Técnica de análise instrumenta l- Espetroscopia molecular

Métodos Instrumentais

Espectroscopia

Ana Rosa Garcia 2009


Ana Rosa Garcia

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Índice

I. Introdução ...................................................................................................................................................... 3

I.1. O Que é a espectroscopia.........................................................................................................................3 I.2. O Espectro electromagnético ....................................................................................................................4

I.2.1. Propriedades da luz ............................................................................................................................4 I.2.2. Parâmetros das ondas ........................................................................................................................4 I.2.3. Energia da radiação ............................................................................................................................5 I.2.4. Regiões do espectro electromagnético...............................................................................................5

II. Os Espectros.................................................................................................................................................. 6 II.1. Tipos de estudos espectroscópicos ..........................................................................................................7 II.2. Ruído espectral .........................................................................................................................................8

II.2.1. Ruído químico .....................................................................................................................................9 II.2.2. Ruído instrumental ..............................................................................................................................9

II.3. Maximização da razão Sinal/Ruído .........................................................................................................10 II.4. Processamento de sinal ..........................................................................................................................11

II.4.1. Operações aritméticas do sinal.........................................................................................................11 III. Espectroscopia de Absorção Molecular.................................................................................................... 15

III.1. Bases teóricas .........................................................................................................................................15 III.1.1. Regras de selecção ..........................................................................................................................16

III.2. Absorvência e transmitância ...................................................................................................................17 III.3. Análise qualitativa....................................................................................................................................18

III.3.1. Decomposição de bandas de espectros ...........................................................................................18 III.4. Análise quantitativa .................................................................................................................................19

III.4.1. Lei de Lambert-Beer .........................................................................................................................20 III.4.1.1 Hipótese de Lambert ..................................................................................................................20 III.4.1.2 Hipótese de Beer........................................................................................................................20

III.4.2. Análise de um sistema de multicomponentes - Misturas ..................................................................21 III.4.3. Análise de misturas binárias: Sistemas com dois componentes ......................................................22

III.4.3.1 Espectros bem resolvidos ..........................................................................................................22 III.4.3.2 Sobreposição espectral ..............................................................................................................23

III.4.3.2.1 Análise a dois comprimentos de onda ..............................................................................23 III.4.3.2.2 Análise por regressão linear a vários comprimentos de onda ..........................................24 III.4.3.2.3 Ponto isosbéstico..............................................................................................................24

III.4.4. Desvios à lei de Lambert-Beer..........................................................................................................25 III.4.4.1 Lei limite .....................................................................................................................................25 III.4.4.2 Desvios químicos .......................................................................................................................25

III.4.4.2.1 Equilíbrio ácido-base: ácido fraco em solução .................................................................25 III.4.4.2.2 Formação de dímeros.......................................................................................................26 III.4.4.2.3 Formação de complexos...................................................................................................26

III.4.4.3 Desvios Instrumentais ................................................................................................................27 III.4.4.4 Condições experimentais mais adequadas................................................................................28

III.5. Escolha de um método de análise ..........................................................................................................29


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IV. Espectroscopia de Absorção Molecular UV/vis........................................................................................ 31 IV.1. Bases teóricas .........................................................................................................................................31 IV.2. Instrumentação ........................................................................................................................................33

IV.2.1. Tipos de Espectrofotómetros ............................................................................................................33 IV.2.2. Fontes de Radiação ..........................................................................................................................35 IV.2.3. Selectores de comprimento de onda ................................................................................................38 IV.2.4. Células (porta-amostra) ....................................................................................................................41 IV.2.5. Detectores.........................................................................................................................................42

IV.3. Titulações espectrofotométricas ..............................................................................................................44 V. Espectroscopia de Emissão Molecular......................................................................................................47

V.1. Teoria da Fotoluminescência ..................................................................................................................47 V.1.1. Variáveis que afectam a fluorescência .............................................................................................50

V.2. Espectros de emissão e de excitação .....................................................................................................53 V.2.1. Bandas de difusão de Rayleigh e de Raman....................................................................................53 V.2.2. Concentração e intensidade de fluorescência ..................................................................................54

V.3. Quimiluminescência ................................................................................................................................55 V.3.1. Produtos quimiluminescentes ...........................................................................................................57

V.4. Instrumentação ........................................................................................................................................57 V.4.1. Fluorímetros e fosforímetros .............................................................................................................58 V.4.2. Luminómetros ...................................................................................................................................59

V.5. Métodos de derivatização........................................................................................................................60 VI. Espectroscopia de Infravermelho ..............................................................................................................61

VI.1. Bases teóricas .........................................................................................................................................61 VI.1.1. Moléculas Diatómicas: modelo do oscilador harmónico ...................................................................61 VI.1.2. Moléculas Diatómicas: modelo do oscilador anarmónico .................................................................62 VI.1.3. Moléculas poliatómicas .....................................................................................................................63 VI.1.4. Regras de selecção ..........................................................................................................................63 VI.1.5. A simetria molecular e o momento dipolar de transição ...................................................................64

VI.2. Análise Qualitativa ...................................................................................................................................65 VI.2.1. Correlação entre os espectros de infravermelho e a estrutura molecular ........................................65

VI.3. Análise Quantitativa.................................................................................................................................67 VI.4. Instrumentação ........................................................................................................................................68

VI.4.1. Espectrofotómetros dispersivos ........................................................................................................68 VI.4.2. Espectrofotómetros com transformada de Fourier............................................................................68 VI.4.3. Fontes de radiação ...........................................................................................................................71 VI.4.4. Detectores.........................................................................................................................................71 VI.4.5. Sistema óptico...................................................................................................................................74 VI.4.6. Porta-amostras..................................................................................................................................74 VI.4.7. Tipos de análise por FTIR.................................................................................................................74

VII. Anexo I .......................................................................................................................................................... 76 VII.1. Outro modo de deduzir a lei de Lambert-Beer: .......................................................................................76

VIII. Bibliografia ................................................................................................................................................... 77


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I. Introdução As técnicas de análise instrumental têm sofrido avanços significativos no sentido de as tornar cada vez mais

sensíveis e precisas, de modo a que as análises (medidas) possam ser efectuadas rapidamente e com elevado grau de confiança. As análises instrumentais em química, cada vez mais sofisticadas, têm permitido aprofundar o conhecimento sobre a natureza das interacções que conduzem a alterações químicas, e à identificação de espécies, mesmo vestigiárias, de grande complexidade.

A maior parte do equipamento pode ser adquirido “pronto a utilizar”, não necessitando o operador de muito conhecimento técnico sobre os componentes que o constituem, ou sobre o modo como estes funcionam. No entanto, a utilização do equipamento como se de uma “caixa negra” se tratasse pode ser muito limitativa, pois nada mais se pode obter do que aquilo que os fabricantes entenderam necessário para o equipamento. Esta atitude, na análise química moderna, que obriga ao desenvolvimento de mais e melhores técnicas de análise para responder aos actuais desafios, não pode ser a de quem utiliza os equipamentos quer se tratem de laboratórios de análise ou mesmo investigação.

Existe cada vez mais a necessidade de adaptar aos equipamentos (instrumentos) base novos elementos, de modo a optimizar e rentabilizar a sua utilização O conhecimento de cada um dos componentes do instrumento, e do modo como estes funcionam e se relacionam entre si, torna-se portanto premente. Alterações, que podem ser mais ou menos profundas, permitem desenvolver novos tipos de análises, e/ou alargar o potencial de utilização dos equipamentos. Por último, mas não menos importante, apenas quando se compreende tecnicamente o funcionamento do instrumento com se efectuou a análise é possível fazer uma avaliação correcta dos resultados, que são o objectivo final de todo o trabalho desenvolvido.

I.1. O Que é a espectroscopia A espectroscopia é o estudo da radiação, em função do comprimento de onda (ou energia), que é

emitida, reflectida ou difundida através de um sólido, de um líquido ou de um gás.

O termo espectroscopia era inicialmente utilizado para referir um ramo da ciência no qual a luz, ou radiação visível, era resolvida nos seus comprimentos de onda (energias), e com os quais se obtinha um espectro. Este podia ser utilizado para estudos teóricos sobre a estrutura da matéria ou ainda para análises qualitativas (de identificação) e quantitativas. Posteriormente, com a utilização mais generalizada de outras regiões do espectro electromagnético, o termo espectroscopia tornou-se mais abrangente de modo a incluir os estudos efectuados com radiação com todas as energias acessíveis. Actualmente, já não se pensa na espectroscopia apenas como um estudo da interacção da radiação com a matéria, pois esta inclui outros tipos de interacção, como por exemplo, com iões (espectrometria de massa, ou de iões secundários – SIMS), electrões (espectroscopia de excitação por electrões de baixa e alta energia – HREELS ou LEED) ou ondas sonoras (espectroscopia acústica).

A energia pode ser transferida para o sistema (ou do sistema) sob várias formas, tais como calor, luz, ou reacções químicas. O processo de transferência para o sistema de energia sob a forma de radiação é designado por processo de absorção. Quando a energia é libertada do sistema sob a forma de radiação (luz) é designada por luminescência. Um fenómeno de libertação de energia que alguns sistemas apresentam a temperaturas muito elevadas é a incandescência. Quando a libertação de energia ocorre devido a reacções químicas, esse processo é denominado por quimiluminescência.

Figura 1 – Esquema geral de análises espectroscópicas

A espectroscopia permite inferir acerca de aspectos fundamentais do sistema em estudo, sendo as informações analíticas mais relevantes: (a) Molecular/Atómica (Qualitativa e/ou quantitativa); (b) Sistema Molecular (Interacções)


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I.2. O Espectro electromagnético I.2.1. Propriedades da luz

A radiação é a emissão e transmissão de energia no espaço, sob a forma de ondas. Numa onda electromagnética existem dois componentes (segundo a teoria de Maxwell): componente do campo eléctrico e componente do campo magnético.

Figura 2 – Representação da onda electromagnética segundo a teoria de Maxwell

Os componentes da onda electromagnética são perpendiculares entre si, mas possuem as mesmas características: comprimento de onda e frequência iguais, ou seja, a mesma velocidade de propagação.

I.2.2. Parâmetros das ondas A velocidade de propagação de uma onda depende do meio em que se propaga e resulta do

produto do comprimento de onda pela frequência:

eq. 1

No vácuo admite-se que esta velocidade corresponde à velocidade da luz (c):

v = c = 2,9979x1010 cm.s-1.

Em outro meio, que não o vácuo, a velocidade da luz é sempre menor e está directamente relacionada com o índice de refracção (n):

eq. 2

Deste modo quando há passagem de uma onda em dois meios diferentes, esta deve alterar alguma das suas propriedades (ou características), comprimento de onda ou frequência.

Figura 3 – A onda electromagnética e os parâmetros que a caracterizam.

Comprimento de onda (λ): distância entre dois pontos equivalentes em ondas sucessivas (unidades em cm, Å ou nm...).

Amplitude (a): distância, na vertical, entre o meio da onda sinosoidal e o seu máximo (ou mínimo).

Frequência (ν): número de ciclos de passagem de uma onda num determinado ponto por unidade de tempo (1 Hz = 1 ciclo/s)

Número de ondas ( ): inverso do comprimento de onda ( =1/λ) e portanto as suas (unidades são o inverso das unidades do comprimento de onda, cm-1, Å-1 ou nm-1...)


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I.2.3. Energia da radiação Pela teoria quântica de Planck, quantum é a mais pequena quantidade de energia que pode ser

emitida (ou absorvida) na forma de radiação electromagnética, sendo a energia (E) de um quantum emitido proporcional à frequência da radiação:

eq. 3

em que h é a constante de proporcionalidade (ou de Planck) e o seu valor 6,63x10-34 J.s.

A dualidade onda-corpúsculo permite descrever a radiação como uma onda ou como uma partícula, ou seja, a radiação pode ter um carácter ondulatório ou corpuscular. Assim, um fotão pode ser definido como um feixe de partículas com uma determinada energia. Estas energias são em geral discretas (não se trata de um contínuo de energia), uma vez que apenas um tipo de energia pode interactuar com uma molécula específica: quantificação de energia.

A energia de um fotão é igual à energia do quantum, pelo que E = hν ou E = h(c/λ) no vácuo.

A radiação monocromática (uma cor) é composta por um feixe de fotões com um comprimento de onda apenas, sendo por oposição a radiação heterocromática (mais que uma cor) composta por fotões com diferentes energias (ou comprimentos de onda).

A intensidade da radiação é proporcional ao número de fotões propagados no feixe por unidade de tempo. Esta característica da radiação não tem necessariamente uma relação directa com a energia.

I.2.4. Regiões do espectro electromagnético

A primeira experiência fundamental sobre a natureza da luz foi realizada por Newton, em 1666, ao decompor por meio de um prisma a luz branca do sol nas suas componentes de cores diferentes.

Figura 4 – Decomposição da luz visível por um prisma.

Em 1800, William Herschel ao determinar a

temperatura de cada uma das cores na qual a luz solar se divide ao ser refractada por um prisma, verificou que a parte mais quente da radiação ocorre na zona invisível depois da banda vermelha – região que designou por infravermelho.

Figura 5 – Montagem da experiência original de Herschel

Na mesma altura Johann Ritter verificou que a reacção fotoquímica do cloreto de prata é mais eficiente com radiação com frequências superiores à risca violeta, tendo designando esta região invisível ao olho humano por região do ultravioleta. No início do século XIX, ficam deste modo identificadas as três regiões espectrais mais utilizadas, até aos nossos dias, em análises de rotina. Na figura seguinte estão representadas as diferentes regiões espectrais e as suas características mais importantes.


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Figura 6 – Relação entre as diferentes regiões do espectro electromagnético e o comprimento de onda da radiação correspondente.

II. Os Espectros

Um espectro pode ser definido como a representação gráfica da variação do sinal que chega ao detector em função da energia da radiação incidente (espectros de absorção) ou emergente (espectros de emissão).

A interacção da radiação com uma molécula (ou átomo) vai provocar uma alteração da energia global da molécula, esta passa de um estado fundamental (de menor energia) para níveis de energia mais elevados. Ao absorver a energia de um fotão a molécula (ou átomo) passa para um estado excitado:

o tempo de permanência no estado excitado depende no tipo de molécula e da transição, mas ao fim de um tempo há passagem de novo para o estado fundamental,

A transição para o estado fundamental ocorre sempre com libertação de energia (en), embora esta energia possa ser muito diversa: térmica, radiante, química...

O estudo dos diferentes níveis energéticos de uma molécula, nos múltiplos pormenores da sua complexa organização, implica o varrimento e a análise de uma gama muito vasta de comprimentos de onda (ultra-violeta, visível, infravermelho...).

Figura 7 – Exemplo de espectros de absorção molecular

A obtenção de um espectro completo, ou seja, a análise da influência de toda a radiação do espectro electromagnético sobre a amostra, levanta problemas experimentais: (i) não existe uma


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fonte de radiação (única) para toda a gama de comprimentos de onda; (ii) cada região do espectro electromagnético necessita de componentes específicos (no espectrofotómetro) para a sua detecção. Assim, esta caracterização “ideal”, não pode ser efectuada de um modo simples, exigindo um conjunto mais ou menos vasto de experiências e espectrofotómetros.

Os espectros permitem efectuar dois tipos de análise: qualitativa e quantitativa.

• Análise qualitativa, consiste na interpretação do espectro no sentido de identificar e/ou caracterizar as espécies presentes na amostra.

• Análise quantitativa, tem como objectivo, sabendo as espécies presentes na amostra, determinar a quantidade (concentração) de cada espécie.

II.1. Tipos de estudos espectroscópicosNas moléculas (ou átomos) podem ser induzidas diferentes transições energéticas: nucleares, ou

electrónicas, ou vibracionais (apenas em moléculas)... Estas transições são dependentes da radiação utilizada, ou seja, cada perturbação só é induzida por comprimentos de onda específicos devido ao facto da sua energia se encontrar quantificada. A quantificação de energia implica ainda que os níveis de energia são discretos e não um contínuo de energias, sendo por isso característicos para cada molécula (ou átomo).

O tipo de espectroscopia de absorção depende do tipo de transição envolvida e de acordo com a gama de frequências onde absorve no espectro electromagnético:

(1) Se a absorção é acompanhada por uma transição de um nível rotacional para outro nível rotacional então a radiação é na gama das micro-ondas no espectro electromagnético e a técnica é a espectroscopia rotacional (ou de micro-ondas);

(2) Quando a transição ocorre entre níveis vibracionais, a radiação é na gama espectral do infravermelho e a técnica é conhecida como espectroscopia de infravermelho;

(3) No caso da transição alterar na molécula a configuração electrónica dos electrões de valência, então a radiação é na gama do ultra-violeta e/ou visível, e a técnica é conhecida como espectroscopia ultra-violeta/visível (ou UV-vis) ou de absorção electrónica.

Figura 8 – As diferentes regiões do espectro electromagnético e a natureza das alterações provocadas pela radiação correspondente


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Os métodos espectroscópicos baseiam-se em alguns fenómenos comuns. A resposta do sistema (matéria) quando perturbado pela radiação incidente pode conduzir a um processo de:

• Absorção:

Passagem de um átomo ou molécula de um estado de energia mais baixo para um estado de energia mais elevado, quando o quantum de energia coincide com o de uma transição permitida.

, em geral as moléculas tendem a voltar rapidamente ao estado fundamental com libertação de calor ( ), é feita a medida da intensidade de radiação que as moléculas “utilizam” para passar do estado fundamental para o estado excitado

• Emissão:

Passagem de um átomo ou molécula de um estado de energia mais elevado para o estado fundamental (de energia mais baixo) por um processo radiativo. Existem dois processos de excitação das moléculas, (a) por interacção com a radiação (igual ao processo de absorção)

, neste caso trata-se de fluorescência ou fosforescência, ou (b) por acção de outros processos que não a radiação (por exemplo por aquecimento a temperaturas muito elevadas) ; sendo efectuadas medidas de intensidade de radiação com energia hν’ emitida pela amostra.

• Quimiluminescência:

A libertação de energia sob a forma de luz por um processo de envolvendo uma reacção química, esta é designada por quimiluminescência. Um exemplo, é a reacção quimiluminescente resultante da reacção de um produto combustível com um oxidante, esta reacção dá origem a produtos no estado excitado que emitem luz. No entanto, este processo de desexcitação radiativa pode ser confundido com a emissão por incandescência, uma vez que às temperaturas a que ocorre a reacção, o calor libertado promove a formação de quantidades mais ou menos elevadas de partículas incandescentes.

• Dispersão ou difusão:

Nestes processos não há uma absorção de radiação mas a interacção com o analito (amostra) resulta em alterações de energia da radiação difundida, . Os dois processos mais conhecidos são a difusão de Raleigh e Raman.

II.2. Ruído espectral As medidas experimentais nunca são completamente exactas e/ou precisas, mesmo quando se

utilizam equipamentos sofisticados, vêm afectadas por erros. Estes podem ser divididos em duas classes (ou tipos): erros sistemáticos, os quais conduzem a medidas sempre mais elevadas ou inferiores às do valor “correcto” com uma percentagem ou valor constante; e erros aleatórios, que provocam variações não constantes em cada medição ou em cada momento. Este último tipo de erro é muitas vezes designado como ruído, numa analogia com o ruído acústico. Em espectroscopia, as medidas (espectros) são, em geral, constituídas por dois sinais. Um dos sinais contém a informação sobre o analito (o que se pretende analisar). O segundo sinal, o ruído, com variações aleatórias e em geral sobreposto ao primeiro, é informação adicional não tem qualquer interesse para a análise e contribui para uma pior exactidão e/ou precisão da análise. O que distingue o ruído do sinal é o facto de o ruído não ser reprodutível de uma medida para outra (quer em posição, quer em amplitude) enquanto que o sinal “genuíno” é pelo menos parcialmente reprodutível (a sua posição não deve variar). Um ruído elevado nas medidas efectuadas, pode também ter como consequência um aumento do limite de detecção (e claro, do limite de quantificação também). A amplitude do ruído é usualmente definida como o desvio padrão do sinal medido (s), pelo que a razão sinal/ruído (S/N) pode ser obtida do valor médio das medidas efectuadas ( ) pela seguinte expressão:

eq. 4


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A razão sinal/ruído é muitas vezes utilizada como indicador da qualidade do espectro, sendo uma medida fiável a que apresenta um valor de S/N maior ou igual a três.

Os espectros podem apresentar dois tipos de ruído: químico, variáveis que afectam a estabilidade química do sistema em estudo (ex. temperatura, pressão ou humidade); e instrumental, associado a cada um dos componentes do sistema de medida (ex. oscilações da fonte de radiação, interferências electrónicas)

II.2.1. Ruído químico O ruído químico deriva de um conjunto de variáveis não controladas que afectam a química do

sistema em análise. Variações de pressão ou temperatura, são alguns dos parâmetros que podem induzir alterações significativas no equilíbrio químico. Outros exemplos são: alterações de humidade relativa que podem conduzir variação de concentração; vibrações que podem promover a estratificação especialmente em amostras sólidas; variações na intensidade da luz que afecta materiais fotosensíveis, ou ainda, vapores que possam interactuar contaminando amostras e reagentes. O ruído químico e o seu efeito dependem muito dos métodos de análise, apresentando alguma especificidade (interferências) para os diferentes métodos e técnicas que se utilizam.

II.2.2. Ruído instrumental Os instrumentos de medida, ou espectrofotómetros, são constituídos por cinco componentes base:

fonte de radiação, porta amostras transparente à radiação, componente que isole a região espectral a analisar, detector, e processador de sinal. Cada componente pode sofrer interferências eléctricas e electrónicas que provocam flutuações do sinal, deste modo quanto mais complexo for o sistema de medida maior será a probabilidade do espectro vir afectado por ruído. Na figura seguinte apresenta-se esquematicamente os componentes mais importantes e geometria utilizados em espectroscopia de absorção e de emissão.

Figura 9 – Esquema de um sistema para espectroscopia óptica de absorção.

Figura 10 – Esquema geral para espectroscopia óptica de emissão.

O ruído que se observa num espectro pode derivar de uma série de factores mais ou menos complexos, e nem sempre é possível individualizar e caracterizar completamente cada uma das fontes de ruído. No entanto, alguns tipos de ruído instrumental são mais comuns e mais fáceis de identificar, entre os quais pode referir-se quatro tipos: ruído ambiental, ruído térmico (ou de Johnson), ruído de Shot e ruído de Flicker.

(a) Influência do meio ambiente (ou ruído ambiental)

O ruído ambiental é uma mistura de diferentes formas de ruído que resultam da vizinhança do laboratório onde o equipamento se encontra. Na figura 10 podem ser observados vários tipos de ruído ambiental detectados num laboratório.

A ocorrência deste tipo de ruído resulta do facto dos circuitos eléctrico/electrónico do espectrofotómetro serem potencialmente uma antena para captar radiação electromagnética que depois convertem em sinal eléctrico.

Figura 11 – Sinais detectados no laboratório de uma Universidade


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(b) Ruído térmico (ou de Johnson) Este tipo de ruído é causado pela agitação térmica de electrões ou de outros transportadores de

carga em resistências, condensadores, detectores de radiação ou em qualquer outro elemento resistivo que exista nos espectrofotómetros. A sua intensidade é dada por:

eq. 5

em que, k a constante de Boltzman (1.38x10-23 j/K), T a temperatura (K), R a resistência (ohms) do elemento resistivo, e Δf (Hz) é a largura de banda da frequência, que pode ser determinada pelo inverso do tempo de resposta (tr, em s) para uma alteração brusca de “input”:

eq. 6

Este tipo de ruído espectral existe em qualquer elemento resistivo mesmo na ausência de corrente e apenas desaparece ao zero absoluto, ou seja, é impossível de eliminar.

(c) Ruído de Shot

Devido ao movimento de electrões ou outros transportadores de carga através de uma junção, pode resultar em ruído espectral. Num circuito electrónico as junções correspondem a interfaces com condutores tipo n e p, ou ao vácuo entre o cátodo e o ânodo numa fotocélula. A sua intensidade é dada por:

eq. 7

em que, Δf (Hz) é a largura de banda da frequência, e é a carga do electrão (-1.60x10-19 C), e I a intensidade média da corrente.

(d) Ruído de Flicker

Este tipo de ruído está directamente relacionado com a frequência f (Hz), e a sua intensidade pode ser obtida através da seguinte relação:

eq. 8

Os factores de que resulta este tipo de ruído são pouco conhecidos, mas sendo inversamente proporcional à frequência de trabalho, é particularmente significativo para frequências inferiores a 100 Hz.

II.3. Maximização da razão Sinal/Ruído Na maior parte das medidas, tal como já foi referido,

o ruído é independente do sinal (N constante), sendo

uma condição necessária que para garantir

uma análise conclusiva. A obtenção de níveis de ruído aceitáveis é de fácil na maior parte dos estudos espectroscópicos. No entanto, quando se pretendem fazer determinações em limites de detecção e/ou quantificação muito baixos a amplificação do sinal (relativamente ao ruído espectral) é sem dúvida o aspecto mais importante da análise. Existem vários modos de diminuir o valor do ruído sem que o sinal seja afectado significativamente, entre este métodos os mais importantes são: instrumental, cálculo ou experimentais.

Figura 12 – A relação sinal ruído num espectro de absorção na região do infravermelho


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Instrumental: utilização de filtros, ou moduladores ou outros acessórios que diminuem o ruído de fundo sem afectar o sinal.

Cálculo: estes métodos, que substituem com vantagem alguns acessórios, tornaram-se importantes com o desenvolvimento dos computadores e microprocessadores, têm por base algoritmos computacionais. Estes métodos são rotinas dos programas de controle e aquisição de dados dos espectrofotómetros permitindo a diminuição do ruído de fundo, através do cálculo de médias, filtros digitais, suavização de curvas (por aplicação de funções) e técnicas de correlação. O processamento de sinal será um pouco mais desenvolvido nas secções seguintes.

Experimental: aumentar o número de acumulações (leituras) em cada ponto e utilizar o valor da sua média. Sendo o ruído aleatório (varia com o comprimento de onda) e o sinal constante (não varia com o comprimento de onda), verifica-se que a razão sinal/ruído varia com a raiz quadrada do número de acumulações (n):

eq. 9

Nos espectrómetros convencionais dispersivos (também designados de varrimento), tem um custo em tempo muito elevado para o traçado de um espectro porque estas análises requerem um grande número de acumulações. Contudo, nos espectrómetros com transformada de Fourier, em que todos os elementos de resolução (ou seja, a gama espectral analisada) são medidos em simultâneo, o tempo de medida diminui significativamente, permitindo escolher a razão sinal/ruído mais adequada à análise. De um modo geral, o tempo necessário para a obtenção de um espectro com 1500 elementos de resolução num espectrofotómetro com transformada de Fourier é o tempo equivalente para a obtenção de um único espectro nos aparelhos convencionais. O espectrofotómetro com transformada de Fourier, e o seu modo de funcionamento, será descrito no capítulo da espectroscopia de infravermelho.

II.4. Processamento de sinal O acoplamento dos instrumentos analíticos a computadores com o intuito de obter dados “on-line”

tornou-se numa prática corrente nos modernos laboratório de análises químicas. O processamento de sinal computorizado aumentou a velocidade de aquisição de dados, ou seja do traçado dos espectros, permitindo estudos cinéticos e medidas de espécies com tempos de vida curtos. A utilização de microprocessadores cada vez mais rápidos, e de acessórios específicos disponíveis em larga escala, permite neste momento a obtenção de resultados na forma digital de um modo rápido e simples. No formato digital os dados apresentam grandes vantagens em relação à sua forma anterior, pois, em qualquer altura é possível proceder a um tratamento rigoroso, através de análises matemáticas ou métodos numéricos (em geral recorrendo a algoritmos computacionais), ou ainda efectuar um processamento de sinal de modo a melhorar os resultados obtidos.

Existe disponível um número significativo de programas, muitas vezes sub-rotinas dos programas de aquisição de dados que controlam os equipamentos, com os quais é possível: reduzir o ruído espectral, aumentar a resolução entre bandas ou picos, compensar artefactos do sinal devidos ao aparelho de medida, testar hipóteses, optimizar estratégias de medidas a efectuar, diagnosticar problemas nas determinações, ou mesmo decompor sinais complexos nos seus elementos individuais. Este último tipo de tratamento de resultados é de primordial importância para a análise qualitativa, pois permite, na maior parte dos casos, identificar os componentes (total ou parcialmente) em misturas mais ou menos complexas.

II.4.1. Operações aritméticas do sinal O processamento de sinal mais usual, com utilização de funções pouco complexas, é aquele que

envolve aritmética simples ponto a ponto: adição, subtracção, multiplicação ou divisão, de dois sinais (espectros), ou de um sinal e uma constante. Apesar de aparentemente simples, este tratamento de resultados pode ser muito útil em espectroscopia.

A média de um conjunto de medidas pode ser obtida por adição ponto a ponto, aplicada a um conjunto de sinais (ou espectros) obtidos por análise repetida da mesma amostra. Sempre que este


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tipo de tratamento de dados pode ser aplicado, o resultado final apresenta uma melhoria considerável da qualidade do sinal. Na figura seguinte é apresentado o resultado da adição ponto por ponto de uma medida efectuada por dez leituras da mesma amostra, de notar o aumento significativo da razão sinal/ruído.

Figura 13 – (A) Espectro de uma amostra. (B) Resultado da aplicação da adição ponto a ponto de dez espectros da amostra.

A subtracção de espectros, ou de sinal, pode também contribuir para uma melhoria do sinal. Esta operação (ou tratamento de resultados) é particularmente importante quando o sinal medido é resultado de uma sobreposição de dois (ou mais) sinais derivados de espécies distintas. O caso mais simples é quando o “branco”, ou seja a matriz ou o solvente, apresentam um sinal na mesma gama de energias que o analito ou analitos que se pretendem estudar. Neste caso uma simples subtracção (se for uma operação válida para o sinal que se mede) pode clarificar o sinal. Na figura seguinte é apresentado um exemplo do resultado da subtracção entre dois espectros.

Figura 14 – (A) Espectros de uma amostra (a azul) e do branco correspondente (a cinzento). (B) Resultado da aplicação de uma subtracção ponto a ponto do espectro do branco ao espectro da amostra. Nota: não é indicada a escala do sinal nem de comprimentos de onda, por ser uma representação não real, contudo deve ter-se em conta que o valor do sinal em (B) deve ser sempre inferior ao sinal em (A), enquanto que os comprimentos de onda a que aparecem os dois máximos (absoluto e relativo) não devem variar.

Ao subtrair os dois espectros ponto-a-ponto, ou seja após retirar ao espectro da amostra (a azul) o sinal correspondente ao “branco”, a análise é bastante mais fácil, uma vez que a posição dos máximos é mais clara, logo as medidas de intensidade das duas bandas mais precisas.

A comparação directa pode ser muito dificultada quando as concentrações do analito nas duas amostras são muito diferentes (ver figura A seguinte). Assim, a subtracção directa entre dois espectros pode ser uma operação matemática muito conveniente mas pouco útil. Em alguns casos para distinguir diferenças de forma em espectros provenientes de duas amostras, ou comparar o espectro obtido para a amostra com o de padrões conhecidos, a divisão ponto-a-ponto dos dois sinais torna-se o mais adequado. Esta divisão pode ser efectuada utilizando os espectros normalizados, a um ponto ou aos seus máximos, se este possuírem a mesma forma o resultado da divisão será aproximadamente uma constante, sendo as variações aleatórias, centradas num determinado valor, impostas pelo ruído espectral (ver figura B seguinte).


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Figura 15 – (A) Espectros de uma amostra, a azul com maior concentração de analito e a cinzento com uma concentração mais baixa. (B) Resultado da divisão ponto a ponto dos dois espectros. Nota: não é indicada a escala do sinal nem de comprimentos de onda, por ser uma representação não real


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III. Espectroscopia de Absorção Molecular

III.1. Bases teóricas As moléculas são sistemas complexos e a interpretação da informação espectroscópica obtida

experimentalmente requer a utilização de modelos moleculares. Os parâmetros utilizados nestes modelos podem ser diferentes dependendo dos tipos de espectroscopia, ou seja, dos espectros que se pretendem analisar. A base para a distinção dos modelos a utilizar assenta sobre dois fenómenos: as energias de transição, conceito estático; ou os tempos de vida das transições, conceito dinâmico. Estes parâmetros característicos, diferentes ordens de grandeza para as transições electrónicas, vibracionais e nucleares (ou outras).

Em espectroscopia, os parâmetros (ou características) mais importantes são os níveis de energia. A energia tanto dos átomos como das moléculas estão quantificadas, ou seja, a energia apenas pode ter alguns valores discretos não podendo ser caracterizada como um contínuo (não pode assumir um valor qualquer), tal como esquematizado na Figura 16. Este facto implica que não seja possível descrever os níveis de energia através da mecânica clássica (leis de Newton), sendo portanto necessário recorrer à mecânica quântica. À escala quântica a energia do sistema é descrita por funções de onda, com coordenadas espaciais e temporais, Ψ(x,y,z,t), sendo obtida pela resolução da equação de Schrödinger:

eq. 10

em que E é a energia quântica do sistema e H o operador Hamiltoniano da propriedade em estudo.

Figura 16 – Representação esquemática dos níveis de energia de uma molécula poliatómica.

Matematicamente é possível separar (factorizar) a função de onda total de um átomo ou molécula nas componentes (coordenadas) electrónica e nuclear, pela aproximação de Born-Oppenheimer. Esta possibilidade deve-se ao facto de que as diferenças de massa entre os electrões e o núcleo (tendo em conta que ambos estão sujeitos a forças de magnitude semelhante) os electrões se movem muito mais rapidamente que os núcleos. Assim, é possível tratar o movimento dos electrões considerando os núcleos fixos, simplificando a resolução da equação pois o número de coordenadas é menor.

De notar que, mesmo com esta aproximação a resolução da equação de Schrödinger é muito complicada e só é possível resolver completamente para moléculas ou átomos com número reduzido de electrões.

Considerando ainda esta aproximação, o movimento dos núcleos nas moléculas pode ainda ser separado nos seus movimentos rotacionais (rot) e vibracionais (vib), tomando a função de onda total (Ψ tot) a forma:

eq. 11

o que permite escrever a energia total do sistema como uma soma de contribuição da energia resultante dos três tipos de movimento.

eq. 12

Apesar de ser uma aproximação, na maior parte das situações pode ser aplicada com sucesso esta separação de energias. A energia de translação pode na maior parte dos casos não ser considerada porque o seu efeito é muito pequeno nas espectroscopias electrónicas, vibracionais e rotacionais.

A razão porque se obtêm bandas (mais ou menos largas) e não picos esta relacionada com a possibilidade de serem observadas durante as transições principais transições para outros níveis energéticos incluídos no principal. Por exemplo, no caso das espectroscopias que envolvem transições electrónicas, além dessas, podem ser estimuladas transições vibracionais e rotacionais.


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Quando uma molécula é exposta a radiação com a energia adequada para promover a passagem de electrões do estado electrónico de mais baixa energia (estado fundamental) para um estado excitado existem, de facto, muitos níveis energéticos vibracionais/rotacionais que podem receber os electrões (no estado electrónico de maior energia). É a disponibilidade deste número elevado de níveis, dentro do próprio nível electrónico, que dá origem ao alargamento das bandas, como se pode ver na representação esquemática seguinte.

Figura 17 – Representação esquemática dos níveis de energia de uma molécula poliatómica e da forma de um espectro de absorção.

O resultado final de um espectro de absorção é uma curva final envolvente da estrutura “fina” dos subníveis incluídos nos níveis para que ocorre a transição.

III.1.1. Regras de selecção

Um estudo espectroscópico regista a alteração de uma molécula de um estado quântico para outro, sendo este processo conhecido por transição espectroscópica e do qual resulta absorção da radiação. A energia requerida a este processo é proveniente da radiação electromagnética. É condição necessária que a energia da radiação (hν) seja suficiente para superar a diferença entre a energia de um estado ocupado (Ei) e um outro estado quântico de maior energia (Ef). Ou seja,

eq. 13

Consequentemente, quando a frequência da radiação não satisfaz a expressão de Planck (eq. 13) a radiação será transmitida na totalidade.

Figura 18 – Fenómeno de transmissão e de absorção da radiação, transição entre dois níveis energéticos

O primeiro requisito para que uma transição possa ocorrer é a de que exista uma diferença de população entre os estados fundamental e excitado. Outro factor importante deriva do facto de ser utilizada a teoria quântica para descrever as propriedades de partículas pequenas, a qual por sua vez impõe certas limitações para que as transições possam ocorrer.

As regras que determinam quais as transições que têm uma probabilidade finita (i.e. diferente de zero) de acontecer são chamadas regras de selecção. Apesar destas regras variarem de técnica para técnica, em geral, as transições entre dois estados de energia que difiram de apenas um número quântico são permitidas.

As regras de selecção são um pressuposto formal de quais transições são espectáveis (permitidas) ou não esperadas (proibidas) de aparecer no espectro. Contudo, em muitos casos existem perturbações do estado fundamental ou excitado, ou mecanismos alternativos dos quais resulta a observação de transições formalmente proibidas, embora nestes últimos casos as bandas resultantes terem uma intensidade muito menor.


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III.2. Absorvência e transmitância A interacção de fotões com partículas que absorvem radiação provoca uma atenuação da

intensidade do feixe.

Figura 19 – Transmissão da radiação após atravessar a amostra

Há absorção quando a intensidade da radiação emergente é menor que a intensidade da radiação incidente:

Por definição, Transmitância (T) é a fracção de radiação incidente que é transmitida após atravessar a amostra.

ou eq. 14

Quando a intensidade do feixe emergente diminui, ou seja quando a transmitância diminui, a um determinado comprimento de onda significa que existem espécies na amostra a absorver parte da radiação.

Figura 20 – O espectro em transmitância

λ1 corresponde ao comprimento de onda ao qual a espécie em estudo sofre maior interferência com a radiação. Sendo os limites dos valores de transmitância,

0 ≤ % T ≤ 100 (ou seja 0 ≤ T ≤ 1)

T=0 quando toda a radiação incidente é absorvida, e

T=1 (ou 100%) quando toda a radiação incidente é transmitida (I=I0), não há absorção.

A absorvência (A) é uma grandeza inversamente proporcional à transmitância, sendo uma medida da quantidade de radiação que foi absorvida pela amostra, sendo muitas vezes designada por densidade óptica. Podemos definir a absorvência como uma função logarítmica da transmitância, do seu inverso. Ao contrário do que se observava com a transmitância, quando a intensidade do feixe emergente diminui o que se observa é um aumento da absorvência.

ou seja

€

A = −log10I λ( )I0 λ( )

eq. 15

Figura 21 – O espectro transformado para valores de absorvência

O máximo de absorvência coincide com o mínimo de transmitância. Pelo que os limites dos valores de absorvência são:

0 ≤ A ≤ ∝ ,

o que significa que quando toda a radiação é transmitida (I=I0) não há absorção (A=0), mas quando I=0, não há radiação transmitida, a absorvência é infinita


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III.3. Análise qualitativa A análise química qualitativa visa numa primeira

abordagem a identificação dos elementos (compostos) presentes numa amostra. No entanto, mesmo quando se trata de amostras simples, com apenas um analito, estas análises podem ser complexas.

Após o espectrofotómetro ter recolhido os dados resultante da exposição da amostra ao feixe de radiação, esses dados são enviados para o sistema de processamento (em geral um computador) que processa os dados de intensidade para cada comprimento de onda, no sentido da obtenção do espectro respectivo. Na figura seguinte é apresentado o espectro de absorção do isopreno, no qual o aumento do comprimento de onda é representado da esquerda para a direita no eixo dos xx e a intensidade (no caso a absorvência) no eixo dos yy.

Figura 22 – Espectro de ultra-violeta do isopreno1

O comprimento de onda máximo de absorção (λmax) pode ser utilizado para identificar grupos característicos ou funções de moléculas, em particular quando se tratam de moléculas orgânicas. Na Figura 22, é claro que 222 nm corresponde ao máximo de absorção, λmax, do isopreno, sendo esta causada por uma transição π→π* do sistema conjugado presente na molécula, como se esquematiza na figura seguinte.

Figura 23 – Representação esquemática da transição π→π* na molécula do isopreno

Em qualquer espectroscopia, para proceder à identificação de uma estrutura, pode ser suficiente comparar o espectro do analito em estudo com o de um padrão utilizando o espectro obtido como se se de uma impressão digital se tratasse. Esta prática é de utilização mais corrente em espectroscopia de infravermelho, uma vez que a estrutura de bandas, intensidades relativas e posição dos máximos, é característica de cada molécula particular.

A identificação de uma estrutura pode ter graus de dificuldade muito variáveis, dependendo da natureza do analito, e portanto cada problema pode exigir uma estratégia de análise diferente. A solução está condicionada pelas capacidades e meios existentes, e está sempre dependente da informação disponível sobre o analito em estudo. A solução pode ser muito simples quando se dispõe de muitos dados sobre o analito, ou complexa quando não se tem qualquer informação. Neste último caso, pode ser necessário utilizar vários tipos de abordagem e/ou utilização de técnicas complementares de análise.

III.3.1. Decomposição de bandas de espectros A utilização de modelos em espectroscopia óptica advém da necessidade de extrair as

propriedades ópticas intrínsecas do material, assim como outra informação útil, que pode ser obtida da reprodução de resultados experimentais por um modelo (ou modelos) adequado. Para entender a diversidade de resposta ópticas de um determinado sistema podem ser utilizados ajustes (lineares ou não lineares) de funções matemáticas aos resultados experimentais, tendo por base critérios de modulação sem imposições muito restritivas.

O ajuste de curvas experimentais (ou espectros), é uma técnica “standard” na qual os parâmetros da função de ajuste variam de modo a descrever correctamente os valores experimentais. A abordagem seguida no ajuste consiste em assumir que os dados experimentais seguem uma determinada função que possui um conjunto de parâmetros desconhecidos. É a variação destes parâmetros que vai conduzir ao “melhor ajuste” aos dados. No caso dos espectros as funções mais utilizadas são do tipo Gauss (eq 16) e Lorentz (eq. 17).


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19

eq. 16

eq. 17

Em que A é a área da banda, w a largura da banda a meia altura, xc o cento (posição do máximo). Nas figuras seguintes são apresentados dois exemplos de ajuste, por Gaussianas, de bandas espectrais compostas.

A B

Figura 24 – Resultado da decomposição de espectros de absorção em soma de Gaussianas, recorrendo ao programa PeakFitting do Origin. (A) Espectro de infravermelho da L-alanina recristalizada a pH 1, e (B) espectro de absorção UV/Vis de vanadatos depositados em celulose microcristalina.

O objectivo da decomposição de uma curva espectral é matematicamente ajustar bandas individuais a um espectro, que quando combinadas (somadas) coincidem com os pontos originais. A figura anterior mostra muito claramente que as bandas obtidas experimentalmente podem ser o resultado da sobreposição de várias bandas. Estas bandas individuais podem ser consequência de bandas de absorção de diferentes grupos numa mesma molécula (espectro A), ou da presença de vários tipos de analito (ou de um único analito com interacções distintas) como no caso do espectro B.

Este tratamento matemático pode ser efectuado de um modo simples computacionalmente utilizando funções disponíveis em programas gráficos e de cálculo, como o Excel ou o Origin, ou nos programas que controlam os espectrofotómetros. O ajuste envolve três passos:

(i) Escolha dos perfis iniciais (forma da bandas e tipo de linha de base);

(ii) Escolha dos parâmetros inicias de ajuste (largura de bandas, intensidades ou áreas, e posição dos máximos);

(iii) Minimização dos residuais de ajuste (minimização do desvio da curva resultante à curva experimental)

Em sistemas mais complexos pode ser necessário utilizar tipos diferentes de funções para as bandas individuais, enquanto que na maior parte dos casos são utilizadas as mesmas funções para todas as bandas de ajuste. O perfil das bandas depende do tipo de espectroscopia e certos perfis são melhores em casos particulares. Contudo, de um geral é corrente ajustar por Gaussianas amostras sólidas, Lorentizanas para gases, enquanto para líquidos são utilizadas funções mistas de Gauss e Lorentz (denominadas funções Voight), em que a percentagem de cada tipo de função pode ser variável. Um outro caso particular é a fluorescência onde o ajuste por funções log-normal é muitas vezes o mais indicado.

III.4. Análise quantitativa O objectivo de uma análise química quantitativa é a determinação da concentração (quantidade) de

um componente (ou componentes) da amostra. Este tipo de análises envolve vários passos e procedimentos, dos quais os mais importantes são: definição do problema, obtenção de uma amostra representativa, preparar uma amostra para análise, realizar as medidas, e por fim calcular e apresentar os resultados da determinação. A base matemática para as análises quantitativas é a lei de Lambert-Beer, que relaciona a fracção de radiação absorvida com a concentração do analito.


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III.4.1. Lei de Lambert-Beer

A lei de Lambert-Beer relaciona a absorvência de um analito com sua concentração (C) e o percurso óptico (b) através de uma constante de proporcionalidade, o coeficiente de absortividade ou coeficiente de extinção (ou absortividade molar, ε se as unidades forem expressas em M-1.cm-1).

O coeficiente de absortividade depende da área de captura do fotão (α), do comprimento de onda a que se efectua a análise e do analito (é especifico de cada molécula ou átomo).

Cada partícula tem uma área em torno de si na qual a probabilidade de um fotão, com o comprimento de onda adequado, a atravessar e ser absorvido é de 100 %. Esta área de captura, também designada por área de influência, depende da partícula (do seu tamanho) e comprimento de onda da radiação

A dependência da absorvência com a concentração é óbvia, uma vez que quanto maior for o número de espécies a absorver menor será a quantidade de luz (radiação) que emerge da amostra. Esta variação também é válida para o percurso óptico, quanto maior for o percurso óptico maior será a quantidade de analito que pode interactuar com o feixe de radiação e portanto maior a quantidade de luz absorvida.

III.4.1.1 Hipótese de Lambert

A intensidade da radiação monocromática (I), diminui dI quando passa por um material com espessura dx, com um coeficiente de absortividade K:

Assim,

eq. 18

ou seja,

eq. 19

Integrando a equação 19 entre os limites de I (I0, quando não há absorção e I, quando a radiação atravessou completamente a amostra) e de x (0 e b, a totalidade do percurso óptico),

eq. 20

a radiação transmitida é dada pela forma integrada:

, ou seja, eq. 21

III.4.1.2 Hipótese de Beer

Aplicação da equação de Lambert (18) a soluções diluídas, para um composto dissolvido num meio transparente, da qual resulta que K é proporcional à concentração (C) e directamente relacionado com a área de captura do fotão.

eq. 22

de notar que I/I0 é a transmitância (T).


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21

eq. 23

Considerando , então

, ou eq. 24

Sendo log(I0/I) a absorvência (A), a quantidade de luz absorvida é dada por:

eq. 25

Em que as unidades de ε são as unidades inversas da concentração e do percurso óptico de modo a tornar a absorvência adimensional. No anexo I é apresentado um outro modo de abordar e deduzir a lei de Lambert-Beer.

A equação anterior é a forma mais utilizada da lei de Lambert-Beer, em análises espectroscópicas, resulta numa relação linear entre as medidas de absorvência e a concentração do analito, como apresentado na figura seguinte.

Figura 25 – Relação entre as medidas de absorvência e a concentração quando é válida a lei de Lambert-Beer

III.4.2. Análise de um sistema de multicomponentes - Misturas

Uma mistura tem uma absorvência (a um determinado comprimento de onda) que é consequência da capacidade das espécies em solução absorver nessa gama espectral. O exemplo mais simples é o caso de uma solução com um único analito, pois apenas é necessário considerar a célula (porta-amostras), o soluto e o solvente. A absorvência destas amostras (A’) é dada por:

; dando conta da relação que existe entre o branco, apenas

solvente, , e a amostra . Assim,

, logo

donde se conclui que a absorvência é uma grandeza aditiva, ou seja pode ser somada e subtraída, ao contrário da transmitância. Assim quando temos n componentes numa mistura:

eq. 26

em que é a absorvência total da amostra (mistura) a um comprimento de onda (λ), e é a absorvência de cada um dos componentes da amostra, ao mesmo λ.

Aplicando a lei de Lambert-Beer, podemos escrever a absorvência total em função das concentrações de cada um dos componentes da mistura ( ) e dos respectivos coeficientes de

absortividade , para o comprimento de onda λ:

eq. 27


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22

A equação mostra que para um sistema com n componentes o número de incógnitas é 2n, pois para cada componente, além da concentração é necessário conhecer o coeficiente de absortividade. Um modo de resolver o problema é escolher um conjunto de padrões (um por cada componente da mistura) e fazer as medidas de absorvência desses padrões a n comprimentos de onda, se a lei de Lambert-Beer for válida, a aplicação desta permite calcular o coeficientes de absortividade molar , eliminando n incógnitas. A análise da amostra aos mesmos comprimentos de onda permite obter um sistema de n equações a n incógnitas.

eq. 28

Actualmente, já existem espectrofotómetros que fazem leituras a vários comprimentos de onda simultaneamente e que possuem programas específicos para análise de amostras com número elevado de componentes, diminuindo deste modo o tempo de análise de sistemas complexos.

III.4.3. Análise de misturas binárias: Sistemas com dois componentes

Num sistema contendo dois analitos, e dos quais se pretende determinar a sua concentração, a análise é feita através da resolução do sistema seguinte de duas equações a quatro incógnitas.

eq. 29

O modo de resolver o problema está relacionado com os espectros individuais de cada um dos analitos e da posição relativa dos seus máximos. Existem duas situações possíveis, ou aos máximos de cada um dos componentes apenas um dos analitos absorve, ou os espectros estão sobrepostos e, na gama espectral de validade da lei de Lambert-Beer, ambos os componentes da mistura absorvem.

III.4.3.1 Espectros bem resolvidos

Se os espectros dos dois componentes apresentarem uma boa separação dos seus máximos, ou seja, se não houver uma sobreposição espectral significativa, a determinação pode ser efectuada aos máximos de cada uma das espécies.

Figura 26 – Espectros bem resolvidos (espectros sem sobreposição espectral significativa).

No caso mais simples em que temos apenas duas espécies a absorver sem sobreposição espectral, como se representa na figura anterior, o sistema de equações fica reduzido a,

eq. 30

se as medidas forem efectuadas aos máximos, λ1=λmax,1 e λ2=λmax,2, pois através dos espectros é claro que, e .


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III.4.3.2 Sobreposição espectral

Numa mistura binária, quando as duas espécies absorvem na mesma região espectral, pode haver uma sobreposição completa ou parcial dos espectros desses componentes.

Figura 27 – Espectros com sobreposição espectral.

Quando vários componentes absorvem na mesma região espectral a absorvência medida resulta da soma da absorvência de cada dos componentes individuais. O erro associado, tal como se pode verificar pela figura seguinte, resulta numa sobrevalorização da concentração calculada.

Figura 28 – Erro causado por sobreposição da absorção numa mistura binária

No caso de sobreposição completa a determinação das concentrações dos componentes da mistura pode ser bastante difícil, enquanto para uma sobreposição parcial a análise pode ser feita por vários métodos. Num sistema com dois componentes podemos fazer a análise por dois métodos diferentes: (1) análise por regressão linear a dois comprimentos de onda; e (2) análise a vários comprimentos de onda. Em ambos os métodos é necessário a obtenção de leituras de três soluções: dois padrões (um de cada componente) e outro da amostra (como o exemplo na figura seguinte).

Figura 29 – Espectros necessários para a análise de uma mistura binária

III.4.3.2.1 Análise a dois comprimentos de onda

O método mais simplificado, e por isso menos exacto, é através dos valores de absorvência do espectro da mistura e de dois padrões, a dois comprimentos de onda. Os comprimentos de onda escolhidos devem corresponder aos máximos de absorção, mas podem ser outros que se julguem, por motivos experimentais, mais adequados. Dos espectros dos padrões podem ser obtidos os coeficientes de absortividade de X e Y aos comprimentos de onda λ1 e λ2.

; e ;

que substituídos nos sistema de equações reduz o número de incógnitas e permite resolver o sistema obtendo as concentrações de X e Y na mistura:

eq. 31


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III.4.3.2.2 Análise por regressão linear a vários comprimentos de onda

Neste método de análise mais exacto, recorre-se a um ajuste linear de pontos. Tendo em conta que para a mistura a lei de Lambert-Beer toma a forma:

eq. 32

As soluções padrão permitem calcular os coeficientes de absortividade para os componentes X e Y:

e

que substituídos na equação referente à mistura resulta na seguinte expressão:

eq. 33

Esta equação dividida pela absorvência do padrão X ao comprimento de onda λ,

eq. 34

pode ser considerada como uma relação linear (y=mx+b) entre (como y) e (como x),

cujo ajuste, com pelo menos 5 pontos (valores de A a 5 comprimentos de onda diferentes), permite obter através do declive e ordenada na origem o valores da concentração de X e Y na mistura:

e .

III.4.3.2.3 Ponto isosbéstico

O ponto isosbéstico é um comprimento de onda (λis) onde ocorre o cruzamento de todos os espectros, a existência deste ponto tem um particular interesse analítico, pois os coeficientes de absortividade são iguais para as espécies que absorvem nessa região. Para a determinação do ponto isosbéstico devem ser utilizadas no mínimo 5 soluções. De um modo geral, este ponto é devido à presença de duas espécies em equilíbrio químico, a alteração das concentrações relativas resulta em variações espectrais como representado na figura seguinte.

Figura 30 – Cruzamento de espectros, por variação da concentração da amostra: ponto isosbéstico

No ponto isosbéstico o número de equações pode ser reduzido para metade, contudo apenas permite calcular com facilidade a concentração total das espécies em solução, quando estas se formam por equilíbrio químico a partir de uma espécie inicial:


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III.4.4. Desvios à lei de Lambert-Beer A linearidade da lei de Lambert-Beer é limitada por factores químicos e instrumentais. As principais causas de desvio à linearidade são:

• variações do coeficiente de absortividade para concentrações elevadas (>0.01M) devido a interacções electrostáticas entre moléculas vizinhas;

• dispersão da radiação devido a partículas em suspensão na amostra (solução);

• fluorescência ou fosforescência da amostra;

• alterações no índice de refracção para concentrações elevadas de analito;

• desvios no equilíbrio químico dependentes da concentração do analito;

• radiação não monocromática, este desvio pode ser minimizado se a análise for efectuada na zona “plana” do espectro que corresponde ao máximo de absorção do analito;

• radiação dispersa.

III.4.4.1 Lei limite

A lei de Lambert-Beer só se aplica a soluções diluídas, concentrações inferiores a 10-2-10-3 M, tendo sido esta foi a hipótese base de Beer.

Em soluções com concentrações mais elevadas existe uma maior interacção entre as moléculas, o que provoca uma alteração do seu coeficiente de absortividade. Por outro lado, os electrões da camada externa das moléculas (ou átomos), se a solução for muito concentrada interactuam electrostaticamente de modo repulsivo interferindo com a radiação. Esta interacção provoca, em geral, uma diminuição da intensidade emergente, que deixa de ser proporcional à concentração.

O índice de refracção (n) da solução, que se altera com a concentração, tem um relação directa com o ângulo da radiação emergente ( ). A sua variação, muito significativa para concentrações elevadas, provoca uma diminuição da intensidade da radiação que chega ao detector (fixo, com uma determinada geometria em relação ao percurso da luz incidente).

III.4.4.2 Desvios químicos

Quando há possibilidade de estabelecimento de equilíbrios a lei de Lambert-Beer pode não ser aparentemente verificada. Contudo, em condições experimentais bem definidas, estes desvios podem ser eliminados permitindo efectuar as análises.

III.4.4.2.1 Equilíbrio ácido-base: ácido fraco em solução

HX X- + H+, sendo

A relação entre a absorvência e as espécies em solução é dada pela equação seguinte:

eq. 35

considerando que o H+ não tem espectro de absorção (A=0, a todos os λ).

No ponto isosbéstico, caso exista, permite calcular a concentração total do ácido (CT) que existe nas suas duas formas (protonada, HX, e não protonada, X-). Neste ponto , logo

, resultando numa relação directa entre a absorvência e a concentração.


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A outros comprimentos de onda e em meio tamponizado, ou seja, a pH constante, é possível também fazer o mesmo tipo de análise.

Considerando que, , então . A equação 32 pode ser expressa em

função da concentração total ( ):

, se

então, , resultando a equação:

eq. 36

Em meio tamponizado, a recta de calibração, para um ácido fraco em solução, é portanto dada pela seguinte equação:

eq. 37

em que o declive da recta é , com .

III.4.4.2.2 Formação de dímeros

2X X2, sendo e

A lei de Lambert-Beer desenvolvida para as duas espécies em solução tem a seguinte equação:

eq. 38

pelo que só existe uma relação linear entre a absorvência total e a concentração quando .

III.4.4.2.3 Formação de complexos

A formação de um complexo entre um metal e um ligando, pode ser descrito pelo seguinte equilíbrio químico:

M + L ML + L ML2 + L ... MLn

Sendo a concentração total de metal dada por: .

Logo, , ou utilizando as constantes de formação

dos complexos metálicos,


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27

, ou seja

eq. 39

o que mostra que a razão entre a absorvência e a concentração totais é independente da

concentração de metal mas dependente da de ligando. Assim, as condições experimentais que

tornam constante, e portanto nas quais a lei de Lambert-Beer é aplicável, são:

• Força iónica e temperatura constantes, de modo a garantir que não há variação de βn.

• Efectuar as medidas ao máximo de absorção (garantir que εi é constante).

• Utilizar uma concentração de ligando muito superior à de metal de modo que com a variação de concentração de metal esta se mantenha praticamente constante.

III.4.4.3 Desvios Instrumentais

A principal causa para este tipo de desvios à lei de Lambert-Beer é devida ao facto nos espectrofotómetros ser muito difícil obter radiação monocromática, assim a radiação incidente pode ter vários comprimentos de onda (energias): A consequência imediata será um encurvamento, com desvio negativo à lei, mais ou menos significativo dependendo dos valores dos coeficientes de absortividade aos diferentes λ.

Figura 31 – Representação gráfica de absorvência em função da concentração, desvios à linearidade.

Sendo fi a fracção de radiação incidente com o comprimento de onda λi.

A lei de Lambert-Beer, no entanto, pode ser desenvolvida de modo a considerar a interacção do analito com a radiação heterocromática, como se apresenta de seguida.

eq. 40

eq. 41

I0 pode ser posto em evidência e desaparece, ou seja,

eq. 42

se os coeficientes de absortividade forem iguais: , a equação anterior fica:

eq. 43


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28

Como , a equação anterior reduz-se a , donde se deduz que quando os coeficientes de absortividade são iguais a Lei de Lambert-Beer é válida mesmo quando a radiação não é completamente monocromática. As condições, ou gama de comprimentos de onda, em que ε é constante está directamente relacionada com o espectro de absorção.

Figura 32 – Espectros de absorvência e a sua transformação em coeficiente de absortividade

O coeficiente de absortividade ser constante significa que, para um dado intervalo de energias (Δλ) uma dada molécula (ou átomo), não tem variação de absorvência. Num espectro esta condição é verificada ao máximo de absorção, tal como se pode observar na figura anterior. III.4.4.4 Condições experimentais mais adequadas

Em resumo, para evitar alguns dos desvios e garantir que nas condições experimentais são as adequadas para que, em princípio, a lei de Lambert-Beer seja utilizada na análise, é importante:

• Trabalhar com soluções pouco concentradas (Lei limite)

• Trabalhar em condições tais que a possibilidade de estabelecimento de equilíbrios químicos seja minimizada, ou caso exista essa possibilidade, garantir que mesmo assim a lei de Lambert-Beer é válida, como por exemplo, mantendo o meio tamponizado e/ou a força iónica constante (evitar os possíveis desvios químicos).

• Utilizar para a análise, sempre que possível, o(s) máximo(s) de absorção de cada espécie, deste modo ε é praticamente constante, mesmo quando a radiação não é monocromática (minimizar os desvios instrumentais).

Um aspecto também importante, e que reforça a necessidade de se utilizar para a análise medidas efectuadas ao máximo de absorção, é o facto de se pretender obter um método de análise com uma sensibilidade elevada. Um método em que a sensibilidade é elevada possibilita a distinção entre concentrações muito próximas.

A sensibilidade do método, quando se utilizam rectas de calibração, está directamente relacionado com o declive, e com o erro que se obtêm quando há pequenas variações nas medidas efectuadas, . A figura seguinte mostra que quanto maior for o declive da recta (ou seja, quanto maior for a sensibilidade) menor será a incerteza na concentração quando as medidas têm uma variação ΔA.

Figura 33 – Rectas de calibração para uma análise a dois comprimentos de onda diferentes

Tendo em conta que o declive da recta, sendo válida a lei de Lambert-Beer, corresponde ao valor ε.b, então o comprimento de onda onde a sensibilidade é máxima, corresponde aquele onde o coeficiente de absortividade (e a absorvência) é mais elevado. Assim, é claro que a gama espectral (ou comprimento de onda) mais adequado é o máximo de absorção da espécie em estudo.


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III.5. Escolha de um método de análise

Na escolha de um método de análise o primeiro passo será a definição do problema analítico, para isso é necessário e importante conhecer:

• Propriedades físicas e químicas da matriz da amostra, e qual a quantidade de amostra disponível.

• Componentes da amostra (em especial os que existem em maiores quantidades), e de entre eles os que podem causar interferências.

• Que precisão é necessária (ensaio qualitativo ou quantitativo)?

• A quantidade de amostras que é necessário analisar

Critérios para avaliação de um método analítico:

• Precisão: pouca variação em medidas repetidas de uma mesma amostra

• Exactidão: proximidade do valor real

• Sensibilidade: declive da curva de calibração

• Limite de detecção: quantidade mínima detectável

• Gama de concentrações: Limite mínimo e máximo de concentrações que podem ser analisadas

• Selectividade: razão de sensibilidade para a espécie a analisar em relação a outras espécies presentes

• e ainda, rapidez de análise; facilidade e conveniência; prática requerida ao operador; custo e disponibilidade do equipamento; custo do ensaio por amostra.


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IV. Espectroscopia de Absorção Molecular UV/vis A introdução da métodos espectroscópicos UV/vis de análise da década de 30 do século XX, foi um

passo importante em química analítica, tendo como vantagem o facto de se tratarem de métodos não destrutivos. Estas análises, em geral, não necessitam de grandes quantidades de amostra nem muito tempo para serem efectuadas. A espectroscopia de absorção UV/vis, forma corrente de designar a espectroscopia electónica, é actualmente uma técnica de rotina na maioria dos laboratórios de análise.

IV.1. Bases teóricas Absorção de radiação electomagnética na região

espectral do ultravioleta e visível transfere a quantidade de energia necessária para que ocorram transições nos níveis de energia electrónicos de valência da molécula. Esta absorção resulta em excitação de electrões do estado fundamental (em geral do nível ocupado de mais baixa energia) para um outro nível de energia que se denomina estado excitado (usualmente o nível de energia não ocupado de menor energia). Na figura seguinte apresenta-se um diagrama de algumas das transições electrónicas que podem ocorrer numa molécula considerando as diferenças de energia entre esses níveis.

Figura 34 – Transições possíveis por absorção de um fotão com energia igual à diferença entre dois níveis de energia na molécula.

Estas transições só são possíveis quando a energia do fotão coincide com a diferença de energia entre o nível fundamental e um possível nível excitado. Na Figura 34 é claro que são necessárias energias mais elevadas, radiação com comprimento de onda menores, para promover transições da orbital σ (e para orbitais σ anti-ligantes) do que das orbitais π (e para orbitais π anti-ligantes), isto porque a diferença de energia entre níveis σ e os restantes é mais elevada. Em espectroscopia é usual designar por cromóforo a parte da molécula (grupo ou grupos de átomos) responsável pela absorção de radiação UV/vis.

A transição electrónica envolve principalmente interacção entre a molécula e a componente eléctrica da radiação electromagnética, pelo que as regras de selecção são de natureza dipolar. Sendo que a intensidade da transição electrónica é proporcional ao quadrado do momento de transição, , e o momento de transição, Re, dado por:

eq. 44

Para uma transição seja permitida , e os requisitos de simetria são os que satisfazem a condição:

eq. 45

em que A é a representação totalmente simétrica do grupo pontual de simetria a que pertence. Segundo o princípio de Franck-Condon durante uma transição electrónica os átomos não alteram a sua posição, mas os electrões pode estar sujeitos a reorganização. Este princípio resulta numa transição vertical, entre dois níveis de energia electrónica, tal como representado na figura.

Figura 35 – Transição vertical numa transição electrónica


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A espectroscopia UV/vis fornece duas informações importantes:

• A posição do máximo de absorção (λmax) - que corresponde à energia (ΔE) da excitação electrónica, e como resultado de algumas correlações empíricas, informação sobre o cromóforo responsável pela absorção.

• O coeficiente de absortividade molar ou coeficiente de extinção (ε) - este parâmetro, como já foi referido, é específico cada molécula e dependente do comprimento de onda. De um modo geral está associado com a maior ou menor probabilidade uma transição ocorrer. Quando o coeficiente de extinção tem um valor muito baixo, a probabilidade dessa transição ocorrer é pequena. Se o valor for zero, ou próximo de zero, estas transições designam-se por transições proibidas, embora mais correctamente devam ser associadas a transições estas sejam as fortemente desfavorecidas, ou seja, com pouca probabilidade de ocorrer.

Na tabela seguinte são apresentados os máximos de absorção e os respectivos coeficientes de absortividade molar de alguns grupos funcionais.

Tabela 1 - Máximos de absorção característicos de grupos funcionais isolados

Grupo funcional Transição λmax (típico) (nm)

ε (típico) (L mol-1 cm-1)

170 – 178 10000 – 20000 C=C π → π* 185 – 205 100 – 12000 172 – 178 8000 – 10000 185 – 195 2 100 C≡C π → π*

223 150

π → π* 200 – 210

250 – 265

2000 – 8000

150 – 250

R-OH n → σ* 180 – 185 500 190 – 200 1500 R-SH n → σ* 170 – 175 300

R2O n → σ* 180 – 185 3000 210 – 215 1200 R2S n → σ* 235 – 240 100

RSSR n → σ* 250 400 n → σ* 150 – 160 _____

π → π* 180 – 195 1000 – 10000 n → π* 270 – 295 15

n → π* 195 – 210 20 – 100

Os solventes nos quais o analito (ou espécie absorvente) se encontra dissolvido pode ter um efeito

importante no espectro de absorção do analito, dependendo da polaridade de ambos. O efeito pode ser um alargamento da banda de absorção, ou uma perda de resolução estrutural (por exemplo diminuição da resolução vibracional), ou ainda diminuição do coeficiente de absortividade. Outro efeito importante é a alteração da posição do máximo de absorção. Bandas resultantes de uma transição n→π* desviam-se para menores comprimentos de onda (desvio para o azul) com o aumento da polaridade do solvente. Este desvio é devido ao aumento da solvatação do par isolado, o qual provoca uma diminuição da energia da orbital n. Outro efeito, embora nem sempre observado, é o desvio para maiores comprimentos de onda (desvio para o vermelho) da transição π→π*. Neste caso existe uma força atractiva de polarização que baixa a energia dos níveis excitado e não excitado, sendo a diminuição da energia maior para o estado excitado a diferença de energia entre os dois níveis diminui. Esta diminuição de energia também afecta a transição n→π*, contudo o efeito da solvatação é mais importante sobrepondo-se ao segundo. No caso de solventes apolares e moléculas apolares o efeito de solvente é pouco significativo nos espectros de absorção UV/vis.


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Muitas moléculas inorgânicas apresentam absorção por transferência de carga, sendo denominados complexos de transferência de carga. Para que um complexo apresente este comportamento, um dos componentes deve apresentar propriedades de doação e outro deve ser capaz de aceitar electrões. A absorção de radiação, nestes casos, envolve a passagem de um electrão do doador para uma orbital associada com o aceitante. Os coeficientes de absortividade molar para absorção associados com transferência de carga são muito elevados, em geral maiores que 1x104 M-1.cm-1.

O comprimento de onda máximo de absorção de cada substância está directamente relacionado com a sua cor. De facto, existe uma relação directa entre a cor da substância e a sua estrutura electrónica, tal como exemplificado na tabela seguinte.

Tabela 2 – Relação entre a cor observada e a radiação absorvida

Cor absorvida Cor observada Radiação absorvida (nm)

Violeta Amarelo esverdeado 400 – 435 Azul Amarelo 435 – 480 Azul esverdeado Laranja 480 – 490 Verde azulado Vermelho 490 – 500 Verde Púrpura 500 – 560 Verde amarelado Violeta 560 – 580 Amarelo Azul 580 – 595 Laranja Azul esverdeado 595 – 605 Vermelho Verde azulado 605 – 750

IV.2. Instrumentação Existem várias combinações de componentes que podem ser reunidos de forma a constituírem um

espectrofotómetro integrado, com vários graus de precisão e adequado para aplicações particulares. Os espectrofotómetros tipicamente contêm cinco componentes base: (i) fonte estável de energia radiante, (ii) um contentor transparente à radiação para colocar a amostra (porta-amostras), (iii) dispositivo que isola a região do espectro electromagnético para efectuar as medidas, (iv) detector de radiação, que converte a energia radiante num sinal adequado, e (v) processador de sinal. O arranjo espacial de todos os componentes de um espectrofotómetro é variável, por exemplo o selector de comprimentos de onda pode estar antes ou depois da amostra, sem que hajam vantagens significativas de uma ou outra configuração instrumental.

IV.2.1. Tipos de Espectrofotómetros Os espectrofotómetros podem ser classificados pelo percurso da radiação, e os principais tipos são:

feixe simples, com apenas um percurso e feixe duplo, em que a radiação pode seguir dois percursos distintos, e espectrofotómetros de multi-canais.

Feixe simples

Utiliza apenas um percurso para a radiação, pelo que é necessário ter em conta variações na resposta do detector e na fonte de radiação a cada λ, pois não há compensação para qualquer alteração em qualquer dos componentes dos espectrofotómetros. Um modo de diminuir este efeito é acertar em cada medida os limites da transmissão: 100 % (branco) e o zero (qualquer superfície que impeça completamente a radiação de chegar ao detector). As vantagens principais dos espectrofotómetros de feixe simples é o seu baixo custo e facilidade de utilização. Este tipo de espectrofotómetro e útil para métodos de análises, a apenas um comprimento de onda, de sistemas com apenas um composto a analisar. Na Figura 36 é apresentada o esquema de um espectrofotómetro de feixe simples.


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Figura 36 – Representação esquemática de um espectrofotómetro de feixe simples identificando os principais componentes.

Feixe duplo

Nos espectrofotómetros de feixe duplo a radiação pode seguir dois percursos distintos, um passando pela amostra e outro em que a radiação passa pela célula que contem a referencia (branco). A principal vantagem é a rapidez, pois não tem necessidade de acertar o zero e o 100 %. Os espectrofotómetros podem ser de feixe duplo em espaço ou feixe duplo em tempo, tal como esquematizado nas figuras seguintes.

Figura 37 – Representação esquemática de um espectrofotómetro de feixe duplo em tempo identificando os principais componentes.

Nos espectrofotómetros de feixe duplo em tempo a radiação segue para os dois percursos sendo dividida por um “disco” em intervalos de tempo regulares. O disco que separa a radiação é um espelho com parte transparente à radiação, sendo que quando esta zona se encontra no percurso da radiação esta segue directamente para a amostra. Por outro lado, se no percurso da radiação se encontra a zona espelhada a radiação é reflectida e segue para a referência. Assim, a radiação passa através da amostra e através da referência alternadamente. De notar que a distância percorrida pela radiação até ao detector é semelhante quer seja devida à amostra, quer seja proveniente da referência. A razão da radiação amostra/referência é a medida da absorvência.

Figura 38 – Representação esquemática de um espectrofotómetro de feixe duplo em espaço identificando os principais componentes.

Nos espectrofotómetros de feixe duplo em espaço a radiação é dividida dois percursos iguais, num divisor de feixe e ~50% da radiação segue para a amostra enquanto os restantes 50 % são


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dirigidos para a referência (em geral o branco). Neste caso podem ser observados dois processos independentes, pois em todo o tempo de análise a radiação atravessa sempre a amostra e a referência. São utilizados dois detectores, estes encontram-se em posições equivalentes de modo a tornar o percurso da radiação idêntico para a amostra e a referência.

O espectrómetro de feixe duplo em espaço tem maior ruído que o de feixe duplo em tempo, contudo permite efectuar estudos cinéticos relativamente rápidos, enquanto que com um espectrofotómetro de feixe duplo em tempo não é possível ser observada nenhuma alteração mais rápida que a alternância da radiação.

As desvantagens dos espectrofotómetros de feixe duplo estão relacionadas com um ruído espectral mais elevado. Este aumento de ruído pode ser associado com a necessidade de maior amplificação do sinal, uma vez que podem existir perdas de radiação significativas nas lentes, espelhos e célula adicionais.

Multi-canais com matriz de fotodiodos

Estes espectrofotómetros têm um sistema de detecção que permite medidas a vários λ ao mesmo tempo, pelo que podem ser obtidos espectros completos num período de tempo curto.

A matriz de fotodíodos, integrada num espectrofotómetro tal como esquematizado na Figura 39, é uma ferramenta poderosa para estudar intermediários transientes de reacções moderadamente rápidas, em estudos cinéticos. No entanto a sua utilização está mais associada a técnicas cromatográficas, como sistema de detecção, em análise qualitativa e quantitativa

Figura 39 – Esquema de um espectrofotómetro de multi-canais baseado em rede de difracção e em matriz de fotodiodo.

As principais desvantagens deste tipo de equipamento são o preço relativamente elevado e a resolução espectral limitada e nem sempre a mais conveniente (de 1 a 2 nm). De notar que neste tipo de espectrofotómetros o elemento dispersivo da radiação (rede de difracção) se encontra depois da amostra e antes do detector (matriz de fotodíodos).

IV.2.2. Fontes de Radiação Para uma utilização mais geral de um espectrofotómetro é importante que a fonte de radiação tenha

como principais características: permita obter uma gama vasta de comprimentos de onda, e que a radiação tenha intensidade razoável e uniforme, em toda essa gama

Fontes mais utilizadas podem ser divididas em dois grupos, as fontes contínuas (policromáticas) de que são exemplo as lâmpadas de tungsténio, de deutério; e as fontes de riscas (monocromáticas) lâmpadas de cátodo oco e de descarga, e lasers

Fontes de radiação continuas

Uma lâmpada de tungsténio consiste num filamento de tungsténio (enrolado) e montado num envelope de vidro (ou quartzo) de alta precisão. O interior da lâmpada pode ser vácuo, ou o mais vulgar, a lâmpada pode estar cheia de um gás inerte, como o árgon ou crípton. Estes gases têm como função impedir a oxidação do filamento. Os parâmetros de funcionamento da lâmpada variam entre 2,5 a 12 V e 0,02 a 1 A. O tempo médio de utilização de cerca de 30000 horas, e a sua temperatura varia entre 2200 a 3000 K. Estas lâmpadas podem ser utilizadas na gama de comprimentos de onda de 350 a 2200 nm (região do visível e do infravermelho próximo).


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Figura 40 – Esquema de uma lâmpada de tungsténio

Todas as lâmpadas incandescentes funcionam de acordo um princípio básico simples: uma corrente eléctrica é forçada a passar num filamento metálico que resiste ao fluxo de electricidade. Ao forçar a passagem de corrente a resistência produz um aumento de temperatura, e quando o filamento atinge uma temperatura elevada, brilha com “radiação de um corpo negro” e torna-se “incandescente”.

Um corpo negro é uma superfície que absorve a mesma quantidade de energia que a que emite, sendo a quantidade de radiação emitida, a um determinado comprimento de onda, determinada pela temperatura. Todos os objectos podem emitir luz, visível ou não, quando recebem energia suficiente em forma de calor. A emissão desta luz, ou radiação electromagnética, é uma das formas que os objectos têm para perder energia para o espaço que os rodeia e que se encontra a temperaturas mais baixas. Como se pode ver na Figura 41, tanto a forma como o máximo de emissão dependem da temperatura:

Figura 41 – Diagrama de emissão de um corpo negro, representação da intensidade relativa da radiação emitida em função do comprimento de onda.

Figura 42 – Fotografia de uma lâmpada de filamento de tungsténio, construída por Mazda, selada no topo. Foi uma das primeiras a ser construídas. O bolbo da lâmpada tem 15 mm de diâmetro, o filamento está enrolado e preso a 13 suportes.

A radiação é emitida como um espectro contínuo, mas a distribuição de energia emitida depende da temperatura a que o objecto é radiante. Um aumento da temperatura do corpo provoca um desvio da distribuição da emissão e a radiação torna-se mais energética (menores comprimentos de onda). Uma fonte de radiação ideal, ou seja um corpo negro ideal, emitiria um contínuo de radiação a todos os comprimentos de onda.

Numa lâmpada de deutério, que consiste um recipiente fechado contendo deutério com pressão de gás de ~1 atm, o efeito de uma descarga eléctrica pode provocar a seguinte reacção:

D2 + Ee → D2* → D’ + D’’ + hν

Figura 43 – Esquema e fotografia de uma lâmpada de deutério

O mecanismo pelo qual se pode obter um contínuo de energia, envolve a formação inicial de uma espécie molecular excitada (D2*), por acção da energia eléctrica (Ee), a espécie excitada dissocia-se dando origem a dois átomos excitados e um fotão.

Neste processo a energia resulta do seguinte balanço:

Sendo que resulta da espécie D2* e portanto quantificada, enquanto que e são as

energias cinéticas dos dois átomos de deutério. Assim, ao quebrar a ligação, a energia em excesso transforma-se em energia cinética (translacional), não quantificada, e, pode ser obtido um contínuo de energia pois a soma dos dois pode variar desde zero até . De notar que a energia do fotão

também pode variar, ou seja, quando a energia cinética dos átomos aumenta a energia do fotão diminui de modo a compensar e respeitar o balanço de energia. O resultado é que a gama de comprimentos de onda destas lâmpadas é na região espectral do ultravioleta: 160-380 nm. Nesta região, para que seja possível utilizar estas lâmpadas como fonte de radiação, é necessário que o exterior seja num material transparente como o quartzo.


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Figura 44 – Comparação entre a emissão de uma lâmpada de deutério e de tungsténio

Fontes de radiação monocromáticas (de linhas) Lâmpadas de cátodo oco, emitem radiação monocromática, e o comprimento de onda específico

depende do elemento que constitui o cátodo. Estas são mais utilizadas em espectrofotometria de absorção atómica, sendo constituídas por um ânodo de tungsténio e um cátodo cilíndrico selado num tubo que se encontra sob vácuo, com um gás inerte (néon ou árgon) a uma pressão de 1 a 5 torr. O cátodo é construído (ou apenas revestido) no metal do qual se pretende o espectro. Na Figura 45 está esquematizada uma lâmpada de cátodo oco.

Figura 45 – Lâmpada de cátodo oco

Ao aplicar um potencial de 300 V através dos eléctrodos, ocorre ionização do gás inerte e é gerada uma corrente de 5 a 15 mA, quando os iões e os electrões migram para os eléctrodos. Se o potencial aplicado for suficiente para que os catiões formados, após a ionização, tenham uma energia cinética elevada então, ao embaterem no cátodo, podem libertar átomos do metal. A nuvem atómica produzida contém átomos no estado excitado que, ao voltarem para o estado fundamental, vão emitir radiação específica do elemento que constitui o cátodo.

A difusão dos átomos pode ocorrer no sentido de uma reposição no cátodo, regenerando parte dos átomos metálicos que foram ejectados. A configuração cilíndrica do cátodo concentra a radiação numa região do tubo, assim como aumenta a probabilidade da deposição dos átomos metálicos ocorrer no cátodo. A eficiência destas lâmpadas depende da geometria de construção e do potencial a que vão operar.

Nas lâmpadas de descarga, tal como a lâmpada de deutério, há uma passagem de corrente eléctrica através do gás produzindo luz (radiação). Lâmpadas de baixa pressão de gás apresentam linhas estreitas de emissão, características dos átomos. Lâmpadas de descarga têm um funcionamento semelhante às lâmpadas de cátodo oco. Contudo não possuem eléctrodos, e a radiação é produzida por excitação de um sal dos metais.

A ionização do gás inerte ocorre por radiação com campo elevado na gama das rádio frequências ou das microondas. As vantagens são a de ser possível obter uma intensidade da radiação com 10 a 100 vezes superior, e a de possibilitar a análise para materiais mais voláteis e não condutores.

Na figura seguinte é apresentado um esquema de uma lâmpada de descarga.

Figura 46 – Esquema de uma lâmpada de descarga sem eléctrodos

Os Lasers, são utilizados quando é necessária radiação monocromática muito intensa. São fontes importantes para: ultravioleta, visível, infravermelho e métodos baseados em Transformada de Fourier. LASER é um acrónimo de “light amplification by stimulated emission of radiation”, sistema que produz um feixe de luz monocromático no qual todas as ondas se encontram em fase ou são coerentes. Os Lasers contêm quatro componentes primários:


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• Meio activo – pode ser um cristal sólido como o rubi ou Nd:YAG, corantes líquidos, gases como o CO2 ou hélio/neon, ou semicondutores como o GaAs. O meio activo contém átomos cujos electrões podem ser excitados a um estado de energia metaestável por uma fonte de energia exterior.

• Mecanismo de excitação – bombeia a energia para o meio activo por um, ou mais, dos três métodos básicos: óptico, eléctrico ou químico.

• Espelho com reflectância elevada – superfície que reflecte 100 % da luz do laser.

• Espelho com transmitância parcial – superfície que reflecte menos de 100 % da luz do laser e transmite (deixa passar) a restante.

A luz de um laser é produzida quando ao meio activo é aplicada energia que eleva os seus electrões para um nível de energia instável (ver Figura 47).

Figura 47 – Estados de energia do meio activo de um laser

Estes electrões decaem para um estado metastável de energia mais baixa e com um tempo de vida relativamente longo (microsegundos a milissegundos), os quais não retornam espontaneamente para o estado fundamental. Deste modo, é possível criar uma inversão de população na qual a maioria dos átomos se encontram no estado metaestável, se for aplicado ao material a quantidade de energia necessária. Quando a inversão de população é atingida, a acção laser é iniciada se um electrão retorna espontaneamente ao estado fundamental com libertação de um fotão.

Se o fotão emitido é exactamente do comprimento de onda certo, este vai estimular um átomo no estado metaestável a emitir um fotão com as mesmas características, ou seja, o mesmo comprimento de onda, que se desloca em fase e com a mesma direcção do fotão incidente. Este processo designa-se por emissão estimulada. Esta emissão, coerente, que se desloca ao longo do eixo da cavidade óptica, é amplificada devido aos espelhos que impedem a perda completa de radiação após ser emitida pelos átomos, e que a reflectem dentro da cavidade óptica estimulando a emissão por outros átomos. Bombeando continuamente a energia para o meio activo, pode ser atingido um equilíbrio entre o número de átomos que estão no estado metaestável e o número de fotões emitidos, resultando num emissão de radiação contínua.

IV.2.3. Selectores de comprimento de onda Não é possível obter radiação com apenas um

comprimento de onda, seja qual for a fonte, mesmo nas mais especificas há alargamento de linha por efeito de Doppler. As fendas permitem que uma gama variável de comprimentos de onda passe através. Os selectores têm como função para aumentar a especificidade da radiação

Figura 48 – Efeito da largura de banda

Nos espectrofotómetros de varrimento, ou dispersivos, os selectores permitem que da radiação incidente apenas um comprimento de onda específico chegue ao detector (ou incida sobre a amostra). De facto, em cada instante apenas se pretende analisar um comprimento de onda e o varrimento é feito em sequência para uma determinada gama espectral. Os mais utilizados são os filtros e monocromadores. O tipo de selector pode servir para caracterizar o equipamento de medida, pois usualmente designa-se por espectrofotómetro equipamento com prismas ou redes de difracção (monocromadores); e por fotómetros aqueles possuem filtros para seleccionar a gama espectral de análise (que pode ser apenas um comprimento de onda).


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Filtros

Os filtros são os tipos de selector mais simples, e têm como efeito sobre a radiação diminuírem a gama de λ que os atravessam. Quando se pretende fazer análise a vários comprimentos de onda é muitas vezes necessário mais do que um filtro (quando existem!!!). Contudo, apesar da sua simplicidade de utilização, não têm grande versatilidade pois não é possível fazer varrimento de uma gama vasta do espectro electromagnético.

Filtros de absorção

Estes filtros são vidros de diferentes cores podem ser utilizados para absorver os comprimentos de onda da radiação que não têm interesse, deixando passar a restante gama espectral. Como se pode ver na Figura 49 a zona espectral que atravessa um espectro, depende do material de que são construídos, corresponde à menor absorvência (~zero), pelo que combinando dois materiais diferentes pode ser ainda mais limitada a radiação que atravessa os filtros.

Figura 49 – Espectros de absorção de dois filtros de diferentes materiais e a radiação transmitida por combinação desses filtros.

Filtros de interferência

Nos filtros de interferência a radiação passa através da superfície, que é constituída por uma camada fina de um fluoreto de metais alcalino-terrosos. Ao atravessar esta superfície a radiação é reflectida, no interior, sendo esta reflexão função da espessura do filtro (Figura 50). Ao ser reflectida sucessivamente no interior do filtro vão ocorrer interferências construtivas e destrutivas dos diferentes componentes da radiação (ou seja, de λ). Deste modo, apenas um comprimento de onda específico atravessa o filtro, i.e. aquele λ que tiver apenas interferências construtivas emerge do filtro.

Figura 50 – Representação esquemática de um filtro

de interferência

Monocromador: prismas e redes de difracção

A função chave de um monocromador é transmitir radiação de um comprimento de onda seleccionado, os quais podem ser alterados manualmente ou de modo automático. A fonte de radiação pode ser contínua (luz “branca”), ou uma mistura de comprimentos de onda monocromáticos (fonte de linhas). Os elementos base dos monocromadores são:

• abertura (ou fenda) de entrada – possibilita radiação de dimensões bem definidas, em geral de forma rectangular com largura w e altura h,

• colimador – espelho que converte o feixe de radiação num feixe paralelo,

• selector de comprimento de onda – prisma ou rede de difracção, separa os diferentes comprimentos de onda da radiação pelos diferentes ângulos de difracção, definidos pela dispersão angular,

• focante – espelho que se destina a focar a radiação na abertura de saída, converte o feixe paralelo em convergente,

• abertura (ou fenda) de saída – isola uma gama restrita de comprimentos de onda do feixe inicial, encontra-se situada no plano focal do último espelho


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Prisma

Os diferentes comprimentos de onda são refractados a diferentes ângulos, sendo que azuis têm maior n logo são desviados para a base do prisma. A largura de banda é função da largura da abertura de saída da radiação, alterando a posição do prisma vai mudar o comprimento de onda que atravessa a fenda de saída da radiação.

Figura 51 – Decomposição da radiação por um prisma

Os prismas são pouco utilizados no espectrofotómetros modernos, contudo, apresentam algumas vantagens, tais como serem relativamente baratos e permitirem uma selecção eficiente numa gama razoável de comprimentos de onda. As suas principais desvantagens são: a sua pequena dispersão a comprimentos de onda elevados, e a absorção da radiação inerente ao material de que são fabricados, o que limita a gama espectral em que podem ser utilizados (à qual a radiação não é absorvida).

Redes de difracção

De utilização mais comum nos monocromadores dos instrumentos dispersivos, é uma superfície polida com uma série de sulcos (linhas) paralelos. A gama do espectro electromagnético da sua utilização é determinada pelo número de linhas (sulcos) por mm.

UV/vis 300-2000 linhas/mm

IV 10-200 linhas/mm

Sulcos mais próximos dão uma melhor dispersão e resulta na possibilidade de um aumento de resolução.

Uma rede de difracção de reflexão, a mais utilizada, consiste em espelhos paralelos muito finos sobre uma superfícies plana.

Figura 52 – Representação esquemática de uma

rede de difracção

Figura 53 – Reflexão da radiação numa rede de

difracção de reflexão

O ângulo com que cada comprimento de onda é difractado, numa rede de difracção de reflexão, é dado pela equação seguinte:

eq. 46

em que n é a ordem de reflexão, λ o comprimento de onda, d a distância entre sulcos (linhas), e os ângulos de incidência i e de reflexão r do feixe de radiação. As reflexões de primeira ordem são as que dão origem aos comprimentos de onda mais levados. Quando se pretende remover os feixes resultantes de reflexões de ordem superior podem ser adicionados nos monocromadores filtros de corte de radiação na abertura de saída.

O princípio de funcionamento do monocromador Czerny-Turner está esquematizado na Figura 54. No monocromador a radiação de uma fonte externa é focada na abertura de entrada, transformada em feixe paralelo no colimador (primeiro espelho côncavo) e direccionada para a rede de difracção. Neste componente a radiação de diferentes comprimentos de onda é difractada com diferentes ângulos. O feixe difractado, paralelo, é focado numa série de imagens (cada uma com um comprimento de onda específico), no plano focal. A abertura de saída apenas permite que uma gama estreita de comprimentos de onda atravesse o monocromador.

Figura 54 – Esquema de um monocromador Czerney-Turner, com rede de difracção tipo “echellette”


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O varrimento de toda a gama espectral disponível pode ser obtido por alteração da posição da rede de difracção, a qual pode mover a posição das imagens, ao longo do plano focal, relativamente à abertura (fenda) de saída.

O desempenho dos monocromadores é importante pois irá condicionar o desempenho global de qualquer espectrofotómetro. Os parâmetros que podem ser indicativos do desempenho de um monocromador são:

• largura de banda – refere a gama de comprimentos de onda que passa através da abertura de saída,

• resolução – relativo à capacidade do monocromador para distinguir entre dois comprimentos de onda sucessivos e pouco espaçados,

• perda de intensidade – razão entre a intensidade da radiação à entrada e à saída do monocromador (semelhante à transmitância),

• comprimento focal – comprimentos de focagem tanto do colimador como do focante, estes são determinantes para o tamanho do monocromador, deve ser tido em conta que em geral a perda de intensidade é inversamente proporcional (tal como definida),

• radiação perdida – radiação com comprimentos de onda indesejáveis (ou seja, comprimentos de onda fora da largura de banda) que passam através da abertura de saída,

• dispersão angular – referente à diferença nos ângulos de comprimentos de onda próximos que são difractados,

• dispersão linear – relacionado com o modo como os feixes de radiação aos diferentes comprimentos de onda se “espalham” ao longo do plano focal.

IV.2.4. Células (porta-amostra)

Figura 55 – Células para líquidos utilizadas em espectroscopia ultravioleta e visível.

As células (porta-amostra ou cuvettes) que se utilizam podem ser de vários tipos, dependendo da análise, da amostra e da gama espectral.

O material das células deve ser escolhido de modo a que estas sejam transparentes à radiação na gama espectral de trabalho. Assim, podem ser utilizadas células de vidro no visível, mas quando se pretende efectuar a análise também no ultravioleta, então as células devem ser de quartzo, pois o vidro absorve a λ < 320 nm.

A forma ou geometria das células pode ser plano ou cilíndrico (tal como esquematizado na Figura 56), no entanto a mais favorável é aquela na qual incidência da radiação é perpendicular às paredes. Em células cilíndricas a radiação pode ser reflectida e/ou refractada, e como consequência pode haver perda de resolução e/ou sinal.

O percurso óptico (b) pode ser muito variável e pode ir desde 0,5 a 10 cm. Contudo, as células mais utilizadas possuem um percurso óptico de 1 cm.

Figura 56 – Geometrias das células para

líquidos utilizadas em espectroscopia ultravioleta e visível.


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IV.2.5. Detectores Os detectores são componentes dos espectrofotómetros utilizados para detectar e quantificar a

radiação que atravessou o sistema em estudo e converter a resposta do sistema num sinal que seja possível medir, de um modo geral, transformam a energia radiante em energia eléctrica.

Tabela 3 – Alguns tipos de detectores e a sua utilização

Tipo de detector Gama de λ (nm)

Propriedade medida Utilização tipica

fototubo 150 – 1000 corrente ultravioleta

fotomultiplicador 150 – 1000 corrente ultravioleta/visível

estado sólido 350 – 3000 várias várias

A sua configuração e estrutura variam de acordo com o tipo de radiação usada, mas os detectores mais utilizados são:

• Células fotoeléctricas

• Fototubo

• Fotomultiplicador

Células fotoeléctricas

Acessório, componente do espectrofotómetro, que regula ou produz corrente ou voltagem em resposta a certos tipos de radiação, é utilizado em particular para radiação visível. Tem geralmente como base um semicondutor, tais como selénio, germânio ou silício, preparados ou modificados de modo conveniente.

Numa célula fotoemissiva, um cátodo fotossensível emite electrões quando irradiado. Estes electrões transformam-se em corrente quando migram para o pólo positivo (ânodo da célula). A corrente eléctrica gerada (i) é proporcional à intensidade da radiação incidente (I):

i = k I Apesar das células fotoeléctricas serem pouco dispendiosas, este tipo de detector é apenas utilizado na gama espectral do visível, e como a intensidade de corrente decresce com o tempo, é mais eficiente para tempos de análise baixos (i.e. ensaios curtos).

Figura 57 – Esquema do funcionamento de uma célula fotoeléctrica do tipo fotoemissivo.

O funcionamento de uma célula fotovoltáica é diferente, neste tipo de detector, a radiação induz alteração de comportamento de uma junção p-n. Esta junção condutora é criada entre camadas de semicondutores diferentes, sendo obtida uma diferença de potencial por efeito fotovoltáico. Os fotodiodos, ou detectores de estado sólido, são um exemplo deste tipo de detectores. Os fotodíodos são cristais de Si dopados, que por aplicação de uma diferença de potencial apresentam duas regiões distintas: região n – rica em electrões (-) e região p – rica em lacunas (+). Depois de estabelecidas estas duas regiões não há passagem de corrente. Por acção da radiação ocorre uma perturbação que possibilita a passagem de corrente, sendo esta proporcional à intensidade da radiação que incide sobre o fotodiodo. Na figura seguinte está esquematizado o funcionamento de um fotodíodo.


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Figura 58 – Esquema do funcionamento de um fotodíodo

Figura 59 – Esquema de uma matriz de fotodíodos

Os fotodiodos são mais sensíveis que os fototubos e mais baratos que os fotomultiplicadores, sendo a sua principal vantagem o facto de poderem ser utilizados em série: Matriz de fotodiodos.

A matriz de fotodiodos é um conjunto de fotodiodos, sobre o suporte adequado, e com espaçamento uniforme. Este tipo de detector permite medidas simultâneas de vários comprimentos de onda. Deste modo, podem ser obtidos espectros completos num período de tempo curto, que podem ter elevada resolução espectral (~1 nm).

Outros tipos de células fotoeléctricas são as fotocondutivas, em que a resistência de uma substância se altera como resultado da fotocondutividade, estas podem ser usadas como sistemas simples de medição da luminosidade, como por exemplo na fotografia, ou detectores de luz.

Fototubo

O funcionamento destes detectores de radiação tem por base o efeito fotoeléctrico. O efeito fotoeléctrico é um processo de interacção entre um fotão com energia E=hν, com um átomo, da qual resulta a ejecção de um electrão. O fotão quando é absorvido pelo átomo perde toda a sua energia no processo de ionização. A energia cinética do electrão libertado (Ec do fotoelectrão) é dada pela diferença entre a energia do fotão e a energia de ligação (EL):

Ec=hν- EL eq. 47

Esta relação mostra que a energia dos electrões libertados por efeito fotoeléctrico não aumenta com o aumento da intensidade da luz incidente, mas é função da frequência (energia) da radiação que incide sobre o metal. Por outro lado, quando hν ≤ EL não há efeito fotoeléctrico. O número de electrões libertados vai ser proporcional à intensidade da radiação que incide sobre o cátodo.

O fototubo é constituído por um cátodo, um ânodo e uma fonte externa de corrente, contidos num tubo transparente à radiação e no interior do qual a pressão deve ser baixa, ou seja, deve estar sob vácuo. Na figura seguinte é apresentada uma fotografia e um esquema de um fototubo.

Figura 60 – Esquema de um fototubo

O funcionamento de um fototubo pode ser descrito de uma forma simplificada do seguinte modo: a radiação ao incidir sobre o cátodo (placa revestida por uma substância, em geral um metal, com as características adequadas) promove a libertação de electrões; a passagem destes electrões para o ânodo é devida à descarga eléctrica provocada pela fonte externa. A corrente é proporcional à intensidade dos fotões que chegam ao fototubo. O material que constitui as paredes exteriores do fototubo pode ser de quartzo (se forem utilizados também no ultravioleta) ou de vidro (quando são utilizados apenas na gama espectral do visível).

Este detector é mais dispendioso que as células fotoeléctricas


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Fotomultiplicador

Um fototubo de vácuo com amplificação adicional por multiplicação de electrões é denominado fotomultiplicador. Este é constituído por um fotocátodo, um conjunto de dínodos denominado por cadeia de dínodos, nos quais um processo de multiplicação de electrões secundários ocorre, e um ânodo. Diferentes tipos de estruturas de dínodos foram desenvolvidas de acordo com os tempos de resposta, de passagem, ou de análise pretendidos, ou ainda a corrente de fundo baixa.

Entre as mais comuns estruturas, podem ser referidas as estruturas confinadas circulares, focadas lineares, ecrã, caixa, ou ainda em rede. Algumas estruturas especiais dos dínodos permitem a combinação com campos eléctricos e magnéticos adicionais.

Figura 61 – Tubos fotomultiplicadores

O fotocátodo de um fotomultiplicador em canal consiste num sistema multiplicador de electrões em canal para os fotoelectrões, e um ânodo para “recolher” a corrente final de electrões. O componente base deste sistema é um tubo com a superfície interior recoberta por um material semicondutor, sendo em geral curvo de modo a inibir a aceleração dos iões positivos para o fotocátodo. Este tipo de estrutura pode ser organizado numa sério de canais, designados por microcanais, constituindo uma matriz cuja aplicação mais importante é em espectroscopias com imagem.

Figura 62 – Esquema do funcionamento de um fotomultiplicador, amplificação do sinal.

O funcionamento de um fotomultiplicador, representado na Figura 62, é semelhante ao do fototubo mas, produzindo uma corrente maior porque a radiação ao incidir no cátodo (dínodo de conversão) provoca libertação de electrões. Os electrões ao colidirem com os dínodos (~90 V mais positivos) são acelerados, estas colisões promovem também o aumento do número de electrões, no final é possível ocorrer uma amplificação de 106-107 electrões.

As principais vantagens do fotomultiplicador é a sua maior sensibilidade e um limite de detecção mais baixo, contudo não pode ser exposto a radiação muito intensa (luz da sala) pois, devido à elevada amplificação do sinal recebido, pode ser danificado.

IV.3. Titulações espectrofotométricas Uma aplicação dos métodos espectrofotométricos é em titulações, estas permitem quantificar uma

substância com espectro de absorção pouco intenso. As principais características das titulações espectrofotométricas são: (i) minimização da interferência de outras substâncias absorventes (desde que não participem na reacção); (ii) método mais correcto para determinações que exigem um erro pequeno (0.5 a 1 %), se o erro pode ser mais elevado (até 5 %) utiliza-se a espectrofotometria directa. Para a definição do ponto de equivalência com menor erro devem ser utilizar reacções com elevada estabilidade (curva fica mais próxima das rectas de ajuste).

Uma curva de titulação espectrofotométrica é uma representação gráfica da absorvência, corrigida para as alterações de volume, em função do volume de titulante. O comprimento de onda de trabalho


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deve ser escolhido de modo a obter uma grande variação no ponto de equivalência. Quando as condições experimentais escolhidas são as apropriadas, a curva consistirá em duas regiões lineares com diferentes declives, uma referente ao início da titulação e outra ao final desta depois do ponto de equivalência.

Durante uma titulação a absorvência de uma solução pode ser medida de dois modos:

(1) Utilizando uma montagem (como se exemplifica na figura ao lado) que permita à solução manter-se homogénea e circular para a célula de medida

(2) Retirar pequenas porções de solução para uma célula de medida em intervalos regular e medir a absorvência.

A forma das curvas de titulação depende da reacção envolvida, ou seja, do comportamento dos

reagentes (titulante e titulado) e do produto de reacção ao comprimento de onda a que é efectuada a análise. Nas figuras seguintes são apresentados alguns exemplos de curvas de titulação.

Figura 63 – O titulado e o produto da reacção não

absorvem, ao comprimento de onda de medida, mas absorve o titulante

Figura 64 – O titulado absorve, ao comprimento de onda

de medida, mas não absorve o titulante nem o produto de reacção

Figura 65 – O titulado e o titulante não absorvem, ao

comprimento de onda de medida, mas absorve o produto de reacção

Figura 66 – O titulado e o titulante absorvem, ao

comprimento de onda de medida, mas não absorve o produto de reacção

Figura 67 – O titulado não absorve ao comprimento de onda de medida mas absorvem o titulante e o produto de reacção

Determinação do ponto de equivalência


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O ponto de equivalência de uma titulação espectrofotométrica é determinado pelo ajuste de duas rectas a cada um dos lados da curva. Os pontos utilizados devem ser aqueles que melhor definem essa recta, mas não aqueles que se encontram perto do ponto de equivalência, por serem os que apresentam mais erros na sua determinação. Para que seja possível obter um ponto final da titulação satisfatório, os sistemas (ou sistema) absorventes devem obedecer à lei de Lambert-Beer, pois de outro modo a curva de titulação não terá regiões com linearidade que por extrapolação permitem obter o ponto de equivalência.

A absorvência deve ser corrigida para o volume de titulante adicionado, assim para a obtenção da verdadeira curva de titulação, a absorvência medida deve ser multiplicada por: (V+v)/V, em que V é o volume inicial da solução e v o volume de titulante adicionado. Esta correcção não introduz erros significativos ao assumir que os volumes da solução inicial e do titulante adicionado são aditivos. Na figura seguinte está exemplificado o modo como, a partir de uma curva de titulação, é possível obter o ponto de equivalência.

Figura 68 – Aplicação do método de ajuste linear para a determinação do ponto de equivalência.

Não se obtêm uma recta no ponto de equivalência mas uma curvatura. O efeito é devido ao restabelecimento do equilíbrio, pois este, antes do ponto de equivalência, está deslocado no sentido inverso e depois do ponto de equivalência no sentido directo.


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V. Espectroscopia de Emissão Molecular Todos os compostos absorvem energia a qual causa excitação dos electrões ligantes da molécula,

como já foi referido para a espectroscopia de absorção electrónica, implicando aumento da energia vibracional, ou em condições apropriadas, transições entre estados electrónicos discretos.

Os métodos designados de luminescência molecular mais correntes em análise química são: a fluorescência, a fosforescência e a quimiluminescência. Em cada um destes métodos as moléculas do analito são excitados produzindo espécies cujo espectro de emissão pode ser utilizado em análise quantitativa e qualitativa.

Os vários tipos de luminescência molecular podem ser agrupadas, ou classificadas, de dois modos: (a) pelo modo de excitação para o estado excitado com capacidade de emissão, e (b) tipo de estado excitado molecular. Na tabela seguinte encontra-se um resumo desta classificação:

Tabela 4 – Classificação dos tipos de luminescência

Modo de excitação Tipo de luminescência Estado excitado* Tipo de luminescência Absorção de radiação (UV/vis) Fotoluminescência Primeiro estado excitado

singleto Fluorescência, fluorescência com atraso

Reacção química Quimiluminescência, bioluminescência Primeiro estado tripleto Fosforescência

Recombinação de iões termoactivados Termoluminescência

Injecção de carga Electroluminêsncia Partículas ou radiação de energia muito elevada Radioluminescência

Fricção Triboluminescência Ondas sonoras Luminescência acústica

* Assumindo o estado fundamental como sendo um estado singleto.

A fluorescência, fluorescência com atraso e fosforescência resultam do mesmo processo, no qual as moléculas são excitadas por absorção de um fotão, sendo referidos estes fenómenos, de um modo geral, como fotoluminescência. A diferença resulta da fluorescência ser um processo radiativo permitido por spin, enquanto que a fosforescência é o resultado de uma transição radiativa proibida por spin. No caso da quimiluminescência o espectro de emissão resulta de uma espécie excitada formada devido a uma reacção química.

Um dos factores mais atractivos para a utilização das técnicas de fluorescência e fosforescência está relacionado com a sensibilidade inerente a estes métodos de análise, com limites de detecção de uma a três ordens de grandeza inferiores aos obtidos por espectroscopia de absorção. Por outro lado, os métodos fotoluminescêntes podem ter gamas dinâmicas, ou seja, gama de concentrações onde se observa linearidade, significativamente superiores aos das técnicas de absorção molecular. Estas técnicas de análise implicam medidas da radiação emitida em espectrofotómetros designados por fluorímetros ou fosforímetros. A fluorescência com atraso, por outro lado, tem poucas aplicações analíticas.

V.1. Teoria da Fotoluminescência A fluorescência ocorre quando a molécula absorve um fotão de radiação ultravioleta/visível, este

processo de excitação é seguido de uma emissão rápida de um fotão, na mesma gama espectral, retornando a molécula ao estado fundamental. A fluorescência pode ser observada, em sistemas químicos simples e complexos, no estado gasoso, líquido ou sólido. O tipo mais simples é observado em sistemas atómicos gasosos diluídos. Nos sistemas atómicos a emissão pode ocorrer com energia igual à da radiação absorvida, ou seja a emissão e absorção ocorrem ao mesmo comprimento de onda. Este tipo de fluorescência, na qual a radiação absorvida é reemitida sem alteração da frequência, é designada por radiação ressonate ou fluorescência de ressonância.


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Algumas espécies moleculares também exibem fluorescência de ressonância. Contudo, a grande maioria, apresenta bandas de fluorescência (ou fosforescência) centradas a comprimentos de onda mais elevados que os da linha de ressonância. Este desvio para comprimentos de onda mais elevados, ou energias mais baixas, é denominado por desvio de Stokes (anti-stokes quando o desvio é para comprimentos de onda menores). Este desvio resulta, segundo o princípio de Frank-Condon, da transição ocorrer na vertical, ou seja o tempo da transição é inferior ao movimento relativo dos átomos. Assim, ao transitar para o estado electrónico excitado a molécula pode transitar também para níveis vibracionais excitados, decaindo rapidamente para o nível vibracional de menor energia. A emissão ocorrerá deste nível vibracional, pelo que a energia deste processo é inferior à energia do fotão absorvido. Na figura ao lado está representado o diagrama de energia potencial de dois estados de energia electrónicos e as transições entre esses níveis (absorção e emissão) de acordo com o princípio de Frank-Condon.

Figura 69 – Transição entre dois estados electrónicos: processo de absorção (ou excitação), decaimento radiativo (fluorescência), e decaimento não radiativo (a verde) de relaxação vibracional.

Estados excitados nos processos de fotoluminescência

O diagrama parcial de energia (diagrama de Jablonski), figura seguinte, mostra os processos de excitação (absorção de radiação) e alguns processos de desexcitação (perda de energia após a absorção).

Figura 70 – Diagrama de Jablonski: representação dos mecanismos de relaxação dos estados excitados das moléculas.

Na Figura 70 estão representados os estados electrónicos (linhas horizontais mais grossas), em que S0 é o estado fundamental, S1 e S2 os estados electrónicos excitados singleto e T1 o primeiro estado electrónico tripleto. Em geral, tal como representado, o primeiro estado tripleto excitado tem uma energia inferior à do estado singleto correspondente. A cada nível electrónico, existem vários níveis vibracionais associados (linhas horizontais mais finas).

O primeiro passo de uma transição electrónica é o processo de absorção singleto-singleto do qual resulta a transição entre o estado fundamental singleto da molécula para um estado singleto excitado (S0→Sn), que conduz ao espectro de absorção UV/vis. No exemplo apresentado, existem duas bandas de absorção da molécula, uma centrada a λ1(S0→S1) e outra a λ2(S0→S2).

De um modo análogo, a absorção tripleto-tripleto, não representada no diagrama parcial de energia da Figura 70, ocorre entre o estado tripleto de menor energia da molécula para um estado tripleto de maior energia (T→Tn), assim conduzindo para um espectro de absorção tripleto. De notar que a transição (S0→T1), não se encontra indicado, este processo não ocorre com extensão significativa por se tratar de um processo que envolve dois níveis com diferente multiplicidade de spin, e portanto, com probabilidade muito pequena de ocorrer (é proibido por spin). O conhecimento do espectro de absorção ultravioleta/visível dos compostos a analisar é de crucial importância quando a análise é efectuada por luminescência.

As velocidades dos processos de absorção e de emissão são bem distintos, pelo que o tempo que cada um dos processos necessita para ocorrer é também muito diferente. Na absorção 10-15 a 10-14


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s, enquanto para a fluorescência de moléculas com coeficientes de absortividade elevados (105 a 103 M-1.cm-1) este tempo é de 10-9 a 10-7 s, aumentando, em molécula com coeficientes de absortividade menores, para 10-5 a 10-6 s. No caso da emissão por fosforescência o processo de emissão pode decorrer em gamas de tempo de 10-4 a 10 s, ou mais.

A perda de energia de uma molécula excitada pode ser de dois tipos: processo radiativo, ou processo não radiativo. Um processo de desexcitação radiativo envolve sempre emissão de um quanta de luz, enquanto que um processo não radiativo é o resultado da transformação da energia electrónica em energia vibracional ou rotacional.

Em ambos os processos de perda de energia seguem o princípio (ou regra) de conservação de spin, ou seja, transições entre termos de igual multiplicidade são permitidos por spin, enquanto que termos de diferentes multiplicidade são proibidos por spin. Geralmente, a probabilidade de transições não radiativas são elevadas, e tanto mais elevadas quanto menor a diferença de energia entre os estados fundamentais vibracionais dos estados electrónicos que estão envolvidos na transição.

Processos de desexcitação não radiativos

Os processos de perda de energia não radiativos podem ser considerados intracromáticos ou intercromáticos, dependendo se a transição ocorre respectivamente no mesmo sistema da molécula ou em dois sistemas da molécula que não estão conjugados. Existem também os processos intermoleculares, neste caso a transição ocorre por interacção entre duas moléculas da mesma espécie ou de espécies diferentes. Transições intercromáticas ou intermoleculares são sempre processos de transferência de energia electrónica. Estas transferências podem ser permitidos por spin (entre estados de igual multiplicidade) ou proibidos por spin (quando a interacção ocorre entre estados de diferentes multiplicidades de spin).

Transições não radiativas intracromáticas entre estados de igual multiplicidade de spin são designadas por conversão interna (IC), e podem ser: (Sn→S), (S→S0), (Tn→T). Estas transições também podem ocorrer entre estados com diferentes multiplicidade de spin, são os cruzamentos intersistemas (ISC): (S→Tn), (T→S0) ou (T→S).

A propriedade mais importante das transições não radiativas, em determinações analíticas, é a probabilidade destas transições ocorrem, pois esta determina o rendimento de fluorescência (e dos restantes processos de desactivação radiativa), como descrito de seguida.

Processos de desexcitação radiativos

Os processos de desactivação (perda de energia) pelos quais a molécula retorna ao estado fundamental, podem ser uma combinação de vários mecanismos. A Figura 71 mostra em detalhe três dos possiveis mecanismos que podem ocorrer com emissão de um fotão, dois dos quais se encontram também na Figura 70. Os passos do mecanismo de desactivação, com emissão, estão limitados a um número reduzido de sistemas moleculares.

Figura 71 – Mecanismos de desexcitação radiativa.

Fluorescência ocorre sempre do primeiro estado excitado singleto (ou seja, do estado excitado de menor energia), independentemente do estado excitado que foi produzido por absorção.

O processo de desactivação do estado electrónico excitado pode ter como um dos passos do mecanismo a emissão a partir do estado tripleto, emissão por fosforecência. Depois cruzamento intersistemas para o estado tripleto, a desactivação subsequente pode ser por conversão interna, conversão externa ou por fosforescência. Uma transição (T→S) é muito menos provável que uma transição (S→S), assim o tempo de vida do estado excitado tripleto, como já foi referido, é muito superior ao da transição inicial (absorção) ou de qualquer outro tipo de processo de desactivação


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(com excepção da fluorescência com atraso). Assim, quando a emissão se deve a fosforescência, o processo deve persistir mesmo depois de terminar a irradiação. Os processos não radiativos são muito mais eficientes para a desexcitação do que a fosforescência, e este tipo de emissão é em geral apenas observada a baixas temperaturas, soluções com viscosidade elevada, ou em analitos adsorvidos em sólidos.

A perda de energia por fluorescência com atraso, tal como já foi referido, tem pouco interesse analítico no entanto pode ser um importante mecanismo de perda de energia sempre que ocorre passagem de electrão do estado singleto excitado para o estado tripleto. Existem vários tipos de fluorescência com atraso, mas os mais importantes são:

• Fluorescência com atraso tipo E – o primeiro estado excitado singleto fica ocupado por uma transição não radiativa termoactivada do estado tripleto excitado. Como a população dos estados excitados singleto e tripleto estão em equilíbrio térmico, o tempo de vida da fluorescência com atraso é igual ao tempo de vida da fosforescência concomitante.

• Fluorescência com atraso tipo P – o primeiro estado excitado singleto fica ocupado por interacção de duas moléculas no estado tripleto (aniquilação tripleto-tripleto), que dão origem a uma molécula no estado excitado singleto. Este é um processo bifotónico em que o tempo de vida da fluorescência com atraso é metade do tempo de vida da fosforescência concomitante.

• Fluorescência por recombinação – o primeiro estado excitado singleto fica ocupado por recombinação de um radical iónico com electrões ou por recombinação de radicais iónicos de sinal oposto.

V.1.1. Variáveis que afectam a fluorescência Os parâmetros que caracterizam uma transição radiativa luminescente são: o espectro, o

rendimento quântico e o tempo de vida. A fluorímetria (e a fosforímetria) estuda a relação entre a intensidade dos fotões absorvidos e emitidos a um comprimento de onda específico. Esta é uma técnica analítica quantitativa muito precisa, não muito dispendiosa e fácil de utilizar.

A intensidade da radiação emitida (If) decresce exponencialmente com o tempo (t), de acordo com a seguinte lei de velocidade:

eq. 48

em que I0 é a intensidade da radiação incidente e kf a constante de velocidade do processo de fluorescência (ou fosforescência). É importante ter em conta que os processos de fluorescência têm um decréscimo de intensidade muito mais rápido que a fosforescência, uma vez que a constante de velocidade tem uma relação inversa com o tempo de vida do estado excitado (Ζ0).

eq. 49

sendo que Ζ0 (fosforescência) > Ζ0 (fluorescência).

O rendimento quântico de fluorescência (Φf) ou fosforescência (Φp)é uma medida quantidade de radiação que é emitida em relação ao número de fotões que são absorvidos, ou seja, é a fracção de átomos excitados que perdem o excesso de energia por fluorescência ou fosforescência,

eq. 50

ou

eq. 51


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51

Podendo ser determinado pelas constantes de velocidade dos processos pelos quais o estado excitado de mais baixa energia na molécula é desactivado,

eq. 52

O rendimento quântico pode variar entre 0,0 e 1,0, contudo, o número de moléculas com Φf ou Φp unitário é muito reduzido.

Tipos de transições em fluorescência

A absorção de radiação a comprimentos de onda inferiores a 200 nm e a emissão correspondente, que seria devida a transições σ*→σ, tem energia suficiente para provocar desactivação dos estado excitado por pré-dissociação ou dissociação. Muitas moléculas orgânicas possuem ligações que poderiam ser quebradas com energias de 140 kcal/mol (correspondente a uma radiação de 200 nm), pelo que a fluorescência devida a transições σ*→σ é raramente observada. Assim, a emissão é restrita a processos menos energéticos, por exemplo π*→π ou π*→n.

De um modo empírico, é observado que a fluorescência é mais comum em compostos cujos estados energéticos mais baixos permitem uma transição π*→π, do que em compostos em que a transição electrónica de energia mais baixa é π*→n. A conclusão a tirar é a de que a eficiência quântica é maior em transições π*→π. Esta maior eficiência pode ser racionalizada de dois modos:

• O coeficiente de absortividade molar de uma transição π→π*, é, em geral, cem a mil vezes superior ao da transição n→π*. Considerando que este coeficiente é uma medida da probabilidade destes processos ocorrerem em ambas as direcções (excitação, desexcitação), e o tempo de vida associado a uma transição π→π* é mais pequeno.

• A termodinâmica destes processos sugere que a constante de velocidade para o cruzamento intersistemas é menor para os estados excitados derivados de uma transição π→π*, da qual resulta maior diferença entre as energias dos estados singleto e tripleto. Como consequência, da necessidade de maior energia para desemparelhar os electrões do estado excitado π*, a sobreposição dos estados vibracionais dos dois estados é menor e portanto a probabilidade de ocorrer cruzamento intersistemas é também menor.

Destes dois efeitos resulta que a fluorescência é com maior frequência associada a transições π→π*, pois estas transições têm um tempo de vida médio mais curtos (kf é maior) e também porque o processo de desactivação que compete com a fluorescência tem menor probabilidade de ocorrer.

Efeito de estrutura molecular

A fluorescência mais intensa é observada em moléculas contendo grupos funcionais aromáticos com o níveis de transição π→π* com energia mais baixa. Muitos compostos aromáticos não substituídos fluorescem em solução, contudo a eficiência quântica aumenta com o número de aneis e o grau de condensação. A substituição no anel benzénico pode provocar desvios no máximo de absorção e por consequência no máximo de emissão, a alteração pode também provocar variações na intensidade de fluorescência. A influência da substituição por halogenetos resulta numa diminuição de fluorescência com o aumento do número atómico do substituinte, este efeito pode ser explicado por um aumento da probabilidade de ocorrer cruzamento intersistemas. No caso do iodobenzeno é possível que haja também efeito de pré-dissociação. A substituição por grupos carbonílo ou carboxílo num anel aromático em geral provoca uma inibição de fluorescência, pois esta transição (n→π*) é, em geral, menos eficiente (como já foi referido). Na tabela seguinte são apresentados alguns exemplos deste efeito.


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Tabela 5 – Efeito dos substituintes na fluorescência do benzeno

Composto λem (nm) If (relativa) Benzeno (C6H6) 270 – 310 10 Fluorbenzeno (C6H5F) 270 – 320 10 Clorobenzeno (C6H5Cl) 275 – 345 7 Bromobenzeno (C6H5Br) 290 – 380 5 Iodobenzeno (C6H5I) ------- 0 Fenol (C6H5OH) 280 – 365 18 Ácido benzoíco (C6H5COOH) 310 – 390 3 Anisol (C6H5OCH3) 285 – 345 20

Os heterociclicos simples, como a pridina ou o furano, no apresentam fluorescência, mas quando estas estruturas se encontram fundidas de um modo geral esta emissão é detectada. Isto acontece porque a transição electrónica de energia mais baixa é a n→π*, conduzindo a um estado que se pode converter rapidamente para o estado tripleto e, portanto, inibir a fluorescência.

A rigidez estrutural da molécula pode também influenciar a emissão por fluorescência. Este processo é favorecido em moléculas que possuem estruturas rígidas. A explicação pode ser a de que em moléculas menos rígidas os processos de conversão interna podem ter uma constante de velocidade mais elevada (kci) e consequentemente um aumento dos processos de desactivação não radiativos. Na molécula menos rígida (ou em parte dela) podem ser induzidas vibrações de baixas frequências e este movimento conduzir para alguma perda de excesso de energia da molécula excitada electronicamente.

Efeito de temperatura, solvente e oxigénio dissolvido

Estes dois efeitos têm como explicação o mesmo tipo de influência a nível da colisão entre as moléculas, cujo aumento vai provocar a probabilidade de desactivação por conversão externa. Assim, um aumento de temperatura ou uma diminuição da viscosidade da solução tem como efeito uma diminuição da intensidade de fluorescência.

A fluorescência do analito também diminui quando o solvente tem átomos pesados ou a existem em solução outras moléculas com estes átomos na sua estrutura. É a interacção spin-orbital que resulta num aumento do cruzamento intersistemas, ou seja, num aumento da constante de velocidade de formação do estado tripleto, com a correspondente diminuição de fluorescência. Em alguns casos, a incorporação destes átomos pesados nos sistemas pode ser utilizada para aumentar a fosforescência, quando esse processo é utilizado na análise.

A presença de oxigénio dissolvido em geral conduz a uma diminuição da intensidade de fluorescência no analito em solução. Este efeito pode resultar de dois efeitos, oxidação fotoquímica da espécie fluorescente, ou inibição por aumento do processo de cruzamento intersistemas devido às propriedades paramagnéticas do oxigénio. Outras moléculas paramagnéticas podem ter o mesmo efeito sobre as moléculas fluorescentes.

Efeito de pH

A intensidade de fluorescência é dependente do pH sempre que na molécula existem substituintes com características acidicas ou básicas. Os comprimentos de onda de absorção e de emissão das duas formas do analíto, ionizada e não ionizada, são em geral diferentes. Sendo que os compostos fluorescêntes são em geral aromáticos com um sistema ressonate mais ou menos extenso, alterações na emissão destes analitos pode advir da diferença no número de espécies ressonates nas suas formas ácida e básica.


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V.2. Espectros de emissão e de excitação Em estudos fluorimétricos é possível efectuar dois tipos de espectros, espectros de emissão e

espectros de excitação.

• Os espectros de emissão correspondem a um varrimento dos comprimentos de onda de emissão (λem) mantendo fixo a comprimento de onda de excitação (λex), ou seja para um comprimento de onda de excitação é determinada a distribuição espectral da radiação emitida. Estes espectros devem ser efectuados para uma energia da radiação ao qual é máxima a absorção, garantindo uma intensidade máxima também do espectro de emissão.

• O traçado dos espectros de excitação é feito mantendo o comprimento de onda de emissão fixo e variando o de excitação. A intensidade máxima é obtida quando o comprimento de onda de emissão, a que se faz a análise, é aquele que corresponde à intensidade mais elevada no espectro de emissão. Tendo em conta que o analito só pode emitir após absorver radiação, estes espectros identificam os comprimentos de ondas aos quais ocorre absorção por parte do analito. Os espectros de excitação, são pois, o correspondente a um espectro de absorção, mas no qual se mede quantidade de radiação emitida e não a de radiação transmitida após atravessar a amostra.

Figura 72 – Espectros de emissão e de excitação

Figura 73 – Espectro total de emissão e de excitação

• Quando existe possibilidade de efectuar um varrimento simultâneo do comprimento de onda de excitação e de emissão, podem ser efectuadas análise de varrimento sincronizado. Este tipo de análise, em que λexc e λexc diferem de alguns nm e esta diferença é mantida constante ao longo de todo o espectro, é particularmente importante no estudo de misturas.

V.2.1. Bandas de difusão de Rayleigh e de Raman As bandas de difusão de Rayleigh e de Raman, são fáceis de identificar e são devidas à presença

do solvente, em quantidade muito superior à de soluto. Estas bandas adicionais num espectro de emissão são importantes quando a excitação e emissão ocorrem a comprimentos de onda muito próximos, ou seja, quando há uma sobreposição elevada entre os espectros de emissão e de excitação.

Difusão de Rayleigh

A radiação difundida (ou dispersa) pelo processo Rayleigh, resulta de uma re-emissão por moléculas do solvente de uma fracção da radiação de excitação.

Esta emissão aparece ao mesmo comprimento de onda que a radiação de excitação e a sua intensidade é independente do ângulo a que se efectuam as medidas.

A intensidade desta banda está relacionada com a polarizabilidade das moléculas de solvente.


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Difusão de Raman

O processo de difusão (ou dispersão) Raman é provocado pela transferência de parte da energia da radiação para as moléculas de solvente, sob a forma de energia vibracional. Resulta de uma colisão inelástica (ou seja, com variação de momento) entre o fotão e a molécula. Havendo variação de momento significa que o fotão difundido (disperso) tem uma frequência (energia, logo, comprimento de onda) diferente da do fotão incidente. Esta perda de momento, ou energia, é uma consequência directa da dualidade onda-corpúsculo da radiação.

Identificação das bandas no espectro

As bandas de difusão Raman e Rayleigh são de identificação fácil num espectro de emissão. A banda de Rayleigh aparece centrada no comprimento de onda de excitação. A menores comprimentos de onda pode ser detectada a banda de Raman, esta tem uma intensidade de cerca de 100 a 1000 vezes menor que a banda de Rayleigh.

Figura 74 – Espectro de emissão com as bandas de difusão de Raman e Rayleigh.

A diferença de energia entre o fotão absorvido e difundido (emitido) é constante para cada solvente. Assim, uma alteração no comprimento de onda de excitação provoca uma alteração da posição da banda de difusão Raman em relação à de Rayleigh. Para os diferentes solventes a posição relativa das bandas não se altera, ou seja, é constante e característico. Na tabela seguinte é apresentada a posição relativa das bandas de difusão Raman e Rayleigh.

Tabela 6 – Posições das bandas de Rayleigh e Raman, para uma excitação com lâmpada de mercúrio

λex (nm) 254 365 436 Banda de Rayleigh

Água 278 416 511 Etanol 274 405 500

Ciclo-hexano 274 408 499 Clorofórmio 275 410 502

Banda de Raman

(nm)

V.2.2. Concentração e intensidade de fluorescência

A intensidade de fluorescência (If) pode ser relacionada com a radiação absorvida através da seguinte equação:

eq. 53

Em que k a constante de proporcionalidade, I0-I o número de fotões absorvidos (por unidade de tempo e por unidade de área). A constante de proporcionalidade é o rendimento quântico de fluorescência, o qual pode ser expresso por:

eq. 54

A relação entre a intensidade de fluorescência e a concentração pode ser obtida através da lei de

Lambert-Beer: , ou seja . Substituindo I na equação 54, esta pode ser escrita

do seguinte modo:

eq. 55


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55

A exponencial pode ser desenvolvida em série de Maclaurin:

Tendo em conta a série anterior, é claro que quando se verifica a condição: , os termos superiores ao de primeira ordem não são significativos. Pelo que se pode obter a intensidade de fluorescência por uma das equações seguintes:

ou eq. 56

Ficando o limite superior do erro:

A representação gráfica da intensidade de fluorescência (y) em função da concentração (x), tem uma forma linear para concentrações que verificam a condição , enquanto para concentrações mais elevadas a curva tende para o valor máximo de , ou seja, quando (c → ∝) então (If → kI0), tal como se pode observar na Figura 75.

Figura 75 – Representação gráfica da intensidade de fluorescência em função da concentração do analíto.

A curvatura negativa que apresenta a representação da intensidade de fluorescência com a concentração, que em alguns casos pode dar origem não a um patamar mas a um máximo, pode ser devida a:

• Auto-extinção de fluorescência, como resultado da colisão entre moléculas que promove transferência de energia, um processo não radiativo, cuja probabilidade de ocorrer aumenta com o aumento da concentração.

• Auto-absorção, é um efeito importante quando existe sobreposição dos espectros de absorção e emissão, a intensidade de fluorescência diminui porque ao atravessar a solução é absorvida por outras moléculas. Um aumento de concentração vai aumentar a possibilidade de absorção da radiação emitida por outras moléculas no estado fundamental.

Os métodos fluorimétricos têm uma sensibilidade maior, e os limites de detecção são cerca de 1000 vezes inferiores aos correspondentes métodos de absorção (nota: a sensibilidade de um método pode ser avaliado pelo declive da recta de calibração, sendo os limites de detecção e de quantificação inversamente proporcionais ao declive).

V.3. Quimiluminescência A quimiluminescência é por definição a emissão de radiação electromagnética sob a forma de luz,

gerada por libertação de energia numa reacção química. Uma reacção quimiluninescente pode ser descrita de uma forma geral pelas seguintes equações químicas:

A + B → C* + D

C* → C + hν (radiação)

As duas espécies (moléculas ou átomos) ao reagirem dão origem a uma terceira espécie (molécula) no estado excitado (C*), podendo ainda resultar outras moléculas (ou átomos) no estado fundamental. O excesso de energia que resulta da reacção é, na sua maior parte, perdido de dois modos: sob a forma de calor (processo minoritário), ou ainda por colisões e por emissão de fotões (processos mais significativos). Sendo estes dois últimos processos de dissipação da energia em


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excesso competitivos entre si, de um modo geral verifica-se que a quimiluninescência, pode ser mais significativa quanto menor for o número de partículas do sistema, uma vez que a probabilidade de colisões diminui. Em fase gasosa a quantidade de energia libertada nestas reacções, por emissão de fotões, aumenta quando se diminui a pressão, pois, a desactivação por colisões diminui.

As reacções com emissão de luz podem se agrupadas em três tipos, tendo em conta o tipo de molécula ou o modo como esta é induzida:

• Reacções químicas utilizando compostos sintéticos e utilizando, em geral, espécies muito oxidantes, como sejam peróxidos, são usualmente designadas por reacções quimiluminescentes;

• Reacções com emissão de radiação envolvendo organismos vivos, tal como acontece com os pirilampos e alforrecas, são conhecidas por reacções bioluminescentes;

• Quando a reacção com emissão de radiação ocorre por efeito de um estímulo eléctrico (ou seja induzidas por passagem de corrente eléctrica), designam-se reacções electroquimiluminescentes.

Reacções quimiluminescentes e bioluminescentes envolvem em geral a quebra ou fragmentação de ligações O-O e moléculas de peróxidos orgânicos. Os peróxidos, em especial os cíclicos, são os mais relevantes nas reacções com emissão de radiação, uma vez que a ligação peróxido é relativamente fraca e por isso fácil de quebrar. Por outro lado, os produtos finais resultam de uma reorganização molecular que liberta uma quantidade muito elevada de energia.

A maior sensibilidade é obtida quando uma reacção com emissão de radiação é eficiente, dando origem ao maior número de fotões possível. Um composto ou grupo quimiluminescente apenas dá origem, no máximo, a um fotão de radiação. A reacção mais eficiente será aquela para a qual o rendimento quântico (φCL) é unitário, ou seja, quando existe uma relação de um entre o número de fotões emitidos e o número de moléculas que reagiram, de acordo com a equação:

eq. 57

onde φCE é a probabilidade de com a reacção obter um estado electrónico excitado, com um valor compreendido entre 0 e 1, a que a 0 corresponde a uma reacção escura (sem possibilidade de emissão), e 1 a uma reacção na qual todos os moléculas resultantes (produtos) se encontram no estado excitado. As reacções quimiluminescentes mais importantes têm valores de φCE superiores ou iguais a 10-3. O parâmetro φF (rendimento quântico de fluorescência) é a probabilidade do estado excitado perder o seu excesso de energia por um processo de fluorescência, podendo também variar entre 0 e 1, e na maioria dos casos tem um valor de 0.1. O rendimento quântico de reacção (φR) é a fracção de moléculas iniciais de reagente que seguem a reacção luminescente em relação àquelas que seguem reacções paralelas, sendo o seu valor em geral 1.

Um sinal tipico, derivado de uma reacção fotoluminescente, é apresentado na Figura 76. Após a adição dos reagentes o máximo da intensidade de emissão é atingido rapidamente, ao que se segue uma diminuição mais ou menos exponencial (dependendo da reacção) do sinal.

Na análise quantitativa, o sinal obtido é integrado por um determinado período de tempo e depois comparado com padrões tratados do mesmo modo. Ou pode ser utilizada a altura do pico na intensidade máxima de emissão. A repreentação gráfica da área do pico (ou da altura) em função da concentração de um dos reagentes resulta numa relação linear numa determinada gama de concentrações.

Figura 76 – Intensidade de emissão por quimiluminescencia em funçaõ do tempo após a mistura dos reagentes


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V.3.1. Produtos quimiluminescentes Uma reacção importante envolve o monóxido de azoto (NO) e o ozono (O3), que em química da

atmosfera pode servir para determinar, tanto a quantidade de ozono (utilizando um excesso de NO) como a quantidade de NO (utilizando, neste caso, um excesso de O3). As equações químicas são as seguintes:

NO + O3 → NO2* +O2

NO2* → NO2 + hν (radiação)

Outro exemplo é:

CH3-S-CH3 + F2 → produtos + hν (radiação)

Na maioria das reacções quimiluminescentes os seus produtos estão bem caracterizados, no entanto nesta última a natureza e complexidade da reacção, dificulta a determinação do tipo de produtos formados. Assim, apenas o HF electrónica e vibracionalmente excitado foi claramente identificado como um produto da reacção, no entanto outros compostos (não identificados) contribuem também para a radiação total emitida pelo sistema.

Os produtos quimiluminescentes, podem emitir radiação em qualquer gama espectral (desde o ultravioleta até ao infravermelho), no entanto os mais comuns apresenta-se o seu máximo de emissão na região do visível ou próximo. Na tabela seguinte são apresentados alguns exemplos de compostos quimiluminescentes.

Tabela 7 – Emissores quimilumiescentes mais utilizados em análises químicas

Composto quimiluminescente λmax emissão Referência

3-Aminophthalate (de luminol) 425 nm White and Roswell. In Burr, Ed., Chemi- and Bioluminescence, Marcel Dekker, New York, 1985, 215.

CH3Se 750-825 nm Glinski et al., J.A.C.S.. 108, 531 (1986). CN 383-388 nm Sutton et al., Anal. Chem.. 51, 1399 (1979). HCF 475-750 nm Glinski et al., J. Photochem.. 37, 217 (1987). HCHO 350-500 nm Finlayson et al., J.A.C.S..96, 5356 (1974). HF 670-700 nm Glinski et al., J. Photochem.. 37, 217 (1987). HSO 360-380 nm Toby, Chem. Rev.. 84, 277, (1984). IF 450-800 nm Getty and Birks, Anal. Lett.. 12, 469, (1979) N-methylacridone (de lucigene) 420-500 nm Totter, Photochem. Photobiol. 22, 203 (1975). Na 589 nm Gough et al., J. Chromatogr.. 137, 293 (1977). NO2 1200 nm Greaves and Gavin, Chem. Physics..30, 348, (1959). OH 306 nm Toby, Chem. Rev.. 84, 277, (1984). Oxyluciferin (de luciferin) 562 nm Seitz, Crc Crit. Rev. Anal. Chem.. 13, 1 (1981). Ru(bpy)3 600 nm Rubinstein et al., Anal. Chem.. 55, 1580 (1983). S2 275-425 nm Spurlin and Yeung, Anal. Chem..54, 318 (1982). SF2 550-875 nm Glinski and Taylor, Chem. Phys. Lett..155, 511 (1989).

SO2 260-480 nm Kenner and Ogryzlo, In Burr, Ed., Chemi- and Bioluminescence, Marcel Dekker, New York, 1985, 139.

V.4. Instrumentação Os componentes dos fluorímetros e espectrofluorímetros ou fosforímetros e espectrofosforímetros,

utilizados para efectuar as medidas de emissão por luminescência, são idênticos aos dos espectrofotómetros de absorção UV/vis. Contudo devido a algumas especificidades existem componentes mais adequados e a geometria (disposição relativa dos componentes) é também diferente. Os espectrómetros utilizados são na sua grande maioria de feixe simples, e na sua constituição são usados dois monocromadores. Devido à semelhança com os espectrofotómetros de absorção UV/vis alguns dos componentes já foram descritos anteriormente, pelo que, de seguida apenas vão ser descritas as características que são específicas destes equipamentos.


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V.4.1. Fluorímetros e fosforímetros A emissão por fluorescência (e fosforescência) é um processo que, de um modo geral, se observa

com igual intensidade em todas as direcções, pelo que as medidas são usualmente efectuadas a 90º em relação à fonte de radiação para minimizar os efeitos da radiação não absorvida (directa). Todos os instrumentos de medidas de fluorescência e fosforescência têm três elementos básicos: fonte de radiação, porta-amostras e detector. Para que estes equipamentos tenham utilidade analítica é também necessário que o sistema esteja equipado com monocromadores ajustáveis que possam seleccionar com precisão os comprimentos de onda de excitação e de emissão. Os fluorímetros e fosforímetros devem permitir medidas da intensidade da radiação emitida pelas amostras quer na forma de um varrimento contínuo da emissão, numa gama de comprimentos de onda seleccionada e para um comprimento de onda de excitação fixo, quer por análise a pares de comprimentos de onda fixos de emissão e excitação.

Fluorímetros

Na Figura 77 é apresentado um esquema de um fluorímetro, com algumas das características mais importantes inerentes a este equipamento. Notar o ângulo de 90º entre a fonte de radiação e a radiação que chega ao detector.

De um modo geral, em espectroscopia de luminescência, são necessárias fontes de radiação com fluxo elevado, pois como já foi referido a intensidade de fluorescência depende directamente da intensidade da radiação incidente (I0). Estas fontes, utilizadas como base de excitação do analito, são lâmpadas de descarga (também designadas por lâmpadas de arco), as mais utilizadas são as de vapor de mercúrio de baixa pressão, e as de xenon. As lâmpadas de mercúrio, com janelas de sílica fundida, produzem linhas de intensidade elevada a 254, 302, 313, 546, 578, 691 e 773 nm. Nos espectrofotómetros em que é necessário uma fonte de radiação contínua as lâmpadas de Xe são a mais utilizadas. O espectro destas lâmpadas é um contínuo de 300 a 1300 nm.

Figura 77 – Representação esquemática dos principais componentes de um fluorímetro.

A selecção de comprimentos de onda, tanto para a excitação como para a emissão, pode ser efectuado por filtros, quando a fonte não é continua as linhas individuais podem ser isoladas com os filtros de absorção ou de interferência adequados. No entanto, a maioria dos espectrofluorímetros vêm equipados com monocromadores com rede de difracção.

O sinal tipo de fotoluminescência tem uma baixa intensidade, pelo que para detectar o sinal gerado é necessário utilizar detectores muito sensíveis, e amplificadores de sinal adequados. Os detectores são, em geral, tubos fotomultiplicadores. Outros tipos de detector, como os contadores quânticos que produzem um sinal eléctrico proporcional ao fluxo de fotões absorvidos por uma solução fluorescente, ou actinómetros químicos, detectores nos quais a quantidade de um produto químico formado é proporcional ao número de fotões absorvidos. Matrizes de fotodíodos e detectores de transferência de carga também podem ser utilizados em alguns tipos de espectrofluorímetros.

Os porta-amostras, ou células de fluorescência, podem ser cilíndricos ou rectangulares, em vidro ou quartzo, podem ser utilizados nas medidas de fluorescência. Cuidados especiais devem ser tidos na construção das células, e no porta-amostras do equipamento, pois a luz difusa que chega ao detector deve ser reduzida ao mínimo. Devido à dependência da fluorescência com a temperatura, os porta-amostras do equipamento vêm com um sistema de termoestatização, de modo a garantir que não existe variação da temperatura da amostra durante a análise.


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Fosforímetros

Os componentes dos fosforímetros são os mesmos dos fluorímetros, com iguais características e geometria, pois também neste caso a medida da radiação emitida deve ser efectuada a ~90º relativamente à radiação incidente na amostra.

O componente essencial, que distingue o fosforímetro do fluorímetro, é um sistema que permita alternadamente, irradiar e obscurecer a amostra. Este sistema pode ser apenas um disco, com zona transparente e zona não transparente à radiação, cuja rotação seja promovida por um sistema mecânico que garanta a sua alternância em períodos de tempo bem definidos.

A intensidade da radiação emitida será medida enquanto a amostra não está a ser irradiada, tal como esquematizado na Figura 78. Este desfasamento entre o tempo de irradiação e de medida é apenas necessário quando se pretende distinguir a fosforescência da fluorescência. Muitos fluorímetros comerciais já têm este acessório para medidas de fosforescência.

Figura 78 – Esquema de uma análise por fosforímetria

A fosforescência, em geral, é um processo que pode produzir maior intensidade de radiação a baixa temperatura, assim, medidas efectuadas à temperatura do azoto líquido podem evitar a desactivação por outros processos porque o processo de desexcitação por colisões entre as moléculas é inibido. Um reservatório com janelas de quartzo (Dewar) onde se pode colocar uma célula porta-amostras, pode ser utilizado para medidas de fosforescência e pode ser um dos acessórios fundamentais dos fosforímetros.

Figura 79 – Esquema do sistema de discos de um fosforímetro.

V.4.2. Luminómetros A quimiluminescência utiliza as medidas de quantidade de radiação emitida pelas espécies

excitadas, sendo estas espécies em geral moléculas, para determinar concentrações do analito. Esta técnica analítica tem uma utilização ainda reduzida e bastante recente.

Os espectros resultantes da emissão molecular são em geral bandas largas, podendo ser bastante complexas (compostas) dependendo da espécie que se analisa. As medidas podem ser efectuadas tanto em sistemas no estado gasoso como a soluções. Tal como a espectroscopia de fotoluminescência, as medidas de quimiluninescência, resultam da detecção de radiação electromagnética produzida num sistema que deve ter um ruído de fundo reduzido.

Uma vez que a energia necessária para excitar o analito para estados electrónico, vibracionais ou rotacionais de energia mais elevada (e a partir dos quais podem decair radiativamente), não é uma fonte de radiação externa, não existem problemas de dispersão (ou difusão) da radiação emitida pela fonte. A maior limitação é a detecção, pois são necessários detectores com limites de detecção extremamente baixos de modo a ser possível detectar as em geral baixas emissões de radiação do analito.

O maior atractivo da quimiluminescência como ferramenta analítica é a simplicidade da detecção. Esta é devido ao facto de que o processo em si é, por definição, a sua única fonte de radiação pelo que os métodos e os instrumentos apenas necessitam de ter um modo de detectar a luz e de registar os resultados. Os equipamentos utilizados para esta técnica analítica são muito simples e os seus componentes base são: reactor e um tubo fotomultiplicador. Em geral, não é necessário utilizar qualquer selector de comprimento de onda porque não há necessidade de uma fonte de radiação externa.


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V.5. Métodos de derivatização


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VI. Espectroscopia de Infravermelho As aplicações qualitativas da espectroscopia de infravermelho têm vindo a alargar o seu âmbito

desde a década de cinquenta, passando da simples identificação de moléculas e/ou grupos à caracterização estrutural de filmes finos e moléculas adsorvidas nos mais diversos substratos. As aplicações quantitativas permitem actualmente distinguir equilíbrios conformacionais e realizar estudos dinâmicos em tempo real.

VI.1. Bases teóricas De acordo com a aproximação de Born-Oppenheimer, tal como referido para a espectroscopia

electrónica, os núcleos dos átomos vibram tão lentamente em comparação com os electrões que a função de onda total de um estado molecular pode ser factorizada nas suas componentes electrónica Da resolução da equação de Schrödinger tendo em conta a equação, decorre que os valores próprios da energia total (E) são aditivos (E=Ee+En)*. Por estas razões, as transições vibracionais podem ser tratadas separadamente das electrónicas2,3. Como resultado, no caso de uma molécula diatómica, podem desenhar-se curvas de energia potencial em função da distância interatómica para determinado estado electrónico (ou superfícies de energia potencial no caso de uma molécula poliatómica).

Se a frequência (energia) da radiação coincide exactamente a frequência natural de vibração de uma molécula, ocorre transferência de energia que resulta numa alteração da amplitude da vibração molecular, ou seja, numa alteração dos comprimentos ou ângulos de ligação (ou ligações). Uma aproximação, para o caso de uma molécula diatómica, é considerar que a ligação entre os átomos se comporta como uma mola.

VI.1.1. Moléculas Diatómicas: modelo do oscilador harmónico Em primeira aproximação, as vibrações moleculares podem ser estudadas aplicando o modelo da

mecânica clássica, uma vez que as dimensões dos átomos são muito superiores às dos electrões. Uma molécula a vibrar pode ser considerada como um conjunto de osciladores que representam todos os graus de liberdade vibracional e que interactuam mutuamente4.

O modelo mais simples para descrever a vibração de uma molécula diatómica (variação da distância internuclear) é o modelo do oscilador harmónico a uma dimensão, segundo o qual a curva de energia potencial da molécula, V(x), é descrita por3,4:

eq. 58

em que k é a constante de força do oscilador e x=r-re, sendo r a distância internuclear em deformação e re a distância internuclear de equilíbrio. Segundo este modelo, a frequência de vibração (ν) pode ser calculada conhecendo a constante de força do oscilador e a sua massa reduzida (µ)) pela relação:

eq. 59 Figura 80 – Curva de potencial de uma molécula diatómica, pelo modelo do oscilador harmónico

sendo a massa reduzida dada pela expressão:

* Da factorização da função de onda nuclear em Ψv e Ψr, resulta que En=Ev+Er.


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Segundo o modelo quântico do oscilador harmónico a uma dimensão, o operador hamiltoniano correspondente é dado por:

eq. 60

pelo que a equação de Schrödinger resulta:

eq. 61

onde , sendo h a constante de Planck. A sua resolução conduz aos seguintes valores próprios de energia vibracional (Ev):

eq. 62

em que v é o número quântico vibracional (que pode ter valores inteiros 0, 1, 2, ...).

VI.1.2. Moléculas Diatómicas: modelo do oscilador anarmónico O modelo do oscilador harmónico é, contudo, demasiado simplificado e não prevê a dissociação da

molécula, apenas coincidindo com o oscilador real para pequenas deformações. Para uma descrição mais realista do movimento relativo dos átomos de uma molécula diatómica é conveniente utilizar a função de energia potencial do oscilador de Morse5:

eq. 63

onde

eq. 64

sendo De a energia de dissociação da molécula.

Esta aproximação permite prever, para as energias dos níveis vibracionais, a expressão:

eq. 65

em que ω é a constante de anarmonicidade.

Na são comparadas as curvas de energia potencial previstas pelos dois modelos para uma molécula diatómica AB: modelo do oscilador harmónico a uma dimensão (linha a tracejado) e do oscilador anarmónico (linha a cheio)

Figura 81 – Curvas de energia potencial de uma molécula diatómica: – – – modelo do oscilador harmónico, e _____ modelo do oscilador anarmónico.


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VI.1.3. Moléculas poliatómicas Uma molécula com N núcleos possui 3N graus de liberdade, que incluem translações, rotações e

vibrações internas. Para um tratamento quântico das vibrações moleculares, considera-se um conjunto de coordenadas Qk (k=1, 2,...3N), designadas por coordenadas normais (coordenadas cartesianas pesadas). Existe uma destas coordenadas associada a cada modo normal de movimento e vice-versa6,7. Três dos modos normais da molécula correspondem a translações e três (ou dois, se a molécula for linear) a rotações da molécula como um todo. Assim, as vibrações genuínas da molécula são 3N-6 (ou 3N-5 nas moléculas lineares).

Estas podem também ser descritas por um outro conjunto de 3N-6 (ou 3N-5) coordenadas relacionáveis com a estrutura interna da molécula, nomeadamente ângulos e comprimentos das ligações: são as coordenadas internas da molécula6,4. Na Figura 82 representam-se as coordenadas internas de uma molécula triatómica não linear8.

Figura 82 – Coordenadas internas de uma molécula triatómica: r1, r2, θ.

Num modo normal de vibração todos os núcleos realizam movimentos harmónicos com a mesma frequência, em fase, mas geralmente com diferentes amplitudes, sendo a sua frequência designada por normal ou fundamental3,6.

Classicamente, a determinação dos modos e frequências de vibração de uma molécula poliatómica pode ser feita aplicando as equações de Newton ao movimento dos átomos (uma por cada coordenada atómica):

eq. 66

em que T é a energia cinética, V a energia potencial, qi uma coordenada de deslocamento dos núcleos e a sua derivada em ordem ao tempo.

A resolução deste sistema de equações pode ser feita por um método matricial (método FG de Wilson)6, assim designado por envolver as matrizes [F] (que representa o campo de forças da molécula e é constituída pelas constantes de força dos osciladores e constantes das interacções) e [G] (relacionada com a geometria da molécula e as massas atómicas). É conveniente, para diagonalizar as matrizes [F] e [G], escolher coordenadas apropriadas, que são as coordenadas normais de vibração4,6. Utilizando este método é possível obter as frequências de vibração e a composição de cada modo normal em termos das coordenadas internas da molécula.

VI.1.4. Regras de selecção Para haver absorção induzida de um quantum de radiação de frequência ν, é necessário que a

diferença entre as energias dos estados inicial (Ei) e final (Ef) da molécula esteja relacionada com a frequência da radiação incidente: ΔE=Ef-Ei=hν. Contudo, nem todas as transições energeticamente possíveis são permitidas (observáveis num espectro), sendo a probabilidade de uma transição determinada pelas regras de selecção.

Se as transições ocorrem por interacção do sistema molecular com o vector campo eléctrico da radiação (como é o caso em espectroscopia de infravermelho), estas são regras de selecção de dipolo eléctrico9,10. Os modos normais de vibração observados são aqueles que provocam alteração do momento dipolar, da molécula, durante a vibração. Esta é a razão porque moléculas diatómicas homonucleares não têm espectro de infravermelho.

O momento dipolar de transição (Rv) para uma transição entre dois estados com as funções de onda ψi (inicial) e ψf (final) está relacionado com o operador momento dipolar µ3,6,8:

eq. 67


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onde ψ* é a conjugada da função ψ. Por outro lado, o momento dipolar pode ser expresso, para cada uma das coordenadas espaciais x, y e z, como uma expansão em série de Taylor3,8:

Para µx tem-se: onde o índice e se refere à posição de

equilíbrio. Substituindo na equação do momento dipolar de transição, tem-se:

eq. 68

Da ortagonalidade das funções de onda ψi e ψf decorre que, para i≠f, , pelo que a

equação 69 se pode escrever simplesmente:

eq. 69

O primeiro termo desta série é diferente de zero para Δv=±1 (em absorção, +1). Esta condição constitui a regra de selecção geral para as transições vibracionais. Tomando em conta a anarmonicidade eléctrica (ou seja, considerando os termos de ordem superior no desenvolvimento em série do momento dipolar), a condição de não anulamento do momento dipolar de transição e, portanto, a regra de selecção geral, vem modificada para Δv=±1, ±2, ±3,...; são as transições harmónicas ou sobretons. Em absorção, à temperatura ambiente, as transições fundamentais correspondem a (v=0 → v=1) e as harmónicas a (v=0 → v=n, sendo n=2, 3, 4...)4,8. Uma vez que a anarmonicidade eléctrica é pouco significativa, as intensidades das bandas harmónicas são geralmente pequenas.

A probabilidade de uma transição é definida como o quadrado do momento dipolar de transição, Rv

2, ou seja: Rv2=(Rv,x)2+(Rv,y)2+(Rv,z)2. Assim, para que uma transição seja permitida (tenha

probabilidade não nula), é necessário que pelo menos uma das componentes do momento de transição (Rv,x, Rv,y ou Rv,z) seja diferente de zero. Por outras palavras, um modo vibracional é activo em infravermelho se originar um dipolo dinâmico não nulo3,4,6.

A determinação de quais os modos vibracionais que correspondem a esta condição implica o conhecimento da simetria da molécula.

VI.1.5. A simetria molecular e o momento dipolar de transição Conforme os elementos de simetria que possui, uma molécula pode ser classificada num dos trinta

e dois grupos pontuais de simetria11,*. A cada grupo pontual de simetria faz-se corresponder uma tabela de caracteres, de que se apresenta um exemplo, para o grupo pontual de simetria C2v. As moléculas pertencentes a este grupo pontual possuem os seguintes elementos de simetria: identidade (E), eixo de rotação binário (C2) e dois planos verticais contendo o eixo de rotação (σv e σ’v).

Tabela 8 – Tabela de caracteres do grupo pontual de simetria C2v.

* Um grupo pontual de simetria é constituído pelo conjunto de todas as operações de simetria da molécula, todas elas

admitindo um ponto comum, fixo. Teoricamente o número de grupos pontuais de simetria seria infinito, mas as moléculas não possuem elementos de simetria de ordem muito elevada, pelo que é usual classificá-las em trinta e dois grupos.


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A tabela de caracteres contém a notação do grupo (1), as notações das representações irredutíveis (2), as operações de simetria separadas por classes (3) e, como o nome indica, os caracteres das representações irredutíveis (4). Ainda parte integrante das tabelas de caracteres são as indicações dos vectores ou funções de base das representações irredutíveis: translações segundo as três direcções ortogonais (ou componentes do momento dipolar), rotações em torno de cada um dos eixos (5) e funções quadráticas, como o tensor polarizabilidade (6).

Para que se verifique a condição de não anulamento de uma componente do momento dipolar de transição é necessário que a função integranda seja totalmente simétrica, ou seja, que se verifique a condição: Γ(ψi)×Γ(µ)×Γ(ψf)=A, onde Γ significa representação irredutível, e A a representação irredutível totalmente simétrica do grupo pontual de simetria da molécula. Como o momento dipolar é vectorial, tem uma determinada direcção, base da mesma espécie de simetria que uma translação da molécula na mesma direcção. Por outro lado, a função de onda do estado fundamental é normalmente base da representação totalmente simétrica do grupo. Assim, será necessário que o produto directo das representações irredutíveis de ψf e µ pertença também à representação totalmente simétrica, ou seja, que pertençam ambos à mesma representação irredutível. Portanto, Γ(ψf)=Γ(Tx) e/ou Γ(ψf)=Γ(Ty) e/ou Γ(ψf)=Γ(Tz)3.

A utilização das regras de selecção derivadas da discussão de simetria pode ser uma ferramenta importante na interpretação dos espectros de infravermelho, embora nem sempre sejam completamente observadas: algumas transições vibracionais proibidas por simetria são observadas e outras permitidas são demasiado fracas para serem detectadas experimentalmente.

O aparecimento no espectro de infravermelho de bandas teoricamente não activas, ou o aumento de intensidade relativa de bandas, pode ser consequência de acoplamentos entre dois modos por ressonância de Fermi, se ambos possuírem a mesma simetria e forem próximos em energia12. A ressonância de Fermi é muitas vezes devida a acoplamentos entre harmónicos de segunda ordem e bandas fundamentais8, existindo conservação da intensidade total dos dois modos (a banda mais intensa perde intensidade para a menos intensa). A mistura entre dois estados com funções de onda

e pode ser esquematizada como na figura seguinte.

Figura 83 – Mistura de estados e desdobramento de níveis em ressonância de Fermi.

VI.2. Análise Qualitativa

Em análise qualitativa, um espectro de infravermelho, que corresponde à “impressão digital” de cada molécula, pode ser utilizado de dois modos:

(i) pode ser interpretado de modo a indicar pistas sobre a estrutura de um composto desconhecido, embora esta aproximação raramente seja conclusiva e necessita de ser complementada por outras técnicas;

(ii) por comparação com padrões a identificação de um composto desconhecido pode efectuada, no entanto para uma correcta identificação, a forma do espectro (posição das bandas e intensidade relativa destas) padrão e da amostra devem ser iguais.

VI.2.1. Correlação entre os espectros de infravermelho e a estrutura molecular

A atribuição das bandas de um espectro de infravermelho pode ser feita com base na simetria molecular e em cálculos de frequências dos modos normais de vibração, dependendo das capacidades de cálculo existentes. A primeira informação retirada de um espectro está pois relacionada com a estrutura da molécula, com a sua conformação e com a natureza das ligações entre os seus átomos.


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Na maioria dos casos, esta atribuição é complicada pelas dimensões das moléculas e combinações de movimentos dos átomos (acoplamento de modos vibraccionais). Nestes casos, recorre-se ao facto de alguns tipos de ligações e grupos terem frequências de vibração muito características e quase independentes da molécula em que se encontram (frequências de grupo): a energia potencial desse modo é concentrada numa determinada ligação ou conjunto de átomos. Estas vibrações são usualmente denominadas como modos locais de vibração6. Vibrações de esqueleto: deslocamentos semelhantes de todos (ou quase todos) os átomos da molécula. Vibrações características de grupo (mais intensas): vibrações de um pequeno número de átomos permanecendo o resto da molécula mais ou menos estacionária. Nas figuras seguintes estão esquematizados os movimentos relativos dos átomos, para algumas vibrações, do grupo de metileno.

Elongações Movimentos dos átomos ao longos dos eixos das ligações que correspondem a

alteração dos comprimentos de ligação (sem aleração dos ângulos respectivos).

simétrica

anti-simétrica

Deformações Movimento relativo dos átomos que provocam alteração dos ângulos da ligação, ou movimento de um grupo de átomos relativamente ao resto da molécula.

no plano da molécula fora do plano da molécula

angular

oscilação

transversal

balanço

torção

A existência de modos locais pode ser relacionada com as constantes de força dos diferentes osciladores. Se as constantes de força de um determinado oscilador (vibração de um conjunto de átomos) forem muito superiores às restantes, então a vibração pode ser independente. Este tipo de comportamento é observado quando um dos átomos é, por exemplo, o hidrogénio (em ligações C-H ou O-H), devido à sua massa ser bastante pequena3. Na seguinte são indicados alguns exemplos de gamas de número de ondas de grupos funcionais mais comuns4,5,13,14.

Tabela 9 – Gamas de frequência típicas de alguns grupos funcionais

Grupo Elongação / cm-1 Grupo Deformação

/ cm-1

-OH 3330-3600 ≡C-H 3300-3330 ≡C-H ~700 =CH2 3020-3100 =CH2 ~1100 -CH3 2960-3020 (as) -CH3 1440-1470 (as) -CH2 2910-2930 (as) -CH2 1440-1470 -CH3 2880-2870 (s) -CH3 1370-1390 (s) -CH2 2850-2860 (s) -CH 1250-1330 -C≡C- 2230-2300 -C-O 1100-1300 C=C 1640-1660 CCH* 1000-1030 C-C 950-1150 C=O 1600-1800

(as) modo anti-simétrico e (s) modo simétrico * de grupos em anéis aromáticos


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Para vibrações que envolvem átomos de hidrogénio, carbono, azoto e oxigénio, que são aquelas que quimicamente têm maior importância, a maioria das excitações vibracionais ocorre na região do infravermelho médio (200-4000 cm-1)9. Os principais factores que influenciam a frequência de uma determinada vibração são a constante de força do oscilador e os efeitos isotópicos.

O primeiro, relacionado com as características electrónicas do oscilador, pode ser uma medida da resistência que este oferece às alterações (de comprimento ou de ângulos das ligações) provocadas pelo movimento dos átomos durante a vibração. Diferentes tipos de ligações têm diferentes graus de resistência aos movimentos de elongação e deformação, sendo quase independentes da molécula na sua forma global. Um dos casos mais simples é o aumento da frequência do modo de elongação carbono-carbono ao passar de uma ligação simples ( ≈1000 cm-1, k=4,6-5,6 N.cm-1), para uma ligação dupla ( ≈1600 cm-1, k=9,5-10,8 N.cm-1) ou tripla ( ≈2200 cm-1, k=15,6-17,0 N.cm-1). Verifica-se assim, um aumento da frequência deste modo de vibração com o aumento da constante de força média da ligação6,13.

O efeito de isótopo provoca desvios nas frequências de vibração associadas com os grupos em que

a substituição é efectuada. Por exemplo, a substituição de hidrogénio por deutério, altera em cerca de 800 cm-1 (desvio para menor número de ondas) a frequência do modo de elongação C-D, quando comparado com o correspondente C-H. Este efeito pode ser directamente relacionado com o aumento da massa reduzida do oscilador, não havendo modificação da distribuição da densidade electrónica na molécula. A extensão do desvio pode ser estimada qualitativamente pela raiz quadrada da razão de massa dos dois isótopos5. Deste modo a substituição de hidrogénio por deutério corresponde a uma relação de , ou seja, .

VI.3. Análise Quantitativa A análise por espectroscopia de infravermelho, é geralmente aceite como sendo uma técnica de

análise qualitativa ou semi-quantitativa para a maior parte das amostras, principalmente quando se utilizam espectrofotómetros dispersivos. Contudo, o desenvolvimento dos espectrofotómetros com transformada de Fourier (FTIR) e a evolução em capacidade dos sistemas informáticos conduziram a uma aumento das potencialidades de análise quantitativa por esta técnica de análise. A base da análise quantitativa, como referido na secção III.4 para qualquer outra técnica de espectroscopia de absorção, é a lei de Lambert-Beer, onde se expressa a relação directa entre a absorvência (A) medida e a concentração (c) do analito.

Desvios à lei de Lambert-Beer ocorrem com maior frequência na espectroscopia de infravermelho do que na espectroscopia de absorção UV/Vis, sendo estes tanto de índole química como instrumental.

Os principais desvios instrumentais estão relacionados com uma resolução insuficiente ou com radiação “perdida”. A resolução está directamente relacionada com as larguras de fendas dos espectrofotómetros dispersivos, e com a diferença de percurso entre dois feixes de IV nos FTIR. No caso da radiação dispersa (“perdida”), nos FTIR é quase desprezável, tendo mais significado nos equipamentos dispersivos.


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Os desvios químicos, incluem não só reacções químicas que podem ocorrer entre o analito e outros componentes da amostra, assim como, interacções moleculares (intermoleculares, se ocorrerem entre moléculas do analito) das quais são exemplo a ligações por pontes de hidrogénio. Resultando num desvio à linearidade entre a absorvência medida e a concentração do analito.

A linearidade da lei de Lambert-Beer é observada para valores de absorvência inferiores a 0,7 unidades, apesar de em casos excepcionais poder ser observada até 2 unidades de absorvência. Os parâmetros de quantificação mais utilizados são a área ou a intensidade (altura) da banda de absorção. Na determinação das áreas das bandas cuidados especiais devem ser tidos na definição dos limites de integração.

VI.4. Instrumentação A obtenção de um bom espectro depende de muitos factores, entre os quais o espectrofotómetro,

mas principalmente depende da amostra e do modo como a análise é efectuada. Para cada tipo de amostra (gasosas, líquidas ou sólidas), foram desenvolvidos métodos e acessórios específicos para efectuar a análise por espectroscopia de infravermelho. Os dois tipos de espectrofotómetro que estão comercialmente disponíveis são: dispersivos e os com transformada de Fourier.

VI.4.1. Espectrofotómetros dispersivos Os espectrofotómetros dispersivos convencionais (ou de varrimento) são de feixe duplo, tendo como elemento dispersivo da radiação uma rede de difracção no monocromador. Na figura seguinte está um esquema de um espectrofotómetro de infravermelho dispersivo de feixe duplo.

Figura 84 – Esquema de um espectrofotómetro de infravermelho dispersivo, de feixe duplo.

Neste tipo de espectrofotómetro existe a divisão da radiação em dois feixes equivalentes, um dos quais atravessa a amostra e o outro a referência, que pode ser apenas ar.

A radiação que contem toda a gama de frequências emitidas pela fonte de radiação, após atravessar a amostra (e a referência) passa pelo monocromador e chega ao detector. A função do monocromador será a de seleccionar, em cada instante, uma frequência única que será analisada pelo detector e o sinal correspondente processado.

Variando a frequência seleccionada pode ser traçado o espectro. Sempre que uma frequência particular é absorvida pela amostra menor radiação é transmitida, no detector é comparada com a radiação transmitida pela referência. A diferença (razão) entre a intensidade da radiação proveniente dos dois meios, vai conduzir à obtenção do espectro.

Actualmente, de um modo geral, os espectrofotómetros de infravermelho dispersivos têm vindo a ser substituídos pelos equipamentos com transformada de Fourier. Contudo, a sua utilização pode ser bastante vantajosa em análises específicas, nas quais apenas é necessário monitorizar uma frequência, tais como análises cinéticas de uma reacção rápida.

VI.4.2. Espectrofotómetros com transformada de Fourier Os espectrofotómetros com transformada de Fourier (usualmente designados por FTIR) são

semelhantes aos espectrofotómetros de infravermelho comuns. Contudo, os FTIR possuem uma característica muito importante que os distingue dos espectrómetros dispersivos, os espectros não são obtidos directamente das medidas de intensidade da radiação transmitida em função da energia da radiação incidente, mas as medidas resultam na obtenção de um interferograma. Na figura seguinte é apresentado um esquema simplificado de um FTIR.


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Figura 85 – Esquema geral de um espectrómetro FTIR

O elemento essencial deste tipo de espectrómetros é o interferómetro. Na figura anterior e na seguinte está representado um esquema do interferómetro de Michelson. Este é constituído por um divisor de feixe (Df) e dois espelhos, um fixo (E1) e outro móvel (E2). Em alguns espectrofotómetros estes espelhos são em forma de “canto de cubo”. O divisor de feixe consiste numa placa de material transparente à radiação infravermelho, com um revestimento escolhido de modo a deixar passar apenas 50 % da radiação incidente, consoante a gama de frequências pretendida (infravermelho próximo, médio ou longínquo). No infravermelho médio, em geral, o divisor de feixe é de brometo de potássio, semi prateado.

Figura 86 – Esquema do interferómetro de Michelson.

A radiação incidente é dividida em dois feixes: um segue para o espelho fixo e outro para o espelho móvel, sendo recombinados no divisor de feixe. Como um dos espelhos altera a sua posição no tempo, o percurso dos dois feixes é diferente, podendo ser definida a retardação (δ) como a diferença entre os dois percursos ópticos. Quando os dois feixes se recombinam, ocorrem interferências construtivas e destrutivas.

Uma interferência completamente construtiva

ocorre quando duas ondas electromagnéticas têm a mesma frequência e se encontram em fase.

Interferências destrutivas (completas) ocorrem

quando duas ondas electromagnéticas têm a mesma frequência, mas têm uma diferença de fase de metade do comprimento de onda.

Cada frequência ν emitida pela fonte produz no detector um sinal sinusoidal de intensidade I(δ), descrito por15:

eq. 70

onde I(ν) é a intensidade da fonte à frequência ν. Esta função, usualmente designada interferograma, é integrada para todas as frequências emitidas:


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70

Exemplo para três ondas:

O máximo corresponde ao ponto de retardação

nula (ZPD), ou seja para δ=0.

O interferograma complexo assim obtido tem o máximo de intensidade correspondente à retardação nula, ou seja, para δ=0. O espectro em função da frequência (ou do número de ondas) da radiação, designado por espectro de feixe simples, resulta da aplicação ao interferograma de uma transformada de Fourier:

Na Figura 87, é apresentado o interferograma obtido num espectrómetro Mattson RS1, e o espectro

de feixe simples recuperado por aplicação da transformada de Fourier a esse mesmo interferograma.

Figura 87 – a) Interferograma obtido no espectrómetro Mattson RS1 com um detector MCT de banda larga; b) Espectro de feixe simples obtido por aplicação da transformada de Fourier ao interferograma (a), após 1000 acumulações, com resolução 4 cm-1.

A resolução dν (ou d , se for expressa em número de ondas) é tanto mais elevada quanto maior for a porção de interferograma analisada, a qual é determinada pelo percurso do espelho móvel. A calibração deste percurso é assim muito importante e é feita por um laser, no caso de HeNe.

Para limitar a gama de valores δ a ser utilizada, é necessário proceder à apodisação do interferograma, o que significa truncar os seus limites laterais. Neste trabalho foi utilizada uma apodisação triangular, que consiste em multiplicar o interferograma (a sua expressão matemática) pela função de apodisação A(δ):

A apodisação resulta numa perda de resolução em

relação a um espectro obtido sem apodisação. Contudo, permite a obtenção de um maior número de pontos por cada percurso do espelho móvel, com melhoria significativa da razão sinal/ruído.

O espectro de infravermelho (FTIR) resulta da divisão do espectro de feixe simples pelo correspondente “branco”:

Figura 88 – Espectro de ácido oleanólico obtido num espectrofotómetro Mattson RS1


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Vantagens do FTIR

As principais vantagens que os espectrómetros com transformada de Fourier apresentam em relação aos antigos modelos dispersivos são18-17:

• Vantagem “Fellgett” ou “multiplex” – relação sinal/ruído muito superior para espectros acumulados no mesmo intervalo de tempo, resultante de ser detectada uma maior gama de número de ondas durante todo o tempo de acumulação.

• Vantagem “Connes” – maior exactidão nas frequências, pois mesmo que o espelho móvel tenha pequenas alterações de velocidade, o seu percurso é calibrado com grande precisão por um laser de HeNe.

• Vantagem “Jacquinot” – maior intensidade de radiação para a mesma resolução, pois, ao contrário dos espectrómetros dispersivos, que necessitavam de fendas menores para uma maior resolução, diminuindo deste modo o sinal, nos FTIR a resolução é apenas determinada pelo percurso do espelho móvel (vantagem óptica).

• Eliminação do problema da radiação perdida.

VI.4.3. Fontes de radiação As fontes de radiação contínuas são constrituidas por sólidos inertes que por aquecimento eléctrico

atingem temperaturas d 1500 e 2200 K. O máximo de intensidade ocorre na gama de frequências entre 5000 e 5900 cm-1. Com um comportamento semelhante ao de um corpo negro, a sua intensidade decresce com o aumento da energia da radiação, por exemplo a 650 cm-1 a intensidade é cerca de 1 % do máximo, embora a diminuição seja mais significativa para energias menores. As fontes mais utilizadas no infravermelho médio são:

Fontes incandescentes de mistura de óxidos de terras raras (Lantanídeos)

As lâmpadas de Nernst são cilindricas com o diâmetro de 1 a 2 mm e um comprimento de 20 mm. No interior destes cilindros, selados, são formados óxidos de terras raras, numa das extremidades estão ligados “guias” de platina para permitir a ligação a um elemento de aquecimento resistivo. Ao passar a corrente a lâmpada pode atingir temperaturas entre 1200 e 2200 K. Um aumento de temperatura provoca uma diminuição da resitência. Assim, o circuito electrico deve ser construido de modo a que a coorenre seja limitada, de modo a impedir o aumento excessivo da temperatura e a degradação rapida da fonte de radiação.

Fontes de filamento incandescente de carboneto de silício

As fontes designadas por Globar, são constituidas por um filamento de carboneto de silício, sendo as suas dimensões em geral de cerca de 50 mm (comprimento) x 5 mm (diâmetro). É também aquecida por electricamente e a sua temperatura de funcionamento varia enter 1300 e 1500 K, tendo um coeficiente positivo de resistência (esta não diminui com o aumento de temperatura).

VI.4.4. Detectores Os detectores para a espectroscopia de infravermelho podem ser agrupados em: (i) detectores

sensíveis ao efeito térmico da radiação; (ii) detectores piroelectricos; (iii) semicondutores, detectores de fotocondutividade. Os dois primeiros são utilizados em fotómetros ou espectrofotómetros dispersivos, enquanto que os detectores dependentes da fotocondutividade se encontram mais associados a espectrofotómetros com transformada de Fourier.

Sensíveis ao efeito térmico da radiação

Estes detectores são constituídos por um sistema que a absorve toda a radiação (semelhante a um pequeno corpo negro) sendo medida a subida de temperatura resultante da absorção. Este “corpo negro” deve ser de um material que tenha capacidade calorífica pequena de modo a que a alteração de temperatura produzida seja possível detectar, uma vez que as variações são da


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ordem de grandeza de poucas centésimas de kelvin. O principal problema inerente a este tipo de detectores é o ruído térmico produzido pelas variações de temperatura ambiental.

Termopares

Os detectores com termopar são os detectores mais simples cuja resposta depende do efeito térmico da radiação. Os termopares são constituidos por dois metais diferentes, ligados entre si atravês de uma soldadura. Entre estes dois metais é estabelecida uma diferença de potencial, Ecell, dependente da temperatura. Assim, as medidas de potencial vão estar directamente relacionadas com a temperatura da radiação incidente.

Figura 89 – Esquema de um detector termopar

Células de Golay

Este tipo de detector consiste num filme fino, de um material absorvente, colocado numa célula que se encontra pressurizada (como indicado no esquema na Figura 90). Ao incidir sobre o filme a radiação electromagnética será absorvida, provocando aumento da temperatura do filme, que por sua vez promove um aquecimento do gás contido na câmara. Este ao expandir aumenta a pressão exercida no espelho flexível (que consiste numa membrana muito fina revestida a prata de um dos lados). A alteração na membrana vai ser detectada por radiação laser e medidas de deflexão.

Figura 90 – Esquema e fotografia de uma célula de Golay

As vantagens mais importantes deste tipo de detector são: (i) qualquer tipo de radiação pode ser detectada desde que o filme absorvente seja sensível, e a gama espectral pode ser limitada através da utilização de uma janela de entrada de material apropriado; (ii) não necessita de ser arrefecido, funcionando à temperatura ambiente, portanto de utilização fácil.

Contudo, também tem algumas desvantagens: (i) a membrana é extremamente frágil, pelo que a célula deve ser manuseada como muito cuidado; (ii) tem uma resposta muito lenta, devido à resposta térmica de aquecimento e arrefecimento do gás no interior da câmara, restringindo a velocidade máxima de operação a ~20 Hz.

Bolómetros Os detectores que são termómetros de resistência, são designados por bolometros, são

construidos em materiais cuja resistência se altera com a variação de temperatura. Estes materiais podem ser metais, tal como a platina, ou semi-condutores, entre os quais o germânio é utilizado na região do infravermelho longinquo.

Piroeléctricos de sulfato de triglicina deuterado (DTGS)


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Semicondutores (dependentes da fotocondutividade)

Telureto de mercúrio e cádmio (MCT) e Antimoneto de Índio (InSb)

Foi utilizado um espectrómetro FTIR Mattson modelo RS1, com fonte de infravermelho constituída

por um filamento incandescente de carboneto de silício, arrefecida a água, e um detector de telureto de mercúrio e cádmio (MCT) de banda estreita (gama de trabalho: 4000 a 800 cm-1), da EG&G Judson. Estes detectores dependem da fotocondutividade dos semicondutores que os constituem, sendo arrefecidos com azoto líquido e, portanto, de baixo ruído18. Na Figura 85 apresenta-se um esquema muito simplificado de um espectrómetro FTIR.

(Arrefecidos com azoto líquido, de baixo ruído)

Germânio dopado com ouro ou cobre

(Arrefecido com hélio líquido, muito sensíveis)


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Figura 91 – Resumo das principais caracteristicas de detectores que podem ser utilizados em espectroscopia de infravermelho.

VI.4.5. Sistema óptico Espelhos (superfície recoberta por prata ou alumínio)

Lentes (não podem ser de vidro)

VI.4.6. Porta-amostras Com janelas e/ou em matrizes de :

- NaCl ( > 625 cm-1)

- KBr ( > 400 cm-1)

- ZnSe (20000 < > 454 cm-1)

Soluções aquosas

- CaF2 ( > 1111 cm-1)

- AgCl ( > 360 cm-1)

A sua forma e estrutura dependem do tipo de análise e do estado físico e de agregação da amostra porta-amostras específicos para os ensaios de:

- gases

- sólidos

- líquidos

VI.4.7. Tipos de análise por FTIR


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Modo de transmissão

Método mais comum: Célula de líquidos ou gases; Pastilhas de KBr

Modo de reflectância difusa (DRIFT)

Desenvolvido para obter espectros IV de amostras sólidas, que dispersam a radiação incidente.

Esquema do porta-amostras:

Modo de reflectância total atenuada (ATR)

Desenvolvido para obter espectros IV de:

amostras líquidas (muito absorventes)

filmes finos (maleáveis ou húmidos)

membranas

geis

pastas

Não adaptáveis a análise em transmissão.

Modo de reflexão-absorção (RAIRS)

Microscopia no IV

Espectroscopia IV resolvida no tempo


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VII. Anexo I

VII.1. Outro modo de deduzir a lei de Lambert-Beer:

– Solução contendo n partículas absorventes, contida numa célula de percurso óptico b.

– Secção recta com uma espessura infinitesimal dx e uma área S.

– Radiação monocromática (apenas um λ).

– I<I0, existe absorção da radiação.

Elemento de volume dV = SxdS, neste volume (elemento de volume) existem dn partículas

absorventes. Do ponto de vista estatistico a probabilidade de captura do fotão é ; e a fracção de

radiação absorvida: , sendo dI a intensidade da radiação incidente subtraída da intensidade da

radiação emergente para o elemento de volume, e Is a intensidade da radiação incidente no mesmo elemento de volume

A lei de Lambert-Beer:

Captura do fotão pelas partículas:

α é a área de captura do fotão, sendo a área à volta da partícula na qual se o fotão incidir este é capturado (absorvido). Esta área de captura depende do tipo de partícula (do seu tamanho) e comprimento de onda da radiação

Sendo dS = α x dn, logo:

eq. 71

integrando para todas as partículas e para a intensidade total da radiação,

eq. 72

passando a logaritmos decimais:

eq. 73

Sabendo que e a concentração , factores 1000 para

passar de mL a L e 6,023x1023 para passar de número de partículas a moles.


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Então , que substituindo na equação 21:

eq. 74

Sendo e , vem que A = ε b C, em que ε é o coeficiente de

absortividade (ou absortividade molar).

Como a absorvência é adimensional (não tem unidades) se: b (cm) e C (mol.L-1) as unidades de ε devem ser L.mol-1.cm-1.

Geral:

Quimiluminescência: 1 J.E. Wampler, Instrumentation: Seeing the Light and Measuring It, in Chemi- and

Bioluminescence, J.G. Burr, ed., Marcel Dekker, New York, 1-44 (1985). 2 A.K. Campbell, Detection and Quantification of Chemiluminescence, in Chemiluminescence

Principles and Applications in Biology and Medicine, Ellis Horwood, Chichester, 68-126 (1988). 3 F. Berthold, Instrumentation for Chemiluminescence Immunoassays, in Luminescence

Immunoassay and Molecular Applications, K. Van Dyke and R. Van Dyke, eds., CRC Press, Boca Raton, 11-25 (1990). 4 T. Nieman, Chemiluminescence: Theory and Instrumentation, Overview, in Encyclopedia of Analytical Science, Academic Press, Orlando, 608-613 (1995).

VIII. Bibliografia 1 Obtido em "http://scienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=Qualitative_UV_Analysis", Março 2006. 2. J. L. McHale, “Molecular Spectroscopy”, Ed. Prentice Hall, New Jersey, 1999. 3. J. M. Hollas “Modern Spectroscopy”, Ed. John Wiley & Sons, 3a Edição, New York, 1996. 4. J. J. C. Teixeira Dias, “Espectroscopia Molecular - Fundamentos, Métodos e Aplicações”, Ed. Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1986. 5. Max Diem, “Introduction to Modern Vibrational Spectroscopy”, Ed. John Wiley & Sons, New York, 1993. 6. E. B. Wilson Jr., J. C. Decius, P. C. Cross, “Molecular Vibrations - The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra”, Ed. Dover, New York, 1980. 7. G. M. Barrow, “Introdution to Molecular Spectroscopy”, Ed. McGraw-Hill, Singapore, 1964. 8. P. F. Bernath, em “Spectra of Atoms and Molecules”, Ed. D. G. Truhlar, Oxford University Press, 1995. 9. J. W. Gadzuk, em “Vibrational Spectroscopy of Molecules on Surfaces”, Ed. J. T. Yates Jr., T. E. Madey, Plenum Press, New York, 1987.


Ana Rosa Garcia

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Técnica de análise instrumenta l- Espetroscopia molecular

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