Espectroscopia de UV-Vis e Fluorescência

Universidade Federal de São CarlosUniversidade Federal de São Carlos
Centro de Ciências Exatas e SustentabilidadeCentro de Ciências Exatas e Sustentabilidade
Pós-Graduação em Ciências dos MateriaisPós-Graduação em Ciências dos Materiais
Espectroscopia de Absorção no UV-visEspectroscopia de Absorção no UV-vis
e Espectroscopia de Fluorescênciae Espectroscopia de Fluorescência
Tamyris Paschoal Pereira
Profª. Drª. Marystela Ferreira
Prof.Dr. Antonio Rui
Novembro de 2013

Fundamentos da EspectroscopiaFundamentos da Espectroscopia
• Medidas baseada na luz e na radiação
eletromagnética;
Luz IncidenteLuz Incidente Luz TransmitidaLuz Transmitida
Luz AbsorvidaLuz Absorvida
Figura 1 – Feixe de luz incidente e transmitido.

• Onda EletromagnéticaOnda Eletromagnética
Figura 2 – Representação de uma onda eletromagnética.

• Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética

• Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética
 Energia de um fóton é diretamente proporcionalEnergia de um fóton é diretamente proporcional
a sua frequência.a sua frequência.
E =E = hhυυ == hhc/c/λλ
h=h= constante de Planckconstante de Planck
λλ= comprimento de onda= comprimento de onda
c= concentração da amostrac= concentração da amostra

• Espectro EletromagnéticoEspectro Eletromagnético
Figura 3 – Espectro Eletromagnético. [6]

• Medidas EspectroscópicasMedidas Espectroscópicas
• AbsorçãoAbsorção
• EmissãoEmissão
Interação da Radiação com a MatériaInteração da Radiação com a Matéria
Figura 4 – Métodos de Absorção e
Emissão. [6]

• Absorção da RadiaçãoAbsorção da Radiação
Cada espécie molecular é capaz de absorverCada espécie molecular é capaz de absorver
em frequências características da radiaçãoem frequências características da radiação
eletromagnética.eletromagnética.
 Excitação dos elétrons.Excitação dos elétrons.
Transições eletrônicas, vibracionais eTransições eletrônicas, vibracionais e
rotacionais.rotacionais.
Espectroscopia no UV-VisEspectroscopia no UV-Vis

• Absorção AtômicaAbsorção Atômica
Feixe de radiação policromática que passaFeixe de radiação policromática que passa
através de um meio contendo átomos no estadoatravés de um meio contendo átomos no estado
gasoso.gasoso.
Ocorre através da absorção de um fóton porOcorre através da absorção de um fóton por
radiaçãoradiação →→ Transição eletrônicaTransição eletrônica

• Absorção MolecularAbsorção Molecular
Transição EletrônicaTransição Eletrônica
Moléculas queMoléculas que
apresentam elétronsapresentam elétrons
que podem serque podem ser
promovidos a níveispromovidos a níveis
de energia maioresde energia maiores
através da absorçãoatravés da absorção
de energiade energia
Figura 5 – Transição eletrônica por absorção. [6]

• Absorção MolecularAbsorção Molecular
Transições Vibracionais eTransições Vibracionais e
RotacionaisRotacionais
Níveis discretos deNíveis discretos de
energias são absorvidosenergias são absorvidos
através de vibrações eatravés de vibrações e
rotações das moléculasrotações das moléculas
Figura 6 – Transições Vibracionais e
Rotacionais. [6]

Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
Transições
Transições
Vibracionais e
Vibracionais e
Rotacionais
Rotacionais
TransiçõesTransições
EletrônicasEletrônicas
Figura 7 – Transição eletrônica, vibracional e
rotacional. [6]

 Lei de Lambert-BerrLei de Lambert-Berr
Determinação da quantidade de luz absorvidaDeterminação da quantidade de luz absorvida
pela matéria.pela matéria.
Absorbância = log (PAbsorbância = log (Poo/P) =/P) = εε.b.c.b.c
 Limitações da Lei de BeerLimitações da Lei de Beer
Desvios reaisDesvios reais
Desvios instrumentaisDesvios instrumentais
Desvios químicosDesvios químicos

• Lei de Beer-LambertLei de Beer-Lambert
Figura 8 – Perdas por reflexão e espalhamento. [2]

• Absorção por Compostos OrgânicosAbsorção por Compostos Orgânicos
CromóforosCromóforos
Tabela 1 – Classificação de cromóforos [2]

• Absorção por Compostos InorgânicosAbsorção por Compostos Inorgânicos
Os íons e os complexos dos elementos de transição,
absorvem as bandas largas da radiação visível em pelo
menos um dos seus estados de oxidação e são,
coloridos.
• Absorção por Transferência de CargaAbsorção por Transferência de Carga
Esse tipo de complexo consiste em um grupo doador
ligado a um receptor de elétron. Quando absorve
radiação, um elétron do doador é transferido para um
orbital que está altamente relacionado com o receptor.

• Análise Qualitativa -Análise Qualitativa - Soluções DiluídasSoluções Diluídas
SolventeSolvente
PolaridadePolaridade
Efeito da largura da fendaEfeito da largura da fenda
EspalhamentoEspalhamento
• Análise QualitativaAnálise Qualitativa
 Qualquer composto que tenha gruposQualquer composto que tenha grupos
cromóforos, pode ser determinado porcromóforos, pode ser determinado por
espectroscopia.espectroscopia.

• Espectros de AbsorçãoEspectros de Absorção
Figura 9 – Espectro de absorção da clorofila e caratenóides. [6]

• Espectros de AbsorçãoEspectros de Absorção
Figura 10 – Espectros de absorção em diferentes condições. [2]

• A fluorescência ocorre em sistemas químicos,A fluorescência ocorre em sistemas químicos,
gasosos, líquidos e sólidos simples e emgasosos, líquidos e sólidos simples e em
sistemas complexos.sistemas complexos.
• O fóton absorvido perde energia por inúmerasO fóton absorvido perde energia por inúmeras
vibrações microscópicas,vibrações microscópicas,
λλemissaoemissao>>λλabsorção,absorção,
Deslocamento de Stoke.Deslocamento de Stoke.
Espectroscopia de FluorescênciaEspectroscopia de Fluorescência

a)a) Estado fundamentalEstado fundamental
singletesinglete
b)b) Estado excitadoEstado excitado
singletesinglete
c)c) Estado excitadoEstado excitado
tripletetriplete
Figura 11 – Estados de singlete, singlete
excitado e triplete. [6]

• Emissão por RadiaçãoEmissão por Radiação
Espécie excitada é muito curto e o relaxamentoEspécie excitada é muito curto e o relaxamento
para o nível de energia menor (estadopara o nível de energia menor (estado
fundamental), ocorre com liberação do excessofundamental), ocorre com liberação do excesso
de energia na forma de radiaçãode energia na forma de radiação
eletromagnética ou de calor.eletromagnética ou de calor.
Figura 12 – Emissão por
radiação. [6]

• Fluorescência AtômicaFluorescência Atômica
Quando um átomo é promovido a um estadoQuando um átomo é promovido a um estado
excitado, por meio de uma radiação em umexcitado, por meio de uma radiação em um
determinado comprimento de onda, a relaxaçãodeterminado comprimento de onda, a relaxação
pode então ocorrer por reemissão de radiaçãopode então ocorrer por reemissão de radiação
fluorescente de comprimento de onda idêntico.fluorescente de comprimento de onda idêntico.
Se os comprimentos de onda de excitação e deSe os comprimentos de onda de excitação e de
emissão são os mesmos, a emissão resultante éemissão são os mesmos, a emissão resultante é
chamada dechamada de fluorescência ressonantefluorescência ressonante.

• Fluorescência MolecularFluorescência Molecular
Relaxação não-radioativaRelaxação não-radioativa
Desativação vibracional ocorre devido a colisões.Desativação vibracional ocorre devido a colisões.
Emissão por FluorescênciaEmissão por Fluorescência
Estruturas características que diminuam aEstruturas características que diminuam a
velocidade dos processos de relaxação não-velocidade dos processos de relaxação não-
radioativos e que tenha maior velocidade deradioativos e que tenha maior velocidade de
relaxação por fluorescência.relaxação por fluorescência.

Figura 13 – Processos de absorção, relaxação e fluorescência. [6]

• Fluorescência e EstruturaFluorescência e Estrutura
 Compostos que contenham anéis aromáticos,Compostos que contenham anéis aromáticos,
carbonílicos alicíclicos e alifáticos, estruturas decarbonílicos alicíclicos e alifáticos, estruturas de
ligações duplas conjugadas e heterocíclicos.ligações duplas conjugadas e heterocíclicos.
Ocorrência de deslocamentos no comprimentoOcorrência de deslocamentos no comprimento
de onda de absorção e alterações nos picos dede onda de absorção e alterações nos picos de
fluorescência.fluorescência.
Afeta a eficiência da fluorescência.Afeta a eficiência da fluorescência.

Fluoresceína
Não apresentamNão apresentam
fluorescênciafluorescência
ApresentamApresentam
fluorescênciafluorescênciaFonte das imagens: [2]

Fonte da imagem: [7]

• Efeito da Rigidez EstruturalEfeito da Rigidez Estrutural
 Moléculas rígidas tendem a fluorescer.Moléculas rígidas tendem a fluorescer.
Apresenta fracaApresenta fraca
Apresenta forteApresenta forte
Fonte das imagens: [2]

• Efeito do Solvente e da TemperaturaEfeito do Solvente e da Temperatura
A eficiência quântica diminui com o aumento daA eficiência quântica diminui com o aumento da
temperaturatemperatura por causa do aumento da frequênciapor causa do aumento da frequência
das colisões ocasionando conversões externas.das colisões ocasionando conversões externas.
 A fluorescência é diminuída por solventesA fluorescência é diminuída por solventes
contendocontendo átomos pesados.átomos pesados.

• Efeitos do pHEfeitos do pH
Espécies de ressonância que estão relacionadasEspécies de ressonância que estão relacionadas
às formas ácidas e básicas das moléculas.às formas ácidas e básicas das moléculas.
ApresentamApresentam
Não apresentamNão apresentam

• Efeito da ConcentraçãoEfeito da Concentração
Um gráfico de potência de fluorescência de umaUm gráfico de potência de fluorescência de uma
soluçãosolução versusversus a concentração das espéciesa concentração das espécies
emissoras deve ser linear para baixasemissoras deve ser linear para baixas
concentrações.concentrações.
• Desvio de LinearidadeDesvio de Linearidade
 Concentração das moléculas emissores foremConcentração das moléculas emissores forem
grandes e a absortividade > 0,05grandes e a absortividade > 0,05 →→ perca deperca de
linearidade.linearidade.

• Desvio de LinearidadeDesvio de Linearidade
Desvios negativos na linearidade.Desvios negativos na linearidade.
 Auto-supressãoAuto-supressão
Colisões entre moléculas excitadas provocam aColisões entre moléculas excitadas provocam a
transferência de energia não-radiativa.transferência de energia não-radiativa.
 Absorção secundáriaAbsorção secundária
Ocorre quandoOcorre quando λλemissãoemissão coincide com algumcoincide com algum
λλabsorçãoabsorção..

• Espectro de Emissão e ExcitaçãoEspectro de Emissão e Excitação
Figura 14 – Espectro de Excitação (a) e Emissão (b). [2]

 Fonte de radiaçãoFonte de radiação
Lâmpadas de tungstênio, deutério e xenônio.Lâmpadas de tungstênio, deutério e xenônio.
 MonocromadorMonocromador
Isola a banda de comprimento de onda desejada -Isola a banda de comprimento de onda desejada -
somente essa banda de interesse é detectada esomente essa banda de interesse é detectada e
medida.medida.
 Recipiente de amostrasRecipiente de amostras
Cubetas de quartzo.Cubetas de quartzo.
Componentes de umComponentes de um
EspectrofotômetroEspectrofotômetro
Figura 15 – Cubeta
de Quartzo. [7]

 DetectorDetector
• Um detector produz um sinal elétrico quando éUm detector produz um sinal elétrico quando é
atingido por fótons.atingido por fótons.
• A resposta de um detector é a função doA resposta de um detector é a função do
comprimento de onda da radiação incidente.comprimento de onda da radiação incidente.
• A informação de interesse é codificada eA informação de interesse é codificada e
processada como um sinal elétrico.processada como um sinal elétrico.

• Tipos de DetectorTipos de Detector
• TransdutorTransdutor = um tipo de detector que converte= um tipo de detector que converte
quantidades, como a intensidade da luz, pH,quantidades, como a intensidade da luz, pH,
massa e temperatura em sinais elétricos.massa e temperatura em sinais elétricos.
 FotoemissãoFotoemissão
 FotoconduçãoFotocondução

• Tipos de DetectorTipos de Detector
• Os tipos de detectores de fótons mais usadosOs tipos de detectores de fótons mais usados
são:são:
• FototubosFototubos
• FotomultiplicadoresFotomultiplicadores
• Fotodiodos de silícioFotodiodos de silício
• Arranjo de fotodiodosArranjo de fotodiodos

Medidas de
Medidas de
Absorbância
Absorbância
Medidas de
Medidas de
Fluorescência
Fluorescência
Fonte das imagens: [2]

Instrumentos para UV-VisInstrumentos para UV-Vis
Feixe únicoFeixe único
Feixe DuploFeixe Duplo

Instrumentos para FluorímetroInstrumentos para Fluorímetro
Figura 16 – Instrumento usado para Espectroscopia de
Fluorescência. [2]

• Espectroscopia de UV-VisEspectroscopia de UV-Vis
 As técnicas de espectrofotometria são muitoAs técnicas de espectrofotometria são muito
eficientes e úteis, pois apresenta aplicabilidadeeficientes e úteis, pois apresenta aplicabilidade
ampla, alta sensibilidade, seletividade entreampla, alta sensibilidade, seletividade entre
moderada e alta, baixa exatidão, facilidade emoderada e alta, baixa exatidão, facilidade e
conveniência.conveniência.
 A espectroscopia de absorção de UV-Vis é umaA espectroscopia de absorção de UV-Vis é uma
das ferramentas mais utilizadas para análisesdas ferramentas mais utilizadas para análises
quantitativas e qualitativas.quantitativas e qualitativas.
AplicaçõesAplicações

• Espectroscopia de FluorescênciaEspectroscopia de Fluorescência
Muito se tem utilizado a técnica na identificação deMuito se tem utilizado a técnica na identificação de
derramamentos de petróleo.derramamentos de petróleo.
 São usados também para estudar equilíbriosSão usados também para estudar equilíbrios
químicos e cinéticos.químicos e cinéticos.
 Soluções de pequenas concentrações tambémSoluções de pequenas concentrações também
são possíveis de serem estudadas através dasão possíveis de serem estudadas através da
fluorescência, pois é um método bastante sensível.fluorescência, pois é um método bastante sensível.
AplicaçõesAplicações

[1] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. WEST, D.M[1] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. WEST, D.M..
Fundamentos de Química Analítica.Fundamentos de Química Analítica. 6ª edição. São Paulo: Editora6ª edição. São Paulo: Editora
Bookman, 2009. 1055p.Bookman, 2009. 1055p.
[2] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S.[2] HOLLER, J.E. SKOOG, A.D. CROUCH, R.S. Princípios de AnálisePrincípios de Análise
Instrumental.Instrumental. 6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p.6ª edição. São Paulo: Editora Bookman, 2009. 1055p.
[3] HARRIS, C.D[3] HARRIS, C.D. Análise Química Quantitativa. Análise Química Quantitativa. 6ª edição. Rio de. 6ª edição. Rio de
Janeiro: Editora LTC, 2005. 876 p.Janeiro: Editora LTC, 2005. 876 p.
[4] SANTOS, N.D. NEVES, N.G. BRANCO, C.N.R.[4] SANTOS, N.D. NEVES, N.G. BRANCO, C.N.R. Espectroscopia naEspectroscopia na
região do ultravioleta/visívelregião do ultravioleta/visível. Universidade Federal do Pará. Belém: 2010.. Universidade Federal do Pará. Belém: 2010.
26p.26p.
[5] Disponível em[5] Disponível em http://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.htmlhttp://www.c2o.pro.br/automacao/x3369.html acessadoacessado
em 19/11/2013.em 19/11/2013.
[6] JULIANO, F. V. Introdução aos Métodos Espectroanalíticos II.[6] JULIANO, F. V. Introdução aos Métodos Espectroanalíticos II.
[7] Disponível em <[7] Disponível em < http://www.caseanalitica.com.br/cubetas.phphttp://www.caseanalitica.com.br/cubetas.php>
Referências BibliográficasReferências Bibliográficas

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