Espectroscopia de UV-Vis e Fluorescência

Universidade Federal de São CarlosUniversidade Federal de São CarlosCentro de Ciências Exatas e SustentabilidadeCentro de Ciências Exatas e Sustentabilidade

Pós-Graduação em Ciências dos MateriaisPós-Graduação em Ciências dos Materiais

Espectroscopia de Absorção no UV-vis Espectroscopia de Absorção no UV-vis e Espectroscopia de Fluorescênciae Espectroscopia de Fluorescência

Tamyris Paschoal PereiraProfª. Drª. Marystela Ferreira

Prof.Dr. Antonio Rui

Novembro de 2013

Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia

• Medidas baseada na luz e na radiação eletromagnética;

Luz Incidente Luz Incidente Luz TransmitidaLuz Transmitida

Luz Absorvida Luz Absorvida

Figura 1 – Feixe de luz incidente e transmitido.


• Onda EletromagnéticaOnda Eletromagnética


Figura 2 – Representação de uma onda eletromagnética.

• Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética


• Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética

Energia de um fóton é diretamente proporcional Energia de um fóton é diretamente proporcional a sua frequência.a sua frequência.

E = E = hhυυ = = hhc/c/λλ

h=h= constante de Planck constante de Planckλλ= comprimento de onda= comprimento de ondac= concentração da amostrac= concentração da amostra


Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia• Espectro EletromagnéticoEspectro Eletromagnético

Figura 3 – Espectro Eletromagnético. [6]

• Medidas EspectroscópicasMedidas Espectroscópicas

• AbsorçãoAbsorção• EmissãoEmissão

Interação da Radiação com a MatériaInteração da Radiação com a Matéria

Figura 4 – Métodos de Absorção e Emissão. [6]

• Absorção da RadiaçãoAbsorção da Radiação

Cada espécie molecular é capaz de absorver Cada espécie molecular é capaz de absorver em frequências características da radiação em frequências características da radiação eletromagnética.eletromagnética.

Excitação dos elétrons. Excitação dos elétrons.

Transições eletrônicas, vibracionais e Transições eletrônicas, vibracionais e rotacionais.rotacionais.

Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis

• Absorção AtômicaAbsorção Atômica

Feixe de radiação policromática que passa Feixe de radiação policromática que passa através de um meio contendo átomos no estado através de um meio contendo átomos no estado gasoso.gasoso.

Ocorre através da absorção de um fóton por Ocorre através da absorção de um fóton por radiação radiação →→ Transição eletrônicaTransição eletrônica



• Absorção MolecularAbsorção Molecular

Transição EletrônicaTransição EletrônicaMoléculas que Moléculas que

apresentam elétrons apresentam elétrons que podem ser que podem ser

promovidos a níveis promovidos a níveis de energia maiores de energia maiores através da absorção através da absorção

de energia de energia Figura 5 – Transição eletrônica por absorção. [6]

• Absorção MolecularAbsorção Molecular

Transições Vibracionais e Transições Vibracionais e Rotacionais Rotacionais

Níveis discretos de Níveis discretos de energias são absorvidos energias são absorvidos através de vibrações e através de vibrações e rotações das moléculasrotações das moléculas


Figura 6 – Transições Vibracionais e Rotacionais. [6]

Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis

Transições Transições

Vibracionais e Vibracionais e

RotacionaisRotacionais

Transições Transições

EletrônicasEletrônicas

Figura 7 – Transição eletrônica, vibracional e rotacional. [6]

Lei de Lambert-BerrLei de Lambert-BerrDeterminação da quantidade de luz absorvida Determinação da quantidade de luz absorvida

pela matéria.pela matéria.

Absorbância = log (PAbsorbância = log (Poo/P) = /P) = εε.b.c.b.c

Limitações da Lei de BeerLimitações da Lei de BeerDesvios reaisDesvios reaisDesvios instrumentaisDesvios instrumentaisDesvios químicosDesvios químicos


• Lei de Beer-LambertLei de Beer-Lambert


Figura 8 – Perdas por reflexão e espalhamento. [2]

• Absorção por Compostos Orgânicos Absorção por Compostos Orgânicos CromóforosCromóforos


Tabela 1 – Classificação de cromóforos [2]

• Absorção por Compostos Inorgânicos Absorção por Compostos Inorgânicos Os íons e os complexos dos elementos de transição,

absorvem as bandas largas da radiação visível em pelo menos um dos seus estados de oxidação e são, coloridos.

• Absorção por Transferência de CargaAbsorção por Transferência de CargaEsse tipo de complexo consiste em um grupo doador

ligado a um receptor de elétron. Quando absorve radiação, um elétron do doador é transferido para um orbital que está altamente relacionado com o receptor.


• Análise Qualitativa - Análise Qualitativa - Soluções DiluídasSoluções DiluídasSolventeSolventePolaridadePolaridadeEfeito da largura da fendaEfeito da largura da fendaEspalhamentoEspalhamento

• Análise Qualitativa Análise Qualitativa Qualquer composto que tenha grupos Qualquer composto que tenha grupos

cromóforos, pode ser determinado por cromóforos, pode ser determinado por espectroscopia.espectroscopia.


• Espectros de AbsorçãoEspectros de Absorção


Figura 9 – Espectro de absorção da clorofila e caratenóides. [6]

• Espectros de AbsorçãoEspectros de Absorção


Figura 10 – Espectros de absorção em diferentes condições. [2]

• A fluorescência ocorre em sistemas químicos, A fluorescência ocorre em sistemas químicos, gasosos, líquidos e sólidos simples e em gasosos, líquidos e sólidos simples e em sistemas complexos.sistemas complexos.

• O fóton absorvido perde energia por inúmeras O fóton absorvido perde energia por inúmeras vibrações microscópicas, vibrações microscópicas,

λλ emissaoemissao>>λλ absorção, absorção,

Deslocamento de Stoke.Deslocamento de Stoke.

Espectroscopia de Fluorescência Espectroscopia de Fluorescência


a)a) Estado fundamental Estado fundamental singletesinglete

b)b) Estado excitado Estado excitado singletesinglete

c)c) Estado excitado Estado excitado tripletetriplete

Figura 11 – Estados de singlete, singlete excitado e triplete. [6]

• Emissão por RadiaçãoEmissão por Radiação

Espécie excitada é muito curto e o relaxamento Espécie excitada é muito curto e o relaxamento para o nível de energia menor (estado para o nível de energia menor (estado fundamental), ocorre com liberação do excesso fundamental), ocorre com liberação do excesso de energia na forma de radiação de energia na forma de radiação eletromagnética ou de calor.eletromagnética ou de calor.


Figura 12 – Emissão por radiação. [6]

• Fluorescência AtômicaFluorescência AtômicaQuando um átomo é promovido a um estado Quando um átomo é promovido a um estado

excitado, por meio de uma radiação em um excitado, por meio de uma radiação em um determinado comprimento de onda, a relaxação determinado comprimento de onda, a relaxação pode então ocorrer por reemissão de radiação pode então ocorrer por reemissão de radiação fluorescente de comprimento de onda idêntico.fluorescente de comprimento de onda idêntico.

Se os comprimentos de onda de excitação e de Se os comprimentos de onda de excitação e de emissão são os mesmos, a emissão resultante é emissão são os mesmos, a emissão resultante é chamada de chamada de fluorescência ressonantefluorescência ressonante.


• Fluorescência MolecularFluorescência Molecular

Relaxação não-radioativaRelaxação não-radioativaDesativação vibracional ocorre devido a colisões.Desativação vibracional ocorre devido a colisões.

Emissão por FluorescênciaEmissão por FluorescênciaEstruturas características que diminuam a Estruturas características que diminuam a

velocidade dos processos de relaxação não-velocidade dos processos de relaxação não-radioativos e que tenha maior velocidade de radioativos e que tenha maior velocidade de relaxação por fluorescência.relaxação por fluorescência.



Figura 13 – Processos de absorção, relaxação e fluorescência. [6]

• Fluorescência e EstruturaFluorescência e Estrutura

Compostos que contenham anéis aromáticos, Compostos que contenham anéis aromáticos, carbonílicos alicíclicos e alifáticos, estruturas de carbonílicos alicíclicos e alifáticos, estruturas de ligações duplas conjugadas e heterocíclicos.ligações duplas conjugadas e heterocíclicos.

Ocorrência de deslocamentos no comprimento Ocorrência de deslocamentos no comprimento de onda de absorção e alterações nos picos de de onda de absorção e alterações nos picos de fluorescência.fluorescência.

Afeta a eficiência da fluorescência.Afeta a eficiência da fluorescência.



Fluoresceína

Não apresentam Não apresentam fluorescênciafluorescência

Apresentam Apresentam fluorescênciafluorescência

Fonte das imagens: [2]


Fonte da imagem: [7]

• Efeito da Rigidez EstruturalEfeito da Rigidez Estrutural Moléculas rígidas tendem a fluorescer.Moléculas rígidas tendem a fluorescer.


Apresenta fraca Apresenta fraca fluorescênciafluorescência

Apresenta forteApresenta fortefluorescênciafluorescência


• Efeito do Solvente e da TemperaturaEfeito do Solvente e da Temperatura

A eficiência quântica diminui com o aumento da A eficiência quântica diminui com o aumento da temperaturatemperatura por causa do aumento da frequência por causa do aumento da frequência das colisões ocasionando conversões externas.das colisões ocasionando conversões externas.

A fluorescência é diminuída por solventes A fluorescência é diminuída por solventes contendo contendo átomos pesados.átomos pesados.


• Efeitos do pHEfeitos do pHEspécies de ressonância que estão relacionadas Espécies de ressonância que estão relacionadas

às formas ácidas e básicas das moléculas.às formas ácidas e básicas das moléculas.


Apresentam Apresentam fluorescênciafluorescência

Não apresentam Não apresentam fluorescênciafluorescência


• Efeito da ConcentraçãoEfeito da ConcentraçãoUm gráfico de potência de fluorescência de uma Um gráfico de potência de fluorescência de uma

solução solução versusversus a concentração das espécies a concentração das espécies emissoras deve ser linear para baixas emissoras deve ser linear para baixas concentrações. concentrações.

• Desvio de LinearidadeDesvio de Linearidade Concentração das moléculas emissores forem Concentração das moléculas emissores forem

grandes e a absortividade > 0,05 grandes e a absortividade > 0,05 →→ perca de perca de linearidade. linearidade.


• Desvio de LinearidadeDesvio de LinearidadeDesvios negativos na linearidade.Desvios negativos na linearidade.

Auto-supressãoAuto-supressãoColisões entre moléculas excitadas provocam a Colisões entre moléculas excitadas provocam a

transferência de energia não-radiativa.transferência de energia não-radiativa.

Absorção secundáriaAbsorção secundáriaOcorre quando Ocorre quando λλemissãoemissão coincide com algum coincide com algum

λλabsorçãoabsorção..


• Espectro de Emissão e ExcitaçãoEspectro de Emissão e Excitação


Figura 14 – Espectro de Excitação (a) e Emissão (b). [2]

Fonte de radiaçãoFonte de radiaçãoLâmpadas de tungstênio, deutério e xenônio.Lâmpadas de tungstênio, deutério e xenônio.

MonocromadorMonocromadorIsola a banda de comprimento de onda desejada - Isola a banda de comprimento de onda desejada -

somente essa banda de interesse é detectada e somente essa banda de interesse é detectada e medida.medida.

Recipiente de amostrasRecipiente de amostras Cubetas de quartzo.Cubetas de quartzo.

Componentes de um Componentes de um EspectrofotômetroEspectrofotômetro

Figura 15 – Cubeta de Quartzo. [7]


DetectorDetector• Um detector produz um sinal elétrico quando é Um detector produz um sinal elétrico quando é

atingido por fótons. atingido por fótons.

• A resposta de um detector é a função do A resposta de um detector é a função do comprimento de onda da radiação incidente.comprimento de onda da radiação incidente.

• A informação de interesse é codificada e A informação de interesse é codificada e processada como um sinal elétrico.processada como um sinal elétrico.


Detector Detector • Tipos de DetectorTipos de Detector

• TransdutorTransdutor = um tipo de detector que converte = um tipo de detector que converte quantidades, como a intensidade da luz, pH, quantidades, como a intensidade da luz, pH, massa e temperatura em sinais elétricos.massa e temperatura em sinais elétricos.

FotoemissãoFotoemissão FotoconduçãoFotocondução


Detector Detector • Tipos de DetectorTipos de Detector

• Os tipos de detectores de fótons mais usados Os tipos de detectores de fótons mais usados são:são:

• FototubosFototubos• FotomultiplicadoresFotomultiplicadores

• Fotodiodos de silício Fotodiodos de silício • Arranjo de fotodiodosArranjo de fotodiodos


Medidas de

Medidas de

Absorbância

Absorbância

Medidas de

Medidas de Fluorescência

Fluorescência


Instrumentos para UV-VisInstrumentos para UV-Vis

Feixe únicoFeixe único

Feixe DuploFeixe Duplo


Instrumentos para FluorímetroInstrumentos para Fluorímetro

Figura 16 – Instrumento usado para Espectroscopia de Fluorescência. [2]

• Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis

As técnicas de espectrofotometria são muito As técnicas de espectrofotometria são muito eficientes e úteis, pois apresenta aplicabilidade eficientes e úteis, pois apresenta aplicabilidade ampla, alta sensibilidade, seletividade entre ampla, alta sensibilidade, seletividade entre moderada e alta, baixa exatidão, facilidade e moderada e alta, baixa exatidão, facilidade e conveniência.conveniência.

A espectroscopia de absorção de UV-Vis é uma A espectroscopia de absorção de UV-Vis é uma das ferramentas mais utilizadas para análises das ferramentas mais utilizadas para análises quantitativas e qualitativas.quantitativas e qualitativas.

AplicaçõesAplicações

• Espectroscopia de FluorescênciaEspectroscopia de Fluorescência Muito se tem utilizado a técnica na identificação de Muito se tem utilizado a técnica na identificação de

derramamentos de petróleo. derramamentos de petróleo.

São usados também para estudar equilíbrios São usados também para estudar equilíbrios químicos e cinéticos. químicos e cinéticos.

Soluções de pequenas concentrações também Soluções de pequenas concentrações também são possíveis de serem estudadas através da são possíveis de serem estudadas através da fluorescência, pois é um método bastante sensível.fluorescência, pois é um método bastante sensível.

AplicaçõesAplicações

[1] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. WEST, D.M[1] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. WEST, D.M. . Fundamentos de Química Analítica.Fundamentos de Química Analítica. 6ª edição. São Paulo: Editora 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p.Bookman, 2009. 1055p.[2] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. [2] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. Princípios de Análise Princípios de Análise Instrumental.Instrumental. 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p. 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p.[3] HARRIS, C.D[3] HARRIS, C.D. Análise Química Quantitativa. Análise Química Quantitativa. 6ª edição. Rio de . 6ª edição. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2005. 876 p. Janeiro: Editora LTC, 2005. 876 p. [4] SANTOS, N.D. NEVES, N.G. BRANCO, C.N.R. [4] SANTOS, N.D. NEVES, N.G. BRANCO, C.N.R. Espectroscopia na Espectroscopia na região do ultravioleta/visívelregião do ultravioleta/visível. Universidade Federal do Pará. Belém: 2010. . Universidade Federal do Pará. Belém: 2010. 26p.26p.[5] Disponível em [5] Disponível em http://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.htmlhttp://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.html acessado acessado em 19/11/2013.em 19/11/2013.[6] JULIANO, F. V. Introdução aos Métodos Espectroanalíticos II.[6] JULIANO, F. V. Introdução aos Métodos Espectroanalíticos II.[7] Disponível em <[7] Disponível em < http://www.caseanalitica.com.br/cubetas.php http://www.caseanalitica.com.br/cubetas.php>

Referências BibliográficasReferências Bibliográficas

http://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.html

http://www.caseanalitica.com.br/cubetas.php

Technology

Espectroscopia de UV-Vis e Fluorescência