Análise instrumental: Conceitos e avanços da análise no infravermelho

A espectroscopia de absorção no infravermelho é umas das técnicas analíticas utilizadas em laboratórios de pesquisa, tanto nas indústrias quanto nos meios acadêmicos, tão importante como outros meios analíticos instrumentais modernos: a espectrometria no ultravioleta, a espectrometria de absorção atômica e a espectrometria de raios x.

Química e Derivados: Análise: Na Polibrasil, Dr. Cienfuegos coordena as análises instrumentais.
Na Polibrasil, Dr. Cienfuegos coordena as análises instrumentais.

Algumas das vantagens dessa técnica são a facilidade de preparação da amostra; a possibilidade do uso de amostras em filmes sólidos, amostras líquidas e gasosas; bem como o custo, o tamanho e a versatilidade do equipamento necessário para as análises. Outras técnicas para o preparo das amostras precisam de extração ou calcinação, ou ainda podem demandar equipamentos muito caros. Um espectrofotômetro de infravermelho custa menos que a metade de um aparelho de espectrometria de raios x.

O panorama da utilização da técnica, não obstante, tem apresentado mudanças, desde meados dos anos 80. Além da substituição gradual dos equipamentos inicialmente empregados, denominados espectrofotômetros dispersivos, por espectrofotômetros com transformada de Fourrier (FTIR), começam a desenvolver-se as aplicações na região do infravermelho próximo (NIR). A técnica de espectroscopia no infravermelho próximo apresenta atualmente crescimento, principalmente nas linhas de produção de fábricas.

Valendo-se da prestigiosa colaboração do químico chileno Dr. Freddy Cienfuegos, co-autor de “Análise Instrumental”, de 600 páginas, e coordenador dos laboratórios da Polibrasil, em Mauá-SP, Química e Derivados apresenta artigo técnico delineando os principais conceitos teóricos envolvidos na espectrometria de infravermelho e no funcionamento de um espectrofotômetro, que valem também para os aparelhos mais modernos que empregam a transformada de Fourrier.

Esta primeira parte do artigo dedica-se à apresentação da radiação infravermelha e sua aplicação em análise instrumental, às partes e aos problemas de um aparelho de espectrofotometria, à formação do espectro e aos tipos de vibração molecular. Em breve, o leitor de Química e Derivados poderá acompanhar a segunda parte do artigo, em que serão apresentados os aparelhos dotados de transformada de Fourrier, seu funcionamento e o processo de formação do espectro nesses instrumentos, acompanhados das principais diferenças entre os dois tipos de equipamentos.

A espectrofotometria é o processo instrumental de medição baseado nas propriedades de absorção e emissão de energia eletromagnética em alguma região do espectro eletromagnético. A porção do espectro percebida pelo olho humano (região visível) está compreendida entre comprimentos de onda de 380 nm e 780 nm e, acima desse limite, até cerca de 50.000 nm (faixa entre as regiões do visível e das microondas), a radiação é chamada infravermelha (IV). A região do infravermelho entre 2,5 mm e 15,0 mm (2.500 nm a 15.000 nm) concentra o maior interesse dos químicos, embora as regiões do infravermelho próximo (0,7 mm a 2,5 mm) e do infravermelho distante (14,3 mm a 50 mm) venham angariando maior atenção, ultimamente.

O objetivo da espectroscopia de absorção no IV é a determinação dos grupos funcionais de um dado material. Cada grupo absorve em freqüência característica de radiação na região do IV. Assim, um gráfico de intensidade de radiação versus freqüência, o espectrograma de IV, permite caracterizar os grupos funcionais de um padrão ou de um material desconhecido.

Mesmo moléculas das mais simples podem produzir espectros extremamente complexos. O químico utiliza este fato vantajosamente, comparando o espectro de um composto desconhecido com o de uma amostra conhecida. Determinado o espectrograma da amostra desconhecida, a correlação pico a pico constitui boa prova de identidade, visto ser pouco provável a coincidência de espectros de dois compostos diferentes. Embora o espectro no IV seja característico da molécula como um todo, certos grupos de átomos originam bandas mais ou menos na mesma freqüência, independentemente da estrutura da molécula. É justamente a presença dessas bandas características de grupos funcionais que permite a obtenção de informações úteis para a identificação de estruturas, através de simples exame do espectro e consulta a tabelas. Os espectros de IV, em conjunto com outros dados espectrais, são úteis para a determinação das estruturas de moléculas – quase todos os laboratórios de universidades e indústrias dispõem de espectrofotômetros de IV, principalmente aqueles dotados de sistema óptico de duplo feixe

Química e Derivados: Análise: analise01. Os componentes do aparelho – Os espectrofotômetros de feixe duplo utilizados na determinação de espectros de IV (figura 1) consistem de cinco seções principais: fonte de radiação, área de amostras, fotômetro, monocromador e detector.

A radiação IV é produzida por uma fonte aquecida eletricamente, usualmente um filamento de Nernst ou um “globar”. Em grande parte das vezes, a fonte é constituída de óxidos de terras raras moldados em forma adequada, que emitem radiações na região do IV quando aquecidos a altas temperaturas, alcançando entre 1.000 oC e 1.800 oC. O filamento de Nernst é fabricado a partir de um adesivo de óxidos de zircônio, tório e cério, enquanto o “globar” é um pequeno bastão de carbeto de silício. A máxima radiação emitida, no caso do “globar”, ocorre na região de 1,8 mm a 2,0 mm, reduzindo-se por um fator de aproximadamente 600, a medida em que se aproxima da região de 16,7 mm. O filamento de Nernst fornece energia máxima de radiação a aproximadamente 1,4 mm, e reduz-se de um fator de aproximadamente 1.000 nas regiões de baixa freqüência.

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O feixe de radiação produzido pela fonte é dividido por dois espelhos. Em seguida, cada um dos feixes é focalizado na área de amostras, com o auxílio de outros dois espelhos. No compartimento, os feixes atravessam células, uma correspondendo a um material de referência, e outra à amostra desconhecida. Obturadores montados no compartimento da fonte permitem bloquear um ou outro feixe, independentemente. A área de amostras de um espectrofotômetro permite acomodar uma grande variedade de acessórios para a medida de gases, líquidos e sólidos, que incluem desde células de gás de grande caminho ótico até microcélulas.

Após incidir na referência e na amostra, a fração de radiação transmitida é comparada no fotômetro, a parte do aparelho responsável por indicar a diferença de energia entre amostra e referência, através da radiação pulsante. No fotômetro também são equalizadas as energias dos dois feixes, através da cunha óptica. Quando os dois feixes são de mesma intensidade, o instrumento está no zero ótico. A pena do registrador está neste momento a 100% de transmitância, desde que não haja amostra no feixe correspondente.

Um pente no feixe da amostra permite que se obtenha um balanceamento adequado. O atenuador desloca-se para dentro e para fora do feixe de referência, em resposta ao sinal criado no detector pelo feixe da amostra. Assim, quando o feixe é absorvido pela amostra, o atenuador é dirigido para dentro do feixe de referência até que sua intensidade seja a mesma do feixe da amostra.

A maior parte das análises espectroscópicas deve utilizar radiação composta por um pequeno conjunto de comprimentos de onda, de modo a conferir ao método instrumental a sensibilidade e a seletividade necessárias, entre outras propriedades. Para isso, o equipamento utiliza um monocromador, que dispersa a luz proveniente da fonte em diferentes comprimentos de onda. O dispositivo permite isolar bandas de comprimento de onda geralmente muito mais estreitas que as obtida por filtros, sendo formado por um elemento de dispersão, que pode ser um prisma ou uma rede de difração, junto com duas fendas estreitas que servem como aberturas de entrada e de saída de radiação.

Quanto menor a largura das fendas, maior será a resolução obtida. Na maior parte dos instrumentos, a largura das fendas é programada de modo a aumentar quando a energia emitida pela fonte diminui, mantendo a energia do feixe de referência constante. Obtém-se um máximo de resolução usando-se as redes apenas em suas faixas de maior poder de dispersão; nos instrumentos modernos de alta resolução, é costume a utilização de duas ou mais redes.

O monocromador também tem como funções principais dispersar a radiação em seus comprimentos de onda, selecionar o comprimento de onda particular da radiação a ser transmitida ao detector, e manter aproximadamente constante a energia no detector para todos os comprimentos de onda. Durante a varredura, filtros são inseridos automaticamente no caminho da radiação, para eliminar toda radiação indesejável, inclusive as harmônicas da freqüência medida, provenientes da rede.

A medição da energia radiante é feita através do detector, que utiliza o efeito térmico da radiação para quantificá-la. Após deixar a fenda de saída do monocromador, o feixe é refletido por um espelho plano para um espelho elipsoidal, cujos focos estão na fenda de saída e no detector. Os detectores podem ser divididos em duas classes gerais: seletivos e não seletivos. Os seletivos respondem em função do comprimento de onda da radiação incidente (placas fotográficas, fotocélulas e celas de fotocondutividade); os não seletivos, mais adequados para trabalhos espectroscópicos, respondem em função da energia da radiação incidente. Os dois tipos comuns de detectores não seletivos são o termopar e o bolômetro. No caso dos termopares, a energia radiante aquece uma das duas junções bimetálicas do dispositivo, produzindo uma força eletromotriz proporcional ao aquecimento. Os bolômetros baseiam-se na medida da variação da resistência com o aquecimento. O detector é montado como um dos braços de uma ponte, de modo que a mudança de temperatura provoca um desequilíbrio no sinal através do circuito, que pode ser amplificado e registrado ou, ainda, utilizado para ativar um servomecanismo para restabelecer o balanço.

Como o detector recebe alternadamente o feixe de referência e o da amostra, qualquer mudança na intensidade da radiação devida à absorção de energia é detectada como um sinal diferente de zero. O sinal assim obtido é amplificado, e usado para posicionar o atenuador óptico de modo que a radiação dos feixes de referência e de amostra mantenham-se na mesma intensidade. A quantidade de atenuação necessária é uma medida direta da absorção pela amostra – o movimento do atenuador é registrado, então, pela pena do instrumento.

A formação do espectro – As fontes utilizadas em equipamentos comerciais emitem radiações com comprimentos de onda variando entre 2,5×10-4 cm até 1,5×10-3 cm, ou seja, com número de onda desde 4.000 cm-1 a 200 cm-1. Suponhamos que uma amostra possa absorver energias correspondentes aos números de onda 3.100 cm-1, 1.550 cm-1, 1.080 cm-1 e 610 cm-1. A amostra, após o preparo, é colocada na posição adequada e inicia-se a análise. A fonte começa a irradiar a amostra e a referência, simultaneamente, com fótons de 4.000 a 200 cm-1. Porém, nem todos esses números de onda chegam simultaneamente ao detector, pois caso isso ocorresse, a análise ficaria prejudicada. Essa é justamente a função da rede de difração.

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A rede de difração é responsável pela separação da radiação (fótons) de acordo com o seu comprimento de onda, e sua função pode ser representada esquematicamente como na figura 2, onde se observa que apenas fótons com 4.000 cm-1 chegam ao detector.

Química e Derivados: Análise: analise02. Química e Derivados: Análise: analise02. Química e Derivados: Análise: analise02. Por meio de um movimento circular, a rede de difração focaliza no detector, um a um, todos os comprimentos de onda separadamente (4.000 cm-1, 3.999 cm-1, 3.998 cm-1, 3.997 cm-1), e assim sucessivamente até completar a varredura.

A figura 3 representa esquematicamente o que ocorre numa determinação por IV.

Química e Derivados: Análise: analise03. No detector, só incidem os fótons de 4.000 cm-1 vindos da referência e da amostra. Como estas não absorvem nenhum fóton em 4.000 cm-1 – aliás, a referência não absorve nenhum fóton na faixa 4.000 cm-1 – 200 cm-1 –, não ocorrerá diferença de potencial no detector, nem tampouco movimento no servomecanismo que aciona a pena do registrador. Assim, tem-se um ponto que corresponde a 0 de absorbância, ou 100% de transmitância. A amostra nada absorve, transmitindo toda a radiação, como se vê na figura 4.

Química e Derivados: Análise: analise04.As redes de difração movimentam-se continuamente. O mesmo fenômeno descrito anteriormente acontece nos números de onda 3.999 cm-1, 3.998 cm-1,…, 3.101 cm-1, porém, quando as redes de difração focalizam no detector 3.100 cm-1, por exemplo, algo diferente acontece, pois a amostra absorveu parte dos fótons deste número de onda.

Deste modo, a intensidade de fótons que passa a amostra em 3.100 cm-1 é menor que a intensidade que passa pela referência, o que gera uma corrente no detector que aciona o servomecanismo, e a pena no registrador registra um pico que nada mais é que o registro da parte da energia absorvida pela amostra (figura 5).

Química e Derivados: Análise: analise05.Pode-se ver que 80% da energia com número de onda igual a 3.100 cm-1 foi absorvida. Com a continuação do movimento de rotação das redes de difração, chega-se novamente em números de onda que não puderam ser absorvidos pela amostra. Neste ponto, a corrente no detector volta a ser nula, e retorna-se à linha base do aparelho (0% de absorção). Isto se dá abaixo de 3.100 cm-1. No espectrograma da figura 6, o fenômeno é retratado como um pico em 3.100 cm-1, pois a amostra absorve este número de onda.

Química e Derivados: Análise: analise06. Continuando o movimento de rotação das redes de difração até o número de onda 200 cm-1, o espectro final da molécula será semelhante ao da figura 7. Picos aparecem nos valores 1.550 cm-1, 1.080 cm-1 e 610 cm-1, onde a molécula absorve a radiação.

Química e Derivados: Análise: analise07.Os tipos de vibração – Basicamente, o termo espectroscopia tem sido utilizado para designar métodos analíticos em que se estuda a interação de radiações eletromagnéticas com moléculas ou partículas. Tanto radiações, como moléculas, porém, possuem energias características, cuja conseqüência é a propriedade de uma molécula absorver energia proveniente de uma radiação. O fenômeno, no entanto, não ocorre em todos os casos, mas somente naqueles onde a energia do fóton (outra forma de se chamar radiação) for compatível com a energia da vibração molecular.

Deste modo, se um feixe de fótons com intensidade I0 incidir sobre uma amostra com moléculas que apresentam energia de vibração incompatível com a energia dos fótons, nenhuma energia será absorvida e todos os fótons passarão pela amostra, isto é, o feixe I, que emerge da amostra, tem a mesma intensidade que o feixe Io (I0 = I). Por outro lado, se a energia dos fótons for compatível com a energia vibracional, cada molécula absorverá um fóton, aumentando seu movimento vibracional. Como conseqüência, a intensidade dos fótons que deixa a amostra será menor do que a intensidade incidente (Io > I), pois parte dos fótons foi absorvido. Depreende-se que, quanto maior for o número de moléculas presente na amostra, menor será a intensidade final, pois maior será a chance dos fótons serem absorvidos.

Vários modelos são propostos para explicar o comportamento vibracional das moléculas, porém, nenhum deles é tão eficiente quanto o da bola-mola. De acordo com este modelo, os átomos são representados por bolas de tamanho variável, ao passo que as ligações são descritas como molas com elasticidades diferentes. Uma molécula só estaria na posição estática a 0 K Em qualquer temperatura diferente, existe o movimento vibracional, representado por vários estágios de estiramento da “mola”, nos limites dos estiramentos máximo e mínimo. Estas vibrações e seus respectivos estados de estiramento dependem fundamentalmente dos tipos de átomos envolvidos (“tamanho das bolas”) e da força de ligação (“força da mola”). Dependendo dos fatores citados, cada vibração apresenta uma energia característica, denominada energia vibracional.

Além da abordagem baseada no movimento de elongação da “mola”, porém, o fenômeno pode ser estudado de outra maneira. Existem outros tipos possíveis de vibrações, cada um deles com energia própria e, portanto, apto a absorver fótons com número de ondas diferentes.

Alguns exemplos de vibrações de um grupo –CH2 são o estiramento assimétrico (3.080 cm-1), o estiramento simétrico (3.010 cm-1), a deformação (1.415 cm-1), o rock (720 cm-1) e o waggin (1.200 cm-1 ). O grupo –CH3 pode apresentar vibrações do tipo estiramento em fase (2.870 cm-1), deformação fora de fase (1.463 cm-1), deformação em fase (1.378 cm-1), torção (variável) e rock (variável).

[adrotate banner=”284″]Um único grupo dá origem a várias vibrações (picos). Portanto, um espectro completo, aparentemente, é complexo. Porém, para a identificação, utilizam-se apenas os picos mais intensos, por exemplo, com absorção maior do que 20%.

Problemas dos espectrofotômetros dispersivos

Espectrofotômetros de IV dispersivos são amplamente utilizados há mais de quarenta anos. À medida que as pesquisas na tecnologia de IV progrediram, melhoramentos foram feitos, como, por exemplo, a substituição dos prismas pelas redes de difração, como elemento dispersivo. Esses progressos tornaram os instrumentos mais precisos e com maior sensibilidade. Instrumentos dispersivos trabalham razoavelmente bem. No entanto, as aplicações constantemente exigem maior velocidade, sensibilidade e precisão. Estes equipamentos apresentam os seguintes problemas:

– Grande número de partes móveis
Mesmo o sistema dispersivo mais simples apresenta grande número de partes móveis:
a) Um mecanismo de modulação ou “chopping”, que alterna o feixe entre a amostra e a referência, produzindo um sinal a.c. no detector;
b) Um complexo e preciso motor de rotação da rede de difração, que dispersa espacialmente o feixe nas suas freqüências individuais;
c) Para os espectrômetros convencionais de duplo feixe, um atenuador deve ser usado na referência para igualar a intensidade de energia entre os feixes da amostra e da referência;
d) Controladores de fenda utilizados para determinar a resolução. A largura da fenda também muda ao longo do espectro, para manter constante a intensidade de energia através da fenda;
e) Trocadores de filtro que eliminam a energia indesejada;
f) Registrador analógico (e não digital) para registro do espectro nos sistemas mais antigos.
Todas essas partes estão sujeitas ao desgaste mecânico e perda de precisão com o tempo. Se qualquer parte for danificada, o espectrômetro torna-se inoperável.

– Baixa velocidade de varredura
Somente um elemento de resolução é detectado de cada vez. Isto significa que o tempo requerido para obter um espectro é determinado pelo tempo que o instrumento detecta cada elemento de resolução, multiplicado pelo número de elementos de resolução no espectro. As baixas velocidades de varredura dos instrumentos dispersivos tornam impraticável o monitoramento pelo espectro total de uma amostra que sofre rápidas modificações físicas ou químicas. Assim, o monitoramento cinético é geralmente limitado a uma única banda de absorção, o que limita a extensão da informação desses experimentos.

– Decréscimo da sensibilidade do sistema com os efeitos de fenda
O mecanismo de fendas que determina a resolução bloqueia a maior parte da luz proveniente da fonte para a obtenção do espectro. A sensibilidade do sistema decresce, criando um problema para amostras que apresentam baixa transmissão, ou para acessórios que não são opticamente eficientes. O problema é ainda maior em maiores resoluções, quando as fendas são muito estreitas, permitindo a passagem de ainda menos energia para o detector, e decrescendo a sensibilidade proporcionalmente.

– Não existe referência interna
Não há referência interna para a calibração das freqüências. Cada espectro deve ser calibrado externamente, através do espectro de algum material com freqüências de absorção conhecidas – por exemplo, o poliestireno ou o indeno – para determinar a diferença entre a freqüência conhecida e aquela que foi obtida. Além disso, os erros de calibração não são constantes ao longo do espectro, o que significa que o espectro deve ser calibrado em diversas áreas. A adição de um sistema de tratamento de dados ao espectrômetro dispersivo permite que se armazene a curva de calibração, que pode, então, ser usada para corrigir o espectro obtido.

Entretanto, a calibração pode ser afetada por outros fatores, como a temperatura, o que implica em “correr” o padrão de calibração freqüentemente. Isto requer mais tempo do operador e aumenta o custo de cada análise.

– Permite luz espúria
Devido à modulação do feixe infravermelho pelo “chopper” numa freqüência constante, contribuições da luz espúria dentro do sistema são lidas pelo detector, e causam erros nas leituras de intensidade. Por exemplo, pode-se encontrar luz em uma área do espectro onde a amostra absorve inteiramente. Esta luz espúria é difícil, ou quase impossível de eliminar.

A luz espúria faz com que análises quantitativas nos instrumentos dispersivos sejam difíceis. Conforme a lei de Beer, existe uma relação linear entre a absorbância medida e a concentração da amostra. Instrumentos dispersivos não são confiáveis para análises quantitativas em amostras com absorbância superior a 1,0 (níveis de luz abaixo de 10% de transmitância). Como resultado, mais tempo deve ser empregado preparando um filme mais fino ou uma amostra mais diluída para enquadrar a banda analítica na faixa adequada de leitura. Novamente, o custo de cada análise aumenta.

– Aquecimento da amostra
A amostra, usualmente posicionada próxima da fonte, pode sofrer aquecimento, e alimentar a possibilidade de decomposição, ou outras modificações, particularmente, em amostras sólidas.

– Emissão da amostra
Uma amostra aquecida, como mencionado anteriormente, pode emitir radiação. Em alguns esquemas de duplo feixe, a luz passa através da amostra antes de chegar ao “chopper”. Para esse tipo de sistema, qualquer radiação emitida pela amostra será lida pelo detector. Bandas de emissão são “negativas” em relação às bandas normais de transmissão, mas quando ambas aparecem simultaneamente no espectro, a interpretação pode ser dificultada.

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