Técnica Analítica De Espectroscopia No Infravermelho Próximo (NIR)

A técnica analítica de espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) foi utilizada juntamente ao método de regressão multivariada por mínimos quadrados parciais (PLS) para a determinação analítica das frações mássicas dos componentes em cada fase dos sistemas em equilíbrio analisados.

Os espectros foram medidos utilizando o espectrômetro conectado a um sistema de purga (ar), com um suporte para cubeta aquecida (Ventacon, modelo HNIR-1-1, Reino Unido). Este suporte para cubeta aquecida permite que medidas de espectros possam ser realizadas em uma ampla faixa de temperatura. O suporte utiliza um controlador de temperatura (Ventacon, modelo D-2), porém é feito de um material sólido e por isso não permite que a temperatura seja mantida fixa em casas decimais. Existe sempre uma flutuação em torno de 1,5 ºC, mas essa variação não é suficiente para modificar o espectro coletado.

O procedimento para efetuar as medidas é simples. A cubeta contendo a amostra é introduzida no suporte com temperatura controlada, no qual esta temperatura é previamente ajustada de acordo com o valor de interesse (LANZA, 2008). Com a cubeta no suporte, esperam-se aproximadamente 2 minutos antes de iniciar a medida dos espectros, para garantir que a amostra atinja a temperatura desejada. É importante observar que a amostra deve preencher todo espaço da cubeta, evitando assim o chamado headspace, onde poderá se formar uma fase vapor e a transferência de massa das fases líquidas para esta, aumentando os desvios dos balanços.

Ainda, faz-se necessária a aplicação de uma calibração do equipamento, por meio de técnicas quimiométricas e calibração multivariada relacionando os sistemas estudados para então explorar as determinações quantitativas em conjunto com a espectroscopia por infravermelho.

A calibração foi feita envolvendo os sistemas selecionados para determinação dos dados de equilíbrio líquido-líquido e aplicando-os a calibração multivariada, a fim de obter um modelo que expresse a quantificação dos

componentes em cada fase. Utilizaram-se valores de absorbância de todos os comprimentos de onda dos sistemas de interesse com composições conhecidas, variando-se esta em uma ampla faixa.

As absorbâncias dos espectros no infravermelho próximo foram registradas na faixa de 4400 a 11000 cm-1 com 64 scans e uma resolução de 4 cm-1, com uma cubeta de quartzo com 1 mm de caminho óptico e com 1 cm-1 de resolução espectral. Os espectros background (branco) (64 scans em resolução de 4 cm-1) foram tomados por experimento e para todas as amostras individualmente. Para cada experimento os espectros foram coletados em 64 scans em duas repetições, para reduzir o nível de ruído do instrumento.

Com o equipamento calibrado, este pôde ser utilizado para a determinação direta das composições das fases dos experimentos de equilíbrio líquido-líquido para cada sistema, sem a necessidade de uma nova calibração ou análises prévias para este sistema. Utilizaram-se também, padrões de validação para selecionar o melhor modelo para cada componente e também para avaliar a precisão dos modelos gerados.

Os modelos de calibração foram gerados pela regressão dos mínimos quadrados parciais, PLS (Partial Least Squares), disponível no PLS_Toolbox®, versão 4.0 da Eingenvector Research (EUA), para uso com MATLAB 7.0® (The MathWorks Inc., EUA) e empregado para extrair as informações relevantes do complexo espectral (GELADI e KOWALSKI, 1986 apud PRIAMO, 2008). A regressão PLS proporciona a análise do conteúdo dos diferentes compostos de cada fase para as amostras do equilíbrio líquido-líquido e para os padrões de validação.

Escolheram-se aleatoriamente 60 misturas com composições conhecidas próximas à curva de solubilidade para gerar os modelos de calibração. Cada curva de solubilidade foi dividida em duas partes: fase solvente (FS), rica em solvente e fase oleosa (FO), rica em óleo e, assim, as 60 misturas foram divididas em dois conjuntos de 30, construídas por gravimetria, e utilizadas como padrões de calibração de cada fase. Um modelo individual para cada componente em cada

fase foi obtido, sendo 6 modelos para um sistema pseudo-ternário e 8 para um sistema pseudo-quaternário. Barthus e Poppi (2002) recomendam a construção, por gravimetria, de um conjunto adicional de 10 misturas para cada parte da curva binodal e a utilização destes como conjunto de validação externa.

Os valores dos padrões de validação, então, são lançados no modelo e obtêm-se uma predição dos valores das frações de cada componente em cada fase.

É importante ressaltar que nos sistemas contendo o componente água, sua composição foi checada através de titulação por Karl Fischer, de acordo com o método da A.O.C.S. Ca 23-55 (1988).

A precisão dos modelos de calibração foi descrita pelo erro relativo (Er) e

obtido pela diferença entre os valores calculados e os valores reais (gravimetria). Na validação interna, os modelos foram avaliados pela Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE). Estes valores expressam a precisão dos modelos e a proximidade entre os valores calculados pelo modelo (wi,calc) e os valores reais (wi,real). Estes

erros são definidos como:

100 (%) 1 , , , × − =

∑

(

)

∑

onde n é o número total de amostras e o subscrito i é o número da amostra.

Quando se calculou o RMSE utilizando os padrões de calibração (validação interna), este passou a se chamar Raiz do Erro Quadrático Médio de Calibração (RMSEC). Quando calculado utilizando as amostras de validação cruzada (validação interna), chamou-se, então, de Raiz do Erro Quadrático Médio de Validação Cruzada (RMSECV), de acordo com o procedimento de validação

cruzada completa conhecida como leave one out (BRERETON, 2000; OTTO, 1999). Para escolher o número de fatores PLS considerados na geração dos modelos de calibração, foram utilizados o método de validação cruzada e seus correspondentes valores de RMSECV, unido aos valores dos erros relativos.