Tecnicas de espectrometria

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Espectrometria de Absorção Molecular 
A espectrometria é a ciência que estuda a interação da luz com a matéria, estas 
interações são importantes no campo da análise química pois podem nos trazer informações 
qualitativas e quantitativas sobre a matriz de estudo. Está ciência possuem diversos tipos de 
técnicas, estes podem ser divididos principalmente na interação da luz com moléculas ou 
átomos, e estas interações podem ser de diversos tipos, principalmente absorção ou emissão de 
luz. 
A luz é um componente fundamental da espectrometria, e pode ser definida como uma 
radiação eletromagnética, que é uma onda de energia que se propaga através do espaço com 
propriedades de campo elétrico e também campo magnético, porém a luz também é definida 
como “dualidade onda-partícula”, na qual possui ao mesmo tempo propriedades de onda como 
de partícula, este é um aspecto importante dentro da espectrometria. Os seres humanos 
enxergam a luz em comprimentos de onda que vão aproximadamente de 380nm (luz violeta) a 
780nm (luz vermelha), no entanto a faixa de radiação eletromagnética é muito mais extensa que 
estes valores, indo de raio gama com comprimentos de onda menores que 0,1nm até ondas de 
rádios com comprimentos de onda maiores que 1m. 
 Como já mencionado anteriormente a luz interage de diversas formas com a matéria, 
porém, neste texto vamos focar na absorção. Está pode ser definida como a transferência de 
energia de um campo eletromagnético para a matéria (neste caso, moléculas), neste processo o 
feixe de luz alcança a molécula que está em seu estado fundamental, ou seja, em um estado de 
menor energia, ela promove para a um estado excitado, estado de maior energia, absorvendo 
um fóton de luz, este processo exige que o fóton tenha uma energia que seja exatamente igual 
a diferença de energia da molécula em seu estado fundamental e seu estado excitado. Através 
desta energia absorvida pela molécula pode ser observado uma diminuição na intensidade do 
feixe de luz inicialmente aplicado a amostra, a soma da energia transmitida (luz remanescente 
que atravessou a amostra sem sofrer alteração) com a energia absorvida pela amostra será o 
total de luz que originalmente aplicado a amostra. Vale a pena lembrar que a espectrometria 
molecular não afeta somente os estados de transições dos átomos, mas também pode promover 
alteração energética devido a transições vibracionais e rotacionais. 
Os dados gerados geralmente são apresentados em formas de espectro, relacionando 
em seu eixo X o comprimento de onda e no eixo Y a porcentagem de luz absorvida, ao 
analisarmos um espectro de absorção da clorofila a e clorofila b pode-se observar que a luz entre 
500nm e 600nm não é absorvida, justamente os comprimentos de onda referentes as cores verde 
e amarelo, que dão estas tonalidades as plantas, então a cor de um objeto pode ser determinada 
através dos comprimentos de ondas transmitidos pela amostra. 
A espectrometria de absorção aplicada a química analítica de um ponto de vista mais 
prático, tem como principal aspecto comparar a quantidade inicial de luz (P0) que é aplicada a 
amostra com a quantidade que é transmitida pela amostra (P), de modo que com a absorção da 
luz temos P ≤ P0. Outra propriedade é a transmitância (T) que representa a razão entre P0 e P 
𝑇 =
𝑃
P0
 
 Está ainda pode ser representada em porcentagem com 100T. Embora T seja uma 
propriedade útil ela não representa de forma linear a concentração do analito na amostra. O 
termo que melhor se relaciona com a concentração de uma substancia absorvente é a 
absorbância (A) que pode ser obtida através da Lei de Beer-Lamber. 
Log (P0/P) = A = bC 
A lei de Beer requer algumas condições e possui limitações, ela estabelece que a 
absorbância é proporcional a concentração da espécie absorvente. Ela pode ser aplicada a 
maioria das substancias quando a radiação é monocromática (luz com um único comprimento 
de onda/cor) e as soluções estarem suficientemente diluídas (≤0,01 M). Em soluções 
concentradas as moléculas do soluto influenciam umas as outras devido a proximidade. Quando 
o soluto fica muito perto uma das outras, suas propriedades sofrem ligeiras modificações. As 
propriedades das moléculas não são exatamente as mesmas diluídas em diferentes solutos. Se 
uma molécula absorvente participa de um equilíbrio químico dependendo da concentração, a 
absortividade muda de acordo com a concentração. Por exemplo, um ácido draco, HA, tende a 
não se dissociar em uma solução concentrada, quando a solução é diluída a dissociação do 
ácido aumenta. Se a absortividade de A- não for a mesma do ácido HA, a solução não irá 
obedecer a lei de Beer quando for diluída. 
Por fim, a instrumentação básica de um espectrógrafo de absorção molecular conta com 
quatro itens principais: Fonte de luz, seletor de comprimento de onda, o recipiente da amostra e 
um detector. As fontes de luz mais comum baseiam-se na incandescência e são muito praticas 
no infravermelho e no visível, mas devem atuar em temperaturas elevadas na faixa do 
ultravioleta, são constituídas por filamentos de materiais que são excitados por descargas 
elétricas com elevada voltagem ou aquecimento elétrico. O seletor de comprimento de onda tem 
como função a seleção do comprimento de onda e que se tem interesse para a análise, é 
constituído de uma fenda de entrada de um elemento de dispersão de radiação e de uma fenda 
de saída. O elemento de dispersão pode ser um prisma ou uma rede de difração. Para o 
recipiente da amostra São cubas ou cubetas retangulares de vidro ou quartzo, uma cubeta ideal 
deve ter 1 cm, para simplificar os cálculos da lei de Beer. Os produzem um sinal elétrico quando 
é atingido por fótons, por exemplo, uma célula fotoemissiva emite elétrons a partir de uma 
superfície fotossensível negativamente carregada, quando atingida por radiação na região do 
visível, os elétrons se deslocam através do vácuo na direção de um eletrodo positivo, chamado 
de coletor, dando origem a uma corrente elétrica que é proporcional à intensidade de radiação 
incidente da molécula. 
 
Espectrometria de Absorção Atômica por Chama 
A espectrometria de absorção atômica pode ser definida como a medida de absorção da 
intensidade da radiação eletromagnética ou comprimento de onda, proveniente de uma fonte de 
radiação primaria, por uma espécie atomizada gasosa e em seu estado fundamental. Uma das 
técnicas mais utilizadas de absorção atômica é a Espectrometria de Absorção Atômica com 
Chama (FAAS, do inglês Flame Atomic Absorption Spectrometry), esta pode ser aplicada tanto 
para medidas quantitativas como qualitativas para a determinação de diversos elementos 
(metais, semi-metais e alguns não metais) em uma ampla gama de matrizes, como, águas, solos, 
sedimentos, plantas, alimentos, tecidos, etc. Assim como na espectrometria de absorção 
molecular a FAAS pode alterar transições eletrônicas nos átomos, porém, não são observadas 
alterações de energia devido a transições vibracionais ou rotacionais, isso faz com que os 
espectros obtidos sejam muito mais simples. 
O espectrômetro de absorção atômica é um equipamento que permite a análise química 
de elementos metálicos em soluções liquidas, gasosas e solidas. Onde todas as amostras solidas 
devem passar por processor de preparo de amostra para ser inserido ao sistema em meio liquido. 
Um espectrômetro de absorção atômico básico inclui como componentes principais fonte de 
radiação, sistema de atomização, conjunto monocromador, detector e processador. 
Para este tipo de técnica a fonte de radiação mais utilizada é a lâmpada de catodo oco. 
Este tipo de lâmpada possui um ânodo de tungstênio ou zircônio e um catodo cilíndrico selados 
em um tubo de vidro, contendo um gás inerte, como argônio. O catodo é um cilindro oco, 
revestido por um filme com o metal do analito. O funcionamento básico desta lâmpada consiste 
na aplicação de uma diferençade potencial entre o catodo e o anodo, promovendo uma 
descarga. A tensão aplicada geralmente é cerca de 300V e provoca a ionização do gás de 
enchimento. Se a diferença de potencial for suficientemente alta ocorre a pulverização catódica 
pela colisão dos cátions de argônio com o catodo arrancando átomos do metal e produzindo uma 
nuvem atômica. Os átomos excitados desta nuvem atômica emitem seus comprimentos de onda 
característicos e percorrem até a amostra de interesse. 
O monocromador tem a função de separar determinado comprimento de onda que for de 
interesse de outros valores emitidos pela fonte de radiação, geralmente são utilizados prismas 
ou rede de difração associados a duas fendas estreitas para a entrada e saída da radiação. O 
prisma, tradicionalmente de quartzo, irá decompor o feixe de radiação em discretos 
comprimentos de onda, com diferentes ângulos. Assim então é possível selecionar apenas o 
comprimento de onda desejado na fenda de saída do monocromador. 
O detector é um fotomultiplicador de elétrons, que consiste em um sistema composto por 
um catodo recoberto por uma camada sensível a luz e um anodo que circunda o catodo, fechados 
em um tubo de vidro mantido a vácuo. Quando ocorre a incidência de luz, na superfície 
fotossensível do catodo ocorre a emissão de fotoelétrons, estes fotoelétrons são atraídos e se 
chocam em uma serie de dinodos, provocando a multiplicação destes elétrons. Após 
multiplicados os elétrons chegam a um sistema de ampliação e a corrente gerada nesta 
ampliação pode ser medida. 
O sistema de atomização é um dos mais importantes em um equipamento de 
espectrometria de absorção atômica por chama, é neste sistema que serão gerados os átomos 
gasosos que absorverão a luz gerada pela fonte de radiação e consequentemente determinar a 
concentração do analito buscado. Este sistema consiste de um nebulizador, onde ocorre a 
dessolvatação da amostra, afim de retirar toda a água presente, seguido do processo de 
volatilização onde o analito passa para o estado de vapor. Assim a amostra passa do estado 
liquido para a forma de aerossol seco, este aerossol é constituído de pequenas gotículas que 
entram na câmara de nebulização, e chegam ao queimador arrastado pelos gases combustível 
e oxidante. A chama do queimador pode ser constituída de diversos gases, porem o mais comum 
é ar/acetileno, em uma proporção elevada de oxidante em relação ao combustível. Podem ser 
realizadas mudanças nesta mistura afim de melhorar a atomização de moléculas especificas, 
por exemplo uma chama redutora é obtida alterando a proporção da quantidade de acetileno em 
relação ao ar, facilitando a atomização de elementos com tendencias a formação de óxidos 
refratários. Já na chama ocorre a dissociação das moléculas vaporizadas, e nesta fase o 
elemento está apto a absorver a radiação de determinado comprimento de onda, possibilitando 
a determinação do analito de interesse. 
Um ponto a se destacar nesta técnica são interferências que podem acabar ocasionando 
sinal de fundo no espectro. Sinais de fundo são interferências no espectro que acabam mudando 
o padrão que seria característico do analito analisado, estes sinais podem apresentar bandas 
mais largas ou picos mais altos do original, dificultando assim a visualização real da intensidade 
de luz absorvida pelo analito. 
 A absorção pelo atomizador de chama e também por outras substancias presentes no 
momento da atomização podem resultar em problemas no espectro é um exemplo de 
interferência passível de acontecer. Felizmente os equipamentos de absorção atômica atuais 
possuem corretores de fundo, para a técnica de chama o mais comum é a correção de fundo 
com fonte continua. Este esquema de correção funciona com uma lâmpada de catodo oco e uma 
de deutério, estas lâmpadas são dirigidas para o atomizador em momentos diferentes. A lâmpada 
de catodo oco irá medir a absorbância total, enquanto a lâmpada de deutério fornecera a 
absorbância do fundo, e o sistema calculara de forma automática a diferença entre as 
absorbâncias para corrigir o espectro 
 
 
 
 
 
Espectrometria De Emissão Ótica Com Plasma Indutivamente Acoplado 
Diferente das técnicas vistas nos textos anteriores, a espectrometria de emissão ótica 
com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES, do inglês Inductively Coupled Plasma Optical 
Emission Spectrometry) tem como princípio a medição da radiação emitida quando átomos e 
íons excitados pela radiação de um plasma retornam ao seu estado fundamental. Uma das 
vantagens da técnica ICP-OES é que ela permite uma análise multielementar. Cerca de 70 
elementos são passíveis de analise por ICP-OES, contudo existem alguns restritos, como por 
exemplo o argônio que entra naturalmente no plasma, elementos muito abundantes na atmosfera 
também apresentar limitações, como C,H,N,O. E ainda existe alguns elementos que podem ser 
analisados por essa técnica, porém apresentam um limite de detecção bastante elevado, oque 
torna a aplicação ineficiente na maioria destes casos. 
Assim como na Espectrometria de emissão com chama, na ICP-OES a intensidade do 
sinal é avaliada pela emissão de luz por átomos em estado gasoso, a energia térmica do plasma 
é usada tanto para os processos de atomização e ionização como para a excitação dos átomos 
e ions. Cada elemento possui varias linhas de emissão características, que são originadas das 
diferentes transições possíveis quando o átomo ou ion absorve a radiação do plasma. Os sinais 
das linhas de emissão de um mesmo elemento provem de transições distintas, com diferentes 
probabilidades de ocorrência. Contudo, o espectro de emissão proveniente do retorno do estado 
excitado para o estado fundamental das espécies é característica e permite a identificação e 
quantificação dos elementos presentes na amostra. 
Neste tipo de equipamento a amostra pode ser inserida em forma de aerossol, vapor 
gerado termicamente ou um pó finamente dividido. O nebulizador concêntrico Meinhard contudo 
é a forma mais usada, nele o gás flui por meio de uma abertura que envolve concentricamente o 
capilar, a amostra é então arrastada através deste capilar e encontra o gás em alta velocidade, 
onde é dispersa em forma de spray, névoa ou gotículas de pequenos tamanhos na câmara 
ciclônica, nesta câmara ocorrerá a separação dar partículas maiores que se chocaram com as 
paredes e somente as menores chegarão ao ICP. 
Os plasmas utilizados em ICP geralmente são gases ionizados altamente energéticos, 
com temperaturas em média de 6000K, mas podendo chegar a 10000K. produzidos geralmente 
de gases inertes, como o argônio, este que é o gás mais utilizado em equipamentos comerciais 
atualmente. Gases deste tipo de elemento são geralmente mais quentes do que fornos e chamas, 
e são utilizados não somente para dissociar a amostra, mas também para excitar. O plasma por 
acoplamento indutivo se da quando elétrons ejetados por uma faísca são acelerados por um 
campo magnético formado por uma corrente alternada na bobina de carga, que é uma bobina 
em espiral que rodeia a tocha (Fonte). Este processo é chamado de Bremsstrahlung inverso. 
O primeiro processo que ocorre no plasma de alta temperatura é a dessolvatação da 
amostra, onde todo solvente é retirado a apenas partículas solidas são mantidas. Após essas 
partículas sofrem a volatilização e se tornam um gás de moléculas individuais. Em seguida ocorre 
a dissociação dos átomos, ou a atomização. Estes processos ocorrem predominantemente na 
zona de pré-aquecimento, na saída do tubo central. Após o plasma tem a função de excitação, 
e para alguns elementos, ocorre a ionização e a excitação dos ions. 
Como a amostra geralmente é composta de mais de um elemento, estas espécies 
emitem diversos comprimentos de onda, a emissão é policromática e deve ser separada para a 
identificação de cada elemento. Para esta separação a luz passa do plasma para a ótica 
passando por umespelho que pode estar colocado na direção do eixo da tocha e que promove 
uma visão axial originada tocha ou na direção perpendicular, que dá a visão radial da radiação 
da tocha, e a principal diferença entre essas geometrias, conhecidas como visões, é o caminho 
ótico. Dentro da parte ótica, a radiação passa por um obturador que controla o tempo de 
exposição, depois para um colimador para obter feixe paralelo e atinge uma grade de difração, 
em que a radiação é separada. 
Existem dois arranjos óticos, monocromadores e policromadores. Os dois já foram 
discutidos anteriormente, em um monocromador apenas um comprimento de onda sai pela fenda 
de saída. E o policromador é um dispositivo capaz de aumentar bastante a resolução de 
separação, podendo diferencias comprimentos de onda na terceira casa decimal. O feixe de 
radiação é separado em um primeiro prisma para que seja direcionada a um novo prisma onde 
uma nova separação irá ocorrer. 
 A detecção pode ser feita através de um tubo foto multiplicador (PMT) ou técnicas 
avançadas de detecção, como por exemplo, dispositivos a base de silício chamados de 
dispositivos de transferência de carga. Esses dispositivos são sensíveis a imagens e compatíveis 
com a emissão em 2D da grade echelle. 
Por fim, analises qualitativas e quantitativas podem ser realizadas através de 
equipamentos ICP, através da identificação da presença de linhas de emissão características do 
ou dos elementos de interesse. A quantificação de uma amostra desconhecida pode ser feita ao 
comparar as linhas de emissão encontradas na amostra com dados padrões de referência ou da 
literatura. 
Um ponto importante a se destacar é os interferentes que podem ocorrer assim como 
nas outras técnicas, uma forma de contornar estes interferentes sejam físicos, químicos ou 
espectrais é a checagem de spike de matriz ou material de referencia certificado, compatibilizar 
padrões de amostra e usar padrão interno.