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ANALÍTICA AVANÇADA – 2S 2011
Aula 6Aula 6
Espectrofotometria no Espectrofotometria no UVUV--VisVis
FLUORESCÊNCIA MOLECULARFLUORESCÊNCIA MOLECULAR
Prof. Rafael Sousa
Departamento de Química Departamento de Química -- [email protected]@ufjf.edu.br
Notas de aula: www.ufjf.br/baccan
Luminescência xx Fluorescência Molecular
Sal cozinhaSal cozinha
Espectro de emissão obtido para uma amostra de “sal de cozinha”Espectro de emissão obtido para uma amostra de “sal de cozinha” 2
Perfil dos espectros de emissão
Espécies atômicasEspécies atômicas(gasoso)(gasoso)
Espectro de linhasEspectro de linhas
HH
HgHg
NeNe
Espécies molecularesEspécies moleculares(líquido, sólido ou gasoso)(líquido, sólido ou gasoso)
Espectro de bandasEspectro de bandas
Um espectro de emissão contínuas de bandas é constituído por muitas linhas Um espectro de emissão contínuas de bandas é constituído por muitas linhas próximas que são muito difíceis de próximas que são muito difíceis de serem serem resolvidasresolvidas
�� Um espectro de emissão (que pode ser de fluorescênc ia) está Um espectro de emissão (que pode ser de fluorescênc ia) está intimamente relacionado com a composição da amostra intimamente relacionado com a composição da amostra
(desde que as espécies emitam)(desde que as espécies emitam) 3
Perfil dos espectros de emissão
SÓLIDOSSÓLIDOS AQUECIDOS DÃO ORIGEM A AQUECIDOS DÃO ORIGEM A ESPECTROS DE EMISSÃO ESPECTROS DE EMISSÃO CONTÍNUOS:CONTÍNUOS:
Fenômeno radiativoFenômeno radiativodo “corpo negro”do “corpo negro”
As emissões observadas devemAs emissões observadas devem--se mais à se mais à temperatura aplicadatemperatura aplicada do que do que à composição dos materiaisà composição dos materiais
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Característica dos espectros de emissão
POTÊNCIA DA RADIAÇÃO EMITIDA É PROPORCIONAL À POTÊNCIA DA RADIAÇÃO EMITIDA É PROPORCIONAL À CONCENTRAÇÃO DAS ESPÉCIES QUE EMITEM CONCENTRAÇÃO DAS ESPÉCIES QUE EMITEM
P = kCP = kC Princípio da Princípio da análise quantitativaanálise quantitativa
Tinta branca com Tinta branca com 0,2 % m/v 0,2 % m/v de de branqueador ópticobranqueador óptico
Tinta branca com Tinta branca com 0,4 % m/v 0,4 % m/v de de branqueador ópticobranqueador óptico
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TIPOS DE Luminescência Molecular
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Sistemas Luminescentes
• Fotoluminescência
Fluorescência e a fosforescência: processos de excitação similares (absorção de fótons) MAS com decaimentos diferentesMAS com decaimentos diferentes
• Quimiluminescência
Emissão de luz formada no decorrer de uma reação química
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ENTENDENDO a FotoluminescênciaENTENDENDO a Fotoluminescência
Absorção: 10-14 a 10-15 s
Fluorescência: 10-5 a 10-8 s
Fosforescência: 10-4 a 10 s
Fluorescência Fosforescência
Estado Fundamental
Estado Excitado SingletoSingleto Estado Excitado TripletoTripleto
Fluorescência Fosforescência
Transições eletrônicas “permitidas” Transições eletrônicas “permitidas” �� Regras de seleção (Quântica)Regras de seleção (Quântica) 8
� A molécula pode voltar ao seu estado fundamental por uma combinação de várias etapas (processos de desativação):
� Processos radiativos
• Fluorescência � RELEVÂNCIA ANALÍTICA
Fosforescência• Fosforescência
� Processos não radiativos (aumento T do solvente)
• Relaxação vibracional
• Conversão interna
• Conversão externa (colisões)9
•• Pode ocorrer em sistemas químicos gasosos, líquidos e sólidosPode ocorrer em sistemas químicos gasosos, líquidos e sólidos
�������� TIPOS:TIPOS:
•• Fluorescência de ressonância:Fluorescência de ressonância:
��λλλλλλλλemisemis = = λλλλλλλλabsabs
(mais observada mais para espécies (mais observada mais para espécies atômicasatômicas que moleculares)que moleculares)
DETALHANDO a FotoluminescênciaDETALHANDO a Fotoluminescência
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•• Fluorescência com deslocamento StokesFluorescência com deslocamento Stokes: λ : λ emisemis > λ > λ absabs (fóton absorvido (fóton absorvido perde energia por inúmeras vibrações microscópicas)perde energia por inúmeras vibrações microscópicas)
DETALHANDO a FotoluminescênciaDETALHANDO a Fotoluminescência
Existem semelhanças Existem semelhanças entre os espectros de entre os espectros de
ExEx.: .: QuininaQuinina, tanto a absorção em 250 , tanto a absorção em 250 nmnm quanto em 350 quanto em 350 nmnm resultam na resultam na emissão em 450 emissão em 450 nmnm
entre os espectros de entre os espectros de excitação e o de absorção excitação e o de absorção (“imagens especulares”)(“imagens especulares”)
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FOTOLUMINESCÊNCIA EM DIAGRAMAS DE ENERGIA (Diagrama de Jablonski):
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Diagrama de Jablonski Simplificado
- “Overlap” de níveis eletrônicos- Não háNão há mudança de spin
- “Overlap” de níveis eletrônicos- HáHá mudança de spin
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Fenantreno: T1� S0 lenta 10-5 -10 s (fosforescência)
OutroOutro exex. (. (emissãoemissão nãonão ressonanteressonante):):
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Fatores que afetam a fluorescência
• Estrutura molecular– conjugação, rigidez, ...
DETALHANDODETALHANDO a Fotoluminescênciaa Fotoluminescência
– conjugação, rigidez, ...
• Ambiente químico– Concentração, pH, viscosidade, presença de O2
• Temperatura
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Ex.: Fluorescência e Estrutura
• A substituição em anéis aromáticos afeta a intensidade relativa de fluorescência e os valores
dos λmax de absorção/emissão
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• Empiricamente, observa-se que a rigidez da estrutura favorece a fluorescência.
Bifenil, Φ ≅ 0,2
Ex.: Fluorescência e Estrutura
Bifenil, Φ ≅ 0,2
Fluoreno, Φ ≅ 1 ΦZn-complexo >>> Φhidroxiquinolina
Rigidez ���� diminui a velocidade da relaxação não radiativa 17
• Estruturas aromáticas condensadas e/ou com alto grau de conjugação apresentam alta eficiência quântica
Ex.: Fluorescência e Estrutura
Heterocíclicos: não fluorescem
Heterocíclicos condensados fluorescem
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• Solvente e Temperatura
– Aumento de T ouou diminuição de viscosidadediminuição de viscosidade do solvente levam a um aumento no número de colisões e portanto aumenta a probabilidade de conversão externas (supressão colisional), diminuindo a “eficiência” da fluorescência
Sobre os outros farores que afetam:
colisional), diminuindo a “eficiência” da fluorescência
• pH
– A fluorescência de compostos aromáticos com funcionalidades ácidas ou básicas apresenta forte dependência com o pH.
• Ex.: anilina/anilínio e fenol/fenolato
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• Oxigênio dissolvido
– Oxigênio e outras espécies paramagnéticas tendem a diminuir a fluorescência pelo aumento do cruzamento intersistemas (fosforescência)
– Também é possível a oxidação da espécie
Sobre os outros farores que afetam:
– Também é possível a oxidação da espécie fluorescente
• Outras moléculas em solução
– Moléculas com átomos pesados (tetrabrometo de carbono e iodeto de etila) aumentam a velocidade de inversão de spin 20
Característica da Moléculas Luminescêntes
� Rendimento quântico ou eficiência quântica Φ:
É a razão entre o número de moléculas luminescentes e o número total de moléculas excitadase o número total de moléculas excitadas
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Intensidade de Fluorescência e Concentração
• A fluorescência é diretamente proporcional a concentração da espécie fluorescente, desde que em baixas concentrações (A < 0,05)
F = K.cF = K.c
• Desvios da linearidade:� Altas concentrações Altas concentrações
- Auto-supressão (quenching)
- Auto-absorção
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Intensidade de Fluorescência e Concentração
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Fluorescência e Análise Química
Métodos diretosMétodos diretos::
ANALITO + COMPLEXANTE ANALITO + COMPLEXANTE �� COMPLEXO FLUORESCENTECOMPLEXO FLUORESCENTE
Métodos Métodos inindiretosdiretos::
ANALITO ANALITO fluorecentefluorecente + REAGENTE + REAGENTE �� PRODUTO menos FLUORESCENTEPRODUTO menos FLUORESCENTE
Determinações inorgânicasDeterminações inorgânicas::
COMPLEMENTA a espectrofotometria no COMPLEMENTA a espectrofotometria no UVUV--VisVis pois a maioria dos metais de pois a maioria dos metais de transição geralmente não foram complexos fluorescentes (decaimento não transição geralmente não foram complexos fluorescentes (decaimento não radiativo muito eficiente), enquanto os outros metais podem formar produtos radiativo muito eficiente), enquanto os outros metais podem formar produtos fluorescentesfluorescentes
Aplicações para compostos orgânicos e inorgânicos:Aplicações para compostos orgânicos e inorgânicos:
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Fluorescência e Análise QuímicaAlguns exemplosAlguns exemplos
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Fluorescência e Análise Química
Determinações orgânicasDeterminações orgânicas: PRINCIPAL APLICAÇÃO: PRINCIPAL APLICAÇÃO
Ácidos Ácidos nucleicosnucleicos, alcalóides, aminoácidos, coenzimas, esteróis, , alcalóides, aminoácidos, coenzimas, esteróis, fármacosfármacos, flavonóides, metabólitos, porfirinas, proteínas, , flavonóides, metabólitos, porfirinas, proteínas, vitaminas, ...vitaminas, ...
Aplicações:Aplicações:
vitaminas, ...vitaminas, ...
Na detecção Na detecção de de cromatógrafoscromatógrafos e equipamentos de eletroforese e equipamentos de eletroforese capilar favorecendo a obtenção de capilar favorecendo a obtenção de LDsLDs de 10de 10--99 a 10a 10--1212 mol Lmol L--11 !!
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Instrumentação: Esquema Geral
•• Os componentes dos instrumentos para medir a Os componentes dos instrumentos para medir a fotoluminescência são fotoluminescência são similaressimilares aos encontrados nos aos encontrados nos fotômetros e espectrofotômetros UV/Visfotômetros e espectrofotômetros UV/Vis
•• MAS a fonte de radiação necessita ser MAS a fonte de radiação necessita ser mais intensa mais intensa que que aquelas utilizadas na absorção molecularaquelas utilizadas na absorção molecularaquelas utilizadas na absorção molecularaquelas utilizadas na absorção molecular–– arco de mercúrioarco de mercúrio–– arco de xenônioarco de xenônio--mercúriomercúrio–– laserslasers
•• A maioria dos equipamentos emprega a ótica de duplo feixe A maioria dos equipamentos emprega a ótica de duplo feixe para compensar flutuações na potência da fontepara compensar flutuações na potência da fonte�� EspectrofluorímetrosEspectrofluorímetros corrigidoscorrigidos
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Instrumentação: Esquema Geral
•• ComponentesComponentes similaressimilares a um a um UVUV--VisVis
•• “Detector” a 90 “Detector” a 90 oo emem relaçãorelação•• “Detector” a 90 “Detector” a 90 emem relaçãorelaçãoaoao feixefeixe incidenteincidente
•• ObservaObserva--se ambos se ambos ososespectrosespectros de de excitaçãoexcitação e e emissãoemissão
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Componentes da Instrumentação
•• Fontes de radiação Fontes de radiação -- LâmpadasLâmpadas
-- “Lasers” (sensibilidade)“Lasers” (sensibilidade)
•• XenônioXenônio:: produzproduz umum•• XenônioXenônio:: produzproduz umum
espectroespectro continuocontinuo entreentre
250250 ee 600600 nmnm tendotendo umum
máximomáximo aa 470470 nmnm
Espectro de emissão de uma lâmpada de Xenônio
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Fontes de radiação
•• MercúrioMercúrio::
-- AltasAltas pressãopressão:: máximosmáximos emem 365365,, 398398 nm,nm, ……,, 734734 nmnm..
-- BaixaBaixa pressãopressão:: máximomáximo emem 254254 nmnm..
Componentes da Instrumentação
Espectro de emissão de uma lâmpada de Mercúrio de alta pressão
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Componentes da Instrumentação
•• Filtros e monocromadoresFiltros e monocromadores
–– FluorímetrosFluorímetros x x EspectrofluorímetrosEspectrofluorímetros
•• Detectores (transdutores)Detectores (transdutores)
–– FotomultiplicadorasFotomultiplicadoras
–– Arranjo de diodos...Arranjo de diodos...31
Metodologias: Absorção vs Emissão
MétodoMétodo LimiteLimite de de detecçãodetecção(mol L(mol L--11))
CustoCusto VantagemVantagem
UVUV--VisVis 1010--55 a 10a 10--88 “universal”“universal”UVUV--VisVis 1010--55 a 10a 10--88 “universal”“universal”
FluorescênciaFluorescência 1010--77 a 10a 10--99 Gama Gama seletaseletade de espéciesespécies
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Para responder na aula
6.1)6.1) Que fatores físicos levam uma espécie química Que fatores físicos levam uma espécie química (atômica ou molecular) emitir radiação?(atômica ou molecular) emitir radiação?
6.2)6.2) Por que a fluorescência é mais utilizada na análise Por que a fluorescência é mais utilizada na análise química do que a química do que a fosforecênciafosforecência??química do que a química do que a fosforecênciafosforecência??
6.3)6.3) O comprimento de onda de fluorescência é, exceto O comprimento de onda de fluorescência é, exceto na emissão de ressonância, sempre maior que o de na emissão de ressonância, sempre maior que o de excitação (ou de absorção)?excitação (ou de absorção)?
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Bibliografia consultada
�� “Análise Instrumental”“Análise Instrumental”F Cienfuegos, D Vaitsman; 2000
�� ““VogelVogel -- Análise Química Quantitativa” Análise Química Quantitativa” GH Jeffrey e col., 6a ed., Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002
�� ““PrinciplesPrinciples ofof Instrumental Instrumental AnalysisAnalysis””�� ““PrinciplesPrinciples ofof Instrumental Instrumental AnalysisAnalysis””DA Skoog, FL Holler, TA Nieman; 5th ed., 1998
�� “Análise Química Quantitativa”“Análise Química Quantitativa”D. Harris; 7 a ed., 2008
�� Tutoriais de fabricantes de espectrofotômetrosTutoriais de fabricantes de espectrofotômetros
�� Slides didáticos fornecidos pelo Prof. Dr. Renato Slides didáticos fornecidos pelo Prof. Dr. Renato RossetoRosseto (UFG)(UFG)
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