ANALÍTICA AVANÇADA 2S Prof. Rafael Sousa. Notas de aula:

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1 ANALÍTICA AVANÇADA 2S 2011 Aula 6 Espectrofotometria no UV-VisVis FLUORESCÊNCIA MOLECULAR Prof. Rafael Sousa Departamento de Química - ICE rafael.arromba@ufjf.edu.br Notas de aula:

2 Luminescência xfluorescência Molecular Sal cozinha Espectro de emissão obtido para uma amostra de sal de cozinha 2

3 Perfil dos espectros de emissão Espécies atômicas (gasoso) Espectro de linhas H Hg Ne Espécies moleculares (líquido, sólido ou gasoso) Espectro de bandas Um espectro de emissão contínuas de bandas é constituído por muitas linhas próximas que são muito difíceis de serem resolvidas Um espectro de emissão (que pode ser de fluorescência) está intimamente relacionado com a composição da amostra (desde que as espécies emitam) 3

4 Perfil dos espectros de emissão SÓLIDOS AQUECIDOS DÃO ORIGEM A ESPECTROS DE EMISSÃO CONTÍNUOS: Fenômeno radiativo do corpo negro As emissões observadas devem-se mais à temperatura aplicada do que à composição dos materiais 4

5 Característica dos espectros de emissão POTÊNCIA DA RADIAÇÃO EMITIDA É PROPORCIONAL À CONCENTRAÇÃO DAS ESPÉCIES QUE EMITEM P = kc Princípio da análise quantitativa Tinta branca com 0,2 % m/v de branqueador óptico Tinta branca com 0,4 % m/v de branqueador óptico 5

6 TIPOS DE Luminescência Molecular 6

7 Sistemas Luminescentes Fotoluminescência Fluorescênciae a fosforescência: processos de excitação similares (absorção de fótons) MAS com decaimentos diferentes Quimiluminescência Emissão de luz formada no decorrer de uma reação química 7

8 ENTENDENDO a Fotoluminescência Absorção: a s Fluorescência: 10-5 a 10-8 s Fosforescência: 10-4 a 10 s Fluorescência Fosforescência Estado Fundamental Estado Excitado Singleto Estado Excitado Tripleto Transições eletrônicas permitidas Regras de seleção (Quântica) 8

9 A molécula pode voltar ao seu estado fundamental por uma combinação de várias etapas (processos de desativação): Processos radiativos Fluorescência RELEVÂNCIA ANALÍTICA Fosforescência Processos não radiativos (aumento T do solvente) Relaxação vibracional Conversão interna Conversão externa (colisões) 9

10 DETALHANDO a Fotoluminescência Pode ocorrer em sistemas químicos gasosos, líquidos e sólidos TIPOS: Fluorescência de ressonância: λ emis = λ abs (mais observada mais para espécies atômicas que moleculares) 10

11 DETALHANDO a Fotoluminescência Fluorescência com deslocamento Stokes: λ emis> λ abs(fóton absorvido perde energia por inúmeras vibrações microscópicas) Existem semelhanças entre os espectros de excitação e o de absorção ( imagens especulares ) Ex.: Quinina,, tanto a absorção em 250 nmquanto em 350 nmresultam na emissão em 450 nm.: Quinina 11

12 FOTOLUMINESCÊNCIA EM DIAGRAMAS DE ENERGIA (Diagrama de Jablonski): 12

13 Diagrama de Jablonski Simplificado - Overlap de níveis eletrônicos - Não há mudança de spin - Overlap de níveis eletrônicos - Há mudança de spin 13

14 Outroex. (emissão emissãonãoressonante): Fenantreno: T 1 S 0 lenta s (fosforescência) 14

15 DETALHANDOa a Fotoluminescência Fatores que afetam a fluorescência Estrutura molecular conjugação, rigidez,... Ambiente químico Concentração, ph, viscosidade, presença de O 2 Temperatura 15

16 Ex.: Fluorescência e Estrutura A substituição em anéis aromáticos afeta a intensidade relativa de fluorescência e os valores dos λmax de absorção/emissão 16

17 Ex.: Fluorescência e Estrutura Empiricamente, observa-se que a rigidezda estrutura favorece a fluorescência. Bifenil, Φ 0,2 Fluoreno, Φ 1 Φ Zn-complexo >>> Φ hidroxiquinolina Rigidez diminui a velocidade da relaxação não radiativa 17

18 Ex.: Fluorescência e Estrutura Estruturas aromáticas condensadas e/ou com alto grau de conjugação apresentam alta eficiência quântica Heterocíclicos: não fluorescem Heterocíclicos condensados fluorescem 18

19 Sobre os outros farores que afetam: Solvente e Temperatura Aumento de T ou diminuição de viscosidadedo solvente levam a um aumento no número de colisões e portanto aumenta a probabilidade de conversão externas (supressão colisional), diminuindo a eficiência da fluorescência ph A fluorescência de compostos aromáticos com funcionalidades ácidas ou básicas apresenta forte dependência com o ph. Ex.: anilina/anilínio e fenol/fenolato 19

20 Sobre os outros farores que afetam: Oxigênio dissolvido Oxigênio e outras espécies paramagnéticas tendem a diminuir a fluorescência pelo aumento do cruzamento intersistemas(fosforescência) Também é possível a oxidação da espécie fluorescente Outras moléculas em solução Moléculas com átomos pesados (tetrabrometo de carbono e iodeto de etila) aumentam a velocidade de inversão de spin 20

21 Característica da Moléculas Luminescêntes Rendimento quântico ou eficiência quântica Φ: É a razão entre o número de moléculas luminescentes e o número total de moléculas excitadas 21

22 Intensidade de Fluorescência econcentração A fluorescência é diretamente proporcional a concentração da espécie fluorescente, desde que em baixas concentrações (A < 0,05) F = K.c Desvios da linearidade: Altas concentrações -Auto-supressão (quenching) - Auto-absorção 22

23 Intensidade de Fluorescência econcentração 23

24 Fluorescência e Análise Química Métodos diretos: ANALITO + COMPLEXANTE COMPLEXO FLUORESCENTE Métodos indiretos: ANALITO fluorecente + REAGENTE PRODUTO menos FLUORESCENTE Aplicações para compostos orgânicos e inorgânicos: Determinações inorgânicas: COMPLEMENTA a espectrofotometria no UV-Vispois a maioria dos metais de transição geralmente não foram complexos fluorescentes (decaimento não radiativo muito eficiente), enquanto os outros metais podem formar produtos fluorescentes 24

25 Fluorescência e Análise Química Alguns exemplos 25

26 Fluorescência e Análise Química Aplicações: Determinações orgânicas: : PRINCIPAL APLICAÇÃO Ácidos nucleicos, alcalóides, aminoácidos, coenzimas, esteróis, fármacos,, flavonóides, metabólitos, porfirinas, proteínas, vitaminas,... Na detecção de de cromatógrafose equipamentos de eletroforese capilar favorecendo a obtenção de LDsde 10-9 a mol L - 1! 26

27 Instrumentação: Esquema Geral Os componentes dos instrumentos para medir a fotoluminescência são similares aos encontrados nos fotômetros e espectrofotômetros UV/Vis MAS a fonte de radiação necessita ser mais intensa que MAS a fonte de radiação necessita ser aquelas utilizadas na absorção molecular arco de mercúrio arco de xenônio-mercúrio lasers A maioria dos equipamentos emprega a ótica de duplo feixe para compensar flutuações na potência da fonte Espectrofluorímetros corrigidos 27

28 Instrumentação: Esquema Geral Componentes similaresa a um UV-VisVis Detector a 90 o em relação ao feixe incidente Observa-se ambos os espectrosde excitaçãoe emissão 28

29 Componentes da Instrumentação Fontes de radiação - Lâmpadas - Lasers (sensibilidade) Xenônio Xenônio: produz um espectro continuo entre 250 e 600 nm tendo um máximoa470nm Espectro de emissão de uma lâmpada de Xenônio 29

30 Componentes da Instrumentação Fontes de radiação Mercúrio: -Altas pressão: máximos em365, 398 nm,, nm. -Baixa pressão: máximo em254nm. Espectro de emissão de uma lâmpada de Mercúrio de alta pressão 30

31 Componentes da Instrumentação Filtros e monocromadores Fluorímetros x Espectrofluorímetros Detectores (transdutores) Fotomultiplicadoras Arranjo de diodos... 31

32 Metodologias: Absorção vsemissão Método Limitede detecção (mol L - 1 ) Custo Vantagem UV-Vis Vis 10-5 a 10-8 Fluorescência 10-7 a 10-9 universal Gama seleta de espécies 32

33 Para responder na aula 6.1)Que fatores físicos levam uma espécie química (atômica ou molecular) emitir radiação? 6.2)Por que a fluorescência é mais utilizada na análise química do que a fosforecência? 6.3)O O comprimento de onda de fluorescência é, exceto na emissão de ressonância, sempre maior que o de excitação (ou de absorção)? 33

34 Bibliografia consultada Análise Instrumental F Cienfuegos, D Vaitsman; 2000 Vogel-Análise Química Quantitativa GH Jeffrey e col., 6 a ed., Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002 Principles ofinstrumental Analysis DA Skoog, FL Holler, TA Nieman; 5 th ed., 1998 Análise Química Quantitativa D. Harris; 7 a ed., 2008 Tutoriais de fabricantes de espectrofotômetros Slides didáticos fornecidos pelo Prof. Dr. Renato Rosseto(UFG) 34