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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARABA
CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA NATUREZA
DEPARTAMENTO DE QUMICA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA
DISSERTAO DE MESTRADO
Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e
microcontrolado por Arduino
Aline Santos de Pontes
Joo Pessoa PB Brasil Abril/2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARABA
CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA NATUREZA
DEPARTAMENTO DE QUMICA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA
DISSERTAO DE MESTRADO
Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e
microcontrolado por Arduino
Aline Santos de Pontes*
Dissertao apresentada ao programa de Ps-
Graduao em Qumica da Universidade Federal da
Paraba como parte dos requesitos para obteno do
ttulo de Mestre em Qumica, rea de concentrao
de Qumica Analtica
Orientador: Prof. Dr. Edvan Cirino da Silva
*Bolsista do Conselho Nacional de desenvolvimento Cientfico e tecnolgico
Joo Pessoa PB Brasil Abril/2014
P814d Pontes, Aline Santos de.
Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e microcontrolado por Arduino / Aline Santos de Pontes.- Joo Pessoa, 2014.
76f. : il.
Orientador: Edvan Cirino da Silva
Dissertao (Mestrado) UFPB/CCEN 1. Qumica analtica. 2. Fotmetro de LED-RGB.
3.Microcontrolador Arduino. 4. Corante alimentcio. 5.Permanganato de potssio.
UFPB/BC CDU: 543(043)
Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e microcontrolado por Arduino
Dissertao de Mestrado de Aline Santos de Pontes aprovada pela banca examinadora em 28 de abril de 2014:
Aos meus pais, Adilson e Ftima.
Aos meus irmos, Adilson Filho, Thereza Klein, Wellando e Cristiane,
Ao meu Pai celestial pelo amor incondicional,
com muito carinho, dedico.
AGRADECIMENTOS
Ao meu amado pai Celestial, Deus;
Aos meus pais Adilson Dias de Pontes e Maria de Ftima Santos pelo
apoio, carinho, cuidado, amor e incentivo em todos os momentos;
Ao professor Edvan Cirino da Silva, pela orientao e confiana
durante toda iniciao cientifica e mestrado;
Ao professor Mrio Csar Ugulino de Arajo, pelos ensinamentos,
confiana e sugestes;
A amiga Ftima Sanches, pela relevante contribuio para a
dissertao de Mestrado;
A Julys Pablo pela ajuda no desenvolvimento da programao do
Arduino.
Aos amigos Wellington, Renato, Urijatan, Daniel, Flaviano, David
Harding, Mayara, Marcelo Batista e a todos do LAQA, que de alguma
forma contriburam para a realizao deste trabalho.
E ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico,
CNPQ, pela bolsa concedida;
SUMRIO
Lista de Figuras ............................................................................... vii
Lista de Tabelas ................................................................................ x
Lista de Siglas e Abreviaturas ........................................................... xii
Resumo ......................................................................................... xiii
Abstract ........................................................................................ xiv
Captulo 1 - Introduo .................................................................. ...1
1.1 Contextualizao ...................................................................... 2
1.2 Objetivos ................................................................................. 3
1.2.1 Objetivo geral ..................................................................... 3
1.2.2 Objetivos especficos ........................................................... 3
1.3 O espectro eletromagntico e a luz visvel ................................... 4
1.3.1 Interao luz-objeto e cores complementares ......................... 5
1.4 Espectrometria de absoro molecular UV-Vis .............................. 7
1.4.1 A lei de Beer e a anlise quantitativa ..................................... 8
1.4.2 Instrumentao .................................................................. 9
1.5 Diodos emissores de luz (LEDs) ................................................. 10
1.5.1 Vantagens do uso de LEDS .................................................. 13
1.6 Instrumentao a base de LEDs ................................................ 15
1.7 Arduino .................................................................................. 19
1.7.1 Ambiente de desenvolvimento integrado ao hardware do Arduino. ...................................................................................... 21
1.8 Caractersticas do corante alimentcioamarelo crepsculo ............. 22
1.9 Caracterstica do permanganato de potssio ............................... 24
Captulo 2 - Parte Experimental ......................................................... 25
2.1 Reagentes, solues e amostras ................................................ 26
2.2 Material e equipamentos .......................................................... 28
2.3 Desenvolvimento do fotmetro ................................................. 29
2.3.1 Fonte de radiao .............................................................. 29
2.3.2 Fototransdutor ................................................................... 31
2.3.3 Suporte para clula de medida ............................................. 32
2.3.4 Plataforma Arduino UNO ..................................................... 33
2.3.5 Circuito externo acoplado ao Arduino para o desenvolvimento do fotmetro LED-Vis ........................................................................ 34
2.3.6 Interface da execuo dos comandos para a gerao da resposta intrumental do fotometro desenvolvido ........................................... 35
2.4 O sistema contendo o instrumento proposto ............................... 37
2.5 Estratgia para aplicao do fotmetro proposto ......................... 38
2.6 Avaliao do desempenho do instrumento analtico proposto ........ 39
2.6.1 Estabilidade da fonte de radiao(LED) ................................. 39
2.6.2 Parmetro de validao da curva analtica ............................ 39
2.6.2.1 Linearidade da curva analtica..................................... 39
2.6.2.2 Funo da resposta(grfico analtico) .......................... 40
2.6.2.3 Sensibilidade ............................................................ 40
2.6.2.4 Preciso ................................................................... 41
2.6.2.5 Limite de deteco(LOD)/quantidade(LOQ) .................. 41
2.6.2.6 Desvio padro conjunto ............................................. 42
2.6.2.7 Teste de recuperao ................................................ 42
2.6.3 Procedimento e tratamentos estatsticos da curva analtica ...... 43
2.6.4 Testes estatsticos para validao dos resultados analticos ..... 45
2.6.4.1 Aplicao do teste t emparelhado baseado no teste de hipteses .................................................................................... 45
2.6.4.2 Aplicao do teste t emparelhado baseado no conceito de intervalo de confiana ................................................................... 46
Captulo 3 - Resultados e Discusso ................................................... 47
3.1 Avaliao do desempenho do instrumento analtico proposto e tratamento estatsticos da curva analtica ........................................ 48
3.1.1 Estabildade da fonte ........................................................... 48
3.1.2 Faixa de trabalho, obteno e validao da curva analtica ...... 48
3.1.2.1 Faixa de trabalho do amarelo crepsculo ..................... 48
3.1.2.1.1 Caracterstica do desempenho analtico para do corante AC .............................................................................................. 54
3.1.2.2 Faixa de trabalho do Permanganato de potssio ............ 54
3.1.2.2.1 Caracterstica do desempenho analtico para o permanganato ............................................................................. 59
3.2 Aplicaes analticas do sistema proposto ................................... 60
3.2.1 Determinao analtica do corante amarelo crepsculo em refrigerantes e bebidas energticas ................................................ 60
3.2.1.1 Teste de Recuperao do AC ...................................... 62
3.2.2 Determinao analtica do permanganato de potssio em medicamentos ............................................................................. 63
3.2.2.1 Teste de recuperao do permanganato ....................... 66
Captulo 4 - Concluses .................................................................... 67
4.1 Concluso ............................................................................... 68
4.2 Proposta futura ....................................................................... 69
Captulo 5 - Referncias ................................................................... 70
5.1 Referncias ............................................................................. 70
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Espectro eletromagntico destacando a regio da luz visvel. 4
Figura 1.2 Radiao absorvente a e cor complementar. ...................... 5
Figura 1.3 Intensidade da luz emergente (I0) transmitida (I) aps
passar por uma cubeta contendo uma soluo absorvente com o caminho
ptico b. .......................................................................................... 8
Figura1.4 Uma foto esquemtico dos constituintes e do funcionamento
de um LED comum. ......................................................................... 11
Figura 1.5 Espectros de emisso tpicos de uma seleo de LEDs,
comercialmente disponvel, na faixa espectral do UV-Vis. ..................... 13
Figura 1.6 Ambiente IDE do Arduino ............................................... 21
Figura 1.7 Estrutura qumica co corante amarelo crepsculo .............. 23
Figura 2.1 Vista frontal do fotmetro proposto.................................. 29
Figura 2.2 LED-RGB utilizados no fotmetro. .................................... 29
Figura 2.3 Espectro de emisso do LED especificando o max para cada regio ............................................................................................ 30
Figura 2.4 Dimenses e pinagem do LED utilizado no fotmetro, unidade
mm ............................................................................................... 31
Figura 2.5 (a) Dimenses e pinagem do fototransitor utilizado no
fotmetro, unidade mm. (b) Fototransistor utilizado no fotmetro. ........ 31
Figura 2.6 Suporte da cubeta usado no fotmetro de LED proposto. .... 32
Figura2.7 Plataforma do Arduino uno, onde se identificam os
componentes e os pinos de ligao. 1.porta USB, 2.pinos digitais, 3.pinos
de alimentao e 4. pinos analgicos... .............................................. 33
viii
Figura 2.8 Circuito externo acoplado na plataforma Arduino. O circuito de
acionamento dos LEDs cujos botes so mostrados na Figura 2.1: BR -
Boto de acionamento do LED-vermelho, BG - Boto de acionamento do
LED-verde e BB -Boto de acionamento do LED-azul. E o circuito do
fototransistor. ................................................................................. 34
Figura 2.9 Diagrama das principais linhas de comando. ..................... 36
Figura 2.10 Ambiente de sada no serial monitor. ............................. 36
Figura 2.11 Sistema contendo o do fotmetro proposto. .................... 37
Figura 3.1 Curva analtica (R2=0,9992) obtida com o fotmetro proposto
para determinao do corante em amostras de refrigerante e bebida
energtica. ..................................................................................... 49
Figura 3.2 Curva analtica (R2=0,9998) obtida com o fotmetro Micronal
(referncia) para determinao do corante em amostras de refrigerante e
bebida energtica. ........................................................................... 49
Figura 3.3 Grfico dos resduos deixados pelo modelo linear da curva
analtica obtida com o fotmetro proposto. ......................................... 50
Figura 3.4 Grfico dos resduos deixados pelo modelo linear da curva
analtica obtida com o fotmetro Micronal. .......................................... 50
Figura 3.5 Curva analrica (R2=0,9988) do permanganato de potssio
relacionado ao fotmetro proposto..................................................... 55
Figura 3.6 Curva analrica (R2=0,9993) do permanganato de potssio
relacionado ao instrumento comercial ................................................ 55
Figura 3.7 Grfico dos resduos deixados pelo modelo linear da curva
analtica obtida com o fotmetro. ...................................................... 56
Figura 3.8 Grfico dos resduos deixados pelo modelo linear da curva
analtica obtida com o fotmetro micronal.. ........................................ 56
ix
Figura 3.9 Espectros de absoro do corante amarelo crepsculo
registrados com o instrumento HP. () refrigerantes, () energticos,
() soluo padro de 10,8 mg L-1. ................................................... 60
Figura 3.10 Espectros de absoro do permanganato de potssio
registrados com o instrumento HP. () soluo padro de 14,0 mg L-1,
() amostra. .................................................................................. 63
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 Intervalos de comprimentos de onda (), radiaes
absorvidas e cores complementares. ................................................... 6
Tabela 1.2 Principais modelos de Arduino comercialmente disponvel. . 20
Tabela 2.1 Coeficientes de corelao da reta . .................................. 40
Tabela 2.2 Equaes para a ANOVA dos dados experimentais adaptados
aos modelos lineares estimados pelos mtodos dos mnimos quadrados . 43
Tabela 3.1 ANOVA para o ajuste de um modelo de calibrao linear para
determinao do amarelo crepsculo (AC) usando o fotmetro proposto 51
Tabela 3.2 ANOVA para o ajuste de um modelo de calibrao linear para
determinao do amarelo crepsculo (AC) usando o fotmetro Micronal . 52
Tabela 3.3 Resultados dos testes F de falta de ajuste e de significncia
estatstica da regresso para os modelos lineares estimados para a
determinao do AC usando ambos os instrumentos. ........................... 52
Tabela 3.4 Parmetro de regresso linear e limites dos intervalos de
confiana para os coeficientes dos modelos obtidos para quantificao do
corante AC. .................................................................................... 53
Tabela 3.5 Valores de LOD, LOQ (mg L-1) e sensibilidade do fotmetro
proposto e do fotmetro Micronal para o corante AC. ........................... 54
Tabela 3.6 ANOVA para o ajuste de um modelo de calibrao linear para
determinao do permanganato de potssio usando o fotmetro proposto.
..................................................................................................... 57
Tabela 3.7 ANOVA para o ajuste de um modelo de calibrao linear para
determinao do permanganato de potssio usando o fotmetro Micronal.
..................................................................................................... 57
xi
Tabela 3.8 Mdias quadrticas (MQ) calculadas na ANOVA para os
modelos de calibrao do permanganato de potssio. .......................... 58
Tabela 3.9 Parmetros de regresso linear e limites dos intervalos de
confiana para os coeficientes dos modelos obtidos para quantificao do
permanganato de potssio. ............................................................... 59
Tabela 3.10 Valores de LOD, LOQ (mg L-1) e sensibilidade do fotmetro
proposto e do fotometro Micronal para o permanganato.... ................... 59
Tabela 3.11 Valores mdios (n=5) das concentraes do corante
estimadas, em mg L-1, via curva analtica utilizando o fotmetro e do
fotmetro (Micronal).. ...................................................................... 61
Tabela 3.12 Resultados dos testes de recuperao (%) do corante AC
(n=3). ........................................................................................... 62
Tabela 3.13 Valores mdios das massas (mg) dos comprimidos de
permanganato de potssio.. .............................................................. 64
Tabela 3.14 Valores mdios (n=5) das massas (mg) estimadas das
amostras (medicamentos de permanganato de potssio), utilizando o
fotmetro proposto e ocomerciall.. .................................................... 65
Tabela 3.15 Resultados dos testes de recuperao (%) na
derterminao do permanganato de potssio nas amostras de
comprimido. ................................................................................... 66
xii
LISTAS DE SIGLAS E ABREVIATURAS
AC - Amarelo crepsculo
AD - Analgico digital
ANOVA Analysis of variance (anlise de varincia)
DPC - Desvio padro conjunto
ICSP - In Circuit Serial Programming (programa serial em circuito)
IDE Integrated Developement Environment (ambiente integrado de
desenvolvimento de software)
IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry (Unio
Internacional de Qumica Pura e Aplicada)
LCD Liquid crystal display (display de cristal lquido)
LED Light emitting diode (diodo emissor de luz)
LOD Limit of detection (limite de deteco)
PIC Peripheral interface controller
PWM - Pulse-width modulation
RAD Rapid Application Development (Desenvolvimento rpida de
aplicao)
RGB Sistema de cores red, green and blue (vermelho, verde e azul)
RISC - Reduced instruction set computer (computador com um conjunto
reduzido de instrues)
Rx - Indicadores de recepo
Tx - Indicadores de transmisso
USB - Universal serial bus
UV-Vis Radiao ultravioleta e visvel
xiii
RESUMO
Titulo: Desenvolvimento de um fotmetro LED-Vis porttil e microcontrolado por Arduino
Autor: Aline Santos de Pontes Orientador (a): Prof. Dr. Edvan Cirino da Silva Um fotmetro porttil e de baixo custo proposto neste trabalho.
Esse instrumento utiliza um diodo emissor de luz (LED-Light Emitting
Diode) tricolor como fonte de radiao nos comprimentos de onda do
mximo de emisso de 480 (azul), 534 (verde) e 630 nm (vermelho).
Alm disso, emprega um fototransistor com sensibilidade espectral na
regio do visvel como fototransdutor, bem como um microcontrolador
Arduino como unidade de controle. Seu desempenho analtico foi avaliado
por meio de anlises quantitativas baseadas em curvas analticas, cujos
modelos foram validados por meio da Anlise de Varincia (ANOVA). O
instrumento foi aplicado determinao do corante amarelo crepsculo
em amostras de refrigerantes e bebidas energticas e de permanganato
de potssio em amostras de medicamentos. Para fins de comparao, um
espectrofotmetro comercial foi empregado para construir as curvas
analticas do instrumento de referncia. Aplicando o teste t-emparelhado
ao nvel de 95% de confiana para os resultados de concentrao obtidos
com os dois instrumentos, observa-se que no houve diferena
estatisticamente significativa. Ademais, resultados precisos nas
estimativas das concentraes dos analitos foram obtidos sendo atestado
pelo baixo desvio padro relativo conjunto de 0,2 e 0,5%,
respetivamente, para o corante e permanganato. O fotmetro proposto
pode ser uma alternativa economicamente vivel para anlises
espectromtricas, sobretudo, em laboratrios de ensino com poucos
recursos financeiros e carentes de pessoal altamente qualificado.
Palavras-chave: Fotmetro de LED-RGB, microcontrolador Arduino, corante alimentcio, permanganato de potssio.
filipebsiqueiraHighlight
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xiv
ABSTRACT
Title: Development of a LED-Vis photometer with a portable and Arduino microcontroller.
Author: Aline Santos de Pontes Supervisor (a): Prof. Dr. Edvan Cirino da Silva A portable and low-cost photometer is proposed in this work. The
instrument uses a tri-color light emitting diode (LED) as its radiation
source in maximum emission wavelengths of 480 (blue), 534 (green) and
630 nm (red). It employs a phototransistor with spectral sensitivity in the
visible region, as well as an Arduino microcontroller. Its analytical
performance was evaluated by means of quantitative analysis (analytical
curves), whose models were validated by analysis of variance (ANOVA).
The instrument was applied to determine sunset yellow dye in energy
drinks and sodas, and potassium permanganate pills. For comparison
purposes, a commercial spectrophotometer was used to construct the
calibration curves for the reference method. Applying the paired t-test at a
95 % confidence level for the concentration results obtained with the two
instruments, we observed no statistically significant difference.
Furthermore, accurate concentration estimates were obtained for the
analytes as confirmed by the low relative standard deviation range of 0.2
and 0.5%, respectively, for both the dye and the permanganate. The
proposed photometer might be an economically viable alternative to
spectroscopic analysis, especially in teaching laboratories with limited
financial resources or lacking in highly qualified personnel.
Keywords: Photometer tri-color LED, Arduino microcontroller, food
coloring, potassium permanganate.
CAPTULO 1
INTRODUO
INTRODUO
2
1. INTRODUO
1.1. Contextualizao
As anlises qumicas instrumentais so realizadas cotidianamente
para as determinaes qualitativas e quantitativas de uma grande
variedade de analitos inorgnicos, orgnicos e bioqumicos[1]. A
espectrofotometria nas regies ultravioleta e visvel (UV-Vis) uma
tcnica analtica muito usada nessas determinaes[2], haja vista sua
robustez, confiabilidade e vasto campo de aplicaes.
Um grande nmero de anlises quantitativas realizadas no mundo,
sobretudo no campo das anlises bioqumicas clnicas[1], so
implementadas usando um fotmetro ou fotocolormetro. Esses
instrumentos se caracterizam pelo uso de filtros pticos para selecionar,
geralmente, a faixa do espectro visvel para realizao das medidas na
anlise de interesse. O fotmetro uma ferramenta vivel para anlises
quantitativas tendo vista suas caractersticas: baixo custo de aquisio e
manuteno, simplicidade de operao e vida til longa especialmente
quando se utiliza LED (do ingls Light-Emitting Diode) como fonte de
radiao[3,4,5].
O advento do uso de LED em fotmetros possibilitou a
implementao de circuitos eletrnicos mais simples para controlar a fonte
de radiao e o processamento do sinal. Alm disso, visto que os LEDs
emitem luz em regies bem estreitas do espectro visvel, os fotmetros
podem ser construdos sem a utilizao de filtros e lentes pticas[4,5]. Essa
caracterstica tem contribudo para o desenvolvimento e montagem de
instrumentos mais simples, compactos e portteis.
Apesar do uso de LED nos fotmetros ter permitido construir
instrumentos capazes de diminuir os custos nos componentes necessrios
para o seu desenvolvimento, a necessidade do uso de um
microcomputador para aquisio e tratamento dos dados prejudica sua
autonomia. Para superar essa limitao, introduziu-se nos fotmetros o
microcontrolador PIC (Peripheral Interface Controller)[6] como unidade de
filipebsiqueiraHighlight
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INTRODUO
3
controle e um dispositivo LCD (Liquid Crystal Display) que dispensa a
utilizao de microcomputador. Alm disso, os fotmetros a base de LED e
microcontrolados possibilitam a realizao de anlises qumicas no campo
(in situ) em virtude de sua portabilidade e autonomia. Apesar dessas
melhorias, o desenvolvimento desses aparelhos requer experincia em
instrumentao analtica e, sobretudo, um expressivo conhecimento em
eletrnica.
Neste trabalho, prope-se o desenvolvimento de um fotmetro de
LED-Vis baseado no uso de uma plataforma de prototipagem eletrnica
Arduino,[7] que simplifica drasticamente a complexidade dos circuitos e a
montagem do instrumento. O fotmetro proposto utiliza um LED-RGB
como fonte de radiao vermelha (mximo de emisso em 630 nm),
verde (mximo em 534 nm) e azul (mximo em 480 nm), bem como um
fototransistor para realizar a deteco e transduo da radiao.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo geral
O objetivo principal desse trabalho foi desenvolver um fotmetro
porttil, a base de LED-RGB, empregando um Arduino como unidade de
controle e aquisio de dados.
1.2.2. Objetivos especficos
Montagem dos circuitos eletrnicos do fotmetro;
Elaborao do programa computacional de controle e aquisio de
dados;
Montagem e acoplamento entre os dispositivos pticos usados;
Levantamento de parmetros operacionais do instrumento;
Validar as curva analticas, usando ANOVA (Anlise de Varincia),
obtidas usando o instrumento proposto e o comercial;
INTRODUO
4
Aplicar o fotmetro proposto quantificao do amarelo crepsculo
em bebidas e permanganato de potssio em medicamentos.
1.3. O espectro eletromagntico e a luz visvel
O espectro eletromagntico (EM) composto por vrios tipos de
radiao eletromagntica desde a radiao gama altamente energtica at
as ondas de rdio de baixa energia[8,9], conforme ilustrado na Figura 1.1.
Nesse contexto destaca-se a regio visvel, cujos comprimentos de onda
da radiao eletromagntica encontram-se aproximadamente na faixa de
400 a 780 nm. Dado que a viso humana produzida nessa regio visvel,
ento essa radiao eletromagntica foi denominada de luz.
A radiao eletromagntica exibe em certos fenmenos (refrao,
reflexo, etc) um comportamento ondulatrio, enquanto noutros (a
exemplo do efeito fotoeltrico) apresenta caracterstica de partculas
(ftons)[1,10]. A natureza ondulatria proveniente das oscilaes
peridicas de campos eltricos e magnticos associados radiao. As
principais caractersticas ondulatrias da luz esto associadas ao
comprimento de onda () e freqncia ()[1,10].
Figura 1.1. Espectro eletromagntico destacando a regio visvel. Adaptado da Ref.[1].
INTRODUO
5
Como visto na Figura 1.1, cada faixa de comprimento de onda
(frequncia) origina um tipo de informao diferente. A absoro nos
diferentes comprimentos de onda na faixa do micro-ondas e no
infravermelho fornece informaes sobre a estrutura molecular e a ligao
qumica (ou grupos funcionais)[11]. O visvel no uma regio to rica em
informaes estruturais, mas pode dar valiosas informaes quantitativas.
Os raios x podem fornecer informaes sobre a composio elementar
independente de como os tomos se encontram quimicamente ligados
mesmo que a medida seja realizada a partir da amostra slida ou lquida,
pois essa radiao interage com o(s) eltron(s) do cerne atmico[11]
As radiaes compostas por um nico comprimento de onda so
chamadas radiaes monocromticas[1,10]. Contudo, na maioria dos casos,
as fontes de energia radiante emitem radiaes em comprimentos de
onda diferentes, que se misturam, formando espectros de emisso em
bandas[10].
1.3.1. Interao luz-objeto e cores complementares
A luz refletida por um objeto determina a forma como as cores so
percebidas pelo olho humano. Quando uma amostra submetida a uma
radiao, a luz incide sobre essa amostra contendo a espcie molecular
absorvente, resultando em uma radiao emergente na qual ser
detectvel pelo olho humano como uma cor complementar da radiao
absorvida[12], conforme ilustrado na Figura 1.2.
Figura 1.2. Radiao absorvente e a cor complementar.
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INTRODUO
6
A radiao emergente ser um complemento da radiao branca
menos a radiao absorvida por uma ou mais substncias. Assim, a cor de
uma soluo colorida que nossos olhos percebem uma cor
complementar da radiao absorvida.
As cores das radiaes absorvidas, seus complementos e os
intervalos de comprimento de onda so mostrados na Tabela 1.1.
Tabela 1.1. Intervalos de comprimentos de onda (), radiaes absorvidas e cores
complementares. Adaptado da Ref.[17].
A ttulo de exemplo, considere a cor verde observada nas folhas das
plantas devido presena de clorofila. Essa substncia responsvel pela
cor verde devido forte absoro da radiao nas regies do azul e do
vermelho. Isto significa dizer que quando olhamos para uma folha,
estamos recebendo em nossos olhos a luz filtrada, isto , a luz branca
(que possui todos os comprimentos de onda no visvel) subtrados do azul
e do vermelho[13]. Isso faz com que somente a radiao no absorvida
seja captada pelos nossos olhos, isto , a radiao verde[13]. Da mesma
forma, todas as coloraes que vemos so resultado da absoro seletiva
de alguma faixa estreita de , resultando na cor complementar observada.
INTERVALO DE (nm) COR ABSORVIDA COR COMPLEMENTAR
400- 465
Violeta Verde-amarelada
465-482
Azul Amarelo
482-487
Azul- esverdeado Alaranjado
487-493
Azul-Turquesa Vermelho-alaranjado
493-498
Verde Azulado Vermelho
498-530
Verde Vermelho-purpura
530-559
Verde-amarelada Prpura-avermelhado
559-571
Amarelo-verde Prpura
571-576
Amarelo-esverdeado Violeta
576-580
Amarelo Azul
580-587
Laranja_amarelado Azul
587-597
Alaranjado Azul- esverdeado
597-617
Laranja- avermelhado Azul-turquesa
617-780 Vermelho Azul-turquesa
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INTRODUO
7
1.4. Espectrometria de absoro molecular UV-Vis
Essa tcnica se baseia na absoro de ftons da radiao
eletromagntica Ultra-Violeta e Visvel (UV-Vis) por espcies moleculares
em soluo. Os comprimentos de onda da radiao nas duas regies
espectrais abrangem, aproximadamente, a faixa de 200 a 780 nm[1,11].
Ao interagir com essa radiao, as molculas esto sujeitas a transies
eletrnicas (acompanhadas por transies vibracionais) associadas
absoro de energia quantizada[1,14], produzindo o sinal analtico. Esse
fenmeno origina o sinal analtico na espectrometria de absoro
molecular UV-Vis. Todavia, a medida do sinal est sujeita ao rudo
instrumental e pode ser afetada por outras fontes de interferncia tais
como pela presena de concomitantes (interferncia de matriz e/ou
espectral), efeito de solvente, etc.
Para que a absoro molecular ocorra necessrio que haja: i)
mudana no momento de dipolo eltrico da molcula e ii) presena de
grupo(s) cromforo(s) (C=C, C=O, etc) responsvel(is), principalmente,
pelas transies dos eltrons dos orbitais pi ligante para orbitais pi
antiligante ( * pipi ) e dos orbitais no-ligantes para um orbital pi
antiligante ( *pin )[1,15,16]. O resultado desse fenmeno pode ser
registrado como um espectro que consiste, usualmente, em um grfico de
absorbncia versus comprimentos de onda. A partir do espectro da
amostra, pode-se extrair a informao analtica para a identificao e/ou
quantificao da espcie absorvente de interesse (analito).
A intensidade das bandas e os comprimentos de onda referentes aos
picos e/ou vales do espectro, so duas caractersticas fundamentais do
ponto de vista analtico. O perfil da banda fornece informao qualitativa,
ao passo que a intensidade serve de base para implementar uma anlise
quantitativa[1]. Alm disso, o comprimento de onda do sinal mximo
corresponde ao do fton absorvido, cuja energia igual diferena de
energias entre os estados envolvidos na transio eletrnica. A
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INTRODUO
8
intensidade de absoro depende da absortividade molar, do percurso
ptico e da concentrao da espcie absorvente[1].
1.4.1. A lei de Beer e a anlise quantitativa
A lei de Lambert-Beer, ou simplesmente lei de Beer[1,15,17],
fundamenta a anlise espectrofotomtrica quantitativa, estabelecendo
uma relao linear entre a absorbncia e a concentrao da espcie
absorvente. De acordo com essa lei, quando um feixe de radiao
monocromtica (I0) atravessa um recipiente transparente (cubeta),
contendo uma espcie absorvente, percorre o caminho ptico b conforme
ilustrado na Figura 1.3. A intensidade da radiao diminui para (I) como
resultado da absoro por molculas do composto absorvente, sendo que
a razo entre I0 e I determina a transmitncia (T) da soluo.
Figura 1.3. Intensidade da luz emergente (I
0) e transmitida (I) aps passar por uma
cubeta contendo uma soluo absorvente com o caminho ptico b. A absorbncia (A) medida se relaciona com a transmitncia (T) e a
concentrao (c) da espcie absorvente de acordo com a Equao 1.1
(1.1)
onde, uma constante denominada absortividade molar da espcie
absorvente, c a concentrao expressa em mol L-1 e b o comprimento
do percurso ptico dado em cm.
bcIITA ===0
loglog
INTRODUO
9
1.4.2. Instrumentao
Tradicionalmente, os instrumentos utilizados para anlises
quantitativas por absoro molecular UV-Vis so classificados de acordo
com o tipo de seletor de radiao em: (i) fotmetros e (ii)
espectrofotmetros. Os instrumentos da classe (i) so aqueles baseados
no uso de filtros pticos para isolar a faixa da radiao de interesse e os
da classe (ii) utilizam, geralmente, um monocromador de prisma ou rede
de difrao para a seleo. Os aparelhos da primeira classe usam
componentes mais simples e baratos que os da segunda, porm so mais
limitados e no possibilitam a obteno de espectros. Ademais, utilizam
como seletores de radiao os filtros de absoro (restritos regio visvel
do espectro) e os de interferncia que podem tambm operar na regio
ultravioleta[1].
Em geral, os componentes utilizados nos fotmetros so
basicamente[1,11,19]:
Uma lmpada de tungstnio como fonte de radiao;
Filtro de absoro ou interferncia;
Um recipiente (cubeta) para a amostra;
Detector de radiao (fototransdutor);
Processador de sinal.
Os espectrofotmetros e os fotmetros so instrumentos pticos
utilizados em ampla escala em todo o mundo para medidas quantitativas
na regio espectral do UV-Vis[17]. A deteco espectrofotomtrica uma
tcnica bastante consolidado na literatura cientfica. O crescente
desenvolvimento de novos fotmetros, abre uma variedade de
possibilidades para tcnicas de deteco mais simples, econmicos e
analiticamente satisfatrios.
A incorporao de LEDs, como fonte de radiao, nos fotmetros
trouxe muitas vantagens, a saber: eliminao do uso de seletor de
radiao, fonte de alimentao e circuito de processamento do sinal
menos complexo e desenvolvimento de instrumentos mais simples,
portteis de baixo custo[6,18].
filipebsiqueiraHighlight
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INTRODUO
10
A seguir apresentada uma descrio sobre a constituio,
montagem e caractersticas dos LEDs que motivaram seu uso como fonte
de radiao em fotmetros.
1.5. Diodos emissores de luz (LEDs)
Os diodos so produzidos empregando materiais semicondutores
(por exemplo, o silcio) aos quais so adicionados diferentes impurezas
dopantes, mediante processo chamado de dopagem[20]. Quando a matriz
baseada no silcio ou elemento com configurao eletrnica similar, a
dopagem com tomos de elementos do grupo 3 produz o semicondutor do
tipo positivo (P). Se a dopagem for realizada com tomos de elementos do
grupo 5, o semicondutor obtido denominado como sendo do tipo
negativo(N)[20]. Essas dopagens promovem um aumento da condutividade
do semicondutor, devido ao surgimento de lacunas (deficincia de
eltrons) no cristal dopado P e ao surgimento de eltrons livres no cristal
do tipo N[20].
Quando se unem cristais dos tipos P e N, forma-se a juno P-N. Os
eltrons livres do cristal do tipo N, que estiverem prximos da juno,
eventualmente passaro para o lado P, onde sero capturados por
lacunas, fazendo recombinao[21]. Esta recombinao ir ocorrer com
todos os eltrons e lacunas que estiverem prximos da juno, formando
pares de ons prximos da juno[21]. Isto resultar em uma coluna de
ons positivos do lado N e uma coluna de ons negativos do lado P. A
regio em torno da juno onde se encontram esses ons chamada de
camada de depleo[21]. Como a camada de depleo ionizada, cria-se
uma diferena de potencial na juno chamada barreira de potencial[21].
Os diodos emissores de luz (LEDs) so dispositivos onde a luz
emitida pela passagem de corrente eltrica nos materiais semicondutores
fazendo com que ocorra a recombinao de eltrons livres do material do
semicondutor N com as lacunas em excesso do tipo P, proporcionando a
movimentao em direo a juno P-N do diodo. Este fenmeno ficou
INTRODUO
11
conhecido como eletroluminescncia[20,22,42], que a emisso de luz por
estmulo eltrico. O componente mais importante de um LED o chip
semicondutor responsvel pela gerao de luz. Na Figura 1.4. ilustrado
um diagrama esquemtico dos constituintes e do funcionamento de um
LED comum e seu funcionamento.
O cientista norte americano Henry Joseph Round, em 1907, ao usar
o carbeto de silcio (SiC), foi quem primeiro conseguiu produzir o
fenmeno da eletroluminescncia, dando incio aos estudos do que hoje se
entende por LED[23,24]
. Nos anos de 1923 e 1937 ocorreram,
respectivamente, os seguintes fatos: a descrio da eletroluminescncia
em cristais de carbeto de silcio pelo cientista russo O. W. Lossey e o
acontecimento do mesmo fenmeno usando p de sulfeto de zinco (ZnS2)
foi observado pelo cientista E. Destriau[23]. Em 1962, surgiu o primeiro
LED com o material semicondutor a base de, arseneto de glio (GaAs) [25]
,
emitindo radiao no comprimento de onda de 840 nm, e diodos feitos de
fosfeto e arseneto de glio, na regio de 710 nm[26]
. Essa mudana de
comprimento de onda est relacionada ao material que constitui o LED.
Figura 1.4. Diagrama esquemtico dos constituintes e do funcionamento de um LED
comum. Adaptado da Ref. [33].
INTRODUO
12
A utilizao de diferentes materiais semicondutores em diferentes
nveis de dopagem proporciona a obteno de LEDs com diferentes
comprimentos de onda, ou seja, uma grande variedade de LEDs que
emitem na regio UV-Vis. Utilizando-se InGaN como material
semicondutor, obtm-se um LED que emite radiao na regio verde[27].
Os LEDs que abrangem a regio do azul, so constitudos de carbeto de
silcio e nitreto de glio[28]. Desde ento, um progresso notvel no
desempenho do LED em relao ao aumento da eficincia de emisso na
regio do visvel tem melhorado quase uma ordem de magnitude a cada
10 anos[29,30]. Tal desempenho dos LEDs atribudo principalmente ao
grande avano das novas tecnologias de produo de semicondutores.
Estas tecnologias possibilitaram o desenvolvimento de diodos bicolores[6],
usualmente no verde e vermelho e tricolores emitindo no verde, vermelho
e verde. Nestes dispositivos os materiais semicondutores que
proporcionam as emisses em diferentes comprimentos de onda so
dispostos em um nico corpo e podem ser acionados selecionando o par
de terminais adequado para produzir a emisso desejada[20].
Os diodos emissores de luz disponveis comercialmente no se
limitam apenas a regies do visvel, mas tambm cobrem as regies do
ultravioleta e do infravermelho prximo[31]. Na Figura 1.5 podem ser
vistos espectros tpicos de emisso de vrios LEDs, comercialmente
disponveis, na faixa espectral do ultravioleta-visvel.
O espectro de emisso da maior parte dos LEDs na regio visvel
exibe normalmente larguras de bandas menores do que 20 nm que so
comparveis aos filtros pticos, que oferecem largura de banda de 10 a
30 nm[6]. A intensidade da luz emitida por um LED cerca de 5 vezes
maior do que a intensidade de um feixe originalmente da fenda de sada
de um monocromador[6]. A elevada estabilidade dos LEDs tem permitido
atingir desvios padro nas medidas de absorbncia de at 7,5 x 10-7.
Alguns LEDs que, atualmente, encontram-se disponveis so
ultrabrilhantes, tm vida til extremamente longa e alta estabilidade de
emisso[6]. Portanto, so fontes de radiao bastante adequadas para a
INTRODUO
13
construo de fotmetros usados nas anlises por absoro molecular na
regio UV-Vis.
Figura 1.5. Espectros de emisso tpicos de uma seleo de LEDs, comercialmente
disponveis, na faixa espectral do UV-vis. Adaptado da Ref. [31].
1.5.1. Vantagens do uso de LEDs
Pode-se mencionar as inmeras vantagens do uso de LEDs como
fonte de luz:
Maior vida til: os LEDs podem acender e apagar rapidamente,
sem perda da vida til[32];
Custos reduzidos: o custo do LED varia de centavos a poucos
reais, de acordo com as caractersticas desejadas para o LED[23];
Eficincia: apresentam maior eficincia que as lmpadas de
halogneo[32];
Baixa voltagem de operao:no apresenta risco para o
instalador;
Radiao monocromtica: emite radiao em uma faixa estreita
de comprimentos de onda, permitindo maior obedincia Lei de
Beer, evitando ou reduzindo problemas com a linearidade das
curvas de calibrao[33];
INTRODUO
14
Ecologicamente correto: no utiliza mercrio ou qualquer outro
elemento que cause dano ao meio ambiente[32];
Ausncia de ultravioleta: no emitem radiao ultravioleta sendo
ideais para aplicaes onde este tipo de radiao indesejada[32];
Ausncia de infravermelho: tambm no emitem radiao
infravermelho, fazendo com que o feixe luminoso seja frio[32];
Robustez mecnica: ao contrrio de lmpadas com bulbo de
vidro, os LEds so resistente a impactos mecnicos, pois so
dispositivos de estado slido[32];
Temperatura: quase toda a energia fornecida ao LED gasta na
emisso de luz, praticamente no h, liberao de calor[32].
Compactibilidade:podem ser encontrados comercialmente em
diversos formatos e com dimenses da ordem de milmetros a
poucos centmetros [32];
Facilidade de aquisio: podem ser encontrados em lojas de
comrcio eletrnico, inclusive em cidades de porte
intermedirio[23].
Potncia luminosa elevada: Na faixa de 10 a 150 mW, que
corresponde cerca de cinco vezes a radiao de uma lmpada de
tungstnio de 40 W e radiao proveniente da fenda de sada de
um monocromador em condies similares de banda passante[33].
Os LEDs so usados como componentes eletroeletrnicos em vrios
produtos disponveis comercialmente, tais como: televiso, produtos de
microeletrnica como sinalizador de avisos, relgios digitais, controles,
cmeras, monitores, notebooks, telefones celulares etc. Alm disso, so
usados em comunicaes, servios mdicos, sinalizao e iluminao em
geral[34-38]. Com a diminuio dos custos de produo e elevao dos
nveis de eficincia luminosa, comearam a ser utilizados em
instrumentaes analticas.
INTRODUO
15
Na Seo 1.6, so descritos os trabalhos reportados na literatura
sobre o uso de LEDs em instrumentao analtica, com foco nos
fotmetros, bem como suas aplicaes.
1.6. Instrumentao a base de LEDs O emprego de LEDs que emitem radiao monocromtica de
potncia considervel e de baixo custo, minimiza os custos associados
construo de espectrofotmetros comerciais que utilizam caros sistemas
pticos[4]. Os instrumentos construdos a base de LEDs so utilizados para
anlises dedicadas, as quais exploram regies espectrais onde ocorrem
absoro especficas do analito.
O diodo emissor de luz (LED) foi utilizado pela primeira vez como
fonte de radiao para deteco fotomtrica por Flaschka e
colaboradores.[39] e, depois, por Betteridge e colaboradores[40]. Aps
esses trabalhos pioneiros, foram desenvolvidos novos instrumentos, na
pesquisa cientfica, usando o LED como fonte de radiao.
Rostami e colaboradores[41] desenvolveram um fotmetro de LED
capaz de executar medies de absorbncia em trs comprimentos de
onda sequencialmente, permitindo a sua aplicao na anlise simultnea
de misturas binrias e ternrias baseadas nas diferenas de propores de
absorbncia em dois e/ou trs comprimentos de onda. Foram utilizados
dois LEDs RGB e dois LDRs (light dependent resistor) como detector para
emisso de radiao e captura do sinal do branco e da amostra,
respectivamente, atuando como feixe duplo. A absorbncia da soluo da
amostra foi calculada descontando a absorbncia do branco e exibidas em
um dispositivo LCD. O instrumento proposto utiliza diodos emissores de
luz vermelho-verde-azul como fonte de luz para a determinao
simultnea de tartrazina, amarelo-crepsculo, carmosina e azul brilhante
em alimentos industrializados.
Mota[42] desenvolveu um fotmetro para fins didticos para uso na
contextualizao de temas qumicos sociais (como qumica ambiental) e
INTRODUO
16
em aulas de instrumentao analtica. O instrumento foi utilizado para
determinao de ortofosfato total em guas. Na construo do
instrumento foi utilizado um LED amarelo, um LDR (Resistor Dependente
de Luz) como detector e celas de acrlico. O sinal do fotmetro gerado era
em valores de resistividade, a qual era medida pelo uso de um multmetro
digital. A determinao do ortofosfato foi realizada utilizado-se o mtodo
do azul de molibdnio. As amostras de guas utilizadas foram de um
igarap poludo. O sistema apresentou resposta linear na faixa de
concentrao entre 8 a 48 mol.L-1, apresentando valores de R2 acima de
0,99. Os testes de recuperao apresentaram variaes entre 97,6 e
107,3%. A preciso intermediria e repetibilidade apresentaram
coeficientes de variao mdios de 3,0 e 2,8, respectivamente.
Pires e colaboradores[43] desenvolveram uma instrumentao a base
de LEDs empregando microbombas multicomutveis para especiao e
quantificao de cromo em guas naturais. Para isso, quatro microbombas
solenides foram utilizadas para propulso e comutao dos fluidos, um
LED verde como fonte de radiao, um fotodiodo como sensor da radiao
e uma cela de fluxo (com percurso ptico de 100 mm de caminho ptico e
dimetro interno de 2 mm). As condies operacionais fixadas para o
mtodo permitiram uma resposta linear variando de 10 a 200 g.L-1
Cr(III) e Cr(IV) (r = 0,999, n = 7), com limites de deteco de 2,05 e 1,0
g.L-1 para Cr(III) e Cr(VI), respectivamente. Um desvio padro relativo
menor que 2,0% foi obtido para uma soluo sinttica de 50 g.L-1, e
velocidades analticas de 67 e 105 determinaes por hora para Cr total e
Cr(VI), respectivamente, foram obtidas.
O fotmetro MULTI-LED proposto por Gaio e colaboradores[44]
composto por seis LEDs como fontes de radiao com os comprimentos de
onda no mximo de emisso de: 430, 485, 560, 580, 600, 660 nm, um
fototransistor como detector e um microcontrolador (PIC - Controlador
Programvel de Interrupo). Os valores das medidas de transmitncia e
absorbncia foram apresentados no mostrador LCD do fotmetro. Para
avaliar o seu desempenho, foram realizadas determinaes de on ferroso
INTRODUO
17
em amostras de xarope e de protenas totais, albumina, glicose, ureia,
clcio, cloreto e hemoglobina em amostras de soro sanguneo. Uma
grande concordncia entre os valores obtidos empregando o fotmetro
proposto com os instrumentos de referncia (HP e Micronal) foi
observada. De fato, nenhuma diferena sistemtica estatisticamente
significativa, ao nvel de 95% de confiana, foi verificada entre os
resultados aplicando-se o teste-t emparelhado.
Fonseca e colaboradores[45] desenvolveram um fotmetro multicanal
baseado em um conjunto de oito LEDs como fontes de luz, usando feixes
de fibra ptica para orientar a radiao para uma clula de medio e, a
partir da, para o fotodiodo. O controle das medidas e o armazenamento
dos dados foram feitos atravs do uso de um microcomputador. O
fotmetro foi idealizado para realizar medidas em um nico comprimento
de onda assim como nos comprimentos de onda (470, 500, 525, 562,
590, 612, 636 e 654 nm), sequencialmente, o que permitiu sua aplicao
em anlise multivariada. O aparelho foi aplicado para a determinao
simultnea de Zn (II) e Cu (II) em amostras de frmacos e de ligas
metlicas. Os resultados mostraram no haver diferenas significativas no
nvel de confiana de 95%.
Um fotmetro baseado em LED tricolor com mximas emisses em
470, 565 e 660 nm foi construdo por Gros[46], com uma cmara de
microreao proporcionando um baixo consumo de reagentes e amostras
e uma rpida e eficaz homogeneizao dos reagentes. O instrumento foi
avaliado na determinao de clcio em guas por meio de medidas de
absorbncia do complexo metlico com orto-cresolftalena. A abordagem
experimental possibilitou uma fcil execuo, robustez, economia, e
resultados confiveis.
Cantrell e colaboradores[47] desenvolveram um fotmetro simples,
porttil e de baixo custo baseado em um arranjo de trs LEDs (473, 590,
624 nm), com um microcontrolador programvel e um chip de memria.
O instrumento pode ser configurado para efetuar medidas e armazenar
INTRODUO
18
dados automaticamente, em intervalos de tempo definidos pelo operador,
dispensando o monitoramento por parte do mesmo.
Dasgupta e colaboradores[48] construram um fotmetro
multifuncional para anlises em fluxo baseado em um arranjo de doze
LEDs diferentes, os quais emitem radiao na faixa de 375 a 600 nm. O
instrumento foi utilizado em diferentes determinaes empregando
medidas de absorbncia, fluorescncia e luminescncia.
Rocha e colaboradores[49] desenvolveram um fotmetro associando
um LED bicolor (vermelho e verde) com um fotodiodo de silcio como
fototransdutor. Esta ltima foi combinada com um amplificador de baixo
rudo e alto ganho. A cor do LED foi selecionada por um programa
computacional. O instrumento foi construdo com intuito de realizar a
anlise, por injeo em fluxo, de especiao de nitrognio inorgnico
(NO3-, NO2-, NH4+) em guas de rio.
Um fotmetro multi-comprimento de onda, cobrindo a gama do
visvel, compacto e de baixo custo foi desenvolvido por Hauser e
colaboradores[50]. Cada luz proveniente dos sete LEDs de cores diferentes
era direcionada a uma clula de medio por meio de um acoplador de
fibra ptica. A deteco foi efetuada por fotodiodos conectados a um
amplificador produzindo leituras de absorbncia diretas. Este fotmetro foi
empregado para as determinaes de alumnio com LED-VIS (verde, 546
nm), de amnia (laranja, 629 nm), de cobre (amarelo, 599 nm e
vermelho, 735 nm), de clcio (vermelho, 670 nm), de cromo (azul, 442
nm), nitrato (azul, e verde em 535 nm) e de fosfato com LED-IR (733
nm). Em todas essas aplicaes, foram obtidos bons resultados quando
comparados aos dos mtodos de referncia ou convencionais.
Arajo e colaboradores[6], desenvolveram um fotmetro a base de
um LED bicolor (verde e vermelho) e um fototransistor, adaptados a uma
cela de fluxo tubular. A performance do instrumento foi avaliada nos
parmetros clnicos, tais como: protenas totais, albumina, uria,
hemoglobina, cido rico e glicose em amostras de soro, plasma e sangue
total. As mesmas amostras foram tambm analisadas usando um
INTRODUO
19
fotocolormetro clssico e no constatou diferenas estatisticamente
significativas nas determinaes.
Trojanowicz e colaboradores[51] desenvolveram um fotmetro LED-
Vis com mxima emisso (563, 580 e 638) com intuito de empreg-lo na
determinao simultnea de Zn e Al. O instrumento foi construdo com
intuito de realizar a anlise, por injeo em fluxo, das misturas binrias
dos respectivos metais, empregando medidas de absorbncias dos
complexos metlicos com diferentes reagentes cromognicos.
O desenvolvimento de instrumentao, que pode substituir o uso de
um seletor de radiao, e de circuitos de processamentos do sinal menos
complexo, usando uma plataforma de prototipagem eletrnica Arduino,
possibilita a montagem do instrumento mais simples. Alm disso, pode
reduzir a necessidade do uso de outros componentes eletrnicos.
1.7. Arduino
Arduino um microcontrolador de placa nica projetado para tornar
o processo de uso de eletrnicos em vrios projetos acadmicos,
tecnolgicos, cientficos e artsticos mais acessvel[52]. Foi criado na Itlia
em 2005 com o objetivo de oferecer uma plataforma de prototipagem
eletrnica de baixo custo e de fcil manuseio por qualquer pessoa
interessada em criar projetos com objetos e ambientes interativos [53, 54].
A plataforma Arduino constituda de uma placa eletrnica (hardware) e
de um ambiente de desenvolvimento (software) para criao dos projetos.
Existem diversos projetos de hardware livres ou hardware abertos
encontrados na internet, entre eles, o projeto RepRap e o projeto
Aurora[54]. Porm, o projeto de hardware livre mais conhecido e difundido
na internet o Arduino, referente a uma placa de prototipagem eletrnica
dotada de entradas e sadas nos domnios digital e analgico para
interfaceamento com um mundo externo[54]. Pode ser usado de vrias
maneiras, tanto por amadores quanto por profissionais; sua aplicabilidade
ilimitada e s possui como limite a imaginao[55].
INTRODUO
20
A placa eletrnica do Arduino contm diversas entradas e sadas,
analgicas e digitais, e uma interface serial via conexo USB para
comunicao com o computador[56]. O microcontrolador desta placa da
famlia AVR, com arquitetura Harvard e tecnologia RISC, a qual muito
superior aos antigos 8051 e PIC de 8bits[56] por permitir milhares de
gravaes e regravaes em sua memria de programa. As trs linhas
principais de modelos Arduino[53,54], esto na Tabela1.2, na qual so
caracterizados da seguinte forma:
Os de "pequeno porte": NANO
Os de "mdio porte": Duemilanove, UNO
Os de "grande porte": Mega1280, Mega2560.
Tabela1.2. Principais de modelos de Arduino disponvel comercialmente. Adaptado da Ref.[54]
INTRODUO
21
1.7.1. Ambiente de desenvolvimento integrado ao hardware do
Arduino
Para escrever os cdigos de programao dos projetos para Arduino
necessrio o uso de um ambiente de desenvolvimento integrado ao
hardware (IDE - Integrated Developement Environment) para o
desenvolvimento da programao, gerao de cdigos, que sero
enviadas para a placa eletrnica. [54]
A ferramenta IDE fornecida pelo prprio fabricante do Arduino e
baixado na pgina oficial do Arduino (http://www.arduino.cc/). Alm de
instalar o IDE, tambm foi instalado os drives do Arduino, pois sem eles o
mesmo no funciona. Na Figura 1.6, mostra-se a Interface IDE. Este
ambiente de desenvolvimento construdo em Java, compatvel com
qualquer sistema operativo existente no mercado. E de fcil programao
atravs de sua prpria linguagem baseada em C++ ou auxiliada pelo uso
de bibliotecas[60]. Particularmente para quem se inicia em programao
de microcontroladores, um ambiente amigvel e simples.
Figura 1.6. Ambiente IDE do Arduino
INTRODUO
22
A IDE pode ser identificada como um ambiente de desenvolvimento
integrado que traz caractersticas e ferramentas que do apoio ao
desenvolvimento de software, com o objetivo de agilizar o processo. Na
maioria das vezes, a IDE apresenta a tcnica RAD (Rapid Application
Development), desenvolvendo assim, cdigos com maior rapidez e
facilidade[57,58]. A IDE um conjunto de ferramentas que auxiliam o
programador no desenvolvimento de aplicaes. Entre as ferramentas
mais comuns encontradas em uma IDE, pode-se destacar: um editor de
programas, compilador, linker, loader e depurador. Cada um destes
componentes tem uma funo bem definida[59].
Editor de Programas: um editor de texto construdo
especialmente para facilitar a edio de um programa usando uma
determinada linguagem de programao;
Compilador: tem como principal funo fazer a traduo do cdigo
fonte em um formato que o computador pode entender;
Linker ou linkeditor: liga os vrios pedaos de cdigo-fonte,
compilados em linguagem de mquina, em um programa executvel
que pode ser em um computador, ou outro dispositivo
computacional;
Loader ou carregador: carrega o executvel na memria para que
a CPU possa executar o programa. Esse recurso importante no
IDE, pois ajuda a agilizar o trabalho;
Depurador: auxilia o programador na verificao, localizao e
correo no cdigo-fonte do programa, na tentativa de
aprimorar a qualidade de software.
1.8. Caractersticas do corante alimentcio amarelo crepsculo
Os corantes artificiais so introduzidos nos alimentos e bebidas com
o nico objetivo de conferir cor, tornando-os mais atrativos. Por esse
motivo, o seu uso quase que exclusivamente motivado por interesse
comercial e tecnolgico[61], no sendo to recomendados do ponto de
INTRODUO
23
vista da sade. Mesmo assim, os corantes so amplamente utilizados nos
alimentos e bebidas devido sua grande importncia no aumento da
aceitao dos produtos.
Os corantes sintticos podem ser classificados de acordo com sua
estrutura qumica, podendo ser do tipo azo, triarilmetano e fenilmetano,
xantana, quinolina, antraquinona ou fenol. Dentre estes, um dos grupos
mais importantes e extensivamente utilizados na indstria alimentcia, so
os corantes que apresentam o grupo azo, ou seja, ligaes do tipo -N=N-[62,63].
O corante Amarelo Crepsculo (2-hidrxi-1-(4-sulfonatofenilazo)
naftaleno-6-sulfonato dissdico) [63] um dos corantes do tipo azo, como
se pode verificar na estrutura molecular ilustrada na Figura 1.7.
Apresenta alta solubilidade em meio aquoso, podendo ser identificado e
quantificado por espectrofotometria UV-VIS, cujo mximo de absoro
localiza-se geralmente no comprimento de onda prximo a 480 nm
(solues aquosas em pH 7)[63,65]. Isso ocorre pelo fato dos corantes
serem compostos qumicos que em sua estrutura encontram-se grupos
cromforos que so tipicamente representados por estruturas aromticas
ou quinnicas[63]. Essas estruturas encontram-se unidas por ligaes
duplas, grupos alifticos unidos a grupos carbonlicos por ligaes duplas,
grupos azo ou nitro, grupos hidroxlicos ou amino que podem aumentar a
intensidade de absoro especfica para um determinado corante[64].
Figura 1.7. Estrutura qumica do corante amarelo crepsculo.
INTRODUO
24
O interesse de desenvolver pesquisas no controle de aditivos nos
alimentos devido s diversas reaes e doenas que os corantes podem
causar quando ingeridos em excesso[61,62]. Os aditivos so inofensivos
sade desde que obedecendo aos percentuais mximos de 0,01g/100mL
estabelecidos pela ANVISA (Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria).
Caso contrrio, o corante amarelo crepsculo pode ocasionar urticria,
anafilaxia e quando associado ao cido benzico pode ser responsvel por
hiperatividade em crianas, ou at mesmo outros distrbios de
comportamento[61,62].
1.9. Caractersticas do permanganato de potssio
O permanganato de potssio um agente oxidante forte, possuindo
propriedades desinfectantes e desodorizantes. Os ons resultantes da
reduo do permanganato exercem um efeito adstringente. Possui
capacidade para oxidar certos frmacos e venenos[66]. Ele empregado
como um agente de branqueamento de gorduras, leos, algodo, seda e
outras fibras. Tambm tem sido utilizado como anti-sptico e antiinfectivo,
como um componente em kits de sobrevivncia na selva, na destruio da
matria orgnica em tanques de peixes, na fabricao de circuitos
impressos, na neutralizao dos efeitos do pesticida rotenone[67].
Alm disso, o permanganato de potssio serve para eliminar as
bactrias e os fungos da pele, sendo tambm um bom cicatrizante para as
feridas. Em geral, ele utilizado diludo em gua e utilizado no banho em
casos de feridas generalizadas, sendo ideal para tratar a catapora e as
queimaduras. Diante disso, optou-se por analisar o medicamento
(permanganato de potssio), cuja forma farmacutica usada consiste de
comprimidos com 100 mg cada.
CAPTULO 2
PARTE
EXPERIMENTAL
PARTE EXPERIMENTAL
26
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Reagentes, solues e amostras
A limpeza das vidrarias, dos frascos mbar e da cubeta foi realizada
usando uma soluo de HNO3 15% em um banho ultrassnico (UltraSonic
Cleaner, Unique, modelo USC-1800A) durante 15 minutos.
A gua utilizada no preparo de todas as solues foi sempre recm-
destilada.
Reagentes
Os reagentes utilizados na realizao do trabalho foram: fosfato
monossdico (NaH2PO4, Synth 99% P.A), hidrxido de potssio (NaOH,
Synth 97% P.A), permanganato de potssio (KMnO4, Sigma 99,7% P.A), o
corante amarelo crepsculo (E-110, Sigma 90% P.A), oxalato de sdio
(Na2C2O4, Synth P.A) e cido sulfrico (H2SO4, Vetec 99% P.A).
Soluo tampo
Uma soluo tampo[68] de fosfato com pH 7,00 foi utilizada na
preparao das solues de calibrao do corante e das amostras. Essa
soluo tampo foi preparada, misturando-se 500 mL de uma soluo de
NaH2PO4 0,10 mol.L-1
com uma soluo 0,10 mol L-1
NaOH usada para o
ajuste do pH.
Solues estoque e de calibrao
Foram preparadas trs solues estoque autnticas do corante
amarelo crepsculo (E-110) com concentrao de 750 mg L-1.
Para cada
soluo, dissolveu-se 0,0417g do corante em soluo-tampo (pH 7,00) e
completou-se o volume do balo de 50 mL com o mesmo tampo.
As trs solues estoque autnticas do permanganato de potssio
foram preparadas com concentrao de 1000 mg L-1, atravs da
PARTE EXPERIMENTAL
27
dissoluo de 0,253 g do permanganato de potssio em 250 mL de gua
recm destilada e fervida para a eliminao de CO2. Esta soluo foi
filtrada com l de vidro e devidamente padronizada.
As solues de calibrao usadas para quantificao do corante e
permaganato de potssio foram preparadas na faixa de concentrao (mg
L-1) de 1,8 a 18,0 e 6,0 a 38,0, respectivamente.
Amostras de permanganato de potssio
Foram adquiridas 20 cartelas de 10 diferentes lotes (2 cartelas/lote)
do frmaco permanganato de potssio em farmcias de Joo Pessoa,
sendo que cada cartela continha 10 comprimidos.
Seguindo o procedimento recomendado pela farmacopeia
brasileira[69], mediu-se a massa dos 20 comprimidos das 2 cartelas de
cada lote. Logo em seguida, encontrou-se a mdia das amostras e as
macerou. O valor da mdia serviu para definir a massa usada da amostra
referente a cada lote.
Uma soluo estoque foi preparada a partir da dissoluo do valor
mdia dos 20 comprimidos de cada lote em gua recm destilada e
fervida. A partir dessa soluo foram preparadas as solues das amostras
a serem analisadas.
As alquotas das amostras a serem analisadas foram baseadas na
faixa de concentrao das solues de calibrao, de forma a garantir que
os sinais das amostras estejam dentro da curva analtica.
Amostras de refrigerante e bebida energtica
As amostras de refrigerante e de bebida energtica, contendo o
amarelo crepsculo, foram adquiridas em diferentes supermercados
localizados na cidade de Joo Pessoa (PB). Foram adquiridas 8 amostras
de refrigerante de laranja (de 4 marcas diferentes) e 8 amostras de
energtico de tangerina da mesma marca (porm de lotes diferentes).
A preparao de todas as amostras foi atravs de diluies com
soluo-tampo (pH 7,00). Nas amostras de bebida energtica, retirou-se
PARTE EXPERIMENTAL
28
uma alquota de 5 mL da amostra original e dilui-se para 10 mL com o
referido tampo. No caso dos refrigerantes, as amostras foram
submetidas ao banho ultrassnico por 20 minutos com o intuito de
expulsar completamente o gs dissolvido[70]. Em seguida, retirou-se uma
alquota de 3 mL de cada amostra para ser diluda para 10 mL com o
mesmo tampo.
As alquotas das amostras foram baseadas na faixa de concentrao
das solues de calibrao, garantindo que os sinais das concentraes do
analito nas amostras estejam dentro da curva analtica.
2.2. Material e Equipamentos O espectrofotmetro com arranjo de fotodiodos da HP, modelo
8453, foi usado para verificar o comportamento espectral dos padres e
das amostras do amarelo crepsculo e do permanganato de potssio. Para
isso, foram registrados os espectros e identificou-se o comprimento de
onda associado ao mximo de absoro para efetuar as medidas com
maior sensibilidade.
Utilizou-se uma balana analtica da marca Scientech, modelo SA
120, um pHmetro da Metrohm e micropipetas de 100 L, 1 mL e 5 mL da
marca Labmate soft.
Um notebook, processador Intel CoreTM i5-2410M de 2,3 GHz e
memria RAM de 6 Gb, foi usado para interfacear o fotmetro proposto
por intermdio da porta USB. A conexo est diretamente ligada
plataforma Arduino, permitindo controlar no sistema: o monitoramento
dos sinais gerados pelo detector.
Para fins de comparao de desempenho com o instrumento
proposto, utilizou-se um fotmetro da Micronal, modelo B34211.
PARTE EXPERIMENTAL
29
2.3. Desenvolvimento do fotmetro
O instrumento proposto emprega componentes compactos e de fcil
aquisio. O fotmetro foi desenvolvido em uma caixa plstica (marca
patola e modelo PB 114) com dimenses 14,8 x 9,7 x 5,5 cm, conforme
ilustrado na Figura 2.1. Para a sua montagem foi utilizado: um LED que
abrange trs regies do visvel (RGB), um fototransistor, uma plataforma
Arduino Uno e um suporte para clula de medida.
Figura 2.1. Vista frontal do fotmetro proposto.
2.3.1. Fonte de radiao
O LED-RGB utilizado no fotmetro proposto tem intensidade
radiante alta, sendo constitudo de uma estrutura com lente esfrica e
corpo cilndrico de epxi transparente (Figura 2.2).
Figura 2.2. LEDs RGB utilizados no fotmetro.
PARTE EXPERIMENTAL
30
O referido LED, que formado por trs "chips", emite radiao com
comprimentos de onda em trs regies do espectro visvel. Os
comprimentos de onda, registrados no Espectrofluormetro Ocean Optics
400 USB, correspondentes intensidade mxima (max) so, respectivamente, 630 nm, 534 nm, 480 nm como indicado nos espectros
apresentados na Figura 2.3.
Figura 2.3. Espectros de emisso do LED tricolor especificando o max para cada regio.
Na Figura 2.4 so mostradas a pinagem e as dimenses do LED-
RGB utilizado no fotmetro.
Na alimentao para o funcionamento do LED, a tenso no pode
ser aplicada diretamente entre seus terminais, uma vez que a corrente
deve ser limitada para no danific-lo. Assim, o uso de um resistor
limitador comum nos circuitos que os utilizam.
PARTE EXPERIMENTAL
31
Figura 2.4. Dimenses e pinagem do LED (L200CWRGB1K-4C-IL) utilizado no fotmetro, unidade em mim.
2.3.2. Fototransdutor
O detector de radiao escolhido para aquisio dos sinais analticos
foi um fototransistor por ser barato e de fcil aquisio, e por apresentar
uma boa relao sinal/rudo e permitir amplificao. Sua aparncia
semelhante de um LED com espessura de 5 mm, porm possui
encapsulamento transparente e opera com polarizao inversa. Ele possui
dois terminais, correspondendo ao coletor e emissor do transistor. As
dimenses e pinagem encontram-se ilustradas na Figura 2.5.
Figura 2.5. (a) Dimenses e pinagem do fototransitor (BP 103 B) utilizado no fotmetro,
unidade mm. (b) Fototransistor utilizado no fotmetro.
PARTE EXPERIMENTAL
32
A resposta do fototransitor abrange praticamente toda a regio
espectral do visvel. Esta caracterstica favorece o uso desse dispositivo
para aplicaes fotomtricas.
2.3.3. Suporte para clula de medida
O suporte da cubeta do fotmetro LED-VIS, mostrado na Figura
2.6, foi construdo levando em considerao a espessura da cubeta de
plstico escolhida para a realizao das anlises. Sendo assim, a distncia
entre o emissor (LED) e o receptor (fototransistor) foi estabelecida como
sendo de, aproximadamente, 1 cm. Deste modo, os componentes foram
posicionados a fim de que ficassem alinhados um em direo ao outro.
Figura 2.6. Suporte para cubeta usada no fotmetro de LED proposto.
Para efetuar uma medida, coloca-se a soluo absorvente
(calibrao e/ou amostra) na cubeta at uma altura acima de
aproximadamente 2,5 mL. Garantindo assim, que a soluo absorvente
estar no caminho ptico.
PARTE EXPERIMENTAL
33
2.3.4. Plataforma Arduino UNO
A escolha do Arduino para o desenvolvimento do fotmetro proposto
foi motivada pelo fato da grande facilidade de instalao e programao.
A placa dispe de um vasto conjunto de dispositivos de apoio ao
microcontrolador, o que tornou a montagem do instrumento mais simples.
Para comear a utilizar o Arduino Uno foi preciso lig-lo a um computador
por intermdio de um cabo USB.
Na Figura 2.7, encontra-se uma fotografia da plataforma do
Arduino Uno. Os principais componentes e os pinos de ligao utilizados,
so os seguintes:
Figura 2.7. Plataforma do Arduino Uno, onde se identificam os componentes e os pinos de ligao. 1.porta USB, 2.pinos digitais, 3. pinos de alimentao e 4.pinos analgicos.
1. PortaUSB: foi usada para comunicao serial com um computador;
2. Pinos digitais: foram usados os pinos 11, 12, e 13 para a
alimentao dos LEDs RGB (vermelho, verde e azul),
respectivamente;
3. Pinos de alimentao: so usados para alimentao dos circuitos
externos do Arduino. Serviu para alimentar o fototransistor com 5V.
PARTE EXPERIMENTAL
34
4. Pinos analgicos: so usados para leituras de sinais de sensores.
Dos cinco pinos disponveis, foi utilizado o pino A2. Onde sinais
analgicos so convertidos em sinais digitais;
2.3.5. Circuito Externo acoplado ao Arduino para o desenvolvimento do fotmetro LED-VIS
O circuito eletrnico responsvel pelo acionamento da fonte de
radiao e do detector acoplados plataforma Arduino muito simples,
conforme mostrado na Figura 2.8.
Figura 2.8. Circuito externo acoplado plataforma Arduino. Acionamento dos LEDs,
cujos botes so mostrados na Figura 2.1: BR - Boto de acionamento do vermelho, BG -
Boto do verde e BB - Boto de acionamento do azul, bem como do fototransistor.
Os terminais do LED foram conectados aos pinos digitais 11, 12 e 13
do Arduino, os quais permitem efetuar a alimentao referente a cada cor
do LED-RGB. O pino 11 alimenta o LED azul, o pino 12 o LED verde e o
pino 13 o LED vermelho. A corrente que passa em cada LED limitada por
um resistor de 2,2 k. O acionamento de cada boto permite ao LED-RBG
PARTE EXPERIMENTAL
35
irradiar cada cor individualmente, possibilitando a realizao das medidas
correspondentes ao comprimento de onda associado a cada cor do LED.
A potncia radiante emergente da cubeta captada por um
fototransistor, o qual foi alimentado pelo pino de alimentao de 5 V do
Arduino. A corrente de resposta gerada pelo fototransistor proporcional
potncia radiante captada, porm fez-se necessrio a implementao de
um divisor de voltagem, pois os pinos analgicos do Arduino Uno podem
apenas realizar medies de voltagem. O resistor de 3,3 k define um
nvel especfico de sensibilidade para as medidas. Os sinais analgicos
produzidos durante as medidas so enviados para um conversor
analgico-digital de resoluo igual a 10 bit interno ao microcontrolador
Atmega 328 atravs do pino analgico A2. O sinal digital gerado pelo
conversor foi filtrado e processado posteriormente.
2.3.6. Interface da Execuo dos comandos para a gerao da resposta instrumental do fotmetro desenvolvido
Ao executar a IDE (Integrated Development Enviroment)
necessrio saber qual placa vai ser utilizada para que a IDE a reconhea.
Para isso, preciso selecionar as seguintes ferramentas: Tools/Board e
escolher a placa Arduino UNO. Depois, seleciona-se a porta serial
correspondente ao Arduino Uno. Aps estabelecer essas configuraes,
abre-se o monitor de comunicao serial para ento dar prosseguimento
ao processo de anlise.
A programao foi desenvolvida com base nas posies dos
terminais da fonte de radiao e do detector, localizados no Arduino,
como descrita na seo 2.3.5, assim como para as leituras dos sinais
(branco e analito). A operao do instrumento baseia-se no envio de
determinados caracteres para que o Arduino execute tarefas especficas.
As principais linhas de comando esto ilustradas no diagramas de bloco na
Figura 2.9.
PARTE EXPERIMENTAL
36
Figura 2.9. Diagrama das principais linhas de comando.
Depois da programao finalizada, efetuada uma compilao para
verificao de erros existentes e, em seguida, o upload no qual os cdigos
so enviados para placa. Depois disso, abre-se o serial monitor conforme
ilustrado na Figura 2.10 para observar o monitoramento dos sinais
durante as medidas.
Figura 2.10 Ambiente de sada no serial monitor
PARTE EXPERIMENTAL
37
2.4.O sistema contendo o instrumento proposto
O princpio de funcionamento do sistema contendo o instrumento
proposto (Figura 2.11) muito simples: conecta-se o Arduino no
computador por meio de um cabo USB, abre o software IDE e aciona o
boto do LED desejado para a anlise. Em seguida, o analista deve
adicionar a soluo absorvente (padro ou amostra) e coloc-la no porta
cubeta do aparelho. A leitura da potncia radiante emergente da cubeta
capitada pelo fototransistor iniciada atravs de uma linha de comando,
acionado pelo analista, descrita na seo 2.3.6. Assim como a leitura do
sinal do branco. Na tela da Figura 2.10 pode-se visualizar as informaes
enviadas da placa para o computador. Em outras palavras, tem-se o
monitoramento dos valores dos sinais das solues de calibrao, do
branco e das amostras analisadas no instrumento desenvolvido.
Figura 2.11. Sistema contendo o fotmetro proposto.
Todos os valores dos sinais (branco, solues de calibrao e
analito), visualizados no ambiente de sada do serial monitor, so medidos
em voltagem. Tais sinais so convertidos em transmitncia e
posteriormente em absorbncia no programa Microsoft Excel. Da mesma
PARTE EXPERIMENTAL
38
forma, realizou-se o clculo da concentrao do analito nas amostras
usando o modelo de calibrao (curva analtica) baseado na lei de Beer
(Seo 1.4.1).
O clculo da absorbncia (A) efetuado com base nos valores do
sinal do branco e do analito, aplicando-se a expresso:
onde a razo entre os valores dos sinais no argumento do logaritmo
expressa a transmitncia, conforme descrito na Seo 1.4.1.
2.5. Estratgia para aplicao do fotmetro proposto
O fotmetro LED-RGB microcontrolado permite realizar medidas
fotomtricas envolvendo as radiaes azul, verde e vermelha. Das trs
possibilidades existentes para a quantificao das espcies absorventes,
foram utilizadas apenas duas faixas de comprimentos de onda do LED-
RGB: a regio do verde (LED-G) e do azul (LED-B).
A soluo de calibrao de permanganato de potssio foi medido
atravs do LED-G e a de amarelo crepsculo foi medido atravs do LED-B.
A no utilizao do LED-vermelho est relacionada as amostras contendo
o corante azul brilhante no corresponder ao mesmo comprimento de
onda da soluo padro utilizado para o levantamento da curva analtica.
A = - log (sinal do analito / sinal do branco)
(2.1)
PARTE EXPERIMENTAL
39
2.6. Avaliao do desempenho do fotmetro proposto
2.6.1. Estabilidade da fonte de radiao (LED)
A estabilidade foi monitorada pela intensidade da fonte de radiao
gerada quando a radiao do LED sem a cubeta, incidia no fototransdutor.
O perodo de monitorao da estabilidade da fonte foi de 8 (oito) horas,
com intervalos de medio inicial de 10 (dez) minutos e, aps 2 (duas)
horas, o intervalo foi aumentado para 20 min at completar o perodo de
8 (oito) horas.
2.6.2. Parmetros de validao da curva analtica
A anlise de referncia para as amostras de permanganato de
potssio e amarelo crepsculo foi realizada por meio de curvas analticas
univariadas. As curvas analticas foram obtidas utilizando a mdia do valor
de absorbncia mximo do sinal analtico de cinco replicatas. Para que as
curvas analticas sejam usadas para a quantificao das amostras,
preciso valid-las.
Os parmetros de validao para avaliar o desempenho analtico
foram:linearidade da curva analtica, funo da resposta (grfico
analtico), sensibilidade, preciso, limite de deteco (LOD), limite de
quantificao (LOQ), desvio padro conjunto e teste de recuperao. E
so caracterizados nos tpicos a seguir[71].
2.6.2.1. Linearidade da curva analtica
A linearidade refere-se capacidade do mtodo de gerar resultados
linearmente proporcionais concentrao do analito, quando esto de
acordo com a faixa analtica especificada. [71-73]
Para cada analito foram obtidas as faixas lineares de trabalho, que
correspondem s concentraes do analito que fornecem uma resposta
analtica diretamente proporcional a estas concentraes.
PARTE EXPERIMENTAL
40
2.6.2.2. Funo da resposta (grfico analtico)
O grfico analtico deve apresentar os dados estatsticos de
interseco, da equao da regresso linear, o coeficiente de correlao
ou de determinao e a concentrao estimada dos calibradores
(solues-padro). Portanto, para que seja possvel a obteno da curva
analitica, foi preciso ser preparadas as solues padro com nveis de
concentraes diferentes.
Julga-se satisfatria a linearidade do grfico (Tabela 2.1) quando o
coeficiente de correlao da reta obtida no estatisticamente diferente
da unidade[72,73].
TABELA 2.1. Coeficientes de correlao da reta.
2.6.2.3. Sensibilidade
A sensibilidade a capacidade do mtodo em distinguir, com
determinado nvel de confiana, duas concentraes prximas[74]. A
sensibilidade est relacionada ao coeficiente angular do grfico analtico.
O coeficiente angular foi obtido levando em considerao a
quantidade de nveis de concentraes, pontos na curva, recomendados
para a obteno do grfico analtico esperado. Ou seja, uma apropriada
relao linear entre as concentraes das solues padres e
absorbncia.
R = 1 Correlao perfeita
0,91 < R < 0,99 Correlao fortssima
0,61 < R < 0,91 Correlao forte
0,31 < R < 0,60 Correlao mdia
0,01 < R < 0,30 Correlao fraca
R = 0 Correlao nula
PARTE EXPERIMENTAL
41
2.6.2.4. Preciso
A preciso est relacionada com a proximidade entre vrias medidas
efetuadas na mesma amostra. Ou seja, refere-se disperso entre as
medidas repetidas sob as mesmas condies.
Foram realizadas medidas com trs repeties autnticas para as
solues padro e cinco repeties para cada amostra, afim de estimar o
desvio-padro. Este parmetro de desempenho representa a disperso
das medidas entre ensaios independentes e repetidos, de uma mesma
amostra sob condies definidas.
2.6.2.5. Limite de deteco (LOD) / quantificao (LOQ)
O limite de deteco est relacionado a menor concentrao da
espcie de interesse que pode ser detectada pela tcnica instrumental
utilizada, j o limite de quantificao corresponde concentrao mais
baixa que pode ser quantificada dentro dos limites de reprodutibilidade
das medidas pelo mtodo empregado[9,71].
O mtodo da estimativa do limite de deteco e quantificao foi
baseado em parmetros da curva analtica. Visto que estes apresentam
maior confiabilidade estatstica e robustez, levando em considerao o
intervalo de confiana da regresso[75]. Neste caso, o LOD e o LOQ so
estimados a partir do intervalo de confiana e podem ser estimados a
95% de confiana estatstica[75]. Tais estimativas foram realizadas por
intermdio de uma anlise de varincia (ANOVA) descrita na seo 2.5.3.
Para cada curva analtica, os limites de deteco e quantificao
foram estimados conforme as Equaes 2.1 e 2.2:
bSLOD 3= (2.2)
bSLOQ 10= (2.3)
PARTE EXPERIMENTAL
42
onde a inclinao da curva analtica estimada pela regresso linear atravs do mtodo dos mnimos quadrados e Sb o desvio padro do
branco para 20 medidas.
2.6.2.6. Desvio padro conjunto
O desvio padro definido como sendo a raiz quadrada da
varincia. Foi medido o grau de disperso dos dados numricos em torno
de um valor mdio.
O desvio padro conjunto foi determinado pela razo entre
varincias individuais calculadas para cada amostra do conjunto e o total
de amostras analisadas.
Em casos especficos onde o nmero de determinaes repetidas
mantido constante, pode se obter o desvio padro conjunto, aplicando se
a Equao 2.3.
Ns
s iconj
2= (2.4)
Onde N o nmero total de amostras e si a varincia encontrada para o
conjunto de medidas de cada amostra.
2.6.2.7. Teste de recuperao
Os testes de recuperao[76] foram utilizados comparando-se
resultados obtidos da anlise das amostras puras com os resultados
obtidos ao analisar as amostras contendo concentraes conhecidas de
padres.
Foram realizadas medidas das amostras, no instrumento proposto
para avaliao da percentagem de recuperao nos analitos.
A quantidade percentual recuperada (R) foi calculada subtraindo-se
a concentrao determinada na amostra adicionada (C1) da concentrao
determina da na amostra no adicionada (C2), dividindo-se pela
PARTE EXPERIMENTAL
43
concentrao adicionada (C3), multiplicando-se por 100, conforme a
Equao 2.4:
2.6.3. Procedimentos e tratamentos estatsticos da curva analtica
Em anlises qumicas, o modelo de calibrao pode ser usado para
estimar a concentrao do analito de maneira satisfatria apenas se for
capaz de descrever o comportamento dos valores experimentais.
Portanto, o modelo predito no pode apresentar evidncias de falta de
ajuste e deve refletir uma significativa regresso estatstica. Desta forma,
a validao do modelo de calibrao geralmente realizada por meio de
uma analise de varincia (ANOVA)[77,78]. A Tabela 2.2 apresenta as
equaes para ANOVA de dados experimentais adaptados para modelos
lineares pelo mtodo dos mnimos quadrados (MMQ).
TABELA 2.2. Equaes para a ANOVA dos dados experimentais adaptados aos modelos lineares estimados pelos mtodos dos mnimos quadrados.
Fonte de Variao Soma Quadrtica
(SQ) Graus de liberdade
(gl) Mdia Quadrtica
(MQ)
Regresso ni[(ye)i ym]2 p - 1 SQreg/(p-1)
Resduo [yij - (ye)i]2 n - p SQr/(n-p)
Falta de Ajuste ni[(ye)i - yim]2 m - p SQfaj/(m-p)
Erro Puro [yij - yim]2 n - m SQep/(n-m)
O ndice i indica o nvel da varivel X; o ndice j refere-se s medidas repetidas da varivel Y em um dado nvel
de X; p = nmero de parmetros do polinmio do modelo de calibrao; n = nmero total de medidas; m =
nmero de nveis da varivel independente X.
A validao de modelos lineares pela aplicao do mtodo d