Métodos usados em análise de alimentos Colorimetria Turbidimetria

Transcrição

16/09/2015
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Métodos usados em análise de alimentos
Colorimetria
Turbidimetria
Absorção no Ultravioleta, Vísivel e Infravermelho
Fluorimetria
Absorção atómica e Emissão de Chama
Ressonância Magnética Nuclear
Espectroscopia de massa
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Espectrometria
Radiação electromagnética
ondas electromagnéticas
2 campos oscilantes
eléctrico
magnético
orientados em ângulo recto na direcção da propagação
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Espectrometria
propaga-se a velocidade constante
depende do índice de refracção do meio que atravessa
comprimento de onda (l) depende da frequência (n),
da velocidade da luz (c) e do índice de refracção
do meio (h)
l
c
hn
c – velocidade da luz
3x1010 cm/seg
4
Espectrometria
ondas electromagnéticas formadas por fotões
energia de um fotão
E  hn
E
hc
h – constante de Planck
6.624x10-27 erg.seg
hl
quanto menor o comprimento de onda, maior a
quantidade de energia necessária para a
absorção
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Espectrometria
requisitos para que uma molécula absorva radiação:
radiação incidente deve ter a mesma frequência que a
frequência rotacional, vibracional, electrónica ou
nuclear da molécula
molécula deve ter um dipolo permanente ou um dipolo
induzido
energia absorvida deve promover uma transição,
rotação ou vibração
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Espectrometria
estado fundamental
átomo ou molécula no seu nível energético mais baixo
(mais estável)
estado excitado
quando um átomo ou molécula possuem uma energia
superior à mínima
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Espectrometria
espectro de absorção
quando uma molécula absorve energia (radiação,
colisão) e passa do estado fundamental ao
excitado
espectro de emissão
quando a molécula cede o excesso de energia e volta
ao estado fundamental
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Espectrometria
técnicas de absorção de radiação UV e Vísivel baseiam-se
na radiação de ressonância
e- excitado pode passar de um nível de menor energia
para outro de maior energia
tendência para voltar ao normal, emitindo energia
em excesso
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Espectrometria
radiação de raios X
maior energia de excitação pode provocar a saída de
um e- interno
lugar será preenchido por outro e- de um nível
superior
radiação infravermelha e de microondas
moléculas possuem energia interna associada a
rotações das moléculas e vibrações entre os
átomos que formam a molécula
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Espectrometria
Espectro electromagnético
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Espectrometria
raios cósmicos e raios g
0–1ː
transições nucleares
raios X
1 ː - 10 nm
e- das camadas internas
UV distante
100 – 200 nm
ionização de átomos e moléculas
e- da camada do meio
UV
200 – 400 nm
transições dos e- de valência
Visível
400 – 700 nm
transições dos e- de valência
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Espectrometria
IV próximo
700 – 2000 nm
vibrações moleculares
IV
2000 nm - 25000 nm
vibrações moleculares
IV afastado
25 – 500 mm
rotações moleculares
Microondas
500 mm – 3 cm
rotações de grupos
Ressonância electrónica de spin (ESR)
3 cm – 5 m
orientação do spin
Ressonância magnética nuclear (NMR)
5 – 30 m
orientação do spin
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Espectrometria
Espectrometria de absorção electrónica
transições dos e- da camada de valência
amostra atravessada por radiação contínua de luz branca
intensidade de radiação decresce, de modos diferentes,
para diferentes comprimentos de onda
radiação emergente pode ser colorida (Vísivel) ou
incolor (UV)
radiação absorvida é uma característica da amostra
absorvente
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Espectrometria
Colorimetria
transformar uma substância incolor ou pouco colorida
numa colorida, através de reacções químicas
permite analisá-la
absorção de radiação medida em espectrofotómetros ou
colorímetros
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Espectrometria
Turbidimetria
também chamada nefelometria
mede absorção da radiação incidente numa amostra devido
à sua turvação
intensidade da turvação proporcional à quantidade do
componente que está a ser medido
utiliza equipamento semelhante ao da colorimetria
usada para estudar líquidos que tenham uma 2ª fase em
suspensão
fase suspensa dispersa a luz
em geral, mede-se intensidade da luz dispersa
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Espectrometria
Turbidimetria
sistemas estudados:
concentrações de gás ou bolhas de ar em solução
emulsões de óleo ou gordura
partículas sólidas em suspensão
permite determinar concentrações, mas também
distribuição do tamanho das partículas
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Espectrometria
Turbidimetria
pode ser medida por 2 métodos:
1)mesma configuração que em colorimetria
intensidade da luz emergente atenuada por um
mecanismo de “bloqueio”
2)detector montado a 90º relativamente à luz incidente
captura a radiação dispersa
1) Nefelometria; 2) Turbidimetria
utilização indiferenciada
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Espectrometria
Turbidimetria
soluções turvas têm tempo de vida limitado
medidas e resultados dependem do tempo
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Espectrometria
radiação no UV e visível apenas afecta os e- que formam as
ligações
3 tipos de e-:
s – ligações simples
p – ligações duplas
n – e- não ligantes (elementos electronegativos –
O, S)
s*
Antiligante
n ↓ s*
Energia
p*
Antiligante
n↓
n
p*
Não ligante
p ↓ p*
p
Ligante
s ↓ s*
s
Ligante
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Espectrometria
ligações s muito fortes
transição s ↓ s* dá-se no UV do vácuo
compostos saturados – hidrocarbonetos
transições n ↓ s* dão-se no UV do vácuo
compostos com e- não ligantes – cloreto de
metilo
ligações p são mais fracas
transição p ↓ p* dá-se no UV e Visível
transições n ↓ p* dão-se no UV próximo e Visível
compostos com ligações duplas conjugadas
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Espectrometria
ordem energética das transições electrónicas
s ↓ s* >> n ↓ s* > p ↓ p* > n ↓ p*
cromóforos
compostos que absorvem radiação UV/Visível
possuem ligações duplas (p) conjugadas
transições electrónicas p ↓ p*
transições n ↓ p* não seguem regras de
selecção
espectros com fraca intensidade
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
absorção de radiação por interacção com moléculas da
matéria pode variar de intensidade
absorção medida através da radiação transmitida
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
quando encontra uma molécula, radiação pode ser:
refractada
reflectida
difundida
radiação totalmente reemitida em todas as
direcções, de modo uniforme
produzir fluorescência
parte da energia absorvida é retida pela
amostra
radiação reemitida tem menor energia (> l)
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
desprezando fenómenos de reflexão, difusão e
fluorescência:
T
I
I0
T - transmitância
I0 – radiação incidente
I – radiação transmitida
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
absorvância é o log do inverso da transmitância
A  log
I
1
 log 0
T
I
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
passagem de um feixe de radiação monocromática num nº
sucessivo de moléculas absorventes idênticas resulta na
absorção de fracções iguais da energia radiante que as
atravessa

dI x dS

Ix
S
fracção absorvente da radiação (I) é igual à secção S
absorvida
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
dS proporcional ao nº de moléculas absorventes na secção
transversal
dS  k .dn
I

I0
se
S
dI x n k .dn

Ix 0 S
V
b
I 
n
 ln    k
S
 I0 
I 
nb
 ln    k
V
 I0 
V = volume do bloco
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
substituindo n e V por c (concentração) e –ln por log e
incluindo a constante e (absortividade ou coeficiente de
extinção molar)
e é uma característica de cada composto
I 
log    e bc  A
 I0 
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
A de uma solução directamente proporcional à
concentração da espécie absorvente, para um
comprimento de percurso fixo
lei de Beer-Lambert válida se:
radiação incidente é monocromática
centros absorventes actuam independentemente uns
dos outros no processo de absorção
absorção ocorre numa secção transversal uniforme
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Espectrometria
Lei de Beer-Lambert
desvios à lei de Beer-Lambert:
químicos
mudanças na concentração da solução por
interacção das moléculas do soluto entre si e
com o solvente
associação ou dissociação
trabalhar com soluções diluídas (<0.01 M) para
evitar
instrumentais
radiação não monocromática
sinal do detector não linear nem proporcional à
concentração da solução
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Espectrometria
Análise qualitativa
identificação tentativa do composto através da comparação
com padrões de:
valor de lmax
perfil do espectro total
lmax afectado pela natureza do solvente
solvente tem que ser transparente na região
espectral
necessária confirmação por métodos
complementares
compostos diferentes com lmax idênticos e
perfis muito semelhantes
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Espectrometria
Análise quantitativa
quantidade de composto medida pelo valor da absorvância
máxima
escolher l em que e seja máxima
variação na absorvância para uma dada mudança
de concentração será maior
efeito relativo de outras substâncias e impurezas é
minimizado
mudança de absorvância com l é menor
espectro de absorção médio não afectado por
pequenos erros no ajuste de l
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Espectrometria
exemplos
cálculo da concentração numa amostra em que e é
conhecido
aplicação directa da lei de Beer-Lambert
c
A
eb
solução de Co(H2O)2+ tem uma absorvância de 0.20
a 530 nm numa célula de 1.00 cm.
e = 10 L mol-1 cm-1
c
0.20
 0.020 M
10 x1.00
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Espectrometria
cálculo da concentração numa amostra em que e é
desconhecido
fazer recta padrão
constrói-se recta com pelo menos 4
concentrações diferentes
coloca-se no gráfico o valor da absorvância
máxima da amostra
tira-se a concentração do composto analisado
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Espectrometria
necessário verificar linearidade da resposta em
relação à curva padrão
acima de uma certa concentração a relação
A vs. c deixa de ser linear
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Espectrometria
absorvância de uma solução de MnO4- é 0.500 a
525 nm. Em condições idênticas, uma solução de
MnO4- com concentração 1.0x10-4 M tem uma
absorvância de 0.200.
cálculo da concentração desconhecida
0.500 e bcdesc.

0.200 e b104
cdesc.  2.5x104 M
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Espectrometria
problemas de interferência na medida da
absorvância
2 compostos com lmax igual ou próximo
absorvância é aditiva
interferência de um composto sobre o
outro
necessário separar os compostos
cromatografia
…
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Espectrometria
exemplo
cálculo da concentração de um complexo metalreagente (MR) que absorve a 522 nm
(e = 1.18x104)
solução também contém R em excesso 1.00x10-4 M
(e = 5.12x102 a 522 nm)
absorvância total a 522 nm = 0.727
0.727  1.18x104.cMR  5.12x102.104
cRM  5.72x105 M
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Espectrometria
exemplo
2 complexos metálicos (X e Y)
Al1 = 0.533, Al2 = 0.590
em l1
0.533  3.55x103.cX  2.96x103.cY
em l2
0.590  5.64x102.cX  1.45x104.cY
5.64x102.  0.533  2.96x103.cY 
0.590 
 1.45x104.cY
3.55x103
cY  3.60x105 M
cX  1.20x104 M
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Espectrometria
Equipamentos
Colorímetros
simples e fotoeléctricos aplicados apenas na região
Visível
Absorciómetros
inclui a classe dos colorímetros, mas podem ser usados
noutras regiões do espectro
regiões selecionadas por filtros ópticos
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Espectrometria
Equipamentos
Espectrofotómetros
usa uma banda mais estreita de comprimento de onda
seleccionada por um monocromador
feixe simples
simples e barato
apresenta erros devido a flutuações de voltagem e
interferências do solvente
não regista espectro
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Espectrometria
Equipamentos
feixe duplo
mais sofisticado e caro
não apresenta os erros encontrados no de feixe
simples
regista espectro da amostra
fonte de radiação dividida em 2 feixes
um feixe passa na célula de referência onde
fica o solvente puro
outro feixe passa na célula da amostra
efeitos da fonte ou do solvente
registado por ambas as células
detector mede a diferença entre ambos
os sinais
espectro apenas da amostra
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Espectrometria
Equipamentos
componentes básicos
fonte
lâmpada com descarga de hidrogénio
utilizada na região UV (185 – 370 nm)
lâmpada de tugsténio
utilizada na região visível (350 - 2000 nm)
atenuador ou fenda
diminui largura do feixe da fonte, deixando
passar apenas o comprimento de onda
de interesse
passa por uma fenda estreita
fenda demasiado grande – passa radiação em
excesso, provocando desvio à lei de
Beer-Lambert (radiação não
monocromática)
fenda demasiado estreita – diminuição da
intensidade da radiação e perca de
sensibilidade
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Espectrometria
Equipamentos
monocromador ou filtro
selecciona uma banda ou comprimento de onda
rede de difracção
placa metálica polida (reflexão) ou de vidro
(transmissão) com ranhuras muito
próximas, paralelas e equidistantes
separação do feixe de radiação em
vários comprimentos de onda
seleccionados em função do tipo de
amostra
prisma
vidro (visível) ou quartzo (UV)
dispersa o feixe de radiação
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Espectrometria
Equipamentos
célula para amostra
amostras colocadas em células apoiadas em
porta-células, colocados num
compartimento
vidro ou plástico
região visível
quartzo
UV
mais eficientes
2 janelas paralelas
2 lados bem polidos
espessura mais comum – 1 cm
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Espectrometria
Equipamentos
detector
fotocélulas
detectam a quantidade de radiação
transmitida após passagem pela amostra
radiação transmitida provoca emissão
de e- a partir de uma superfície
sólida com um cátodo e um
ânodo
produção de corrente eléctrica
amplificador
fotomultiplicador
quando atravessado por um fotão,
amplifica a resposta para maior nº de e-
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Espectrometria
Equipamentos
registador
transforma sinal eléctrico que chega ao
detector e amplificador em energia
mecânica
regista um sinal
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Espectrometria
Solventes
Visível
qualquer líquido incolor
água destilada mais usada
UV
qualquer solvente que não absorva nesta região
sem ligações duplas conjugadas
água ou hidrocarbonetos saturados
elevada pureza
dissolver bem a amostra
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Espectrometria
Aplicações na análise de alimentos
absorção no Visível
pigmentos naturais
corantes artificiais
absorção no UV
conservantes
antioxidantes
caracterização de óleos e gorduras
grau de oxidação de óleos e gorduras
vitaminas A, B, C, E e K
pesticidas
micotoxinas
pectina e polissacáridos
50
Espectrometria
Aplicações na análise de alimentos
colorimetria
proteínas
aminoácidos
vitaminas A, B, C, D e E
carboidratos
metais
pesticidas
antioxidantes
caracterização de óleos e gorduras
grau de oxidação de óleos e gorduras
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Espectrometria
Emissão de radiação electromagnética
átomos, iões e moléculas podem ser excitados por diversos
processos
ao relaxar, libertam energia em excesso
relaxação pode resultar em emissão de radiação
electromagnética
emissão é característica da substância
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Espectrometria
tipos de espectro
riscas
espécies atómicas
riscas estreitas
diversas transições electrónicas e subníveis
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Espectrometria
bandas
compostas por diversas riscas
orbitais moleculares
estados vibracionais e rotacionais
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Espectrometria
contínuos
produzidos por aquecimento intenso de sólidos
luz emitida ao longo de um amplo intervalo de
energia
lmax é função da temperatura do material
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Espectrometria
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Espectrometria
luz produzida é directamente proporcional à concentração
das espécies a serem medidas
c=kI
c – concentração
I – intensidade da luz
k – constante de proporcionalidade
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Espectrometria
Espectroscopia atómica
absorção e emissão de radiação por átomos
obtêm-se espectros de riscas
utilização em análise elementar
qualitativa e quantitativa
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Espectrometria
pode ocorrer alargamento das riscas por:
efeito Doppler
durante a atomização/ionização, a amostra pode
aproximar-se ou afastar-se do detector
desvio de Doppler na risca
riscas espectrais que deveriam estar separadas de
1 – 5 nm, podem alargar até 100 vezes
efeito de pressão
colisão dos átomos da amostra com outras substâncias
permuta de energia
efeito aumenta com a temperatura
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Espectrometria
Emissão atómica
átomos promovidos a um nível energético elevado
ao decair emitem luz, que é medida
técnicas classificadas segundo fonte de excitação
fotometria de chama
fluorescência atómica
excitação eléctrica
emissão de plasma
permitem análises qualitativas e quantitativas
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Espectrometria
análise qualitativa
Emissão atómica
baseada na presença de riscas de emissão
específicas
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Espectrometria
análise quantitativa
Emissão atómica
baseada na medição da intensidade das
riscas de emissão
intensidade proporcional à
concentração
grande erro relativo
funciona melhor com metais
62
Espectrometria
fontes de excitação
Emissão atómica
eléctrica
eléctrodos de carbono de elevada pureza
arco – excitação eléctrica contínua
faísca – pequena rajada de excitação
T = 4000 – 8000 ºC para uma
faísca
15000 – 40000 V
disposição dos eléctrodos depende do
estado da amostra
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Espectrometria
chama
Emissão atómica
funciona melhor com elementos dos grupos
IA e IIA
mais fáceis de ionizar
amostras (líquidos ou gases)
introduzidos na chama por
aspiração
utiliza temperaturas relativamente
baixas (~2000 – 3000 ºC)
< 1 % dos átomos são ionizados
emissão de plasma permite
temperaturas mais
elevadas
64
Espectrometria
plasma
Emissão atómica
semelhante à fotometria de chama
gás inerte (geralmente Ar) excitado
ioniza a amostra
temperaturas mais elevadas
(> 103 K) permitem maior
sensibilidade
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Espectrometria
plasma acoplado por indução (ICP)
Emissão atómica
6000 – 8000 ºC
funciona melhor para elementos
com mais elevadas energias
de excitação
plasma acoplado directamente (DCP)
plasma por microondas
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Espectrometria
monocromador
Emissão atómica
círculo de Rowland
redes de elevada resolução devido
a riscas muito estreitas
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Espectrometria
detecção
Emissão atómica
olho, para sistemas mais simples
película
qualitativa – posição das riscas
quantitativa – grau de exposição
tubo fotomultiplicador
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Espectrometria
fotómetro de chama
Emissão atómica
sistema monocromador/detector mais
simples
menos espécies observáveis
construção semelhante a
espectrofotómetros de feixe
único
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Espectrometria
Emissão atómica
70
Espectrometria
Emissão atómica
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Espectrometria
Emissão atómica
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Espectrometria
Absorção atómica
absorção de luz por átomos no estado atómico livre
lei de Beer-Lambert
maioria dos átomos não passa ao estado excitado
com os processos de excitação atómica utilizados
método de análise dos átomos livres é mais
sensível
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Espectrometria
vantagens relativamente à emissão atómica
menos interferências
Absorção atómica
menor dependência da temperatura
melhores sensibilidade e rigor para maioria dos
elementos (gama de ppb)
desvantagens relativamente à emissão
só analisa metais
apenas análise quantitativa
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Espectrometria
Absorção atómica
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Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
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Espectrometria
equipamento
semelhante a espectrofotómetro de feixe simples
Absorção atómica
fontes
lâmpada de cátodo oco
fonte produz riscas de emissão específicas
para o elemento usado na construção do
cátodo
lâmpada de descarga sem eléctrodo
maior intensidade mas menor estabilidade
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Espectrometria
lâmpada de cátodo oco
lâmpada contém gás inerte (Ar, Ne)
Absorção atómica
aplicação de um potencial provoca
excitação do gás, deslocando-o para o
cátodo
metal passa ao estado excitado devido ao
contínuo bombardeamento pelo gás
após relaxar, produz riscas de emissão
atómica específicas
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Espectrometria
Absorção atómica
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Espectrometria
lâmpada de descarga sem eléctrodo
sal contendo o metal de interesse selado
Absorção atómica
num tubo de quartzo com um gás inerte
campo de radiofrequência excita o gás
gás excitado ioniza o metal
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Espectrometria
interruptor rotativo usado para dividir feixe de
luz em 2
Absorção atómica
reduz ruído da fonte
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Espectrometria
equipamento
métodos de atomização
Absorção atómica
exposição da amostra a temperaturas elevadas
atomização separa partículas em moléculas
individuais e estas em átomos
átomos no estado estacionário em forma
gasosa absorvem radiação
produzem um sinal proporcional à sua
concentração
82
Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
chama
líquidos e gases
C2H2 usado como combustível e ar ou N2O
como oxidantes
N2O produz uma chama mais quente,
mas mais ruidosa
requer amostras grandes (> 1 mL)
amostra continuamente consumida
limites de detecção elevados
pequena parte da amostra oxidada pela
chama a cada momento
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Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
sem chama (forno de grafite)
líquidos e sólidos
maior intensidade mas menor estabilidade
amostra colocada num tubo de carbono
aquecido por corrente eléctrica
maior tempo de residência da amostra
melhores sensibilidade e limite de
detecção
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Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
usado um programa de temperatura para
aquecer a amostra
secagem
50 – 200 ºC para remover solvente
carbonização
200 – 800 ºC para decompor a
matriz
atomização
aumento rápido até 2000 – 3000 ºC
em poucos segundos
recolha dos dados
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Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
Ar usado como gás de purga:
remoção de material em excesso
durante a secagem e
carbonização e após a
atomização
redução da oxidação do tubo
impede a reacção de C com N durante
a atomização
não se dá produção de cianogénio
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Espectrometria
equipamento
monocromador e detector
Absorção atómica
rede holográfica para resolver as riscas
detector habitual é um tubo fotomultiplicador
habitual usar um método para correcção do
“background”
bandas largas devidas a absorção ou
emissão molecular
correcção com D2 ou efeito de Zeeman
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Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
correcção com lâmpada de D2
luz da fonte e de uma lâmpada de D2
passam alternadamente pela
amostra
banda de luz da lâmpada de D2 que
atravessa a amostra é mais larga
diferença entre os 2 sinais dá a
correcção
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Espectrometria
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Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
limitações da correcção com lâmpada
de D2:
pode ocorrer sub- ou
sobrecorrecção, dependendo da
amostra
requer bom alinhamento das
lâmpadas
D2 funciona mal a > 350 nm
90
Espectrometria
equipamento
Absorção atómica
correcção com efeito de Zeeman
campo magnético forte aplicado à
amostra
separação dos níveis de energia
electrónica dos átomos
desloca-se o comprimento de onda
de absorção da amostra,
permitindo medir directamente o
ruído de fundo
45
16/09/2015
91
Espectrometria
interferências
absorção de radiação da fonte
Absorção atómica
elementos diferentes do analisado podem
absorver o comprimento de onda
utilizado
ionização
formação de iões em vez de átomos causa
menor absorção da radiação
podem adicionar-se supressores de
ionização
auto-absorção
átomos absorvem mais radiação no centro da
risca do que nos lados
provoca alteração na forma e intensidade
da risca
92
Espectrometria
interferências
absorção de fundo da radiação da fonte
Absorção atómica
presença de partículas resultantes de uma
atomização incompleta
problema reduzido por aumento da
temperatura da chama
transporte
velocidade de aspiração, nebulização ou
transporte da amostra
46
16/09/2015
93
Espectrometria
Absorção atómica
94
Espectrometria
Absorção atómica
47
16/09/2015
95
Espectrometria
Absorção atómica
96
Espectrometria
Absorção atómica
48
16/09/2015
97
Espectrometria
Absorção atómica
vs.
Emissão atómica
Absorção
Emissão
Mede concentrações reduzidas de metal em
matrizes complexas
Mede concentrações reduzidas de metal em
matrizes complexas
Depende do nº de átomos no estado
fundamental
Depende do nº de átomos excitados
Mede a radiação absorvida por átomos no
estado fundamental
Mede a radiação emitida por átomos
excitados
Presença de uma fonte luminosa (lâmpada de
cátodo oco)
Ausência de fonte luminosa
Temperatura do atomizador ajustada de modo
a apenas atomizar os átomos da amostra no
estado fundamental
Temperatura do atomizador suficientemente
elevada, de modo a atomizar e excitar os
átomos da amostra
98
Espectrometria
Fluorescência atómica
modificação no equipamento usado para absorção
atómica
lâmpada colocada em ângulo recto relativamente
ao detector
mede qualquer átomo que fluoresça
49
16/09/2015
99
Espectrometria
Aplicações
análise clínica
análise de metais em fluidos biológicos
sangue e urina
análise ambiental
avaliar o nível de diversos elementos em rios, água
do mar, ar e combustíveis
farmácia
detecção de pequenas quantidades de
catalisadores usados na produção de fármacos
indústria
verificar a presença dos principais elementos e
garantir que impurezas tóxicas estão abaixo do
nível permitido
ex: teor de Pb no betão
100
Espectrometria
Aplicações
minas
detecção de ouro em rochas
análise de alimentos
determinação de elementos existentes em
quantidades residuais
cosmética
análise de elementos existentes em quantidades
residuais
ex: no cabelo
50
16/09/2015
101
Espectrometria
Raios X
Absorção
Difracção
Emissão/fluorescência
102
Espectrometria
Raios X
se um e- de uma camada interna for ejectado de um átomo,
o seu lugar será preenchido por outro proveniente da
camada externa
diferença de energia emitida como raios X
função do nº atómico
51
16/09/2015
103
Espectrometria
Raios X
emissão de raios X é independente da forma química
intensidade usada para identificar elementos com nº
atómico ≥ 20
fonte de raios X tem que possuir um nº atómico superior
ao da amostra
absorção 
Z4
massa atómica
104
Espectrometria
Raios X
equipamento
52
16/09/2015
105
Espectrometria
Raios X
equipamento
feixe de e- produz raios X a partir de um metal (Cu, W,
Mo)
colimador é constituído por uma série de placas
metálicas perfuradas
absorve todos os raios X não correctamente
direccionados
filtro constituído por um metal com nº atómico superior
ao do elemento a analisar
106
Espectrometria
Raios X
monocromadores são raramente usados
quando existem são de NaCl
iões difractam raios X
53
16/09/2015
107
Espectrometria
Raios X
detectores
por ionização em gases
tubo cheio de Ar (≥ 1000 V)
elevado nº de ionizações
um único pulso de radiação com muitos
iões
não é discriminatório
108
Espectrometria
Raios X
detectores
cintilação
usados na detecção de raios X e g
raios X interagem com cristais de NaI(Tl) e
produzem luz
1 fotão por cada 200 eV
nº de fotões proporcional à energia dos
raios X
luz dirigida para um tubo fotomultiplicador
54
16/09/2015
109
Espectrometria
Raios X
detectores
estado sólido
semicondutores de Si(Li)
aplicando uma pequena diferença de potencial
ao cristal obtêm-se 3 zonas
positiva, negativa e vazia
quando atravessado por uma radiação
ionizante, esta deixa um rasto de cargas
positivas e negativas na zona vazia
detecção baseada na corrente
necessária para reestabelecer a
zona vazia
110
Espectrometria
Raios X
Difracção
usada para medir dimensão e forma de cristais
análise elementar
estrutura de novos materiais
identificação de substâncias
55
16/09/2015
111
Espectrometria
Raios X
Absorção
usada para medir qualidade de metais e ligas
medicina
medicina dentária
112
Espectrometria
Raios X
Fluorescência
quando uma amostra é exposta aos raios X, são
produzidos raios X secundários
para nos atómicos ≥ 11 obtém-se informação
qualitativa e quantitativa
técnica não destrutiva
56
16/09/2015
113
Espectrometria
Espectroscopia molecular
absorção e emissão de radiação por moléculas
espectroscopias de UV/Vis, IV e Fluorescência
114
Espectrometria
absorção molecular
UV/Vis
analisa transições electrónicas
espectros aparecem como bandas
grande nº de estados vibracionais e rotacionais
57
16/09/2015
Absorção molecular
UV/Vis
115
Espectrometria
para existir absorção no UV/Vis por compostos orgânicos
energia absorvida pelo composto corresponda a uma
transição de um orbital populado para um não
populado
s ↓ s* não observada habitualmente
energia demasiado elevada
n ↓ s* para compostos que contenham átomos
com pares de e- não partilhados
compostos com O, S, N e halogéneos
150 – 250 nm
pouco intensas
UV/Vis
116
Espectrometria
n ↓ p* e p ↓ p*
necessária insaturação para ter orbitais p*
ligações múltiplas e estruturas de
ressonância
aumento de insaturação provoca desvio
para >l
200 – 700 nm
intensas
58
16/09/2015
UV/Vis
117
Espectrometria
efeito do solvente
na fase de vapor não existe solvente
interacções mínimas entre moléculas
solvente pode causar alargamento das bandas
UV/Vis
118
Espectrometria
em compostos inorgânicos também se verifica absorção
para espécies com orbitais d parcialmente ocupados
mais intensas para complexos com metais de transição
resultado da interacção do ligando com as orbitais
d do metal
num ião livre, as orbitais d têm energias iguais, mas
não são idênticas
interacção com um ligando afecta umas orbitais
mais que outras
desdobramento das orbitais d resulta numa
transição d ↓ d (zona do UV/Vis)
tipo e grau de desdobramento dependem do
ligando e da geometria do complexo
formado
59
16/09/2015
UV/Vis
119
Espectrometria
pouco interessante
bandas pouco estruturadas
moléculas com grupos funcionais semelhantes
apresentam espectros muito parecidos
UV/Vis
120
Espectrometria
diversas aplicações
elevada sensibilidade
limites de detecção entre 10-4 e 10-6 M
razoável selectividade
razoável simplicidade e baixo custo
medida deve ser efectuada no lmax
maior sensibilidade
minimiza erros
60
16/09/2015
UV/Vis
121
Espectrometria
condições de análise devem ser mantidas
constantes:
solvente
temperatura
pH
preparação da amostra
condições instrumentais iguais e constantes para
amostra e padrões
cuvettes
fendas
comprimento de onda
UV/Vis
122
Espectrometria
método apenas válido em condições de linearidade
Abs vs. conc
61
16/09/2015
123
Espectrometria
IV
energia demasiado baixa para promover transições
electrónicas
limitada aos níveis vibracional e rotacional
em líquidos e sólidos, rotação molecular é
limitada
principal interacção é vibracional
depende de:
nº de átomos
tipo de átomos
tipo de ligação entre átomos
IV
124
Espectrometria
cada molécula pode apresentar
diversos tipos de vibração
62
16/09/2015
IV
125
Espectrometria
principal vantagem:
permite identificar grupos funcionais
IV
126
Espectrometria
bandas muito estreitas
desvios à lei de Lambert-Beer
pouco útil em análise quantitativa
63
16/09/2015
IV
127
Espectrometria
FTIR
espectrofotómetros modernos usam sistema de
transformada de Fourier
operação matemática que traduz uma curva
complexa nas suas componentes
IV/FTIR
128
Espectrometria
num FTIR, a curva complexa é um interferograma
soma das interferências construtivas e
destrutivas geradas pelas ondas de luz
curvas componentes são o espectro IV
luz incidente é dividida 50:50 para um espelho fixo
e outro móvel
espelho móvel é o principal e mais caro
componente
64
16/09/2015
IV/FTIR
IV/FTIR
129
Espectrometria
130
Espectrometria
exemplos de interferogramas
65
16/09/2015
131
Espectrometria
Raman
fotões absorvidos por moléculas sofrem
espalhamento
maioritariamente elástico (espalhamento de
Rayleigh)
fotão emitido tem mesmo l que o que absorve
pequena parte (1:107) tem espalhamento
inelástico (efeito de Raman)
energias dos fotões incidentes e espalhados são
diferentes
Raman
132
Espectrometria
linhas de Stokes são equidistantes da de Rayleigh
1 quantum vibracional de energia perdido ou ganho
linha de Stokes mais intensa
apenas as moléculas que sofrem excitação
vibracional antes da irradiação podem originar
linhas anti-Stokes
em geral, apenas se medem as linhas de Stokes
66
16/09/2015
Raman
133
Espectrometria
para que uma vibração seja activa em IV, tem que
haver alteração no momento dipolar da molécula
para que uma transição seja activa em Raman, tem que
haver alteração na polarizabilidade da molécula
polarizabilidade varia com movimento vibracional
espalhamento de Raman pouco eficaz
necessária forte fonte de excitação
laser
laser é monocromático
permite avaliar diferença de energia entre as
linhas de excitação e de Stokes
Raman
134
Espectrometria
espectrómetro de Raman
fonte luminosa
normalmente laser
óptica
recolhe luz espalhada pelo efeito de Raman
sistema de detecção
67
16/09/2015
Raman
135
Espectrometria
estudos biomédicos efectuados em microscópios de
Raman ou sondas de fibra óptica acopladas a um
sistema de Raman portátil
permite trabalhar in vivo
Raman
136
Espectrometria
espectroscopias IV e Raman são complementares
diferentes regras de selecção
ex: moléculas diatómicas homonucleares
não têm espectro IV
não possuem momento dipolar
têm espectro Raman
ligação, ao contrair e esticar, altera
interacções entre e- e núcleo,
variando polarizabilidade
ex: moléculas poliatómicas simétricas que
possuem centro de inversão (benzeno)
bandas activas no IV não são activas no
Raman e vice-versa
ex: moléculas com pouca ou nenhuma simetria
activas tanto no IV como no Raman
68
16/09/2015
Raman
137
Espectrometria
espectroscopia de Raman fornece detalhes sobre:
composição química
estrutura molecular
interacções moleculares
células e tecidos
obtém-se informação sobre proteínas, lípidos,
carboidratos e ácidos nucleicos
Raman
138
Espectrometria
69
16/09/2015
139
Espectrometria
fluorescência molecular
moléculas absorvem energia e passam ao estado
excitado
quando relaxam de volta ao estado excitado podem
emitir:
calor
luz
fluorescência
Conversão
interna
Co
140
Fluorescência
Espectrometria
conversão interna e fluorescência podem ocorrer
simultaneamente
percentagem de moléculas que fluorescem definida
pelo rendimento quântico
Q
taxa de relaxação por fluorescência
taxa de relaxação total
70
16/09/2015
Fluorescência
141
Espectrometria
espectros de fluorescência tendem a apresentar-se
como imagens reflectidas dos epectros de
absorção
energias menores
parte da energia perdida de forma vibracional
Fluorescência
142
Espectrometria
excitação
fluorescência produzida ao longo de uma gama de
comprimentos de onda da luz incidente
espectros de excitação corrigidos
fluxo de fotões incidente mantido constante
solução suficientemente diluída
fracção da radiação absorvida é
proporcional ao coeficiente de absorção
do analito
forma idêntica à do espectro de absorção
71
16/09/2015
Fluorescência
Fluorescência
143
Espectrometria
144
Espectrometria
técnica muito sensível e com baixos limites de detecção
poucos compostos exibem fluorescência
estruturas rígidas com modos de relaxação
vibracional reduzidos
compostos com anéis aromáticos fundidos são mais
fluorescentes
ligações duplas conjugadas também exibem
fluorescência
derivatização com grupos fluorescentes
72
16/09/2015
Fluorescência
145
Espectrometria
fluorescência diminui com aumento da temperatura
maior nº de colisões com o solvente resultam num
aumento de relaxação vibracional
aumento da viscosidade do solvente leva a um aumento
da intensidade da fluorescência
movimento mais lento das moléculas de solvente
conduz a menores interacções entre elas
Fluorescência
146
Espectrometria
intensidade de fluorescência proporcional à
concentração
obtenção de curvas de calibração
utilização dos valores mais convenientes de
lmax de emissão e excitação
73
16/09/2015
Fluorescência
147
Espectrometria
auto-extinção
a concentrações elevadas aumenta a
probabilidade de que um fotão emitido
venha a ser absorvido por outra
molécula da amostra
148
Espectrometria
Ressonância magnética nuclear (NMR)
técnica que fornece informações sobre o ambiente de
núcleos magneticamente activos
núcleos absorvem radiação na zona das frequências de
rádio
medição das frequências às quais ocorre absorção e
intensidade da mesma permite obtenção de
dados sobre estrutura molecular
frequência depende da ligação química, da
conformação molecular e de processos dinâmicos
núcleos mais estudados
1H e 13C
74
16/09/2015
149
Espectrometria
NMR
todos os núcleos possuem um spin
descreve a natureza do campo magnético do núcleo
nº de spin (I) pode ser 0 ou qualquer múltiplo de ½
(½, 2/2, ×)
núcleos com spin 0 não possuem campo magnético
quanto mais alto I, mais complexo o campo
magnético
12C e 16O têm I = 0  invisíveis em NMR
usam-se aqueles que são “visíveis” I ʌ 0
1H, 13C (I = ½), 14N (I = 1), …
I descreve forma do campo magnético, g descreve
a sua intensidade
g ≡ factor giromagnético
1H possui o campo magnético mais forte
150
Espectrometria
NMR
spin do núcleo afectado por um campo magnético
externo
núcleo tenta alinhar-se segundo o campo aplicado
alinhamentos são quantificados
nº limitado de alinhamentos (depende de I)
alinhamento (estados de spin ≡ Iz) varia de
–I a +I em intervalos de 1
cada núcleo possui 2I+1 estados de spin
75
16/09/2015
151
Espectrometria
NMR
estados de spin variam em energia consoante a sua
orientação relativamente ao campo magnético
externo
mais paralelos têm menor energia
mais opostos possuem maior energia
152
Espectrometria
NMR
diferença de energia permite induzir transição entre
diversos estados de spin
irradiação de um dado núcleo induz um “salto”
de um outro núcleo de menor energia
para uma orientação de energia superior
(absorção de energia)
dão-se igualmente transições de mais alta
para mais baixa energia (libertação de
energia)
se as populações em ambos níveis
energéticos forem iguais,
transições anulam-se e não há
sinal observável
sinal detectado pelo aparelho se
populações diferentes
76
16/09/2015
153
Espectrometria
154
Espectrometria
NMR
espectro de NMR
alterando a frequência da radiação
electromagnética aplicada
obtém-se gráfico de absorção de energia vs.
frequência
77
16/09/2015
155
Espectrometria
NMR
espectro de NMR
alternativamente pode variar-se a intensidade do
campo magnético aplicado, mantendo a
frequência constante
obtém-se gráfico de absorção de energiavs.
intensidade do campo magnético
aplicado
156
Espectrometria
NMR
espectro de NMR
sistema homogéneo com um único tipo de núcleo
um único pico no espectro
compostos complexos
núcleo influenciado pelo ambiente
ambientes que aumentam separação
energética entre estados de spin
transições a frequências mais elevadas
ambientes que provocam redução na
separação
transições a frequências mais baixas
variações em frequência ≡ desvio químico
78
16/09/2015
157
Espectrometria
NMR
blindagem e desblindagem
e- possuem campo magnético (spin = ½)
muito mais forte que o do núcleo
polaridade oposta à do núcleo
campo sentido pelo núcleo numa molécula é
combinação do campo magnético externo
aplicado e do gerado pela nuvem electrónica
campo magnético externo oposto ao dos enúcleo “blindado” da força total do campo
externo
158
Espectrometria
NMR
blindagem afectada por factores que alteram a
densidade electrónica à volta do núcleo
diminuição da densidade - desblindagem
aumento da densidade – maior blindagem
blindagem provoca redução da intensidade do
campo magnético
separação de energia entre estados de spin
diminui
transição de spin pode ser induzida por
menor frequência
desblindagem produz o efeito inverso
variação resulta em deslocamento químico (d)
79
16/09/2015
159
Espectrometria
160
Espectrometria
NMR
deslocamento químico medido em relação a
uma referência
ex: TMS (0 ppm)
80
16/09/2015
161
Espectrometria
NMR
e- mais próximos do núcleo são os que mais
influenciam a blindagem
e- que participam em ligações químicas
electronegatividade afecta distribuição
electrónica
átomos electronegativos e grupos
funcionais aceitadores de e- provocam
desblindagem
átomos electropositivos e grupos funcionais
dadores de e- provocam blindagem
162
Espectrometria
NMR
ex: C menos electronegativo que O
em O-H, e- ligantes atraídos para O
densidade electrónica à volta de H
menor que em C-H
menor blindagem
81
16/09/2015
163
Espectrometria
NMR
corrente de anel em sistemas p
uma carga em movimento (corrente) pode
produzir um campo magnético
átomos com hibridização sp2 possuem 1 orbital
p disponível
orbitais p em átomos adjacentes têm
tendência para se alinhar produzindo um
sistema p
ex: benzeno (corrente de anel)
corrente de anel oposta ao campo
magnético externo
164
Espectrometria
NMR
H do anel sofrem um reforço do campo
magnético externo
desblindados
noutros sistemas p ocorre o mesmo
orbitais p em átomos adjacentes têm
tendência para se alinhar produzindo um
sistema p
82
16/09/2015
165
Espectrometria
NMR
em casos raros, H podem estar colocados
acima ou abaixo do sistema p
sofrem blindagem
166
Espectrometria
NMR
interpretação de espectros
intensidade do sinal depende do nº de núcleos
envolvidos
área de um pico é proporcional ao nº de
núcleos que contribuem para o sinal
ex: espectro de MeOH (CH3OH)
2 tipos de átomos de H
2 deslocamentos químicos (d)
área 3:1
83
16/09/2015
167
Espectrometria
NMR
relaxação de spin rápida
áreas dos picos reflectem nº de núcleos
relaxação lenta
núcleos promovidos ao estado de spin de maior
energia mais rapidamente do que podem
sair deste
excesso de população do nível de mais
baixa energia será reduzido e as 2
populações tornam-se iguais
saturação
sinal de NMR diminui de
intensidade
sinal desaparece com saturação
total
168
Espectrometria
NMR
interpretação de espectros – acoplamento dipolar
produzidos por campos magnéticos dos núcleos
vizinhos
campos fracos mas fazem-se sentir se o núcleo
não estiver afastado mais de 3 ligações
84
16/09/2015
169
Espectrometria
NMR
ex: moléculas com 2 H próximos (A e B) com
desvios químicos diferentes
HA tem estados de spin Iz = ½ e Iz = -½
na ausência de HB produz um único pico no
NMR
HB tem um pequeno campo magnético que
pode estar alinhado ou oposto ao campo
externo, com idêntica probabilidade
se estiver alinhado  HA fica desblindado
se estiver em oposição  HA fica blindado
metade das moléculas possui ressonância a
mais alta frequência
metade a mais baixa
170
Espectrometria
NMR
pico de HA desdobra-se em 2 (dobleto) por
influência de HB e vice-versa*
J (constante de acoplamento dipolar)
frequência de separação ente os 2 picos
varia entre 0 – 15 Hz
*efeito usado para identificar que H
estão acoplados um com outro
85
16/09/2015
171
Espectrometria
NMR
valores de constantes de acoplamento
Jtrans > Jcis
172
Espectrometria
NMR
se o nº de H acoplados aumentar, desdobramento
torna-se mais complexo
ex: C2H6
para 3 H idênticos existem 8 combinações
possíveis de spin
blindagem ou desblindagem sentida por HA
depende da soma dos campos
magnéticos dos 3 HB
maior blindagem ocorre quando 3 HB
D – down
estão opostos ao campo externo
U - up
(DDD)
segue-se o caso em que 2 estão
opostos
intensidade destas duas
3 possíveis combinações (DDU,
frequências é de 1:3
DUD, UDD) com a mesma
probabilidade (1/18)
86
16/09/2015
173
Espectrometria
NMR
no caso de apenas 1 HB estar em
oposição (DUU, UUD, UDU)
no caso de nenhum HB estar em
oposição (UUU)
intensidade dos 4 picos é de 1:3:3:1
174
Espectrometria
NMR
se tivermos 3 H idênticos acoplados
quarteto
N núcleos idênticos acoplados originarão
2NI+1 picos
intensidade das linhas prevista de
acordo com o triângulo de Pascal
87
16/09/2015
175
Espectrometria
NMR
no caso de acoplamento com um núcleo de spin
mais elevado, situação é análoga
ex: H acoplado com N (I = 1)
tripleto de picos com igual intensidade
representando as 3 possíveis orientações
de spin do N (1, 0, -1)
N acoplado a H (I = ½)
dobleto
176
Espectrometria
NMR
intensidades previstas com um método semelhante
ao triângulo de Pascal
para I = 1:
88
16/09/2015
177
Espectrometria
NMR
acoplamento de 1ª ordem aplica-se quando desvios
químicos dos núcleos acoplados estão
suficientemente separados
quando desvios se aproximam, interacções
mais fracas começam a predominar
efeitos de acoplamento de 2ª ordem:
energias dos estados de spin sofrem
desvios
probabilidades das transições entre
níveis variam
posições e intensidades dos picos deixam de
ser as previstas pela teoria de 1ª ordem
178
Espectrometria
NMR
sistema com 2 núcleos acoplados de spin ½
pico de cada núcleo divide-se em 2
(dobleto)
quando desvios químicos se tornam
semelhantes, picos do dobleto mudam
de intensidade
pico de cada dobleto mais próximo dos
picos do núcleo acoplado
aumenta de intensidade
(aumento da probabilidade da
transição)
o outro pico diminui de intensidade
89
16/09/2015
179
Espectrometria
NMR
desdobramento não se verifica se protões estão
separados por mais de 3 ligações s
acoplamentos de longo alcance ocorrem quando
protões estão separados por mais que 3 ligações
s, mas com ligações duplas ou triplas
180
Espectrometria
NMR
sinais de Hc, Hd e He sobrepostos
sinais de Ha, Hb e Hc não se sobrepõem
90
16/09/2015
181
Espectrometria
NMR
velocidade de relaxação
processo exponencial
descrito por T1 (tempo de relaxação)
tempo necessário para que a energia em
excesso desça para 1/e (0.36788) do seu
valor original
T1 para H em moléculas orgânicas ≤ 1 seg
182
Espectrometria
NMR
exemplos de moléculas com protões quimicamente
equivalentes
1 único sinal no espectro de 1H-NMR
91
16/09/2015
183
Espectrometria
NMR
moléculas com protões não quimicamente
equivalentes
vários sinais no espectro de 1H-NMR
184
Espectrometria
NMR
grupos aceitadores de e- provocam desvio de d para
frequências mais altas
ex: halogéneos
92
16/09/2015
185
Espectrometria
186
Espectrometria
93
16/09/2015
187
Espectrometria
NMR
valores típicos de d
188
Espectrometria
NMR
valores típicos de d
94
16/09/2015
189
Espectrometria
NMR
variação com a temperatura
ex: ciclohexano
velocidade de conversão depende da
temperatura
190
Espectrometria
NMR
espectroscopia de 13C
nº de sinais reflecte o nº de diferentes tipos de carbono
intensidade do sinal muito menor que a de 1H
(~ 6400 vezes)
d acima de 220 ppm (com 1H até 10 ppm)
95
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191
Espectrometria
NMR
espectroscopia de
valores de d
13C
192
Espectrometria
NMR
NMR a 2 dimensões
espectro COSY 1H identifica acoplamentos
picos cruzados indicam pares de H acoplados
COrrelation SpectroscopY
96
16/09/2015
193
Espectrometria
NMR
NMR a 2 dimensões
espectro HETCOR (HETeronuclear CORrelation
spectroscopy) indica acoplamentos entre protões
e carbonos, aos quais estão ligados
194
Espectrometria
Ressonância paramagnética electrónica (EPR)
técnica que detecta espécies com e- desemparelhados
radicais livres, se forem moléculas orgânicas
iões de metais de transição, no caso de complexos
inorgânicos
excitação dos spins electrónicos
necessários campos magnéticos mais fracos e
frequências mais altas que em NMR
97
16/09/2015
195
Espectrometria
EPR
e- possuem momento magnético
colocados num campo magnético externo (B0)
momento magnético alinha paralelo ou antiparalelo a B0
alinhamento paralelo define um estado de
menor energia
separação entre os 2 estados:
ge – factor giromagnético do e-
mB – magnetão Bohr (9.27x10-24 JT-1)
ΔE=ge mBB0
para transitar entre os 2 níveis, um eabsorve radiação electromagnética
ΔE=hn =ge mBB0
equação
fundamental do EPR
196
Espectrometria
EPR
centro paramagnético colocado num campo magnético
energia absorvida pelo e- detectada e convertida
num espectro
98
16/09/2015
197
Espectrometria
EPR
e- livre tem um valor de g = 2.002319304386 (ge)
radiação de 9.75 GHz (mais comum) provoca
ressonância a 0.34 Tesla (T)
sinais de EPR produzidos:
medição de energia absorvida a diferentes
frequências num campo magnético constante
(como no NMR)
variando o campo magnético externo a frequência
constante (mais comum)
198
Espectrometria
EPR
na realidade, não existem centros paramagnéticos
isolados, mas sim grandes grupos de centros
população dos centros em equilíbrio termodinâmico
distribuição estatística segue a distribuição de
Boltzman
nMJ+1 – nº de centros
paramagnéticos a
ocupar o nível MJ+1
k – constante de Boltzmann
(1.38x10-23 JK-1)
T – temperatura (K)
nM
J 1
nM
e
(
E
)
kT
J
à frequência de 9.75 GHz (radiação da banda X) e à
temperatura ambiente
nM
J 1
nM
 0.998
J
99
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199
Espectrometria
EPR
g dá informação sobre a estrutura electrónica do centro
paramagnético
g ʌ ge
razão do momento magnético do e- sobre o seu
momento angular difere daquela de um
e- livre
como o momento magnético é constante
(magnetão de Bohr), e- ganha ou perde
momento angular
resulta do acoplamento spin-órbita
200
Espectrometria
EPR
variação de g dá informação sobre a natureza do
orbital atómico ou molecular que contém o ese o átomo ao qual o e- está associado tiver spin
nuclear diferente de 0
o seu campo magnético vai também afectar o
eacoplamento hiperfino, desdobrando o sinal
em dobletos, tripletos, …
100
16/09/2015
201
Espectrometria
produção de iões a partir de um composto e sua
caracterização
método qualitativo, podendo ser acoplado a outros
202
Espectrometria
operação sob vácuo
maior distância média percorrida pelos iões e moléculas
antes de colidirem com outros iões ou moléculas
fragmentação mais reprodutível
maior sensibilidade
maior rigor e fiabilidade na análise
produzido por um sistema de 2 bombas
uma rotativa (10-2 – 10-4 torr)
bomba turbomolecular ou bomba de difusão
(10-5 torr)
101
16/09/2015
203
Espectrometria
existem diversos métodos de ionização:
impacto de electrões (EI)
ionização química (CI)
fast atom bombardment (FAB)
field ionization
desorpção de plasma
energia e
fragmentação
204
Espectrometria
e- atinge uma molécula neutra
liberta outro eforma ião molecular
energia adicional causa fragmentação da molécula
102
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205
Espectrometria
e- com menos de 70 eV originam poucos iões
e- com mais de 70 eV provocam fragmentação
excessiva
obtém-se pouca informação
energia adicional causa fragmentação da molécula
206
Espectrometria
filamento e ânodo produzem erepelente “empurra” iões positivos produzidos para
fora da fonte de ionização
lentes aceleram iões até atingirem energia cinética
constante
103
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207
Espectrometria
analisadores de massa
filtros que resolvem os fragmentos produzidos
magnéticos
electrostáticos
time of flight (TOF)
quadrupolo
ion trap
208
Espectrometria
analisadores de massa
quadrupolos
iões acelerados entram numa zona com 4 polos
potencial dos polos varia
iões com uma determinada massa
alcançam o detector
muito usados em GC/MS
104
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209
Espectrometria
quadrupolos
para um determinado conjunto de condições,
apenas iões com uma massa (M/Z)
específica são capazes de atravessar
todo o filtro
faz-se um varrimento numa gama de massas
tipicamente 10 – 800 M/Z
tempo de aquisição ≈ 1 seg
210
Espectrometria
detecção
habitualmente feita em multiplicadores de e material electroemissivo
ao ser atingido por um ião, ejecta um ee- acelerados atingem parede do
multiplicador, libertando mais esinal amplificado
105
16/09/2015
211
Espectrometria
recolha e processamento de dados
identificação do espectro de massa
computadores com bibliotecas
cada linha representa uma massa/carga específica
habitualmente carga é 1
eixo dos x dá directamente a massa
212
Espectrometria
espectros mostram:
massa dos fragmentos
padrão de fragmentação
presença de isótopos
isótopo mais abundante considerado ter um
valor de 100 %
restantes isótopos normalizados relativamente
ao mais abundante
intervalos entre as linhas
intensidade proporcional à abundância
106
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213
Espectrometria
interpretação de espectros de massa:
analisar aspecto geral
tentar encontrar o ião molecular
determinar composição elementar
identificar características estruturais
analisar grau de fragmentação
verificar a existência de aglomerados (clusters)
presença de linhas com massas pares ou
ímpares
propor estruturas possíveis
Ex:
hidrocarbonetos
saturados
214
Espectrometria
espaçamento regular com 14 unidades de massa
linha principal em cada cluster tem valor ímpar
presença de ramificações
linhas associadas a fragmentações de ambos os
lados da ramificação
aumento de ramificações  aumento do nº de
linhas
107
16/09/2015
Ex:
hidrocarbonetos
saturados
215
Espectrometria
n-hexano
ião molecular a 86
linha mais intensa a 57
típico dos hidrocarbonetos
Ex:
hidrocarbonetos
insaturados
216
Espectrometria
em alcenos
fragmentos contendo ligação dupla são
deslocados de -2 unidades
num alcano os iões principais seriam 43,
57, 71, 85, …
108
16/09/2015
Ex:
hidrocarbonetos
insaturados
217
Espectrometria
1-hexeno
ião molecular a 84 mais intenso que no
n-hexano
em cada cluster os iões CnH2n e CnH2n-1
têm maior intensidade
Ex:
hidrocarbonetos
insaturados
218
Espectrometria
1-hexeno, 2-hexeno e 3-hexeno
posição da ligação dupla não afecta fortemente
o espectro
109
16/09/2015
Ex:
compostos
cíclicos
219
Espectrometria
em cicloalcanos
quebra de pelo menos 2 ligações para haver
fragmentação
aumento na intensidade do ião molecular
Ex:
compostos
cíclicos
220
Espectrometria
anéis insaturados
aumento do grau de insaturação leva a um
aumento de intensidade do ião
molecular
redução da fragmentação
110
16/09/2015
Ex:
compostos
aromáticos
221
Espectrometria
ionização simples com formação de iões
moleculares estáveis
muito difícil determinar padrões de substituição nos
anéis
222
Espectrometria
“auxiliares” de interpretação dos espectros
regra do e- ímpar
usada para confirmar se uma linha pode ser devida
a um ião molecular
ionização provoca a perca de 1 e.
espécie formada é um radical (M ↓ M+ )
se a espécie inicial tem um nº par de e-, o ião
molecular terá um nº ímpar
111
16/09/2015
223
Espectrometria
regra do azoto
no caso de existir um nº ímpar de N
em compostos orgânicos existe uma relação
entre a valência e a massa do isótopo
mais comum da maioria dos elementos
elementos pares têm valência par
elementos ímpares têm valência ímpar
regra assume que os elementos se limitam a C,
H, halogénios, O e N
composto contendo apenas C, H, O ou X
tem peso molecular par
composto com nº ímpar de N tem peso
molecular ímpar e com nº par tem PM
par
224
Espectrometria
percas lógicas
as restantes linhas fazem sentido relativamente ao
ião molecular?
apenas um pequeno nº de fragmentos neutros
de baixo PM é habitualmente perdido
corte de uma única ligação simples
percas de radicais
1
15
16
17
19
26
27
29
31
35
43
46
H
CH3
NH2
OH
F
CN
C2H3
C2H5 ou CHO
OCH3 ou
CH2OH
Cl
OC2H5 ou
COOH
NO2
quando pelo menos 2 ligações são quebradas
percas neutras
menos comum
2
17
18
20
27
28
30
34
36
44
74
80
H2
NH3
H2O
HF
HCN
CO/C2H2
CH2O
H2S
HCl
CO2
C3H6O2
HBr
112
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225
Espectrometria
percas lógicas (Exemplo)
86 parece ser o ião molecular
86 é nº par
ou não há N ou nº par de N
re-normaliza-se para calcular fórmula molecular
m/z
Abundância relativa
57
100.00
84
0.10
85
0.40
86
15.51
A+2
87
1.00
m/z
Abundância
relativa
Abundância
normalizada
NF
A
86
15.5
100
6.5
A+1
87
1.0
6.5
C5
C6
C7
72
6.6
86 – 72 = 14 ɸ C6H14
226
Espectrometria
percas lógicas (Exemplo)
dados indicam ser o n-hexano
113
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227
Espectrometria
percas lógicas (2º exemplo)
84 indica presença de Cl2
49 indica Cl
CH2Cl2
114

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