UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
INSTITUTO DE QUÍMICA
ANNA CAROLINA PESSÔA DA COSTA TRONDOLI
AVALIAÇÃO DA ESPECTROSCOPIA TERAHERTZ NO DOMÍNIO DO TEMPO COMO
FERRAMENTA ANALÍTICA E SUAS APLICAÇÕES
CAMPINAS
ANNA CAROLINA PESSÔA DA COSTA TRONDOLI
AVALIAÇÃO DA ESPECTROSCOPIA TERAHERTZ NO DOMÍNIO DO TEMPO COMO FERRAMENTA ANALÍTICA E SUAS APLICAÇÕES
Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como
parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Química na área de Química Analítica
Orientador: Prof. Dr. Ivo Milton Raimundo Júnior
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA ANNA CAROLINA PESSÔA DA COSTA TRONDOLI, E ORIENTADA PELO PROF. DR. IVO MILTON RAIMUNDO JÚNIOR.
CAMPINAS 2016
Dedico este trabalho à minha mãe, Leila, pelo amor incondicional e por todo apoio e incentivo dados durante esta jornada.
Ao Prof. Ivo M. Raimundo Júnior, pela orientação deste trabalho, pela imensa contribuição à minha formação desde a graduação, pelas oportunidades e por sua amizade.
Aos professores Celio Pasquini e Jarbas José Rodrigues Rohwedder pelas contribuições a este trabalho e por viabilizarem a sua realização através da disponibilização e manutenção do espectrômetro THz.
Às agências de fomento à pesquisa INCTAA–FAPESP (2008/57808-1), CNPq (573894/2008-6) e FAPESP (2011/13777-8).
Ao técnico do GIA, Diego, por todo o suporte dado durante o desenvolvimento deste trabalho. Aos meus colegas e amigos do GIA, pela companhia no laboratório à noite e nos finais de semana, pelas conversas e pelas valiosas sugestões.
Aos meus queridos amigos de São Paulo e de Campinas, pelos momentos de descontração e por compreenderem minha ausência.
Aos meus sogros, Melanie e Pedro, pelo incentivo que me deram durante esta jornada.
Ao meu amado Pedro, pelo carinho e apoio dados diariamente, desde o outro lado do oceano, pelos preciosos conselhos e por me fazer feliz!
Aos meus irmãos queridos, Lique e Júlia, ao mei pai, Carlos, e à Valéria, pela torcida e pelo carinho.
À minha mãe, Leila, que, apesar da distância, sempre fez questão de estar presente nos momentos mais importantes desta caminhada, por compreender minha ausência, por me apoiar incondicionalmente e, mais do que tudo, por ser esta mulher forte e batalhadora que me inspira diariamente.
domínio do tempo (THz-DT) como ferramenta analítica, para aplicações qualitativas e quantitativas. Foi avaliada a possibilidade de identificar as formas alotrópicas do dióxido de titânio (TiO2), anatase e rutilo, devido ao potencial da espectroscopia THz-DT para
diferenciar polimorfos cristalinos. Os espectros não apresentaram bandas características na região THz, indicando que as diferenças observadas nos espectros das diferentes formas alotrópicas eram provenientes de seus parâmetros físicos. Foi então estudada a influência de parâmetros, tais como tamanho de partícula do analito e espessura e homogeneidade da pastilha nos espectros do TiO2 com a finalidade de avaliar sua interferência nas medidas
realizadas. O estudo da homogeneidade das pastilhas, realizado através de microscopia eletrônica de varredura e análise de MEV-EDS, mostrou uma distribuição homogênea do elemento titânio nas mesmas, independentemente do método de homogeneização empregado (almofariz e pistilo ou moinho de bolas). O tamanho de partícula do analito pôde ser relacionado com a magnitude da extinção da radiação THz através da teoria do espalhamento de Rayleigh, que prevê que o espalhamento e, portanto, a extinção da radiação THz, aumenta com o diâmetro da partícula. A maior extinção da radiação provocada pelas amostras contendo TiO2 com menor tamanho de partícula foi então associada a aglomerados do analito
presentes nessas pastilhas, que não foram encontrados nas amostras contendo partículas maiores. Tais observações sugeriram que os espectros de extinção sofrem grande influência do tamanho de partícula do analito e da sua dispersão na matriz, de forma que a homogeneização mecânica entre o analito e a matriz mostrou-se uma boa prática para alcançar repetibilidade entre as medidas. Foi observado que a espessura das pastilhas influencia não só a magnitude da extinção da radiação, mas também a frequência e amplitude do etalon. Ainda, a normalização dos espectros de extinção pela espessura da pastilha mostrou-se um método eficiente para melhorar a repetibilidade das medidas. Este trabalho também contempla a determinação de ácido L-ascórbico em pastilhas comerciais de vitamina C, realizada através da construção de uma curva de calibração externa de ácido L-ascórbico, bem como pelo método das adições de padrão. Diferentes estratégias para o tratamento de dados também foram avaliadas. Os resultados obtidos foram comparados com determinações realizadas através de titulação com iodato de potássio. O emprego do método das adições de padrão associado ao tratamento dos dados por meio da suavização Savitzky-Golay e da segunda derivada da região do espectro entre 1,68 e 1,93 THz apresentou os melhores resultados, fornecendo erros relativos de 8,3; 4,2 e - 1,9 % para as pastilhas de vitamina C sem açúcar. Para os comprimidos com açúcar, foram obtidos erros relativos maiores, de 111,1 e 43,2 %, já que a sacarose apresenta uma banda de absorção em 1,82 THz, que se sobrepõe à banda do ácido L-ascórbico utilizada para a construção da curva de adição de padrão, localizada em 1,79 THz. Estes resultados indicaram o potencial da espectroscopia THz-DT para a determinação do ácido L-ascórbico em comprimidos comerciais.
as an analytical tool for qualitative and quantitative applications. The feasibility of identifying the allotropic forms of titanium dioxide (TiO2), anatase and rutile, was investigated due to the
potential of THz-TDS to differentiate crystalline polymorphs. No characteristic bands were observed in their THz spectra, indicating that the differences in the spectra between different polymorphs were related to their physical parameters. Therefore, parameters such as analyte particle size, pellet thickness and homogeneity were studied in order to evaluate their impact on measured TiO2 spectra. The study of the pellet homogeneity, carried by scanning electron
microscopy and SEM-EDS analysis, showed a homogeneous distribution of the titanium element, regardless of the homogenization method (mortar and pestle or ball mill). Both analyte particle size and the magnitude of the THz radiation extinction could be related through the Rayleigh scattering theory, which states that scattering - and hence THz radiation extinction - should increase with particle diameter. The greater radiation extinction measured in samples containing TiO2 with smaller particle size was then associated with analyte
agglomerates, which were not observed in the pellets containing larger particles. These observations showed that the extinction spectra are highly influenced by the analyte particle size and its dispersion in the matrix, also suggesting that mechanical homogenization between analyte and the matrix is a good practice to achieve suitable measurement repeatability. It was also observed that the pellet thickness has an impact not only in the magnitude of the radiation extinction, but also in the etalon frequency and amplitude. Furthermore, the normalization of the extinction spectra by the pellet thickness proved to be an effective method to improve measurement repeatability. This work also comprises the determination of L-ascorbic acid in commercial vitamin C tablets, performed either by external calibration or by the standard addition method. Different strategies for data treatment were investigated. The results were compared with determinations performed by titration with potassium iodate. The standard addition method combined with data processing through Savitzky-Golay smoothing and second derivative of the spectral region between 1.68 and 1.93 THz provided the best results, yielding relative errors of 8.3, 4.2 and - 1.9 % for the vitamin C tablets without sugar. For the sugar-containing tablets, larger relative errors were obtained (43.2 and 111.1 %), since sucrose has an absorption band at 1.82 THz that overlaps the L-ascorbic acid band at 1.79 THz, used in the standard addition curve construction. These results demonstrated the potential of THz-TDS for the L-ascorbic acid determination in commercial tablets.
Figura 1 - Diagrama de níveis energéticos mostrando algumas mudanças que ocorrem durante a absorção da radiação eletromagnética por espécies moleculares. ... 19 Figura 2 - Representação do espectro eletromagnético destacando a região espectral THz. .. 21 Figura 3 - Representação esquemática do espectrômetro THz-DT. ... 32 Figura 4 - Representação do processo de geração de radiação THz através de uma antena fotocondutiva. ... 35 Figura 5 - Esquema de um sistema de detecção eletro-óptico. ... 37 Figura 6 - Esquema do princípio de defasagem da amostragem óptica assíncrona para uma diferença de taxa de repetição de 2 kHz. . ... 39 Figura 7 - Estruturas cristalinas das formas alotrópicas do TiO2 anatase e rutilo. ... 41
Figura 8 - Estrutura do ácido L-ascórbico considerada por Binghua et al. na atribuição dos modos vibracionais. ... 43 Figura 9 – Porta-amostras (a) estático e (b) rotatório, empregados para a aquisição dos espectros de pastilhas de 13 mm de diâmetro. ... 49 Figura 10 – Médias dos espectros registrados utilizando-se os porta-amostras estático e rotatório para as amostras de (a) anatase e (b) rutilo com tamanhos de partícula micrométrico e nanométrico com concentração de 16,6 %. ... 53 Figura 11 - Espectros das amostras contendo 16,6 % de anatase micrométrica adquiridos utilizando-se os porta-amostras (a) estático e (b) rotatório. ... 54 Figura 12 - Espectros das amostras contendo 16,6 % de anatase nanométrica adquiridos utilizando-se os porta-amostras (a) estático e (b) rotatório. ... 54 Figura 13 - Espectros das amostras contendo 16,6 % de rutilo micrométrico adquiridos utilizando-se os porta-amostras (a) estático e (b) rotatório. ... 54 Figura 14 - Espectros das amostras contendo 16,6 % de rutilo nanométrico adquiridos utilizando-se os porta-amostras (a) estático e (b) rotatório. ... 55 Figura 15 - Espectros das três medidas realizadas em uma pastilha contendo 16,6 % de (a) anatase micrométrica, (b) anatase nanométrica, (c) rutilo micrométrico e (d) rutilo nanométrico. ... 55 Figura 16 - Espectros das amostras contendo 20 % de (a) anatase micrométrica e (b) anatase nanométrica com diferentes massas (espessuras). ... 57 Figura 17 - Espectros normalizados pela espessura das amostras contendo 20 % de (a) anatase micrométrica e (b) anatase nanométrica com diferentes massas (espessuras). ... 57 Figura 18 - Espectros das três replicatas de 300 mg contendo 20 % de (a) anatase micrométrica e (b) anatase nanométrica. ... 59
Figura 20 - Espectros das três replicatas contendo 10 % de (a) anatase micrométrica e (b) rutilo nanométrico. ... 61 Figura 21 - Espectros de amostras de 300 mg contendo rutilo e anatase com tamanhos de partícula nanométrico e micrométrico na concentração de 10 %. ... 62 Figura 22 - Espectros de amostras de 300 mg contendo 10 % de (a) anatase micrométrica, (b) anatase nanométrica, (c) rutilo micrométrico e (d) rutilo nanométrico. ... 63 Figura 23 - Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV), utilizando-se detector de elétrons retroespalhados, das pastilhas contendo 10 % de anatase micrométrica preparadas através de homogeneização no moinho de bolas. ... 64 Figura 24 - Análise realizada através de MEV-EDS mostrando a distribuição dos elementos (a) titânio e (b) flúor nas pastilhas contendo 10 % de anatase micrométrica preparadas através de homogeneização no moinho de bolas. ... 64 Figura 25 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons retroespalhados, das pastilhas contendo 10 % de anatase micrométrica preparadas através de homogeneização no almofariz e pistilo de ágata. ... 64 Figura 26 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons retroespalhados, das pastilhas contendo 10 % de anatase nanométrica preparadas através de homogeneização no moinho de bolas. ... 65 Figura 27 - Análise realizada através de MEV-EDS mostrando a distribuição dos elementos (a) titânio e (b) flúor nas pastilhas contendo 10 % de anatase nanométrica preparadas através de homogeneização no moinho de bolas. ... 65 Figura 28 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons retroespalhados, das pastilhas contendo 10 % de anatase nanométrica preparadas através de homogeneização no almofariz e pistilo de ágata. ... 65 Figura 29 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons secundários, da anatase micrométrica com aumento de (a) 15000 e (b) 100000 vezes. ... 67 Figura 30 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons secundários, da anatase nanométrica com aumento de (a) 16000 e (b) 200000 vezes. ... 68 Figura 31 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons secundários, do rutilo micrométrico com aumento de (a) 15000 e (b) 30000 vezes. ... 69 Figura 32 - Imagens de MEV, utilizando-se detector de elétrons secundários, do rutilo nanométrico com aumento de (a) 15000 e (b) 250000 vezes. ... 70 Figura 33 - Avaliação da influência do método de moagem nos espectros de pastilhas contendo 30 % de Cebion® sem açúcar ou 10 % de ácido L-ascórbico. ... 73 Figura 34 - Avaliação da influência da espessura da pastilha nos espectros de extinção de amostras contendo (a) 30 % de Cebion® sem açúcar e (b) 10 % de ácido L-ascórbico. ... 74
Figura 36 - Espectros de extinção das amostras com diferentes concentrações de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de calibração externa, após tratamento através da segunda derivada. ... 76 Figura 37 - Curva de calibração externa para o ácido L-ascórbico contruída fazendo-se o tratamento dos espectros através da segunda derivada. ... 77 Figura 38 - Espectros de extinção das amostras com diferentes concentrações de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de calibração externa, após a correção da linha de base. ... 79 Figura 39 - Curva de calibração externa para o ácido L-ascórbico contruída fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de base. ... 80 Figura 40 - Média dos espectros adquiridos para os diferentes comprimidos comerciais. . ... 81 Figura 41 - Espectros, após tratamento através da segunda derivada, das quatro replicatas realizadas para os comprimidos de vitamina C das marcas (a) Redoxon®, (b) Redoxon® Zn, (c) Bio C®, (d) Cewin®, (e) Cebion® e (f) Cebion® sem açúcar. ... 82 Figura 42 - Espectros, após correção da linha de base, das quatro replicatas realizadas para os comprimidos de vitamina C das marcas (a) Redoxon®, (b) Redoxon® Zn, (c) Bio C®, (d) Cewin®, (e) Cebion® e (f) Cebion® sem açúcar. ... 83 Figura 43 - Espectros das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Redoxon®. ... 88 Figura 44 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Redoxon®, após tratamento através da segunda derivada. ... 89 Figura 45 - Curvas de adição de padrão para o Redoxon® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da segunda derivada. ... 90 Figura 46 - Espectros das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico adquiridos para a construção das curvas de adição de padrão do (a) Redoxon® Zn, (b) Bio-C®, (c) Cewin®, (d) Cebion® e (e) Cebion® sem açúcar. ... 93 Figura 47 - Espectros dos excipientes dos comprimidos de vitamina C avaliados. ... 99
Figura A2. 1 - Espectro de extinção de uma pastilha de PTFE de 300 mg. . ... 109 Figura A3. 2 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Redoxon®, após a correção da linha de base. ... 110 Figura A3. 3 - Curvas de adição de padrão para o Redoxon® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de base. ... 111
Figura A3. 5 - Curvas de adição de padrão para o Redoxon® Zn contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da segunda derivada. ... 113 Figura A3. 6 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Redoxon® Zn, após a correção da linha de base. ... 114 Figura A3. 7 - Curvas de adição de padrão para o Redoxon® Zn contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de base. ... 115 Figura A3. 8 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Bio-C®, após tratamento através da segunda derivada. . ... 116 Figura A3. 9 - Curvas de adição de padrão para o Bio-C ® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da segunda derivada. ... 117 Figura A3. 10 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Bio-C® , após a correção da linha de base. ... 118 Figura A3. 11 - Curvas de adição de padrão para o Bio-C® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de base. ... 119 Figura A3. 12 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Cewin®, após tratamento através da segunda derivada. ... 120 Figura A3. 13 - Curvas de adição de padrão para o Cewin® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da segunda derivada. ... 121 Figura A3. 14 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Cewin®, após a correção da linha de base. ... 122 Figura A3. 15 - Curvas de adição de padrão para o Cewin® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de base. ... 123 Figura A3. 16 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Cebion®, após tratamento através da segunda derivada. ... 124 Figura A3. 17 - Curvas de adição de padrão para o Cebion® contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da segunda derivada. ... 125 Figura A3. 18 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Cebion®, após a correção da linha de base. ... 126
Figura A3. 20 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Cebion® sem açúcar, após tratamento através da segunda derivada. ... 128 Figura A3. 21 - Curvas de adição de padrão para o Cebion® sem açúcar contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da fazendo-segunda derivada. ... 129 Figura A3. 22 - Espectros de extinção das amostras com diferentes adições de ácido L-ascórbico, adquiridos para a construção da curva de adição de padrão do Cebion® sem açúcar, após a correção da linha de base. ... 130 Figura A3. 23 - Curvas de adição de padrão para o Cebion® sem açúcar contruídas fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de bafazendo-se . ... 131
Tabela 1 - Definições das bandas vizinhas e correspondentes à região THz. ... 21 Tabela 2 - Valor correspondente a 1 THz expresso em outras unidades comumente utilizadas. ... 22 Tabela 3 - Modos vibracionais do ácido L-ascórbico reportados por Binghua et al. ... 43 Tabela 4 - Modos vibracionais do ácido L-ascórbico reportados por Zhao et al. . ... 44 Tabela 5 - Comparação das frequências de absorção obtidas experimentalmente e através de simulação reportada por Jiang et al. . ... 45 Tabela 6 - Modos vibracionais do ácido L-ascórbico reportados por Jiang et al. ... 45 Tabela 7 - Espessura das pastilhas contendo 20 % de anatase micrométrica e nanométrica. 56 Tabela 8 - Valores de intensidade em 1,79 THz medidos na segunda derivada dos espectros de extinção de pastilhas com diferentes concentrações de ácido L-ascórbico. ... 77 Tabela 9 - Valores de intensidade em 1,79 THz medidos nos espectros de extinção de pastilhas com diferentes concentrações de ácido L-ascórbico após correção da linha de base. ... 79 Tabela 10 - Resultado da determinação de ácido L-ascórbico em comprimidos de vitamina C fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da segunda derivada. ... 84 Tabela 11 - Resultado da determinação de ácido L-ascórbico em comprimidos de vitamina C fazendo-se o tratamento dos espectros através da correção da linha de base. ... 85 Tabela 12 - Erros relativos para a determinação de ácido L-ascórbico em comprimidos comerciais de vitamina C através da construção de curvas de calibração externa, empregando-se a empregando-segunda derivada e a correção da linha de baempregando-se para o tratamento dos espectros. ... 86 Tabela 13 - Valores de intensidade em 1,81 THz medidos na segunda derivada dos espectros de extinção de pastilhas contendo 20 % de Redoxon® e diferentes adições de ácido L-ascórbico. ... 89 Tabela 14 - Resultados da determinação da concentração ácido L-ascórbico nas pastilhas contendo 20 % de Redoxon® através do método das adições de padrão empregando-se os dois métodos propostos para o tratamento dos espectros. ... 91 Tabela 15 - Resultados da determinação da concentração ácido L-ascórbico nas pastilhas
contendo 20 % de Redoxon® Zn através do método das adições de padrão empregando-se os
dois métodos propostos para o tratamento dos espectros. ... 94 Tabela 16 - Resultados da determinação da concentração ácido L-ascórbico nas pastilhas contendo 20 % de Bio-C® através do método das adições de padrão empregando-se os dois métodos propostos para o tratamento dos espectros. ... 94
Tabela 18 - Resultados da determinação da concentração ácido L-ascórbico nas pastilhas
contendo 20 % de Cebion® através do método das adições de padrão empregando-se os dois
métodos propostos para o tratamento dos espectros. ... 95 Tabela 19 - Resultados da determinação da concentração ácido L-ascórbico nas pastilhas
contendo 20 % de Cebion® sem açúcar através do método das adições de padrão
empregando-se os métodos propostos para o tratamento dos espectros. ... 96 Tabela 20 - Erros relativos para a determinação de ácido L-ascórbico em comprimidos comerciais de vitamina C através do método das adições de padrão, empregando-se a segunda derivada e a correção da linha de base para o tratamento dos espectros. ... 97 Tabela 21 - Lista dos excipientes declarados pelos fabricantes dos comprimidos de vitamina C das marcas avaliadas. Estão marcados na cor azul os excipientes para os quais foram adquiridos espectros. ... 98 Tabela 22 - Frequências das bandas de absorção para os excipientes que absovem a radiação THz na região de 0,5 a 3 THz. ... 100 Tabela 23 - Comparação das frequências das bandas de absorção do ácido L-ascórbico encontradas neste trabalho com as reportadas na literatura. ... 101
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ... 18
1.1. INTRODUÇÃO À ESPECTROSCOPIA ... 18
1.2. A REGIÃO ESPECTRAL THZ ... 20
1.3. APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA TERAHERTZ NO DOMÍNIO DO TEMPO (THZ –DT) ... 22
1.3.1. O que pode ser observado na região THz ... 22
1.3.2. Aplicações ... 23
1.4. A ANÁLISE DE AMOSTRAS SÓLIDAS POR ESPECTROSCOPIA THZ –DT ... 27
1.5. O ESPECTRÔMETRO THZ-DT ... 30 1.5.1. A “lacuna THz” ... 30 1.5.2. Princípio de funcionamento ... 31 1.5.2.1. Laser de femtosegundo ... 32 1.5.2.2. Antena fotocondutiva ... 34 1.5.2.3. Detecção eletro-óptica ... 36
1.5.2.4. Amostragem óptica assíncrona ... 38
1.6. DIÓXIDO DE TITÂNIO ... 39
1.7. ÁCIDO L-ASCÓRBICO ... 42
CAPÍTULO 2 - OBJETIVOS ... 46
CAPÍTULO 3 - PARTE EXPERIMENTAL ... 46
3.1. REAGENTES ... 46
3.2. MEDIDAS NO ESPECTRÔMETRO THZ-DT ... 47
3.2.1. Preparação das amostras ... 47
3.2.2. Porta-amostras ... 48
3.2.3. Tratamento dos dados ... 49
3.3. DETERMINAÇÃO DE ÁCIDO L-ASCÓRBICO ATRAVÉS DE TITULAÇÃO COM IODATO DE POTÁSSIO .... 50
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 51
4.1. ESTUDO DO TIO2 ATRAVÉS DA ESPECTROSCOPIA THZ-DT E INVESTIGAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS FÍSICOS NOS SEUS ESPECTROS DE EXTINÇÃO ... 51
4.1.1. Análise do rutilo e da anatase com diferentes tamanhos de partícula empregando-se os dois tipos de porta-amostras propostos ... 51
4.1.2. Avaliação da influência da espessura da pastilha nos espectros de extinção da anatase micrométrica e nanométrica ... 56
4.1.3. Avaliação da influência da concentração de TiO2 nos seus espectros de extinção ... 59
4.1.4. Análise dorutilo e da anatase com tamanhos de partícula nanométrico e micrométrico empregando-se os parâmetros otimizados ... 61
4.1.5. Análise de pastilhas contendo anatase micrométrica e nanométrica através de MEV-EDS ... 63
4.1.6. Microscopia eletrônica de varredura daanatase e do rutilo com tamanhos de partícula micrométrico e nanométrico ... 66
4.2. DETERMINAÇÃO DE ÁCIDO L-ASCÓRBICO EM PASTILHAS DE VITAMINA C ATRAVÉS DA ESPECTROSCOPIA THZ-DT ... 72
4.2.1. Definição das condições experimentais ... 72
4.2.2. Determinação de ácido L-ascórbico em pastilhas de vitamina C através de calibração externa 75 4.2.3. Determinação de ácido L-ascórbico em comprimidos de vitamina C através do método das adições de padrão ... 87
101 CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES ... 101 CAPÍTULO 6 - REFERÊNCIAS ... 103 CAPÍTULO 7 – ANEXOS ... 108 ANEXO1 ... 108 ANEXO2 ... 109 ANEXO3 ... 110
CAPÍTULO 1 – Introdução
1.1. Introdução à espectroscopia
A espectroscopia é a ciência que estuda as interações dos diversos tipos de radiação com a matéria; contudo, a radiação eletromagnética é a base dos métodos espectroscópicos mais difundidos 1,2.
Quando a radiação eletromagnética atravessa uma amostra, determinadas frequências podem ser absorvidas, promovendo os átomos, íons ou moléculas que a compõe do seu estado fundamental para um ou mais estados excitados. De acordo com a teoria quântica, para que a absorção da radiação ocorra, a energia do fóton de excitação deve ser idêntica à diferença de energia entre o estado fundamental e um dos estados excitados da espécie absorvente. Posto que estas diferenças são características de cada espécie, uma análise das frequências da radiação absorvidas constitui uma forma de caracterização dos componentes de uma amostra 1,2.
Os espectros de absorção atômica apresentam uma série de linhas estreitas e bem definidas, uma vez que a excitação ocorre apenas por processos eletrônicos, nos quais um ou mais elétrons do átomo são levados a um nível energético mais alto. A energia associada às bandas de absorção de uma molécula é constituída pela energia eletrônica da molécula, proveniente dos estados energéticos dos seus elétrons de ligação, pela energia associada às vibrações interatômicas e pela energia devida aos movimentos rotacionais da molécula. Para cada estado energético eletrônico de uma molécula, existem diversos estados vibracionais e, para cada estado vibracional, são possíveis diversos níveis rotacionais. Como consequência, o número de níveis de energia possíveis para uma molécula é normalmente muito maior do que o número de níveis de energia de um átomo. Dessa forma, os espectros moleculares são consideravelmente mais complexos que os espectros atômicos, consistindo de uma série de linhas próximas que constituem uma banda de absorção. A Figura 1 mostra uma representação gráfica dos níveis energia associados a alguns estados eletrônicos e vibracionais de uma molécula 1,2.
Figura 1 - Diagrama de níveis energéticos mostrando algumas mudanças que ocorrem durante a absorção da
radiação eletromagnética por espécies moleculares.
A linha indicada por E0 representa a energia eletrônica da molécula em seu estado
fundamental, ao passo que as linhas E1 e E2 representam as energias de dois estados
eletrônicos excitados. Alguns níveis vibracionais são mostrados para cada estado eletrônico e estão indicados pelas linhas identificadas com os números 0 (estado fundamental), 1, 2, 3 e 4. Embora não sejam mostrados na Figura 1, muitos níveis rotacionais estão associados a cada nível vibracional 1,2.
Quando uma molécula absorve a radiação eletromagnética, podem então ocorrer transições eletrônicas, rotacionais ou rotacionais-vibracionais. As transições eletrônicas, que ocorrem entre os diferentes estados eletrônicos da molécula, são possíveis quando a amostra absorve radiação suficientemente energética, em geral pertencente às regiões ultravioleta e visível do espectro. Transições rotacionais correspondem a transições entre os níveis rotacionais de um dado nível vibracional em um estado eletrônico particular. Este tipo de transição requer uma energia muito pequena e é geralmente observada nas regiões espectrais micro-ondas, terahertz e infravermelho distante. A absorção da radiação por moléculas no estado gasoso é caracterizada por linhas discretas e bem definidas, enquanto nos líquidos e sólidos as colisões e as interações intermoleculares causam um alargamento das linhas, produzindo um contínuo. Transições rotacionais–vibracionais consistem de transições dos
4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 E0 E1 E2 Ene rg ia λ1 λ4 λ 1 ' λ5 ' λ1 '' λ5''
níveis rotacionais de certo estado vibracional para os níveis rotacionais de outro estado vibracional no mesmo estado eletrônico. A absorção rotacional-vibracional é observada na região do espectro eletromagnético onde a radiação não é suficientemente energética para causar transições eletrônicas, normalmente na região do infravermelho. Alguns modos vibracionais de baixa frequência são observados na região terahertz, como será detalhado na seção 1.3.1. O espectro de um gás geralmente consiste em uma série de linhas muito próximas, uma vez que existem vários níveis de energia rotacional para um nível vibracional. Por outro lado, em amostras líquidas e sólidas, as linhas rotacionais-vibracionais discretas não são usualmente detectadas, observando-se apenas bandas vibracionais um pouco alargadas 1,2.
As características de uma vibração atômica de estiramento podem ser aproximadas por um modelo mecânico composto de duas massas conectadas por uma mola. Um distúrbio de uma destas massas ao longo do eixo da mola resulta em uma vibração chamada movimento harmônico simples. A frequência vibracional do oscilador harmônico é apresentada na Equação I 1,2.
ν = 1
2π√
k
μ Equação I
onde: ν é a frequência de vibração, k é a constante de força da ligação e µ é a massa reduzida do sistema.
A partir da Equação I e dos espectros de absorção molecular é possível então calcular as constantes de força de vários tipos de ligação química. Analogamente, conhecendo-se a constante de força da ligação, é possível estimar sua frequência de absorção 1,2.
1.2. A região espectral THz
A região do espectro eletromagnético denominada terahertz (THz) encontra-se entre as regiões espectrais micro-ondas e infravermelho distante e, de acordo com as definições comumente empregadas, compreende frequências de 0,1 a 30 THz. Entretanto, a faixa entre 10 e 30 THz ultrapassa a banda do infravermelho distante e entra na faixa de frequências do infravermelho médio, onde existem tecnologias óticas bem estabelecidas. Por esta razão, muitos autores restringem a faixa espectral THz entre 0,1 e 10 THz
(3,33 a 333 cm-1) 3. A Figura 2 mostra a localização da banda THz no espectro eletromagnético.
Extraído de: Lee, 2009, p. 2 3.
Figura 2 - Representação do espectro eletromagnético destacando a região espectral THz.
A banda THz mistura-se com as regiões espectrais vizinhas, como a banda de ondas milimétricas, que é a banda de mais alta frequência das ondas de rádio conhecida como a região de frequência extremamente alta (EHF), a banda de ondas submilimétricas e a banda do infravermelho distante 3. As definições de tais bandas são detalhadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Definições das bandas vizinhas e correspondentes à região THz 3.
Banda Comprimento de onda Frequência (THz)
Ondas milimétricas 1-10 mm 0,03-0,3
Ondas submilimétricas 0,1-1 mm 0,3-3,0
Infravermelho distante (25-40) a (200-350) µm (0,86-1,5) a (7,5 a 12) Estas bandas também são distinguidas por suas tecnologias características. Fontes e detectores de ondas milimétricas são dispositivos baseados em tecnologias de micro-ondas, enquanto aplicações no infravermelho distante apoiam-se tradicionalmente em dispositivos óticos e térmicos. A espectroscopia THz compreende as técnicas que empregam fontes
Banda Terahertz Número de onda Energia Comprimento de onda Frequência (Hz) Lacuna THz
coerentes, baseadas em lasers de femtosegundo, e atualmente é amplamente aplicada na região das ondas submilimétricas 4.
Outras unidades são utilizadas para descrever o espectro da radiação THz. A Tabela 2 mostra a conversão da frequência (1 THz) para algumas unidades frequentemente empregadas.
Tabela 2 - Valor correspondente a 1 THz expresso em outras unidades comumente utilizadas 3.
Unidade Conversão Valor correspondente a 1 THz
Período (τ) 1/ν 1 ps
Comprimento de onda (λ) c/ν 0.3 mm = 300 µm
Número de onda (ῦ) 1/λ 33.3 cm-1
Energia de fóton (E) hν 4.14 meV
* ν é a frequência, c é a velocidade da luz no vácuo e h é a constante de Plank.
1.3. Aplicações da espectroscopia terahertz no domínio do tempo (THz –DT)
1.3.1. O que pode ser observado na região THz
Na região de mais baixa frequência do espectro THz, podem ser observados modos rotacionais de moléculas no estado gasoso com maior energia que os detectados na região micro-ondas.
Em comparação com as regiões de radiofrequência e infravermelho do espectro eletromagnético, a região THz apresenta maior opacidade atmosférica devido às linhas rotacionais das moléculas que a constituem. Entretanto, a absorção pelo vapor de água é o processo predominante na atenuação atmosférica sofrida pela radiação THz 3. Devido à magnitude elevada do momento de dipolo da molécula de água, são observadas linhas rotacionais intensas na região de 5 a 120 cm-1 do espectro. Dessa forma, a presença de vapor de água é um fator importante a ser considerado no desenvolvimento de aplicações para a espectroscopia THz 5.
A energia dos fótons da radiação THz permite a sua utilização na investigação da atividade vibracional que não é observada pelos espectrômetros na região do infravermelho. O tratamento simplificado de um oscilador harmônico, apresentado na Equação I, mostra que as vibrações observadas na região THz serão de ligações com menores constantes de força e/ou maiores massas reduzidas que as observadas na espectroscopia no infravermelho.
Para moléculas pequenas na fase gasosa, a única atividade vibracional intramolecular observada na região THz é a dos modos de deformação angular que, na maior parte das vezes, ainda aparecem no infravermelho distante 4. Outro tipo de vibração intramolecular que pode ser observada nesta região é a dos modos coletivos, como os de torção em cadeias moleculares grandes 6.
Uma vez que a ligação de hidrogênio é mais fraca que as ligações iônica e covalente e, portanto, apresenta menor constante de força, os modos vibracionais mediados por ligações de hidrogênio têm frequências de ressonância mais baixas do que as observadas para os modos vibracionais intermoleculares típicos e, em geral, aparecem na região abaixo de 10 THz 3.
Também são ativos na região THz os modos vibracionais que envolvem o movimento de subunidades de moléculas grandes, especialmente biomoléculas (proteínas, DNA, lipídios, etc.), que têm massas reduzidas muito grandes e cujas constantes de força são principalmente influenciadas por forças intermoleculares fracas. Pelas mesmas razões (grande massa reduzida e baixa constante de força), é possível observar modos de vibração de complexos formados por pequenas moléculas ligadas entre si por forças intermoleculares, o que é geralmente observado na fase condensada, como por exemplo, em cristais moleculares 4.
Quando ligações intermoleculares bem definidas estão presentes, são observadas bandas acentuadas no espectro THz. Por outro lado, amostras amorfas ou líquidas tendem a exibir poucas bandas de absorção que, quando presentes, tendem a ser alargadas. Desta forma, espectros distintos são observados para amostras amorfas e cristalinas do mesmo material, para polimorfos cristalinos e devido à presença ou ausência de solvente em um cristal 4.
Devido à presença de modos vibracionais intra e intermoleculares nos espectros, a atribuição inequívoca das bandas de absorção é bastante difícil e só recentemente a reprodução dos espectros THz de alguns sistemas moleculares pôde ser realizada 6.
1.3.2. Aplicações
A espectroscopia THz-DT encontra aplicações em diversas áreas, dentre elas a área de segurança, sendo uma técnica promissora para a detecção de drogas ilícitas e materiais explosivos 7–15. Uma das características da radiação THz que a torna especialmente interessante para este tipo de aplicação é o fato de que muitos materiais utilizados para ocultar tais substâncias, como papel, plástico, tecido, madeira e couro, apresentam boa transparência
nesta faixa espectral, enquanto são opacos à luz visível e infravermelha. Além disso, explosivos comumente utilizados e algumas drogas ilícitas apresentam características espectrais únicas na região THz 7. Esses fatores permitem que a espectroscopia THz seja empregada, por exemplo, na inspeção de envelopes em postos de correspondência e de bagagens em aeroportos 3.
A literatura compreende diversos trabalhos relacionados à identificação de explosivos, tais como TNT (2,4,6-trinitrotolueno) 8, HNIW (Hexanitrohexaazaisowurtzitano)
9
, RDX (ciclotrimetileno-trinitramina) 8–11, HMX (ciclotetrametileno-tetranitramina) 8–10, PETN (tetranitrato de pentaeritritol) 8,10–12 e 2,4-DNT (2,4-dinitrotolueno) 9,13. Fan et al. demonstraram a viabilidade da identificação do PETN no explosivo Metabel, apesar de sua composição apresentar outros compostos como plastificantes, aglutinantes e corantes 12. Kemp et al. mostraram que os espectros de dois explosivos plásticos, o PE4, composto por RDX e um plastificante, e o Semtex H, uma mistura de RDX, PETN e plastificante, apresentam bandas características de seus constituintes 10.
Podem ainda ser encontrados na literatura exemplos de caracterização de drogas ilícitas, como MA (metanfetamina) 9,14, MDA (metilenodioxianfetamina) 9 e MDMA (metilenodioximetanfetamina - ecstasy) 15. A viabilidade da detecção não invasiva de drogas ilícitas escondidas em envelopes através da espectroscopia THz-DT foi demonstrada por Zhang et al. Nesse trabalho, realizou-se uma comparação dos espectros de amostras contendo MA e MDA adquiridos com as pastilhas fora e dentro de envelopes de papel. Os resultados mostraram que os espectros das amostras envolvidas ou não pela embalagem de papel apresentaram as mesmas bandas de absorção 9.
Tais resultados indicam a viabilidade de utilizar-se a espectroscopia THz-DT para o desenvolvimento de sistemas de detecção de explosivos e drogas ilícitas que podem ser empregados no monitoramento destas substâncias em aeroportos e outros locais públicos.
Outra aplicação promissora para a espectroscopia THz é a caracterização de materiais farmacêuticos 16–21.
Devido a sua sensibilidade às interações de ligações de hidrogênio e às vibrações da estrutura de cristais moleculares, a técnica pode ser empregada para a diferenciação de polimorfos cristalinos e para a medição dos graus de cristalinidade e de hidratação dos compostos 3. O polimorfismo é comumente observado entre os ingredientes ativos farmacêuticos, tendo sido demonstrado que cerca de 80 % dos ativos farmacêuticos apresentam polimorfos cristalinos 22. Além disso, estima-se que um em cada três compostos utilizados como fármacos podem existir em formas hidratadas 22. Tais características são
importantes porque afetam propriedades físico-químicas dos ingredientes farmacêuticos, como a solubilidade, que influencia diretamente na biodisponibilidade da droga, e a estabilidade química 3,4.
Devido à sua baixa energia de fóton, a radiação THz não induz mudanças químicas no material sob investigação. Além disso, muitos excipientes farmacêuticos e materiais de embalagem são transparentes ou semitransparentes à radiação THz. Essas características viabilizam a utilização da espectroscopia THz no estudo da estabilidade e na caracterização de comprimidos, cápsulas ou outros formatos de dosagem em tempo real e de forma não destrutiva e não invasiva, possibilitando aplicações, por exemplo, no controle de qualidade de fármacos, na validação de processos produtivos e na identificação de drogas falsificadas 4.
Zeitler et al. demonstraram que os espectros dos cinco polimorfos do sulfatiazol, uma droga utilizada como antibiótico, apresentam características distintas na região THz, de forma que suas diferentes formas cristalinas podem ser facilmente distinguidas através da técnica 17. Não somente as diferentes formas polimórficas de fármacos podem ser diferenciadas através de seus espectros THz, como também é possível determinar o grau de hidratação de um cristal. Zeitler et al. mostraram que as formas hidratadas e anidras da lactose, carbamazepina, piroxicam e teofilina apresentam espectros distintos na região THz 16. A utilização da espectroscopia THz em análises quantitativas foi investigada por alguns autores 18,20. A viabilidade da quantificação do ácido acetilsalicílico (aspirina) e do 4-acetamidophenol (paracetamol) na presença dos excipientes lactose e celulose foi reportada por Taday et al. 19. Strachan et al. realizaram a quantificação de misturas binárias de diferentes formas polimórficas e de quatro compostos (a carbamazepina, o maleato de enalapril, a indometacina e o fenoprofen cálcio) com distintos graus de cristalinidade 21.
A espectroscopia THz-DT mostrou-se uma ferramenta útil também para o entendimento de macromoléculas de interesse biológico, como proteínas e DNA, que apresentam modos vibracionais ativos na região THz. Devido à sua natureza coletiva e de longo alcance, estes modos vibracionais são altamente sensíveis às interações intermoleculares, sobretudo às ligações de hidrogênio, que são responsáveis pela estabilização da estrutura estérica dessas biomoléculas. Em particular, são ativos na região THz os modos de vibração de baixa frequência devido às suas mudanças conformacionais 23. As mudanças de conformação correspondem às movimentações relativas entre os grupos funcionais dessas macromoléculas e são uma informação importante para o entendimento dos processos biológicos. As mudanças conformacionais afetam a atividade biológica de proteínas, por
exemplo, pois tem um papel importante nas interações e na ligação dessas moléculas com seus ligantes 24.
Entretanto, existem desafios significativos para o emprego da espectroscopia THz-DT no estudo de proteínas e DNA. Para polipeptídeos e proteínas moderadamente grandes, os modos vibracionais são densamente espaçados e de magnitude similar, o que resulta em espectros com bandas alargadas ou, muitas vezes, sem bandas características 25, 26. Além disso, o fato de as moléculas de água apresentarem forte absorção na região THz, dificulta muito o monitoramento dessas biomoléculas em solução ou em seu estado nativo de hidratação 24, 26. Algumas estratégias têm sido propostas para superação deste obstáculo, um exemplo é a utilização da técnica de reflexão total atenuada (ATR) 27.
Apesar desses fatores, um progresso significativo foi feito nesta área. Markelz et al. reportaram as primeiras medidas de absorção de biomoléculas na região THz. Foram investigados compostos como o colágeno, DNA de timo de vitelo e a albumina de soro bovino, que apresentaram espectros com bandas alargadas, sugerindo que um grande número de modos de vibração é ativo nesta região. Além disso, este trabalho mostrou que a absorção é dependente do grau de hidratação e da conformação das macromoléculas 25. Posteriormente, Markelz et al. empregaram a espectroscopia THz-DT para identificar espécies biomoleculares, como a mioglobina e a lisozima, demonstrando que seus espectros de absorção refletem a densidade dos modos vibracionais prevista através de cálculos. Além disso, foi realizada com sucesso a determinação do estado conformacional da bacteriorrodopsina, que passa por mudanças de conformação através da iluminação com um comprimento de onda de 640 nm. Finalmente, o espectro THz de uma forma mutante da bacteriorrodopsina foi comparado com o espectro de sua forma natural. Foi observada uma diminuição na absorção da radiação THz para a forma mutante, indicando que a espectroscopia THz-DT é sensível também às mutações em biomoléculas 28.
Além da investigação de macromoléculas, biomoléculas como vitaminas, carboidratos e aminoácidos também foram investigados. Zheng et al. demonstraram que os monossacarídeos glicose e frutose apresentam espectros distintos na região THz, ressaltando o potencial da espectroscopia THz-DT como ferramenta para identificação de isômeros. Além disso, cálculos empregando-se a teoria do funcional da densidade (DFT) levaram à conclusão de que os espectros destes carboidratos apresentam bandas relacionadas a modos intra e intermoleculares 29. Os espectros THz do ácido L-ascórbico, do cloridrato de tiamina, da biotina, da piridoxina, da riboflavina e da vitamina K2 foram investigados por Jiang et al. O estudo mostrou que as vitaminas estudadas apresentam espectros característicos na região
THz, com bandas correspondentes a modos vibracionais intra e intermoleculares 30.Ueno et al. empregaram a espectroscopia THz-DT na determinação da concentração de cinco aminoácidos em suplementos comerciais. O erro obtido, considerando-se o melhor caso, foi de ± 12 %. Entretanto, foram encontrados erros de até + 160 %. As pastilhas preparadas a partir dos suplementos também foram avaliadas após serem envolvidas por papel e a exatidão dos resultados foi bastante similar à obtida com as pastilhas desembaladas. Os resultados demonstram não só o potencial da espectroscopia THz para a identificação e quantificação de aminoácidos, como também para a análise não invasiva e não destrutiva de amostras embaladas 31.
Apesar do extenso número de estudos presentes na literatura relacionados à espectroscopia THz-DT, a técnica permanece relativamente inexplorada em comparação com a espectroscopia em outras regiões do espectro, sobretudo no que diz respeito às análises quantitativas 4. Dessa forma, o desenvolvimento de metodologias para a quantificação de substâncias empregando-se a espectroscopia THz-DT é necessário para que a mesma possa se tornar uma ferramenta rotineira nos laboratórios de química analítica.
1.4. A análise de amostras sólidas por espectroscopia THz – DT
A análise de amostras sólidas altamente absorventes pode ser realizada pela sua diluição em uma matriz sólida, como polietileno ou poli(tetrafluoretileno), para posterior preparação de pastilhas. Entretanto, os diferentes índices de refração da amostra e da matriz, além do ar aprisionado na pastilha, podem contribuir para o espalhamento da radiação 26. Espectroscopicamente, o espalhamento produz um aumento exponencial na linha de base, proporcional à frequência. Esta inclinação da linha de base pode resultar em uma atenuação significativa da radiação, particularmente nas frequências mais altas. Dessa forma, o espalhamento da radiação pode prejudicar a qualidade do espectro THz e a realização de medidas quantitativas 32.
A literatura compreende diversos trabalhos com a finalidade de estudar e eliminar os efeitos do espalhamento da radiação THz na análise de amostras sólidas. O efeito do tamanho de partícula de amostras de polietileno e de sacarose no espalhamento da radiação THz foi investigado por Schen et al. O trabalho demonstrou que o espalhamento aumenta com o tamanho de partícula, além de ocasionar características espectrais anômalas quando o tamanho de partícula se aproxima do comprimento de onda. Os autores propuseram então uma alternativa para eliminar os efeitos do espalhamento nos espectros, através da média de
múltiplas medidas realizadas em uma área ampla da amostra. O mecanismo se baseia no fato de que a contribuição do espalhamento é randômica e será minimizada com a realização da média, enquanto a contribuição da amostra será reforçada por este processo. Essa estratégia é especialmente útil quando não é possível minimizar os efeitos do espalhamento através da diminuição do tamanho de partícula da amostra 33.
Garet et al. mostraram que o efeito do espalhamento não pode ser previsto por um modelo simples quando o tamanho das partículas é da ordem ou maior que o comprimento de onda. Nestes casos, modelos mais sofisticados, como a teoria de Mie, são mais adequados para descrever quantitativa e qualitativamente o processo de espalhamento e para avaliar a sua contribuição na atenuação da radiação THz em amostras granuladas. Este estudo mostrou que, para partículas submilimétricas, a contribuição do espalhamento é responsável por 80 a 90 % da atenuação total, mesmo em frequências nas quais a amostra apresenta maior absorção. Foram estudadas misturas de polietileno e frutose com diferentes tamanhos de partícula 34.
A identificação do 2,4-dinitrotolueno e da α-lactose em sua forma granular, sem dispersão em uma matriz sólida, foi realizada por Kornienko et al. Essa condição foi empregada com a finalidade de aproximar os parâmetros da análise dos encontrados em aplicações reais. Também por essa razão, a atmosfera na qual a amostra estava inserida não foi seca com nitrogênio. O estudo mostrou que a preparação das amostras tem um efeito importante no espectro resultante. Devido ao espalhamento da radiação, as amostras com tamanho de partícula maior, da ordem de 400 µm, apresentaram espectros complexos e irregulares, nos quais as bandas características das substâncias não puderam ser claramente detectadas. O mesmo efeito foi observado na região de alta frequência do espectro para as amostras com tamanho de partícula maior que 130 µm. Os autores utilizaram a teoria de Mie para simular o espalhamento da radiação ao atravessar as amostras e eliminar sua contribuição nos espectros registrados. Este processo possibilitou a observação das bandas características das amostras com tamanho de partícula de até 400 µm, mesmo na região de alta frequência do espectro 35.
Outro tipo de interferência não química que afeta os espectros de transmissão é o efeito etalon, caracterizado pelo aparecimento de modulações senoidais nos espectros de extinção, chamadas de franjas. Essas franjas geralmente resultam de reflexões da radiação nas interfaces da amostra, fazendo com que o primeiro pulso transmitido seja seguido no domínio do tempo por múltiplos pulsos que foram refletidos ao atravessarem a amostra. Quando vários pulsos estão presentes numa janela FFT, são observados padrões de interferência nos espectros 32,36. O efeito etalon pode prejudicar seriamente a interpretação do espectro, pois a
superposição dessas flutuações periódicas e das características espectrais da amostra podem ocasionar equívocos em análises quantitativas e qualitativas. Uma abordagem para reduzir o impacto do etalon nos espectros é utilizar os filtros de média boxcar, média móvel e
Savitzky-Golay. Entretanto, tais filtros tendem a distorcer bandas estreitas e parte da informação útil
contida no sinal é geralmente removida junto com o ruído 2. Naftaly e Miles propuseram um algoritmo para reduzir a interferência do etalon nos espectros alterando matematicamente o sinal no domínio do tempo a fim de remover o eco. A principal vantagem deste método é que o mesmo não altera a resolução da frequência, deixando as bandas de absorção inalteradas. Entretanto, existem algumas limitações para a aplicação do algoritmo: a amostra deve ser espessa o suficiente para que o sinal proveniente da reflexão não se sobreponha ao pico principal. Além disso, a amostra não pode ser altamente absorvente 37.
A espessura das pastilhas é um aspecto que também deve ser considerado na análise de amostras sólidas. Namkung et al. estudaram como este parâmetro pode afetar as medidas analíticas na região THz utilizando misturas de lactose e polietileno. Os resultados indicaram que a espessura das pastilhas depende da porosidade de seus constituintes (quantidade de ar aprisionado na pastilha após sua compressão) e, por isso, amostras de mesma massa total apresentarão espessuras diferentes dependendo de sua composição. Além disso, os autores demonstraram que os espectros das amostras mais finas são mais impactados pelo etalon enquanto os espectros das pastilhas mais espessas sofrem uma interferência maior do espalhamento da radiação. Finalmente, foram realizados ensaios para a determinação da concentração de lactose em amostras com concentrações de 5 a 15 % do analito em matriz de polietileno. O mesmo experimento foi realizado utilizando-se pastilhas com diferentes espessuras. Foi empregada calibração multivariada (PLS) para o processamento dos dados sendo constatado que o desempenho do modelo, expresso em termos das médias quadráticas dos erros de calibração e previsão (RMSEC e RMSEP, respectivamente), depende da espessura das pastilhas. Neste trabalho, fatores como tamanho de partícula dos componentes, homogeneidade e quantidade de ar aprisionado na pastilha foram cuidadosamente controlados através do peneiramento da lactose e do polietileno, da realização de medidas em diversos pontos das pastilhas e da aplicação de vácuo e do controle da pressão no pastilhador durante a preparação das pastilhas 38.
Concluindo, esta seção tem a finalidade de demonstrar que a análise de amostras sólidas é influenciada por uma série de parâmetros que devem ser cuidadosamente estudados e controlados para a realização de medidas qualitativas e quantitativas confiáveis na região espectral THz.
1.5. O espectrômetro THz-DT
1.5.1. A “lacuna THz”
A espectroscopia na região THz não passou pelos mesmos avanços tecnológicos que a espectroscopia em outras regiões do espectro. Como resultado, espectrômetros THz cobrindo toda a faixa espectral ainda não estão amplamente disponíveis. Isso se deve à dificuldade de gerar e detectar frequências THz em comparação com as tecnologias bem estabelecidas da óptica e da eletrônica. A chamada “lacuna THz” surge do fato de que as fontes e detectores usados em espectroscopia estão ambos do lado óptico (alta frequência) ou eletrônico (baixa frequência) da lacuna 5.
As fontes utilizadas na região de alta frequência são geralmente lasers e lâmpadas. A energia de fóton correspondente a 1 THz (4 meV) é muito menor que as transições de estado eletrônico de átomos e moléculas comumente utilizados em lasers. Além disso, na região THz, um corpo negro a 1400 K emite apenas alguns nanowatts de potência ao longo de toda faixa espectral. As ondas eletromagnéticas de baixa frequência são geradas utilizando-se osciladores, cuja potência diminui com o aumento da frequência. O limite de alta frequência é determinado pelo tempo em que os elétrons levam para atravessar o dispositivo, o que é definido pelo tamanho do dispositivo e pela mobilidade dos portadores de carga. Apesar da constante diminuição do tamanho dos dispositivos, são as propriedades do material que atualmente limitam a resposta de alta frequência 5.
As mesmas limitações apresentadas pelas fontes são observadas para os detectores. Os fótons da radiação THz não são capazes de excitar os elétrons de um fotodiodo para a banda de condução ou prover energia suficiente para ocasionar a emissão de elétrons através do efeito fotoelétrico. Os bolômetros podem detectar a radiação THz, mas, a não ser que sejam resfriados a temperaturas muito baixas, são limitados pelos sinais térmicos e incoerentes de fundo 5, 39.
O advento da tecnologia de lasers de femtosegundo ajudou a preencher esta lacuna no espectro eletromagnético. Os lasers de pulsos ultracurtos permitem a geração e detecção de pulsos curtos de radiação THz através de cristais de óptica não linear ou de antenas fotocondutivas. Com base nesta tecnologia, a espectroscopia THz-DT foi desenvolvida e tem se estabelecido como uma poderosa ferramenta espectroscópica 6.
1.5.2. Princípio de funcionamento
No presente trabalho, foi utilizado o espectrômetro THz-DT da Gigaoptics GmbH, com faixa espectral de 0,05 a 6 THz. Uma representação esquemática simplificada deste espectrômetro é mostrada na Figura 3.
Neste sistema, pulsos THz de aproximadamente 1 ps de duração são criados e detectados utilizando-se lasers de Ti:safira, que fornecem pulsos com duração de aproximadamente 30 fs e comprimento de onda centrado em 810 nm. O oscilador de Ti:Safira contém um feixe de geração (slave) e um feixe de detecção (master) da radiação THz. A geração dos pulsos THz ocorre concentrando-se o feixe de geração em uma antena fotocondutiva de GaAs. Utilizando-se um conjunto de quatro espelhos parabólicos, a radiação THz gerada é colimada e focada sobre a amostra e, em seguida, colimada e focada no detector. O foco da radiação THz é de aproximadamente 0,5 mm.
A detecção dos pulsos THz é realizada utilizando-se um sistema eletro-óptico, composto por um cristal eletro-óptico de GaP, uma placa de ¼ de onda (λ/4), um prisma de Wollaston e um fotodetector. O pulso óptico de detecção (master) é direcionado para o cristal eletro-óptico de forma a copropagar com o pulso THz, após sua passagem através da amostra, dentro do cristal. A detecção eletro-óptica mede o campo elétrico dos pulsos THz no domínio do tempo, determinando não apenas sua amplitude, mas também sua fase com alta precisão. A amplitude e a fase são usadas para calcular o coeficiente de absorção e o índice de refração da amostra, respectivamente.
O funcionamento dos sistemas de geração e de detecção da radiação THz estão detalhados nas seções subsequentes.
Figura 3 - Representação esquemática do espectrômetro THz-DT.
1.5.2.1. Laser de femtosegundo
Os pulsos ópticos ultracurtos (30 fs) são produzidos por lasers de femtosegundo de Ti:Safira. Este laser é baseado em um semicondutor de óxido de alumínio (Al2O3) dopado
com titânio, onde íons Ti3+ (~0,1 %) substituem íons Al3+ na matriz de safira. Os elétrons deste semicondutor são excitados por um laser de bombeamento com comprimento de onda centrado em 532 nm e, então, relaxam para estados de menor energia gerando uma emissão estimulada com comprimento de onda próximo a 800 nm 3. O laser de Ti:safira opera em regime de modos travados (mode-locking). Este tipo de operação permite a obtenção de pulsos extremamente curtos, da ordem de picosegundos (10−12 s) ou femtosegundos (10−15 s). A base desta técnica é induzir uma correlação entre as fases dos diversos modos longitudinais da cavidade do laser 40.
Os lasers emitem radiação com um espectro bastante estreito, sendo que a largura de banda depende principalmente do semicondutor a partir do qual este é construído. Um laser de Ti:Safira apresenta um espectro com comprimentos de onda que variam de aproximadamente 680 nm a 1050 nm 41.
O segundo fator que determina as frequências de emissão de um laser é a sua cavidade óptica ou cavidade de ressonância. Ao propagar dentro cavidade, as ondas eletromagnéticas que compõe o feixe de luz emitido pelo laser, que oscilam com diferentes frequências, irão interagir de forma construtiva e destrutiva umas com as outras, levando à formação de ondas estacionárias dentro da cavidade. Estas ondas estacionárias formam um conjunto discreto de frequências, conhecido como modos longitudinais da cavidade. Estes modos são as únicas freqüências de luz que podem oscilar dentro da cavidade, todas as outras frequências são suprimidas por interferências destrutivas 40. Para uma cavidade simples, formada por um semicondutor envolvido por dois espelhos planos volados um para o outro, os modos permitidos são aqueles para os quais a distância de separação dos espelhos, L, é um múltiplo exato de metade do comprimento de onda da luz, λ, tal que L = qλ / 2, onde q é um número inteiro conhecido como a ordem do modo. Em um laser que não opera em mode-locking, cada um destes modos oscila independentemente, sem relação de fase fixa entre eles 40. Se ao invés de oscilarem independentemente, os modos longitudinais da cavidade operarem com uma relação de fase fixa, a radiação produzida pelo laser deixará de apresentar intensidade aleatória ou constante. As ondas estacionárias irão interferir construtivamente de maneira periódica, produzindo pulsos intensos de luz. Quando esta situação é alcançada, dizemos que o laser está operando em mode-locking 40. Esses pulsos ocorrem separados no tempo por τ = 2L / c, onde τ é o tempo necessário para que a luz faça exatamente um ciclo dentro da cavidade laser. A duração de cada pulso de luz é determinada pelo número de modos que estão oscilando em fase e pela relação de amplitude e de fase entre eles 40.
O laser de Ti:safira pode operar em mode-locking devido à sua ampla largura de banda. Entretanto, a não ser que um mecanismo especial seja empregado a fim de favorecer a operação pulsada, este sempre irá operar no modo contínuo. O mecanismo que suporta e estabiliza a operação pulsada no equipamento utilizado neste trabalho é o efeito Kerr óptico
41
. O efeito Kerr óptico é um processo que resulta da resposta não linear de um meio óptico ao campo eléctrico de uma onda eletromagnética, fazendo com que o índice de refração do meio seja dependente da intensidade do campo 40. Devido à distribuição não uniforme da densidade de potência num feixe Gaussiano, o índice de refração muda ao longo do seu perfil, de forma que o índice de refração experimentado pelo feixe é maior no centro do que na periferia. Assim, um material que apresenta efeito Kerr funcionará como uma lente para a luz de alta intensidade 40. Um pulso curto tem uma intensidade instantânea muito maior que um feixe em modo contínuo e é então focado de forma diferente dentro da cavidade do laser. O objetivo do desenho do oscilador é criar uma configuração na qual o efeito Kerr óptico em combinação
com o layout da cavidade são capazes de amplificar seletivamente a luz de alta intensidade (pulsada) e atenuar a luz de baixa intensidade (contínua) 41.
1.5.2.2. Antena fotocondutiva
A antena fotocondutiva é um dos componentes mais empregados para a geração de radiação THz. A Figura 4 (a-f) mostra as etapas envolvidas na geração de um pulso THz empregando-se este dispositivo. A antena consiste em um par de eletrodos paralelos, separados por uma distância de 5-10 mm, depositados sobre um material semicondutor de alta mobilidade (µ), neste caso o GaAs. Os eletrodos são polarizados para produzir um campo elétrico, EDC, da ordem de 106 V m-1, representado por flechas paralelas na Figura 4a, que
apresenta uma vista superior da geometria do sistema 5.
O primeiro passo para a geração da radiação THz é a excitação óptica da região sobre a qual está aplicado o campo elétrico. A geração dos portadores é mostrada na seção transversal apresentada na Figura 4b, onde pares elétron – buraco são gerados por um pulso óptico de duração de algumas dezenas de femtosegundos e formam um plasma eletricamente neutro próximo à superfície do semicondutor. É importante que a energia do band gap do semicondutor seja menor que a energia do fóton, hν, para que ocorra a formação dos pares elétron – buraco. A densidade de carga em função do tempo, N(t), é determinada pela forma do pulso de laser incidente e pelo tempo de vida dos portadores. Os portadores livres afetam a condutividade, σ, do semicondutor de acordo com a equação: σ(t) = N(t)eµ, onde e é a carga do elétron e µ sua mobilidade 5.
Os portadores são então acelerados pelo campo elétrico aplicado, EDC, conforme
mostrado na Figura 4c. A aceleração rápida e a separação dos elétrons dos buracos geram uma corrente transitória, dada por: J(t) = σ(t)E(t), onde E(t) é o campo elétrico responsável pela aceleração dos portadores 5.
A separação espacial dos portadores gerados cria uma polarização, P(t), no semicondutor. Conforme mostrado na Figura 4d, a polarização induzida cria um campo elétrico oposto ao campo elétrico aplicado entre os eletrodos. O campo elétrico responsável pela aceleração dos portadores evolui, então, de acordo com a equação: E(t) = EDC + P(t)/εγ,
onde εé a permissividade elétrica e γ é um fator numérico que depende da geometria 5
. A geração do pulso THz ocorre a partir da corrente elétrica transitória, J(t), conforme mostrado na Figura 4e, e pode ser teoricamente descrita pelas equações de Maxwell:
