NIR – Espectroscopia no Infravermelho Próximo

O método de espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS – Near Infrared Spectroscopy ou simplesmente NIR – Near Infrared) possui algumas vantagens que motivam sua utilização na caracterização de processos, dentre as quais podem ser citadas a velocidade de medida quando comparada a outros processos (usualmente medidas são tomadas em menos de 1 segundo), sendo uma técnica não destrutiva e que na grande maioria dos casos não necessita de preparação da amostra. Além destas vantagens, esta técnica é considerada altamente versátil. Caso as amostras possuam ligações C-N, N-H ou O-H, e caso a concentração do analito ultrapasse 1% da composição total, resultados promissores podem ser esperados quase que na totalidade dos casos (Alves and Poppi 2013).

A técnica de espectroscopia no infravermelho é classificada como uma técnica de espectroscopia vibracional, na qual também é incluída a técnica de espectroscopia Raman. Estes dois tipos de espectroscopia fornecem o mesmo tipo de informação molecular, sendo um método complementar ao outro.

No espectro eletromagnético, a região do infravermelho é dividida em três partes: (a) Infravermelho Próximo (NIR), classificado como região das harmônicas e compreendido entre 0,8 – 2,5 μm (12500 – 400 cm-1), (b) Infravermelho Médio (MIR), classificado como região de vibração-rotação e compreendido entre 2,5 – 50 μm (400 – 200 cm-1) e (c) Infravermelho Distante, classificado como região de rotação e compreendido entre 50 – 1000 μm (200 – 10 cm-1).

Diversas são as vantagens de utilização da metodologia NIR e MIR para caracterização de processos. A Tabela 2.1 apresenta uma comparação entre as características qualitativas das técnicas de espectroscopia vibracional MIR e NIR. A partir desta tabela é possível escolher, baseado nas características almejadas no processo de caracterização, qual das técnicas apresenta melhor viabilidade para aplicação.

Tabela 2.1: Comparação das características qualitativas de MIR e NIR. Fonte: Adaptado de Pasquini (2002). MIR NIR Vibrações Fundamentais Sobretons e Combinações Qualitativa Excelente (estrutura) Ruim (identidade) Quantitativa Excelente Excelente

Intensidade Alta Baixa Espessura da

amostra Muito pequena Grande

Materiais KBr/NaCl Quartzo/Vidro Sinal/Ruído <104 >>104 Refletância Satisfatória Excelente

A espectroscopia NIR se baseia no fato de que as ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibração específicas, que correspondem a níveis de energia das moléculas, também chamados de níveis vibracionais. Estes níveis são dependentes da forma da superfície de energia potencial da molécula, de sua geometria, da massa dos átomos que a compõe e do seu acoplamento vibracional.

Ao ser exposta à radiação eletromagnética com a mesma quantidade de energia de um de seus níveis vibracionais, esta energia será absorvida desde que certas condições sejam atendidas. Neste caso, para que esta absorção seja lida no espectro NIR, a molécula precisa sofrer uma variação em seu momento dipolar no decorrer do processo de absorção da energia.

Nesta técnica, os espectros são consequência das bandas harmônicas ou de combinação das frequências fundamentais. As transições envolvendo harmônicos são “proibidas”, mas elas são observadas devido à anarmonicidade dos osciladores reais. As chamadas bandas proibidas são de 10 a 1000 vezes mais fracas do que as bandas fundamentais.

A espectroscopia NIR comporta a região de números de onda adjacentes à MIR e se estende até a região do visível. A absorção NIR é baseada em sobretons (overtone) e combinação das vibrações da molécula investigada e suas baixas probabilidades de transição. Uma vez que as intensidades de absorção decrescem sucessivamente na direção do MIR ao visível, existe a possibilidade de ajuste na espessura da amostra, passando da ordem de grandeza de milímetros até centímetros, dependendo da classificação do sobretom. Esta é uma diferença significativa em comparação a espectroscopia MIR e Raman, onde a intensidade dos sinais das vibrações fundamentais variam irregularmente no intervalo de frequência e dependem exclusivamente das condições de excitação vibracional molecular individual (Siesler, Ozaki et al. 2002).

Estruturalmente, os equipamentos de espectroscopia NIR são similares aos instrumentos para medidas de espectroscopia UV-visível e MIR. Os componentes base são a fonte luminosa, detector e o elemento dispersivo, que pode ser um prisma ou então uma rede de difração. Equipamentos que trabalham com infravermelho por transformada de Fourier utilizam de interferômetros, especialmente para comprimentos de onda superiores à 1000 nm.

Em equipamentos de espectroscopia NIR, usualmente, a fonte luminosa é uma lâmpada alógena de banda larga com janela de quartzo e aproveitamento de radiação entre 0,8 e 2,5 μm. A dispersão da radiação é feita com redes holográficas cortadas com laser e movidas por motores de movimento descontínuo (motor de passo). Diodos emissores de luz também estão sendo empregados para esta função. Além de

apresentarem um tempo de vida útil elevada, possuem grande estabilidade espectral, além de reduzido consumo de energia.

No caso da espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, a técnica visa a coleta dos espectros de forma mais rápida, evitando a variação da frequência de radiação infravermelha na qual a amostra é exposta na técnica convencional. Nesta técnica, a amostra é irradiada com todos os comprimentos de onda da radiação de infravermelho da faixa desejada e o sinal resultante, denominado interferograma, é então decomposto através da transformada de Fourier, resultando em um espectro equivalente ao de espectroscopia dispersiva convencional.

Os equipamentos que utilizam da técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier são mais acessíveis economicamente devido a facilidade de obtenção de interferômetros, frente à monocromadores. A vantagem do ganho de tempo deste equipamento se deve a coleta simultânea de todas as frequências, o que permite a coleta de diversas medidas da mesma amostra e a avaliação da media destas, ao invés de medidas singulares, aumentando a sensibilidade da análise.

Dois tipos de detectores são utilizados para cobrir toda a faixa útil do espectro: (a) detectores de silício para a região entre 0,8 e 1,1 μm, e de (b) sulfeto de chumbo para a região compreendida entre 1,1 e 2,5 μm.

Assim como todo método analítico de caracterização, a técnica de espectroscopia NIR também está sujeita à presença de ruídos nas medidas. De forma genérica, toda medida analítica é composta pelo sinal, que contém a informação qualitativa e quantitativa desejada, e o ruído, que nada mais é que uma fonte de informação estranha que afeta o limite de detecção, precisão e exatidão do método. Em NIR, a fonte de ruído pode ser oriunda de duas vertentes, o ruído químico e o ruído instrumental.

O ruído químico resulta de uma grande quantidade de variáveis que afetam os sistemas químicos, principalmente variações físico-químicas não detectadas como temperatura, pressão, pH, umidade, etc. O ruído instrumental por sua vez, é associado aos componentes do equipamento, como fontes, transdutores, processadores de sinal, etc. Desta forma, para elevar o nível das medidas em sistemas de espectroscopia NIR, assim como nas demais técnicas analíticas, é aconselhada a utilização de elementos de hardware como filtros, moduladores e detectores sincronizados associados a sistemas de software capazes de permitir a extração de sinais ambientais que impõe ruídos as medidas, principalmente filtros digitais.

A espectroscopia NIR é sensível de forma primária aos grupos funcionais das moléculas do analito e em sequência a efeitos decorrentes dos níveis atômicos, microscópicos e macroscópicos das amostras. Com relação aos fatores químicos que afetam os espectros vibracionais, devem ser mencionados: a posição da banda de energia, que diz respeito a constante de forca da ligação e massa dos átomos presentes nas moléculas, à intensidade da banda de energia, fazendo relação com a alteração do momento dipolo que acompanha as vibrações e por fim os fatores referentes à simetria das moléculas, uma vez que a simetria determina se a banda é classificada como ativa ou inativa, além de influenciar na probabilidade de se observar combinações e ressonância entre os modos vibracionais presentes. De forma genérica, a espectroscopia NIR é sensível a qualquer fator que afete a massa atômica, forca de ligação, momento dipolo ou simetria da molécula.

Efeitos primários são os mais significantes para os espectros em questão, sendo aqueles correlacionados aos grupos funcionais e diretamente associados a massa atômica, forças de ligação e anarmonicidade. Um exemplo deste efeito é o fato das bandas do primeiro sobretom de estiramento da ligação C-H ocorrer em frequências mais altas do que para a ligação N-H, devido ao fato da massa do C ser menor que a do N.

Os efeitos secundários associados aos níveis atômicos são significativos quando a vizinhança do grupo funcional apresenta características de forte doador ou receptor de elétrons. Estas características afetam a força da ligação e o momento de dipolo do grupo de interesse. Por sua vez, os efeitos secundários de nível microscópico mais comuns que afetam os espectros NIR estão relacionados à cristalinidade dos materiais, ou seja, são referentes a forma como as moléculas se ordenam espacialmente em uma grande extensão de material. Por fim, os fatores secundários de nível macroscópicos são aqueles associados a variações de temperatura e submissão das amostras a efeitos mecânicos (ex. aplicação de tensão e alteração da distribuição dos estados conformacionais das moléculas).