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Universidade Federal de São CarlosUniversidade Federal de São CarlosCentro de Ciências Exatas e SustentabilidadeCentro de Ciências Exatas e Sustentabilidade
Pós-Graduação em Ciências dos MateriaisPós-Graduação em Ciências dos Materiais
Espectroscopia de Absorção no UV-vis Espectroscopia de Absorção no UV-vis e Espectroscopia de Fluorescênciae Espectroscopia de Fluorescência
Tamyris Paschoal PereiraProfª. Drª. Marystela Ferreira
Prof.Dr. Antonio Rui
Novembro de 2013
Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia
• Medidas baseada na luz e na radiação eletromagnética;
Luz Incidente Luz Incidente Luz TransmitidaLuz Transmitida
Luz Absorvida Luz Absorvida
Figura 1 – Feixe de luz incidente e transmitido.
Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia
• Onda EletromagnéticaOnda Eletromagnética
Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia
Figura 2 – Representação de uma onda eletromagnética.
• Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética
Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia
• Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética
Energia de um fóton é diretamente proporcional Energia de um fóton é diretamente proporcional a sua frequência.a sua frequência.
E = E = hhυυ = = hhc/c/λλ
h=h= constante de Planck constante de Planckλλ= comprimento de onda= comprimento de ondac= concentração da amostrac= concentração da amostra
Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia
Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia• Espectro EletromagnéticoEspectro Eletromagnético
Figura 3 – Espectro Eletromagnético. [6]
• Medidas EspectroscópicasMedidas Espectroscópicas
• AbsorçãoAbsorção• EmissãoEmissão
Interação da Radiação com a MatériaInteração da Radiação com a Matéria
Figura 4 – Métodos de Absorção e Emissão. [6]
• Absorção da RadiaçãoAbsorção da Radiação
Cada espécie molecular é capaz de absorver Cada espécie molecular é capaz de absorver em frequências características da radiação em frequências características da radiação eletromagnética.eletromagnética.
Excitação dos elétrons. Excitação dos elétrons.
Transições eletrônicas, vibracionais e Transições eletrônicas, vibracionais e rotacionais.rotacionais.
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis
• Absorção AtômicaAbsorção Atômica
Feixe de radiação policromática que passa Feixe de radiação policromática que passa através de um meio contendo átomos no estado através de um meio contendo átomos no estado gasoso.gasoso.
Ocorre através da absorção de um fóton por Ocorre através da absorção de um fóton por radiação radiação →→ Transição eletrônicaTransição eletrônica
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis
• Absorção MolecularAbsorção Molecular
Transição EletrônicaTransição EletrônicaMoléculas que Moléculas que
apresentam elétrons apresentam elétrons que podem ser que podem ser
promovidos a níveis promovidos a níveis de energia maiores de energia maiores através da absorção através da absorção
de energia de energia Figura 5 – Transição eletrônica por absorção. [6]
• Absorção MolecularAbsorção Molecular
Transições Vibracionais e Transições Vibracionais e Rotacionais Rotacionais
Níveis discretos de Níveis discretos de energias são absorvidos energias são absorvidos através de vibrações e através de vibrações e rotações das moléculasrotações das moléculas
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis
Figura 6 – Transições Vibracionais e Rotacionais. [6]
Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
Transições Transições
Vibracionais e Vibracionais e
RotacionaisRotacionais
Transições Transições
EletrônicasEletrônicas
Figura 7 – Transição eletrônica, vibracional e rotacional. [6]
Lei de Lambert-BerrLei de Lambert-BerrDeterminação da quantidade de luz absorvida Determinação da quantidade de luz absorvida
pela matéria.pela matéria.
Absorbância = log (PAbsorbância = log (Poo/P) = /P) = εε.b.c.b.c
Limitações da Lei de BeerLimitações da Lei de BeerDesvios reaisDesvios reaisDesvios instrumentaisDesvios instrumentaisDesvios químicosDesvios químicos
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis
• Lei de Beer-LambertLei de Beer-Lambert
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis
Figura 8 – Perdas por reflexão e espalhamento. [2]
• Absorção por Compostos Orgânicos Absorção por Compostos Orgânicos CromóforosCromóforos
Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
Tabela 1 – Classificação de cromóforos [2]
• Absorção por Compostos Inorgânicos Absorção por Compostos Inorgânicos Os íons e os complexos dos elementos de transição,
absorvem as bandas largas da radiação visível em pelo menos um dos seus estados de oxidação e são, coloridos.
• Absorção por Transferência de CargaAbsorção por Transferência de CargaEsse tipo de complexo consiste em um grupo doador
ligado a um receptor de elétron. Quando absorve radiação, um elétron do doador é transferido para um orbital que está altamente relacionado com o receptor.
Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
• Análise Qualitativa - Análise Qualitativa - Soluções DiluídasSoluções DiluídasSolventeSolventePolaridadePolaridadeEfeito da largura da fendaEfeito da largura da fendaEspalhamentoEspalhamento
• Análise Qualitativa Análise Qualitativa Qualquer composto que tenha grupos Qualquer composto que tenha grupos
cromóforos, pode ser determinado por cromóforos, pode ser determinado por espectroscopia.espectroscopia.
Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
• Espectros de AbsorçãoEspectros de Absorção
Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
Figura 9 – Espectro de absorção da clorofila e caratenóides. [6]
• Espectros de AbsorçãoEspectros de Absorção
Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
Figura 10 – Espectros de absorção em diferentes condições. [2]
• A fluorescência ocorre em sistemas químicos, A fluorescência ocorre em sistemas químicos, gasosos, líquidos e sólidos simples e em gasosos, líquidos e sólidos simples e em sistemas complexos.sistemas complexos.
• O fóton absorvido perde energia por inúmeras O fóton absorvido perde energia por inúmeras vibrações microscópicas, vibrações microscópicas,
λλ emissaoemissao>>λλ absorção, absorção,
Deslocamento de Stoke.Deslocamento de Stoke.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
a)a) Estado fundamental Estado fundamental singletesinglete
b)b) Estado excitado Estado excitado singletesinglete
c)c) Estado excitado Estado excitado tripletetriplete
Figura 11 – Estados de singlete, singlete excitado e triplete. [6]
• Emissão por RadiaçãoEmissão por Radiação
Espécie excitada é muito curto e o relaxamento Espécie excitada é muito curto e o relaxamento para o nível de energia menor (estado para o nível de energia menor (estado fundamental), ocorre com liberação do excesso fundamental), ocorre com liberação do excesso de energia na forma de radiação de energia na forma de radiação eletromagnética ou de calor.eletromagnética ou de calor.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Figura 12 – Emissão por radiação. [6]
• Fluorescência AtômicaFluorescência AtômicaQuando um átomo é promovido a um estado Quando um átomo é promovido a um estado
excitado, por meio de uma radiação em um excitado, por meio de uma radiação em um determinado comprimento de onda, a relaxação determinado comprimento de onda, a relaxação pode então ocorrer por reemissão de radiação pode então ocorrer por reemissão de radiação fluorescente de comprimento de onda idêntico.fluorescente de comprimento de onda idêntico.
Se os comprimentos de onda de excitação e de Se os comprimentos de onda de excitação e de emissão são os mesmos, a emissão resultante é emissão são os mesmos, a emissão resultante é chamada de chamada de fluorescência ressonantefluorescência ressonante.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
• Fluorescência MolecularFluorescência Molecular
Relaxação não-radioativaRelaxação não-radioativaDesativação vibracional ocorre devido a colisões.Desativação vibracional ocorre devido a colisões.
Emissão por FluorescênciaEmissão por FluorescênciaEstruturas características que diminuam a Estruturas características que diminuam a
velocidade dos processos de relaxação não-velocidade dos processos de relaxação não-radioativos e que tenha maior velocidade de radioativos e que tenha maior velocidade de relaxação por fluorescência.relaxação por fluorescência.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Figura 13 – Processos de absorção, relaxação e fluorescência. [6]
• Fluorescência e EstruturaFluorescência e Estrutura
Compostos que contenham anéis aromáticos, Compostos que contenham anéis aromáticos, carbonílicos alicíclicos e alifáticos, estruturas de carbonílicos alicíclicos e alifáticos, estruturas de ligações duplas conjugadas e heterocíclicos.ligações duplas conjugadas e heterocíclicos.
Ocorrência de deslocamentos no comprimento Ocorrência de deslocamentos no comprimento de onda de absorção e alterações nos picos de de onda de absorção e alterações nos picos de fluorescência.fluorescência.
Afeta a eficiência da fluorescência.Afeta a eficiência da fluorescência.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Fluoresceína
Não apresentam Não apresentam fluorescênciafluorescência
Apresentam Apresentam fluorescênciafluorescência
Fonte das imagens: [2]
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Fonte da imagem: [7]
• Efeito da Rigidez EstruturalEfeito da Rigidez Estrutural Moléculas rígidas tendem a fluorescer.Moléculas rígidas tendem a fluorescer.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Apresenta fraca Apresenta fraca fluorescênciafluorescência
Apresenta forteApresenta fortefluorescênciafluorescência
Fonte das imagens: [2]
• Efeito do Solvente e da TemperaturaEfeito do Solvente e da Temperatura
A eficiência quântica diminui com o aumento da A eficiência quântica diminui com o aumento da temperaturatemperatura por causa do aumento da frequência por causa do aumento da frequência das colisões ocasionando conversões externas.das colisões ocasionando conversões externas.
A fluorescência é diminuída por solventes A fluorescência é diminuída por solventes contendo contendo átomos pesados.átomos pesados.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
• Efeitos do pHEfeitos do pHEspécies de ressonância que estão relacionadas Espécies de ressonância que estão relacionadas
às formas ácidas e básicas das moléculas.às formas ácidas e básicas das moléculas.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Apresentam Apresentam fluorescênciafluorescência
Não apresentam Não apresentam fluorescênciafluorescência
Fonte da imagem: [2]
• Efeito da ConcentraçãoEfeito da ConcentraçãoUm gráfico de potência de fluorescência de uma Um gráfico de potência de fluorescência de uma
solução solução versusversus a concentração das espécies a concentração das espécies emissoras deve ser linear para baixas emissoras deve ser linear para baixas concentrações. concentrações.
• Desvio de LinearidadeDesvio de Linearidade Concentração das moléculas emissores forem Concentração das moléculas emissores forem
grandes e a absortividade > 0,05 grandes e a absortividade > 0,05 →→ perca de perca de linearidade. linearidade.
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
• Desvio de LinearidadeDesvio de LinearidadeDesvios negativos na linearidade.Desvios negativos na linearidade.
Auto-supressãoAuto-supressãoColisões entre moléculas excitadas provocam a Colisões entre moléculas excitadas provocam a
transferência de energia não-radiativa.transferência de energia não-radiativa.
Absorção secundáriaAbsorção secundáriaOcorre quando Ocorre quando λλemissãoemissão coincide com algum coincide com algum
λλabsorçãoabsorção..
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
• Espectro de Emissão e ExcitaçãoEspectro de Emissão e Excitação
Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência
Figura 14 – Espectro de Excitação (a) e Emissão (b). [2]
Fonte de radiaçãoFonte de radiaçãoLâmpadas de tungstênio, deutério e xenônio.Lâmpadas de tungstênio, deutério e xenônio.
MonocromadorMonocromadorIsola a banda de comprimento de onda desejada - Isola a banda de comprimento de onda desejada -
somente essa banda de interesse é detectada e somente essa banda de interesse é detectada e medida.medida.
Recipiente de amostrasRecipiente de amostras Cubetas de quartzo.Cubetas de quartzo.
Componentes de um Componentes de um EspectrofotômetroEspectrofotômetro
Figura 15 – Cubeta de Quartzo. [7]
Componentes de um Componentes de um EspectrofotômetroEspectrofotômetro
DetectorDetector• Um detector produz um sinal elétrico quando é Um detector produz um sinal elétrico quando é
atingido por fótons. atingido por fótons.
• A resposta de um detector é a função do A resposta de um detector é a função do comprimento de onda da radiação incidente.comprimento de onda da radiação incidente.
• A informação de interesse é codificada e A informação de interesse é codificada e processada como um sinal elétrico.processada como um sinal elétrico.
Componentes de um Componentes de um EspectrofotômetroEspectrofotômetro
Detector Detector • Tipos de DetectorTipos de Detector
• TransdutorTransdutor = um tipo de detector que converte = um tipo de detector que converte quantidades, como a intensidade da luz, pH, quantidades, como a intensidade da luz, pH, massa e temperatura em sinais elétricos.massa e temperatura em sinais elétricos.
FotoemissãoFotoemissão FotoconduçãoFotocondução
Componentes de um Componentes de um EspectrofotômetroEspectrofotômetro
Detector Detector • Tipos de DetectorTipos de Detector
• Os tipos de detectores de fótons mais usados Os tipos de detectores de fótons mais usados são:são:
• FototubosFototubos• FotomultiplicadoresFotomultiplicadores
• Fotodiodos de silício Fotodiodos de silício • Arranjo de fotodiodosArranjo de fotodiodos
Componentes de um Componentes de um EspectrofotômetroEspectrofotômetro
Medidas de
Medidas de
Absorbância
Absorbância
Medidas de
Medidas de Fluorescência
Fluorescência
Fonte das imagens: [2]
Instrumentos para UV-VisInstrumentos para UV-Vis
Feixe únicoFeixe único
Feixe DuploFeixe Duplo
Fonte da imagem: [2]
Instrumentos para FluorímetroInstrumentos para Fluorímetro
Figura 16 – Instrumento usado para Espectroscopia de Fluorescência. [2]
• Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
As técnicas de espectrofotometria são muito As técnicas de espectrofotometria são muito eficientes e úteis, pois apresenta aplicabilidade eficientes e úteis, pois apresenta aplicabilidade ampla, alta sensibilidade, seletividade entre ampla, alta sensibilidade, seletividade entre moderada e alta, baixa exatidão, facilidade e moderada e alta, baixa exatidão, facilidade e conveniência.conveniência.
A espectroscopia de absorção de UV-Vis é uma A espectroscopia de absorção de UV-Vis é uma das ferramentas mais utilizadas para análises das ferramentas mais utilizadas para análises quantitativas e qualitativas.quantitativas e qualitativas.
AplicaçõesAplicações
• Espectroscopia de FluorescênciaEspectroscopia de Fluorescência Muito se tem utilizado a técnica na identificação de Muito se tem utilizado a técnica na identificação de
derramamentos de petróleo. derramamentos de petróleo.
São usados também para estudar equilíbrios São usados também para estudar equilíbrios químicos e cinéticos. químicos e cinéticos.
Soluções de pequenas concentrações também Soluções de pequenas concentrações também são possíveis de serem estudadas através da são possíveis de serem estudadas através da fluorescência, pois é um método bastante sensível.fluorescência, pois é um método bastante sensível.
AplicaçõesAplicações
[1] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. WEST, D.M[1] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. WEST, D.M. . Fundamentos de Química Analítica.Fundamentos de Química Analítica. 6ª edição. São Paulo: Editora 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p.Bookman, 2009. 1055p.[2] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. [2] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. Princípios de Análise Princípios de Análise Instrumental.Instrumental. 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p. 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p.[3] HARRIS, C.D[3] HARRIS, C.D. Análise Química Quantitativa. Análise Química Quantitativa. 6ª edição. Rio de . 6ª edição. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2005. 876 p. Janeiro: Editora LTC, 2005. 876 p. [4] SANTOS, N.D. NEVES, N.G. BRANCO, C.N.R. [4] SANTOS, N.D. NEVES, N.G. BRANCO, C.N.R. Espectroscopia na Espectroscopia na região do ultravioleta/visívelregião do ultravioleta/visível. Universidade Federal do Pará. Belém: 2010. . Universidade Federal do Pará. Belém: 2010. 26p.26p.[5] Disponível em [5] Disponível em http://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.htmlhttp://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.html acessado acessado em 19/11/2013.em 19/11/2013.[6] JULIANO, F. V. Introdução aos Métodos Espectroanalíticos II.[6] JULIANO, F. V. Introdução aos Métodos Espectroanalíticos II.[7] Disponível em <[7] Disponível em < http://www.caseanalitica.com.br/cubetas.php http://www.caseanalitica.com.br/cubetas.php>
Referências BibliográficasReferências Bibliográficas