Construção de um espectrofotômetro multicanal com sensor de imagem CMOS

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Química Analítica

Autores

Lúcio Fernandes, G. (UFRN) ; Eduardo Bezerra da Silva, H. (UFRN) ; de Fátima Vitória de Moura, M. (UFRN)

Resumo

Grande parcela dos espectrofotômetros dispersivos disponíveis no mercado são do tipo monocanal, dessa forma o complexo sistema ótico para seleção monocromática torna a aquisição espectral lenta e ainda tem um preço elevado, tornando difícil o acesso para grande parte dos estudantes. O presente trabalho estuda a construção e a validação de um espectrofotômetro dispersivo multicanal 200nm- 1100nm, utilizando uma lâmpada incandescente de 4,5 V como fonte de emissão, caixa escura de acrílico 35x06cmx05cm, uma cubeta de vidro, uma rede de difração 1000linhas/mm e um sensor digital de imagem CMOS retirado de uma webcam. Para a validação do equipamento aplicou-se uma calibração univariada com a construção de curvas de calibração e a análise de um comprimido comercial de MnO⁴.

Palavras chaves

Espectrofotometria; Espectrofotômetro; Calibração univariada

Introdução

Um espectrofotômetro é um instrumento analítico capaz de mensurar a intensidade de cada comprimento de onda que compõe o espectro em uma certa faixa de interesse. A maioria dos espectrofotômetros disponíveis no mercado possuem um preço elevado, dificultando o acesso ao equipamento para grande parte dos alunos e instituições (RAIMUNDO; PASQUINI, 1997). Com o desenvolvimento tecnológico atual é possível encontrar componentes eletrônicos de preço acessível como os sensores de imagem digital, encontrados em webcams, os sensores CMOS (semicondutor complementar oxido-metálico) estão cada vez menores e mais velozes, contendo milhões de fotodiodos em poucos milímetros. A leitura feita pela matriz de fotodiodos também pode ser chamada de espacial, pois cada pixel em sua matriz irá realizar uma medida independente e simultânea aos outros pixels. Com rede de difração fixa, o feixe policromático irá se separar em suas componentes, onde cada comprimento de onda terá um ângulo de desvio próprio, assim cada componente da radiação irá atingir fotodiodos independentes no CMOS, permitindo o uso do dispositivo na construção de um espectrofotômetro de baixo- custo, didático e funcional. Existem alguns trabalhos utilizando o sensor de imagem para fins espectroscópicos, como o sistema criado pela Theremino e publicado em 2014 descrevendo a construção de um espectrômetro, utilizando um fragmento de DVD como rede de difração (Theremino system, 2014). Outro trabalho neste sentido foi publicado em 2016 por Alexander Scheeline, em que descreve um sistema adaptado para utilizar um celular como um espectrômetro de bolso (Scheeline, 2016). Para avaliar o equipamento obteve figuras de mérito como coeficiente de determinação e os limites de detecção e quantificação.

Material e métodos

Uma caixa acrílica (35cmx06cmx05cm), webcam modificada (resolução 640x480), rede de difração 1000 linhas/mm, cubeta de vidro, cola instantânea, software para aquisição dos dados (Spectragryph), fenda de 0,1 mm (cartão preto), lâmpada incandescente 4.5 V, tinta preto fosco, fonte de alimentação ajustável. Como reagente tivemos a Solução "mãe" de permanganato de potássio 0,02 mol/L, oxalato de sódio, àgua destilada e solução 20% de ácido sulfúrico. O equipamento possui os componentes padrões de um espectrofotômetro por difusão sendo eles: Emissor de radiação, fenda para colimação, lente convexa, suporte para cubeta (entre o emissor e a rede de difração), fenda para colimação, rede de difração (1000 linhas/mm), sensor de imagem CMOS como detector. Para aquisição dos dados usou- se um notebook com um software de visão computacional de terceiros chamado Spectragryph (MENGES, 2016) que associa os pixels do sensor às frequências de luz incidentes e também realiza certos tratamentos matemáticos para obter sinais de transmitância/absorbância. A montagem do equipamento foi feita na caixa preta de acrílico, a fonte de luz fixada em uma extremidade da caixa e o sistema detector (CMOS e rede de difração) a 30cm de distância da fonte de luz com o seu vetor normal a 45 graus do feixe incidente. Analisou-se a faixa de 4,0x10^-4 mol/L a 2,0x10^-3 mol/L, mas para a construção da curva de calibração utilizou-se soluções de permanganato de potássio com concentrações de 5,0x10^-5 mol/L a 2,5x10^-4 mol/L, padronizadas com oxalato de sódio. Foram adquiridos 50 espectros de cada solução seguido da média para cada ponto da curva analítica. Obteve-se as figuras de mérito e analisou-se um comprimido de KMnO⁴.

Resultado e discussão

A primeira faixa de concentração analisada, de 4,0x10^-4 mol/L a 2,0x10^-3 mol/L, não apresentou um comportamento linear entre absorbância e a concentração. O sinal de absorbância saturou na medição da solução de 1,2x10^-3 mol/L, indicando a necessidade de uma faixa de concentração mais diluída. A faixa linear da curva de calibração, de 5,0x10^-5 mol/L a 2,5x10^-4 mol/L, foi utilizada para a construção da curva analítica. A equação da reta foi obtida por regressão linear pelo método dos mínimos quadrados; o gráfico da curva de calibração foi construído no Origin ® 8, o modelo obteve um R2 de 0,995 indicando a capacidade de representar cerca de 99,5% dos dados experimentais. Analisando-se a equação da reta, observa-se que a inclinação ou coeficiente angular corresponde ao termo ɛb da Lei de Lamber/Beer: A = ɛbc Onde A = absorbância, ɛ= Absortividade molar(525nm), b= caminho óptico, c= concentração molar. Com uma cubeta de caminhoóptico 1cm, chegamos ao valor de absortividade molar em 525nm de 2,016x10³L/molcm, sendo condizente com valores de absortividade molar encontrados na literatura, como por exemplo no trabalho feito em 2009 por Kanakapura. O comprimido comercial com massa 0,10 g foi dissolvido em 1000 mL, em seguida a solução foi diluída cinco vezes para chegar a amostra a ser analisada. O valor médio de absorbância para 50 análises da solução da amostra foi 0,2314, utilizando a equação da reta achamos o valor da concentração ao isolar o “x” da equação, resultando em um valor de 1,234x10^-4 mol/L, sendo bem próximo do valor real, calculando uma massa no comprimido comercial de permanganato de potássio de 0,976g.

O gráfico mostra espectros adquiridos pelo equipamento, com 50 espectros para cada amostra, contando com o branco totaliza 300 espectros.


a) Curva de calibração; b) figuras de mérito.

Conclusões

Dessa forma, conclui-se que é possível construir um espectrofotômetro multicanal viável e com certa portabilidade utilizando componentes acessíveis, sendo funcional e didático. Permitindo tanto o aprendizado como a prática de técnicas analíticas e instrumentais.

Agradecimentos

Ao Instituto de química da UFRN e todos seus professores, especialmente ao professor Henrique Eduardo Bezerra da Silva e à professara Maria de Fátima Vitória de Moura.

Referências

Raimundo Jr, Ivo M ; Pasquini, Celio Química Nova, 01 February 1997, Vol.20(1), pp.83-88.

THEREMINO. Disponível em: https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Construction_ENG.pdf. Acessado em Nov. 2018.

SCHEELINE, Alexander. Cell phone spectrometry: Science in your pocket? TrAC Trends in Analytical Chemistry, Vol. 85, Part A, 2016, Pages 20-25, ISSN 0165-9936, Disponível em: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165993616300012> Acessado em nov. 2018.

MENGES, F. Spectragryph - optical spectroscopy software. Disponível em: <https://www.effemm2.de/spectragryph/> Acessado em: nov. 2018.

INMETRO. Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/. Acessado em outubro de 2018.

BASAVAIAH, Kanakapura et al. Ensaio Titrimétrico e Espectrofotométrico de Pantoprazol em Produtos Farmacêuticos Usando Permanganato. J. Mex. Chem. Soc , México, v. 53, n. 1, p. 34-40, mar. 2009. Disponível em <http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1870-249X2009000100006&lng=en&nrm=iso>. acesso em 21 de agosto de 2019.