Espectropolarimetria e Polarimetria Baseadas em … · iii universidade estadual de campinas instituto de quÍmica lÍvia paulia dias ribeiro espectropolarimetria e polarimetria baseadas

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LÍVIA PAULIA DIAS RIBEIRO

ESPECTROPOLARIMETRIA E POLARIMETRIA BASEADAS EM CRISTAIS

BIRREFRINGENTES PARA AS REGIÕES ESPECTRAIS DO VISÍVEL E

INFRAVERMELHO PRÓXIMO

CAMPINAS

2012

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

INSTITUTO DE QUÍMICA

LÍVIA PAULIA DIAS RIBEIRO




ORIENTADOR: PROF. DR. CELIO PASQUINI

TESE DE DOUTORADO APRESENTADA AO

INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA

OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTORA

EM CIÊNCIAS.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA

POR LÍVIA PAULIA DIAS RIBEIRO, E ORIENTADA PELO PROF.DR. CELIO PASQUINI.

______________________

Assinatura do Orientador

CAMPINAS

2012

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Dedico meu trabalho às pessoas que mais amo no mundo:

Minha família.

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AGRADECIMENTOS

A força que me alimenta, fortifica, encoraja, guia, guarda, orienta e acalenta. A ela devo a

minha vida, minhas lágrimas e sorrisos. Com ela pude superar todos os obstáculos e sei que

com ela superarei muitos outros. Eu a chama de força Divina.

Ao Bartolomeu, que sempre esteve comigo desde as minhas primeiras horas de vida, mas

só há pouco tempo eu pude reconhecê-lo. Ele esteve ao meu lado me protegendo em todos

os segundos do meu doutoramento e com uma só frase os meus problemas se resolviam:

“Bartô meu querido, resolva isso para mim, porque o negócio tá difícil”.

Aos meus pais queridos, José e Rosane, que sempre me motivaram a dar passos largos.

Com a seguinte frase “Vá e quando precisar de alguma coisa ligue” eu pude ir à luta na

conquista de todos os meus objetivos sem vacilar nenhum instante.

Aos meus irmãos, Linnus, Rodrigo e Pedro, que mesmo a distância se fizeram presente

dentro de mim.

A minha avó, Consuelo, pelas orações e companhia pelas manhãs no meu trajeto de casa

ao laboratório.

A Camila Tavares pela motivação, amizade e exemplo de moral.

Ao meu orientador, Celio Pasquini. A ele eu só tenho que agradecer pelo seu acolhimento,

pelas orientações profissionais e, muitas vezes, pessoais, pela confiança, pela amizade e

paciência. Nunca iriei esquecer a tão famosa frase: “E aí dona Lívia, roda ou não roda?”.

Ao professor Jarbas eu faço o meu agradecimento especial, mesmo sabendo que o fez

por mim faria a qualquer pessoa, pois tem um coração do tamanho do mundo. Agradeço pela

ajuda, atenção, paciência e amizade.

Aos professores Ivo Júnior e Willson Jardim pela amizade e agradáveis conversas.

A minha amiga Dra. Juliana Santiago, pela valiosa contribuição durante o desenvolvimento

do meu trabalho que teve um avanço significativo depois que o Bartô a colocou na minha

vida.

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Aos meus amigos dos grupos GIA e LAQA que deixaram os momentos mais alegres:

Benedito, Cristiane, Diego, Francisco, Igor, Juliano, Juliana Cortez, Klécia, Laiane, Mariana,

Matheus, Paula e Thiago.

Ao funcionário da oficina fina, Mário, pelas “aulas” de mecânica, atenção e sua sempre

presteza.

Aos funcionários da manutenção, Aparecido, Nelson, Edson e João, pela ajuda e boas

conversas que melhoravam consideravelmente o meu dia.

Aos funcionários da CPG, Bel, Miguel e Grabriela, pela ajuda, presteza e atenção.

A APGQ pela oportunidade da representação discente, a qual me permitiu um

amadurecimento profissional imensurável.

A família Baixa da Égua e agregados, Gisele, Iolana, meu irmão (Pedro), Rômulo, Rafael,

Lair, Luelc, Mayara, Solânea, Camila Martins, pelo companheirismo e por proporcionarem

momentos valiosos e inesquecíveis.

A Érica pelo carinho e companheirismo nesses últimos anos, os quais me fizeram muito

feliz.

Ao Francisco Martins pelas longas conversas, algumas pela madrugada adentro. E só eu

sei como ajudavam a me equilibrar psicologicamente para enfrentar as dificuldades do dia-a-

dia.

Ao CNPq e INCTAA pela ajuda financeira.

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CURRICULUM VITAE

Lívia Paulia Dias Ribeiro ________________________________________________________________________ Formação acadêmica/titulação 2009 - 2012 Doutorado em Química - UNICAMP. Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil. Título: Espectropolarimetria e polarimetria baseadas em cristais

birrefringentes para as regiões espectrais do visível e infravermelho próximo. Orientador: Celio Pasquini Bolsista do(a): Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e

Tecnológico 2002 - 2004 Mestrado em Química. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, Natal, Brasil. Título: Controle de Qualidade de Ração para Camarão usando

Espectroscopia no Infravermelho Próximo, Ano de obtenção: 2005. Orientador: Maria de Fátima Vitória de Moura Bolsista do (a): Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível

Superior 1998 - 2002 Graduação em Licenciatura Plena em Química. Universidade Estadual do Ceará, UECE, Fortaleza, Brasil. Título: Determinações Analíticas de Metais em Flores Orientador: Nadja Maria Sales de Vasconcelos ________________________________________________________________________ Atuação profissional 2006 - 2008 Universidade Federal do Ceará - UFC

Enquadramento funcional: Professor Substituto.

2003 - 2005 Universidade Estadual Vale do Acaraú - UVA-CE Enquadramento funcional: Professor Substituto.

2005 - 2008 Secretaria Estadual de Educação do Ceará - SEDUC Enquadramento funcional: Professor Temporário.

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__________________________________________________________________________ Produção bibliográfica Artigos completos publicados em periódicos 1. RIBEIRO, L. P. D., MOURA, M. F. V., PASQUINI, C., ROHWEDDER, J. J. R., RAIMUNDO JUNIOR, I. M., ARAUJO, M. C. U., SANTOS, K. M. Espectroscopia no infravermelho próximo para determinação de proteína em ração para camarão. Química no Brasil, v.2, p.39 - 44 2008. Trabalhos publicados em anais de eventos (resumo) 1. JARDIM, M. A., RIBEIRO, L. P. D., PASQUINI, C. Study of the Wavelength of the Diode Laser Wavelength Used as Radiation In: Pittcon2012, Orlando, 2012. 2. RIBEIRO, L. P. D., PASQUINI, C. A new polarimeter with no moving parts In: EuroAnalysis2011Belgrado, 2011. 3. JARDIM, M. A., RIBEIRO, L. P. D., PASQUINI, C. Avaliação de um novo polarímetro e de métodos alternativos de clarificação de caldo de cana para determinação do teor de sacarose por polarimetria In: XIX Congresso Interno de Iniciação científico da Unicamp, Campina, 2011. 4. RIBEIRO, L. P. D., SENA, L. M., CRUZ, A. M. F., MOURA, M. F. V. Classificação de coloríficos empregando espectroscopia no infravermelho próximo In: XLVII Congresso Brasileiro de Química, Natal/RN, 2007. 5. PANERO, F. S., RIBEIRO, L. P. D., SILVA, H. E. B., MOURA, M. F. V., PANERO, J. S. Aplicação de EMSC em infravermelho próximo de reflectância difusa na determinação de umidade de camarão In: XIV Encontro Nacional de Química Analítica, João Pessoa, 2007. 6. XAVIER, J.C., SOUZA, J.M., CRUZ, A. M. F., RIBEIRO, L. P. D., SILVA, D. R., MOURA, M. F. V. Estudo da decomposição térmica de coloríficos In: XLVII Congresso Brasileiro de Química, Natal/RN, 2007. 7. RIBEIRO, L. P. D., LOPES, G. S., GOUVEIA, S. T., SILVA, P. R. F. G., COSTA, R. S., DANTAS, A. N. S., MAIA, L. P. Monitoramento de Metais Pesados em Sedimentos Marinhos usando Análise de Componentes Principais In: XIV Encontro Nacional de Química Analítica, João Pessoa/PB, 2007. 8. RIBEIRO, L. P. D., PASQUINI, C., MOURA, Maria de Fátima Vitória de, ROHWEDDER, J. J., ARAUJO, M. C. U., RAIMUNDO JUNIOR, I. M. Classificação de Rações para Camarão Empregando Espactroscopia no Infravermelho Próximo In: XXVI Congresso Latinoamericano de Química, Salvador/Ba, 2004.

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9. CRUZ, Ângela Maria Fagundes da, RIBEIRO, L. P. D., MEDEIROS, Rina Lourena da Silva, MOURA, Maria de Fátima Vitória de, FARIAS, Robson Fernandes de Adsorção de cádmio em solução amorfa utilizando sílica-gel amorfa In: XLIII Congresso Brasileiro de Química, 2003. 10. RIBEIRO, L. P. D., CRUZ, Ângela Maria Fagundes da, MOURA, Maria de Fátima Vitória de, VIEIRA, Maria de Fátima Pereira, GONDIM, Jussara Aparecida de Melo DETERMINAÇÃO DE METAIS POR E. A. A. NO QUIABO (Hibiscus esculentus). In: XLIII Congresso Brasileiro de Química, Ouro Preto, 2003. __________________________________________________________________________ Produção técnica Produtos tecnológicos 1. RIBEIRO, L.P. D., PASQUINI, C., ROHWEDDER, J. J. R., JARDIM, M. A. Dispositivo, Método de Determinação de Rotações Ópticas e Uso, 2012. Registro INPI: BR 102012007414 Programa de computador 1. RIBEIRO, L.P.D., PASQUINI,C., ROHWEDDER,J.J.R. POL_SAC Instituição de Registro: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial, Número do Registro: 018120010565, 2012, Brasil. Instituição Financiadora: CNPq. Finalidade: Medidas polarimétricas. __________________________________________________________________________ Orientações e Supervisões Trabalhos de conclusão de curso de graduação 1. Fabiana da Silva de Moraes. A interdisciplinariedade como ferramenta no aprendizado da química: algumas propostas para os professores do 3° ano do ensino médio. 2008. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Federal do Ceará. 2. Denilton Garcia Santos. Coletânea de Aulas Práticas de Química o 1o. Ano do Ensino Médio. 2007. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Federal do Ceará. 3. Maria de Lourdes Pereira Eufrásio. O diagnóstico das provas de química realizadas nos vestibulares da Universidade Estadual Vale do Acaraú - UVA. 2005. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Estadual Vale do Acaraú.

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4. Betty-Lee do Nascimento Santana. As causas da Evasão no Curso de Licenciatura em Química da Universidade Vale do Acaraú. 2004. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Estadual Vale do Acaraú. 5. Cristina Arimatéia de Araújo. O Ensino de Químca no Centro de Educação de Jovens e Adultos (CEJA). 2004. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Estadual Vale do Acaraú. 6. Mariene Ferreira Rodrigues. Retrato do Ensino de Química no 1º ano do Ensino Médio. 2004. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Estadual Vale do Acaraú. 7. Francisco Neuzimar de Azevedo Andrade. Uma análise das dificuldades no aprendizado do Ensino de Físico-química na visão do aluno de um colégio particular de Sobral/CE. 2004. Curso (Licenciatura em Química) - Universidade Estadual Vale do Acaraú. __________________________________________________________________________ Organização de evento 1. RIBEIRO, L. P. D., TRINCA, R. B., CARNEIRO, N., PRANDO, A., RODRIGUES, F. H. S., MADALOSSI, N. V., NOGUEIRA, H. P. V Fórum de Pós-graduação em Química, 2011. 2. RIBEIRO, L. P. D., ANDRE, M. F., BERNUSSO, L., RAMOS, F. S., SANTOS, M. P., GUADALUPE, A., CARDOSO, M. V. IV Fórum de Pós-Graduação em Química, 2010. __________________________________________________________________________ Bancas Participação em banca de trabalhos de conclusão Curso de aperfeiçoamento/especialização 1. SILVA, C. M., GOUVEIA, S. T., RIBEIRO, L. P. D., BORGES, S. S. S. Participação em banca de Clauton Moreira da Silva. O uso da ludicidade no ensino de química no ensino médio. (Especialização em Ensino em Química) Universidade Federal do Ceará, 2007. Graduação 1. COSTA, R. S., LOPES, G. S., GOUVEIA, S. T., RIBEIRO, L. P. D. Participação em banca de Rouse da Silva Costa. Avaliação quimiométrica de metais em goma proviniente da combustão incompleta da gasolina. (Química Bacharelado) Universidade Federal do Ceará, 2008.

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2. COSTA, F. K. B., RIBEIRO, L. P. D. Participação em banca de Aleciane Chaves de Araújo. A abordagem da interdisciplinariedade e da contextualização do ensino de Química nas escolas Estaduais do Município de Viçosa do Ceará. (Licenciatura em Química) Universidade Estadual Vale do Acaraú, 2005. 3. RIBEIRO, L. P. D., VASCONCELOS NETO, J. F., FECHINI, P. B. A. Participação em banca de Carlos da Silveira Maranhão. As Drogas como Temas Transversais para o Ensino nas Escolas Públicas de Sobral-CE. (Licenciatura em Química) Universidade Estadual Vale do Acaraú, 2004. 4. RIBEIRO, L. P. D., GOMES, G. A., PINHEIRO, P. A. Participação em banca de Danielle Morais de Oliveira. Concepções de Estudantes sobre Reações Químicas. (Licenciatura em Química) Universidade Estadual Vale do Acaraú, 2004. 5. RIBEIRO, L. P. D., VASCONCELOS NETO, J. F., FECHINI, P. B. A. Participação em banca de Antônio Cláudio de Oliveira. PCNs: Realidade ou Utopia no Ensino Médio de Química nas Escolas Públicas do Município de Sobral-CE. (Licenciatura em Química) Universidade Estadual Vale do Acaraú, 2004.

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RESUMO




Autora: Lívia Paulia Dias Ribeiro

Orientador: Prof. Dr. Celio Pasquini

Dois novos instrumentos analíticos, sem o uso de partes móveis, para obtenção de

medidas polarimétricas nas regiões do visível (VIS) e infravermelho próximo (NIR) são

descritos. Esses equipamentos consistem de um Polarímetro VIS/NIR com fonte de

radiação tipo laser de diodo (532 nm, 650 nm e 1064 nm) e um Espectropolarímentro VIS

dedicado à obtenção de curva de Dispersão Óptica Rotatória (ORD) e de espectro de

absorção, simultaneamente. O método de determinação da rotação óptica empregado

nos instrumentos utiliza a equação = (45 – )°, onde é determinado pela função arco

tangente da razão dos campos elétricos dos dois feixes produzidos pelo analisador, o

qual é constituído por um cristal birrefringente. No desenvolvimento do polarímetro foram

avaliados dois analisadores, Glan Laser e Cristal de Wollaston. O instrumento apresentou

precisão de 0,003°, e o uso do Cristal de Wollaston permitiu torná-lo mais robusto e

compacto, possibilitando que o equipamento possa, eventualmente, ser empregado em

controle de qualidade de processos industriais. O espectropolarímetro utiliza um Filtro

Óptico Acústico Sintonizável (AOTF), que opera na região do visível (450 nm a 800 nm),

como monocromador e analisador simultaneamente, e com características inéditas para

esse tipo de equipamento. A melhor precisão, de 0,009°, foi verificada para a média de 20

varreduras. Quando o instrumento é empregado para medida de rotação óptica na

presença de uma espécie absorvente, a curva de ORD é imune à absorbância de até 0,3.

Estes equipamentos contribuem para o avanço da área da polarimetria, uma vez que

apresentam configurações inovadoras que as diferenciam dos equipamentos

comercialmente disponíveis, pois nestes, os analisadores são girados mecanicamente

para a determinação do ângulo de rotação do plano da radiação polarizada.

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ABSTRACT

SPECTROPOLARIMETRY AND POLARIMETRY BASED ON BIREFRINGENT

CRYSTALS FOR THE VISIBLE AND NEAR INFRARED SPECTRAL REGIONS

Author: Lívia Paulia Dias Ribeiro

Advisor: Prof. Dr. Celio Pasquini

Two new analytical instruments, which preclude of any moving parts, are described to

obtain polarimetric measurements in the visible (VIS) and near-infrared (NIR) spectral

regions. These instruments consist of a VIS/NIR polarimeter with diode lasers as radiation

source (532, 650 and 1064 nm) and a VIS spectropolarimeter aimed at simultaneously

obtaining the optical rotatory dispersion (ORD) curve and absorption spectrum of samples.

The method employed to determine the optical rotation in both instruments uses the

equation = (45 – )°, where given by arc tangent function ratio between the electrical

fields of the beams produced by the polarization analyzer element, made of a birefringent

crystal. The polarimeter design was evaluated using two analyzers, a Glan Laser and a

Wollaston crystal. The instrument is capable of attaining a repeatability of 0.003°, and,

when it uses a Wollaston crystal, to become an instrument more compact and robust,

which could be used for in-line measurements of industrial processes. The

spectropolarimeter employs an Acousto-Optical Tunable Filter (AOTF) operating as a

wavelength selector in visible region (450-800 nm) and polarization analyzer element. This

instrument is capable of generating absorption and optical rotation spectra of samples

simultaneously, a new characteristic, considering this type of equipment. The repeatability

of 0.009° was obtained for the average of 20 scans. When the optical rotation is measured

in the presence of absorbent substance the ORD curve is immune to a maximum

absorbance of 0.3. The instruments contribute to an important advance in polarimetry, as

they show innovative designs, distinct from commercially available instruments, where the

analyzers are rotated mechanically, aiming at the determination of the angle of the

polarization plane.

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Sumário

Listas de Figuras................................................................................................................xviii Listas de Tabelas ..............................................................................................................xxvii Lista de Abreviações e Siglas ........................................................................................xxviii

1.2.1. Tipos de radiações polarizadas ...................................................................................... 5

1.2.2. Tipos de polarizadores ................................................................................................. 10

1.4.1. Instrumentos polarimétricos ......................................................................................... 21

1.4.2. Aplicações da técnica polarimétrica ............................................................................. 26

1.4.3. Espectropolarímetros e suas aplicações ...................................................................... 29

2.2.1. Polarímetro baseado no cristal de Glan-Laser ............................................................. 41

2.2.2. Polarímetro baseado em cristal de Wollaston .............................................................. 48

2.3.1. Espectropolarímetro VIS .............................................................................................. 54

2.3.1.1. Curvas de ORD e Espectros de absorção ............................................................. 56

2.3.2. Programa computacional do espectropolarímetro ........................................................ 57

2.4.1. Soluções para avaliação dos equipamentos ................................................................ 60

2.4.2. Aplicação na identificação de adulteração em méis ..................................................... 60

2.4.2.1. Adulteração dos méis ............................................................................................. 62

3.1.1. Polarímetro baseado no cristal de Glan-Laser ............................................................. 66

3.1.2. Polarímetro baseado no cristal de Wollaston ............................................................... 75

1. Introdução ....................................................................................................................... 1

1.1. Polarimetria ...................................................................................................................... 3

1.2. Polarização da radiação ................................................................................................... 4

1.3. Substâncias opticamente ativas ..................................................................................... 17

1.4. Polarimetria e suas aplicações ....................................................................................... 21

1.5. Filtro Óptico-acústico Sintonizável (AOTF) .................................................................... 33

1.6. Objetivos ........................................................................................................................ 36

2. Parte Experimental ....................................................................................................... 37

2.1. Princípio de obtenção das medidas polarimétricas nos equipamentos desenvolvidos .... 39

2.2. Polarimetria VIS/NIR ...................................................................................................... 41

2.3. Espectropolarimetria baseada em AOTF ....................................................................... 54

2.4. Soluções e Amostras ..................................................................................................... 60

3. Resultados e Discussão .............................................................................................. 63

3.1. Polarimetria .................................................................................................................... 65

xxii

3.2.1. Calibração do comprimento de onda ........................................................................... 80

3.2.2. Avaliação do instrumento ............................................................................................. 91

3.2.3. Avaliação do espectropolarímetro na identificação de adulteração em méis ............. 106

3.2. Espectropolarimetria VIS ................................................................................................ 79

4. Conclusões e Perspectivas ....................................................................................... 115

4.1. Polarimetria .................................................................................................................. 117

4.2. Espectropolarimetria .................................................................................................... 118

5. Referências Bibliográficas ........................................................................................ 119

xxiii

LISTAS DE FIGURAS

Figura 1. Modelo da radiação como uma onda eletromagnética transversal, onde o campo

elétrico (E) vibra em fase e perpendicularmente ao campo magnético (M). ............................. 4

Figura 2. Fenômeno de polarização de uma radiação natural por um polarizador [8]. ............ 5

Figura 3. Representações das componentes da onda eletromagnética e representação das

radiações linearmente polarizadas com diferentes direções: A) ao longo dos eixos x; B) ao

longo do eixo y; C) orientação de 45º e D) orientação de 30° em relação ao eixo x. ............... 6

Figura 4. Representação da radiação circularmente polarizada para direita, a qual é

resultante de duas componentes linearmente polarizadas que oscilam com mesma amplitude

e diferença de fase de 90°. ....................................................................................................... 7

Figura 5. Radiação linearmente polarizada transformando-se em circularmente polarizada

quando incide a 45º sobre uma lâmina de um cristal retardador de um quarto de onda. ......... 8

Figura 6. Visão frontal de uma radiação verticalmente polarizada, pela soma de duas

componentes circularmente polarizadas oscilando em sentidos opostos, com mesma

amplitude e em fase. O campo elétrico resultante (seta larga) oscila em uma única direção

durante o intervalo de tempo t1 a t6. ......................................................................................... 8

Figura 7. Representação da radiação elipticamente polarizada para direita, a qual é

resultante de duas componentes linearmente polarizadas que oscilam com amplitudes

diferentes e diferença de fase de 90°. ...................................................................................... 9

Figura 8. Seleção de um único plano de vibração por um polarizador dicróico quando são

incidas diferentes tipos de radiações sobre a grade linear: A) Radiação não polarizada. B)

Radiação planopolarizada com incidência em transversal. C) Radiação planopolarizada

incidência em paralelo. D) Radiação planopolarizada incidindo a um determinado ângulo ( ).

................................................................................................................................................ 11

xxiv

Figura 9. Polarização por reflexão: A) Polarização parcial da radiação refletida em

decorrência do ângulo de incidência ser menor que o ângulo de polarização e B) Polarização

total da radiação refletida em decorrência do ângulo de incidência ser igual ao ângulo de

polarização. ............................................................................................................................ 13

Figura 10. Polarização da radiação por um cristal birrefringente produzindo dois feixes

ortogonalmente polarizados em decorrência dos dois índices de refração presentes no

cristal. O feixe ordinário é a parte da radiação que sofre aceleração pela refração em

obediência à Lei de Snell, e o feixe extraordinário é a parte da radiação transmitida sem

sofrer refração. ....................................................................................................................... 14

Figura 11. Polarização da radiação pelo Prisma de Nicol. O feixe ordinário refratado no

primeiro cristal de calcita é eliminado por reflexão na camada da resina de bálsamo do

Canadá, e o feixe extraordinário é totalmente transmitido pelo segundo cristal. .................... 16

Figura 12. Representação de cristais de quartzo enantiomorfos. As estruturas possuem

formas e atividades ópticas opostas. ...................................................................................... 17

Figura 13. Tetraedro regular representando um composto formado por 4 espécies diferentes

(H, F, Cl e Br) ligados a um átomo central de carbono (C) e sua imagem especular. ............ 18

Figura 14. Fotografia do primeiro equipamento polarimétrico desenvolvido por Biot, retirada

no museu Pasteur, em Paris [1]. ............................................................................................. 21

Figura 15. Esquema do polarímetro comercializado pela JASCO, modelo P-200 [25]. ......... 23

Figura 16. Funcionamento de um prisma de cristais birrefringentes quando empregado como

analisador em equipamentos polarimétricos. O prisma divide a radiação polarizada incidente

em dois feixes ortogonalmente polarizados e de intensidades que variam com o ângulo de

incidência em relação aos planos de polarização do cristal: A) Ângulo de incidência igual a

45º; B) Ângulo de incidência perpendicular ao plano de polarização do feixe ordinário e C)

Ângulo de incidência perpendicular ao plano de polarização do feixe extraordinário. ............ 24

xxv

Figura 17. Funcionamento de um prisma de Wollaston quando é incidida sobre ele uma

radiação planopolarizada a 45º dos planos de polarização, resultando em dois feixes

polarizados de mesma intensidade. ....................................................................................... 25

Figura 18. Curvas normais de dispersão óptica rotação (ORD) de um par enantiomérico. ... 30

Figura 19. Efeito Cotton: Anomalia na curva de dispersão óptica rotatória originada pelo

fenômeno de absorção da radiação devido à presença de espécies absorvente no elemento

quiral ou adjacentes a ele. ...................................................................................................... 31

Figura 20. Espectro genérico de dicroísmo circular de um par enantiomérico. O efeito Cotton

é expresso pela diferença entre os coeficientes de absortividade molar das componentes

circularmente polarizadas ( = esquerda – direita). .................................................................. 32

Figura 21. Filtro Óptico-Acústico Sintonizável (AOTF) e seus componentes: transdutor

(LiNbO3, niobato de lítio), cristal birrefringente (TeO2, óxido de telúrio) e absorvedor acústico.

................................................................................................................................................ 34

Figura 22. Exemplo de um AOTF que opera na região espectral do visível. Dois feixes de

comprimento de onda de 665 nm são difratados quando um sinal de rádio frequência de 110

MHz é aplicado sobre material piezoelétrico (LiNbO3). .......................................................... 35

Figura 23. Efeito da rotação óptica ( ) sobre as intensidades dos feixes polarizados em três

situações diferentes método utilizado neste trabalho: a) na presença de uma substância sem

atividade óptica; b) na presença de uma substância com atividade dextrorrotatória e c) na

presença de uma substância com atividade levorrotatória. .................................................... 40

Figura 24. Foto do Polarímetro VIS/NIR construído: a) Fonte de radiação laser. b)Polarizador

dicróico. c) Célula de vidro de 10 cm. d) Analisador: Cristal Glan Laser. e) e f) Sensores

ópticos idênticos. g) Amplificador tipo “Lock-in”. ..................................................................... 42

Figura 25. Células de vidro de 1 cm, 2 cm e 5 cm que podem ser utilizadas para conter a

amostra para medida polarimétrica. ....................................................................................... 43

xxvi

Figura 26. Tela principal do programa POL_SAC. ................................................................. 46

Figura 27. Fotografia do polarímetro construído (visão externa): a) Compartimento da fonte

de radiação polarizada (laser + polarizador dicróico); b) Célula da amostra de 10 cm; c)

Sistema de detecção; d) Fonte de alimentação d laser e) Fonte de alimentação dos

detectores. .............................................................................................................................. 48

Figura 28. Fotografia do polarímetro (visão interna). a) Laser emitindo em 532 nm; b)

Polarizador dicróico; c) Célula da amostra de 10 cm; d) Cristal de Wollaston; e) e f)

Fotossensores de silício. ........................................................................................................ 49

Figura 29. Tela principal do programa POL_SAC, que possibilita o emprego do polarímetro

na indústria sucroalcooleira para determinação dos parâmetros de qualidade do caldo. ....... 52

Figura 30. Fotografia do espectropolarímetro construído: a) fonte de radiação; b)

alimentação da fonte de radiação; c) lente colimadora; d) polarizador dicróico; e) filtro passa

baixa de 700 nm; f) fenda de 1 mm; g) célula da amostra; h) AOTF; i) gerador de rádio

frequência; j) lente focal; l) fotossensores e m) amplificadores “lock-in”. ................................ 55

Figura 31. Tela principal mostrando a interface do programa ESPECTROPOL_VIS_NIR com

o usuário. ................................................................................................................................ 58

Figura 32. Fotografia de uma amostra de mel de flor de laranjeira que foi pré-tratada pelo

método de clarificação proposto utilizando bentonita e carvão ativado. ................................. 61

Figura 33. Fotografia de uma amostra de mel de flores silvestres que foi pré-tratada pelo

método de clarificação proposto utilizando bentonita e carvão ativado. ................................. 61

Figura 34. Linearidade da rotação óptica de soluções aquosas de sacarose com

concentrações de 6%, 12%, 16%, 26% e 32% (m/v) obtidas com uso da radiação laser de

532 nm e caminho óptico de 10 cm. A) curva analítica determinada pela equação da reta: Y =

(-0,5 + 0,2) + (0,87 + 0,01).X, R2 = 0,9994 e B) valores médios das rotações ópticas e

desvios padrões de 3 replicatas. ............................................................................................ 69

xxvii

Figura 35. Linearidade da rotação óptica de soluções aquosas de D-(-)-frutose com

concentrações 1,25%, 2,5%, 5% e 10% (m/v) obtidas com o uso da radiação laser de 532 nm

e caminho óptico de 10 cm. A) curva analítica determinada pela equação da reta: Y = (-0,3 +

0,1) –(1,13 + 0,02).X, R2 = 0,9989 e B) médias das rotações ópticas e desvios padrões de 3

replicatas. ............................................................................................................................... 70

Figura 36. Medidas de rotação óptica de soluções aquosas de sacarose obtidas pelo

polarímetro nos comprimentos de onda de 532 nm, 650 nm e 1064 nm, com caminho óptico

de 10 cm. A) curvas analíticas são determinadas por: Y = (-1,3 + 0,9) + (1,12 + 0,05).X, R2 =

0,9914 para 532 nm, Y = (-0,02 + 0,3) + (0,50 + 0,01).X, R2 = 0,9982 para 650 nm e Y = (-

0,006 + 0,07) + (0,356 + 0,004).X, R2 = 0,9997 para 1064 nm e B) médias das rotações

ópticas para 3 replicatas com desvios padrões relativos de aproximadamente 0,3%. ........... 71

Figura 37. Correlações das medidas de rotação óptica de soluções aquosas de sacarose

obtidas pelo polarímetro construído, nos comprimentos de onda de 532 nm, 650 nm e 1064

nm com aquelas fornecidas por um equipamento disponível comercialmente, em 589 nm. A)

curvas de correlação, Y = (-1,3 + 0,8) + (1,70 + 0,06).X, R2 = 0,9935, para 532 nm, Y = (0,01

+ 0,3) + (0,76 + 0,03).X, R2 = 0,9942, para 650 nm e Y = (-0,009 + 0,06) + (0,539 + 0,004).X,

R2 = 0,9997, para 1064 nm e B) valores médios das rotações ópticas com desvios padrões

relativos de aproximadamente de 0,3% para as medidas do polarímetro desenvolvido e 0,1%

para o polarímetro comercial. ................................................................................................. 73

Figura 38. Estabilidade da rotação óptica em função da variabilidade natural da intensidade

da fonte de radiação e dos dispositivos eletrônicos e mecânicos-ópticos do polarímetro

construído. .............................................................................................................................. 76

Figura 39. Espectros de absorção do óxido de hólmio gerados pelos feixes difratados pelo

AOTF quando um sinal de radio frequência é enviado ao dispositivo. Ângulo de incidência da

radiação igual a 0° em relação ao eixo da normal do cristal. .................................................. 81

Figura 40. Espectros de absorção do óxido de hólmio gerados pelos feixes difratados pelo


radiação a 3° em relação ao eixo da Normal ao cristal. .......................................................... 82

xxviii

Figura 41. Espectros de absorção do azul de metileno gerados pelos feixes difratados pelo


radiação a 3° em relação ao eixo da Normal ao cristal. .......................................................... 82

Figura 42. Espectros de transmissão dos filtros de interferência gerados pelos feixes

difratados pelo AOTF um sinal de radio frequência é enviado ao dispositivo. Ângulo de

incidência da radiação é de 3° em relação ao eixo da Normal ao cristal. ............................... 83

Figura 43. Curvas de calibração para os feixes difratados pelo AOTF que correlacionam os

sinais de rádio frequência com os comprimentos de onda selecionados. .............................. 85

Figura 44. Espectros de absorção do óxido de hólmio gerados pelos feixes difratados

quando são utilizadas as equações individuais de calibração dos feixes. .............................. 85

Figura 45. Intensidades dos feixes difratados pelo AOTF em diferentes comprimentos de

onda registrados por um sensor linear, com 1024 elementos sensores. ................................ 87

Figura 46. Fatores de correção determinados por meio da razão entre as intensidades do

feixe da direita e do feixe da esquerda. .................................................................................. 88

Figura 47. Curva de Dispersão Óptica Rotatória (eixo da esquerda) e de absorção (eixo da

direita) do óxido de hólmio. ..................................................................................................... 89

Figura 48. Curvas de ORD e de absorção obtidos, de forma conjunta e independente pelo

espectropolarímetro, de uma solução aquosa composta pela mistura de um corante (azul de

metileno) e uma substância opticamente ativa (sacarose, 26% (m/v)). A aquisição dos

espectros foi realizada com caminho óptico de 5 cm, empregando-se água deionizada como

referência. ............................................................................................................................... 90

Figura 49. Desvios padrões (n = 5) de medidas polarimétricas obtidas por acúmulos de 5, 10

e 20 varreduras, no caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, 26°C ......................... 92

xxix

Figura 50. Curvas de ORD de soluções aquosas de sacarose e frutose com concentrações

de 2,5%, 5%, 10%, 20% (m/v) obtidos no caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente,

26° C. ...................................................................................................................................... 93

Figura 51. Relação entre as intensidades dos feixes difratados pelo AOTF (eixo da direita)

na região espectral de 450 a 500 nm e comportamento da curva de ORD (eixo da esquerda)

de uma solução de sacarose com concentração de 20% (m/v) obtidos no caminho óptico de

5 cm e temperatura ambiente, 26° C. ..................................................................................... 95


concentrações de 2,5%, 5%, 10%, 20% (m/v) obtidas no comprimento de onda de 589 nm e

caminho óptico de 5 cm. A) A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (-0,02+

0,02) + (0,327 + 0,002).X, R2 = 0,9999 e B) valores médios das rotações ópticas e os desvios

padrões de 3 medidas. ........................................................................................................... 96


concentrações de 2,5%, 5%, 10%, 20% (m/v) obtidas no comprimento de onda de 589 nm e

caminho óptico de 5 cm. A) A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (-0,02+

0,02) + (0,327 + 0,002).X, R2 = 0,9999 e B) valores médios das rotações ópticas e os desvios

padrões de 3 medidas.. .......................................................................................................... 96

Figura 54. Curva de ORD e espectros absorção de soluções preparadas com sacarose e

rosa de bengala para concentrações de 26% (m/v) de sacarose e 2,0, 2,8 e 3,6 mg L-1 do

corante, usando água deionizada como referência. Em destaque, de cor preta, o espectro de

ORD de uma solução de sacarose 26% pura. ........................................................................ 97

Figura 55. Linearidade das absorções das soluções de rosa de bengala com concentrações

de 2,0, 2,8 e 3,6 mg L-1 obtidas no máximo de absorção no comprimento de onda de 486 nm,

caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. A curva analítica determinada

pela equação da reta é Y = (0,03 + 0,03) + (0,16 + 0,01). X, R2 = 0,9951. ............................. 98

Figura 56. Curvas de ORD e espectros de absorção de soluções preparadas com sacarose

e amarelo crepúsculo em concentrações de 26% (m/v) de sacarose e 0,8, 1,7 e 3,2 mg L-1 do

xxx

corante, usando água deionizada como referência. Em destaque, de cor preta, a curva de

ORD de uma solução de sacarose 26% pura. ........................................................................ 99

Figura 57. Linearidade das absorções das soluções de amarelo crepúsculo com

concentrações de 0,8, 1,7, e 3,2 mg L-1 obtidas no máximo de absorção no comprimento de

onda de 549 nm, caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. A curva

analítica determinada pela equação da reta é Y = (0,02 + 0,01) + (0,35 + 0,03).X, R2 =

0,9906. .................................................................................................................................... 99

Figura 58. Curvas de ORD e absorção de soluções preparadas com sacarose e azul de

metileno em concentrações de 26% (m/v) de sacarose e 0,25, 0,40 e 0,75 mg L-1 do corante,

usando água deionizada como referência. Em destaque, de cor preta, a curva de ORD de

uma solução de sacarose 26% pura. .................................................................................... 100

Figura 59. Linearidade das absorções das soluções do azul de metileno com concentrações

de 0,25, 0,40 e 0,75 mg L-1 obtidas no máximo de absorção no comprimento de onda de 668

nm, caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. A curva analítica

determinada pela equação da reta é Y = (0,075 + 0,001) + (1,081 + 0,002).X, R2 = 0,9999.

.............................................................................................................................................. 101

Figura 60. Curvas de ORD das soluções dos enantiômeros e racêmico (0,1 mol L-1) na

presença dos respectivos complexos de cobre (34 mmol L-1) obtidos com caminho óptico de

5 cm e temperatura ambiente, de 26°C. ............................................................................... 104

Figura 61. Curvas de ORD das soluções dos enantiômeros (0,1 mol L-1) na presença dos

respectivos complexos de cobre (34 mmol L-1) obtidos por um espectropolarímetro disponível

comercialmente, JASCO J-720, com caminho óptico de 1 cm e temperatura ambiente de

25°C. Curvas tracejadas correspondem às curvas esperadas de ORD para soluções puras

dos enantiômeros. ................................................................................................................ 104

Figura 62. Estudo comparativo entre as curvas de ORD dos aminoácidos livres e as curvas

dos aminoácidos na presença do complexo das soluções dos enantiômeros e racêmico (0,1

xxxi

mol L-1) na presença dos respectivos complexos de cobre (34 mmol L-1) obtidos com

caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, de 26°C. ................................................. 105

Figura 63. Curvas de ORD e de absorção das soluções dos complexos Cu-prolina (Cu-(D)-

prolina, Cu-(L)-prolina e Cu-(DL)-prolina) obtidos com caminho óptico de 5 cm, temperatura

ambiente, 26°C, e água deionizada como referência. .......................................................... 106

Figura 64. Curvas de ORD de uma amostra de mel em diferentes estados físicos, após

clarificação, obtidos com caminho óptico de 5 cm e a temperatura ambiente de 26°C. ....... 108

Figura 65. Curvas de ORD de três alíquotas de uma mesma amostra de mel. ................... 109

Figura 66. Curvas de ORD de nove amostras de méis oriundos dos estados de São Paulo,

Minas Gerais, Piauí, Paraná e Ceará. .................................................................................. 110

Figura 67. Estudo comparativo entre as curvas de ORD de uma amostra de mel natural do

estado do Piauí com seus respectivos adulterantes e de uma amostra natural, de baixa

atividade óptica, oriunda do estado do Paraná, destacada pela cor vermelha. .................... 111

Figura 68. Análise de Componentes Principais (PCA) dos espectros de ORD de 5 amostras

de méis, naturais e adulterados, originados de diferentes estados do Brasil. ...................... 112

xxxii

xxxiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Características das componentes oscilatórias da radiação, quanto a sua magnitude

e fase, que resultam em uma específica polarização: linear, circular e elíptica ..................... 10

Tabela 2. Aplicações da técnica polarimétrica com interesse industrial ................................. 20

Tabela 3. Estabilidade da rotação óptica, determinada pela razão dos campos elétricos dos

dois feixes produzidos pelo analisador, quando a corrente elétrica de alimentação da fonte de

luz varia em + 13% ................................................................................................................. 67

Tabela 4. Repetibilidade do equipamento para 35 medidas de rotação óptica de soluções de

sacarose com concentrações de 2%, 10% e 40% (m/v) ......................................................... 68

Tabela 5. Comparação entre as rotações ópticas da solução padrão de sacarose 26% (m/v)

medidas em comprimento de onda 650 nm e calculadas em outros comprimentos de onda . 75

Tabela 6. Teores de sacarose e seus respectivos desvios padrão (n = 3) obtidos para

soluções padrão contendo 0,5%, 5% e 10% (m/v) do açúcar, após a calibração do

equipamento ........................................................................................................................... 77

Tabela 7. Determinação do teor da sacarose, por um período de 5 dias, utilizando soluções

aquosas de 10,0% (m/v) e uma única calibração inicial ......................................................... 78

Tabela 8. Figuras de mérito apresentadas pelo protótipo proposto neste trabalho,

comparadas com as de um sacarímetro comercial ................................................................ 79

Tabela 9. Valores dos sinais de rádio frequência (RF) aplicados ao AOTF e os

correspondentes comprimentos de onda selecionados .......................................................... 84

Tabela 10. Faixa de concentração dos componentes majoritários do mel de abelha [72] ... 107

xxxiv

xxxv

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS

A/D – Analógico / Digital

AOTF – Filtro Óptico-Acústico Sintonizável (do inglês, Acoustic-Optic Tunable Filter)

AR – Açucares Redutores

CD – Dicroísmo Circular (do inglês, Circular Dichroism)

CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

CONSECANA – Conselho dos Produtores de Cana-de-Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo

EMBRAPA – Empresa Brasileira de Pesquisas Agropecuárias

FD – Feixe da Direita

FE – Feixe da Esquerda

ICUMSA – International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis

INPI – Instituto Nacional da Propriedade Industrial

NIR – Infravermelho Próximo (do inglês, Near Infrared)

ORD – Dispersão Óptica Rotatória (do inglês, Optical Rotation Disperson)

PCA – Análise de Componente Principal (Principal Component Analysis)

POL – Teor de sacarose aparente

RF – Rádio Frequência

VIS – Visível

xxxvi

1. Introdução

1

1. Introdução

"Antes de fazer a coisa para os homens, é preciso formar

os homens para a coisa, como se formam obreiros, antes de lhes

confiar um trabalho. Antes de construir, é preciso que nos

certifiquemos da solidez dos materiais. Aqui os materiais sólidos

são os homens de coração, de devotamento e abnegação".

Allan Kardec

1. Introdução

2

1. Introdução

3

1.1. Polarimetria

A polarimetria permite observar e estudar os fenômenos nos quais a radiação

eletromagnética polarizada está envolvida. Sua descoberta e primeiros estudos ocorreram no

século XIX. Etienne Malus, em 1808, observou pela primeira vez uma radiação polarizada

quando uma radiação natural atravessou um cristal de espato da Islândia, um cristal

transparente de uma variedade de carbonato de cálcio (calcita). Sua observação abriu

caminho para novas pesquisas associada aos fenômenos ópticos, utilizando radiação

polarizada [1].

Em 1811, Arago estudou a rotação do plano da radiação polarizada por cristais de

quartzo, e Biot, em 1817, pelas substâncias líquidas e soluções. Poucos anos depois, em

1825, Fresnel atribuiu a rotação óptica de uma substância à diferença entre os índices de

refração das componentes da radiação polarizada ao interagir com as moléculas. Em 1848,

Pasteur introduziu o termo “dissimétrico” para descrever todas as estruturas químicas que

produzem rotação óptica [1,2,3]. A primeira aplicação relevante da polarimetria foi

desenvolvida por Wilhelmy, em 1850, na investigação da inversão do açúcar (sacarose) em

caldo de cana [1]. Desde então, a técnica é empregada em diversas áreas da ciência: na

física é utilizada para o estudo da radiação polarizada e dos fenômenos ocorridos quando ela

ultrapassa ambientes com diferentes índices de refração [4]; na astronomia é aplicada em

estudos das radiações emitidas por estrelas [5]; na química e áreas afins ela tem uso amplo

em estudos de substâncias que possuem atividade óptica [6]. Nessas últimas áreas a maior

aplicação da técnica polarimétrica é encontrada na determinação da concentração de

substâncias opticamente ativas em solução, a exemplo da indústria açucareira, que emprega

essa técnica quantificando o teor de sacarose no monitoramento da qualidade e na

comercialização da cana-de-açúcar. Na pesquisa básica, sem dúvida, a química orgânica é

que mais aplica a polarimetria, pois há um grande interesse em investigar as estruturas

moleculares de substâncias que possuem centros quirais.

1. Introdução

4

1.2. Polarização da radiação

A radiação natural pode ser descrita por meio do modelo de Maxwell, que a descreve

como uma onda eletromagnética transversal, onde o campo elétrico oscila

perpendicularmente e em fase com o campo magnético, conforme representado na Figura 1.

A radiação não polarizada consiste em diversas ondas que oscilam em diferentes ângulos

perpendicularmente à direção da trajetória [7].

Figura 1. Modelo da radiação como uma onda eletromagnética transversal, onde o campo elétrico (E) vibra em fase e perpendicularmente ao campo magnético (M).

A radiação não polarizada apresenta diversos planos de oscilação, e durante o

fenômeno de polarização, os planos de oscilação são absorvidos, emergindo apenas um, o

qual é denominado de plano de polarização [7], como é ilustrado na Figura 2. O dispositivo

óptico que possibilita a obtenção da radiação polarizada é denominado polarizador.

A polarização da radiação pode ocorrer por diferentes fenômenos ópticos: absorção,

espalhamento, reflexão e birrefringência. O resultado desses fenômenos pode produzir

radiação linear, circular ou elipticamente polarizada. Para finalidades práticas, somente a

componente do campo elétrico é considerada, visto que a interação entre a radiação e a

matéria envolve uma redistribuição de cargas, e o campo elétrico é a componente que mais

exerce influência sobre esse fenômeno [9].

1. Introdução

5

Figura 2. Fenômeno de polarização de uma radiação natural por um polarizador [8].

1.2.1. Tipos de radiações polarizadas

a) Radiação linearmente polarizada

A radiação linearmente polarizada [10,11], com eixo de polarização orientado no plano

xy, pode ser decomposta em duas componentes orientadas ao longo dos eixos x e y,

oscilando com a mesma frequência e em fase. As amplitudes das duas componentes irão

determinar a direção da polarização da radiação. A Figura 3 apresenta algumas direções

possíveis de polarização. Quando a amplitude da componente y é igual a zero (Ay = 0), a

direção da polarização é orientada ao longo do eixo x (Figura 3A). Quando a amplitude da

componente x é igual a zero (Ax = 0), a direção da polarização é orientada ao longo do eixo y

(Figura 3B). Quando ambas componentes possuem a mesma amplitude, a direção da

polarização é orientada a 45º (Figura 3C) e no caso onde a amplitude da componente y for

igual à metade da amplitude da componente x, a direção da polarização é orientada a 30°

em relação ao eixo x (Figura 3D).

As radiações linearmente polarizadas também são classificadas quanto ao plano de

polarização. Uma radiação linearmente polarizada ou planopolarizada é denominada

horizontalmente polarizada quando sua orientação é ao longo do eixo x, no plano x-z, e

denominada verticalmente polarizada quando sua polarização é orientada ao longo do eixo y,

no plano y-z.

1. Introdução

6

Figura 3. Representações das componentes da onda eletromagnética e representação das radiações linearmente polarizadas com diferentes direções: A) ao longo dos eixos x; B) ao longo do eixo y; C) orientação de 45º e D) orientação de 30° em relação ao eixo x.

b) Radiação circularmente polarizada

A radiação circularmente polarizada, representada na Figura 4, é constituída por duas

componentes ortogonais de mesma amplitude orientadas ao longo dos eixos x e y, oscilando

com a mesma frequência, porém defasadas por 90º [12].

1. Introdução

7

Figura 4. Representação da radiação circularmente polarizada para direita, a qual é resultante de duas componentes linearmente polarizadas que oscilam com mesma amplitude e diferença de fase de 90°.

No eixo z, o vetor resultante do campo elétrico da radiação polarizada possui

magnitude constante (Ax = Ay), mas sua direção muda com o tempo. Essa mudança da

direção faz com que o vetor ao se movimentar tome forma circular, completando voltas em

função do tempo. Por convenção, quando o vetor campo elétrico movimenta-se no sentido

horário, diz-se que a radiação é circularmente polarizada para direita, e no caso de sentido

anti-horário ela é circularmente polarizada para esquerda.

Uma radiação linearmente polarizada pode transformar-se em uma circularmente

polarizada, quando incide sobre uma lâmina de cristal retardador de um quarto de onda ao

ângulo de 45º. Isso ocorre porque os cristais retardadores são cristais birrefringentes e pela

diferença no índice de refração retarda uma das componentes em relação à outra. É

chamado de retardador de um quarto de onda o cristal que atrasa uma das componentes em

90° e chamado de retardador de meia onda o cristal que a atrasa em 180°. A Figura 5

apresenta o fenômeno de transformação de uma radiação linearmente polarizada em

circularmente polarizada ao ultrapassar uma lâmina de um retardador de um quarto de onda.

1. Introdução

8

Figura 5. Radiação linearmente polarizada transformando-se em circularmente polarizada quando incide a 45º sobre uma lâmina de um cristal retardador de um quarto de onda.

Em polarimetria, a radiação linearmente polarizada também é descrita como o vetor

campo elétrico resultante da soma de radiações circularmente polarizadas, que oscilam em

sentidos opostos, com mesma amplitude e em fase. Esse modelo é bem aceito, pois facilita o

entendimento do fenômeno de rotação do plano de polarização por substâncias opticamente

ativas. Na Figura 6 é demonstrada a radiação linearmente polarizada como resultado da

soma do campo elétrico de suas componentes circularmente polarizadas.

Figura 6. Visão frontal de uma radiação verticalmente polarizada, pela soma de duas componentes circularmente polarizadas oscilando em sentidos opostos, com mesma amplitude e em fase. O campo elétrico resultante (seta larga) oscila em uma única direção durante o intervalo de tempo t1 a t6.

1. Introdução

9

c) Radiação elipticamente polarizada

A radiação elipticamente polarizada é constituída por duas componentes oscilantes

com amplitudes diferentes (Ax ≠ Ay) e defasadas entre si. O vetor resultante do campo

elétrico da radiação polarizada possui magnitude e direção variáveis com o tempo, de tal

forma que a mudança da direção faz com que o vetor, ao se movimentar, tome forma

elíptica, completando ciclos elípticos em função do tempo. Por convenção, quando o vetor

campo elétrico movimenta-se no sentido horário, diz-se que a radiação é polarizada para

direita, e no caso de sentido anti-horário ela é elipticamente polarizada para esquerda. A

Figura 7 apresenta a radiação elipticamente polarizada com suas componentes oscilantes,

na qual o vetor campo elétrico movimentando-se no sentido horário.

Figura 7. Representação da radiação elipticamente polarizada para direita, a qual é resultante de duas componentes linearmente polarizadas que oscilam com amplitudes diferentes e diferença de fase de 90°.

Em resumo, uma radiação eletromagnética transversal pode ser polarizada assumindo

três formas geométricas distintas: linear, circular e elíptica. A forma geométrica assumida

durante a polarização é a resultante do vetor campo elétrico da radiação dado pela soma das

duas componentes transversais oscilantes.

1. Introdução

10

Na Tabela 1 estão apresentadas as características das componentes oscilatórias

quanto a sua amplitude e oscilação, associada à forma geométrica do campo elétrico.

Alterações do campo elétrico ocorridas durante interações da radiação com a matéria são

observadas com objetivo de obter informações químicas e/ou físicas. Essas alterações são

os objetos de estudo da polarimetria.

Tabela 1. Características das componentes oscilatórias da radiação, quanto a sua magnitude e fase, que resultam em uma específica polarização: linear, circular e elíptica

1.2.2. Tipos de polarizadores

a) Polarizadores dicróicos

Os polarizadores dicróicos são dispositivos que têm a propriedade de transmitir

apenas radiação com uma única direção de oscilação e absorver todas as outras. Alguns

minerais anisotrópicos possuem essa característica, como turmalina e biotita, bem como

alguns polímeros moleculares, e são bastante empregados em monitores de computadores,

visores de relógios e materiais fotográficos.

Esses polarizadores apresentam uma estrutura em forma de grade, com elementos de

formato alongado, finos e paralelos entre si. Dessa forma, os elétrons movimentam-se

apenas ao longo dos elementos lineares, não ocorrendo transferência de carga elétrica entre

as estruturas. Quando uma radiação incide sobre a grade, apenas a porção transversal é

transmitida, isso porque o campo elétrico das vibrações paralelas é absorvido pela interação

com os elétrons da estrutura linear do polarizador, gerando uma corrente elétrica, que é

COMPONENTES

TIPO DE POLARIZAÇÃO

LINEAR CIRCULAR ELÍPTICA

AMPLITUDE Iguais ou diferentes Iguais Diferentes

FASE Mesmas Defasadas de 90º Defasadas

1. Introdução

11

dissipada em forma de calor. Dessa forma, o plano de polarização de um polarizador dicróico

é o plano transversal à grade linear.

Na Figura 8 são apresentadas as situações onde diferentes tipos de radiações

incidem em diferentes ângulos ao plano de polarização de um polarizador dicróico. Na Figura

8A quando uma radiação não polarizada, a qual possui muitos planos de vibração, é incidida

sobre o polarizador apenas um desses é selecionado. A radiação planopolarizada emergente

possui seu plano paralelo ao plano de polarização do polarizador. Na Figura 8B, quando uma

radiação planopolarizada incide de forma transversal a grade, quer dizer a 0° do plano de

polarização, essa radiação é transmitida sem sofrer absorção. Na Figura 8C a radiação

planopolarizada é totalmente absorvida pela grade, pois sua incidência ocorreu de forma

paralela ao plano de polarização, e por tanto é absorbida pela interação elétrica entre seu

campo elétrico e a estrutura linear. Na Figura 8D quando uma radiação planopolarizada

incide a um determinado ângulo ao plano de polarização uma porção dessa radiação é

transmitida, tendo sua intensidade dependente do ângulo de incidência seguindo a Lei de

Malus.

Figura 8. Seleção de um único plano de vibração por um polarizador dicróico quando são incidas diferentes tipos de radiações sobre a grade linear: A) Radiação não polarizada. B) Radiação planopolarizada com incidência em transversal. C) Radiação planopolarizada

incidência em paralelo. D) Radiação planopolarizada incidindo a um determinado ângulo ( ).

Segundo Malus, a intensidade de uma radiação natural ao ultrapassar um polarizador

é igual ao quadrado do campo elétrico, e quando esta radiação é planopolarizada a

1. Introdução

12

magnitude do campo elétrico é proporcional ao cosseno do ângulo de incidência ao plano de

polarização do polarizador ( ) [7,9].

b) Polarização por Reflexão

A descoberta, realizada por Malus em 1808, da polarização da radiação foi

consequência do fenômeno de polarização por reflexão, enquanto observava os raios do sol

refletidos pelas janelas do palácio de Luxemburgo usando um cristal de espato da Islândia

[3]. Esse tipo reflexão pode ser visto com muita frequência em vidros planos, em mesas e no

asfalto.

A polarização por reflexão é explicada por meio das leis de refração de Snell-

Descartes e de Brewster. Brewster chamou de ângulo de polarização ( ) o ângulo de

incidência necessário para que o plano da radiação refletida seja ortogonal ao feixe refratado

pelo meio. Ele utilizou a Lei de Snell para determinar o ângulo de polarização por meio da

tangente da razão dos índices de refração dos dois meios. A Equação 1 é conhecida como a

Lei de Brewster:

)(1

2

n

narctgB (1)

onde é o ângulo de polarização, n2 é o índice de refração do meio refletor e n1 é o índice

de refração do meio ambiente.

A reflexão parcial da radiação é feita preferencialmente nas ondas em que o vetor

campo elétrico oscila perpendicularmente ao plano de incidência. Na Figura 9 estão

representadas duas situações onde há incidência da radiação não polarizada sobre uma

superfície, sendo que apenas a representação do campo elétrico foi contemplada. Figura 9A,

o ângulo de incidência é diferente de zero e é menor que o ângulo de polarização, o que

resulta em uma polarização parcial da radiação refletida, pois esta possui campo elétrico em

diferentes planos. Já na Figura 9B, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de polarização,

resultando em uma polarização total da radiação refletida, a qual possui o vetor campo

elétrico propagando-se em apenas um plano.

1. Introdução

13

Figura 9. Polarização por reflexão: A) Polarização parcial da radiação refletida em decorrência do ângulo de incidência ser menor que o ângulo de polarização e B) Polarização total da radiação refletida em decorrência do ângulo de incidência ser igual ao ângulo de polarização.

c) Polarização por Birrefringência ou Dupla Refração

Muitos fatos relevantes da polarimetria se misturam com a história da cristalografia,

pois graças à natureza birrefringente de alguns minerais, como cristais de carbonato de

cálcio e turmalina, que apresentam, devido a sua estrutura cristalina, dois índices de

refração, foi possível a descoberta da polarização da radiação.

A birrefringência é um fenômeno que ocorre em meios anisotrópicos, quando um feixe

de radiação, ao passar através de uma rede cristalina, é divido em dois feixes com

polarizações ortogonais.

Um cristal birrefringente é um meio transparente que possui seus átomos ordenados

em uma rede cristalina e, em virtude da organização das moléculas, são geradas regiões

mais densas do que outras, e por tanto, dois diferentes índices de refração são formados em

direções diferentes. Essa diferença dos índices de refração é a causa da separação em duas

componentes da radiação incidente, chamadas feixe ordinário e extraordinário.

1. Introdução

14

Considerando que o índice de refração depende do comprimento de onda da radiação

e do estado de polarização da radiação, n = n( , E ), quando uma radiação ultrapassa um

cristal birrefringente os índices de refração separam os campos elétricos que oscilam

paralelos aos eixos de propagação, selecionando dois campos elétricos oscilantes em duas

direções diferentes e separados por um determinado ângulo. Um deles, o que possui o maior

índice de refração, é retardado em relação ao outro pela lei de Snell e por isso ele recebe o

nome de feixe ordinário. O outro é transmitido sem sofrer desvio e é chamado de feixe

extraordinário, como mostrado na Figura 10. A diferença entre as velocidade de propagação

dos campos elétricos faz com que os dois feixes tenham uma defasagem de fase de 90°, o

que os tornam ortogonalmente polarizados [9].

Figura 10. Polarização da radiação por um cristal birrefringente produzindo dois feixes ortogonalmente polarizados em decorrência dos dois índices de refração presentes no cristal. O feixe ordinário é a parte da radiação que sofre aceleração pela refração em obediência à Lei de Snell, e o feixe extraordinário é a parte da radiação transmitida sem sofrer refração.

A diferença de fase dos campos elétricos oscilantes ( ) é dependente do

comprimento do percurso da propagação (d, comprimento do cristal), da diferença entre os

índices de refração dos feixes ordinário (no) e extraordinário (ne) e do comprimento de onda

da radiação incidente, como mostrado na Equação 2:

1. Introdução

15

)(2 eo nnd

(2)

Existe uma determinada direção, chamada de eixo óptico, onde os raios propagam-se

com a mesma velocidade. Se a radiação incide com um determinado ângulo em relação ao

eixo óptico, os raios deslocam-se em direções diferentes no material e emergem

separadamente no espaço, como mostrado na Figura 10. Assim, um cristal birrefringente

possui dois eixos de polarização e quando uma radiação linearmente polarizada incide no

cristal as intensidades dos feixes, ordinário e extraordinário, são dependentes do ângulo

entre o plano de polarização da radiação e os respectivos eixos de polarização dos feixes.

Quando os dois feixes emergentes possuem a mesma intensidade é verificado que o ângulo

do plano de polarização da radiação incidiu a 45° em relação aos dois eixos de polarização.

No caso em que o comprimento do cristal seja muito pequeno, como o de uma lâmina,

e uma radiação linearmente polarizada incida a 45° em relação aos eixos, os dois

componentes são misturados, resultando em uma radiação circularmente polarizada, pois

esses possuem a mesma intensidade e seus campos elétricos oscilam defasados em 90°,

como representado na Figura 5. A radiação elipticamente polarizada é obtida quando a

radiação incide em outros ângulos sobre o cristal, pois uma das componentes possui menor

amplitude.

Há na polarimetria arranjos de cristais birrefringentes com objetivo de eliminar um dos

feixes produzidos pelo cristal birrefringente. Cristais como de calcita ou de quartzo são

unidos com resinas ou por pressão para se obter uma interface com diferente índice de

refração em relação aos cristais. Essa interface é responsável pelo fenômeno de reflexão de

um dos feixes.

Diferentes arranjos de cristais birrefringentes são construídos e são denominados, de

acordo com a sua conformação, como: prismas de Nicol, Glan, Wollaston ou Rochro. Sendo

o primeiro, o prisma de Nicol, um exemplo clássico de um arranjo geométrico de cristais de

calcita, tendo sido o primeiro a ser empregado como analisador em instrumentos

polarimétricos.

1. Introdução

16

O prisma de Nicol é um polarizador que elimina o feixe refratado (feixe ordinário) por

reflexão total, como apresentado na Figura 11. Dois cristais triangulares de calcita, com

índice de refração 1,49 são colados com resina de bálsamo do Canadá que possui índice de

refração 1,53. O feixe ordinário, gerado pelo fenômeno de refração no primeiro cristal, possui

índice de refração 1,69 e se propaga no cristal de calcita regido pelo seu índice de refração.

Ao atingir o bálsamo do Canadá com um ângulo de incidência maior do que aquele

denominado “ângulo crítico” observa-se o fenômeno da reflexão total, de forma que o feixe

ordinário é, então, eliminado. O feixe extraordinário atravessa o cristal de calcita em

obediência ao índice de refração igual a 1,49, que é próximo àquele do bálsamo do Canadá,

e nunca sofre o fenômeno da reflexão total, uma vez que é sempre refratado atravessando a

camada do bálsamo sem sofrer desvio apreciável. O prisma de Nicol apresenta um bom

desempenho como polarizador, mas seu uso não é recomendado na região espectral do

ultravioleta em decorrência da absorção da radiação pela resina do bálsamo de Canadá [10].

Figura 11. Polarização da radiação pelo Prisma de Nicol. O feixe ordinário refratado no primeiro cristal de calcita é eliminado por reflexão na camada da resina de bálsamo do Canadá, e o feixe extraordinário é totalmente transmitido pelo segundo cristal.

Em sua maioria, os equipamentos polarimétricos utilizam a polarização por

birrefringência. Os principais cristais empregados como polarizadores da radiação e

analisadores da rotação óptica serão abordados nas próximas seções.

1. Introdução

17

1.3. Substâncias opticamente ativas

Após o descobrimento da radiação polarizada por Malus, Biot e Arago iniciaram os

estudos dos fenômenos ocorridos durante a interação desse tipo de radiação com minerais e

substâncias orgânicas. Arago, em 1811, descobriu que cristais de quartzo desviam o plano

de polarização da radiação. Em 1815, Biot estendeu esse estudo às substâncias orgânicas,

em líquidos puros como a terebentina e em soluções de sacarose, cânfora e ácido tartárico

[1,3].

Hershel, em 1822, observou a relação entre cristais enantiomorfos e substâncias

opticamente ativas. Os cristais enantiomorfos (do grego: enan - opostos e morfo - forma)

foram estudados inicialmente em 1801 por Haüy. Esses cristais possuem nas suas bordas

pequenas modificações dispostas de forma assimétrica, e algumas estruturas cristalinas do

mesmo mineral tornam-se imagem especular da outra. Na Figura 12 são mostradas duas

estruturas cristalinas de um mineral de quartzo que possuem atividades ópticas opostas:

uma rotaciona o plano de polarização da radiação para direita e a outra rotaciona o plano de

polarização para esquerda [11,14].

Em 1848, Pasteur utilizando-se desses conceitos de cristalização enantiomórfica

conseguiu transformar uma solução racêmica de ácido tartárico, opticamente inativa, em

uma solução opticamente ativa, separando manualmente os cristais enantiomorfos. Anos

depois, ele postulou as estruturas moleculares do (+) e (-) ácido tartárico como sendo uma a

imagem especular da outra, dando início ao conceito de enantiômeros a nível molecular

[1,13,14].

Figura 12. Representação de cristais de quartzo enantiomorfos. As estruturas possuem formas e atividades ópticas opostas.

1. Introdução

18

Nos anos 1874 e 1875, van’t Hoff e Le Bel propuseram o caso de enantiomerismo em

substâncias com um elemento central e quatro ligantes diferentes arranjados

tetraedricamente. Nesse modelo, mostrado na Figura 13, os quatros ligantes formam um

arranjo tetraédrico regular e dois enantiômeros são definidos. As moléculas que seguem

esse modelo de imagem especular, ou de não superposição completa dos ligantes, foram

chamadas de moléculas quirais (do grego: cheir - mão). Em 1966, Cahn, Ingold e Prelog

definiram o modelo de molécula quiral para estruturas que possuem algum elemento de

assimetria seja ele um centro, plano ou eixo [14].

Figura 13. Tetraedro regular representando um composto formado por 4 espécies diferentes (H, F, Cl e Br) ligados a um átomo central de carbono (C) e sua imagem especular.

Uma substância opticamente ativa é definida como aquela que possui algum elemento

de quiralidade, com capacidade de desviar o plano da luz polarizada incidente. Por

convenção, quando a rotação do plano de polarização dar-se no sentido horário, diz-se que a

substância é dextrorrotatória (rotações com valores positivos) e, no sentido anti-horário, diz-

se que a substância é levorrotatória (rotações com valores negativos). Segundo Biot [11] a

rotação óptica sofrida por uma radiação planopolarizada, ao interagir com uma substância

opticamente ativa, é resultado das seguintes variáveis:

- Tipo ou natureza da substância opticamente ativa;

- Concentração da substância opticamente ativa;

1. Introdução

19

- Comprimento do caminho óptico;

- Comprimento de onda da luz polarizada;

- Temperatura da amostra.

A rotação óptica de uma substância opticamente ativa, (o), em solução, deve ser

determinada pela equação que representa a Lei de Biot, Equação 3, onde todas essas

variáveis estão envolvidas:

100

.. lcT

, (3)

Sendo ][T

, a rotação específica de uma substância (o cm3 g-1 dm-1), que depende da

temperatura (T) e do comprimento de onda da luz incidente (λ); c é a concentração da

substância opticamente ativa (g 100 mL-1) ou a densidade em casos de líquidos puros, e l é o

comprimento do caminho óptico (dm).

A unidade de medida da constante de rotação óptica específica depende de como os

parâmetros são expressos. No entanto, em polarimetria as unidades especificadas acima

são as mais usuais. A rotação óptica específica também depende do solvente e da

magnitude da concentração do analito. Em virtude da Lei de Biot não considerar esses

parâmetros, é usual adicionar entre parênteses essas informações. Por exemplo, ][20

546= -

(10,8 + 0,1) o cm3 g-1 dm-1 (c. 5,77, 95% etanol), quer dizer que uma solução alcóolica de

concentração igual a 5,77 g 100mL-1 rotaciona o plano da polarização de 10,8°, no sentido

anti-horário, quando nela for incidida uma radiação polarizada com comprimento de onda

igual a 546 nm, à temperatura de 20°. O efeito do solvente é observado, por exemplo, em

soluções de leucina, quando preparada com água ela rotaciona o plano da radiação

polarizada para esquerda e quando dissolvida em ácido clorídrico para direita [11].

Se duas substâncias opticamente ativas apresentam poder rotatórios semelhantes e

massas molares diferentes, aquela que tiver a menor massa molar terá a maior rotação

óptica específica, quando calculada pela Lei de Biot. Isso porque haverá mais moléculas no

percurso da radiação polarizada. Para compensar esse efeito pode-se expressar a rotação

1. Introdução

20

óptica por mol, conhecida por rotação molar. Define-se rotação molar ([M] ou [ ]) como

produto da rotação específica ([ ]) e da massa molar dividido por 100. A divisão por 100 é

feita com objetivo de manter o valor numérico da rotação molar próximo daquele da escala

da rotação específica [11].

Utilizando a técnica polarimétrica é possível fazer o controle de qualidade de produtos

e processos que envolvem compostos opticamente ativos. A Tabela 2 apresenta as mais

importantes aplicações industriais que fazem uso de técnicas polarimétricas.

A indústria sucroalcooleira destaca-se das outras pelo volume de análises que é

realizado tendo por base as medidas polarimétricas, visto que sua matéria prima, cana-de-

açúcar, tem seu valor comercial atribuído à concentração de sacarose.

Tabela 2. Aplicações da técnica polarimétrica com interesse industrial

INDÚSTRIAS

Farmacêutica Utiliza a rotação óptica específica para determinação da pureza dos

produtos, como: aminoácidos, antibióticos, analgésicos, vitaminas,

tranquilizantes, princípios ativos e cocaína [15-18]

Alimentícia Controle de qualidade de cereais e xaropes por meio da

determinação da concentração de açúcares

Química Através da rotação óptica caracteriza e identifica polímeros naturais

ou sintéticos [19]

Sucroalcooleira Utiliza a rotação óptica na comercialização da matéria prima para

produção de açúcares e álcool [20-22]

1. Introdução

21

1.4. Polarimetria e suas aplicações

1.4.1. Instrumentos polarimétricos

O primeiro equipamento desenvolvido para o estudo da interação entre a radiação

polarizada e materiais opticamente ativos foi desenvolvido por Biot. A Figura 14 é uma

fotografia do equipamento, chamado pelo inventor de polarímetro, retirada no Museu Pasteur

em Paris. Esse equipamento é baseado na polarização da radiação por reflexão e foi

empregado para determinar o sentido da rotação do plano de polarização e a relação entre a

rotação óptica e a concentração de espécies opticamente ativas [1].

Figura 14. Fotografia do primeiro equipamento polarimétrico desenvolvido por Biot, retirada no museu Pasteur, em Paris [1].

O primeiro avanço nos instrumentos polarimétricos foi observado quando Ventke, em

1842, desenvolveu um polarímetro com dois prismas de Nicol, um utilizado como polarizador

e outro como analisador. A rotação óptica foi determinada pela rotação manual do analisador

até a extinção do feixe extraordinário e medida utilizando-se um circulo marcado e dividido

em graus [1].

1. Introdução

22

Os primeiros polarímetros e espectropolarímetros foram comercializados pelas

empresas Rudolph [1] em 1955 e JASCO em 1967 [23], e mantêm a mesma configuração

inicial, empregando radiação de 589 nm e polarizador analisador girado por um motor.

Nos equipamentos polarimétricos comerciais há sempre dois polarizadores,

posicionados em série, com funções diferentes: o primeiro, posicionado logo após a fonte de

radiação, tem função de produzir uma radiação planopolarizada, que incidirá sobre uma

substância opticamente ativa; o segundo, chamado de analisador, tem função de determinar

o ângulo de rotação da radiação que emerge da amostra, procurando extinguir o feixe que

atinge o detector do instrumento. A radiação emergente traz informações sobre a natureza

da substância opticamente ativa.

A medição da rotação óptica nesses equipamentos, em um determinado comprimento

de onda, é feita da seguinte maneira: 1) posiciona-se inicialmente o plano de polarização do

polarizador e o analisador de forma ortogonal, onde a mínima radiação é transmitida ao

detector; 2) uma solução contendo alguma substância opticamente ativa é introduzida entre

os dois polarizadores e neste momento ocorre a mudança no ângulo do plano da luz

polarizada emergente, causando o aumento na intensidade da radiação que atinge o

detector; 3) quando esta é percebida pelo detector o analisador é rotacionado até

reencontrar a posição ortogonal, que extingue o sinal no detector. A rotação óptica

observada, expressa em graus, corresponde a quantidade de graus que o polarizador

analisador foi girado para reencontrar a condição de extinção [24].

Na Figura 15 está representada a parte interna de um moderno equipamento

comercializado pela JASCO, modelo P-200. A utilização do modulador Faraday, ou célula de

Faraday, foi incorporada nos polarímetros desenvolvidos a partir da década de 50. O campo

elétrico da radiação planopolarizada ao ultrapassar a célula de Faraday oscila em ± 3o em

relação ao plano na ausência do modulador, em decorrência de uma corrente elétrica

senoidal com frequência de rede, aplicada na célula. Quando o plano central da radiação

polarizada oscilante está a 90º do eixo de polarização analisador, essa oscilação gera um

sinal de erro com frequência de 60 Hz, cuja fase, em relação ao sinal aplicado ao modulador,

indica a direção do desvio do plano de polarização da radiação. Assim, na situação onde o

plano central da radiação polarizada sofre desvio pela atividade óptica de uma substância,

1. Introdução

23

uma das fases desse erro é amplificada, e nesse momento o analisador é rotacionado para

reestabelecer a magnitude de ambas as fases. A direção da rotação do analisador indica o

tipo da atividade óptica da substância e o quanto o analisador foi rotacionado indica a

magnitude da atividade [23,24].

Figura 15. Esquema do polarímetro comercializado pela JASCO, modelo P-200 [25].

Esse desenho básico do instrumento tem sido mantido praticamente inalterado desde

o primeiro polarímetro até aos mais modernos equipamentos disponíveis atualmente. A

evolução instrumental encontrada nos equipamentos modernos se deve aos tipos de

polarizadores empregados e à forma de se medir a radiação emergida do analisador, com

objetivo de quantificar a rotação óptica de maneira mais exata e precisa. Atualmente, os

equipamentos polarimétricos de alta precisão, com diferentes componentes e para diversos

fins são principalmente desenvolvidos pelas empresas JASCO, Rudolph e Antor Paar. Todos

os equipamentos possuem o mesmo princípio de medição da rotação óptica, baseada na

extinção da radiação.

Os polarímetros disponíveis comercialmente utilizam como fonte de radiação

lâmpadas de emissão no visível e infravermelho próximo (fontes halógenas de filamento de

tungstênio) e filtros de interferência que isolam comprimentos de onda empregados nas

medidas polarimétricas (tipicamente, 436 nm, 546 nm, 589 nm e 633 nm e 880 nm). Como

polarizador e analisador são utilizados cristais de calcita, em geral prismas de Glan

Thompson e Nicol, pois esses cristais produzem radiação polarizada com alta eficiência.

Na Figura 16 é mostrada a atuação de um analisador do tipo Glan, admitindo que o

fenômeno de reflexão da radiação seja irrelevante, quando o plano da radiação polarizada

1. Introdução

24

incide em diferentes ângulos em relação aos planos de polarização dos feixes ordinário e

extraordinário. Na Figura 16A o ângulo de incidência do plano da radiação polarizada é de

45° em relação aos planos de polarização dos feixes difratados e os feixes apresentam a

mesma intensidade. Na Figura 16B e Figura 16C o ângulo de incidência do plano da

radiação polarizada é ortogonal (90º) a um dos planos de polarização, o que ocasiona

eliminação total de um dos feixes. Na Figura 16B o feixe ordinário não é refratado por

ocasião da incidência ortogonal do plano da radiação em seu plano de polarização e na

Figura 16C, o feixe extraordinário não é transmitido pelo mesmo motivo. Qualquer outro

ângulo de incidência irá ocasionar diferença nas intensidades dos feixes, e poderá ter seu

valor determinado utilizando a equação da Lei de Malus.

Figura 16. Funcionamento de um prisma de cristais birrefringentes quando empregado como analisador em equipamentos polarimétricos. O prisma divide a radiação polarizada incidente em dois feixes ortogonalmente polarizados e de intensidades que variam com o ângulo de incidência em relação aos planos de polarização do cristal: A) Ângulo de incidência igual a 45º; B) Ângulo de incidência perpendicular ao plano de polarização do feixe ordinário e C) Ângulo de incidência perpendicular ao plano de polarização do feixe extraordinário.

Existem outros cristais que são empregados como analisadores em instrumentos

ópticos dedicados a estudo de radiações polarizadas. Um exemplo é o cristal de Wollaston.

1. Introdução

25

Esse tipo de cristal é conhecido como divisor de feixe, sendo encontrado com frequência em

instrumentos que se utilizam da comparação dos feixes difratados para obter informações

sobre a radiação incidente [26,27]. No entanto, o seu uso analítico em polarimetria não foi

descrito até o momento.

O prisma de Wollaston é semelhante aos do tipo Glan, com a diferença de que os

feixes ordinários e extraordinários sofrem outros fenômenos de refração e reflexão durante a

passagem pelo cristal, transformando-se um no outro e emergindo do cristal no mesmo

plano, mas em direções diferentes. Os dois feixes apresentam a mesma velocidade de

propagação no prisma e deixam de ser chamados de feixes ordinário e extraordinário.

As intensidades dos feixes emergentes são iguais quando é incidida sobre o cristal

uma radiação não polarizada ou planopolarizada a 45º e são diferentes quando é incidida

uma radiação polarizada em ângulos diferentes de 45º.

Figura 17. Funcionamento de um prisma de Wollaston quando é incidida sobre ele uma radiação planopolarizada a 45º dos planos de polarização, resultando em dois feixes polarizados de mesma intensidade.

1. Introdução

26

1.4.2. Aplicações da técnica polarimétrica

A polarimetria integra o conjunto das técnicas analíticas não destrutivas para

investigação de estruturas orgânicas. Como técnica analítica, as primeiras aplicações foram

observadas na indústria farmacêutica, por Leeson em 1843, na investigação da atividade

óptica de óleos essenciais extraídos de plantas, e, na indústria açucareira, por Wilherlmy em

1850, na investigação da inversão da sacarose [1,11].

Guye, em 1891, estudou a relação da atividade óptica com as conformações das

moléculas quirais. Os resultados foram obtidos em uma faixa estreita de comprimento de

onda, pela utilização da linha de emissão em 589 nm de uma lâmpada de sódio. A

caracterização das substâncias opticamente ativas é feita tradicionalmente nesse

comprimento de onda e é chamada de D [14].

Posteriormente, para uma melhor compreensão das estruturas moleculares, foram

realizados estudos da alteração da atividade óptica em função da variação do comprimento

de onda da radiação incidente [11].

As aplicações analíticas da polarimetria nas indústrias açucareira e farmacêutica

caminham junto com o avanço científico da técnica. Na indústria farmacêutica a polarimetria

é importante nas determinações do excesso enantiomérico e da pureza óptica de

medicamentos. Existem diversas pesquisas com objetivo de desenvolver métodos cada vez

mais precisos de monitoramento em tempo real [28-31].

Como técnica analítica, a polarimetria tem seu maior uso na indústria sucroalcooleira.

Os primeiros instrumentos polarimétricos foram empregados nos estudos de açúcares e

rapidamente tornaram-se equipamentos adequados para determinação de sacarose

[1,32,33].

Todos os métodos analíticos de caracterização e controle da qualidade de açúcares,

oriundos da cana-de-açúcar ou da beterraba são regulamentados desde 1897, pela

organização internacional - ICUMSA (International Commission for Uniform Methods of

Sugar Analysis) [34]. Os equipamentos polarimétricos que são dedicados para esse fim são

chamados de sacarímetros, com características e funções que determinam a qualidade do

açúcar comercial, como também da sua matéria prima, por meio pelo teor real de sacarose.

1. Introdução

27

Métodos diretos de determinação do teor de sacarose, por exemplo, os

cromatográficos, não constituem técnicas rotineiras de análise na indústria sucroalcooleira

pois são muito trabalhosos e exigem operadores qualificados. Os métodos enzimáticos são

confiáveis, mas também não são simples. Os métodos secundários, tal como a

Espectroscopia no Infravermelho Próximo (NIR), exigem constante calibração e validação

por métodos primários, como a polarimetria e a refratrometria, implicando em aumento de

custo para a indústria. Além disso, apresentam problemas associados às características da

cana-de-açúcar que se alteram em função dos diversos tipos de cultivares, dos diferentes

métodos de fertilização, das propriedades físico-químicas do solo, e do microclima da região

de plantio [35,36].

O teor de sacarose na indústria sucroalcooleira é expresso na Escala Internacional de

Açúcar (ISS - International Sugar Scale) chamada de grau sacarimétrico (ºZ), sendo sua

determinação regulamentada por normas da ICUMSA. Uma solução normal de açúcar é

definida pela massa de 26,0160g de sacarose pura (> 99%) pesada a vácuo e dissolvida em

água a 20ºC, para um volume final de 100,000 cm3. Na escala internacional de açúcar essa

solução normal de sacarose corresponde a 100º Z [34,37].

As rotações ópticas (α) dessa solução normal de açúcar e de alguns cristais de

quartzo, tipo SiO2, são utilizadas como referências nas calibrações de instrumentos

polarimétricos.

Uma vez que a rotação óptica é dependente do comprimento de onda da radiação, a

ICUMSA recomenda uma equação de conversão, Equação 4, da rotação óptica de uma

solução de sacarose medida no comprimento de onda de 546 nm ( 546 ) para outro

comprimento de onda. Essa equação é válida na faixa de 546 nm a 900 nm, a uma

temperatura constante de 20 oC [37]:

6

34

22

10546

1

aaaa, (4)

onde, é a rotação óptica em um determinado comprimento de onda ( 0a = -0,075

0047659000; 1a = 3,588221904585; 2a = 0,051946178300 e 3a = -0,006515194377.

1. Introdução

28

Através dessa equação é possível averiguar a calibração de sacarímetros que utilizam

fontes de radiação diferentes de 546 nm. Os comprimentos de onda encontrados nesses

equipamentos são geralmente de 546 nm, 589 nm, 633 nm e 882 nm.

Quando a indústria sucroalcooleira utiliza um sacarímetro para determinação do teor

de sacarose em uma amostra de sua matéria-prima, caldo de cana, surgem alguns

problemas associados à medida polarimétrica de amostras reais, que contêm partículas em

suspensão.

A amostra de caldo de cana passa por um tratamento de clarificação com o objetivo

de, idealmente, eliminar o material em suspensão e a sua coloração. Esse procedimento é

necessário para que o comprimento do caminho óptico permaneça fixo, não ocorrendo

reflexão ou espalhamento da radiação (que podem despolarizar a radiação) dentro da célula,

e também para permitir que a intensidade da radiação que emerge da amostra seja

suficiente para ser detectada com uma boa relação sinal-ruído.

A ICUMSA regulamenta o processo de clarificação das amostras de caldo de cana

prescrevendo uso do sulfato de chumbo como agente clarificante, mas muitos estudos foram

desenvolvidos propondo métodos alternativos [21,36,38,39]. O Conselho dos Produtores de

Cana-de-Açúcar, Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo (CONSECANA-SP) utiliza um

desses métodos alternativos com agente clarificante à base de cloreto de alumínio [45].

Outra forma de contornar a necessidade do agente clarificante à base de sulfato de

chumbo é o desenvolvimento de métodos para as medidas de rotação óptica na região do

infravermelho próximo, pois a presença de uma coloração verde, remanescente do

tratamento com outros clarificantes, não prejudica as medidas polarimétricas. Apenas a

eliminação do material em suspensão é necessária. Novos métodos de preparo de amostra

estão sendo desenvolvidos para a polarimetria NIR, utilizando comprimento de onda de 882

nm, baseados apenas em filtração a vácuo e celite como filtrante auxiliar [20,35,40].

1. Introdução

29

1.4.3. Espectropolarímetros e suas aplicações

O primeiro espectropolarímetro com obtenção de rotação óptica em duas regiões

espectrais, visível e ultravioleta, foi construído por Rudolph em 1952. O instrumento

empregava o método mecânico para determinação da rotação óptica e não apresentava a

precisão desejável [1]. Muitos pesquisadores dedicam-se em desenvolver novos

polarímetros e espectropolarímetros utilizando diferentes componentes ópticos e métodos de

determinação da rotação óptica de forma mais rápida e precisa [30,31,41-43,45].

Diferentemente dos polarímetros, uma vasta variabilidade instrumental é encontrada

nos equipamentos espectropolarimétricos. Essa variabilidade é observada nos tipos de

monocromadores empregados, na presença ou não de moduladores das radiações

circularmente polarizadas, ou mesmo no desenvolvimento de novos instrumentos por

adaptações em espectrofotômetros disponíveis comercialmente [26,27,41,47-53].

Os instrumentos espectropolarimétricos são utilizados por um conjunto de técnicas

analíticas com diversas finalidades, tais como [4,6,15-19,26,28,29,47,48,54-59]:

Identificação de compostos cristalizados a partir de diferentes solventes ou

separados por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC, High Peformance

Liquid Chromatography);

Elucidação estrutural e caracterização de compostos opticamente ativos;

Investigação da cinética de reações por meio da medida de rotação óptica em

função do tempo;

Distinção entre enantiômeros.

As técnicas espectropolarimétricas empregadas nesses estudos são Dispersão Óptica

Rotatória (ORD, Optical Rotatory Dispersion) e Dicroísmo Circular (CD, Circular Dichroism).

Elas utilizam-se do conceito da radiação planopolarizada como sendo o vetor resultante de

duas radiações circularmente polarizadas, que oscilam com amplitudes iguais e em fase. A

técnica ORD estuda o desvio do plano de polarização sofrido quando uma das suas

componentes atrasa-se em relação à outra, decorrente da diferença do índice de refração

1. Introdução

30

das componentes ao ultrapassar o elemento de quiralidade. A técnica CD estuda a diferença

de absorção das componentes circularmente polarizadas ao interagir com o elemento quiral.

Essa absorção deforma o vetor campo elétrico transformando uma radiação planopolarizada

em elipticamente polarizada. O fenômeno de dicroísmo circular foi observado em 1847 por

Haidinger em cristais de quartzo ametista e depois por Cotton, em 1896, em soluções de

tartarato de cobre e crômio [9]. As características, semelhanças e diferenças entre elas serão

abordadas a seguir.

A técnica de Dispersão Óptica Rotatória determina a rotação óptica ( ) de uma

substância em função do comprimento de onda da radiação. Considerando a dispersão

natural da radiação, a rotação óptica de qualquer substância diminui com o aumento do

comprimento de onda. Curvas normais e genéricas de dispersão óptica rotatória, expressos

em ângulo (º) versus comprimento de onda (nm), de um par enantiomérico são apresentadas

na Figura 18. Um par enantiomérico é composto por duas substâncias opticamente ativas

(dextro e levorratória) com igual poder rotatório em sentidos opostos [59] e sua mistura em

quantidades iguais (racêmica) resulta em uma solução sem atividade óptica.

Figura 18. Curvas normais de dispersão óptica rotação (ORD) de um par enantiomérico.

Quando ocorre o fenômeno de absorção da radiação devido à presença de espécies

absorventes no elemento quiral ou adjacentes a ele, detecta-se uma anomalia na curva de

ORD, que é conhecida como efeito Cotton. A Figura 19 apresenta curvas genéricas de

dispersão óptica rotatória, expressos em ângulo (º) versus comprimento de onda (nm), de um

par enantiomérico que possui no elemento quiral alguma espécie que absorve a radiação. O

1. Introdução

31

efeito Cotton pode ser definido também como a combinação dos fenômenos das diferenças

das absorções (dicroísmo circular) e das velocidades de transmissão das componentes

circularmente polarizadas (rotação óptica). Esse efeito é umas das ferramentas utilizadas

para elucidações de estruturas, especialmente na localização dos grupos orgânicos em

moléculas [26,59].

Figura 19. Efeito Cotton: Anomalia na curva de dispersão óptica rotatória originada pelo fenômeno de absorção da radiação devido à presença de espécies absorvente no elemento quiral ou adjacentes a ele.

Em CD obtém-se a elipsidade da radiação ( ), que é a absorção diferencial entre as

componentes circularmente polarizadas, ao interagir com o elemento quiral [8]. Na Figura 20

é apresentado um espectro genérico de dicroísmo circular para um par enantiomérico. O eixo

y é adimensional, pois nessa técnica mede-se a diferença entre os coeficientes de

absortividade molar das componentes circularmente polarizadas ( = esquerda – direita).

1. Introdução

32

Figura 20. Espectro genérico de dicroísmo circular de um par enantiomérico. O efeito Cotton é expresso pela diferença entre os coeficientes de absortividade molar das componentes

circularmente polarizadas ( = esquerda – direita).

A transformada de Kronig-Kramer, Equação 5, converte um espectro de CD em curvas

de ORD a um certo comprimento de onda ( ). Isso é possível pela estreita relação existente

entre os dois fenômenos [2]:

')'(

'9000303,2

0 22´

2dT

(5)

sendo ][T

, é a rotação molar específica, , o dicroísmo circular e ´, o comprimento de

onda do espectro de CD.

Os espectropolarímetros comercialmente disponíveis operam, em sua maioria, nas

regiões espectrais do ultravioleta e visível, e são comumente chamados de espectrômetros

de dicroísmo circular. Quando eles operam na região espectral do infravermelho próximo ou

médio, são chamados de espectrômetros de dicroísmo circular vibracional [61,62].

1. Introdução

33

1.5. Filtro Óptico-acústico Sintonizável (AOTF)

Os monocromadores baseados no fenômeno fotoacústico, ou os Filtros Óptico-

Acústicos Sintonizáveis (AOTF), estão sendo empregados no desenvolvimento de novos

instrumentos polarimétricos com objetivo de melhorar seu desempenho, tornando-os mais

robustos [48,51,52,63-65].

Brillouin, em 1922, teorizou a difração de uma radiação eletromagnética por uma onda

mecânica vibracional (onda acústica). Sua teoria foi baseada no fato que quando uma onda

acústica propaga-se em um material transparente é gerado uma modulação periódica do

índice de refração do material ao longo da direção de propagação da onda.

O fenômeno da interação entre as ondas eletromagnética e acústica foi

experimentalmente observado por Debye e Sears em 1932. Essa interação é chamada de

efeito óptico-acústico e ocorre em meios isotrópicos (apresentam índice de refração

constante em todas as direções) e anisotrópicos ou birrefringentes (apresentam índices de

refração diferentes de acordo com a direção de propagação da radiação) [66].

O Filtro Óptico-Acústico Sintonizável (AOTF), mostrado na Figura 21, é um dispositivo

que emprega o efeito óptico-acústico para separar frações estreitas de comprimento de onda

de uma radiação policromática incidente e é constituindo por:

- Transdutor: material piezoelétrico (LiNbO3, LiTaO3 ou LiIO3) responsável em converter

um sinal elétrico de rádio frequência em uma onda acústica. A faixa espectral que um AOTF

opera é determinada pelo transdutor empregado.

- Meio anisotrópico: cristal birrefringente (quartzo ou TeO2) no qual a onda acústica se

propaga gerando regiões de compressão e rarefação ao longo do cristal.

- Absorvedor acústico: material capaz de absorver a onda acústica emergente do

cristal, impedindo sua reflexão.

1. Introdução

34

Figura 21. Filtro Óptico-Acústico Sintonizável (AOTF) e seus componentes: transdutor (LiNbO3, niobato de lítio), cristal birrefringente (TeO2, óxido de telúrio) e absorvedor acústico.

A difração de uma porção da radiação incidente pode ser explicada em termos de

interações de onda ou colisões entre partículas. No primeiro caso, como a velocidade da luz

é cerca de cinco ordens de grandeza superior à velocidade do som, a onda acústica pode

ser considerada estacionária durante o tempo requerido para a passagem do feixe de luz

pelo cristal. Em decorrência de uma onda acústica ser uma onda mecânica, ela gera regiões

de compressão e rarefação ao longo do cristal, e as porções da onda eletromagnética que

passam através das regiões de compressão são atrasadas, enquanto que as porções da

onda eletromagnética que passam através das regiões de rarefação são aceleradas. Como

resultado são produzidos dois feixes monocromáticos, polarizados ortogonalmente um em

relação ao outro, e desviados angularmente, e em sentidos opostos, em relação ao feixe não

difratado (feixe de ordem zero) [67].

Um exemplo de um AOTF que opera na região espectral do visível é mostrado na

Figura 22. Um sinal de rádio frequência de 110 MHz é aplicado sobre o material

piezoelétrico e dois feixes monocromados de 665 nm são difratados emergindo do cristal.

1. Introdução

35

Figura 22. Exemplo de um AOTF que opera na região espectral do visível. Dois feixes de comprimento de onda de 665 nm são difratados quando um sinal de rádio frequência de 110 MHz é aplicado sobre material piezoelétrico (LiNbO3).

As características dos feixes difratados pelo AOTF [53,66-69] estão relacionadas

com:

a) Ângulo de incidência da radiação sobre a face do cristal

O ângulo de incidência da radiação sobre o eixo da Normal do cristal tem influência

sobre os comprimentos de onda dos dois feixes difratados. Há um ângulo de incidência ideal,

característico de cada dispositivo, no qual os valores dos comprimentos de onda

selecionados nos dois feixes difratados são praticamente iguais, com diferença de décimos

de nanômetros.

Em aplicações onde há interesse em apenas um dos feixes difratados, quando é

realizada a calibração do dispositivo, buscando-se a relação do sinal de rádio frequência com

o comprimento de onda, essa diferença não é importante.

1. Introdução

36

b) Natureza da radiação incidente (polarizada ou não polarizada)

Quando uma radiação não polarizada incide sobre o AOTF as intensidades dos dois

feixes difratados são praticamente iguais.

Quando uma radiação linearmente polarizada incide sobre o cristal as intensidades

dos feixes são dependentes do ângulo entre o plano de polarização da radiação e o eixo

óptico do cristal. Nesse momento o AOTF possui as mesmas características de um divisor de

feixe, a semelhança de um cristal de Wollaston, o que permite seu emprego como analisador

em instrumentos polarimétricos.

Os instrumentos baseados em AOTF apresentam uma série de características não

encontradas em outros equipamentos. Esse tipo de monocromador proporciona a construção

de equipamentos sem partes móveis, rápidos, capazes de produzir radiação monocromática

com boa resolução (até décimos de nanômetros, em alguns dispositivos) e em comprimentos

de onda aleatoriamente selecionados em sua faixa de operação, sem a necessidade da

varredura espectral [64].

1.6. Objetivos

O objetivo do presente trabalho é desenvolver equipamentos de medida de rotação

óptica baseados em cristais birrefringentes, sem dispositivos móveis, que operem na região

espectral do visível ao infravermelho próximo.

Esses equipamentos têm por finalidade a aplicação no controle de qualidade de

produtos que possuem na sua composição substâncias opticamente ativas, além de

contribuir para o avanço na área da polarimetria, visto que, apresentam configurações

inovadoras, que os diferencia daqueles comercialmente disponíveis.

2. Parte Experimental

37


“Embora ninguém possa voltar atrás e

fazer um novo começo, qualquer um pode

começar agora e fazer um novo fim.”

Chico Xavier


38


39

2.1. Princípio de obtenção das medidas polarimétricas nos equipamentos

desenvolvidos

Neste trabalho foram desenvolvidos dois equipamentos para obtenção de medidas

polarimétricas nas regiões do visível e infravermelho próximo. Os equipamentos são

constituídos por: 1) Polarímetro para obtenção de medidas de ORD discreto, o qual gera

respostas de rotação óptica de substâncias opticamente ativas, obtidas em um determinado

comprimento de onda fixo e 2) Espectropolarímetro para obtenção de medidas de ORD, o

qual gera respostas de medidas de rotação óptica em função do comprimento de onda.

A determinação da rotação óptica nos equipamentos desenvolvidos é feita

empregando-se o método desenvolvido anteriormente pelo grupo de pesquisa [43], o qual se

baseia no uso de um cristal birrefringente e nas intensidades dos dois feixes por ele

difratados, denominados pela autora de feixe da direita (FD) e feixe da esquerda (FE). A

Equação 6 é empregada para o cálculo da rotação óptica da substância, a qual pode ser

aplicada para rotações ópticas de até 45º para a direita e 45º para esquerda [43,44]:

180,)45(

FD

FEarctg , (6)

onde é rotação óptica, FE é a intensidade do feixe da esquerda e FD é a intensidade do

feixe da direita.

A utilização da razão entre os dois feixes difratados pelo analisador permite o

desenvolvimento de equipamentos polarimétricos sem qualquer parte móvel, ao mesmo

tempo que minimiza o efeito de flutuações da intensidade da fonte de radiação sobre as

medidas de rotação óptica.

Na Figura 23 são mostradas três situações diferentes de respostas polarimétricas. Na

Figura 23A, na presença de uma substância sem atividade óptica, o plano de polarização da

radiação incide a 45° em relação ao plano de polarização do analisador, e as intensidades

dos dois feixes difratados são iguais. Na Figura 23B, na presença de uma substância com


40

atividade dextrorrotatória, o plano de polarização da radiação é modificado, assumindo um

ângulo menor que 45°, , ao incidir no analisador, e esse a divide em dois feixes de

intensidades diferentes. O feixe da direita possui intensidade maior que o feixe da esquerda

e a rotação óptica da substância ( ) é positiva, em decorrência do novo ângulo de incidência

ser menor do que o ângulo inicial (45°). Na Figura 23C, na presença de uma substância com

atividade levorrotatória, o plano da radiação polarizada é girado para esquerda, assumindo

um ângulo maior que 45°, ao incidir sobre o analisador, e esse a divide em dois feixes

ortogonalmente polarizados, também de intensidades diferentes. O feixe da esquerda possui

intensidade maior que o feixe da direita e a rotação óptica da substância é negativa

porque o novo ângulo do plano de incidência é maior do que o ângulo inicial (45°).

Figura 23. Efeito da rotação óptica ( ) sobre as intensidades dos feixes polarizados em três situações diferentes método utilizado neste trabalho: a) na presença de uma substância sem atividade óptica; b) na presença de uma substância com atividade dextrorrotatória e c) na presença de uma substância com atividade levorrotatória.

.


41

2.2. Polarimetria VIS/NIR

Um polarímetro, em duas versões, foi desenvolvido para as regiões espectrais do

visível e infravermelho empregando: cristais birrefringentes como analisadores e o método

de determinação de rotação óptica pela razão das intensidades dos feixes produzidos.

A primeira versão do polarímetro utilizou um cristal tipo Glan-Laser. O instrumento foi

avaliado quanto sua potencialidade para as medições de rotação óptica nas regiões do

visível, com radiação laser de 532 nm e 655 nm, e do infravermelho próximo, com radiação

laser de 1064 nm. Em seguida, outra versão foi desenvolvida a partir da primeira,

substituindo o analisador Glan-Laser pelo cristal de Wollaston. Nessa ocasião, um novo

programa de controle do equipamento foi desenvolvido para permitir o uso do instrumento na

indústria sucroalcooleria, na quantificação do teor de sacarose.

Na segunda versão a radiação laser de comprimento de onda de 532 nm foi eleita

como a melhor opção de fonte de radiação para o instrumento, pois permitiu que o

equipamento apresentasse maior sensibilidade na medição da rotação óptica. Além disso,

em caso de aplicações em amostras de coloração esverdeada, a exemplo do caldo de cana

e sorgo, a radiação é menos atenuada por absorção.

2.2.1. Polarímetro baseado no cristal de Glan-Laser

O equipamento desenvolvido é composto pelos seguintes componentes, conforme

mostrados na Figura 24: a) Fonte de radiação do tipo laser de diodo de baixo custo. Três

lasers foram avaliados, emitindo em 532 nm, 650 nm ou 1064 nm. b) Polarizador dicróico. c)

Células de amostra com diferentes caminhos ópticos. d) Analisador. e) e f) Dois sensores

ópticos idealmente idênticos.

A montagem do equipamento foi feita pela fixação dos suportes dos componentes

ópticos (laser, polarizador, célula de amostra, analisador e sensores) em uma placa de

alumínio anodizada, observando o alinhamento dos componentes.


42

O polarímetro, Figura 24, possui 45 cm de comprimento e é descrito a seguir. O laser

de diodo (LaserLine, 5mW) é ligado ao módulo de alimentação (LaserLine, Fonte Digital

Laser PLD-1), a qual é conectado ao um gerador de onda quadrada em frequência de 1 kHz,

com objetivo de obter radiação modulada em uma região limpa, com base no espectro de

frequência de ruído e sua amplitude. O polarizador dicróico (3Dlens.com, P210) é

posicionado junto à saída do laser. A célula da amostra é fixada a uma distância de 6 cm do

polarizador, que é suficiente para permitir a manipulação da célula da amostra sem tocar

outros componentes. O analisador (CVIMelles-Griot, CPAS-10.0-425-676) é posicionado

após a célula da amostra a 11 cm e dois sensores ópticos idealmente idênticos (Burr Brown,

OPT301) são dispostos perpendicularmente aos feixes produzidos pelo polarizador

analisador na menor distância possível, neste caso 4 cm. Os sinais de respostas dos

sensores ópticos são conduzidos a dois amplificadores do tipo “lock-in” (FEMTO, LIA-MV-

150). Estes recebem o sinal de referência do gerador de onda quadrada utilizado na

modulação da radiação laser. Os amplificadores “lock-in” enviam os sinais contínuos ao

conversor A/D (National Instruments, USB 6009) utilizando duas portas de entrada analógica

e esses sinais são registrados e manipulados pelo programa de computador.

Figura 24. Foto do Polarímetro VIS/NIR construído: a) Fonte de radiação laser. b)Polarizador dicróico. c) Célula de vidro de 10 cm. d) Analisador: Cristal Glan Laser. e) e f) Sensores ópticos idênticos. g) Amplificador tipo “Lock-in”.

6 cm


43

O polarímetro utiliza a radiação laser, podendo esta ser de diferentes comprimentos

de onda. Neste trabalho foram utilizados três tipos de diodos laser, emitindo em 532 nm, 650

nm e 1064 nm, com objetivo de avaliar o equipamento em medidas polarimétricas nas

regiões do visível e infravermelho próximo. O uso de radiação laser no desenvolvimento do

equipamento dispensa o uso de alguns componentes ópticos, como lentes colimadoras e

filtros de interferência de radiação de transmissão, além de possibilitar que o equipamento

seja utilizado em medidas polarimétricas de soluções coloridas absorventes. O diodo laser

possui módulo de alimentação que permite o controle da potência da radiação e esta pode

atingir valores que permitem medidas polarimétricas mesmo na presença de soluções

altamente absorventes.

Embora a radiação laser apresente-se naturalmente com um alto grau de polarização,

ela não é suficiente para o tipo de medida polarimétrica proposto neste trabalho. Para

assegurar o funcionamento adequado do equipamento, é necessário garantir que radiação

laser incidente sobre a amostra tenha sido idealmente polarizada. Com esse propósito, foi

utilizado um polarizador dicróico de alta eficiência (99,98% para região de 400 nm a 700 nm),

tornando a radiação emitida pelo laser essencialmente planopolarizada.

O caminho óptico de medida é definido pelo comprimento da célula da amostra, que é

comumente construída de vidro ou de aço inoxidável com janelas de vidro. Na Figura 25 são

mostradas as células de vidro de 1 cm, 2 cm e 5 cm, possíveis de serem utilizadas para

conter a amostra a ser medida.

Figura 25. Células de vidro de 1 cm, 2 cm e 5 cm que podem ser utilizadas para conter a amostra para medida polarimétrica.


44

Quando o polarímetro é utilizado para determinar rotação óptica de substâncias com

baixa atividade óptica, devem-se utilizar os maiores caminhos ópticos ou soluções

concentradas. No caso de substâncias de alta atividade óptica devem-se utilizar soluções

diluídas da substância ou usar células com menores comprimentos, isso porque rotações

ópticas superiores a faixa de trabalho do polarímetro (± 45°) podem apresentar erros de

interpretação da rotação óptica.

A primeira versão do polarímetro é baseada no cristal birrefringente do tipo Glan-

Laser. O polarizador Glan-Laser é um tipo de Glan-Thompson modificado constituído por

dois cristais de calcita cortados diagonalmente e separados por uma pequena camada de ar.

Esse tipo de polarizador é projetado para aplicações com radiação de feixes de alta potência

que exigem alto grau de polarização da radiação.

Dois sensores, em princípio idênticos, constituídos por fotodiodos de silício, são

utilizados para medir as intensidades dos feixes produzidos pelo cristal, tendo sido

configurados de acordo com o circuito eletrônico básico sugerido pelo fabricante. Os

sensores contêm um amplificador operacional em um “chip” dieletricamente isolado e

operam na faixa espectral do visível ao infravermelho próximo, de 400 nm a 1100 nm.

Todas as operações para determinação da rotação óptica são executadas por um

programa de computador desenvolvido em linguagem Visual Basic 6.0. Este programa foi

denominado POL_SAC e foi desenvolvido para permitir a aquisição de dados e a realização

dos cálculos matemáticos necessários para determinar a rotação óptica em uma única

medida ou em replicatas, realizadas em intervalos de tempo pré-determinados pelo usuário.

O programa foi estruturado com uso de diversas subrotinas desenvolvidas para que o

programa realize adequadamente as seguintes funções:

1. Comunicação com o conversor analógico-digital (A/D) para receber os dois sinais

analógicos proveniente do polarímetro;

2. Executar operações matemáticas para o cálculo da rotação óptica;

3. Mostrar ao usuário os resultados obtidos na forma digital e gráfica;


45

4. Armazenar os dados em disco com formatação apropriada utilizando o padrão

ASCII, permitindo que os dados possam ser facilmente acessados por diferentes

planilhas eletrônicas e programas gráficos comerciais.

Ao carregar o programa POL_SAC o usuário tem acesso a uma interface (tela) cujas

características gráficas e de comando são semelhantes àquelas encontradas no programa

operacional Windows, facilitando a rápida compreensão pelo usuário da forma de utilização

do programa. Nessa tela o usuário deve inserir o número de medidas com o qual a rotação

óptica será determinada (média) e o tempo de espera entre elas. Adicionalmente, o usuário

informa o nome da amostra e o endereço onde o arquivo de dados será armazenado. Após

estas definições, o programa comunica-se com o equipamento e, através do conversor A/D,

inicia a obtenção dos dados e os cálculos matemáticos. São exibidos na tela os resultados

das médias das medidas dos sensores, a razão entre deles e a rotação óptica. Caso o

usuário opte por adquirir medidas de rotação óptica em replicatas temporizadas, ele deve

inserir o número de vezes que o programa calculará a rotação óptica e o tempo entre as

replicatas. Em seguida, os valores das médias da razão e da rotação óptica e seus

respectivos desvios padrões e desvios relativos são exibidos. Finalizada a etapa de obtenção

dos dados, o resultado final é armazenado na unidade de disco rígido no endereço e arquivo

previamente selecionados.

O programa desenvolvido (POL_SAC) permite que o equipamento possa ser

empregado tanto em estudos acadêmicos como em monitoramentos em linha de processos

industriais. Na Figura 26 é apresentada a tela principal do programa e seu fluxograma,

respectivamente. A definição dos parâmetros de leitura determina a velocidade em que a

rotação óptica será informada ao usuário. A precisão das respostas está relacionada ao

número de vezes que os dados são obtidos, já que a média de um número elevado de

medidas contribui positivamente para o aumento da relação sinal/ruído da medida.


46

Figura 26. Tela principal do programa POL_SAC.


47

INÍCIO

1. Número de medidas. 2. Tempo entre as medidas.

Leitura das portas analógicas.

Operações matemáticas para determinação da rotação óptica.

Replicatas da determinação da rotação óptica?

Leitura das portas analógicas.

Operações matemáticas para determinação da rotação óptica.

1. Número de replicatas (N). 2. Tempo entre as replicatas.

Operações matemáticas para determinar: a média da razão e da rotação óptica, e os respectivos desvios padrões e desvios relativos.

Salva o arquivo com os dados: Nome da amostra, valores das intensidades dos sensores, razão das intensidades e Rotação óptica.

Exibição dos valores das intensidades dos sensores, razão das intensidades e Rotação óptica.

SIM

NÃO

Exibição dos valores das intensidades dos sensores, razão das intensidades e Rotação óptica.

Reserva os valores da razão e da rotação óptica.

Espera o tempo entre as replicatas.

Replicatas < N?

SIM

NÃO

Exibição dos valores da média da razão e da rotação óptica, e os respectivos desvios padrões e desvios relativos.

Salva o arquivo com os dados: Nome da amostra, média da razão e da rotação óptica, e os respectivos desvios padrões e desvios relativos.

FIM


48

2.2.2. Polarímetro baseado em cristal de Wollaston

Nessa versão do polarímetro o cristal de Wollaston (ThorLabs, WP10) foi usado como

analisador e os dois sensores foram posicionados no mesmo plano da base do instrumento.

Isso proporcionou maior estabilidade física aos sensores e robustez ao equipamento quando

comparado com o uso do Glan Laser, pois nesse caso um dos sensores era posicionado

quase que perpendicularmente à base do instrumento. Outra alteração relevante foi a

exclusão dos amplificadores do tipo “lock-in” do sistema de detecção em consequência da

proteção dos sensores da radiação externa. Essa modificação permitiu reduzir

significativamente o custo do instrumento aumentando sua viabilidade comercial.

A nova configuração pode ser observada na Figura 27 e na Figura 28. A Figura 27

mostra o polarímetro fechado e a Figura 28 é a fotografia do instrumento aberto, mostrando

seus principais componentes ópticos.

Figura 27. Fotografia do polarímetro construído (visão externa): a) Compartimento da fonte de radiação polarizada (laser + polarizador dicróico); b) Célula da amostra de 10 cm; c) Sistema de detecção; d) Fonte de alimentação d laser e) Fonte de alimentação dos detectores.


49

Figura 28. Fotografia do polarímetro (visão interna). a) Laser emitindo em 532 nm; b) Polarizador dicróico; c) Célula da amostra de 10 cm; d) Cristal de Wollaston; e) e f) Fotossensores de silício.

O equipamento foi projetado para ser o mais compacto possível, apresentando

dimensões reduzidas. Como se pode observar na Figura 27, o instrumento tem constituição

simples e apenas 35 cm de comprimento. Na parte superior estão os componentes ópticos

fixados na placa de alumínio e que podem ser vistos na Figura 28. Na parte inferior estão as

fontes de alimentação da radiação laser de 532 nm e dos sensores ópticos.

A indústria sucroalcooleira emprega sacarímetros para quantificar o teor de sacarose

na matéria prima, utilizando a escala de graus sacarimétricos (°Z). Nos sacarímetros digitais

a correlação do valor da rotação óptica com o valor do grau sacarimétrico é considerada pelo

programa computacional, para um determinado comprimento de onda da radiação e caminho

óptico. Estes parâmetros são geralmente constituídos pela radiação de comprimento de onda

589 nm e pelo caminho óptico de 20 cm. Nestas condições, a correlação linear é dada por:

100° Z (ou uma solução de sacarose a 26% (m/v)) corresponde à rotação óptica de (34,61 +

0,07)°.

O polarímetro desenvolvido, quando utiliza essa correlação linear desempenha a

função de um sacarímetro digital, de forma similar aos instrumentos comercialmente

disponíveis, gerando respostas expressas diretamente em concentração de sacarose, ou em

graus sacarimétricos no comprimento de onda de 589 nm.


50

O instrumento também pode quantificar o teor de sacarose quando submetido a um

processo de calibração, utilizando soluções padrões de sacarose com concentrações

conhecidas.

Um processo de calibração, gerenciado por um programa computacional,

desenvolvido em Visual Basic 6.0, foi avaliado para quantificação de sacarose, com objetivo

de permitir que o instrumento fosse eventualmente aplicado em medições do teor desta

espécie em diversos materiais de interesse da indústria sucro-alcooleira. Naturalmente, o

instrumento pode ser adaptado para monitorar qualquer outra substância opticamente ativa.

O programa POL_SAC desenvolvido foi adaptado para atribuir ao polarímetro as

características de um instrumento sacarimétrico, com habilidades ainda não exploradas nos

equipamentos comerciais dedicados à indústria sucroalcooleira.

Ao se iniciar a execução do programa POL_SAC, ele entra em uma rotina de

determinação de rotação óptica e de quantificação do teor do açúcar, utilizando os

parâmetros da última calibração realizada.

A calibração é feita da seguinte maneira: inicialmente é introduzida água destilada na

célula da amostra, em seguida a resposta da rotação óptica da água é obtida e armazenada.

O valor obtido para água permite a correção de qualquer desigualdade entre os feixes

emergentes do cristal de Wollaston causada, por exemplo, pelo ângulo de incidência

diferente de 45° ou respostas diferentes dos detectores. Uma solução de sacarose de

concentração conhecida é introduzida na mesma célula, e sua rotação óptica é medida e

armazenada. O programa determina a curva analítica por regressão linear e salva os

parâmetros da equação da reta. O equipamento calcula a concentração de soluções de

açúcar de concentração desconhecida, medindo sua rotação óptica e empregando a

equação obtida por meio da calibração.

Depois de feita a calibração o programa entra imediatamente em uma rotina cíclica de

determinações sucessivas de rotação óptica e concentração do açúcar. Essa rotina só é

interrompida quando o usuário decide salvar alguma medida ou recalibrar o sacarímetro.

O programa POL_SAC permite que o polarímetro desenvolvido apresente

características não encontradas em nenhum dos sacarímetros disponíveis comercialmente.


51

Ele é capaz de calcular alguns parâmetros que determinam a qualidade do caldo de cana, os

quais são matematicamente relacionados ao teor de sacarose e ao teor de sólidos totais

solúveis (brix), sendo que esse último deve ser informado ao programa manualmente pelo

usuário. Os parâmetros são calculados da seguinte maneira [45]:

1) Grau sacarimétrico (°Z):

º Z = C x 100 / 26

onde C é a concentração da sacarose determinada pela equação da reta (%).

2) Teor de sacarose aparente (POL):

S = (1,00621 x LAl + 0,05117) x (0,2605 – 0,0009882 x B)

onde S é a POL (%), LAl é a leitura sacarimétrica do caldo de cana clarificado pela mistura

clarificante à base de alumínio (° Z) e B é brix do caldo (%).

3) Pureza aparente do caldo de cana (Pureza):

Q = S / B x 100

onde Q é a pureza aparente do caldo de cana (%), S é a POL (%) e B é o brix do caldo de

cana (%).

4) Teor de açúcares redutores (AR):

AR = 3,641 – 0,0343 x Q

onde Q é a pureza aparente do caldo de cana (%).

Quando o usuário decide salvar a medida, todos esses parâmetros são guardados

juntos em um arquivo padrão ASCII, junto com o nome do operador, identificação da amostra

data, hora e minuto da aquisição.

O programa também monitora os valores das intensidades dos dois feixes difratados

pelo cristal. Eventualmente, ele envia ao usuário uma mensagem na tela “AJUSTE A

CORRENTE DO LASER” quando a somatória das intensidades registradas pelos detectores

é inferior a 4 V ou superior a 10 V. Esse controle previne possíveis erros da medida em

relação a grandes flutuações na intensidade da fonte de laser, como no caso de um aumento

de intensidade suficiente para saturar a leitura no fotossensor.


52

A tela principal do programa POL_SAC está apresentada na Figura 29 e em seguida é

mostrado o fluxograma das atividades do programa.

Figura 29. Tela principal do programa POL_SAC, que possibilita o emprego do polarímetro na indústria sucroalcooleira para determinação dos parâmetros de qualidade do caldo.


53

Sim

Não

Sim

Sim

Não

Sim

Início

Fazer calibração?

Calcula a rotação óptica.

Exibe na tela a resposta da concentração de sacarose na amostra.

Determina a concentração de sacarose da amostra pela última calibração.

Inseriu solução

0%?


Reserva o valor da rotação óptica da solução 0%.

Inseriu solução 15%?

Salvar a medida?

Entrada do valor do grau BRIX.


Salva no arquivo nomeado “Leituras” todos os parâmetros calculados.

Não

Não

Calcula: ° Z, POL, Pureza e AR do caldo.


Reserva o valor da rotação óptica da solução 15% (m/v).

Determina a concentração de sacarose da amostra pela última calibração.

Determina a equação da reta: y = a.x + b.


54

2.3. Espectropolarimetria baseada em AOTF

Um espectropolarímetro baseado em Filtro Óptico-Acústico Sintonizável (AOTF) foi

construído para operar na região espectral do visível (450 nm a 800 nm). O uso do AOTF

permite selecionar o comprimento de onda e produzir, concomitantemente, dois feixes

ortogonalmente polarizados e de intensidades dependentes do ângulo de incidência da

radiação em relação ao seu plano de polarização. Assim, pode-se utilizar o mesmo princípio

de determinação da rotação óptica empregado no polarímetro anteriormente descrito.

Um dos motivos de se utilizar o AOTF no desenvolvimento do espectropolarímetro

consiste na possibilidade de esse dispositivo apresentar duas funcionalidades simultâneas:

de seletor de comprimento de onda e de analisador. Esta característica traz uma contribuição

ao avanço tecnológico na área da instrumentação espectropolarimétrica, visto que dois

componentes necessários no desenvolvimento de um espectropolarímetro são substituídos

por apenas um dispositivo. Adicionalmente, o espectropolarímetro desenvolvido apresenta

características de um espectrofotômetro, isto porque é possível relacionar as intensidades

dos feixes difratados na presença de uma amostra absorvente com as intensidades dos

feixes na presença de uma amostra de referência.

2.3.1. Espectropolarímetro VIS

O equipamento, mostrado na Figura 30, compõe-se basicamente de: a) lâmpada de

tungstênio halógena como fonte de radiação policromática (25W). c) lente colimadora. d)

polarizador dicróico. g) célula de amostra. h) AOTF (Brimrose, TEAF7. 45-70 HR) e gerador

de rádio frequência (Brimrose, SPF II) e l) dois fotossensores de silício (Burr Brown,

OPT301).

Os fotossensores, utilizados para medir as intensidades dos feixes produzidos pelo

cristal, operam na faixa espectral do visível ao início do infravermelho próximo, de 400 nm a

1100 nm, e são constituídos por circuito integrado contendo o fotodiodo e um amplificador


55

em um “chip” dieletricamente isolado. Visando eliminar a influência da radiação externa

sobre o sistema e melhorar a relação sinal ruído, os sensores são conectados a

amplificadores do tipo “lock in”. Amplificadores “lock-in” (FEMTO, LIA-MV-150) são

relativamente livres de ruído e do efeito de sinais contínuos, uma vez que somente os sinais

que estão na mesma fase e frequência do sinal de referência (modulação imposta ao

gerador de rádio frequência do AOTF com frequência de 1 kHz, pelo gerador de onda

quadrada (CI 555) são amplificados e demodulados. Um filtro passa alta é empregado em

série com o sinal dos sensores. Deste modo, os sinais de diferentes frequências e fases são

eliminados pelo sistema de detecção e, assim, as medidas das intensidades dos feixes ficam

imunes aos sinais da radiação ambiente. Os amplificadores “lock-in” enviam os sinais

contínuos filtrados ao conversor A/D (Adlink, PCI 9111HR), utilizando duas portas de entrada

analógica. Estes sinais são armazenados, exibidos e manipulados pelo programa de

computador.

Figura 30. Fotografia do espectropolarímetro construído: a) fonte de radiação; b) alimentação da fonte de radiação; c) lente colimadora; d) polarizador dicróico; e) filtro passa baixa de 700 nm; f) fenda de 1 mm; g) célula da amostra; h) AOTF; i) gerador de rádio frequência; j) lente focal; l) fotossensores e m) amplificadores “lock-in”.


56

Os componentes ópticos foram inicialmente dispostos de forma sequencial e

alinhados para que a radiação passasse pelo centro dos componentes com ângulos de

incidência de 0º em relação ao eixo normal. Para este fim, foi utilizada uma régua e um

anteparo de cor branca para observar e ajustar a incidência da radiação sobre o centro dos

componentes.

Células de diferentes caminhos ópticos podem ser utilizadas neste instrumento, à

semelhança do polarímetro anteriormente apresentado. O espectropolarímetro, quando usa

o suporte de célula de amostra de 5 cm de caminho óptico, tem um comprimento de 45 cm,

constituindo, portanto, um instrumento bastante compacto.

2.3.1.1. Curvas de ORD e Espectros de absorção

Para construções das curvas de ORD e dos espectros de absorção foram

empregados dois diferentes métodos de cálculo que se utilizam das intensidades dos dois

feixes difratados pelo AOTF. As equações matemáticas são empregadas sequencialmente

em função do comprimento de onda ( ), sendo este selecionado quando um sinal de rádio

frequência é aplicado no AOTF.

A curva de ORD é construída empregando-se a equação 6 (apresentada no item 2.1)

em função do comprimento de onda. Para a construção do espectro de absorção utiliza-se

a relação entre o somatório das intensidades dos dois feixes na presença da amostra e na

presença da referência, como mostrado na equação 7:

referênciaFEFD

amostraFEFDA

)(

)(log , (7)

onde é absorbância, FE é a intensidade do feixe da esquerda e FD é a intensidade do

feixe da direita.


57

2.3.2. Programa computacional do espectropolarímetro

O programa computacional denominado de ESPECTROPOL_VIS_NIR foi

desenvolvido, utilizando linguagem Visual Basic 6.0, para permitir a aquisição de dados do

espectropolarímetro, além de executar os cálculos matemáticos necessários para determinar

a rotação óptica e a absorção de substâncias que apresentem estas características. Para

tanto, foram escritas diversas subrotinas que permitem que o programa realize

adequadamente suas funções, listadas a seguir:

1. Controlar a aplicação do sinal de RF no AOTF. Comunicação feita com o gerador de

rádio frequência por uma interface do tipo RS232;

2. Comunicação com conversor analógico-digital (A/D) para obter os dois sinais

analógicos proveniente do espectropolarímetro;

3. Executar operações matemáticas para o cálculo da rotação óptica e da absorção em

função dos comprimentos de onda;

4. Mostrar ao usuário os resultados obtidos em forma gráfica e numérica;

5. Armazenar os dados em disco com formatação apropriada, utilizando o padrão ASCII

e permitindo, assim, que os dados possam ser facilmente acessados por diferentes

planilhas eletrônicas e programas gráficos comerciais.

Ao carregar o programa ESPECTROPOL_VIS_NIR o usuário passa a ter acesso a

uma interface gráfica cujas características de comando são semelhantes àquelas

encontradas no programa operacional Windows, facilitando o aprendizado do uso do

programa desenvolvido. O usuário precisa definir os parâmetros da leitura do conversor A/D

para obtenção dos sinais oriundos dos sensores ópticos; a região espectral que será varrida;

a resolução espectral; o número de varreduras para cálculo da média; a identificação (nome)

da amostra e o endereço onde o arquivo de dados será armazenado. Depois de inseridos os

valores desses parâmetros o programa comunica-se com o equipamento e, através do


58

conversor A/D, inicia a obtenção das medidas. Finalizada esta etapa, a resposta final é

determinada pela média dos resultados das varreduras e em seguida armazenada na

unidade de disco rígido, no endereço previamente selecionado.

Na interface gráfica, apresentada na Figura 31, podem ser observados os diferentes

campos onde o usuário deve inserir os valores dos parâmetros para obtenção das medidas.

O fluxograma das suas atividades é apresentado de forma resumida em seguida.

Figura 31. Tela principal mostrando a interface do programa ESPECTROPOL_VIS_NIR com o usuário.


59

.

Não

SIM

NÃO

INÍCIO

1. Faixa espectral. 2. Resolução espectral. 3. N° de varreduras

Ler as portas analógicas.

Envia o valor da R.F. para controlador do AOTF.

Branco?

Converte o valor atual do λ em R.F.

Armazena: Nome da amostra, valores das intensidades dos sensores, razão das intensidades e Rotação óptica.

SIM

Exibe: Valores das intensidades dos sensores, razão das intensidades e Rotação óptica.

Reserva os valores da razão e da rotação óptica.

Obter os espectros?

Armazena: Valores e razão dos feixes para cada comprimento de onda em um arquivo chamado “branco”.

FIM

Converte o valor do λ em R.F.

Envia o valor da R.F. para controlador do AOTF.

Ler as portas analógicas.

Abre o arquivo “branco”.

Operações matemáticas para determinação da rotação óptica e absorção.

Guarda os valores das intensidades dos feixes.


60

2.4. Soluções e Amostras

2.4.1. Soluções para avaliação dos equipamentos

Nas avaliações dos equipamentos quanto à linearidade e precisão foram utilizadas

soluções de sacarose, glicose e frutose, preparadas diariamente com água deionizada.

Os reagentes de (+)-sacarose (CAS 57-50-1), α-D-(+)-glicose anidra (CAS 492-62-6) e

D-(-)-frutose (CAS 57-48-7) foram adquiridas na Sigma-Aldrich com pureza superior a 99%.

As soluções dos açúcares redutores α-D-(+)-glicose e D-(-)-frutose, foram, após

preparadas, deixadas em repouso por um período de 2 horas para equilíbrio da mutarrotação

entre as conformações α e β.

Para observação do Efeito Cotton foram utilizados reagentes constituídos pelo par

enantiomérico do aminoácido prolina e o seu respectivo racêmico. Os reagentes D-prolina

(CAS 344-25-2), L-prolina (CAS 147-85-3) e DL-prolina (CAS 609-36-9) foram adquiridos na

Sigma-Aldrich.

2.4.2. Aplicação na identificação de adulteração em méis

Estudos foram realizados avaliando-se o uso do espectropolarímetro desenvolvido no

controle de qualidade do mel, por meio da tentativa de identificação da sua adulteração por

meio da adição de açúcar invertido, melado de cana ou glicose de milho. O conjunto de

amostras foi composto por méis oriundos de diferentes regiões do Brasil, contemplando a

diversidade geográfica, de espécies de abelhas e flora.

O preparo das amostras consistiu em duas etapas, uma de clarificação e outra de

filtração. Para a etapa de clarificação foram utilizados bentonita e carvão ativado segundo o

procedimento descrito a seguir.

Pesa-se 25,0 g do mel, adiciona-se 25,0 g de água destilada e homogeneíza-se a

mistura. Adiciona-se 0,5 g de bentonita (Sigma-Aldrich) e uma porção de carvão ativado

(aproximadamente 5 g). Espera-se um tempo de 40 minutos e em seguida filtra-se, por

gravidade, com papel de filtro (Whatman, 3000).


61

O preparo de amostra precisa eliminar, além do material em suspensão, a coloração

da amostra por que a fonte de radiação utilizada no espectropolarímetro não possui potência

suficiente para produzir um feixe de radiação capaz de atravessar uma amostra absorvente e

emergir com potência suficiente para uma detecção com boa relação sinal-ruído. As Figuras

41 e 42 exibem amostras de méis de diferentes floradas e maturação que foram clarificadas

pelo método proposto. O método apresentou-se eficaz no preparo de amostras de méis com

diferentes intensidades de coloração.

Figura 32. Fotografia de uma amostra de mel de flor de laranjeira que foi pré-tratada pelo método de clarificação proposto utilizando bentonita e carvão ativado.

Figura 33. Fotografia de uma amostra de mel de flores silvestres que foi pré-tratada pelo método de clarificação proposto utilizando bentonita e carvão ativado.


62

.

2.4.2.1. Adulteração dos méis

Os adulterantes utilizados foram adquiridos em estabelecimentos comerciais na

cidade de Campinas. O açúcar invertido foi adquirido na empresa Aguarani®, SYRUP 90,

com inversão de 90%, o xarope de glicose da marca KARO e o melado de cana da marca

Fios de Ouro.

As adulterações foram feitas em três níveis de concentração do adulterante, 5%, 10%

e 20% (m/m). Após a etapa de pesagem das massas do adulterante e do mel, as quais

juntas devem somar 25 g, o preparo da amostra é seguindo conforme o método descrito

anteriormente.

As amostras são identificadas através de um código que segue a seguinte sequência:

sigla do estado, nome da amostra, tipo de adulterante e a concentração do adulterante. Por

exemplo, na amostra PR_A(K10) lê-se amostra A originada do estado do Paraná que sofreu

adulteração pelo xarope de glicose Karo, em nível de 10% (m/m).

3. Resultados e Discussões

63

3. Resultados e Discussão

“... A abelha por Deus foi amestrada

sem haver o processo bioquímico e até hoje

não houve nenhum químico que fizesse a

ciência dizer nada. O buraco pequeno da

entrada facilita a passagem com franqueza.

Uma é sentinela de defesa e as outras se

espalham no vergel. Sem tacho e sem turbina

fazem mel, quanto é grande o poder da

natureza...”.

Zé Vicente da Paraíba


64


65

3.1. Polarimetria

O polarímetro desenvolvido foi avaliado considerando-se alguns aspectos que

permitiram explorar a potencialidade do instrumento para medições da rotação óptica em

comprimentos de onda discretos, nas regiões espectrais do visível (532 nm e 650 nm) e

infravermelho próximo (1064 nm). Os aspectos investigados foram:

a) Influência da variação de intensidade fonte de radiação;

b) Repetibilidade do método;

c) Obediência à Lei de Biot ;

d) Correlação das medidas de rotação óptica obtidas pelo polarímetro com as

medidas de rotação óptica de um instrumento comercialmente disponível;

e) Avaliação da exatidão por meio da comparação das rotações ópticas com valores

certificados de Material Padrão de Referência constituído por uma solução normal

de sacarose.

Inicialmente, os estudos descritos a seguir, foram realizados empregando a primeira

versão do polarímetro, a qual utiliza o prisma Glan Laser como analisador. Em seguida são

apresentados alguns estudos de avaliação da segunda versão do polarímetro, que utiliza o

cristal de Wollaston como analisador.

Soluções aquosas de sacarose e frutose, à temperatura ambiente de (26 ± 1) °C,

foram utilizadas no estudo exploratório, em especial fez-se uso das soluções de sacarose,

pois essas são empregadas em calibrações dos equipamentos polarimétricos.


66

3.1.1. Polarímetro baseado no cristal de Glan-Laser

a) Influência da variação de intensidade da fonte de radiação

As flutuações da intensidade da fonte de radiação podem gerar erros significativos em

medidas espectroscópicas tornando-as imprecisas e menos exatas. Nos instrumentos que

avaliam o fenômeno de absorção, a redução da intensidade de emissão da fonte de radiação

pode ser contabilizada como absorbância de uma substância. Nos equipamentos

polarimétricos disponíveis comercialmente, a variação da intensidade pode comprometer a

medida do ângulo de rotação do plano de polarização da radiação.

No polarímetro desenvolvido, essas flutuações de intensidade de emissão fonte da

radiação estão presentes simultaneamente nos dois feixes difratados pelo cristal

birrefringente e são canceladas matematicamente ao se efetuar a razão das intensidades. O

uso da razão praticamente elimina a influência da variação da intensidade da fonte de

radiação incidente sobre as medidas de rotação óptica. A anulação do efeito de flutuações

na radiação sobre as medidas de rotação óptica, causado pela presença de uma substância

absorvente na célula da amostra, também pode ser obtida, pois ambos os feixes são

atenuados, para todas as finalidades práticas, com a mesma intensidade.

Na Tabela 3 podem-se observar as alterações da rotação óptica registradas quando

há variação da corrente elétrica na fonte da radiação laser em + 13%, simulando possíveis

flutuações da intensidade da fonte de radiação. No caso da diminuição, onde há alteração

na corrente de 7,5 mA para 6,5 mA, a variação da rotação óptica calculada utilizando a razão

dos campos elétricos dos feixes é de -0,065° (de -0,008° para -0,073°) e quando calculada

pela lei de Malus (que prevê a rotação óptica da radiação linearmente polarizada quando há

atenuação na sua intensidade ao atravessar o analisador) a variação é de 28,7°. Em caso

onde a corrente elétrica da fonte de radiação aumente de 6,5 mA para 8,5 mA a influência é

0,14° na rotação óptica (de -0,073° para 0,067°).

Os resultados evidenciam que o método proposto para determinação da rotação

óptica é bastante imune às flutuações da intensidade da fonte de luz laser, principalmente


67

considerando que a estabilidade esperada para este tipo de fonte, informada pelo fabricante,

é de + 1%.

Além disso, a utilização de laser como fonte de radiação de alta potência possibilita

medidas de rotação óptica em soluções com alta absortividade, estendendo o uso do

polarímetro para aplicações em diversas amostras sem a necessidade de pré-tratamento da

amostra, ou depois de pré-tratamentos mais simples e rápidos.

Tabela 3. Estabilidade da rotação óptica, determinada pela razão dos campos elétricos dos dois feixes produzidos pelo analisador, quando a corrente elétrica de alimentação da fonte de luz varia em + 13%

Sinal x Corrente Laser

6,5 mA (- 13%) 7,5 mA 8,5 mA (+ 13%)

Sensor 1 / V 2,2425 2,5574 2,9467

Sensor 2 / V 2,2482 2,5582 2,9398

Razão 1,0025 1,0003 0,9977

a Rotação / ° -0,073 -0,008 0,067

b Rotação / ° 28,7

a - rotação óptica calculada pela razão dos campos elétricos dos dois feixes produzidos pelo cristal birrefringente. b - rotação óptica calculada pela Lei de Malus (Cos( ) = E/Eo) utilizando a variação da intensidade do campo elétrico do feixe medido pelo sensor 1 quando a corrente elétrica do laser é diminuída de 7,5 mA para 6,5 mA.

b) Repetibilidade das medidas de rotação óptica

A repetibilidade do equipamento ao determinar diferentes valores de rotações ópticas

foi avaliada com o uso de soluções de sacarose com diferentes concentrações.


68

As rotações ópticas das soluções padrões de sacarose de 2%, 10% e 40% (m/v)

foram determinadas 35 vezes utilizando a radiação laser no comprimento de onda de 650 nm

e comprimento do caminho óptico de 10 cm. Os valores das médias, os desvios padrões e os

desvios padrão relativos dessas medidas são apresentados na Tabela 4.

A repetibilidade do instrumento foi avaliada pelo valor do desvio padrão relativo das

medidas. A solução de sacarose com menor concentração apresentou o maior desvio padrão

relativo da rotação óptica, igual a 0,29%, como esperado. Esse resultado indica que, para

pequenos valores de rotação óptica, a precisão relativa do equipamento é de

aproximadamente 0,30%.

Um equipamento comercial moderno comercializado pela empresa JASCO, modelo P-

200, apresenta, dentre suas especificações, uma repetibilidade de 0,2% em rotações

óptica(s) maiores que 1° [25]. Desta forma, pode-se afirmar que o polarímetro desenvolvido

apresentou uma repetibilidade equivalente a do instrumento comercial.

Tabela 4. Repetibilidade do equipamento para 35 medidas de rotação óptica de soluções de sacarose com concentrações de 2%, 10% e 40% (m/v)

c) Obediência à Lei de Biot

A avaliação do desempenho do polarímetro quanto à capacidade de gerar respostas

de rotações ópticas, positivas e negativas, obedientes à Lei de Biot, foi realizada usando

soluções aquosas de sacarose e D-(-)-frutose. Neste estudo foi utilizada a radiação laser 532

nm e caminho óptico de 10 cm.

Concentração / % ( m/ v) / ° Desvio Padrão Desvio padrão relativo / %

2 1,041 0,003 0,29

10 5,641 0,003 0,05

40 23,142 0,012 0,06


69

A curva que relaciona as medidas de rotação óptica das soluções de sacarose com

suas concentrações de 6%, 12%, 16%, 26% e 32% (m/v) está apresentada na Figura 34A e

os valores médios de 3 replicatas de medidas de rotações ópticas, com seus respectivos

desvios padrão, empregados para construir esta curva analítica, estão apresentados na

Figura 34B. A curva que relaciona as medidas de rotação óptica das soluções de D-(-)-

frutose com suas concentrações de 1,5%, 2,5%, 5% e 10% (m/v) está apresentada na Figura

44A e os valores médios de 3 replicatas de medidas de rotações ópticas com seus

respectivos desvios padrão, empregados são apresentados na Figura 44B.

(A) (B)

Figura 34. Linearidade da rotação óptica de soluções aquosas de sacarose com concentrações de 6%, 12%, 16%, 26% e 32% (m/v) obtidas com uso da radiação laser de 532 nm e caminho óptico de 10 cm. A) curva analítica determinada pela equação da reta: Y = (-0,5 + 0,2) + (0,87 + 0,01).X, R2 = 0,9994 e B) valores médios das rotações ópticas e desvios padrões de 3 replicatas.

Teor / % (m/v) /°

6 4,90 + 0,02

12 9,78 + 0,02

16 13,10+ 0,02

26 22,16 + 0,05

32 27,37 + 0,05


70

(A) (B)

Figura 35. Linearidade da rotação óptica de soluções aquosas de D-(-)-frutose com concentrações 1,25%, 2,5%, 5% e 10% (m/v) obtidas com o uso da radiação laser de 532 nm e caminho óptico de 10 cm. A) curva analítica determinada pela equação da reta: Y = (-0,3 + 0,1) –(1,13 + 0,02).X, R2 = 0,9989 e B) médias das rotações ópticas e desvios padrões de 3 replicatas.

O equipamento foi capaz de produzir resultados que obedeceram a Lei de Biot, pois

as medidas de rotação óptica foram linearmente proporcionais às concentrações das

substâncias com atividade óptica, tanto para os valores positivos quanto para os valores

negativos desta propriedade.

A linearidade de resposta do polarímetro foi avaliada também quando o instrumento

operou com outros comprimentos de onda pertencentes às regiões espectrais do visível e

infravermelho próximo. Foram utilizadas soluções de sacarose com concentrações de 5%,

10%, 15%, 20%, 25% e 30% (m/v) para medidas de rotação óptica com fontes de radiação

laser nos comprimento de onda de 532 nm, 650 nm e 1064 nm e caminho óptico de 10 cm.

Na Figura 36 estão apresentadas as curvas para medidas de rotação óptica das

soluções aquosas de sacarose nos diferentes comprimentos de onda e as médias de 3

medidas de rotações óptica. Essas medidas apresentaram desvios padrões relativos de

aproximadamente 0,3%.

Teor / % (m/v) / °

1,5 -2,12 + 0,01

2,5 -2,98 + 0,02

5 -5,99 + 0,03

10 -11,62 + 0,04


71

(A) (B)

Figura 36. Medidas de rotação óptica de soluções aquosas de sacarose obtidas pelo polarímetro nos comprimentos de onda de 532 nm, 650 nm e 1064 nm, com caminho óptico de 10 cm. A) curvas analíticas são determinadas por: Y = (-1,3 + 0,9) + (1,12 + 0,05).X, R2 = 0,9914 para 532 nm, Y = (-0,02 + 0,3) + (0,50 + 0,01).X, R2 = 0,9982 para 650 nm e Y = (-0,006 + 0,07) + (0,356 + 0,004).X, R2 = 0,9997 para 1064 nm e B) médias das rotações ópticas para 3 replicatas com desvios padrões relativos de aproximadamente 0,3%.

O polarímetro apresentou excelente linearidade, demonstrando que o método de

determinação da rotação óptica é eficiente em comprimentos de onda nessas duas regiões

espectrais. O instrumento tem maior sensibilidade quando utiliza a radiação laser de 532 nm,

pois a curva analítica nesse comprimento de onda possui o maior coeficiente angular. Essa

observação está de acordo com o comportamento esperado para a dispersão natural da

radiação, que prevê que menores comprimentos de onda sofrem as maiores variações do

ângulo do plano da radiação planopolarizada.

Os resultados comprovaram que o polarímetro possui potencial para ser empregado

em métodos analíticos para fins da medição da rotação óptica de substâncias com atividade

óptica nas regiões espectrais do visível e infravermelho próximo. Os instrumentos

polarimétricos que operam nessa última região estão sendo bastante explorados em

aplicações de controle de qualidade na indústria açucareira, com objetivo de simplificar o

processo de preparo da amostra, permitindo que somente o material em suspensão seja

/ °

Teor / %

(m/v)

532 nm 650 nm 1064 nm

5 4,092 2,790 1,741

10 9,551 5,111 3,560

15 15,415 7,380 5,450

20 22,136 9,830 7,096

25 27,752 12,432 8,999

30 31,099 15,556 10,629


72

removido, pois a coloração remanescente não absorve na região do infravermelho próximo

[21,35,36].

d) Comparação das medidas de rotação óptica obtidas pelo polarímetro com as medidas de

rotação óptica de um instrumento comercialmente disponível.

Um estudo comparativo entre os resultados de rotação óptica, nas regiões espectrais

do visível e infravermelho próximo, e os resultados obtidos por um polarímetro

comercialmente disponível, PerkinElmer 341, com precisão de ± 0,002°, foi realizado

utilizando soluções aquosas de sacarose com concentrações de 5%, 10%, 15%, 20%, 25% e

30% (m/v).

A Figura 37 permite comparar as medidas de rotação óptica obtidas pelo polarímetro

construído, nos comprimentos de onda 532 nm, 650 nm e 1064 nm, com aquelas obtidas

pelo equipamento comercial, em 589 nm, empregando em ambos a mesma célula, com

caminho óptico de 10 cm. As curvas de correlação entre os resultados, os quais estão

mostrados na Figura 37A, foram construídas empregando-se os valores médios

apresentados Figura 37B, com desvios padrões relativos de aproximadamente de 0,3% para

as medidas do polarímetro desenvolvido e 0,1% para o polarímetro comercial.

Estas curvas mostram que as medidas de rotação óptica obtidas pelo polarímetro nas

regiões do visível e infravermelho são correlacionadas às medidas obtidas por um

equipamento comercialmente disponível.


73

(A) (B)

Figura 37. Correlações das medidas de rotação óptica de soluções aquosas de sacarose obtidas pelo polarímetro construído, nos comprimentos de onda de 532 nm, 650 nm e 1064 nm com aquelas fornecidas por um equipamento disponível comercialmente, em 589 nm. A) curvas de correlação, Y = (-1,3 + 0,8) + (1,70 + 0,06).X, R2 = 0,9935, para 532 nm, Y = (0,01 + 0,3) + (0,76 + 0,03).X, R2 = 0,9942, para 650 nm e Y = (-0,009 + 0,06) + (0,539 + 0,004).X, R2 = 0,9997, para 1064 nm e B) valores médios das rotações ópticas com desvios padrões relativos de aproximadamente de 0,3% para as medidas do polarímetro desenvolvido e 0,1% para o polarímetro comercial.

Avaliando-se as inclinações das equações das curvas de correlação constata-se que o

polarímetro quando utiliza radiação laser em comprimento de onda 532 nm apresenta uma

sensibilidade superior em quase 70%, quando comparado ao polarímetro comercialmente

disponível. E quando utiliza radiação laser em comprimento de onda 1064 nm essa

sensibilidade diminui 50%.

A dispersão da radiação explica este comportamento de acordo com a relação inversa

existente entre a atividade óptica e comprimento de onda da radiação empregada na medida

polarimétrica, como manifestado anteriormente.

/ °

Teor / %

(m/v)

589 nm 532 nm 650 nm 1064 nm

5 3,297 4,092 2,790 1,741

10 6,620 9,551 5,111 3,560

15 9,964 15,415 7,380 5,450

20 13,312 22,136 9,830 7,096

25 16,637 27,752 12,432 8,999

30 19,759 31,099 15,556 10,629


74

e) Avaliação da exatidão por meio da comparação das rotações ópticas com valores

certificados de Material Padrão de Referência de uma solução normal de sacarose.

Uma avaliação da exatidão do equipamento polarimétrico construído foi realizada

medindo-se a rotação óptica de uma solução normal de sacarose, 26% (m/v), utilizando fonte

de radiação laser 650 nm e caminho óptico de 10 cm.

As rotações ópticas foram comparadas com os valores certificados mais recentes de

análise do Material Padrão de Referência® 17f (National Institute of Standards &

Technology), publicado em 2010 [37]. Nesse certificado as rotações ópticas da solução

normal de sacarose foram medidas nos comprimentos de onda de 546 nm, 589 nm, 633 nm

e 882 nm e à temperatura de 20°C.

Para permitir a comparação, a rotação óptica da solução de sacarose medida em 650

nm (especificado pelo fabricante da radiação laser) foi convertida para a rotação óptica no

comprimento de onda de 546 nm, utilizando a equação (Equação 4) proposta pela ICUMSA.

Simultaneamente, a partir desta, foram calculadas as rotações ópticas para os demais

comprimentos de onda. O mesmo procedimento de conversão da rotação óptica medida no

comprimento de onda de 546 nm para os demais comprimentos de onda foi utilizado pelo

laboratório responsável pelo certificado. A Tabela 5 mostra as respostas das rotações

ópticas calculadas empregando-se a medida em comprimento de onda de 650 nm e as

respectivas diferenças em relação aos valores esperados.

Os resultados mostram erros variando de -0,5° a -1,6°, o que equivale a erros relativos

de aproximadamente -8% em relação aos valores esperados. Essa diferença sistemática

pode ser resultado de diversos fatores, como, por exemplo, a diferença do método de

preparo da solução, pois para o Material Padrão de Referência prescreve-se que a sacarose

seja mantida em ambiente com umidade relativa do ar controlada em aproximadamente 75%

ou que ele seja secado a vácuo, à temperatura de 60°, por 24 horas, antes do preparo da

solução, além de se obter sua massa em vácuo. Além disso, empregou-se nos cálculos de

conversão, o comprimento de onda nominal especificado pelo fabricante do laser (650 nm),

que pode não corresponder ao comprimento de onda real.


75

Tabela 5. Comparação entre as rotações ópticas da solução padrão de sacarose 26% (m/v) medidas em comprimento de onda 650 nm e calculadas em outros comprimentos de onda

a - valor médio de 3 medidas de rotações ópticas obtidas pelo polarímetro no comprimento de onda de 650 nm. b - valor da rotação óptica calculado pela equação de conversão proposta pela ICUMSA.

3.1.2. Polarímetro baseado no cristal de Wollaston

O instrumento foi inicialmente avaliado quanto ao seu desempenho ao determinar

rotações ópticas por um longo período de tempo. O plano da radiação planopolarizada foi

girado em relação ao analisador para simular uma rotação óptica de aproximadamente 3°,

com objetivo de se obter medidas livres de influências causadas por alterações de

temperatura da amostra ou sua degradação.

O instrumento permaneceu ligado por um período de 28 horas e meia. Uma medida

era salva a cada meia hora, o que resultou um total de 58 medidas. A Figura 38 mostra as

intensidades dos feixes da direita (FD) e da esquerda (FE) e os valores das rotações ópticas

obtidas ao longo do experimento.

Rotação óptica medida em

650 nm / °

Rotação óptica do Material de

Referência Padrão ® 17f / °

Erro

absoluto / °

546 18,744 + 0,047 20,379 + 0,041 -1,635

589 15,942+ 0,034 17,305 + 0,035 -1,363

633 13,675 + 0,025 14,869 + 0,030 -1,194

650 a 12,929 + 0,010 b 14,057 + 0,019 - 1,128

882 6,823 + 0,006 7,414 + 0,015 -0,585


76

Figura 38. Estabilidade da rotação óptica em função da variabilidade natural da intensidade da fonte de radiação e dos dispositivos eletrônicos e mecânicos-ópticos do polarímetro construído.

Na Figura 38 é possível observar que os dois feixes difratados pelo cristal de

Wollaston apresentam comportamento semelhante durante todo o período do experimento.

Essa observação comprova que flutuações na fonte de radiação são propagadas

praticamente de forma igual nos dois feixes e que a razão das intensidades praticamente

anula o efeito dessa flutuação, como verificado anteriormente em um experimento controlado

de variação da corrente de alimentação do laser.

A rotação óptica média das 58 medidas e seu desvio padrão foi de (3,26 + 0,032)º, o

que corresponde a uma precisão de 1% para medições de rotação óptica por um longo

período de tempo. A maior fonte da variabilidade observada deve estar associada à variação

da temperatura ambiente e seu efeito sobre os componentes eletrônicos do instrumento.

Quando os feixes difratados apresentam intensidades mais baixas, a rotação óptica

sofre maior influência da flutuação da fonte da radiação, aumentando a imprecisão das

medidas. Devido a esta constatação, o programa POL_SAC monitora as intensidades dos

feixes para que o instrumento sempre opere com intensidades dos feixes praticamente

constantes e em nível adequado para maximizar a relação sinal ruído das medidas.


77

Não foi encontrado na literatura nenhum resultado de estudos que avaliassem o

desempenho de um instrumento polarimétrico por um longo período de tempo. Os resultados

mostrados aqui permitem inferir que o equipamento desenvolvido é capaz de ser empregado

em análises de processos e/ou controle de qualidade de substâncias com atividade óptica

que necessitem de operação, livre de atenção do operador, por longos períodos de tempo.

Como o polarímetro opera também como sacarímetro, sobre controle do programa

escrito para a aquisição e manipulação dos dados do instrumento, um estudo foi realizado,

após sua calibração utilizando-se solução padrão de sacarose e comparando os valores

reais do teor de sacarose de soluções aquosas com os valores fornecidos pelo equipamento.

Neste caso, o laser emitindo em 532 nm foi empregado. A Tabela 6 apresenta os resultados

para três soluções de sacarose de concentrações 0,5%, 5% e 10% (m/v) que foram

utilizadas para verificar a exatidão do sacarímetro, o qual foi previamente calibrado com duas

soluções contendo 0 e 15 % de sacarose, na determinação do teor desse açúcar.

Tabela 6. Teores de sacarose e seus respectivos desvios padrão (n = 3) obtidos para soluções padrão contendo 0,5%, 5% e 10% (m/v) do açúcar, após a calibração do equipamento

A calibração permite que o equipamento obtenha medidas de concentração de

sacarose com erros bastante pequenos. Na primeira versão do polarímetro, usando o cristal

Glan Laser e sem o procedimento de calibração, o equipamento determinava a rotação

óptica com erro estimado de aproximadamente -8%. Assim, uma simples calibração do

instrumento pode facilmente contornar o problema do erro sistemático atribuído às medidas

Teor de

Sacarose / %

Concentração

determinada / %

Concentração

real / %

Erro relativo / %

0,5 0,53 (+ 0,02) 0,51 4,70

5 5,110 (+0,001) 5,100 0,20

10 10,20 (+ 0,02) 10,21 -0,10


78

absolutas de rotação ópticas feitas pelo instrumento proposto, sendo os resultados

expressos diretamente em unidades de concentração, como demonstrado para a sacarose.

Por último, a calibração do sacarímetro foi avaliada em relação a sua estabilidade ao

longo do tempo. A calibração do equipamento foi realizada utilizando soluções de sacarose

com concentração de 0% e 15,00% (m/v), logo em seguida foi obtida a medida da

concentração de uma solução de 10,00% (m/v). Esse momento foi identificado como o marco

inicial do estudo (t=0) e a partir dele novas soluções de sacarose, com concentração igual a

10%, foram preparadas diariamente com objetivo de quantificar, ao longo do tempo, o teor do

açúcar, usando sempre a calibração inicial. Os resultados das concentrações obtidas pelo

sacarímetro comparados com as concentrações reais estão apresentados na Tabela 7.

Tabela 7. Determinação do teor da sacarose, por um período de 5 dias, utilizando soluções aquosas de 10,0% (m/v) e uma única calibração inicial

Concentração

real (%)

Concentração

obtida (%)

Erro relativo

(%)

1º dia (t=0) 10,00 9,97 -0,30

1º dia (t + 1hora) 10,00 10,06 0,60

2° dia 10,00 9,90 -1,00

3° dia 10,05 9,99 -0,59

4° dia 10,00 9,93 -0,70

5° dia 10,00 9,74 -2,60

O estudo foi realizado durante 5 dias, ligando e desligando o equipamento

diariamente, e só no quinto dia foi observado uma maior discrepância entre o valor lido pelo

equipamento e o valor esperado, com erro relativo de -2,6%. A calibração manteve-se válida

no restante do tempo, obtendo-se diferenças menores que 1% durante 4 dias.


79

A Tabela 8 faz uma comparação de algumas figuras de mérito do protótipo com um

sacarímetro comercial e permite afirmar que o polarímetro está apto para ser empregado nas

medidas de interesse do mercado dedicado à indústria sucroalcooleira.

Tabela 8. Figuras de mérito apresentadas pelo protótipo proposto neste trabalho, comparadas com as de um sacarímetro comercial

3.2. Espectropolarimetria VIS

O espectropolarímetro foi avaliado quanto sua a potencialidade em gerar medidas de

rotações ópticas e absorção na região espectral do visível, de 450 nm a 800 nm. Esta

avaliação foi realizada com objetivo de caracterizar o instrumento quanto a sua

repetibilidade, linearidade (lei de Beer e lei de Biot) e sensibilidade ao Efeito Cotton.

Adicionalmente, um estudo foi realizado avaliando seu emprego na indústria agrícola, no

controle de qualidade de méis.

Nos experimentos foi utilizada a faixa espectral de 450 nm a 800 nm, resolução de 1

nm, caminho óptico de 5 cm, temperatura ambiente, (26 ±1) °C e água deionizada como

referência.

Comercial Polarímetro/Sacarímetro

Repetibilidade 0,002° 0,003°

Tempo da resposta 15 segundos 5 segundos

Fonte de radiação / tempo

de vida

Lâmpada de tungstênio /

2000 horas

Laser de diodo /

5000 horas


80

3.2.1. Calibração do comprimento de onda

Nos instrumentos que empregam AOTF como monocromador é necessário realizar a

calibração espectrofotométrica, estabelecendo a relação entre os sinais de rádio frequência

aplicados ao dispositivo e os comprimentos de onda difratados.

No processo de calibração utilizaram-se as bandas de absorção do padrão

espectrofotométrico constituído por óxido de hólmio (536 nm e 637 nm) imobilizado em vidro

(Specsol, UVKIT100), do azul de metileno (665 nm), e bandas de transmissão de filtros de

interferência (523 nm, 577,5 nm, 604 nm e 655 nm), para os sinais de sinais de rádio

frequência entre 90 MHz e 180 MHz, que corresponde à faixa de trabalho do AOTF. A

construção dos espectros de absorção foi realizada utilizando as respectivas relações entre

as intensidades dos feixes, os quais são denominados de FD (feixe da direita) e FE (feixe da

esquerda), na presença da amostra, com as intensidades dos feixes na presença de uma

referência (ar, para o filme de óxido de hólmio e água, para o azul de metileno).

Inicialmente foram obtidos os espectros de absorção do óxido de hólmio mostrados na

Figura 39, gerados pelos feixes difratados pelo AOTF quando enviados sinais de rádio

frequência de 90 MHz a 180 MHz, com resolução de 0,1 MHz. É possível perceber que os

feixes difratados geraram espectros de absorção diferentes, pois, para um mesmo sinal de

rádio frequência, os feixes difratados apresentaram diferentes comprimentos de onda. Esse

resultado pode ser explicado, em grande parte, pela influência do ângulo de incidência da

radiação sobre o filtro óptico acústico.


81

Figura 39. Espectros de absorção do óxido de hólmio gerados pelos feixes difratados pelo AOTF quando um sinal de radio frequência é enviado ao dispositivo. Ângulo de incidência da radiação igual a 0° em relação ao eixo da normal do cristal.

O AOTF foi movimentado e o efeito de diferentes ângulos de incidência da radiação foi

avaliado. As Figuras 31 a 33 mostram espectros de absorção gerados pelos feixes difratados

quando a radiação incide com ângulo aproximadamente igual a 3º em relação ao eixo da

normal do cristal. Nessa condição, quando um sinal de rádio frequência é aplicado os dois

feixes emergentes apresentam comprimentos de onda muito semelhantes.


82

Figura 40. Espectros de absorção do óxido de hólmio gerados pelos feixes difratados pelo AOTF quando um sinal de radio frequência é enviado ao dispositivo. Ângulo de incidência da radiação a 3° em relação ao eixo da Normal ao cristal.

Figura 41. Espectros de absorção do azul de metileno gerados pelos feixes difratados pelo AOTF quando um sinal de radio frequência é enviado ao dispositivo. Ângulo de incidência da radiação a 3° em relação ao eixo da Normal ao cristal.


83

Figura 42. Espectros de transmissão dos filtros de interferência gerados pelos feixes difratados pelo AOTF um sinal de radio frequência é enviado ao dispositivo. Ângulo de incidência da radiação é de 3° em relação ao eixo da Normal ao cristal.

Utilizando a primeira derivada dos espectros, representados nas Figuras 31 a 33, é

possível correlacionar o valor da máxima absorção em comprimento de onda dos padrões

com o valor do sinal de rádio frequência, com precisão de centésimos mega-hertz,

apresentados na Tabela 9. A partir desses valores foram geradas curvas de calibração,

mostradas na Figura 43, e as respectivas equações de conversões, Equações 6 e 7, foram

inseridas na rotina do programa computacional para que os feixes difratados pelo AOTF

produzam dados espectrais idênticos em relação ao comprimento de onda da radiação

emergente.


84

Tabela 9. Valores dos sinais de rádio frequência (RF) aplicados ao AOTF e os correspondentes comprimentos de onda selecionados

As equações de conversões, equações 8 e 9, de um determinado comprimento de

onda em um sinal de rádio frequência individual para os feixes da direita (FD) e da esquerda

(FE) são:

Rádio Freq. (FD) = 63,90232 + 781,62374 x e (-0,0043300 λ), R2 = 0,9993 (8)

Rádio Freq. (FE) = 66,76064 + 874,14224 x e (-0,004600 λ ), R2 = 0,9997 (9)

Comp. Onda / nm RF (FD) / MHz RF (FE) / MHz RF / MHz

523 145,31 145,55 0,24

536 140,04 141,17 1,13

577,5 128,37 128,38 0,01

604 120,86 120,95 0,09

637 113,32 113,42 0,10

655 109,55 109,52 0,03

665 107,90 108,10 0,02


85

Figura 43. Curvas de calibração para os feixes difratados pelo AOTF que correlacionam os sinais de rádio frequência com os comprimentos de onda selecionados.

Com a inclusão das Equações 5 e 6 na rotina do programa de controle do instrumento,

a intensidade de um feixe é lida após o envio do sinal de rádio frequência determinado pela

equação de conversão correspondente. A Figura 44 exibe os espectros gerados pelos feixes

difratados, empregando os valores calibrados de rádio frequência.

Figura 44. Espectros de absorção do óxido de hólmio gerados pelos feixes difratados quando são utilizadas as equações individuais de calibração dos feixes.


86

Na Figura 44 é possível perceber ainda uma pequena diferença entre os espectros na

região de 450 nm a 500 nm. Essa diferença não é percebida nos espectros de absorção do

óxido de hólmio quando foram obtidos sem a calibração individual dos feixes, como mostrado

na Figura 31, e gerados enviando-se apenas um único sinal de rádio frequência. Portanto,

decidiu-se utilizar apenas uma das equações de calibração, podendo ser eleita qualquer

equação de conversão. Foi escolhida, arbitrariamente, a equação obtida para o feixe da

direita.

Após a calibração dos comprimentos de onda, o plano de polarização da radiação é

ajustado, com a presença de uma substância sem atividade óptica, a 45º em relação ao eixo

óptico do AOTF. Nesse momento os feixes difratados deveriam apresentar intensidades

praticamente iguais e, quando não houvesse desvio desse ângulo, o espectropolarímetro

geraria resultados de rotação óptica aproximadamente iguais a 0º. Porém, o posicionamento

exato a 45° do plano de polarização da radiação polarizada em relação ao eixo óptico do

AOTF é muito difícil. Além disso, os dois detectores podem apresentar respostas

ligeiramente diferentes para a mesma intensidade e comprimento de onda neles incidentes.

A diferença de intensidades entre os feixes difratados pelo AOTF constitui uma

preocupação em relação ao projeto do espectropolarímetro, fazendo que seja necessária a

sua correção com o objetivo de se obter curvas de ORD de boa qualidade. Embora esta

diferença de intensidades possa ser atribuída à diferença de resposta dos dois sensores

empregados no polarímetro e a eletrônica a eles associada, ela também poderia ter uma

contribuição da variação do ângulo segundo o qual os feixes emergem do AOTF, sendo

então projetados sobre a área sensora (~5,6 mm2).

Para investigar esse aspecto, um sensor linear tipo CMOS com 1024 elementos

sensores (Hamamatsu, S8378), posicionado a 5 cm do AOTF, foi utilizado para monitorar

simultaneamente os feixes difratados com objetivo de observar o deslocamento dos feixes

sobre a os sensores, o qual resulta de diferenças de ângulo de incidência.

Na Figura 45 são mostradas as intensidades dos dois feixes quando são aplicados

sinais de radio frequências, descontando matematicamente as influências da radiação

espúria, de escuro, e sendo a radiação não difratada pelo AOTF bloqueada por um anteparo.


87

É possível observar o feixe da direita incide nos sensores de números 210 a 350 e o feixe da

esquerda nos sensores de números 700 a 810.

Figura 45. Intensidades dos feixes difratados pelo AOTF em diferentes comprimentos de onda registrados por um sensor linear, com 1024 elementos sensores.

Observando, como referência, os máximos dos picos apresentados na Figura 45 é

possível perceber que o ângulo de separação entre os dois feixes mostra-se dependente do

sinal de rádio frequência aplicado ao AOTF e, portanto, do comprimento de onda

selecionado. Isto se caracteriza pela movimentação angular dos feixes ao emergir do

dispositivo, resultando diferentes ângulos de incidência dos feixes sobre os sensores do

arranjo linear em função do sinal de radio frequência aplicado no AOTF. Esse

comportamento dos feixes pode desviá-los da área sensível quando um único detector é

empregado para monitorar cada um dos feixes, o que seria identificado como uma variação

das suas intensidades.

Ações foram realizadas para atenuar esse efeito sobre as medidas de rotação óptica

como: uso de uma lente focalizadora na saída do AOTF, posicionamento dos feixes

difratados na região central dos fotossensores, Mesmo assim, a correção dos valores das

intensidades dos feixes, nos respectivos comprimentos de onda, pelos fatores de correção

ainda se manteve necessária. Portanto, foi desenvolvido um método de correção das


88

intensidades dos feixes difratados para cada comprimento de onda. Esse método utiliza um

fator de correção que é determinado pela razão das intensidades dos feixes quando esses

são registrados na presença de uma amostra de referência, sem atividade óptica.

Um gráfico dos valores dos fatores de correção, determinados por meio da razão das

intensidades do feixe da direita e do feixe da esquerda, para cada comprimento de onda, é

mostrado na Figura 46. É possível perceber que a região inicial do espectro, a qual é a

região inicial de trabalho do AOTF, mostra uma maior diferença de intensidades entre os

feixes.

Figura 46. Fatores de correção determinados por meio da razão entre as intensidades do feixe da direita e do feixe da esquerda.

Para verificar a eficácia da calibração do comprimento de onda dos feixes e da

correção das intensidades dos feixes, uma curva de ORD do filme de óxido de hólmio foi

adquirida, tomando como referência o ar. Os espectros de absorção gerados pelos feixes e a

curva de Dispersão Óptica Rotatória (ORD) da substância estão apresentados na Figura 47.

É possível perceber que as alterações na curva de ORD (que neste caso deveria ser

constituído por uma reta em 0°) coincidem com as regiões de absorção do óxido de hólmio.

Esses artefatos ocorrem em decorrência da pequena diferença entre os comprimentos de

onda ainda existentes entre os feixes difratados pelo AOTF, uma vez que as diferenças de


89

intensidades foram minimizadas por meio do uso dos fatores de correção. Esse efeito é

pronunciado em situações onde ocorrem bandas de absorção estreitas e intensas, como no

caso do óxido de hólmio.

Figura 47. Curva de Dispersão Óptica Rotatória (eixo da esquerda) e de absorção (eixo da direita) do óxido de hólmio.

Um experimento foi realizado em uma situação na qual a absorção ocorre em uma

faixa mais larga de comprimento de onda. Esse experimento foi realizado para simular uma

possível aplicação do espectropolarímetro para aquisição de informações espectrais de

absorção e rotação óptica de forma simultânea e independente. Uma solução aquosa foi

preparada misturando-se um corante (azul de metileno) e uma substância opticamente ativa

(sacarose) resultando em concentrações de 105 μg L-1 e 26% (m/v), respectivamente. A

aquisição dos espectros foi realizada com caminho óptico de 5 cm, empregando-se água

deionizada como referência. Neste caso, o espectro de absorção é obtido empregando-se a

razão da soma das intensidades dos feixes difratados na presença da amostra com a mesma

soma das intensidades obtida quando se emprega uma referência não absorvente.

A Figura 48 apresenta os dois espectros obtidos. As rotações ópticas esperadas para

uma solução normal da sacarose, 26% (m/v), com caminho óptico de 5 cm, no comprimento


90

de onda 589 nm é de 8,65º e, no comprimento de onda 633 nm, é 7,43°, a 20 oC. [37]. As

rotações ópticas medidas pelo instrumento nessas condições foram respectivamente 8,45° e

7,24°. O erro médio de aproximadamente - 0,2° pode ser explicado pela incerteza na

concentração da sacarose ou pela variação da temperatura de medida.

Figura 48. Curvas de ORD e de absorção obtidos, de forma conjunta e independente pelo espectropolarímetro, de uma solução aquosa composta pela mistura de um corante (azul de metileno) e uma substância opticamente ativa (sacarose, 26% (m/v)). A aquisição dos espectros foi realizada com caminho óptico de 5 cm, empregando-se água deionizada como referência.

A calibração dos comprimentos de onda, utilizando uma única equação de conversão

para os dois feixes, e o ajuste das intensidades do feixe da direita pelos fatores de correção

previamente determinados são suficientes para o emprego do espectropolarímetro na

obtenção de medidas polarimétricas praticamente imunes às absorções que ocorram em

uma faixa espectral larga.


91

3.2.2. Avaliação do instrumento

a) Repetibilidade

Para o estudo da repetibilidade do instrumento, foram obtidas medidas polarimétricas

empregando-se somente água destilada como amostra. Os desvios padrões para cada

comprimento de onda da faixa espectral, obtidos para 5 replicatas de médias de 5, 10 e 20

varreduras, estão mostrados na Figura 49.

Nessa figura é possível observar que o instrumento apresenta menores desvios com

aumento do número de varreduras na região espectral. O instrumento gera medidas

polarimétricas praticamente com a mesma precisão em toda a faixa espectral do visível, 450

nm a 800 nm.

A região de 450 nm a 500 nm possui uma menor precisão em relação ao resto da

faixa espectral, em decorrência das baixas intensidades dos feixes difratados pelo AOTF.

Para o restante da faixa espectral, de 470 a 800 nm, os desvios padrões médios obtidos

foram de 0,02°, 0,01° e 0,009°, respectivamente nas 5, 10 e 20 varreduras para 5 replicatas.

Uma varredura da faixa espectral de 450 nm a 800 nm com resolução de 1 nm requer

32 segundos, assim o tempo total de aquisição de uma medida é determinado pelos

múltiplos do tempo de uma varredura e, dessa forma, a decisão do melhor procedimento

para obtenção das medidas deve ser tomado pelo operador considerando o compromisso

entre a relação sinal/ruído e o tempo necessário para a medida.

Para efeito de comparação, um espectropolarímetro disponível comercialmente para

varrer uma única vez a mesma faixa espectral, 450 a 800 nm, com a mesma resolução, 1

nm, demora em média o tempo de 3 minutos. Nesses instrumentos, a precisão pode chegar

a 0,0001° na região espectral mais energética de trabalho do equipamento, geralmente na

região do ultravioleta.


92

Figura 49. Desvios padrões (n = 5) de medidas polarimétricas obtidas por acúmulos de 5, 10 e 20 varreduras, no caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, 26°C

b) Linearidade (lei de Beer e Biot)

A linearidade do instrumento foi avaliada pela obediência às leis de Biot e de Beer, em

virtude do equipamento ser capaz de gerar medidas de rotação óptica e de absorção de

maneira independente.

Inicialmente, foi realizado um experimento para verificar a obediência à lei de Biot, a

qual afirma que a rotação óptica ( ) é diretamente proporcional a concentração da

substância opticamente ativa, quando o caminho óptico, comprimento de onda e temperatura

são constantes. Com objetivo de avaliar a linearidade para valores positivos e negativos de

rotação óptica, foram obtidos curvas de Dispersão Óptica Rotatória (ORD) de soluções

aquosas de frutose e sacarose em concentrações de 2,5%, 5%, 10% e 20% (m/v),

mostradas na Figura 50.


93

Figura 50. Curvas de ORD de soluções aquosas de sacarose e frutose com concentrações de 2,5%, 5%, 10%, 20% (m/v) obtidos no caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, 26° C.

Na Figura 50 é possível observar um comportamento anômalo, sistemático e oposto

em relação a atividade óptica na região de 450 nm a 500 nm. Essa região deveria possuir as

maiores rotações ópticas, pela dispersão normal da radiação. No entanto, a região apresenta

desvios no comportamento da curva de ORD por não apresentar as rotações ópticas

esperadas para esses comprimentos de onda.

Teoricamente, quando ocorre a rotação óptica, um dos feixes tem sua intensidade

aumentada enquanto o outro tem sua intensidade diminuída, pelo mesmo valor. Utilizando-se

desse princípio, duas hipóteses podem ser lançadas para tentar explicar essas distorções.

A primeira, e mais provável, é justificada pela baixa eficiência de polarização do

polarizador dicróico nessa região, permitindo que uma porção não polarizada da radiação

passe pelo analisador (AOTF) produzindo dois feixes de intensidades constantes ao longo da

faixa de baixa eficiência. Quando ocorre o acréscimo e diminuição das intensidades dos

feixes gerados pelo desvio do plano da fração polarizada da radiação, esta variação é

sobreposta aos sinais constantes da outra fração. O cálculo subsequente da razão fornecerá


94

um valor diferente daquele que seria obtido se esses valores constantes não existissem e a

conversão da razão em rotação óptica fornece assim valores errados. À medida que a

intensidade dos feixes aumenta em função do comprimento de onda esses valores diminuem

(devido melhor desempenho do polarizador) ou permanecem iguais não afetando mais a

razão das intensidades dos feixes e os valores de rotação óptica concordam com aqueles

previstos.

Outra hipótese, que geraria o mesmo comportamento anômalo está associada a

proximidade das intensidades dos feixes difratados ao sinal produzido pelo sensor na

ausência da radiação (sinal de escuro) e quando um dos feixes tem sua intensidade

diminuída, em decorrência da rotação óptica, atinge o sinal de escuro do sensor, produzindo

erros nos valores das rotações ópticas, que é determinada pela razão das intensidades dos

feixes.

A Figura 51 mostra um exemplo da curva de ORD e as intensidades dos feixes, na

região espectral de 450 nm a 500 nm, de uma solução de sacarose com concentração de

20% (m/v), que foram obtidos com caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, 26°C.

Na figura é possível verificar que o comportamento anômalo ocorre na faixa de 450 nm a 470

nm, e é justificado por uma das hipóteses expostas anteriormente, e que só a partir do

comprimento de onda 470 nm, a fração do sinal proveniente da radiação não polarizada ou o

sinal de escuro do sensor seriam irrelevantes ao cálculo da rotação óptica, gerando valores

normalmente esperados em função do comprimento de onda.


95

Figura 51. Relação entre as intensidades dos feixes difratados pelo AOTF (eixo da direita) na região espectral de 450 a 500 nm e comportamento da curva de ORD (eixo da esquerda) de uma solução de sacarose com concentração de 20% (m/v) obtidos no caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, 26° C.

As Figuras 51 e 52 mostram as curvas analíticas construídas a partir de rotações

ópticas das soluções dos açúcares no comprimento de onda de 589 nm. É possível observar

a linearidade dos resultados em ambos sentidos do desvio do plano da radiação, o que

permite o emprego o espectropolarímetro em estudos com substâncias levorrotatórias e

dextrorrotarórias.


96

A B

Figura 52. Linearidade da rotação óptica de soluções aquosas de sacarose com concentrações de 2,5%, 5%, 10%, 20% (m/v) obtidas no comprimento de onda de 589 nm e caminho óptico de 5 cm. A) A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (-0,02+ 0,02) + (0,327 + 0,002).X, R2 = 0,9999 e B) valores médios das rotações ópticas e os desvios padrões de 3 medidas.

A B

Figura 53. Linearidade da rotação óptica de soluções aquosas de sacarose com concentrações de 2,5%, 5%, 10%, 20% (m/v) obtidas no comprimento de onda de 589 nm e caminho óptico de 5 cm. A) A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (-0,02+ 0,02) + (0,327 + 0,002).X, R2 = 0,9999 e B) valores médios das rotações ópticas e os desvios padrões de 3 medidas..

Teor / % (m/v) / °

2,5 0,82 + 0,02

5 1,61 + 0,03

10 3,22 + 0,01

20 6,52 + 0,01

Teor /% (m/v) / °

2,5 -1,15 + 0,02

5 - 2,19 + 0,02

10 - 4,31 + 0,02

20 - 8,80 + 0,02


97

Para verificar a obediência em relação a lei de Beer, foi realizado um estudo da

linearidade das absorções da radiação em diferentes regiões do espectro (referentes as

cores azul, amarela e vermelha) na presença de uma substância opticamente ativa, a

sacarose na concentração normal 26% (m/v). Através desse estudo é possível também

avaliar a potencialidade do instrumento em gerar medidas de rotação óptica e absorção de

forma simultânea e independente.

Para o estudo da absorção na região azul do espectro, 450 nm a 490 nm, foram

utilizadas soluções aquosas de rosa de bengala com concentrações de 2,0, 2,8 e 3,6 mg L-1,

caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. Os espectros de rotação óptica

e de absorção estão mostrados na Figura 54 e a linearidade dos valores de absorções em

função das concentrações é apresentada na Figura 55.

Figura 54. Curva de ORD e espectros absorção de soluções preparadas com sacarose e rosa de bengala para concentrações de 26% (m/v) de sacarose e 2,0, 2,8 e 3,6 mg L-1

do corante, usando água deionizada como referência. Em destaque, de cor preta, o espectro de ORD de uma solução de sacarose 26% pura.


98

Figura 55. Linearidade das absorções das soluções de rosa de bengala com concentrações de 2,0, 2,8 e 3,6 mg L-1 obtidas no máximo de absorção no comprimento de onda de 486 nm, caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (0,03 + 0,03) + (0,16 + 0,01). X, R2 = 0,9951.

A Figura 54 permite observar que os espectros de rotação óptica da sacarose

sofreram deformações em decorrência do fenômeno de absorção pelo corante. É possível

verificar que a magnitude da deformação é diretamente proporcional ao efeito de absorção.

Uma curva de ORD da sacarose com concentração de 26% está em destaque com cor preta

para servir de referência na avaliação desse efeito sobre a curva de rotação óptica.

A região de 450 a 500 nm é bastante afetada pelo fenômeno de absorção em

decorrência da baixa intensidade dos feixes difratados pelo AOTF e por pequenas

discrepâncias em relação à igualdade dos comprimentos de onda dos dois feixes

emergentes. A variação abrupta da intensidade dos feixes na região de absorção amplifica o

efeito essas diferenças de comprimento de onda produzindo as distorções observadas.

Para a região amarelo do espectro, 540 nm a 590 nm, foram utilizadas soluções

aquosas de amarelo crepúsculo com concentrações de 0,8, 1,7 e 3,2 mg L-1, caminho óptico

de 5 cm e água deionizada como referência. As curvas de ORD e os espectros de absorção

estão apresentados na Figura 56 e a linearidade das absorções está apresentada na Figura

57.


99

Figura 56. Curvas de ORD e espectros de absorção de soluções preparadas com sacarose e amarelo crepúsculo em concentrações de 26% (m/v) de sacarose e 0,8, 1,7 e 3,2 mg L-1

do corante, usando água deionizada como referência. Em destaque, de cor preta, a curva de ORD de uma solução de sacarose 26% pura.

Figura 57. Linearidade das absorções das soluções de amarelo crepúsculo com concentrações de 0,8, 1,7, e 3,2 mg L-1 obtidas no máximo de absorção no comprimento de onda de 549 nm, caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (0,02 + 0,01) + (0,35 + 0,03).X, R2 = 0,9906.


100

Nesta região espectral também foi verificado o efeito da absorção sobre as curvas de

ORD da sacarose. Aparentemente, para que a curva de rotação óptica não sofra deformação

em decorrência da ocorrência simultânea da absorção é necessário que a absorbância

máxima seja inferior a 0,3.

Para o estudo na região espectral do vermelho, 600 nm a 720 nm, foram utilizadas

soluções aquosas de azul de metileno com concentrações de 0,25, 0,40 e 0,75 mg L-1,

caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. As curvas de ORD e absorção

estão apresentadas na Figura 58 e a linearidade das absorções está apresentada na Figura

59.

Figura 58. Curvas de ORD e absorção de soluções preparadas com sacarose e azul de metileno em concentrações de 26% (m/v) de sacarose e 0,25, 0,40 e 0,75 mg L-1

do corante,

usando água deionizada como referência. Em destaque, de cor preta, a curva de ORD de uma solução de sacarose 26% pura.

Essa região espectral por apresentar a maior da intensidade da radiação e melhor

concordância entre os comprimentos de onda dos feixes difratados apresenta maior

tolerância à absorção. Além disso, o perfil do espectro de absorção do azul de metileno

apresenta-se com uma banda de absorção larga, o que minimiza o efeito da desigualdade

entre os comprimentos de onda. É possível observar na Figura 58 que a curva de rotação


101

óptica da sacarose não foi afetado pela presença do azul de metileno em concentração de

0,25 mg L-1, capaz de produzir um valor máximo de absorbância de 0,3. Uma pequena

deformação foi verificada quando o corante, na concentração de 0,4 mg L-1, produziu um

valor de absorbância igual a 0,5.

Figura 59. Linearidade das absorções das soluções do azul de metileno com concentrações de 0,25, 0,40 e 0,75 mg L-1 obtidas no máximo de absorção no comprimento de onda de 668 nm, caminho óptico de 5 cm e água deionizada como referência. A curva analítica determinada pela equação da reta é Y = (0,075 + 0,001) + (1,081 + 0,002).X, R2 = 0,9999.

Uma análise global dos resultados obtidos nesses estudos permite concluir que a

influência do fenômeno de absorção da radiação sobre as medidas de rotação óptica pode

ser explicada pela pequena diferença no valor do comprimento de onda existente entre os

feixes difratados. A despeito dos esforços, não foi possível reduzir esta diferença em um

nível que tornasse as medidas de ORD imunes à presença de espécies absorventes. Assim,

os feixes sofrem o fenômeno da absorção com magnitudes diferentes, em função do seu

comprimento de onda. Quando a razão das intensidades dos feixes é realizada, essa

diferença de magnitude gera um valor de rotação óptica de forma errônea. Esse efeito é

pronunciado nas regiões de ascendência e queda abrupta da banda de absorção gerando


102

deformações nas curvas de ORD coincidentes com estas regiões do espectro, como

mostrado nas Figura 54, 55 e 57.

Uma configuração do instrumento, ainda não explorada, permitiria minimizar ou

mesmo anular esse efeito, além de cancelar os efeitos associados às diferenças de

comprimento de onda existentes entre os feixes difratados. Nessa configuração o AOTF

seria deslocando para a posição anterior à célula da amostra, assumindo somente a função

de um seletor de comprimento de onda. Somente um dos seus feixes difratados seria

utilizado como fonte de radiação e outro cristal birrefringente, por exemplo, um cristal de

Wollaston, seria empregado como analisador. Estudos futuros poderão ser desenvolvidos

avaliando-se esta configuração e seu efeito sobre o desempenho do espectropolarímetro.

c) Efeito Cotton

Para ocorrência do Efeito Cotton é necessário que o fenômeno de absorção seja

ocasionado pela interação entre a radiação e o elemento de quiralidade. Na região espectral

do visível, substâncias opticamente ativas que apresentam este efeito são coloridas e o

elemento absorvente faz parte do elemento de quiralidade da substância.

Com objetivo de avaliar o instrumento quanto à possibilidade de medir o Efeito Cotton,

foram utilizadas soluções de complexos do par enantiomérico e seu racêmico do aminoácido

prolina com íons cobre.

Complexos de cobre com aminoácidos possuem um relevante interesse farmacológico

por apresentarem efeitos antiinflamatórios, antiulcerosos, anticonvulcivos e antitumorais [56].

Na literatura são encontrados estudos exploratórios desses complexos em relação a

estabilidades, atividade óptica e métodos de identificação [18,56,70,71]. A prolina é um

aminoácido de cadeia cíclica, que possui atividade óptica de + 85° (c.4, H20), a qual é uma

das maiores verificadas entre os aminoácidos. A complexação do ligante livre com o íon

cobre é realizada por duas moléculas do aminoácido com um íon cobre, ligadas pelos

átomos de nitrogênio [17].

Os complexos foram preparados seguindo o método descrito na literatura [70]

utilizando soluções aquosas do par enantiométrico e do racêmico, L-prolina e D-prolina e DL-

prolina. Adicionou-se 170 L de uma solução aquosa de íons Cu2+ de concentração 0,2 mol


103

L-1 a 10 mL de uma solução do aminoácido prolina de concentração igual a 0,1 mol L-1. A

solução resultante, de cor levemente azul, é composta pelo aminoácido prolina na

concentração de 0,1 mol L-1 e o complexo Cu-prolina na concentração de 34 mmol L-1. A

baixa concentração do complexo é necessária para que o fenômeno de absorção não

influencie a curva de ORD do ligante livre, a qual deve apresentar valores superiores ao

ruído instrumental

Espera-se observar, pelo Efeito Cotton, uma deformação na curva de ORD do

aminoácido pela presença do complexo Cu-prolina. Na Figura 60 estão apresentadas as

curvas de ORD, com caminho óptico de 5 cm, a temperatura ambiente, 26°C, das soluções

dos enantiômeros e do racêmico na presença dos respectivos complexo de cobre (Cu-(D)-

prolina, Cu-(L)-prolina e Cu-(DL)-prolina). As curvas dos enantiômeros apresentam rotações

ópticas praticamente com a mesma magnitude e sinais opostos, enquanto o racêmico

praticamente não apresenta atividade óptica, conforme esperado.

O Efeito Cotton não é de fácil percepção nas curvas de ORD obtidos pelo

equipamento construído quanto é nas curvas obtidas por um espectropolarímetro disponível

comercialmente, JASCO J-720, com caminho óptico de 1 cm e temperatura ambiente, os

quais são mostrados na Figura 61. O equipamento comercial possui sensibilidade suficiente

para perceber a presença do complexo Cu-prolina nas soluções dos aminoácidos, mesmo

em baixas rotações ópticas. No entanto, possui uma limitação instrumental na faixa espectral

de 750 nm a 800 nm, produzindo resultados inesperados de rotação óptica.


104

Figura 60. Curvas de ORD das soluções dos enantiômeros e racêmico (0,1 mol L-1) na presença dos respectivos complexos de cobre (34 mmol L-1) obtidos com caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, de 26°C.

Figura 61. Curvas de ORD das soluções dos enantiômeros (0,1 mol L-1) na presença dos respectivos complexos de cobre (34 mmol L-1) obtidos por um espectropolarímetro disponível comercialmente, JASCO J-720, com caminho óptico de 1 cm e temperatura ambiente de 25°C. Curvas tracejadas correspondem às curvas esperadas de ORD para soluções puras dos enantiômeros.


105

Para observar o Efeito Cotton nas curvas de ORD dos aminoácidos pela presença do

complexo Cu-prolina, que foram obtidos pelo equipamento construído, foi feito um estudo

comparativo entre as curvas de ORD dos aminoácidos livres e com as curvas dos

aminoácidos na presença do complexo, como mostrado na Figura 62. Na figura é possível

verificar um suave desvio no comportamento da dispersão pela presença do complexo Cu-

prolina. Quando o ligante está livre a curva de ORD mostra um comportamento normal de

dispersão, com diminuição da magnitude da rotação óptica em função do aumento do

comprimento de onda. Quando há a presença do complexo Cu-prolina a curva de ORD

mostra uma anomalia assumindo comportamento de aumento da rotação óptica com o

aumento do comprimento de onda, exceto para o ligante racêmico, pois esse não apresenta

atividade óptica.

Figura 62. Estudo comparativo entre as curvas de ORD dos aminoácidos livres e as curvas dos aminoácidos na presença do complexo das soluções dos enantiômeros e racêmico (0,1 mol L-1) na presença dos respectivos complexos de cobre (34 mmol L-1) obtidos com caminho óptico de 5 cm e temperatura ambiente, de 26°C.

A Figura 63 mostra as curvas de ORD e de absorção obtidos pelas soluções dos

complexos de Cu-prolina (Cu-(D)-prolina, Cu-(L)-prolina e Cu-(DL)-prolina) com caminho


106

óptico de 5 cm, temperatura ambiente de 26°C e água deionizada como referência. Na figura

é possível perceber que a absorção da radiação na presença de uma substância absorvente

foi tolerada pelo método empregado para determinação da rotação óptica, não ocorrendo

deformações nas curvas de ORD.

Outros experimentos anteriores a esse foram realizados utilizando soluções do

complexo de Cu-prolina, em diferentes concentrações e sem excesso do aminoácido. No

entanto, não obtiveram sucesso pela baixa repetibilidade do equipamento em baixas

rotações ópticas e pela influência da absorção nas curvas de ORD. Assim, o instrumento

ainda não apresenta uma relação sinal/ruído suficientemente alta para verificar o Efeito

Cotton como ocorre nos equipamentos comercialmente disponíveis.

Figura 63. Curvas de ORD e de absorção das soluções dos complexos Cu-prolina (Cu-(D)-prolina, Cu-(L)-prolina e Cu-(DL)-prolina) obtidos com caminho óptico de 5 cm, temperatura ambiente, 26°C, e água deionizada como referência.

3.2.3. Avaliação do espectropolarímetro na identificação de adulteração em méis

Uma avaliação do espectropolarímetro foi realizada com o objetivo de verificar

possibilidade de seu uso na indústria agrícola, no controle de qualidade de méis. Muitos


107

estudos são relatados na literatura utilizando diferentes técnicas com esse propósito.

Atualmente, a técnica de espectroscopia vibracional, quando associada às ferramentas

quimiométricas, está em avaliação quanto a eficiência na previsão de adulterações [72-77].

O mel pode ser definido como uma solução de açúcares, principalmente, frutose e

glicose e alguns especialistas em apicultura classificam o mel como uma solução de açúcar

invertido. A Tabela 10 mostra a composição majoritária do mel de abelha [72]. Avaliando os

valores das concentrações é possível perceber que a frutose é o componente majoritário

entre os açúcares e seu excesso torna o mel uma mistura com atividade óptica levorrotatória

e quando o mel sofre adulteração sua atividade óptica levorratória diminui, chegando em

alguns casos assumir atividade óptica dextrorrotatória. A composição do mel deve ser

expressa por meio de faixas de concentração em virtude do fato que sua composição de

açúcares está diretamente relacionada com sua origem natural, que impõe uma ampla

variabilidade.

Tabela 10. Faixa de concentração dos componentes majoritários do mel de abelha [72]

Componentes Faixa de concentração / %

(m/m)

Frutose 27,25 – 44,26

Glicose 22,03 – 40,75

Sacarose 0,25 – 7,57

Açúcares pesados 0,13 – 8,40

Água 13 – 23

O mel, por ser um produto de produção limitada e de alto valor comercial, tem sido

alvo de adulterações com objetivo de aumentar a quantidade do produto visando o lucro

ilícito. Os principais adulterantes utilizados são: açúcar invertido, melado de cana e xarope

de glicose [73,76].

O presente estudo consistiu em utilizar as curvas de ORD das amostras de méis puros

e adulterados e a Análise de Componentes Principais (PCA) [78] com a intenção de verificar


108

se seria possível o agrupamento em duas classes de amostras: puras e adulteradas. Com

esse objetivo, alíquotas de 17 amostras de méis naturais originadas de diferentes localidades

do Brasil, contemplando a diversidade de regiões, espécie de abelhas e floradas, sofreram

adulterações pelo acréscimo de açúcar invertido, melado de cana ou xarope de glicose em 3

níveis: 5%, 10% e 20% (m/m). O preparo de amostra foi realizado conforme descrito no item

2.4.2.

Inicialmente o método de preparo da amostra foi avaliado em relação ao

comportamento das curvas de ORD em função do seu estado físico: sólido (cristalizado) ou

líquido viscoso (fundida a 40°C).

A Figura 64 mostra os espectros de ORD de uma amostra de mel que se apresentava

no estado cristalizado, processada pelo método de clarificação com bentonita e carvão

ativado neste estado e após sua fusão. É possível observar que as medidas de rotação

óptica não são influenciadas de forma significativa pelo estado físico inicial da amostra, e,

portanto, as amostras dos méis foram preparadas seguindo o método sem a necessidade de

fundir amostras que estejam no estado cristalizado.

Figura 64. Curvas de ORD de uma amostra de mel em diferentes estados físicos, após clarificação, obtidos com caminho óptico de 5 cm e a temperatura ambiente de 26°C.


109

A repetitividade do método de preparo de amostra foi avaliada utilizando três alíquotas

de uma das amostras pura do grupo do estado de São Paulo (amostra G do estado de SP,

código: SP-G). As curvas de ORD das alíquotas são mostradas na Figura 65 e não

apresentam diferença significativa.

Figura 65. Curvas de ORD de três alíquotas de uma mesma amostra de mel.

É possível afirmar que o método de preparo das amostras é reprodutível e robusto,

pois as curvas de ORD das amostras em diferentes estados físicos não são afetados por

esta característica da amostra. Além disso, o processo de clarificação mostrou alta

repetitividade.

Depois que o método de preparo foi avaliado, as curvas de ORD das amostras de

méis puros e adulterados foram obtidos utilizando caminho óptico de 5 cm, à temperatura

ambiente de 26°C e empregando-se água destilada como referência.

A Figura 66 mostra a coletânea das curvas de ORD obtida para um conjunto de 9

amostras de méis naturais, de um total de 17 amostras analisadas. Optou-se por apresentar

apenas alguns espectros para observar melhor o seu comportamento.

Observando a Figura 65 é possível verificar que as amostras de méis não adulterados

apresentam uma alta variabilidade em suas concentrações de açúcares, fato esse que gera

curvas de ORD com diferentes magnitudes. Por exemplo, o mel SP_D possui o maior teor de

frutose em relação aos demais e a amostra PR_A possui o menor teor desse açúcar.


110

Figura 66. Curvas de ORD de nove amostras de méis oriundos dos estados de São Paulo, Minas Gerais, Piauí, Paraná e Ceará.

É possível que um mel não adulterado apresente rotações ópticas como uma

substância dextrorrotatória. Essa situação é explicada pela ocorrência do processo de

fermentação do mel, degradando-o em função das condições climáticas, como elevadas

temperaturas e umidade relativa do ar. Na Figura 66 é possível perceber que uma das

amostras de mel do estado do Ceará apresenta esta característica. Investigando sua origem,

foi verificado que o mel é oriundo de abelhas silvestres que construíram sua colmeia

praticamente à beira mar, em condições climáticas favoráveis à degradação do mel,

produzindo açúcares de cadeias longas e alterações de cor e sabor. Assim, essa amostra foi

retirada do grupo dos méis utilizados para a construção de modelos das classes por meio da

Análise de Componentes Principais (PCA).

Durante o estudo foi observado que algumas amostras de méis que sofreram

processo de adulteração possuem praticamente a mesma curva de ORD de amostras de

méis, mas que possuem naturalmente pequena atividade levorrotatória. Um exemplo desse

caso é mostrado da Figura 67, na qual são mostrados curvas de ORD de uma amostra

originada do estado do Piauí, natural e adulterada, e dentro desse conjunto, uma amostra


111

originada do estado do Paraná, destacada pela cor vermelha, a qual possui praticamente a

mesma atividade óptica de uma amostra do mel do Piauí, que foi adulterada.

Figura 67. Estudo comparativo entre as curvas de ORD de uma amostra de mel natural do estado do Piauí com seus respectivos adulterantes e de uma amostra natural, de baixa atividade óptica, oriunda do estado do Paraná, destacada pela cor vermelha.

Esperava-se que os “scores” obtidos pela PCA do conjunto total de amostras de méis,

mostrados na Figura 68, permitisse distinguir as curvas de ORD de méis naturais, através

das pequenas diferenças entre os perfis, dos méis que sofreram adulteração. No entanto, foi

verificado que as amostras foram distinguidas apenas pela magnitude da sua atividade

óptica levorrotatória, de tal forma que foram posicionados de maneira decrescente da

esquerda para direita em relação a primeira componente principal, que explica praticamente

toda a variabilidade presente nos dados. Este comportamento sugere também que as curvas

de ORD são altamente correlacionadas entre si.

A PCA permite localizar as amostras naturais de méis e suas respectivas

adulterações, sendo essas últimas sempre posicionadas do lado direito da amostra natural.

No entanto, em virtude da grande variabilidade natural dos teores dos açúcares presentes


112

nos méis, as amostras não adulteradas se misturam com as amostras adulteradas impedindo

a sua classificação correta.

Na Figura 67, três amostras estão indicadas por um círculo de cor azul para indicar

que uma amostra natural (PR_A (P)) possui a mesma atividade óptica de duas amostras que

sofreram adulterações (MG_A(M20) e MG_A(K20)).

Assim, pode-se afirmar que as curvas de rotação óptica não contêm informações

suficientes para diferenciar amostras adulteradas de não adulteradas.

Figura 68. Análise de Componentes Principais (PCA) dos espectros de ORD de 5 amostras de méis, naturais e adulterados, originados de diferentes estados do Brasil.


113

Embora os resultados obtidos demonstrem a impossibilidade de utilização das curvas

de ORD para a identificação de amostras adulteradas de mel, é possível que seu uso possa

se dar quando um universo restrito de amostras de méis, para as quais a variabilidade

natural de composição seja mais restrita tornando a adulteração, mesmo em níveis baixos,

detectável. Este seria o caso do uso do equipamento desenvolvido por uma cooperativa de

apicultores que comercializa somente méis de uma determinada região.

Na literatura são descritos métodos de identificação de adulterações de méis

empregando espectroscopia vibracional associada às ferramentas quimiométricas. Embora a

natureza da informação analítica obtida por essas técnicas seja muito diferente daquela

empregada neste estudo, observa-se que as conclusões são, na maioria das vezes, obtidas

com o uso de um conjunto restrito de amostras, que não contempla a variabilidade

evidenciada neste estudo [74-77].


114

4. Conclusões e Perspectivas

115


“... Um toque de sonhar sozinho

te leva a qualquer direção.

De flauta, remo ou moinho.

De passo a passo, passo...”.

Luis Melodia


116


117

4.1. Polarimetria

O polarímetro desenvolvido neste trabalho apresenta diversas vantagens em relação

aos equipamentos disponíveis comercialmente: 1) Possui um número menor de

componentes; 2) Seus componentes são dispostos em menor espaço, tornando-o mais

compacto; 3) Obtém medidas em amostras absorventes; 4) Não necessita mover nenhum

componente para realizar a medida de rotação óptica, tornando-o mais robusto e

antecipando seu uso em análise de processos ou em linha de produção; 5) Emprega um

método de medição da rotação óptica praticamente imune a flutuações da fonte de radiação,

o que favorece seu uso por longos períodos de tempo, sem perda de precisão e exatidão.

As aplicações do instrumento podem ser previstas em diversas áreas, as quais

incluem desde a pesquisa básica em universidades até o controle de qualidade na indústria

quando introduzido em uma linha de produção. É capaz de monitorar reações

enantiomericamente seletivas, o que é de grande importância na pesquisa básica, por

auxiliar a otimização de reações em tempo real. Além disso, prevê-se sua aplicação na

determinação de princípios ativos de produtos farmacêuticos constituídos por moléculas

quirais.

O polarímetro foi objeto de um pedido de patente de invenção junto ao Instituto

Nacional de Propriedade Industrial (INPI), número de registro BR 102012007414, com título

“Dispositivo, Método de Determinação de Rotações Ópticas e Uso”.

Atualmente o protótipo do instrumento, em sua versão que emprega um cristal de

Wollaston, está sendo avaliado pela Empresa Brasileira de Pesquisas Agropecuárias

(EMBRAPA) na unidade de Milho e Sorgo, Sete Lagoas – MG, no estudo do melhoramento

genético do sorgo sacarino, visto como uma alternativa de matéria prima para produção de

etanol combustível durante a entressafra da cana-de-açúcar. O equipamento é utilizado para

se obter medidas de POL para alimentar com dados um modelo de calibração multivariada,

que está sendo construído, empregando espectroscopia na região do infravermelho próximo.


118

O polarímetro desenvolvido é um instrumento que apresenta grande potencial de uso

industrial, tanto pelas características analíticas que possui quanto por sua viabilidade

econômica. Podendo ser, futuramente, um equipamento competitivo com os instrumentos

atualmente disponíveis comercialmente. De fato, tecnologia já está sendo licenciada para

uma indústria nacional de equipamentos científicos que deverá, em breve, produzir o

instrumento e comercializá-lo.

4.2. Espectropolarimetria

O espectropolarímetro construído neste trabalho proporcionou um avanço instrumental

aos equipamentos polarimétricos, com as características não encontradas em nenhum

equipamento disponível comercialmente, permitindo a medida de rotação óptica e absorção

de forma simultânea.

O instrumento fornece medidas de rotação ópticas e de absorção obedientes às leis

de Biot e Beer, respectivamente, de tal maneira que permite desenvolver métodos de

calibração, como realizado no polarímetro, para determinações quantitativas de espécies

opticamente ativas e absorventes. O instrumento mostrou-se pouco sensível ao Efeito

Cotton, o que ainda não permite seu emprego em estudos de elucidação estrutural. Neste

caso, um esforço adicional ainda se faz necessário para melhorar a relação sinal/ruído do

equipamento e torná-lo menos susceptível as pequenas diferenças de comprimento de onda

apresentadas pelos dois feixes difratados pelo AOTF, quando a amostra contém substâncias

absorventes. O uso de uma configuração alternativa para os componentes do instrumento

pode contribuir para esta melhoria, conforme proposto.

A aplicação do espectropolarímetro na determinação da qualidade de méis evidenciou

uma limitação das medidas de rotação óptica, decorrente da sua baixa seletividade. No

entanto, pode-se prever o seu uso em situações mais controladas e restritas, nas quais a

variabilidade do produto natural (mel) não adulterado se mantém dentro de uma faixa

tolerável.

5. Referências Bibliográficas

119



120


121

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