Trabalho Seminario Larissa Angeli

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Universidade do Porto
Faculdade de Ciências
Mestrado em Biologia e Gestão da Qualidade da Água
Disciplina: Seminário
Espectroscopia Raman: aplicações no diagnóstico da qualidade da água em suas variadas formas
Larissa Cardoso Angeli
Porto, 13 de dezembro de 2017
Introdução
	A espectroscopia Raman é uma técnica amplamente utilizada para conhecer as propriedades físico-químicas de um sólido, líquido ou gás, através do estudo das características vibratórias de moléculas ou íons. Os sensores Raman apareceram recentemente, e combinam a determinação de um parâmetro físico, como em qualquer sensor, com o mecanismo físico associado a este parâmetro. A posição (freqüência do modo), a largura (amortecimento) e a intensidade de uma linha Raman podem ser exploradas em um sensor Raman (Mabrouk et al, 2014)
Além disso, também proporciona informação sobre as vibrações moleculares que podem ser utilizados para a identificação da amostra. A técnica envolve incidir uma luz monocromática sobre uma amostra e detectar a luz dispersa. A maioria da luz dispersa é da mesma frequência que a fonte de excitação; isto é conhecido como dispersão elástica. Uma quantidade muito pequena da luz dispersa é deslocada a partir da frequência do laser devido a interações entre as ondas 45 electromagnéticas incidentes e os níveis de energia vibracional de moléculas da amostra. 
As grandes melhorias tecnológicas das últimas décadas produziram uma melhoria na eficácia e a redução do custo dos componentes dos equipamentos de medidas ópticas, possibilitando que essas técnicas espectroscópicas fossem fartamente usadas para a caracterização de materiais de diversos tipos. Isso somado ao fato de que essas técnicas continuam a desempenhar um papel muito importante no desenvolvimento de novos materiais, faz com que sejam cada vez mais empregadas em estudos de diversas áreas da ciência. (Baker et al, 2003)
Por tanto a espectroscopia Raman é uma técnica espectroscópica para medir a identidade química e estrutura de múltiplos materiais, incluindo produtos farmacêuticos, química fina, minerais e alimentos, sendo utilizada rotineiramente para diferenciar entre variados materiais polimorfos do mesmo composto, por exemplo. Quando usado em conjunto com a análise de imagem estática, torna-se uma técnica analítica de grande porte para medir a identidade química de partículas dispersas individualmente dentro de uma amostra. 
O controle da qualidade da água é um desafio crescente para garantir o acesso da água em condições saudáveis ​​a um número cada vez maior de pessoas através do mundo. Isso implica a obrigação de detectar todos os poluentes no fluxo de água, rios, lagos e tanques. Os nitratos, sulfatos, nitritos, cloretos e fosfatos provenientes de fertilizantes utilizados na agricultura ou na fabricação de produtos são especialmente buscados, uma vez que são muito solúveis em água e têm uma incidência negativa no meio ambiente, levando a eutrofização e, portanto, a asfixia de ecossistemas aquosos em rios e lagos. 
A questão é se um sensor Raman pudesse oferecer um método alternativo para detectar in situ vários contaminantes dentro de uma precisão bastante boa e alta velocidade. Como é uma técnica não-destrutiva que analisa apenas um pequeno volume de uma substância sem necessidade de preparação, os sensores Raman são, em princípio, adequados para medições in situ e em tempo real. A principal vantagem em comparação com outras técnicas é a sua capacidade de investigar simultaneamente ou sucessivamente várias substâncias. A medida dos nitratos é dada como exemplo, mas os sulfatos, sulfitos, fosfatos e nitritos podem ser detectados com o mesmo sensor. (Mabrouk et al, 2014)
A espectroscopia Raman é considerada uma técnica espectroscópica vibracional relativamente simples, reprodutível, não destrutiva para o tecido. Com apenas pequenas quantidades de material (nanogramas para microgramas) com uma preparação mínima da amostra a técnica já pode ser realizada. Além disso, esta técnica fornece informações em nível molecular, permitindo a investigação de grupos funcionais, tipos de ligação, e conformações moleculares. As bandas espectrais em espectros vibracionais são moléculas específicas e fornecem informações diretas sobre a sua composição bioquímica. (De Angelis, 2017). A posição dos picos espectrais atribuídos juntamente com detecção precisa do pico de definição é de crucial importância (Movasagui et al., 2007)
A técnica baseia-se na dispersão não elástica de fótons incidentes por átomos e moléculas numa amostra. Os fótons incidentes entram em um estado de energia virtual quando interagem com a amostra. O comprimento de onda de fótons dispersos pode ser determinado através do cálculo dos momentos de dipolo induzido nas moléculas devido a deslocamentos vibracionais. Se o estado fundamental final tem mais energia do que o estado inicial, fótons emitidos serão deslocados para menor frequência. Dependendo da quantidade de fótons dispersos, o espectro Raman mostrará vários picos que sofrerão alterações. Estes picos característicos podem ser utilizados para identificar os componentes estruturais ou a composição química de uma amostra (Parab & Tomar, 2012). Em condições normais, a intensidade de dispersão de Raman de um componente ativo depende da frequência do laser incidente. A intensidade de um pico característico é linearmente proporcional à escala de concentração da molécula que produz o espectro (Smith & Dent, 2005). No entanto, o espalhamento ressonante só ocorre quando o máximo de absorção de uma molécula está próximo da frequência do laser incidente (ou energia de excitação) (Huang et al., 2009).
Um espectrofotómetro é um dispositivo que é usado para medir a intensidade da radiação electromagnética em comprimentos de onda diferentes. Os espectrofotómetros são usados ​​para medir a absorção de um determinado comprimento de onda de um solução, soluções de reflectância, transmitância ou a transparência dos sólidos. 
Além disso, eles também podem medir a difusividade das gamas de luz do espectro de radiação electromagnética que cobre cerca de 200 nm a 2500 nm com diferentes calibrações e controles. Há duas classificações básicas de espectrofotômetro. O primeiro tipo é um espectrofotómetro de feixe duplo, que compara a intensidade de luz entre um percurso óptico de referência, e a substância que é medido. O segundo tipo de medida da intensidade da luz no feixe antes e após a amostra de teste é introduzida.
Por ser uma componente fundamental à existência da vida no planeta, a preocupação com a conservação da qualidade da água e dos seus mananciais tornou-se maior nos últimos anos e a procura de mecanismos eficazes capazes de reduzir os impactos ambientais nesses sistemas tem sido considerada com uma das prioridades de pesquisa desse século
 
Aplicações da técnica no diagnostico da qualidade da água
Sedimentos
Dentre as variáveis possíveis para o diagnóstico da qualidade de um local, o sedimento pode ser utilizado para detectar níveis de contaminação.
Em um trabalho desenvolvido por Civeira et al, foi utilizado um sistema de extração seqüencial combinado com várias técnicas, incluindo espectroscopia Raman para fornecer uma melhor compreensão dos processos de sedimentos provenientes de mineraçoes, contaminados. A extração subterrânia, embora seus impactos ambientais sejam menos visíveis, ocorrem como afundamento ou colapso da cobertura da câmara e do terreno, rebaixamento do lençol freático, reflexo na rede hidrológica superficial, geração de gases (destaca-se por sua periculosidade o metano) e vibrações (devido às explosões). Ao se encerrarem as instalações, total ou parcial, as empresas carboníferas estão obrigadas, na medida do possível, a restaurar os solos ocupados, as DAM geradas, assim como o meio alterado. 
Os estudos de feixes de elétrons mostraram a presença de uma série de elementos potencialmente perigosos (PHEs) em nanopartículas (amorfas e minerais).Algumas das ultrafinas/nanopartículas neoformadas encontradas nos sedimentos contaminados são as mesmas comumente associadas à oxidação / transformação de óxidos, silicatos, sulfetos e sulfatos. 
Água para consumo humano
	A matéria orgânica (MO) no tratamento de água potável é um impedimento comum responsável pelo aumento das doses de coagulantes e desinfectantes, a formação de produtos de desinfecção carcinogênica e o re-crescimento microbiano no sistema de distribuição. A heterogeneidade inerente da MO implica a utilização de técnicas analíticas avançadas para sua caracterização e avaliação da eficiência de remoção.
	No estudo realizado por Bieroza et al , é apresentada a aplicação da técnica simples de emissão de excitação de fluorescência para a caracterização de matéria orgânica no tratamento de água potável.
	Os dados de fluorescência da água em bruto e clarificada foram obtidos a partir de 16 trabalhos de tratamento de água potável. Verificou-se que a redução da fluorescência fulvética correlacionava significativamente a remoção de MO medida com carbono orgânico total (TOC). As propriedades de fluorescência, as regiões de tipo fulví e triptofano, discriminaram as frações MO de diferentes eficiências de remoção. 
	Os resultados obtidos no estudo mostram que a espectroscopia de fluorescência fornece uma caracterização e quantificação rápidas e precisas das frações de OM e indicação de sua tratabilidade no tratamento de água convencional.
	A espectroscopia Raman é um método muito específico para analisar a composição molecular em amostras biológicas. Nas duas últimas décadas, as técnicas espectroscópicas, em particular a espectroscopia FT-IR e Raman, foram utilizadas para coletar espectros de células que são específicos de espécies e que foram chamados de, ``fingerprints``.
	Escoriza et al, avaliaram espectroscopia Raman como técnica de enumeração para agentes patogénicos aquáticos. Foi utilizada uma banda C–H entre 2800–3000 cm− 1 do espectro, que fornece a maior intensidade das bandas de espectro bacteriano, facilitando a detecção de baixo número de microorganismos. A intensidade da resposta Raman correlaciona-se com o número de células presentes nas gotas de água da amostra em lâminas revestidas com alumínio. 
No entanto, a concentração de agentes patogénicos na água potável e recreativa é baixa, exigindo um passo de concentração, isto é, a filtragem. A avaliação subsequente das abordagens de filtragem para amostragem de água para a detecção Raman mostrou sinal de fundo significativo de membranas de alumínio e prata que reduz a sensibilidade do método. As amostras concentradas por filtração mostram boa correlação entre a espectroscopia Raman e outros métodos de quantificação, incluindo turbidez (R2 = 0,92), contagem de placas (R2 = 0,87) e peso seco (R2 = 0,97). As interferências de fundo não permitiram a avaliação desse relacionamento em baixas concentrações celulares.
	
Rios e lagos
	Os lagos desempenham papéis importantes como recursos de água doce para beber água, agricultura, indústria, pesca, recreação e turismo (Giardino et al., 2001). No entanto, a eutrofização acelerada é um problema generalizado e significativo para lagos em todo o mundo, e a atividade humana foi a fonte desse processo poluente (Petrova, 1990). Portanto, é necessária uma técnica eficaz e conveniente para monitorar a longo prazo a qualidade da água nos lagos.
	As técnicas espectrofotométricas, como a fluorescência e a absorção, têm o potencial de discriminar as frações MOD, particularmente para diferenciar a fração lábil em componentes ambientalmente significativos. 
	Portanto, é interessante investigar se uma combinação de técnicas espectrofotométricas, tanto de fluorescência como de absorção, pode ser usada para discriminar a matéria orgânica dissolvida (MOD) de diferentes afluentes de entrada no ambiente mais complexo de uma pequena captação.
	Um trabalho realizado por Hur, J., & Cho, J. (2012) teve como objetivo examinar o uso potencial da técnica de fluorescência síncrona nas duas aplicações de monitoramento para uma bacia hidrográfica típica, em que um tratamento municipal de águas residuais está localizado ao longo do rio e os efluentes de esgoto têm um impacto importante na qualidade da água imediatamente a jusante das áreas urbanas desenvolvidas.
	As características de fluorescência selecionadas a partir dos espectros sincrônicos foram comprovadamente ferramentas potenciais para monitorar a qualidade da água de um rio urbano que é afetado por esgoto tratado e diversas atividades urbanas. O pico A (fluorescência tipo proteína) selecionado a partir dos espectros síncronos em um Δλ de 60 nm mostrou uma excelente relação positiva com os valores de DBO das amostras da bacia hidrográfica do rio Gap. Sua capacidade superior para a predição do DBO foi mais pronunciada para os sites a montante, que não são afetados pelo efluente da ETAR, em comparação com outros métodos de monitoramento no local, como medidas de condutividade e absorção de UV. Quatro regiões diferentes de as amostras baseadas nas fontes de DOM podem ser distinguidas em um sistema de bacia hidrográfica comparando as intensidades de fluorescência selecionadas e suas proporções relativas. 
	Os resultados combinados sugeriram que a técnica de fluorescência síncrona pode ser aplicada com sucesso em duas ferramentas de monitoramento para rios urbanos - a predição de DBO e a discriminação de origem, embora tais aplicações possam ser limitadas a uma condição de fluxo baixo durante um período de tempo limitado (isto é, estação seca).
	Em outro estudo, que buscava investigar a poluição de esgoto em uma pequena bacia urbanizada, Baker et al destacaram que na amostragem, a jusante destacou-se no período de verão na intensidade de fluorescência do triptofano durante o fluxo baixo. Não se observou correlação entre a intensidade de fluorescência do amoníaco e do triptofano. Em contraste, dois eventos de poluição pontual relacionados com esgoto possuíam alta intensidade de fluorescência de triptofano e amônia, sugerindo que o aumento de triptofano de verão não é originário de esgoto sujo. 
	As entradas de esgoto para o rio foram, portanto, monitoradas no fluxo de base do verão. Isso demonstrou que >10% da descarga dos rios são fornecidos por insumos de esgoto e que esses insumos podem ser agrupados por suas propriedades de fluorescência e amônia: (1) águas de tempestade "limpas" com baixa concentração de amônia e triptofano (2) "cinza" águas com alta intensidade de triptofano e baixa concentração de amônia, e (3) águas "sujas" com alta intensidade de triptofano e concentração de amônia. Todos os três tipos de entrada de esgoto ocorreram independentemente das condições de fluxo, sugerindo que as conexões cruzadas de esgoto estão ocorrendo.
Águas residuais
	A espectroscopia de fluorescência tem potencial para ser uma ferramenta de campo ou laboratório poderosa na medição e caracterização de matéria orgânica biodisponível na água, com aplicação particular no monitoramento da qualidade dos efluentes, na investigação de eventos de poluição e nos testes regulares no local. O SMF-2 é capaz de medir campo de equivalente BOD5.
O estudo de Narteh, A. T buscou avaliar o potencial da espectroscopia de fluorescência para uso na avaliação da qualidade da água estudando a relação entre as intensidades de fluorescência e os valores de DBO5 para uma variedade de águas superficiais e vários efluentes do sudoeste da Inglaterra.
	A relação entre fluorescência e BOD5 mostrou-se forte para um conjunto de amostras altamente variável. A aplicação de GWR para análise de águas superficiais mostra que podem ser encontradas relações locais fortes e que, com uma correlação específica de captação, a fluorescência pode ser usada na avaliação da qualidade da água. São necessários mais trabalhos para desenvolver uma maior compreensão da heterogeneidade da amostra local, a importância das influências geográficas / espaciais sobre o caráter da amostra e outros fatoresque podem influenciar a força da correlação.
Ambientes marinhos
	O ecossistema marinho é influenciado por atividades humanas de múltiplas formas. O fluxo de nutrientes de entrada natural e antropogênica e condição climática pode alterar a qualidade da água costeira, que tem muitos impactos potenciais no ecossistema marinho. Portanto, o monitoramento dos parâmetros físicos, químicos e biológicos da água de forma contínua é muito essencial para avaliar a qualidade da água costeira.
	White et al, em um estudo para incluir medições espectroscópicas de laser Raman in situ no oceano profundo. Embora esta técnica tenha provado ser bem sucedida para alvos transparentes, como fluidos e gases, existe dificuldade em usar manipuladores de veículos de submersão profunda para posicionar e controlar a mancha laser muito pequena em relação a amostras opacas de interesse, como muitas rochas, minerais, tapetes de bactérias e hidratos de gás do fundo marinho. No trabalho, foi desenvolvido, testado e implantdo com sucesso um veículo de controle remoto (ROV), um posicionador subaquático de precisão (PUP) que fornece a estabilidade e o movimento de precisão necessários para realizar medições espectroscópicas usando o instrumento Espectrometro in situ Deep Ocean Ramírez (DORISS) em alvos opacos no oceano profundo para pesquisas geoquímicas. 
	O posicionador também é adaptável a outros sensores, como eletrodos, que exigem controle preciso e posicionamento no fundo do mar. O posicionador é controlado, e os espectros são obtidos, em tempo real via Ethernet, por cientistas a bordo do navio de superfície. 
	Essa capacidade permitiu adquirir espectros de Raman de alta qualidade de alvos, tais como rochas, conchas e hidratos de gás no fundo do mar, incluindo a capacidade de verificar o ponto do laser em uma superfície de rocha em incrementos sub-milímetros para identificar os grãos minerais constituintes. Esses desenvolvimentos aumentaram consideravelmente a capacidade de obter espectros Raman in situ no fundo do mar a partir de uma enorme variedade de espécimes
Água mineral
	A identificação de Pseudomonas aeruginosa a partir de amostras de água mineral mineral engarrafada pela análise de subculturas é demorada e outras espécies do autêntico grupo Pseudomonas podem ser um problema. 
	Portanto, o estudo realizado por Silge et al, teve como objetivo investigar a influência de diferentes condições ambientais aquáticas (pH, conteúdo mineral) e fases de crescimento na diferenciação livre de cultivo entre Pseudomonas spp com água. aplicando microspectroscopia Raman. O conjunto de dados final foi composto por mais de 7500 espectros de Raman de célula única, incluindo a espécie Pseudomonas aeruginosa, P. fluorescens e P. putida, a fim de provar a viabilidade da abordagem introduzida. A coleta de espectros foi padronizada por medições automatizadas de células bacterianas coradas viáveis. A discriminação foi influenciada pela fase de crescimento no início do período de adaptação da água e pelo tipo de água mineral. Foram testadas combinações diferentes dos parâmetros e resultaram em precisão de até 85% para a identificação de P. aeruginosa de amostras independentes mediante a análise quimiométrica.
Conclusão
Demonstrou-se que o sensor Raman para a detecção de substâncias químicas dissolvidas em água é uma técnica eficaz e a atribuição de picos Raman bem definidos e intensos aos aniões mais freqüentes foi alcançada, assegurando a seletividade do sensor..
Dado os aumentos rápidos da tecnologia, incluindo a miniaturização e automação de espectrofotômetros, bem como o tempo analítico quase instantâneo (3/41 min), a espectrofotometria possui potenciais usos para o monitoramento de carbono orgânico dissolvido e controle de poluição. São necessárias mais pesquisas, incluindo o monitoramento de diferentes bacias hidrográficas de uso variável do solo e entrada antropogênica. Também é necessária a investigação de propriedades espectrofotométricas das matérias orgânicas dissolvidas em bacias maiores para investigar se a discriminação ainda é possível nesta escala.
O desenvolvimento de técnicas Raman avançadas e melhorias em instrumentação, melhorou significativamente o desempenho do moderno Raman espectrômetros para que agora possa ser usado para detecção de baixas concentrações de produtos químicos como o monitoramento em linha de contaminantes químicos e farmacêuticos na água.
Além disso, o sensor mostrou-se eficaz para auxiliar no diagnóstico ambiental de qualidade da água em diversos meios e ecossistemas, o que favorece a aplicabilidade da técnica em diferentes sistemas, tais como rios, lagos, água para consumo humano e sedimentos. 
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