Desenvolvimento de um fotômetro LED-Vis portátil.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARABA

CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA NATUREZA

DEPARTAMENTO DE QUMICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e

microcontrolado por Arduino

Aline Santos de Pontes

Joo Pessoa PB Brasil Abril/2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARABA

CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA NATUREZA

DEPARTAMENTO DE QUMICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e

microcontrolado por Arduino

Aline Santos de Pontes*

Dissertao apresentada ao programa de Ps-

Graduao em Qumica da Universidade Federal da

Paraba como parte dos requesitos para obteno do

ttulo de Mestre em Qumica, rea de concentrao

de Qumica Analtica

Orientador: Prof. Dr. Edvan Cirino da Silva

*Bolsista do Conselho Nacional de desenvolvimento Cientfico e tecnolgico

Joo Pessoa PB Brasil Abril/2014

P814d Pontes, Aline Santos de.

Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e microcontrolado por Arduino / Aline Santos de Pontes.- Joo Pessoa, 2014.

76f. : il.

Orientador: Edvan Cirino da Silva

Dissertao (Mestrado) UFPB/CCEN 1. Qumica analtica. 2. Fotmetro de LED-RGB.

3.Microcontrolador Arduino. 4. Corante alimentcio. 5.Permanganato de potssio.

UFPB/BC CDU: 543(043)

Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e microcontrolado por Arduino

Dissertao de Mestrado de Aline Santos de Pontes aprovada pela banca examinadora em 28 de abril de 2014:

Aos meus pais, Adilson e Ftima.

Aos meus irmos, Adilson Filho, Thereza Klein, Wellando e Cristiane,

Ao meu Pai celestial pelo amor incondicional,

com muito carinho, dedico.

AGRADECIMENTOS

Ao meu amado pai Celestial, Deus;

Aos meus pais Adilson Dias de Pontes e Maria de Ftima Santos pelo

apoio, carinho, cuidado, amor e incentivo em todos os momentos;

Ao professor Edvan Cirino da Silva, pela orientao e confiana

durante toda iniciao cientifica e mestrado;

Ao professor Mrio Csar Ugulino de Arajo, pelos ensinamentos,

confiana e sugestes;

A amiga Ftima Sanches, pela relevante contribuio para a

dissertao de Mestrado;

A Julys Pablo pela ajuda no desenvolvimento da programao do

Arduino.

Aos amigos Wellington, Renato, Urijatan, Daniel, Flaviano, David

Harding, Mayara, Marcelo Batista e a todos do LAQA, que de alguma

forma contriburam para a realizao deste trabalho.

E ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico,

CNPQ, pela bolsa concedida;

SUMRIO

Lista de Figuras ............................................................................... vii

Lista de Tabelas ................................................................................ x

Lista de Siglas e Abreviaturas ........................................................... xii

Resumo ......................................................................................... xiii

Abstract ........................................................................................ xiv

Captulo 1 - Introduo .................................................................. ...1

1.1 Contextualizao ...................................................................... 2

1.2 Objetivos ................................................................................. 3

1.2.1 Objetivo geral ..................................................................... 3

1.2.2 Objetivos especficos ........................................................... 3

1.3 O espectro eletromagntico e a luz visvel ................................... 4

1.3.1 Interao luz-objeto e cores complementares ......................... 5

1.4 Espectrometria de absoro molecular UV-Vis .............................. 7

1.4.1 A lei de Beer e a anlise quantitativa ..................................... 8

1.4.2 Instrumentao .................................................................. 9

1.5 Diodos emissores de luz (LEDs) ................................................. 10

1.5.1 Vantagens do uso de LEDS .................................................. 13

1.6 Instrumentao a base de LEDs ................................................ 15

1.7 Arduino .................................................................................. 19

1.7.1 Ambiente de desenvolvimento integrado ao hardware do Arduino. ...................................................................................... 21

1.8 Caractersticas do corante alimentcioamarelo crepsculo ............. 22

1.9 Caracterstica do permanganato de potssio ............................... 24

Captulo 2 - Parte Experimental ......................................................... 25

2.1 Reagentes, solues e amostras ................................................ 26

2.2 Material e equipamentos .......................................................... 28

2.3 Desenvolvimento do fotmetro ................................................. 29

2.3.1 Fonte de radiao .............................................................. 29

2.3.2 Fototransdutor ................................................................... 31

2.3.3 Suporte para clula de medida ............................................. 32

2.3.4 Plataforma Arduino UNO ..................................................... 33

2.3.5 Circuito externo acoplado ao Arduino para o desenvolvimento do fotmetro LED-Vis ........................................................................ 34

2.3.6 Interface da execuo dos comandos para a gerao da resposta intrumental do fotometro desenvolvido ........................................... 35

2.4 O sistema contendo o instrumento proposto ............................... 37

2.5 Estratgia para aplicao do fotmetro proposto ......................... 38

2.6 Avaliao do desempenho do instrumento analtico proposto ........ 39

2.6.1 Estabilidade da fonte de radiao(LED) ................................. 39

2.6.2 Parmetro de validao da curva analtica ............................ 39

2.6.2.1 Linearidade da curva analtica..................................... 39

2.6.2.2 Funo da resposta(grfico analtico) .......................... 40

2.6.2.3 Sensibilidade ............................................................ 40

2.6.2.4 Preciso ................................................................... 41

2.6.2.5 Limite de deteco(LOD)/quantidade(LOQ) .................. 41

2.6.2.6 Desvio padro conjunto ............................................. 42

2.6.2.7 Teste de recuperao ................................................ 42

2.6.3 Procedimento e tratamentos estatsticos da curva analtica ...... 43

2.6.4 Testes estatsticos para validao dos resultados analticos ..... 45

2.6.4.1 Aplicao do teste t emparelhado baseado no teste de hipteses .................................................................................... 45

2.6.4.2 Aplicao do teste t emparelhado baseado no conceito de intervalo de confiana ................................................................... 46

Captulo 3 - Resultados e Discusso ................................................... 47

3.1 Avaliao do desempenho do instrumento analtico proposto e tratamento estatsticos da curva analtica ........................................ 48

3.1.1 Estabildade da fonte ........................................................... 48

3.1.2 Faixa de trabalho, obteno e validao da curva analtica ...... 48

3.1.2.1 Faixa de trabalho do amarelo crepsculo ..................... 48

3.1.2.1.1 Caracterstica do desempenho analtico para do corante AC .............................................................................................. 54

3.1.2.2 Faixa de trabalho do Permanganato de potssio ............ 54

3.1.2.2.1 Caracterstica do desempenho analtico para o permanganato ............................................................................. 59

3.2 Aplicaes analticas do sistema proposto ................................... 60

3.2.1 Determinao analtica do corante amarelo crepsculo em refrigerantes e bebidas energticas ................................................ 60

3.2.1.1 Teste de Recuperao do AC ...................................... 62

3.2.2 Determinao analtica do permanganato de potssio em medicamentos ............................................................................. 63

3.2.2.1 Teste de recuperao do permanganato ....................... 66

Captulo 4 - Concluses .................................................................... 67

4.1 Concluso ............................................................................... 68

4.2 Proposta futura ....................................................................... 69

Captulo 5 - Referncias ................................................................... 70

5.1 Referncias ............................................................................. 70

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Espectro eletromagntico destacando a regio da luz visvel. 4

Figura 1.2 Radiao absorvente a e cor complementar. ...................... 5

Figura 1.3 Intensidade da luz emergente (I0) transmitida (I) aps

passar por uma cubeta contendo uma soluo absorvente com o caminho

ptico b. .......................................................................................... 8

Figura1.4 Uma foto esquemtico dos constituintes e do funcionamento

de um LED comum. ......................................................................... 11

Figura 1.5 Espectros de emisso tpicos de uma seleo de LEDs,

comercialmente disponvel, na faixa espectral do UV-Vis. ..................... 13

Figura 1.6 Ambiente IDE do Arduino ............................................... 21

Figura 1.7 Estrutura qumica co corante amarelo crepsculo .............. 23

Figura 2.1 Vista frontal do fotmetro proposto.................................. 29

Figura 2.2 LED-RGB utilizados no fotmetro. .................................... 29

Figura 2.3 Espectro de emisso do LED especificando o max para cada regio ............................................................................................ 30

Figura 2.4 Dimenses e pinagem do LED utilizado no fotmetro, unidade

mm ............................................................................................... 31

Figura 2.5 (a) Dimenses e pinagem do fototransitor utilizado no

fotmetro, unidade mm. (b) Fototransistor utilizado no fotmetro. ........ 31

Figura 2.6 Suporte da cubeta usado no fotmetro de LED proposto. .... 32

Figura2.7 Plataforma do Arduino uno, onde se identificam os

componentes e os pinos de ligao. 1.porta USB, 2.pinos digitais, 3.pinos

de alimentao e 4. pinos analgicos... .............................................. 33

viii

Figura 2.8 Circuito externo acoplado na plataforma Arduino. O circuito de

acionamento dos LEDs cujos botes so mostrados na Figura 2.1: BR -

Boto de acionamento do LED-vermelho, BG - Boto de acionamento do

LED-verde e BB -Boto de acionamento do LED-azul. E o circuito do

fototransistor. ................................................................................. 34

Figura 2.9 Diagrama das principais linhas de comando. ..................... 36

Figura 2.10 Ambiente de sada no serial monitor. ............................. 36

Figura 2.11 Sistema contendo o do fotmetro proposto. .................... 37

Figura 3.1 Curva analtica (R2=0,9992) obtida com o fotmetro proposto

para determinao do corante em amostras de refrigerante e bebida

energtica. ..................................................................................... 49

Figura 3.2 Curva analtica (R2=0,9998) obtida com o fotmetro Micronal

(referncia) para determinao do corante em amostras de refrigerante e

bebida energtica. ........................................................................... 49

Figura 3.3 Grfico dos resduos deixados pelo modelo linear da curva

analtica obtida com o fotmetro proposto. ......................................... 50


analtica obtida com o fotmetro Micronal. .......................................... 50

Figura 3.5 Curva analrica (R2=0,9988) do permanganato de potssio

relacionado ao fotmetro proposto..................................................... 55

Figura 3.6 Curva analrica (R2=0,9993) do permanganato de potssio

relacionado ao instrumento comercial ................................................ 55


analtica obtida com o fotmetro. ...................................................... 56


analtica obtida com o fotmetro micronal.. ........................................ 56

ix

Figura 3.9 Espectros de absoro do corante amarelo crepsculo

registrados com o instrumento HP. () refrigerantes, () energticos,

() soluo padro de 10,8 mg L-1. ................................................... 60

Figura 3.10 Espectros de absoro do permanganato de potssio

registrados com o instrumento HP. () soluo padro de 14,0 mg L-1,

() amostra. .................................................................................. 63

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 Intervalos de comprimentos de onda (), radiaes

absorvidas e cores complementares. ................................................... 6

Tabela 1.2 Principais modelos de Arduino comercialmente disponvel. . 20

Tabela 2.1 Coeficientes de corelao da reta . .................................. 40

Tabela 2.2 Equaes para a ANOVA dos dados experimentais adaptados

aos modelos lineares estimados pelos mtodos dos mnimos quadrados . 43

Tabela 3.1 ANOVA para o ajuste de um modelo de calibrao linear para

determinao do amarelo crepsculo (AC) usando o fotmetro proposto 51


determinao do amarelo crepsculo (AC) usando o fotmetro Micronal . 52

Tabela 3.3 Resultados dos testes F de falta de ajuste e de significncia

estatstica da regresso para os modelos lineares estimados para a

determinao do AC usando ambos os instrumentos. ........................... 52

Tabela 3.4 Parmetro de regresso linear e limites dos intervalos de

confiana para os coeficientes dos modelos obtidos para quantificao do

corante AC. .................................................................................... 53

Tabela 3.5 Valores de LOD, LOQ (mg L-1) e sensibilidade do fotmetro

proposto e do fotmetro Micronal para o corante AC. ........................... 54


determinao do permanganato de potssio usando o fotmetro proposto.

..................................................................................................... 57


determinao do permanganato de potssio usando o fotmetro Micronal.

..................................................................................................... 57

xi

Tabela 3.8 Mdias quadrticas (MQ) calculadas na ANOVA para os

modelos de calibrao do permanganato de potssio. .......................... 58

Tabela 3.9 Parmetros de regresso linear e limites dos intervalos de

confiana para os coeficientes dos modelos obtidos para quantificao do

permanganato de potssio. ............................................................... 59

Tabela 3.10 Valores de LOD, LOQ (mg L-1) e sensibilidade do fotmetro

proposto e do fotometro Micronal para o permanganato.... ................... 59

Tabela 3.11 Valores mdios (n=5) das concentraes do corante

estimadas, em mg L-1, via curva analtica utilizando o fotmetro e do

fotmetro (Micronal).. ...................................................................... 61

Tabela 3.12 Resultados dos testes de recuperao (%) do corante AC

(n=3). ........................................................................................... 62

Tabela 3.13 Valores mdios das massas (mg) dos comprimidos de

permanganato de potssio.. .............................................................. 64

Tabela 3.14 Valores mdios (n=5) das massas (mg) estimadas das

amostras (medicamentos de permanganato de potssio), utilizando o

fotmetro proposto e ocomerciall.. .................................................... 65

Tabela 3.15 Resultados dos testes de recuperao (%) na

derterminao do permanganato de potssio nas amostras de

comprimido. ................................................................................... 66

xii

LISTAS DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AC - Amarelo crepsculo

AD - Analgico digital

ANOVA Analysis of variance (anlise de varincia)

DPC - Desvio padro conjunto

ICSP - In Circuit Serial Programming (programa serial em circuito)

IDE Integrated Developement Environment (ambiente integrado de

desenvolvimento de software)

IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry (Unio

Internacional de Qumica Pura e Aplicada)

LCD Liquid crystal display (display de cristal lquido)

LED Light emitting diode (diodo emissor de luz)

LOD Limit of detection (limite de deteco)

PIC Peripheral interface controller

PWM - Pulse-width modulation

RAD Rapid Application Development (Desenvolvimento rpida de

aplicao)

RGB Sistema de cores red, green and blue (vermelho, verde e azul)

RISC - Reduced instruction set computer (computador com um conjunto

reduzido de instrues)

Rx - Indicadores de recepo

Tx - Indicadores de transmisso

USB - Universal serial bus

UV-Vis Radiao ultravioleta e visvel

xiii

RESUMO

Titulo: Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e microcontrolado por Arduino

Autor: Aline Santos de Pontes Orientador (a): Prof. Dr. Edvan Cirino da Silva Um fotmetro porttil e de baixo custo proposto neste trabalho.

Esse instrumento utiliza um diodo emissor de luz (LED-Light Emitting

Diode) tricolor como fonte de radiao nos comprimentos de onda do

mximo de emisso de 480 (azul), 534 (verde) e 630 nm (vermelho).

Alm disso, emprega um fototransistor com sensibilidade espectral na

regio do visvel como fototransdutor, bem como um microcontrolador

Arduino como unidade de controle. Seu desempenho analtico foi avaliado

por meio de anlises quantitativas baseadas em curvas analticas, cujos

modelos foram validados por meio da Anlise de Varincia (ANOVA). O

instrumento foi aplicado determinao do corante amarelo crepsculo

em amostras de refrigerantes e bebidas energticas e de permanganato

de potssio em amostras de medicamentos. Para fins de comparao, um

espectrofotmetro comercial foi empregado para construir as curvas

analticas do instrumento de referncia. Aplicando o teste t-emparelhado

ao nvel de 95% de confiana para os resultados de concentrao obtidos

com os dois instrumentos, observa-se que no houve diferena

estatisticamente significativa. Ademais, resultados precisos nas

estimativas das concentraes dos analitos foram obtidos sendo atestado

pelo baixo desvio padro relativo conjunto de 0,2 e 0,5%,

respetivamente, para o corante e permanganato. O fotmetro proposto

pode ser uma alternativa economicamente vivel para anlises

espectromtricas, sobretudo, em laboratrios de ensino com poucos

recursos financeiros e carentes de pessoal altamente qualificado.

Palavras-chave: Fotmetro de LED-RGB, microcontrolador Arduino, corante alimentcio, permanganato de potssio.

filipebsiqueiraHighlight



xiv

ABSTRACT

Title: Development of a LED-Vis photometer with a portable and Arduino microcontroller.

Author: Aline Santos de Pontes Supervisor (a): Prof. Dr. Edvan Cirino da Silva A portable and low-cost photometer is proposed in this work. The

instrument uses a tri-color light emitting diode (LED) as its radiation

source in maximum emission wavelengths of 480 (blue), 534 (green) and

630 nm (red). It employs a phototransistor with spectral sensitivity in the

visible region, as well as an Arduino microcontroller. Its analytical

performance was evaluated by means of quantitative analysis (analytical

curves), whose models were validated by analysis of variance (ANOVA).

The instrument was applied to determine sunset yellow dye in energy

drinks and sodas, and potassium permanganate pills. For comparison

purposes, a commercial spectrophotometer was used to construct the

calibration curves for the reference method. Applying the paired t-test at a

95 % confidence level for the concentration results obtained with the two

instruments, we observed no statistically significant difference.

Furthermore, accurate concentration estimates were obtained for the

analytes as confirmed by the low relative standard deviation range of 0.2

and 0.5%, respectively, for both the dye and the permanganate. The

proposed photometer might be an economically viable alternative to

spectroscopic analysis, especially in teaching laboratories with limited

financial resources or lacking in highly qualified personnel.

Keywords: Photometer tri-color LED, Arduino microcontroller, food

coloring, potassium permanganate.

CAPTULO 1

INTRODUO

INTRODUO

2

1. INTRODUO

1.1. Contextualizao

As anlises qumicas instrumentais so realizadas cotidianamente

para as determinaes qualitativas e quantitativas de uma grande

variedade de analitos inorgnicos, orgnicos e bioqumicos[1]. A

espectrofotometria nas regies ultravioleta e visvel (UV-Vis) uma

tcnica analtica muito usada nessas determinaes[2], haja vista sua

robustez, confiabilidade e vasto campo de aplicaes.

Um grande nmero de anlises quantitativas realizadas no mundo,

sobretudo no campo das anlises bioqumicas clnicas[1], so

implementadas usando um fotmetro ou fotocolormetro. Esses

instrumentos se caracterizam pelo uso de filtros pticos para selecionar,

geralmente, a faixa do espectro visvel para realizao das medidas na

anlise de interesse. O fotmetro uma ferramenta vivel para anlises

quantitativas tendo vista suas caractersticas: baixo custo de aquisio e

manuteno, simplicidade de operao e vida til longa especialmente

quando se utiliza LED (do ingls Light-Emitting Diode) como fonte de

radiao[3,4,5].

O advento do uso de LED em fotmetros possibilitou a

implementao de circuitos eletrnicos mais simples para controlar a fonte

de radiao e o processamento do sinal. Alm disso, visto que os LEDs

emitem luz em regies bem estreitas do espectro visvel, os fotmetros

podem ser construdos sem a utilizao de filtros e lentes pticas[4,5]. Essa

caracterstica tem contribudo para o desenvolvimento e montagem de

instrumentos mais simples, compactos e portteis.

Apesar do uso de LED nos fotmetros ter permitido construir

instrumentos capazes de diminuir os custos nos componentes necessrios

para o seu desenvolvimento, a necessidade do uso de um

microcomputador para aquisio e tratamento dos dados prejudica sua

autonomia. Para superar essa limitao, introduziu-se nos fotmetros o

microcontrolador PIC (Peripheral Interface Controller)[6] como unidade de



INTRODUO

3

controle e um dispositivo LCD (Liquid Crystal Display) que dispensa a

utilizao de microcomputador. Alm disso, os fotmetros a base de LED e

microcontrolados possibilitam a realizao de anlises qumicas no campo

(in situ) em virtude de sua portabilidade e autonomia. Apesar dessas

melhorias, o desenvolvimento desses aparelhos requer experincia em

instrumentao analtica e, sobretudo, um expressivo conhecimento em

eletrnica.

Neste trabalho, prope-se o desenvolvimento de um fotmetro de

LED-Vis baseado no uso de uma plataforma de prototipagem eletrnica

Arduino,[7] que simplifica drasticamente a complexidade dos circuitos e a

montagem do instrumento. O fotmetro proposto utiliza um LED-RGB

como fonte de radiao vermelha (mximo de emisso em 630 nm),

verde (mximo em 534 nm) e azul (mximo em 480 nm), bem como um

fototransistor para realizar a deteco e transduo da radiao.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo geral

O objetivo principal desse trabalho foi desenvolver um fotmetro

porttil, a base de LED-RGB, empregando um Arduino como unidade de

controle e aquisio de dados.

1.2.2. Objetivos especficos

Montagem dos circuitos eletrnicos do fotmetro;

Elaborao do programa computacional de controle e aquisio de

dados;

Montagem e acoplamento entre os dispositivos pticos usados;

Levantamento de parmetros operacionais do instrumento;

Validar as curva analticas, usando ANOVA (Anlise de Varincia),

obtidas usando o instrumento proposto e o comercial;

INTRODUO

4

Aplicar o fotmetro proposto quantificao do amarelo crepsculo

em bebidas e permanganato de potssio em medicamentos.

1.3. O espectro eletromagntico e a luz visvel

O espectro eletromagntico (EM) composto por vrios tipos de

radiao eletromagntica desde a radiao gama altamente energtica at

as ondas de rdio de baixa energia[8,9], conforme ilustrado na Figura 1.1.

Nesse contexto destaca-se a regio visvel, cujos comprimentos de onda

da radiao eletromagntica encontram-se aproximadamente na faixa de

400 a 780 nm. Dado que a viso humana produzida nessa regio visvel,

ento essa radiao eletromagntica foi denominada de luz.

A radiao eletromagntica exibe em certos fenmenos (refrao,

reflexo, etc) um comportamento ondulatrio, enquanto noutros (a

exemplo do efeito fotoeltrico) apresenta caracterstica de partculas

(ftons)[1,10]. A natureza ondulatria proveniente das oscilaes

peridicas de campos eltricos e magnticos associados radiao. As

principais caractersticas ondulatrias da luz esto associadas ao

comprimento de onda () e freqncia ()[1,10].

Figura 1.1. Espectro eletromagntico destacando a regio visvel. Adaptado da Ref.[1].

INTRODUO

5

Como visto na Figura 1.1, cada faixa de comprimento de onda

(frequncia) origina um tipo de informao diferente. A absoro nos

diferentes comprimentos de onda na faixa do micro-ondas e no

infravermelho fornece informaes sobre a estrutura molecular e a ligao

qumica (ou grupos funcionais)[11]. O visvel no uma regio to rica em

informaes estruturais, mas pode dar valiosas informaes quantitativas.

Os raios x podem fornecer informaes sobre a composio elementar

independente de como os tomos se encontram quimicamente ligados

mesmo que a medida seja realizada a partir da amostra slida ou lquida,

pois essa radiao interage com o(s) eltron(s) do cerne atmico[11]

As radiaes compostas por um nico comprimento de onda so

chamadas radiaes monocromticas[1,10]. Contudo, na maioria dos casos,

as fontes de energia radiante emitem radiaes em comprimentos de

onda diferentes, que se misturam, formando espectros de emisso em

bandas[10].

1.3.1. Interao luz-objeto e cores complementares

A luz refletida por um objeto determina a forma como as cores so

percebidas pelo olho humano. Quando uma amostra submetida a uma

radiao, a luz incide sobre essa amostra contendo a espcie molecular

absorvente, resultando em uma radiao emergente na qual ser

detectvel pelo olho humano como uma cor complementar da radiao

absorvida[12], conforme ilustrado na Figura 1.2.

Figura 1.2. Radiao absorvente e a cor complementar.



INTRODUO

6

A radiao emergente ser um complemento da radiao branca

menos a radiao absorvida por uma ou mais substncias. Assim, a cor de

uma soluo colorida que nossos olhos percebem uma cor

complementar da radiao absorvida.

As cores das radiaes absorvidas, seus complementos e os

intervalos de comprimento de onda so mostrados na Tabela 1.1.

Tabela 1.1. Intervalos de comprimentos de onda (), radiaes absorvidas e cores

complementares. Adaptado da Ref.[17].

A ttulo de exemplo, considere a cor verde observada nas folhas das

plantas devido presena de clorofila. Essa substncia responsvel pela

cor verde devido forte absoro da radiao nas regies do azul e do

vermelho. Isto significa dizer que quando olhamos para uma folha,

estamos recebendo em nossos olhos a luz filtrada, isto , a luz branca

(que possui todos os comprimentos de onda no visvel) subtrados do azul

e do vermelho[13]. Isso faz com que somente a radiao no absorvida

seja captada pelos nossos olhos, isto , a radiao verde[13]. Da mesma

forma, todas as coloraes que vemos so resultado da absoro seletiva

de alguma faixa estreita de , resultando na cor complementar observada.

INTERVALO DE (nm) COR ABSORVIDA COR COMPLEMENTAR

400- 465

Violeta Verde-amarelada

465-482

Azul Amarelo

482-487

Azul- esverdeado Alaranjado

487-493

Azul-Turquesa Vermelho-alaranjado

493-498

Verde Azulado Vermelho

498-530

Verde Vermelho-purpura

530-559

Verde-amarelada Prpura-avermelhado

559-571

Amarelo-verde Prpura

571-576

Amarelo-esverdeado Violeta

576-580

Amarelo Azul

580-587

Laranja_amarelado Azul

587-597

Alaranjado Azul- esverdeado

597-617

Laranja- avermelhado Azul-turquesa

617-780 Vermelho Azul-turquesa



INTRODUO

7

1.4. Espectrometria de absoro molecular UV-Vis

Essa tcnica se baseia na absoro de ftons da radiao

eletromagntica Ultra-Violeta e Visvel (UV-Vis) por espcies moleculares

em soluo. Os comprimentos de onda da radiao nas duas regies

espectrais abrangem, aproximadamente, a faixa de 200 a 780 nm[1,11].

Ao interagir com essa radiao, as molculas esto sujeitas a transies

eletrnicas (acompanhadas por transies vibracionais) associadas

absoro de energia quantizada[1,14], produzindo o sinal analtico. Esse

fenmeno origina o sinal analtico na espectrometria de absoro

molecular UV-Vis. Todavia, a medida do sinal est sujeita ao rudo

instrumental e pode ser afetada por outras fontes de interferncia tais

como pela presena de concomitantes (interferncia de matriz e/ou

espectral), efeito de solvente, etc.

Para que a absoro molecular ocorra necessrio que haja: i)

mudana no momento de dipolo eltrico da molcula e ii) presena de

grupo(s) cromforo(s) (C=C, C=O, etc) responsvel(is), principalmente,

pelas transies dos eltrons dos orbitais pi ligante para orbitais pi

antiligante ( * pipi ) e dos orbitais no-ligantes para um orbital pi

antiligante ( *pin )[1,15,16]. O resultado desse fenmeno pode ser

registrado como um espectro que consiste, usualmente, em um grfico de

absorbncia versus comprimentos de onda. A partir do espectro da

amostra, pode-se extrair a informao analtica para a identificao e/ou

quantificao da espcie absorvente de interesse (analito).

A intensidade das bandas e os comprimentos de onda referentes aos

picos e/ou vales do espectro, so duas caractersticas fundamentais do

ponto de vista analtico. O perfil da banda fornece informao qualitativa,

ao passo que a intensidade serve de base para implementar uma anlise

quantitativa[1]. Alm disso, o comprimento de onda do sinal mximo

corresponde ao do fton absorvido, cuja energia igual diferena de

energias entre os estados envolvidos na transio eletrnica. A






INTRODUO

8

intensidade de absoro depende da absortividade molar, do percurso

ptico e da concentrao da espcie absorvente[1].

1.4.1. A lei de Beer e a anlise quantitativa

A lei de Lambert-Beer, ou simplesmente lei de Beer[1,15,17],

fundamenta a anlise espectrofotomtrica quantitativa, estabelecendo

uma relao linear entre a absorbncia e a concentrao da espcie

absorvente. De acordo com essa lei, quando um feixe de radiao

monocromtica (I0) atravessa um recipiente transparente (cubeta),

contendo uma espcie absorvente, percorre o caminho ptico b conforme

ilustrado na Figura 1.3. A intensidade da radiao diminui para (I) como

resultado da absoro por molculas do composto absorvente, sendo que

a razo entre I0 e I determina a transmitncia (T) da soluo.

Figura 1.3. Intensidade da luz emergente (I

0) e transmitida (I) aps passar por uma

cubeta contendo uma soluo absorvente com o caminho ptico b. A absorbncia (A) medida se relaciona com a transmitncia (T) e a

concentrao (c) da espcie absorvente de acordo com a Equao 1.1

(1.1)

onde, uma constante denominada absortividade molar da espcie

absorvente, c a concentrao expressa em mol L-1 e b o comprimento

do percurso ptico dado em cm.

bcIITA ===0

loglog

INTRODUO

9

1.4.2. Instrumentao

Tradicionalmente, os instrumentos utilizados para anlises

quantitativas por absoro molecular UV-Vis so classificados de acordo

com o tipo de seletor de radiao em: (i) fotmetros e (ii)

espectrofotmetros. Os instrumentos da classe (i) so aqueles baseados

no uso de filtros pticos para isolar a faixa da radiao de interesse e os

da classe (ii) utilizam, geralmente, um monocromador de prisma ou rede

de difrao para a seleo. Os aparelhos da primeira classe usam

componentes mais simples e baratos que os da segunda, porm so mais

limitados e no possibilitam a obteno de espectros. Ademais, utilizam

como seletores de radiao os filtros de absoro (restritos regio visvel

do espectro) e os de interferncia que podem tambm operar na regio

ultravioleta[1].

Em geral, os componentes utilizados nos fotmetros so

basicamente[1,11,19]:

Uma lmpada de tungstnio como fonte de radiao;

Filtro de absoro ou interferncia;

Um recipiente (cubeta) para a amostra;

Detector de radiao (fototransdutor);

Processador de sinal.

Os espectrofotmetros e os fotmetros so instrumentos pticos

utilizados em ampla escala em todo o mundo para medidas quantitativas

na regio espectral do UV-Vis[17]. A deteco espectrofotomtrica uma

tcnica bastante consolidado na literatura cientfica. O crescente

desenvolvimento de novos fotmetros, abre uma variedade de

possibilidades para tcnicas de deteco mais simples, econmicos e

analiticamente satisfatrios.

A incorporao de LEDs, como fonte de radiao, nos fotmetros

trouxe muitas vantagens, a saber: eliminao do uso de seletor de

radiao, fonte de alimentao e circuito de processamento do sinal

menos complexo e desenvolvimento de instrumentos mais simples,

portteis de baixo custo[6,18].



INTRODUO

10

A seguir apresentada uma descrio sobre a constituio,

montagem e caractersticas dos LEDs que motivaram seu uso como fonte

de radiao em fotmetros.

1.5. Diodos emissores de luz (LEDs)

Os diodos so produzidos empregando materiais semicondutores

(por exemplo, o silcio) aos quais so adicionados diferentes impurezas

dopantes, mediante processo chamado de dopagem[20]. Quando a matriz

baseada no silcio ou elemento com configurao eletrnica similar, a

dopagem com tomos de elementos do grupo 3 produz o semicondutor do

tipo positivo (P). Se a dopagem for realizada com tomos de elementos do

grupo 5, o semicondutor obtido denominado como sendo do tipo

negativo(N)[20]. Essas dopagens promovem um aumento da condutividade

do semicondutor, devido ao surgimento de lacunas (deficincia de

eltrons) no cristal dopado P e ao surgimento de eltrons livres no cristal

do tipo N[20].

Quando se unem cristais dos tipos P e N, forma-se a juno P-N. Os

eltrons livres do cristal do tipo N, que estiverem prximos da juno,

eventualmente passaro para o lado P, onde sero capturados por

lacunas, fazendo recombinao[21]. Esta recombinao ir ocorrer com

todos os eltrons e lacunas que estiverem prximos da juno, formando

pares de ons prximos da juno[21]. Isto resultar em uma coluna de

ons positivos do lado N e uma coluna de ons negativos do lado P. A

regio em torno da juno onde se encontram esses ons chamada de

camada de depleo[21]. Como a camada de depleo ionizada, cria-se

uma diferena de potencial na juno chamada barreira de potencial[21].

Os diodos emissores de luz (LEDs) so dispositivos onde a luz

emitida pela passagem de corrente eltrica nos materiais semicondutores

fazendo com que ocorra a recombinao de eltrons livres do material do

semicondutor N com as lacunas em excesso do tipo P, proporcionando a

movimentao em direo a juno P-N do diodo. Este fenmeno ficou

INTRODUO

11

conhecido como eletroluminescncia[20,22,42], que a emisso de luz por

estmulo eltrico. O componente mais importante de um LED o chip

semicondutor responsvel pela gerao de luz. Na Figura 1.4. ilustrado

um diagrama esquemtico dos constituintes e do funcionamento de um

LED comum e seu funcionamento.

O cientista norte americano Henry Joseph Round, em 1907, ao usar

o carbeto de silcio (SiC), foi quem primeiro conseguiu produzir o

fenmeno da eletroluminescncia, dando incio aos estudos do que hoje se

entende por LED[23,24]

. Nos anos de 1923 e 1937 ocorreram,

respectivamente, os seguintes fatos: a descrio da eletroluminescncia

em cristais de carbeto de silcio pelo cientista russo O. W. Lossey e o

acontecimento do mesmo fenmeno usando p de sulfeto de zinco (ZnS2)

foi observado pelo cientista E. Destriau[23]. Em 1962, surgiu o primeiro

LED com o material semicondutor a base de, arseneto de glio (GaAs) [25]

,

emitindo radiao no comprimento de onda de 840 nm, e diodos feitos de

fosfeto e arseneto de glio, na regio de 710 nm[26]

. Essa mudana de

comprimento de onda est relacionada ao material que constitui o LED.

Figura 1.4. Diagrama esquemtico dos constituintes e do funcionamento de um LED

comum. Adaptado da Ref. [33].

INTRODUO

12

A utilizao de diferentes materiais semicondutores em diferentes

nveis de dopagem proporciona a obteno de LEDs com diferentes

comprimentos de onda, ou seja, uma grande variedade de LEDs que

emitem na regio UV-Vis. Utilizando-se InGaN como material

semicondutor, obtm-se um LED que emite radiao na regio verde[27].

Os LEDs que abrangem a regio do azul, so constitudos de carbeto de

silcio e nitreto de glio[28]. Desde ento, um progresso notvel no

desempenho do LED em relao ao aumento da eficincia de emisso na

regio do visvel tem melhorado quase uma ordem de magnitude a cada

10 anos[29,30]. Tal desempenho dos LEDs atribudo principalmente ao

grande avano das novas tecnologias de produo de semicondutores.

Estas tecnologias possibilitaram o desenvolvimento de diodos bicolores[6],

usualmente no verde e vermelho e tricolores emitindo no verde, vermelho

e verde. Nestes dispositivos os materiais semicondutores que

proporcionam as emisses em diferentes comprimentos de onda so

dispostos em um nico corpo e podem ser acionados selecionando o par

de terminais adequado para produzir a emisso desejada[20].

Os diodos emissores de luz disponveis comercialmente no se

limitam apenas a regies do visvel, mas tambm cobrem as regies do

ultravioleta e do infravermelho prximo[31]. Na Figura 1.5 podem ser

vistos espectros tpicos de emisso de vrios LEDs, comercialmente

disponveis, na faixa espectral do ultravioleta-visvel.

O espectro de emisso da maior parte dos LEDs na regio visvel

exibe normalmente larguras de bandas menores do que 20 nm que so

comparveis aos filtros pticos, que oferecem largura de banda de 10 a

30 nm[6]. A intensidade da luz emitida por um LED cerca de 5 vezes

maior do que a intensidade de um feixe originalmente da fenda de sada

de um monocromador[6]. A elevada estabilidade dos LEDs tem permitido

atingir desvios padro nas medidas de absorbncia de at 7,5 x 10-7.

Alguns LEDs que, atualmente, encontram-se disponveis so

ultrabrilhantes, tm vida til extremamente longa e alta estabilidade de

emisso[6]. Portanto, so fontes de radiao bastante adequadas para a

INTRODUO

13

construo de fotmetros usados nas anlises por absoro molecular na

regio UV-Vis.

Figura 1.5. Espectros de emisso tpicos de uma seleo de LEDs, comercialmente

disponveis, na faixa espectral do UV-vis. Adaptado da Ref. [31].

1.5.1. Vantagens do uso de LEDs

Pode-se mencionar as inmeras vantagens do uso de LEDs como

fonte de luz:

Maior vida til: os LEDs podem acender e apagar rapidamente,

sem perda da vida til[32];

Custos reduzidos: o custo do LED varia de centavos a poucos

reais, de acordo com as caractersticas desejadas para o LED[23];

Eficincia: apresentam maior eficincia que as lmpadas de

halogneo[32];

Baixa voltagem de operao:no apresenta risco para o

instalador;

Radiao monocromtica: emite radiao em uma faixa estreita

de comprimentos de onda, permitindo maior obedincia Lei de

Beer, evitando ou reduzindo problemas com a linearidade das

curvas de calibrao[33];

INTRODUO

14

Ecologicamente correto: no utiliza mercrio ou qualquer outro

elemento que cause dano ao meio ambiente[32];

Ausncia de ultravioleta: no emitem radiao ultravioleta sendo

ideais para aplicaes onde este tipo de radiao indesejada[32];

Ausncia de infravermelho: tambm no emitem radiao

infravermelho, fazendo com que o feixe luminoso seja frio[32];

Robustez mecnica: ao contrrio de lmpadas com bulbo de

vidro, os LEds so resistente a impactos mecnicos, pois so

dispositivos de estado slido[32];

Temperatura: quase toda a energia fornecida ao LED gasta na

emisso de luz, praticamente no h, liberao de calor[32].

Compactibilidade:podem ser encontrados comercialmente em

diversos formatos e com dimenses da ordem de milmetros a

poucos centmetros [32];

Facilidade de aquisio: podem ser encontrados em lojas de

comrcio eletrnico, inclusive em cidades de porte

intermedirio[23].

Potncia luminosa elevada: Na faixa de 10 a 150 mW, que

corresponde cerca de cinco vezes a radiao de uma lmpada de

tungstnio de 40 W e radiao proveniente da fenda de sada de

um monocromador em condies similares de banda passante[33].

Os LEDs so usados como componentes eletroeletrnicos em vrios

produtos disponveis comercialmente, tais como: televiso, produtos de

microeletrnica como sinalizador de avisos, relgios digitais, controles,

cmeras, monitores, notebooks, telefones celulares etc. Alm disso, so

usados em comunicaes, servios mdicos, sinalizao e iluminao em

geral[34-38]. Com a diminuio dos custos de produo e elevao dos

nveis de eficincia luminosa, comearam a ser utilizados em

instrumentaes analticas.

INTRODUO

15

Na Seo 1.6, so descritos os trabalhos reportados na literatura

sobre o uso de LEDs em instrumentao analtica, com foco nos

fotmetros, bem como suas aplicaes.

1.6. Instrumentao a base de LEDs O emprego de LEDs que emitem radiao monocromtica de

potncia considervel e de baixo custo, minimiza os custos associados

construo de espectrofotmetros comerciais que utilizam caros sistemas

pticos[4]. Os instrumentos construdos a base de LEDs so utilizados para

anlises dedicadas, as quais exploram regies espectrais onde ocorrem

absoro especficas do analito.

O diodo emissor de luz (LED) foi utilizado pela primeira vez como

fonte de radiao para deteco fotomtrica por Flaschka e

colaboradores.[39] e, depois, por Betteridge e colaboradores[40]. Aps

esses trabalhos pioneiros, foram desenvolvidos novos instrumentos, na

pesquisa cientfica, usando o LED como fonte de radiao.

Rostami e colaboradores[41] desenvolveram um fotmetro de LED

capaz de executar medies de absorbncia em trs comprimentos de

onda sequencialmente, permitindo a sua aplicao na anlise simultnea

de misturas binrias e ternrias baseadas nas diferenas de propores de

absorbncia em dois e/ou trs comprimentos de onda. Foram utilizados

dois LEDs RGB e dois LDRs (light dependent resistor) como detector para

emisso de radiao e captura do sinal do branco e da amostra,

respectivamente, atuando como feixe duplo. A absorbncia da soluo da

amostra foi calculada descontando a absorbncia do branco e exibidas em

um dispositivo LCD. O instrumento proposto utiliza diodos emissores de

luz vermelho-verde-azul como fonte de luz para a determinao

simultnea de tartrazina, amarelo-crepsculo, carmosina e azul brilhante

em alimentos industrializados.

Mota[42] desenvolveu um fotmetro para fins didticos para uso na

contextualizao de temas qumicos sociais (como qumica ambiental) e

INTRODUO

16

em aulas de instrumentao analtica. O instrumento foi utilizado para

determinao de ortofosfato total em guas. Na construo do

instrumento foi utilizado um LED amarelo, um LDR (Resistor Dependente

de Luz) como detector e celas de acrlico. O sinal do fotmetro gerado era

em valores de resistividade, a qual era medida pelo uso de um multmetro

digital. A determinao do ortofosfato foi realizada utilizado-se o mtodo

do azul de molibdnio. As amostras de guas utilizadas foram de um

igarap poludo. O sistema apresentou resposta linear na faixa de

concentrao entre 8 a 48 mol.L-1, apresentando valores de R2 acima de

0,99. Os testes de recuperao apresentaram variaes entre 97,6 e

107,3%. A preciso intermediria e repetibilidade apresentaram

coeficientes de variao mdios de 3,0 e 2,8, respectivamente.

Pires e colaboradores[43] desenvolveram uma instrumentao a base

de LEDs empregando microbombas multicomutveis para especiao e

quantificao de cromo em guas naturais. Para isso, quatro microbombas

solenides foram utilizadas para propulso e comutao dos fluidos, um

LED verde como fonte de radiao, um fotodiodo como sensor da radiao

e uma cela de fluxo (com percurso ptico de 100 mm de caminho ptico e

dimetro interno de 2 mm). As condies operacionais fixadas para o

mtodo permitiram uma resposta linear variando de 10 a 200 g.L-1

Cr(III) e Cr(IV) (r = 0,999, n = 7), com limites de deteco de 2,05 e 1,0

g.L-1 para Cr(III) e Cr(VI), respectivamente. Um desvio padro relativo

menor que 2,0% foi obtido para uma soluo sinttica de 50 g.L-1, e

velocidades analticas de 67 e 105 determinaes por hora para Cr total e

Cr(VI), respectivamente, foram obtidas.

O fotmetro MULTI-LED proposto por Gaio e colaboradores[44]

composto por seis LEDs como fontes de radiao com os comprimentos de

onda no mximo de emisso de: 430, 485, 560, 580, 600, 660 nm, um

fototransistor como detector e um microcontrolador (PIC - Controlador

Programvel de Interrupo). Os valores das medidas de transmitncia e

absorbncia foram apresentados no mostrador LCD do fotmetro. Para

avaliar o seu desempenho, foram realizadas determinaes de on ferroso

INTRODUO

17

em amostras de xarope e de protenas totais, albumina, glicose, ureia,

clcio, cloreto e hemoglobina em amostras de soro sanguneo. Uma

grande concordncia entre os valores obtidos empregando o fotmetro

proposto com os instrumentos de referncia (HP e Micronal) foi

observada. De fato, nenhuma diferena sistemtica estatisticamente

significativa, ao nvel de 95% de confiana, foi verificada entre os

resultados aplicando-se o teste-t emparelhado.

Fonseca e colaboradores[45] desenvolveram um fotmetro multicanal

baseado em um conjunto de oito LEDs como fontes de luz, usando feixes

de fibra ptica para orientar a radiao para uma clula de medio e, a

partir da, para o fotodiodo. O controle das medidas e o armazenamento

dos dados foram feitos atravs do uso de um microcomputador. O

fotmetro foi idealizado para realizar medidas em um nico comprimento

de onda assim como nos comprimentos de onda (470, 500, 525, 562,

590, 612, 636 e 654 nm), sequencialmente, o que permitiu sua aplicao

em anlise multivariada. O aparelho foi aplicado para a determinao

simultnea de Zn (II) e Cu (II) em amostras de frmacos e de ligas

metlicas. Os resultados mostraram no haver diferenas significativas no

nvel de confiana de 95%.

Um fotmetro baseado em LED tricolor com mximas emisses em

470, 565 e 660 nm foi construdo por Gros[46], com uma cmara de

microreao proporcionando um baixo consumo de reagentes e amostras

e uma rpida e eficaz homogeneizao dos reagentes. O instrumento foi

avaliado na determinao de clcio em guas por meio de medidas de

absorbncia do complexo metlico com orto-cresolftalena. A abordagem

experimental possibilitou uma fcil execuo, robustez, economia, e

resultados confiveis.

Cantrell e colaboradores[47] desenvolveram um fotmetro simples,

porttil e de baixo custo baseado em um arranjo de trs LEDs (473, 590,

624 nm), com um microcontrolador programvel e um chip de memria.

O instrumento pode ser configurado para efetuar medidas e armazenar

INTRODUO

18

dados automaticamente, em intervalos de tempo definidos pelo operador,

dispensando o monitoramento por parte do mesmo.

Dasgupta e colaboradores[48] construram um fotmetro

multifuncional para anlises em fluxo baseado em um arranjo de doze

LEDs diferentes, os quais emitem radiao na faixa de 375 a 600 nm. O

instrumento foi utilizado em diferentes determinaes empregando

medidas de absorbncia, fluorescncia e luminescncia.

Rocha e colaboradores[49] desenvolveram um fotmetro associando

um LED bicolor (vermelho e verde) com um fotodiodo de silcio como

fototransdutor. Esta ltima foi combinada com um amplificador de baixo

rudo e alto ganho. A cor do LED foi selecionada por um programa

computacional. O instrumento foi construdo com intuito de realizar a

anlise, por injeo em fluxo, de especiao de nitrognio inorgnico

(NO3-, NO2-, NH4+) em guas de rio.

Um fotmetro multi-comprimento de onda, cobrindo a gama do

visvel, compacto e de baixo custo foi desenvolvido por Hauser e

colaboradores[50]. Cada luz proveniente dos sete LEDs de cores diferentes

era direcionada a uma clula de medio por meio de um acoplador de

fibra ptica. A deteco foi efetuada por fotodiodos conectados a um

amplificador produzindo leituras de absorbncia diretas. Este fotmetro foi

empregado para as determinaes de alumnio com LED-VIS (verde, 546

nm), de amnia (laranja, 629 nm), de cobre (amarelo, 599 nm e

vermelho, 735 nm), de clcio (vermelho, 670 nm), de cromo (azul, 442

nm), nitrato (azul, e verde em 535 nm) e de fosfato com LED-IR (733

nm). Em todas essas aplicaes, foram obtidos bons resultados quando

comparados aos dos mtodos de referncia ou convencionais.

Arajo e colaboradores[6], desenvolveram um fotmetro a base de

um LED bicolor (verde e vermelho) e um fototransistor, adaptados a uma

cela de fluxo tubular. A performance do instrumento foi avaliada nos

parmetros clnicos, tais como: protenas totais, albumina, uria,

hemoglobina, cido rico e glicose em amostras de soro, plasma e sangue

total. As mesmas amostras foram tambm analisadas usando um

INTRODUO

19

fotocolormetro clssico e no constatou diferenas estatisticamente

significativas nas determinaes.

Trojanowicz e colaboradores[51] desenvolveram um fotmetro LED-

Vis com mxima emisso (563, 580 e 638) com intuito de empreg-lo na

determinao simultnea de Zn e Al. O instrumento foi construdo com

intuito de realizar a anlise, por injeo em fluxo, das misturas binrias

dos respectivos metais, empregando medidas de absorbncias dos

complexos metlicos com diferentes reagentes cromognicos.

O desenvolvimento de instrumentao, que pode substituir o uso de

um seletor de radiao, e de circuitos de processamentos do sinal menos

complexo, usando uma plataforma de prototipagem eletrnica Arduino,

possibilita a montagem do instrumento mais simples. Alm disso, pode

reduzir a necessidade do uso de outros componentes eletrnicos.

1.7. Arduino

Arduino um microcontrolador de placa nica projetado para tornar

o processo de uso de eletrnicos em vrios projetos acadmicos,

tecnolgicos, cientficos e artsticos mais acessvel[52]. Foi criado na Itlia

em 2005 com o objetivo de oferecer uma plataforma de prototipagem

eletrnica de baixo custo e de fcil manuseio por qualquer pessoa

interessada em criar projetos com objetos e ambientes interativos [53, 54].

A plataforma Arduino constituda de uma placa eletrnica (hardware) e

de um ambiente de desenvolvimento (software) para criao dos projetos.

Existem diversos projetos de hardware livres ou hardware abertos

encontrados na internet, entre eles, o projeto RepRap e o projeto

Aurora[54]. Porm, o projeto de hardware livre mais conhecido e difundido

na internet o Arduino, referente a uma placa de prototipagem eletrnica

dotada de entradas e sadas nos domnios digital e analgico para

interfaceamento com um mundo externo[54]. Pode ser usado de vrias

maneiras, tanto por amadores quanto por profissionais; sua aplicabilidade

ilimitada e s possui como limite a imaginao[55].

INTRODUO

20

A placa eletrnica do Arduino contm diversas entradas e sadas,

analgicas e digitais, e uma interface serial via conexo USB para

comunicao com o computador[56]. O microcontrolador desta placa da

famlia AVR, com arquitetura Harvard e tecnologia RISC, a qual muito

superior aos antigos 8051 e PIC de 8bits[56] por permitir milhares de

gravaes e regravaes em sua memria de programa. As trs linhas

principais de modelos Arduino[53,54], esto na Tabela1.2, na qual so

caracterizados da seguinte forma:

Os de "pequeno porte": NANO

Os de "mdio porte": Duemilanove, UNO

Os de "grande porte": Mega1280, Mega2560.

Tabela1.2. Principais de modelos de Arduino disponvel comercialmente. Adaptado da Ref.[54]

INTRODUO

21

1.7.1. Ambiente de desenvolvimento integrado ao hardware do

Arduino

Para escrever os cdigos de programao dos projetos para Arduino

necessrio o uso de um ambiente de desenvolvimento integrado ao

hardware (IDE - Integrated Developement Environment) para o

desenvolvimento da programao, gerao de cdigos, que sero

enviadas para a placa eletrnica. [54]

A ferramenta IDE fornecida pelo prprio fabricante do Arduino e

baixado na pgina oficial do Arduino (http://www.arduino.cc/). Alm de

instalar o IDE, tambm foi instalado os drives do Arduino, pois sem eles o

mesmo no funciona. Na Figura 1.6, mostra-se a Interface IDE. Este

ambiente de desenvolvimento construdo em Java, compatvel com

qualquer sistema operativo existente no mercado. E de fcil programao

atravs de sua prpria linguagem baseada em C++ ou auxiliada pelo uso

de bibliotecas[60]. Particularmente para quem se inicia em programao

de microcontroladores, um ambiente amigvel e simples.

Figura 1.6. Ambiente IDE do Arduino

INTRODUO

22

A IDE pode ser identificada como um ambiente de desenvolvimento

integrado que traz caractersticas e ferramentas que do apoio ao

desenvolvimento de software, com o objetivo de agilizar o processo. Na

maioria das vezes, a IDE apresenta a tcnica RAD (Rapid Application

Development), desenvolvendo assim, cdigos com maior rapidez e

facilidade[57,58]. A IDE um conjunto de ferramentas que auxiliam o

programador no desenvolvimento de aplicaes. Entre as ferramentas

mais comuns encontradas em uma IDE, pode-se destacar: um editor de

programas, compilador, linker, loader e depurador. Cada um destes

componentes tem uma funo bem definida[59].

Editor de Programas: um editor de texto construdo

especialmente para facilitar a edio de um programa usando uma

determinada linguagem de programao;

Compilador: tem como principal funo fazer a traduo do cdigo

fonte em um formato que o computador pode entender;

Linker ou linkeditor: liga os vrios pedaos de cdigo-fonte,

compilados em linguagem de mquina, em um programa executvel

que pode ser em um computador, ou outro dispositivo

computacional;

Loader ou carregador: carrega o executvel na memria para que

a CPU possa executar o programa. Esse recurso importante no

IDE, pois ajuda a agilizar o trabalho;

Depurador: auxilia o programador na verificao, localizao e

correo no cdigo-fonte do programa, na tentativa de

aprimorar a qualidade de software.

1.8. Caractersticas do corante alimentcio amarelo crepsculo

Os corantes artificiais so introduzidos nos alimentos e bebidas com

o nico objetivo de conferir cor, tornando-os mais atrativos. Por esse

motivo, o seu uso quase que exclusivamente motivado por interesse

comercial e tecnolgico[61], no sendo to recomendados do ponto de

INTRODUO

23

vista da sade. Mesmo assim, os corantes so amplamente utilizados nos

alimentos e bebidas devido sua grande importncia no aumento da

aceitao dos produtos.

Os corantes sintticos podem ser classificados de acordo com sua

estrutura qumica, podendo ser do tipo azo, triarilmetano e fenilmetano,

xantana, quinolina, antraquinona ou fenol. Dentre estes, um dos grupos

mais importantes e extensivamente utilizados na indstria alimentcia, so

os corantes que apresentam o grupo azo, ou seja, ligaes do tipo -N=N-[62,63].

O corante Amarelo Crepsculo (2-hidrxi-1-(4-sulfonatofenilazo)

naftaleno-6-sulfonato dissdico) [63] um dos corantes do tipo azo, como

se pode verificar na estrutura molecular ilustrada na Figura 1.7.

Apresenta alta solubilidade em meio aquoso, podendo ser identificado e

quantificado por espectrofotometria UV-VIS, cujo mximo de absoro

localiza-se geralmente no comprimento de onda prximo a 480 nm

(solues aquosas em pH 7)[63,65]. Isso ocorre pelo fato dos corantes

serem compostos qumicos que em sua estrutura encontram-se grupos

cromforos que so tipicamente representados por estruturas aromticas

ou quinnicas[63]. Essas estruturas encontram-se unidas por ligaes

duplas, grupos alifticos unidos a grupos carbonlicos por ligaes duplas,

grupos azo ou nitro, grupos hidroxlicos ou amino que podem aumentar a

intensidade de absoro especfica para um determinado corante[64].

Figura 1.7. Estrutura qumica do corante amarelo crepsculo.

INTRODUO

24

O interesse de desenvolver pesquisas no controle de aditivos nos

alimentos devido s diversas reaes e doenas que os corantes podem

causar quando ingeridos em excesso[61,62]. Os aditivos so inofensivos

sade desde que obedecendo aos percentuais mximos de 0,01g/100mL

estabelecidos pela ANVISA (Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria).

Caso contrrio, o corante amarelo crepsculo pode ocasionar urticria,

anafilaxia e quando associado ao cido benzico pode ser responsvel por

hiperatividade em crianas, ou at mesmo outros distrbios de

comportamento[61,62].

1.9. Caractersticas do permanganato de potssio

O permanganato de potssio um agente oxidante forte, possuindo

propriedades desinfectantes e desodorizantes. Os ons resultantes da

reduo do permanganato exercem um efeito adstringente. Possui

capacidade para oxidar certos frmacos e venenos[66]. Ele empregado

como um agente de branqueamento de gorduras, leos, algodo, seda e

outras fibras. Tambm tem sido utilizado como anti-sptico e antiinfectivo,

como um componente em kits de sobrevivncia na selva, na destruio da

matria orgnica em tanques de peixes, na fabricao de circuitos

impressos, na neutralizao dos efeitos do pesticida rotenone[67].

Alm disso, o permanganato de potssio serve para eliminar as

bactrias e os fungos da pele, sendo tambm um bom cicatrizante para as

feridas. Em geral, ele utilizado diludo em gua e utilizado no banho em

casos de feridas generalizadas, sendo ideal para tratar a catapora e as

queimaduras. Diante disso, optou-se por analisar o medicamento

(permanganato de potssio), cuja forma farmacutica usada consiste de

comprimidos com 100 mg cada.

CAPTULO 2

PARTE

EXPERIMENTAL

PARTE EXPERIMENTAL

26

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1. Reagentes, solues e amostras

A limpeza das vidrarias, dos frascos mbar e da cubeta foi realizada

usando uma soluo de HNO3 15% em um banho ultrassnico (UltraSonic

Cleaner, Unique, modelo USC-1800A) durante 15 minutos.

A gua utilizada no preparo de todas as solues foi sempre recm-

destilada.

Reagentes

Os reagentes utilizados na realizao do trabalho foram: fosfato

monossdico (NaH2PO4, Synth 99% P.A), hidrxido de potssio (NaOH,

Synth 97% P.A), permanganato de potssio (KMnO4, Sigma 99,7% P.A), o

corante amarelo crepsculo (E-110, Sigma 90% P.A), oxalato de sdio

(Na2C2O4, Synth P.A) e cido sulfrico (H2SO4, Vetec 99% P.A).

Soluo tampo

Uma soluo tampo[68] de fosfato com pH 7,00 foi utilizada na

preparao das solues de calibrao do corante e das amostras. Essa

soluo tampo foi preparada, misturando-se 500 mL de uma soluo de

NaH2PO4 0,10 mol.L-1

com uma soluo 0,10 mol L-1

NaOH usada para o

ajuste do pH.

Solues estoque e de calibrao

Foram preparadas trs solues estoque autnticas do corante

amarelo crepsculo (E-110) com concentrao de 750 mg L-1.

Para cada

soluo, dissolveu-se 0,0417g do corante em soluo-tampo (pH 7,00) e

completou-se o volume do balo de 50 mL com o mesmo tampo.

As trs solues estoque autnticas do permanganato de potssio

foram preparadas com concentrao de 1000 mg L-1, atravs da

PARTE EXPERIMENTAL

27

dissoluo de 0,253 g do permanganato de potssio em 250 mL de gua

recm destilada e fervida para a eliminao de CO2. Esta soluo foi

filtrada com l de vidro e devidamente padronizada.

As solues de calibrao usadas para quantificao do corante e

permaganato de potssio foram preparadas na faixa de concentrao (mg

L-1) de 1,8 a 18,0 e 6,0 a 38,0, respectivamente.

Amostras de permanganato de potssio

Foram adquiridas 20 cartelas de 10 diferentes lotes (2 cartelas/lote)

do frmaco permanganato de potssio em farmcias de Joo Pessoa,

sendo que cada cartela continha 10 comprimidos.

Seguindo o procedimento recomendado pela farmacopeia

brasileira[69], mediu-se a massa dos 20 comprimidos das 2 cartelas de

cada lote. Logo em seguida, encontrou-se a mdia das amostras e as

macerou. O valor da mdia serviu para definir a massa usada da amostra

referente a cada lote.

Uma soluo estoque foi preparada a partir da dissoluo do valor

mdia dos 20 comprimidos de cada lote em gua recm destilada e

fervida. A partir dessa soluo foram preparadas as solues das amostras

a serem analisadas.

As alquotas das amostras a serem analisadas foram baseadas na

faixa de concentrao das solues de calibrao, de forma a garantir que

os sinais das amostras estejam dentro da curva analtica.

Amostras de refrigerante e bebida energtica

As amostras de refrigerante e de bebida energtica, contendo o

amarelo crepsculo, foram adquiridas em diferentes supermercados

localizados na cidade de Joo Pessoa (PB). Foram adquiridas 8 amostras

de refrigerante de laranja (de 4 marcas diferentes) e 8 amostras de

energtico de tangerina da mesma marca (porm de lotes diferentes).

A preparao de todas as amostras foi atravs de diluies com

soluo-tampo (pH 7,00). Nas amostras de bebida energtica, retirou-se

PARTE EXPERIMENTAL

28

uma alquota de 5 mL da amostra original e dilui-se para 10 mL com o

referido tampo. No caso dos refrigerantes, as amostras foram

submetidas ao banho ultrassnico por 20 minutos com o intuito de

expulsar completamente o gs dissolvido[70]. Em seguida, retirou-se uma

alquota de 3 mL de cada amostra para ser diluda para 10 mL com o

mesmo tampo.

As alquotas das amostras foram baseadas na faixa de concentrao

das solues de calibrao, garantindo que os sinais das concentraes do

analito nas amostras estejam dentro da curva analtica.

2.2. Material e Equipamentos O espectrofotmetro com arranjo de fotodiodos da HP, modelo

8453, foi usado para verificar o comportamento espectral dos padres e

das amostras do amarelo crepsculo e do permanganato de potssio. Para

isso, foram registrados os espectros e identificou-se o comprimento de

onda associado ao mximo de absoro para efetuar as medidas com

maior sensibilidade.

Utilizou-se uma balana analtica da marca Scientech, modelo SA

120, um pHmetro da Metrohm e micropipetas de 100 L, 1 mL e 5 mL da

marca Labmate soft.

Um notebook, processador Intel CoreTM i5-2410M de 2,3 GHz e

memria RAM de 6 Gb, foi usado para interfacear o fotmetro proposto

por intermdio da porta USB. A conexo est diretamente ligada

plataforma Arduino, permitindo controlar no sistema: o monitoramento

dos sinais gerados pelo detector.

Para fins de comparao de desempenho com o instrumento

proposto, utilizou-se um fotmetro da Micronal, modelo B34211.

PARTE EXPERIMENTAL

29

2.3. Desenvolvimento do fotmetro

O instrumento proposto emprega componentes compactos e de fcil

aquisio. O fotmetro foi desenvolvido em uma caixa plstica (marca

patola e modelo PB 114) com dimenses 14,8 x 9,7 x 5,5 cm, conforme

ilustrado na Figura 2.1. Para a sua montagem foi utilizado: um LED que

abrange trs regies do visvel (RGB), um fototransistor, uma plataforma

Arduino Uno e um suporte para clula de medida.

Figura 2.1. Vista frontal do fotmetro proposto.

2.3.1. Fonte de radiao

O LED-RGB utilizado no fotmetro proposto tem intensidade

radiante alta, sendo constitudo de uma estrutura com lente esfrica e

corpo cilndrico de epxi transparente (Figura 2.2).

Figura 2.2. LEDs RGB utilizados no fotmetro.

PARTE EXPERIMENTAL

30

O referido LED, que formado por trs "chips", emite radiao com

comprimentos de onda em trs regies do espectro visvel. Os

comprimentos de onda, registrados no Espectrofluormetro Ocean Optics

400 USB, correspondentes intensidade mxima (max) so, respectivamente, 630 nm, 534 nm, 480 nm como indicado nos espectros

apresentados na Figura 2.3.

Figura 2.3. Espectros de emisso do LED tricolor especificando o max para cada regio.

Na Figura 2.4 so mostradas a pinagem e as dimenses do LED-

RGB utilizado no fotmetro.

Na alimentao para o funcionamento do LED, a tenso no pode

ser aplicada diretamente entre seus terminais, uma vez que a corrente

deve ser limitada para no danific-lo. Assim, o uso de um resistor

limitador comum nos circuitos que os utilizam.

PARTE EXPERIMENTAL

31

Figura 2.4. Dimenses e pinagem do LED (L200CWRGB1K-4C-IL) utilizado no fotmetro, unidade em mim.

2.3.2. Fototransdutor

O detector de radiao escolhido para aquisio dos sinais analticos

foi um fototransistor por ser barato e de fcil aquisio, e por apresentar

uma boa relao sinal/rudo e permitir amplificao. Sua aparncia

semelhante de um LED com espessura de 5 mm, porm possui

encapsulamento transparente e opera com polarizao inversa. Ele possui

dois terminais, correspondendo ao coletor e emissor do transistor. As

dimenses e pinagem encontram-se ilustradas na Figura 2.5.

Figura 2.5. (a) Dimenses e pinagem do fototransitor (BP 103 B) utilizado no fotmetro,

unidade mm. (b) Fototransistor utilizado no fotmetro.

PARTE EXPERIMENTAL

32

A resposta do fototransitor abrange praticamente toda a regio

espectral do visvel. Esta caracterstica favorece o uso desse dispositivo

para aplicaes fotomtricas.

2.3.3. Suporte para clula de medida

O suporte da cubeta do fotmetro LED-VIS, mostrado na Figura

2.6, foi construdo levando em considerao a espessura da cubeta de

plstico escolhida para a realizao das anlises. Sendo assim, a distncia

entre o emissor (LED) e o receptor (fototransistor) foi estabelecida como

sendo de, aproximadamente, 1 cm. Deste modo, os componentes foram

posicionados a fim de que ficassem alinhados um em direo ao outro.

Figura 2.6. Suporte para cubeta usada no fotmetro de LED proposto.

Para efetuar uma medida, coloca-se a soluo absorvente

(calibrao e/ou amostra) na cubeta at uma altura acima de

aproximadamente 2,5 mL. Garantindo assim, que a soluo absorvente

estar no caminho ptico.

PARTE EXPERIMENTAL

33

2.3.4. Plataforma Arduino UNO

A escolha do Arduino para o desenvolvimento do fotmetro proposto

foi motivada pelo fato da grande facilidade de instalao e programao.

A placa dispe de um vasto conjunto de dispositivos de apoio ao

microcontrolador, o que tornou a montagem do instrumento mais simples.

Para comear a utilizar o Arduino Uno foi preciso lig-lo a um computador

por intermdio de um cabo USB.

Na Figura 2.7, encontra-se uma fotografia da plataforma do

Arduino Uno. Os principais componentes e os pinos de ligao utilizados,

so os seguintes:

Figura 2.7. Plataforma do Arduino Uno, onde se identificam os componentes e os pinos de ligao. 1.porta USB, 2.pinos digitais, 3. pinos de alimentao e 4.pinos analgicos.

1. PortaUSB: foi usada para comunicao serial com um computador;

2. Pinos digitais: foram usados os pinos 11, 12, e 13 para a

alimentao dos LEDs RGB (vermelho, verde e azul),

respectivamente;

3. Pinos de alimentao: so usados para alimentao dos circuitos

externos do Arduino. Serviu para alimentar o fototransistor com 5V.

PARTE EXPERIMENTAL

34

4. Pinos analgicos: so usados para leituras de sinais de sensores.

Dos cinco pinos disponveis, foi utilizado o pino A2. Onde sinais

analgicos so convertidos em sinais digitais;

2.3.5. Circuito Externo acoplado ao Arduino para o desenvolvimento do fotmetro LED-VIS

O circuito eletrnico responsvel pelo acionamento da fonte de

radiao e do detector acoplados plataforma Arduino muito simples,

conforme mostrado na Figura 2.8.

Figura 2.8. Circuito externo acoplado plataforma Arduino. Acionamento dos LEDs,

cujos botes so mostrados na Figura 2.1: BR - Boto de acionamento do vermelho, BG -

Boto do verde e BB - Boto de acionamento do azul, bem como do fototransistor.

Os terminais do LED foram conectados aos pinos digitais 11, 12 e 13

do Arduino, os quais permitem efetuar a alimentao referente a cada cor

do LED-RGB. O pino 11 alimenta o LED azul, o pino 12 o LED verde e o

pino 13 o LED vermelho. A corrente que passa em cada LED limitada por

um resistor de 2,2 k. O acionamento de cada boto permite ao LED-RBG

PARTE EXPERIMENTAL

35

irradiar cada cor individualmente, possibilitando a realizao das medidas

correspondentes ao comprimento de onda associado a cada cor do LED.

A potncia radiante emergente da cubeta captada por um

fototransistor, o qual foi alimentado pelo pino de alimentao de 5 V do

Arduino. A corrente de resposta gerada pelo fototransistor proporcional

potncia radiante captada, porm fez-se necessrio a implementao de

um divisor de voltagem, pois os pinos analgicos do Arduino Uno podem

apenas realizar medies de voltagem. O resistor de 3,3 k define um

nvel especfico de sensibilidade para as medidas. Os sinais analgicos

produzidos durante as medidas so enviados para um conversor

analgico-digital de resoluo igual a 10 bit interno ao microcontrolador

Atmega 328 atravs do pino analgico A2. O sinal digital gerado pelo

conversor foi filtrado e processado posteriormente.

2.3.6. Interface da Execuo dos comandos para a gerao da resposta instrumental do fotmetro desenvolvido

Ao executar a IDE (Integrated Development Enviroment)

necessrio saber qual placa vai ser utilizada para que a IDE a reconhea.

Para isso, preciso selecionar as seguintes ferramentas: Tools/Board e

escolher a placa Arduino UNO. Depois, seleciona-se a porta serial

correspondente ao Arduino Uno. Aps estabelecer essas configuraes,

abre-se o monitor de comunicao serial para ento dar prosseguimento

ao processo de anlise.

A programao foi desenvolvida com base nas posies dos

terminais da fonte de radiao e do detector, localizados no Arduino,

como descrita na seo 2.3.5, assim como para as leituras dos sinais

(branco e analito). A operao do instrumento baseia-se no envio de

determinados caracteres para que o Arduino execute tarefas especficas.

As principais linhas de comando esto ilustradas no diagramas de bloco na

Figura 2.9.

PARTE EXPERIMENTAL

36

Figura 2.9. Diagrama das principais linhas de comando.

Depois da programao finalizada, efetuada uma compilao para

verificao de erros existentes e, em seguida, o upload no qual os cdigos

so enviados para placa. Depois disso, abre-se o serial monitor conforme

ilustrado na Figura 2.10 para observar o monitoramento dos sinais

durante as medidas.

Figura 2.10 Ambiente de sada no serial monitor

PARTE EXPERIMENTAL

37

2.4.O sistema contendo o instrumento proposto

O princpio de funcionamento do sistema contendo o instrumento

proposto (Figura 2.11) muito simples: conecta-se o Arduino no

computador por meio de um cabo USB, abre o software IDE e aciona o

boto do LED desejado para a anlise. Em seguida, o analista deve

adicionar a soluo absorvente (padro ou amostra) e coloc-la no porta

cubeta do aparelho. A leitura da potncia radiante emergente da cubeta

capitada pelo fototransistor iniciada atravs de uma linha de comando,

acionado pelo analista, descrita na seo 2.3.6. Assim como a leitura do

sinal do branco. Na tela da Figura 2.10 pode-se visualizar as informaes

enviadas da placa para o computador. Em outras palavras, tem-se o

monitoramento dos valores dos sinais das solues de calibrao, do

branco e das amostras analisadas no instrumento desenvolvido.

Figura 2.11. Sistema contendo o fotmetro proposto.

Todos os valores dos sinais (branco, solues de calibrao e

analito), visualizados no ambiente de sada do serial monitor, so medidos

em voltagem. Tais sinais so convertidos em transmitncia e

posteriormente em absorbncia no programa Microsoft Excel. Da mesma

PARTE EXPERIMENTAL

38

forma, realizou-se o clculo da concentrao do analito nas amostras

usando o modelo de calibrao (curva analtica) baseado na lei de Beer

(Seo 1.4.1).

O clculo da absorbncia (A) efetuado com base nos valores do

sinal do branco e do analito, aplicando-se a expresso:

onde a razo entre os valores dos sinais no argumento do logaritmo

expressa a transmitncia, conforme descrito na Seo 1.4.1.

2.5. Estratgia para aplicao do fotmetro proposto

O fotmetro LED-RGB microcontrolado permite realizar medidas

fotomtricas envolvendo as radiaes azul, verde e vermelha. Das trs

possibilidades existentes para a quantificao das espcies absorventes,

foram utilizadas apenas duas faixas de comprimentos de onda do LED-

RGB: a regio do verde (LED-G) e do azul (LED-B).

A soluo de calibrao de permanganato de potssio foi medido

atravs do LED-G e a de amarelo crepsculo foi medido atravs do LED-B.

A no utilizao do LED-vermelho est relacionada as amostras contendo

o corante azul brilhante no corresponder ao mesmo comprimento de

onda da soluo padro utilizado para o levantamento da curva analtica.

A = - log (sinal do analito / sinal do branco)

(2.1)

PARTE EXPERIMENTAL

39

2.6. Avaliao do desempenho do fotmetro proposto

2.6.1. Estabilidade da fonte de radiao (LED)

A estabilidade foi monitorada pela intensidade da fonte de radiao

gerada quando a radiao do LED sem a cubeta, incidia no fototransdutor.

O perodo de monitorao da estabilidade da fonte foi de 8 (oito) horas,

com intervalos de medio inicial de 10 (dez) minutos e, aps 2 (duas)

horas, o intervalo foi aumentado para 20 min at completar o perodo de

8 (oito) horas.

2.6.2. Parmetros de validao da curva analtica

A anlise de referncia para as amostras de permanganato de

potssio e amarelo crepsculo foi realizada por meio de curvas analticas

univariadas. As curvas analticas foram obtidas utilizando a mdia do valor

de absorbncia mximo do sinal analtico de cinco replicatas. Para que as

curvas analticas sejam usadas para a quantificao das amostras,

preciso valid-las.

Os parmetros de validao para avaliar o desempenho analtico

foram:linearidade da curva analtica, funo da resposta (grfico

analtico), sensibilidade, preciso, limite de deteco (LOD), limite de

quantificao (LOQ), desvio padro conjunto e teste de recuperao. E

so caracterizados nos tpicos a seguir[71].

2.6.2.1. Linearidade da curva analtica

A linearidade refere-se capacidade do mtodo de gerar resultados

linearmente proporcionais concentrao do analito, quando esto de

acordo com a faixa analtica especificada. [71-73]

Para cada analito foram obtidas as faixas lineares de trabalho, que

correspondem s concentraes do analito que fornecem uma resposta

analtica diretamente proporcional a estas concentraes.

PARTE EXPERIMENTAL

40

2.6.2.2. Funo da resposta (grfico analtico)

O grfico analtico deve apresentar os dados estatsticos de

interseco, da equao da regresso linear, o coeficiente de correlao

ou de determinao e a concentrao estimada dos calibradores

(solues-padro). Portanto, para que seja possvel a obteno da curva

analitica, foi preciso ser preparadas as solues padro com nveis de

concentraes diferentes.

Julga-se satisfatria a linearidade do grfico (Tabela 2.1) quando o

coeficiente de correlao da reta obtida no estatisticamente diferente

da unidade[72,73].

TABELA 2.1. Coeficientes de correlao da reta.

2.6.2.3. Sensibilidade

A sensibilidade a capacidade do mtodo em distinguir, com

determinado nvel de confiana, duas concentraes prximas[74]. A

sensibilidade est relacionada ao coeficiente angular do grfico analtico.

O coeficiente angular foi obtido levando em considerao a

quantidade de nveis de concentraes, pontos na curva, recomendados

para a obteno do grfico analtico esperado. Ou seja, uma apropriada

relao linear entre as concentraes das solues padres e

absorbncia.

R = 1 Correlao perfeita

0,91 < R < 0,99 Correlao fortssima

0,61 < R < 0,91 Correlao forte

0,31 < R < 0,60 Correlao mdia

0,01 < R < 0,30 Correlao fraca

R = 0 Correlao nula

PARTE EXPERIMENTAL

41

2.6.2.4. Preciso

A preciso est relacionada com a proximidade entre vrias medidas

efetuadas na mesma amostra. Ou seja, refere-se disperso entre as

medidas repetidas sob as mesmas condies.

Foram realizadas medidas com trs repeties autnticas para as

solues padro e cinco repeties para cada amostra, afim de estimar o

desvio-padro. Este parmetro de desempenho representa a disperso

das medidas entre ensaios independentes e repetidos, de uma mesma

amostra sob condies definidas.

2.6.2.5. Limite de deteco (LOD) / quantificao (LOQ)

O limite de deteco est relacionado a menor concentrao da

espcie de interesse que pode ser detectada pela tcnica instrumental

utilizada, j o limite de quantificao corresponde concentrao mais

baixa que pode ser quantificada dentro dos limites de reprodutibilidade

das medidas pelo mtodo empregado[9,71].

O mtodo da estimativa do limite de deteco e quantificao foi

baseado em parmetros da curva analtica. Visto que estes apresentam

maior confiabilidade estatstica e robustez, levando em considerao o

intervalo de confiana da regresso[75]. Neste caso, o LOD e o LOQ so

estimados a partir do intervalo de confiana e podem ser estimados a

95% de confiana estatstica[75]. Tais estimativas foram realizadas por

intermdio de uma anlise de varincia (ANOVA) descrita na seo 2.5.3.

Para cada curva analtica, os limites de deteco e quantificao

foram estimados conforme as Equaes 2.1 e 2.2:

bSLOD 3= (2.2)

bSLOQ 10= (2.3)

PARTE EXPERIMENTAL

42

onde a inclinao da curva analtica estimada pela regresso linear atravs do mtodo dos mnimos quadrados e Sb o desvio padro do

branco para 20 medidas.

2.6.2.6. Desvio padro conjunto

O desvio padro definido como sendo a raiz quadrada da

varincia. Foi medido o grau de disperso dos dados numricos em torno

de um valor mdio.

O desvio padro conjunto foi determinado pela razo entre

varincias individuais calculadas para cada amostra do conjunto e o total

de amostras analisadas.

Em casos especficos onde o nmero de determinaes repetidas

mantido constante, pode se obter o desvio padro conjunto, aplicando se

a Equao 2.3.

Ns

s iconj

2= (2.4)

Onde N o nmero total de amostras e si a varincia encontrada para o

conjunto de medidas de cada amostra.

2.6.2.7. Teste de recuperao

Os testes de recuperao[76] foram utilizados comparando-se

resultados obtidos da anlise das amostras puras com os resultados

obtidos ao analisar as amostras contendo concentraes conhecidas de

padres.

Foram realizadas medidas das amostras, no instrumento proposto

para avaliao da percentagem de recuperao nos analitos.

A quantidade percentual recuperada (R) foi calculada subtraindo-se

a concentrao determinada na amostra adicionada (C1) da concentrao

determina da na amostra no adicionada (C2), dividindo-se pela

PARTE EXPERIMENTAL

43

concentrao adicionada (C3), multiplicando-se por 100, conforme a

Equao 2.4:

2.6.3. Procedimentos e tratamentos estatsticos da curva analtica

Em anlises qumicas, o modelo de calibrao pode ser usado para

estimar a concentrao do analito de maneira satisfatria apenas se for

capaz de descrever o comportamento dos valores experimentais.

Portanto, o modelo predito no pode apresentar evidncias de falta de

ajuste e deve refletir uma significativa regresso estatstica. Desta forma,

a validao do modelo de calibrao geralmente realizada por meio de

uma analise de varincia (ANOVA)[77,78]. A Tabela 2.2 apresenta as

equaes para ANOVA de dados experimentais adaptados para modelos

lineares pelo mtodo dos mnimos quadrados (MMQ).

TABELA 2.2. Equaes para a ANOVA dos dados experimentais adaptados aos modelos lineares estimados pelos mtodos dos mnimos quadrados.

Fonte de Variao Soma Quadrtica

(SQ) Graus de liberdade

(gl) Mdia Quadrtica

(MQ)

Regresso ni[(ye)i ym]2 p - 1 SQreg/(p-1)

Resduo [yij - (ye)i]2 n - p SQr/(n-p)

Falta de Ajuste ni[(ye)i - yim]2 m - p SQfaj/(m-p)

Erro Puro [yij - yim]2 n - m SQep/(n-m)

O ndice i indica o nvel da varivel X; o ndice j refere-se s medidas repetidas da varivel Y em um dado nvel

de X; p = nmero de parmetros do polinmio do modelo de calibrao; n = nmero total de medidas; m =

nmero de nveis da varivel independente X.

A validao de modelos lineares pela aplicao do mtodo d

Desenvolvimento de um fotômetro LED-Vis portátil.pdf

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