espectrofotometria a qualquer procedimento que utiliza a luz (radiação eletromagnética) para medir a concentração química de qualquer espécie. A espectrofotometria visível e ultravioleta é um dos métodos analíticos mais usados nas determinações analíticas em diversas áreas. É aplicada para determinações de compostos orgânicos e inorgânicos, como, por exemplo, na identificação do princípio ativo de fármacos. A espectroscopia de absorção molecular é valiosa para a identificação dos grupos funcionais na molécula. Mais importante, entretanto, são as aplicações da espectroscopia de absorção visível/ ultravioleta para a determinação quantitativa de compostos contendo grupos absorventes. Algumas moléculas têm a capacidade de absorver partes do espectro eletromagnético na região do ultravioleta e/ou do visível e de transmitir as restantes partes. Os métodos espectroscópicos baseiam se na absorção e/ou emissão de radiação eletromagnética por essas moléculas, levando a que os seus eletrões se movimentam entre níveis de energia diferentes. A espectrofotometria baseia se na absorção da radiação de comprimentos de onda na região do ultravioleta e do infravermelho do espectro eletromagnético. As cores das soluções resultam da combinação das partes que não foram absorvidas Muito sucintamente, esta absorção de radiação/cor resulta da presença de cromóforos que podem ser: Moléculas, em geral orgânicas, cujas estruturas têm componentes com capacidade de absorver partes da radiação visível. Iões complexos de determinados metais de transição, cuja estrutura eletrónica permite que se dêem, por exemplo, as transições d d, que de um modo geral, correspondem a absorção na região visível. Página 1 de 7

2 A absorção molecular compreende três tipos de energia: rotacional (E r ), vibracional (E v ) e eletrônica (E e ) Et Er Ev Ee E r associada a rotação da molécula em torno do seu núcleo de gravidade ocorrem em regiões de baixa energia (microondas e I.V.). A energia não é suficiente para provocar outros tipos de transição E v associada a vibração dos átomos na molécula, ocorrem na região do I.V. e são sempre acompanhadas de transições rotacionais E e associada a distribuição dos eletrões em torno do núcleo do átomo ocorrem nas regiões entre 110 e 750 nm. São sempre acompanhadas das outras transições Sempre que uma solução for corada o da radiação absorvida estará entre 380 e 780 nm. Um espectrofotómetro é um aparelho que faz passar um feixe de luz monocromática através de uma solução, e mede a quantidade de luz que foi absorvida por essa solução. Usando um prisma o aparelho separa a luz em feixes com diferentes comprimentos de onda. Podese assim fazer passar através da amostra um feixe de luz monocromática (de um único comprimento de onda, ou quase). O espectrofotómetro permite nos saber que quantidade de luz é absorvida a cada comprimento de onda. Página 2 de 7

3 Espectrofotômetros são instrumentos capazes de registrar dados de absorvância ou transmitância em função do comprimento de onda. Este registro é chamado de espectro de absorção ou de espectro de transmissão, segundo o dado registrado for de absorvância ou transmitância, respetivamente. O espectro de absorção é característico para cada espécie química, sendo possível a identificação de uma espécie química por seu espectro de absorção. FONTES DE RADIAÇÃO As fontes de radiação mais comuns baseiam se na incandescência e são muito práticas no infravermelho e no visível, mas devem atuar a temperaturas elevadas na faixa do ultravioleta. As fontes de radiação são constituídas por filamentos de materiais que são excitados por descargas elétricas com elevada voltagem ou aquecimento elétrico. Para que uma fonte de radiação seja considerada de boa qualidade deve: gerar radiação continua, ou seja, emitir todos os comprimentos de onda, dentro da região espectral utilizada; ter intensidade de potência radiante suficiente para permitir a sua deteção pelo sistema detetor da máquina; ser estável, isto é, a potência radiante deve ser constante. Além disso, deve ter vida longa e preço baixo. TIPOS DE FONTES DE RADIAÇÃO Lâmpada de filamento de tungstênio: incandescente, produz emissão continua na faixa e 320 a 2500nm. O invólucro de vidro absorve toda radiação abaixo de 320nm, limitando o uso da lâmpada para o visível e infravermelho. Lâmpada de quartzo iodo: incandescente, o invólucro de quartzo emite radiação de 200 a 3000nm. Sua vantagem é que pode atuar na região do ultravioleta. Lâmpada de descarga de hidrogênio ou de deutério: é a mais usada para emissão de radiação ultravioleta. Consiste em um par de elétrodos fechados em um tubo de quartzo ou vidro, com janela de quartzo, preenchido com gás hidrogênio ou deutério. Aplicando alta voltagem, produz se uma descarga de eletrões que excitam outros eletrões gasosos a altos níveis energéticos. Quando os eletrões voltam a seus estados fundamentais, emitem radiação contínua de 180 a 370nm. Lâmpada de cátodo oco: tipo especial de fonte de linha. É preenchida com um gás nobre, a fim de manter uma descarga de arco. O cátodo tem a forma de um cilindro oco, fechado em uma extremidade, revestido com o metal cujas linhas espectrais se desejam obter. O ânodo é um fio reto ao lado do cátodo. A energia do arco causa ejeção dos átomos metálicos do revestimento do cátodo os quais, excitados, emitem os seus espectros característicos. Laser: pelo processo de emissão estimulada, os lasers produzem uma enxurrada de feixes muito estreitos e intensos de radiação. Todas as ondas procedentes ao material emissor estão em fase entre si, e, por isso, praticamente não apresenta dispersão quando se propaga. Isso permite uma concentração de energia num ponto muito pequeno, mesmo que esteja numa distância considerável. Página 3 de 7

4 A característica mais importante dos espectrofotômetros é a seleção de radiações monocromáticas, o que possibilita inúmeras determinações quantitativas regidas pela Lei de Beer. Quando a região espectral usada é a ultravioleta/visível, são necessários componentes óticos de quartzo e detetores altamente sensíveis capazes de detetar radiações nessa extensa faixa espectral em que atua o instrumento. Os espectrofotômetros, em geral, contêm cinco componentes principais: fontes de radiação, monocromador, recipientes para conter as soluções, detetores e indicadores de sinal. Uma vez que diferentes substâncias têm diferentes padrões de absorção, a espectrofotometria permite nos, por exemplo, identificar substâncias com base no seu espectro. Permite também quantificá las, uma vez que a quantidade de luz absorvida está relacionada com a concentração da substância, o A figura ao lado mostra um feixe de luz monocromática, de intensidade P, dirigido para a amostra em solução. Se houver absorção o feixe deixa a amostra com uma intensidade P (os processos de reflexão e de dispersão também contribuem para diminuir a intensidade da luz emergente P ). A quantidade de radiação absorvida pode medir se de vários modos: 0 P Transmitância : T %Transmitância : %T 100T P 0 P Absorvância : A log A log log log 10%T P T %T A equação A2 log 10%Tpermite calcular a absorvância a partir da transmitância. O diagrama a seguir ilustra a relação entre a absorvância e a transmitância. Se a radiação atravessa a solução sem haver absorção, então a absorvância desta é 0 e a percentagem de transmitância é de 100 %. Se toda a radiação é absorvida, a % de transmitância é 0 e a absorção é infinita. LEI DE BEER LAMBERT A relação entre a intensidade da cor de uma solução e a concentração dessa solução ( isto é, a concentração da espécie absorvente) é dada pela expressão: A Absorvância (sem unidades); Aεlc ε coeficiente de absortividade molar (cm 1 mol 1 dm 3 ); l percurso optico (espessura da célula em que está contida a amostra (cm)); c concentração do composto em solução (mol/dm 3 ) Página 4 de 7

5 A linearidade entre a absorção e a concentração, equacionada na Lei de Beer Lambert, é limitada por fatores químicos e instrumentais. Algumas das causas da não linearidade são: Desvios nos coeficientes de absortividade molar para concentrações elevadas (>0,01 M), devidos a interações eletrostáticas entre moléculas muito próximas ; Dispersão da radiação devido à presença de partículas na solução (turbidez); Fluorescência ou fosforescência da amostra; Alterações do índice de refração para concentrações elevadas de espécies absorvente; Alterações do equilíbrio em função da concentração das diferentes espécies em solução; Radiação não monocromática; estes desvios podem ser minimizados usando absorção nos máximos de absorção das bandas dos espectros; A COR E A COMPOSIÇÃO QUANTITATIVA DE SOLUÇÕES O BRANCO Em aplicações analíticas, na maioria das vezes, o que se pretende é medir a concentração de uma amostra (um analito), independentemente de efeitos de reflexão ou de outro tipo de interferência, sem a preocupação com a absorção do próprio solvente. Na 1ª parte da figura, considera se apenas o solvente (a intensidade da radiação após atravessar o solvente e a célula contentora) e na 2ª parte já se considera também a amostra nesse solvente (a intensidade da radiação medida após atravessar a amostra dissolvida no solvente, o solvente e a célula contentora). O método de ter em conta os dados referentes à 1ª leitura depende do tipo de equipamento, mas esses dados terão sempre de ser considerados, para que a intensidade da radiação transmitida que se mede possa ser atribuída apenas ao analito. Isto é, tem sempre que se considerar um branco, ou seja a absorção de tudo o que não é o analito A RETA DE CALIBRAÇÃO (OU CURVA) A concentração desconhecida de um analito pode ser determinada medindo a quantidade de radiação que a amostra absorve aplicando a Lei de Beer Lambert. E se o coeficiente de absortividade não for conhecido, aquela concentração desconhecida pode ser determinada usando uma reta (também chamada curva) de calibração, isto é uma reta construída a partir das absorvâncias, a um dado comprimento de onda, de várias soluções padrão, que contenham o analito absorvente, que represente a relação linear entre a absorvância e a concentração. NOTA Na reta de calibração tem de se verificar a linearidade da Lei de Beer Lambert. Se os valores de concentração se situarem fora da zona de linearidade, haverá que diluir as soluções. Página 5 de 7

6 AS CUVETES Existem vários tipos de cuvetes feitas de material diferentes (quartzo, vidro e plástico), utilizadas na medição da absorvância ou da transmitância. Estas cuvetes apresentam diferentes transparência a diferentes comprimentos de onda o que lhes confere diferentes aplicabilidades. São usados como recipientes cubas ou cuvetes retangulares de vidro ou quartzo. As cuvetes de vidro são usadas quando se trabalha na região do visível. Para a região do ultravioleta, devem se usar as cuvetes de quartzo, que são transparentes à radiação ultravioleta, pois o vidro absorve a mesma. Uma cuvete ideal deve ser de 1 cm, para simplificar os cálculos da expressão da Lei de Beer. As cuvetes também podem ter dimensões diferentes, e esse dado deve ser considerado na hora do cálculo. Para aplicações industriais, como, por exemplo, no controle de qualidade de lotes de produção, utiliza se um sistema automatizado em que as amostras circulam em série em cuvetes adequadas. Esse sistema é chamado de análise por injeção de fluxo ou FIA (do inglês Flow Injection Analysis) Assim: Material Transparência (nm) Aplicabilidade Quartzo UV, visível Vidro Visível Plástico Visível 1 cm TIPOS DE ESPECTROFOTÔMETROS PARA REGIÃO VISÍVEL E ULTRAVIOLETA Os espectrofotômetros variam em sua complexidade e desempenho. Existem modelos simples e mais sofisticados, equipados com softwares especiais de acordo com a necessidade industrial. Os componentes dos espectrofotômetros estão relacionados com a faixa do comprimento de onda, a exatidão e a precisão requeridos para as análises. Podem ser de dois tipos: espectrofotômetros mono feixe; espectrofotômetros duplo feixe. Página 6 de 7

7 Espectrofotômetros mono feixe: ajusta se a transmitância em 0%, fechando o obturador entre a fonte de radiação e o detetor. Após ocorre o ajuste de transmitância em 100%. Coloca se o solvente (branco) no caminho ótico, abre se o obturador e varia se a intensidade da radiação até que o sinal seja de 100% de transmitância. Então substitui se o recipiente com solvente pelo recipiente com a amostra e o percentual de transmitância da mesma é lido no indicador de sinal. Espectrofotômetros de duplo feixe: dois feixes de radiação são formados no espaço. Um feixe passa pela solução de referência (branco) até o transdutor e o segundo feixe, ao mesmo tempo, passa através da amostra até o segundo transdutor. Nos espectrofotômetros deste tipo o ajuste do 0% é feito com a interrupção de radiação nos dois feixes e o 100% de transmitância é ajustado com o solvente (branco) colocado no caminho ótico dos dois feixes. PROCEDIMENTOS ANALÍTICOS EM ESPECTROFOTOMETRIA VISÍVEL E ULTRAVIOLETA Análise qualitativa: pela analise da absorvância é possível determinar qual espécie química que esta presente na amostra. Também é possível detetar contaminações ou processos de decomposição de matérias primas pela comparação dos espectros de absorção da matéria e do padrão da mesma. Análise quantitativa: a condição essencial para qualquer determinação por espectrofotometria no visível e ultravioleta é a observação da lei de Beer. Outras condições como ph, técnicas de extração por solventes, ajuste do estado de oxidação, remoção prévia dos interferentes, controle da força iônica do meio, e as variações das temperaturas também são observadas. O Professor: Henrique Manuel Dias Gonçalves Página 7 de 7