Análise de grãos e sementes por Ressonância Magnética Nuclear · RMN de grãos - métodos ......
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Análise de grãos e sementes porRessonância Magnética Nuclear
Rodrigo Bagueira de V. Azeredo
Universidade Federal FluminenseInstituto de Química
Depto. de Química Orgânica
INMETRO - Painel Setorial sobre Umidade em GrãosINMETRO - Painel Setorial sobre Umidade em Grãos
Rio de Janeiro, 26 de Abril de 2006Rio de Janeiro, 26 de Abril de 2006
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RMN - Aplicações
• Certamente é a técnica analítica com maior número de apicações:
Medicina - diagnóstico através de imagens do corpo
Química - elucidação de estruturas moleculares
Bioquímica - determinação da estrutura tridimensional de proteínas
Petróleo - avaliação de formações portadoras de hidrocarbonetos
• As aplicações em alimentos também são diversas:
teor de gorduras sólidas em óleos comestíveis
tamanho de partícula emulsionada
teor de umidade em biscoitos
teor de flúor em pastas dentais
ANÁLISE DE GRÃOS E SEMENTES!!!
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Fundamentos - spin nuclear
• A teoria quântica postula que alguns núcleos atômicos são dotados deum momento angular intrínseco (J ) denominado spin nuclear (ex. 1H,13C, 19F etc.)
• Uma vez que o núcleo atômico é uma partícula eletricamente carregada,deste movimento de rotação origina-se um momento magnético nuclear(µ )
• Desta forma, é razoável imaginar o núcleo atômico como um pequenoimã
µ++
++++++
+J
SN
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Fundamentos - polarização
• Quando submetemos uma amostra contendo núcleos dotados de spinnuclear a um campo magnético B0 seus momentos magnéticos sealinham de acordo com a direção do campo
SN
S N
SN
S N
SN
SN
SN
SN
SN
t=0
B0
SN
SN
SN
SN
SN
SN
SN
SN
SN
t ≥ 5T1
B0
tempo
• Este alinhamento, conhecido como polarização, não é instantâneo, levacerca de 5T1 para ser concluído
• T1, denominado tempo de relaxação longitudinal, depende damobilidade molecular da amostra, ex. para os hidrogênios da água T1≅2,8 segundos
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Fundamentos - magnetização
B0
• O conjunto de momentos magnéticos contidos numa amostra pode serrepresentado pelo vetor M denominado magnetização resultante
y
-x
z
M=Σµ
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
B0
• Este vetor permanece alinhado com o campo magnéticoindeterminadamente, até que uma perturbação externa interfira sobre osistema
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Fundamentos - ressonância
tempo = tp
B0
• Quando um segundo campo magnético B1 é aplicado perpendicularmenteao campo B0, sob a forma um pulso de rf com frequência e potênciaapropriadas, o sistema entra em ressonância
• Durante este processo, o pulso de rf exerce um torque sobre Mdeslocando do seu eixo de rotação na direção do plano xy
y
-x
z
y
-x
z
B1
M
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y
-x
z
B0 y
-x
z
B1 y’
-x
z
t1 t2
• Quando B1 é interrompido, M retorna a sua condição de equilíbrio inicialnum processo denominado relaxação nuclear
Fundamentos - relaxação
• Durante o processo de relaxação, o fluxo magnético produzido pelacomponente transversal Mxy induz uma corrente elétrica numa bobina dedetecção
Mxy= máx Mxy Mxy=0
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• O registro amortecido da intensidade desta corrente ao longo do tempoconstitui o sinal de RMN
• Decaimento exponencial: I(t)= M0 exp-t/T2
• T2, denominado tempo de relaxação transversal, depende da mobilidademolecular, e em amostras líquidas T1≅ T2 , e em sólidas T1>>T2
• Após t≥ 5T2 o sinal de RMN decai completamente
Fundamentos - o sinal de RMN
taxa de decaimento α 1 / mobilidade
corre
nte
elét
rica
tempo (s)
amplitude incial α quantidade de amostra
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Fundamentos - o sinal de RMN
1/T2
1/T1
1/T (s-1)
τc (s)
líquido sólido
tempo de correlação (τc) - considerando uma molécula de simetriaesférica, é tempo que a molécula leva para girar 360o em torno de seupróprio eixo
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• Método oficial homologado por diversas agências:
Óleo e umidade em sementes oleaginosas, normas: ISO - 10565* rev.1998 (colza, soja, linhaça e girassol) AOCS - AK 4 - 95
Óleo e umidade em resíduos de sementes oleaginosas, normas: ISO - 10632 rev. 2000 AOCS - AK 5 - 01
(*) Adotado pelo United States Department of Agriculture(Federal Grains Inspection Service)
RMN de grãos - métodos
• Ambos os métodos se baseiam na diferença entre os tempos de relaxaçãodos componentes da semente
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• As sementes oleaginosas são compostas principalmente por:
RMN de grãos - componentes
sementeoleaginosa
óleo
água estrutural
água
proteínas &carboidratos
proteínas &carboidratos <10µs >>T2
água estrutural <10µs >>T2
óleo 30~100ms
T2
2T2
T1
• Os tempos de relaxação da água dependem do teor de umidade semente
• Maior limitação: sementes oleaginosas com teor de umidade superior a 14%o T2 se sobrepõe ao do óleo inviabilizando a análise por RMN
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• A amostra é acondicionada num tubo de vidro apropriado e depois depesada e aclimatada é inserida no equipamento de RMN
RMN de grãos - a técnica
• imã – promove a polarização da amostra, constituído de ligas metálicas deterras raras
• transmissor - gera B1, modula o campo sob a forma de pulsos a amplifica opulso (dezenas/centenas de Volts)
• receptor - amplifica o sinal de RMN (mili/micro Volts), filtra digitaliza earmazena o dado
S N
SONDA
RECEPTORTRANSMISSOR
B1
B0
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• Equipamento de RMN típico empregado na análise de sementes egrãos
cavidadeda amostra
magneto
RMN de grãos - a técnica
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• A técnica consiste na aplicação de pulsos de rf consecutivos de 90o e180o espaçados por 3500µs
• O papel do pulso de 180o é apenas cancelar o efeito da heterogeneidadedo campo magnético produzido pelo ímã do equipamento de RMN
• A amplitude do sinal de RMN é registrada em t1=50µs e t2=7000µs
• A amplitude no tempo t1, S1, é proporcional a quantidade de água + óleo,presente na semente e em t2, S2, é proporcional apenas ao óleo
• Durante o período compreendido entre 0 e 50µs, denominado tempomorto, o sinal referente aos componentes sólidos da semente, incluindo aágua imobilizada, decaem completamente
• A diferença entre S1 - S2 é proporcional ao teor de água no grão
RMN de grãos - a técnica
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tempo90º 2τ
S2
S1S1 (50µs) = óleo + água
S2 (7000µs) = óleo
S1 - S2= água
180º
óleo
água
RMN de grãos - a técnica
• Representação gráfica da técnica:
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RMN de grãos - calibração
• Uma curva de calibração teor de água x (S1 - S2)/m é construída para umconjunto de amostras de sementes de mesma espécie com o teor de águaconhecido:
5,0 9,07,0 11,0
0,01
0,03
0,02
0,04
teor de água (%)
S 1 -
S 2 /m
(V/g
)
R2=0,987
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RMN de grãos - medidas
• Estudo conduzido pela Associação Francesa de Normalização ilustra oexcelente desempenho da técnica de RMN
• O mesmo lote foi analisado por 13 laboratórios independentes
no. de laboratórios
repetibilidade %
reprodutibilidade %
média %
colza girassol soja linhaçaparâmetros
7,01
0,04
0,24
4,92
0,08
0,16
9,09
0,09
0,58
5,68
0,04
0,17
13 13 13 13
(*) adaptado de Committee Draft ISO/CD 10565:1995 (E)
Teor de água* por RMN
• Estes resultados são equivalentes ou melhores do que as técnicasgravimétricas convencionais são capazes de produzir
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rápida
simples
robusta
não destrutiva
requer pouca manutenção
utiliza regressão linear simples
não possui fonte de radiaçãoionizante
RMN de grãos - vantagens
ótima precisão
requer pouco treinamento
dispensa o emprego solventes
determinação simultânea de águae óleo
mede a amostra por inteiro e nãoapenas na superficie
• Principais vantagens da análise de grãos por RMN:
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• Algumas recomendações:
evitar variações maiores que 1oC em 24hs de operação do equipamento
uma vez que a técnica é não destrutiva, o conjunto de calibração deve sermantido, para que sejam efetuadas calibrações periódicas
evitar a proximidade com o imã de materias ferromagnéticos,principalmente durante as medidas
a vibração pode deteriorar o desempenho do equipamento, portanto eledeve ser mantido isolado
para sementes oleaginosas o excesso de água deve ser removido (ex.soja, secagem em estufa a 103oC durante uma hora)
RMN de grãos - recomendações
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• O USDA homologa equipamentos de três fabricantes diferentes:
Bruker - Alemanha Oxford - Inglaterra Resonance Instruments * - Inglaterra
• No Brasil???
Embrapa Instrumentação Agropecuária patenteou analisador de grãos porRMN, mas apenas para análise do teor de óleo (patente repassada aempresa Gil Instrumentos)
RMN de grãos - equipamentos