Espectrofotometria com longo caminho óptico

A espectrofotometria de absorção molecular baseia-se na medida da absorção de radiação nas regiões ultravioleta e visível por moléculas ou íons em solução. As medidas espectrofotométricas são fundamentadas na lei de Lambert-Beer, em que a absorbância é diretamente proporcional à quantidade de espécies absorventes que interagem com o feixe de radiação que, por sua vez, depende da concentração e do caminho óptico da cela de medida.

Uma medida espectrofotométrica convencional envolve o uso de uma fonte de radiação, lentes para direcionar e focar o feixe, recipiente para a amostra, monocromador (ou filtros espectrais em equipamentos mais simples) e um foto-detector [92]. As celas espectrofotométricas convencionais são construídas com um material transparente à radiação, sendo as medidas baseadas em transmissão. São comumente empregadas celas de 1 cm de caminho óptico, podendo chegar até 10 cm, porém a atenuação excessiva do feixe de radiação e aumento do volume interno podem se tornar críticos [93,94]. A absorção, reflexão e espalhamento de radiação também contribuem para a atenuação da radiação, podendo aumentar o ruído e deteriorar o limite de detecção [95].

Visando o aumento de sensibilidade e contornar os inconvenientes anteriormente mencionados, celas construídas com guias de onda (e.g. LCW) têm sido empregadas [93,94]. Nesta estratégia, a cela de medida comporta-se como uma fibra óptica e a radiação pode ser conduzida por longos caminhos, com perdas mínimas, devido ao fenômeno da reflexão total interna [96]. Nos primeiros trabalhos empregando guias de onda [93], celas de vidro eram recobertas com materiais refletores (e.g. alumínio ou prata) e lasers ou lâmpadas de xenônio ou tungstênio eram utilizados como fontes de radiação. No estudo realizado por Lei et al. [93], observou-se aumento de 300 vezes da absorbância, na determinação de fósforo em águas naturais, com a cela de 1 m em relação à cela de 1 cm, sendo este incremento maior que o previsto pela Lei de Beer. Um inconveniente é que as celas deveriam ser dispostas linearmente. Isto foi superado utilizando celas de vidro preenchidas com solventes orgânicos com índice de refração maior que o do vidro (n = 1,474) [96]. Com esta estratégia, as celas puderam ser enroladas sem afetar a transmissão do feixe de radiação, devido ao processo de reflexão total interna, com aumento da sensibilidade em até 3000 vezes [97]. Entretanto, solventes orgânicos que atendem ao requisito acima mencionado são tóxicos (e.g. CS2, n = 1,62).

Atualmente os guias de ondas podem ser construídos com materiais poliméricos da família Teflon AF , que apresentam índice de refração (1,29 e 1,31) inferior ao das soluções aquosas diluídas (1,33) no qual será feita a medida de absorbância [96]. Estas celas são designadas pela sigla LCW, do inglês liquid-core waveguide. Usualmente são empregadas celas de 100 cm (volume interno de 250 L), sendo encontradas comercialmente celas com até 500 cm, que aumentam a sensibilidade em até duas ordens de grandeza.

O fenômeno da reflexão total interna ocorre quando o feixe de radiação atravessa uma interface com índice de refração maior (e.g. água) para uma região com índice de refração menor (e.g. Teflon AF ) com um ângulo de incidência de acordo com o cone de aceitação (Figura 1.3). No caso do Teflon AF 2400 , o ângulo de incidência ( ) deve ser menor que 14,1o [95]. Dessa forma, a radiação incidente será refletida em virtude do material com que a cela é construída ou recoberta, de acordo com a lei de Snell [95,98]. A Figura 1.3 ilustra o fenômeno da transmissão da luz no guia de ondas.

Figura 1.3 - Esquema da transmissão da luz em um guia de ondas: ( ) ângulo de incidência; (n1) índice de refração no recobrimento da cela; (n2) índice de refração da solução aquosa. Condição: n1 < n2. Adaptado da referência 92

Para o emprego das celas capilares com guias de onda, alguns aspectos devem ser levados em consideração. O aumento do sinal do branco quando espécies absorventes estão presentes nesta solução, as perturbações causadas por alterações no índice de refração na zona de amostra (Efeito Schlieren), bolhas de ar e sólidos em suspensão, podem causar alterações na propagação da radiação no interior do guia de ondas e afetar as respostas, deteriorando a precisão [95]. Estes aspectos podem ser mais críticos que utilizando celas de 1 cm de caminho óptico, devido ao maior comprimento e menor diâmetro das celas LCW.

O acoplamento das celas de longo caminho óptico aos sistemas de análises em fluxo normalmente não requer alterações físicas nos módulos de análises. Entre as técnicas de detecção que podem ser empregadas, encontram-se espectrofotometria [96,99], a turbidimetria [30], a quimiluminescência [98], a fluorescência [100] e a espectroscopia Raman [98,101].

No caso de medidas turbidimétricas, cuidados especiais devem ser tomados para evitar o acúmulo de sólidos no interior da cela [98]. Um exemplo é o emprego de cela LCW para a determinação turbidimétrica de sulfato em águas naturais [30]. Neste trabalho, microbombas solenoide foram exploradas para melhorar as condições de mistura amostra/reagentes e evitar desvios na linha de base devidos ao acúmulo de sólidos. Também com este objetivo, uma etapa de lavagem com EDTA foi utilizada para a dissolução do BaSO4.

Outra interessante aplicação das celas de longo caminho óptico foi o desenvolvimento de um equipamento portátil para análises multiparamétricas em fluxo. Uma cela com guia de ondas (Teflon AF com 50 cm) e um espectrofotômetro com arranjo de detectores foram utilizados para a determinação de cromo e alumínio em águas [102]. O equipamento também apresenta potencial para a determinação de outros analitos e a sensibilidade obtida foi 50 vezes maior que com a cela de 1 cm. O equipamento pode ser empregado em medidas espectrofotométricas e fluorimétricas em campo.

2. Objetivos

O objetivo geral desta Tese foi desenvolver procedimentos analíticos em sistemas em fluxo com multi-impulsão ou baseados no conceito lab-in-syringe empregando separação e concentração em linha por extração em ponto nuvem ou difusão gasosa. Como objetivos específicos, foram desenvolvidos procedimentos para a determinação de cianeto dissociável em ácidos em águas, de ferro em águas e alimentos e de antimônio em águas e medicamentos para leishmaniose. Buscou-se o desenvolvimento de procedimentos mais limpos, rápidos, sensíveis, ambientalmente mais amigáveis e adequados aos limites de concentração estabelecidos pelas normas vigentes.

3. SISTEMA DE ANÁLISES EM FLUXO COM MULTI-IMPULSÃO E