2 REVISÃO DE LITERATURA
2.2 Espectroscopia RPE
2.2.3 O espectro RPE
2.2.3.1 Sinal RPE da alanina
Após a interação da radiação ionizante com a molécula de alanina e a consequente formação dos seus radicais livres, o elétron desemparelhado junto ao carbono central encontra-se em um estado único de spin devido à ausência de campo magnético. No entanto, com a ação do campo magnético externo, criado pelos eletroímãs do espectrômetro, seu nível energético é desdobrado em dois níveis Zeeman: o de spin com maior energia, equivalente a + ½ e, no sentido do campo magnético aplicado e o de spin com menor energia, equivalente a – ½ e no sentido oposto ao do campo magnético aplicado, como ilustra a Figura 16.
Figura 15: Espectro RPE registrado por um espectrômetro.
Fonte: adaptado de Schauer et al. (2007) Campo magnético (mT) Linha base App ΔB BC 1ª d er ivad a d a c u rva d e ab sor ção (u .a) 340 342 344 346 348 1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500
Figura16: Desdobramento do nível energético do elétron desemparelhado em dois níveis Zeeman.
Quando a energia da radiação micro-onda absorvida for igual a ΔE e a sua componente magnética for perpendicular ao campo magnético externo, o elétron atinge a condição de ressonância e salta do nível de spin de menor energia para o nível de spin de maior energia, caracterizando o fenômeno da ressonância paramagnética eletrônica. A Figura 17 (a) e (b) mostra, respectivamente, a absorção da radiação micro-onda e o salto do elétron entre seus níveis Zeeman.
Fonte: adaptado de Rech (2012)
Fonte: adaptado de Rech (2012)
𝑩
∆𝑬 = 𝜷𝒈𝑩 = 𝒉ʋ
(a) (b)
Spin de menor energia Spin de menor energia
Spin de maior energia Spin de maior energia
𝑩
𝑩
∆𝑬 = 𝜷𝒈𝑩 = 𝒉ʋ ∆𝑬 = 𝜷𝒈𝑩 = 𝒉ʋ
Spin de maior energia
Spin de menor energia
Além da interação com o campo magnético externo, o elétron sofre a influência de um campo magnético gerado pelos núcleos vizinhos, que faz com que os seus níveis de energia sofram desdobramento, criando a estrutura espectral hiperfina. No caso da alanina, a interação nuclear hiperfina estabelece que cada nível de energia Zeeman se divida em cinco subníveis. Essas cinco linhas de transições são estabelecidas a partir da interação do elétron desemparelhado com os momentos magnéticos dos quatro núcleos de hidrogênio. A Figura 18 apresenta o esquema do radical com o elétron desemparelhado, os níveis energéticos e seus desdobramentos e o espectro de RPE correspondente da alanina.
Figura18: Interação do momento magnético do elétron com o momento magnético nuclear.
Essas cinco linhas de transições podem ser explicadas pelo fato de cada núcleo
Essas cinco linhas de transições podem ser explicadas pelo fato de cada núcleo apresentar um spin 𝐼 , quantificado e representado pelo número quântico mI
.
Logo, cadanúcleo possuirá 2 I + 1 estados, possibilitando um novo desdobramento dos níveis energéticos do elétron em 2 I + 1 subníveis, sendo I o número quântico magnético do composto. Como, para o subnível d, existem cinco orientações discretas permitidas para níveis de energia, temos para este número quântico os valores mI (-2, -1, 0, +1, +2), justificando os cinco
fracionamentos no sinal RPE da alanina. Portanto, as cinco linhas características do sinal RPE da alanina surgem das sobreposições das interações hiperfinas existentes entre o elétron desemparelhado e os átomos de hidrogênio de sua vizinhança. Por apresentarem equivalências, algumas linhas aparecem sobrepostas e, por isso, no espectro observa-se 5
Fonte: adaptado de Guidelli (2011)
e- desemparelhado E0 B mS= - 1/2 mS= + 1/2 ΔE mI= +2 mI= +1 mI= 0 mI= -1 mI= -2 mI= -2 mI= -1 mI= 0 mI= +1 mI= +2
linhas com relação de intensidade de 1 : 4 : 6 : 4 : 1., justificando o fato de sua linha central, formada pela sobreposição de 6 interações, possuir uma maior amplitude em comparação com as outras quatro linhas laterais (REGULLA; DEFFNER, 1982).
Para a alanina, o fator g do sinal dosimétrico é de 2,0018, sendo adquirido pela localização do valor médio sobre a distância da amplitude pico-a-pico (centro do sinal), determinada pela diferença entre a intensidade máxima e a mínima da linha central, como mostra a Figura 19.
É importante destacar que variações na sensibilidade do espectrômetro e no fator – Q da cavidade ressonante podem dificultar a obtenção do sinal RPE da alanina. Assim, para compensar tais variações, vem se utilizando, junto à alanina, amostras padrões de certos materiais cujos sinais RPE são mais estáveis. Para Sleptchonok et al. (2000), é muito comum fazer a normalização do sinal RPE da alanina através do sinal RPE do rubi, pois o sinal do Cr3+ é conhecido por ser absolutamente estável em condições normais de laboratório. Da mesma forma, o Mn2+/MgO é outro padrão de referência utilizado para essas correções, pois a sobreposição das terceira e quarta linhas do Mn2+ com as linhas do sinal RPE da alanina, permite que a amplitude média das segunda e quinta linhas sejam utilizadas para normalizar as amplitudes do sinal RPE da alanina (AL-KARMI; MORSY, 2008).
Na Figura 20, é possível perceber que o aumento na amplitude de modulação do campo magnético é responsável por uma elevação na intensidade do sinal RPE da alanina,
Figura 19: Obtenção do fator g da alanina através do seu sinal RPE.
podendo, se for uma modulação excessiva, conduzir a um sinal largo e distorcido (HAYES et al., 2000) .
Figura 20: Efeitos da amplitude de modulação na intensidade do sinal RPE da alanina.
Fonte: adaptado de Hayes et al. (2000)
Considera-se que uma boa relação entre a intensidade do sinal RPE da alanina e sua distorção seja obtida quando a amplitude de modulação do campo magnético for igual à sua largura. No entanto, para os casos em que essa amplitude é maior, pode ocorrer perda de resolução entre duas linhas desse sinal.
Do mesmo modo, a Figura 21 mostra que esse alargamento entre as linhas também pode ocorrer se a frequência de modulação do campo magnético for muito grande.
In te n sid ad e re lat iva RP E Campo magnético (mT)
Para Garcia et al. (2009), o aumento na constante de tempo adotada para obtenção do sinal RPE da alanina reduz a influência do sinal de fundo proveniente dos dispositivos eletrônicos utilizados e contribui tanto para um aumento na relação sinal – ruído como para um sinal RPE com formato mais regular e de melhor resolução. No entanto, um ajuste excessivo na constante de tempo pode provocar distorção no sinal e redução em sua intensidade, como se observa, por exemplo, com a Tabela 3, onde um dosímetro de alanina irradiado com uma dose de 10 Gy apresenta, simultaneamente, perda de resolução e redução na intensidade de seu sinal, em virtude do aumento da constate de tempo. Desta forma, uma regra prática para evitar tais efeitos é certificar-se de que o tempo necessário para varrê-lo seja
dez vezes maior do que a constante de tempo adotada no espectrômetro (GARCIA et al., 2009).
Constante de tempo (ms) Largura pico-a-pico (G) Intensidade relativa
1,28 6,02 1,000 2,56 6,14 0,999 5,12 5,94 0,997 10,24 6,22 0,995 40,96 6,26 0,985 81,92 6,26 0,975 163,84 6,45 0,929
Tabela 3: Efeitos de diferentes constantes de tempo na resolução e na intensidade do sinal RPE da alanina.
Fonte: adaptado de Garcia et al. (2009) devido à alta frequência de modulação.
Fonte: adaptado de Weber (1995) 125 kHz
100 kHz
Outro parâmetro de leitura essencial na obtenção do sinal RPE da alanina é a potência de micro-ondas, a qual deve sempre ser otimizada para o experimento desejado. Segundo Araújo (2009), a intensidade do sinal RPE de uma amostra cresce com o aumento da potência de micro-ondas, apresentando um valor proporcional à sua raiz quadrada, como se observa na Figura 22. Contudo, se a potência de micro-ondas aplicada para transferir a maioria dos spins para o nível de maior energia for suficientemente alta ou se o tempo de restabelecimento da quantidade de spins no nível mais baixo de energia for longo (alto tempo de relaxação), pode ocorrer uma saturação do sinal RPE. Portanto, em um procedimento experimental, deve-se escolher a potência de micro-ondas que proporcione a maior amplitude do sinal RPE, sem que, com isso, atinja a condição de saturação.
Figura 22: Intensidade do sinal RPE da alanina como função da raiz quadrada da potência de micro-ondas.
Fonte: Rech (2012)
Também é de grande importância dentro do processo de obtenção do sinal RPE da alanina determinar o número de escaneamentos a serem realizados pelo analisador do espectrômetro, pois, quanto maior for o seu valor, melhor é a resolução do sinal, uma vez que aumenta a relação sinal – ruído (GARCIA et. al., 2009). Esse comportamento pode ser
Raiz da potência (mW1/2) 1,0 1,5 2,0 2,5 In te n si d ad e d o si n al R P E (u .a) 4000 3500 3000 2500 2000
observado através da Figura 23, que ilustra o sinal RPE da alanina irradiada com uma dose de 2 Gy e lida com diferentes números de escaneamentos.
Figura 23: Efeitos do número de varreduras no sinal RPE da alanina, irradiada com 2 Gy.
Segundo Garcia et al. (2009), a alanina apresenta uma relação sinal – ruído (S/R) que pode ser determinada pela Equação 14.
(S/R) = 𝐼 𝑆− 𝐼 𝐵
𝐼 𝐵 (14)
sendo