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Quim. Nova, Vol. 25, No. 6, 1003-1011, 2002 A QUIMILUMINESCNCIA COMO FERRAMENTA ANALTICA: DO MECANISMO A APLICAES DA REAO DO LUMINOL EM MTODOS CINTICOS DE ANLISE ErnestoCorrea Ferreira e AdrianaVitorino Rossi* Instituto de Qumica, Universidade Estadual de Campinas, CP 6154, 13083-970 Campinas - SP Recebido em 18/4/01; aceito em 12/4/02

CHEMILUMINESCENCE AS AN ANALYTICAL TOOL: FROM THE MECHANISM TO APPLICATIONS OF THE REACTION OF LUMINOL IN KINETIC BASED METHODS. Relevant aspects of proposed mechanisms of the chemiluminescent reaction of luminol are presented and commented to emphasize its perspectives for kinetic analysis. A careful search for analytical applications of this reaction is discussed in order to point out new trends of the studies. Kinetic analysis using the luminol reaction is proposed to be a very attractive due to the good performance of the reaction in analytical applications and the positive characteristics of kinetic analysis, such as low cost and sensibility. It is pointed out that kinetic analysis using the chemiluminescent reaction of luminol should be encouraged. Keywords: luminol; chemiluminescence; kinetic analysis.

QUIMILUMINESCNCIA Breve histrico Desde a antiguidade, fenmenos de emisso de luz, como a quimiluminescncia, eram descritos, mas, por muito tempo foram associados a mitos ou fantasmas. Em 1669, o mdico H. Brandt, a partir da destilao exaustiva de uria, produziu fsforo que, devido a sua oxidao pelo O2 do ar, produzia quimiluminescncia1. O primeiro composto orgnico sinttico luminescente descrito foi a lofina, 2,4,5-trifenilimidazol, obtida em 1887 por Radiziszewski2. A partir destes resultados, em 1888, Wiedemann conseguiu distinguir a quimiluminescncia da incandescncia, definindo-a como a emisso de luz que ocorre junto a processos qumicos3. Desde esta poca, as reaes quimiluminescentes tm sido objeto de estudos para elucidao dos mecanismos envolvidos e da atuao de outras espcies que afetam a quimiluminescncia. Alm destes compostos exemplificados, outras substncias como luminol, lucigenina, isoluminol, etanodioato de bis(2,4,6-triclorofenila), pirogalol e a luciferina tambm participam como substratos de reaes quimiluminescentes e suas frmulas so apresentadas na Figura 14, 5. QUIMILUMINESCNCIA E QUMICA ANALTICA A preciso e a sensibilidade das anlises esto fortemente relacionadas com a tcnica de medida e o sistema reacional empregados. H grandes esforos em otimizar sistemas convencionais e encontrar novos sistemas, visando atender s novas e crescentes necessidades do mercado. Neste contexto, a quimiluminescncia destaca-se por apresentar caractersticas de grande aplicabilidade analtica. Quimiluminescncia a produo de radiao luminosa eletromagntica (inclusive ultravioleta ou infravermelho) por uma reao qumica. Quando esta radiao emitida a partir de um sistema qumico presente num organismo ou dele derivado, acaba sendo conhecida como bioluminescncia4. O processo qumico da quimiluminescncia envolve a absoro, pelos reagentes, de energia suficiente para gerao de um complexo*e-mail: [email protected] Figura 1. Exemplos de compostos que participam como substratos de reaes quimiluminescentes: 1 lofina, 2 luminol, 3 lucigenina, 4 isoluminol, 5 etanodioato de bis(2,4,6-triclorofenila), 6 pirogalol e 7 luciferina

ativado, o qual se transforma em um produto eletronicamente excitado6. Se esta espcie excitada for emissiva, produz a radiao diretamente, caso contrrio, pode ocorrer a transferncia de energia do estado excitado formado para uma molcula aceptora apropriada, resultando na emisso indireta da radiao6. Pesquisas sobre reaes quimiluminescente so desenvolvidas em todas as reas tradicionais da Qumica e, em geral, envolvem estudos sobre mecanismos, identificao de reagentes, produtos e intermedirios, alm de medidas da eficincia quntica e desenvolvimento de aplicao analtica7. As condies da reao tm um efeito significativo na quimiluminescncia. Otempo de reao e a durao da radiao emitida variam de perodos muito pequenos (menores que 1s) at

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muito longos (cerca de 1 dia). A mudana de parmetros experimentais como forma de mistura dos reagentes, temperatura, concentraes de espcies reacionais ou interferentes, pH, podem modificar totalmente a emisso, podendo at mesmo extingui-la5. A intensidade da emisso depende da velocidade de reao, da eficincia na gerao de molculas em um estado excitado (expresso pelo rendimento quntico) e do fluorforo, que pode ser considerado como a substncia que produz a emisso1,8. A cor e a intensidade de emisso tambm so influenciadas pela polaridade do solvente, pela temperatura do sistema e por outros processos fsicos secundrios de supresso da emisso da molcula no estado excitado5. Como exemplo, pode-se citar que o comprimento de onda de emisso mxima da reao quimiluminescente do luminol (lmax de emisso) varia entre 431 e 500 nm, de acordo com o solvente utilizado, conforme ilustra a Tabela 18. Tabela 1. lmax de emisso da oxidao do luminol em diferentes solventes solvente gua Dimetilsulfxido Dimetilformamida Acetonitrila Tetra-hidrofurano lmax de emisso (nm) 431 502 499 500 496

Uma reao quimiluminescente de grande importncia envolve a oxidao da luciferina, um dos compostos responsveis pela luz do vagalume, em presena de ATP e utilizada para a determinao de biomassa e da presena de vida em corpos estrelares, alm de servir como forma de deteco em vrios imunoensaios10. Outra reao, das mais aplicadas em mtodos analticos, a famosa oxidao do luminol em meio alcalino13. A REAO QUIMILUMINESCENTE DO LUMINOL Data de 1928, o trabalho pioneiro sobre a reao do luminol, publicado por Albrecht14. A oxidao do luminol por H2O2 em meio alcalino foi a primeira reao quimiluminescente descrita e suas propriedades termodinmicas e cinticas continuam sendo intensamente estudadas at os dias de hoje. Vrias propostas mecansticas para a reao j foram apresentadas e algumas etapas j esto quase completamente estabelecidas4,5,13. Restam, ainda, aspectos no totalmente elucidados, envolvendo a formao de estados eletronicamente excitados que, como na maioria das reaes quimiluminescentes, ainda no esto bem esclarecidos e continuam sendo objeto de pesquisas e polmicas recentes4,15. As idias apresentadas na seqncia no tm a pretenso de esgotar o tema nem cobrir todas as obras j publicadas sobre o assunto mas servem para ilustrar alguns aspectos da reao. Vrios pesquisadores j citaram alguns caminhos possveis para a reao do luminol com alguns agentes oxidantes, como O 2 e H2O2. Tambm foram determinados alguns possveis intermedirios. Alm disso, estudos realizados com outras reaes quimiluminescentes (por exemplo, com dioxetanos) tm mostrado novos caminhos e idias sobre o mecanismo de quimiluminescncia7. Uma interessante proposta mecanstica foi apresentada por Albertin e colaboradores4, sendo apresentada na Figura 2.

Como a intensidade de emisso dependente da velocidade da reao, monitor-la pode fornecer dados para quantificar qualquer espcie cuja concentrao afete esta velocidade5. As principais caractersticas das reaes quimiluminescentes adequadas para aplicao analtica so os excelentes limites de deteco que podem ser alcanados e a simplicidade da instrumentao necessria para registrar o sinal analtico5. Com reaes bioluminescentes, pode-se trabalhar em condies de especificidade quando envolvem catlise enzimtica. A elevada sensibilidade de mtodos analticos com reaes quimiluminescentes, que sero identificados neste texto com tcnicas de quimiluminescncia, est ligada a vrios fatores, como a ausncia da necessidade de uma fonte de radiao, o que diminui ou elimina os espalhamentos Raman e Rayleigh, e o rudo associado com este tipo de componente, aumentando a razo sinal/rudo da medida. Limites de deteco na ordem de fentomol (10-15 mol) no so incomuns nas tcnicas de quimiluminescncia e em alguns sistemas enzimticos j foram detectadas cerca de 120 molculas de analito5. As reaes quimiluminescentes podem ocorrer tanto em fase gasosa como tambm nas fases slidas e lquidas. As principais reaes em fase gasosa j estudadas so aquelas que ocorrem entre o oznio e xidos de nitrognio e so utilizadas para a determinao de oznio na atmosfera8. Em cromatografia gasosa, vrios sistemas envolvendo reaes quimiluminescentes j foram citados para a deteco de compostos contendo N e S. Porm, segundo Worsfold10, a fase lquida apresenta as maiores perspectivas para aplicao analtica da quimiluminescncia, tanto em meio aquoso como no-aquoso. Em soluo, a quimiluminescncia pode ser empregada em vrias aplicaes analticas para determinao de ons metlicos, nions inorgnicos, biomolculas, substncias carcinognicas e drogas em diferentes matrizes ambientais e clnicas5,10. Dentre os diferentes tipos de espcies analisadas por esta tcnica, o controle de compostos orgnicos no meio ambiente, como pesticidas11 e compostos de S derivados do petrleo12, so exemplos de destaque pela grande sensibilidade e simplicidade.

Figura 2. Proposta mecanstica de Albertin e colaboradores4 para a reao quimiluminescente do luminol em meio alcalino e na presena de um on de metal de transio (Mn+), utilizando o H2O2 como agente oxidante

Nesta proposta, a etapa para a emisso da luminescncia est ligada ao aparecimento da forma eletronicamente excitada do 3amino-ftalato 11. O aparecimento desta espcie est ligada s condi-

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es do meio reacional, como pH, concentrao dos reagentes e composio do tampo. O produto final da reao 12 pode ser formado diretamente sem luminescncia ou pela relaxao da espcie eletronicamente excitada 11 com luminescncia. H importantes etapas intermedirias, como a formao da diazoquinona 8 a partir do luminol e a formao do nion de H2O2 9, que estabelecem relaes entre as espcies envolvidas na formao do intermedirio endoperxido 10, cuja decomposio produz ou no a quimiluminescncia. Com toda a complexidade da reao, pertinente destacar algumas descobertas significativas sobre os intermedirios e as etapas da reao quimiluminescente do luminol. Detalhes mecansticos da reao do luminol Na dcada de 80, Mernyi e colaboradores15-22 avanaram na descoberta de algumas etapas do mecanismo da reao, utilizando a tcnica de radilise e modelos computacionais. Foram verificados e confirmados alguns intermedirios, como a diazoquinona 8 e a produo da luminescncia pelo 3-aminoftalato excitado 11, a partir da reao com o radical ClO2 formado pela radilise do dixido de cloro16. Alm disso, estudos com radicais N3 e CO3- 17 indicaram novos possveis intermedirios na formao e decomposio do endoperxido 10, como o radical de luminol 13 e o a-hidroxihidroperxido 14, Figura 3.

Figura 4. Diagrama esquemtico dos orbitais moleculares do sistema endoperxido 10 / 3-amino-ftalato 12

Figura 3. Estruturas de alguns intermedirios da reao quimiluminescente do luminol: 8 diazoquinona, 10 endo-perxido, 12 dinion do cido ftlico, 13 radical do luminol e 14 hidro-perxido15-22

Figura 5. Diagrama esquemtico dos estados do endo-perxido 10 / 3aminoftalato 12, relacionando a energia do sistema com o rompimento da ligao dos tomos de oxignio no intermedirio eletronicamente excitado 11

Parmetros como constantes de velocidade, dependncia do pH reacional e efeitos da participao de outras espcies (ctions metlicos e nions como carbonato e brometo) no aumento da luminescncia, tambm foram discutidos em propostas mecansticas18-20. Alm disso, modelagem computacional foi empregada para investigao da existncia e da decomposio do intermedirio endo-perxido do luminol 1021. A emisso de radiao pela reao de oxidao de luminol est ligada formao do produto eletronicamente excitado 11, que formado a partir da decomposio do endo-perxido 10. Segundo a proposta de Michl23, a decomposio do endo-perxido 10 ocorre quando a ligao s entre os dois tomos de oxignio se rompe, podendo ou no formar o produto excitado. No caso do produto excitado, possivelmente, no h tempo suficiente para os eltrons se distriburem entre os novos orbitais, deixando o novo orbital LUMO ainda ocupado, como mostrado na Figura 4. Por este raciocnio, podese supor que os caminhos de formao de produto excitado e no excitado possuem, em algum momento, energias semelhantes. Poderia haver um cruzamento entre esses caminhos, levando formao do produto excitado, conforme o diagrama da Figura 5.

Porm, o intermedirio endo-perxido ainda no foi detectado. Isto pode ser justificado por uma suposta elevadssima velocidade de decomposio, que inviabilizaria sua deteco. Todos estes estudos possibilitaram descobertas de alguns detalhes mecansticos que, eventualmente, podero conduzir elucidao completa da reao. Nas ltimas dcadas, Mernyi e colaboradores15 alcanaram grandes avanos na resoluo deste problema mecanstico, sendo as concluses resumidos e reinterpretadas em trabalho publicado no Journal of Bioluminescence and Chemiluminescence15. Segundo estes autores, o processo de oxidao pode ser dividido em duas etapas: (i) os caminhos que levam ao intermedirio principal, identificado como a-hidroxi-hidroperxido 14; e (ii) a decomposio deste intermedirio (conforme ilustrado na Figura 6). A primeira etapa significativamente dependente da composio do meio reacional, como pH, as concentraes dos reagentes, a natureza dos agentes oxidantes, a composio do tampo e a presena de qualquer outra espcie que interfira nestas interaes. Por outro lado, a decomposio do a-hidroxi-hidroperxido 14 parece depender apenas do pH do meio15. A Figura 6 apresenta um esquema condensado da proposta mecanstica da reao de oxidao de luminol15, onde as

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Figura 6. Esquema simplificado do mecanismo de oxidao do luminol. A representa espcies aceptoras de 1 eltron e B representa nuclefilos. Os valores das constantes cinticas e de equilbrio das diversas etapas esto apresentados na Tabela 2

setas alargadas foram usadas para destacar os caminhos que levam formao do intermedirio a-hidroxi-hidroperxido 14, responsvel direto pela produo da quimiluminescncia. de grande pertinncia aos interessados na aplicao desta reao, alcanar condies que suprimam as reaes laterais que no levam quimiluminescncia15. A Tabela 2 traz as constantes cinticas e de equilbrio envolvidas. Pela proposta da Figura 6, inicialmente, o mononion do luminol 15 oxidado por uma espcie aceptora de um eltron, A, formando o radical do luminol 13 que estabelece um equilbrio com sua espcie desprotonada 16. O aceptor A pode ser qualquer espcie que possa receber um eltron, como os radicais do luminol 13 e 16, os radicais OH, O2- e O2, e ctions de metais de transio e vrios de seus complexos, como ftalocianinas e protenas. A velocidade de formao do radical de luminol 13 depende da composio de A, variando para cada sistema particular. Como esta etapa determina a velocidade da reao, sua cintica pode ser determinada pelo decaimento da quimiluminescncia15. O papel do radical de luminol Tabela 2. Valores das constantes cinticas e de equilbrio da Figura 6 Constante koxid 2k1 (A=13) 2k2 (A=16) k2 (A=O2) k3 k4 k5 k6 knuc (B = OH -) knuc (B = H2O) knuc (B = H2O2) knuc (B = 15) Ka Kb Valor 7,1x10 1,8x109 5,0x108 5,5x102 2,3x108 5,0x107 2,5x105 1,5x103 4,0x106 0,45 1,1x102 1,3x104 2x10-8 4x10-119

Unidade L mol s L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 s-1 s-1 L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 L mol-1 s-1 mol L-1 mol L-1-1 -1

Referncia 18,19 22 22 18 18 19 19 19 19 19 19 19 19 19

13 depende da concentrao do radical superperxido, O2, gerado lentamente pela reao entre 13 e O2. Assim, no incio da reao, o meio estaria na ausncia de O2 e os caminhos levariam formao de diazoquinona 8, o que resultaria na formao destas duas espcies no meio reacional15. A preferncia pelo caminho que formar o a-hidroxi-hidroperxido 14 ser regida pela (i) concentrao de O2 no meio, cuja presena favorece a formao do superperxido; ou (ii) pela concentrao de H2O2 no meio, que aumenta a velocidade da reao entre HO2- e a diazoquinona 8. Alm disso, a radiao emitida pelo caminho do superperxido tem um timo em pH 9,2, decorrente da reao diferenciada entre este radical e os radicais 13 e 16. Por outro lado, a radiao emitida pelo caminho da diazoquinona 8 regida pela concentrao de H2O2 em relao a outros nuclefilos presentes. Assim, se a concentrao de H2O2 for suficientemente alta para competir com superperxido, a diazoquinona 8 convertida quantitativamente no a-hidroxi-hidroperxido 14 independente do pH do meio15. A maioria das aplicaes desta reao para a anlise de ctions de metais de transio (Ni(II), Th, Tl, As, Al(III), Sn(II), Pb(II), Bi(III), Cr(III), Fe(II), Fe(III), Os(III), Co(II), Cu(II), Zn(II), Pd(II), Ag(I), Au(III), Hg(II), Ce(IV), U(VI), Sb (III), Zr (IV), V(III), Mn(II), e Cd(II))5 traz a idia de que estes ons apresentam ao cataltica nesta reao, pelo efeito significativo que pequenas concentraes destes ctions promovem na velocidade da reao, o que caracteriza a elevada sensibilidade, tpica de mtodos cinticos catalticos13,24,25. Contudo, dentre os pesquisadores do mecanismo da reao ainda h controvrsias sobre real papel destes ctions no mecanismo da reao. Xiao e colaboradores24 propuseram que estes ctions metlicos poderiam tanto interagir com o luminol e seus intermedirios quanto com o H2O2, cuja decomposio produziria o radical OH. Assim, estes autores apresentam 3 propostas para o efeito destes ctions: (i) a ativao da etapa de produo de radicais do H2O226,27; (ii) a formao do a-hidroxi-hidroperxido 14 ; e/ou (iii) a decomposio do ahidroxi-hidroperxido 1424. Embora suas propostas estejam fundamentadas em resultados empricos, a complexidade do mecanismo desta reao torna recomendvel mais detalhamento experimental, o que pode ser encontrado nos trabalhos de Mernyi e colaboradores15-22, focados na elucidao mecanstica e no numa aplicao analtica, como no caso do grupo de Xiao. Na proposta (i) de Xiao e colaboradores, os ctions dos metais e seus complexos atuariam na decomposio cataltica do H2O2, produzindo o radical OH que muito reativo com o luminol e seus intermedirios. Contudo, cerca de 50 % destas reaes com OH produzem compostos que no levam produo da espcie 1415, que seria o principal atuante na quimiluminescncia. Porm, isto no considera que a decomposio do H2O2 forma outros radicais, como o superperxido, O2, cuja reao com o radical luminol desprotonado 16 leva diretamente a formao de 14 e, conseqentemente, quimiluminescncia. Na proposta (ii), a atuao dos ctions levaria formao de 14 o que, pela proposta de Mernyi e colaboradores, coerente, pois alguns ctions podem funcionar como um receptor de 1 eltron do mononion do luminol 15 e do radical de luminol 13, formando a diazoquinona 8 cuja reao com HO2- forma 14 e leva quimiluminescncia. A proposta (iii), sugere que a decomposio de 14 seria catalisada pelos ctions metlicos, que no concorda com a proposta mecanstica elaborada por Mernyi e colaboradores15, que limita esta etapa do mecanismo exclusivamente ao efeito do pH do meio15. Neste contexto, a suposta ao cataltica dos ctions possivelmente seria um equvoco, j que os mesmos atuam tanto na produo de radicais do H2O2 quanto na produo dos intermedirios 13 e 8.

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Como uma pequena variao de concentrao dos ctions metlicos produz variaes significativas na luminescncia produzida, pode-se supor que este efeito tenha sido relacionado com a ao cataltica dos ctions nos trabalhos de aplicao analtica da reao, como pode ser notado na classificao de Motolla13. Contudo, a confirmao desta ao cataltica ainda carece de estudos mais elaborados como, por exemplo, estudos cinticos simultneos das atuaes das espcies presentes neste sistema reacional. fato que a presena de ons CO32- e Br- na reao proporciona o aumento da luminescncia observada, pois estas espcies participam do mecanismo da reao. A interao entre os radicais OH e o luminol pode gerar outros produtos, alm do radical do luminol 13. Os radicais OH podem reagir com luminolem posies do anel aromtico e no produzir o a-hidroxi-hidroperxido 14 nem a quimiluminescncia. Na presena dos ons CO32- e Br-, os radicais OH so convertidos a radicais CO3 ou Br, que reagem seletivamente com o luminol, produzindo o radical do luminol 13 e favorecendo a produo de luminescncia24. Efeitos anlogos foram observados em estudos de aplicao da quimiluminescncia do luminol para determinao de cido ascrbico, que um modificador da velocidade da reao28,29. Parece ser consensual que, dependendo do sistema utilizado para o monitoramento (forma de adio e mistura de reagentes e sistema de deteco) e da procedncia e tempo de utilizao dos reagentes, os resultados quantitativos e, s vezes qualitativos, podem variar24. Geralmente, esta variao de resultados est ligada velocidade de resposta do sistema de deteco e forma de preparao e mistura dos reagentes, j que existem vrios fatores cinticos que modificam as concentraes das espcies responsveis pela intensidade e durao da quimiluminescncia. A despeito de alguma indefinio sobre detalhes do mecanismo, a reao quimiluminescente do luminol apresenta grande potencialidade para aplicaes analticas. Isto pode ser verificado pelo grande nmero de trabalhos publicados nos ltimos anos, conforme apresentado na seqncia. Aplicaes analticas da quimiluminescncia do luminol As aplicaes da reao quimiluminescente do luminol em Qumica Analtica podem ser divididas de acordo com a participao do analito na reao. Em aplicaes diretas, o analito uma espcie que participa da reao do luminol como reagente, catalisador ou modificador. J em aplicaes indiretas, o analito envolve a gerao ou o consumo de espcies que participam da reao de luminol, sendo esta utilizada como a forma de deteco de outras reaes ou tcnicas, como em alguns mtodos de separao e em imunoensaios. Dentre as aplicaes indiretas, destaca-se a utilizao da reao na determinao de H2O2 produzido pela oxidao da espcie de interesse por enzimas e os biossensores. Nestes casos, alm de elevada sensibilidade, obtm-se seletividade, empregando-se, geralmente, enzima imobilizada em fase slida. Com estas tcnicas foram j analisados substratos de enzimas oxidases, como amino-cidos 30, metanol31, acares e DNA32. Nas aplicaes diretas, as determinaes cinticas (metais de transio) e as determinaes de inibidores (compostos orgnicos e metais de transio) destacam-se em aplicaes bastante precisas e com baixos limites de deteco. Os metais de transio apresentam efeitos catalticos na reao de oxidao do luminol, porm, em alguns casos, a mistura de alguns ctions inibe a reao. Este comportamento j foi descrito em vrios trabalhos5,7. Mais de 30 ons metlicos inibem ou catalisam esta reao, sendo que o limite de deteco para alguns deles chega a 10-11 mol L-1. Compostos orgnicos que, em geral, atuam como

inibidores da luminescncia da reao, tm sido analisados em estudos que caracterizam as propostas de aplicao mais promissoras. A Tabela 3 traz informaes sobre alguns sistemas j estudados34-72. Alm disso, a anlise de misturas de metais ou de compostos orgnicos por esta reao, com obteno de dados multidimensionais, considerada uma ferramenta analtica verstil, precisa e sensvel73, que merece ser mais estudada. Estatisticamente, pode-se verificar o crescimento atual do nmero de aplicaes analticas do luminol, como apresentado na Figura 7. As informaes apresentadas na seqncia foram obtidas num levantamento bibliogrfico no banco de dados eletrnico WEB OF SCIENCE 74, com as seguintes palavras chaves: luminol and (determination or analysis).

Figura 7. Publicaes sobre a reao quimiluminescente do luminol como aplicao analtica desde 1945

As primeiras publicaes de mtodos analticos com a reao do luminol aparecem a partir de 1965, tendo como principais contribuintes no seu desenvolvimento o Japo, os EUA, a China e a Espanha, com maior nmero de trabalhos nesta linha de pesquisa. A deteco de intensidade de quimiluminescncia vem sendo aplicada em vrias tcnicas analticas consagradas. Avaliando-se as publicaes destacadas pela pesquisa bibliogrfica realizada, verificou-se que as tcnicas que mais utilizam a quimiluminescncia do luminol so os mtodos de anlise por injeo em fluxo, inclusive com reagente imobilizado, os mtodos de separao (cromatografia lquida de alta eficincia, cromatografia lquida, cromatografia gasosa e eletroforese) e os mtodos de imunoensaios. Dentre todos os trabalhos encontrados, deve ser salientado que apenas 6% envolvem mtodos cinticos. Outras tcnicas que podem ser destacadas so o monitoramento esttico de quimiluminescncia, biossensores e eletroquimiluminescncia, como apresentado na Figura 8. Vale destacar o tipo de matriz e analito mais comumente analisados com mtodos que envolvem reaes quimiluminescentes. A maioria dos trabalhos publicados aplica-se a amostras de fludos biolgicos, como tecidos humanos e de animais, alm de excrees (urina) e sangue (plasma e soro sanguneo), com nfase em analitos orgnicos como glicose32, colesterol e cortisona59. Neste contexto, verifica-se que a tcnica de deteco de intensidade da quimiluminescncia da reao do luminol apresenta aplicabilidade reconhecida para anlise de diversos compostos orgnicos, em vrios tipos de amostras, principalmente de origem biol-

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Tabela 3. Algumas aplicaes analticas com a reao quimiluminescente do luminol Analitos Tipo I N O R G N I C O S Espcie Co(II) Co(II) Co(II) Co(II), Cu(II) Cr(III), Cr(IV) Cr(III), H2O2, ons Fe(II), Co(II), Cu(II) Zn(II), Cd(II) Br-

Limite de deteco * 1 pg 10 mol L-8 -1 -1

Amostra sinttica padres de cobre farinha de arroz FeCl3.6H2O gua fresca sinttica sinttica sinttica sinttica guas sinttica sinttica gua de rio DNA sinttica sucos de frutas sinttica blis e hop pellet remdios sinttica sinttica sinttica solues sinttica medicamentos medicamentos sinttica soro sinttica soro sangue vinho plasma soro soro gema de ovo plasma

Referncia 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 72 47 48 49 50 51 52 53 37 54 55 56 57 58 59 60 59 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 52 71 72

10

-11

mol L

10-10 mol L-1 10-9 mol L-1 10 g L-6 -6 -1 -1

10 mol L 4 pg 7,5 ng mL fmol

10-7 mol L-1-1

ClO

H2 O 2 H2 O 2 NH 3 PO43-

10-6 mol L-1 210-4 mol L-1 0,5 nmol 2,710-7 mol L-1 110-12 mol L-1 0,5 nmol L-1 910 mol L-9 -6 -1 -1

cido 3,4-hidroxibenzico cido ascrbico cido lctico cido tnico cido tartrico cido rico cidos carboxlicos O R G N I C O S cidos fenlicos cidos inorgnicos e haloacticos Alcanolaminas Captropil Catecolaminas Cistena Colesterol Cortisona Creatinina D-Glicose Glicerol Glicose Glicose, H2O2 Glicose, L-fenilalanina Hidroperxido de fosfatila Hidroperxidos de fosfatilcolina Hidroperxidos de fosfolipdeos Paracetamol Periodato Prometazina Sacarose e glicose * Conforme definio nos artigos originais correspondentes

1,510 mol L 1,7 pmol 10-6 mol L-1 0,01 mol L 1 nmol 0,037 mol L 610 mol L-10 -1

HNO3 10-8 mol L-1-1

-1

0,6 nmol 10 mol L-8 -1

4 pmol 0,3 mmol L 12 mg L-1 nveis clnicos 10 mol L-7 -1 -1

10-4 mol L-1

~10-8 mol L-1 7 nmol 10 pmol escala de nmol L 2 g L-1 1,2 10-7 mol L-1 310 mol L-9 -1 -1

plasma medicamentos medicamentos medicamentos alimentos

~10 mol L-6

-1

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Figura 8. Aplicaes analticas da reao quimiluminescente do luminol divididas pelas tcnicas utilizadas desde 1945

ltica de um nmero muito maior de reaes, tanto rpidas quanto lentas, e o baixo custo. Apesar disso, inicialmente, houve certa resistncia para disseminao dos mtodos cinticos de anlise, devido consolidada confiana nos mtodos clssicos e relativa complexidade para o tratamento dos dados experimentais. Atualmente, as tcnicas instrumentais so populares e os mtodos cinticos expandem suas possibilidades de aplicao, sendo que a popularizao dos computadores superou qualquer aluso a eventuais dificuldades para tratamento dos dados experimentais25. Convm destacar outros aspectos favorveis dos mtodos cinticos, como a possibilidade de minimizar interferncias, o menor tempo de anlise e a facilidade para automao. Alm disso, as reaes catalisadas, incluindo as enzimticas, apresentam limites de deteco to baixos quanto tcnicas mais sofisticadas e utilizadas comercialmente, como cromatografia lquida de alta eficincia e espectroscopia de absoro atmica. No se pode negar que os mtodos cinticos de anlise apresentam aspectos problemticos. A reprodutibilidade dos resultados envolve a necessidade do controle das condies que afetam a velocidade das reaes como temperatura, pH, fora inica, solventes e o processo de adio e mistura de reagentes13. Porm, um balano geral de suas caractersticas apresenta um saldo bastante favorvel que justifica estudos para desenvolver aplicaes. Desenvolvimento de trabalhos e tendncias Nas ltimas dcadas do sculo XX, o desenvolvimento e o aprimoramento de novas tcnicas de aquisio e tratamento de dados analticos, conjuntamente com a necessidade crescente de mtodos de anlise mais sensveis e seletivos, abriram caminho para novas propostas analticas destacando-se, dentre outras, os mtodos cinticos de anlise. Isto pode ser verificado pelo aumento no nmero de publicaes com este enfoque, identificadas em um levantamento bibliogrfico realizado com o banco de dados WEB OF SCIENCE73, com as seguintes palavras chave: (kinetic or kinetics) and (analysis or determination). Desde 1945, foram encontradas catalogadas cerca de 1500 publicaes (artigos, notas e resumos de encontros) sobre aplicaes analticas da cintica de reaes em obras de referncia deste site. Com a popularizao do microcomputador, surgiram vrias anlises catalticas e no-catalticas e, na dcada de 80, os mtodos cinticos representaram expressiva parcela das publicaes cientficasem Qumica Analtica13. O desenvolvimento das tcnicas dinmicas de anlise, como os mtodos de injeo em fluxo, de fluxo contnuo e segmentado, decididamente influenciou o crescimento das aplicaes dos mtodos cinticos em vrias reas, como em anlises clnicas, nas ltimas dcadas do sculo XX25 . Avaliando-se a mdia de publicaes anual sobre mtodos cinticos de anlise, nota-se crescimento significativo a partir de 1945, com o mximo em 1991, quando mais de 80 trabalhos foram publicados. Desde os anos 70, cerca de 40 trabalhos sobre mtodos cinticos de anlise so publicados por ano. interessante notar a distribuio por pas de origem dos trabalhos sobre mtodos cinticos de anlise. Encontram-se publicaes provenientes dos mais diversos pases. At 1980, Estados Unidos, a ento Unio Sovitica, Espanha e Alemanha apresentaram o maior nmero de publicaes. No final do sculo XX, destacou-se a Espanha com o maior nmero de publicaes nessa linha, reforando a reconhecida produtividade deste pas em Qumica Analtica. A partir de 1990, outros centros comearam a se destacar com a aplicao dos mtodos cinticos, principalmente Japo, China e Ir. A diversificao da origem dos trabalhos publicados pode ser relacionada com o baixo custo das tcnicas de medida da anlise

gica e ambiental, empregando-se a maioria das tcnicas analticas j consagradas. Por outro lado, nota-se um nmero reduzido de trabalhos sobre a utilizao da reao quimiluminescente do luminol em mtodos cinticos de anlise com pouca participao brasileira, embora, por exemplo, estejam sendo desenvolvidos trabalhos nessa linha em nosso laboratrio28,29,75-78. Considerando-se a versatilidade da reao do ponto de vista analtico e as caractersticas positivas dos mtodos cinticos de anlise, vislumbra-se uma linha de estudo com elevada perspectiva de bons resultados, que merece ser desenvolvida e pode inspirar pesquisadores interessados. Cabe aqui uma avaliao do ritmo de desenvolvimento dos mtodos cinticos de anlise e os trabalhos recentemente publicados para fundamentar tal premissa. MTODOS CINTICOS DE ANLISE Conceito Diversas tcnicas e mtodos analticos so baseados em medidas de mudanas fsicas, qumicas e fsico-qumicas de um sistema envolvendo uma reao qumica, que se inicia com uma dada velocidade e tende ao equilbrio. Num sistema reacional, pode-se distinguir duas regies: a dinmica ou regio cintica, na qual ocorre a variao na velocidade de reao, e a esttica ou regio de equilbrio, na qual os processos envolvidos atingem o equilbrio. Ambas as regies apresentam grande potencial para aplicao analtica. Os mtodos clssicos de anlise, de equilbrio ou termodinmicos, como gravimetria, volumetria e a maioria dos mtodos instrumentais, so aplicados s reaes quando estas se completam ou atingem o equilbrio. Nos mtodos cinticos, a aquisio do sinal analtico feita em condies dinmicas, enquanto as concentraes dos reagentes e produtos esto variando, antes que a reao atinja o equilbrio25. Mtodos analticos que envolvem medidas da variao da velocidade de uma reao qumica pela ao de ativadores ou inibidores so tambm mtodos cinticos. As grandes vantagens dos mtodos cinticos de anlise, em relao aos mtodos de equilbrio, so a possibilidade de aplicao ana-

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Ferreira e Rossi

Quim. Nova

cintica, o que pode ter estimulado a disseminao do tema. Pases como Brasil, ndia, Egito e muitos outros tambm passaram a desenvolver pesquisas sobre mtodos cinticos, o que contribuiu para a popularizao da tcnica internacionalmente. Esta distribuio pode refletir a acessibilidade dos mtodos cinticos de anlise devido s facilidades de execuo desses mtodos, o que favorece sua popularizao. Atualmente, os mtodos cinticos de anlise destacam-se como uma opo analtica extremamente sensvel e barata. Em comparao aos mtodos de equilbrio, os mtodos cinticos de anlise vm se tornando populares por sua simplicidade, preciso, menor tempo de anlise, diminuio do nmero de interferentes e facilidade para a automao25. Alm disso, quando estes mtodos so associados s tcnicas quimiomtricas para tratamentos de dados, tornam-se ainda mais versteis, simplificando at procedimentos de anlise simultnea de misturas que so de crescente interesse79,80. Desde 1945, o desenvolvimento das aplicaes dos mtodos cinticos de anlise vem crescendo, acompanhando os avanos tecnolgicos. Desde a ltima dcada do sculo XX, estes mtodos podem ser considerados uma rea da Qumica Analtica reconhecidamente amadurecida por suas aplicaes e seu desenvolvimento. A partir de novas perspectivas tecnolgicas, como a robtica e tcnicas sofisticadas de tratamento de dados, Crouch81 indica tendncias para estudos com mtodos cinticos de anlise, que podem ser assim resumidas: aumento do uso da automao inteligente, ou seja, todas as condies de anlise controladas por computador; crescimento da utilizao de dados multidimensionais; desenvolvimento de tcnicas sofisticadas de tratamento de dados; progresso nos mtodos de compensao de erros; inovaes dos procedimentos cinticos com multicomponentes; expanso das aplicaes da determinao cintica e aplicao das aproximaes cinticas para vrios tipos de respostas dependentes do tempo. CONCLUSO A reao quimiluminescente do luminol apresenta propriedades muito interessantes para o desenvolvimento de aplicaes analticas e isso vem sendo explorado intensamente, desde 1960. Porm, h poucos trabalhos empregando esta reao em mtodos cinticos de anlise. Uma avaliao crtica das caractersticas desses mtodos demonstra vrios aspectos positivos que estimulam estudos para disseminar sua aplicao com novos sistemas, com a reao do luminol. H detalhes desafiadores, intrnsecos desta reao que demandam esforos para viabilizar sua aplicao favorvel em mtodos cinticos de anlise, o que deve ser aproveitado em novos trabalhos, com boas perspectivas de resultados satisfatrios. Neste contexto, o desenvolvimento de mtodos cinticos de anlise com reaes quimiluminescentes parece ser promissor, principalmente considerando-se o aspecto de baixo custo da tcnica e a sensibilidade da reao. Toda esta apresentao pretende servir para encorajar estudos nesta linha, na qual a produo cientfica nacional ainda incipiente. AGRADECIMENTOS Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo, FAPESP, pelo apoio financeiro para este trabalho (96/09175-0 e 99/ 00022-5). Ao Prof. Dr. A. P. Chagas pela leitura do manuscrito e pelas valiosas sugestes.

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