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16/09/2015
1
Técnicas Analíticas
Métodos usados em análise de alimentosColorimetriaTurbidimetriaAbsorção no Ultravioleta, Vísivel e InfravermelhoFluorimetriaAbsorção atómica e Emissão de ChamaRessonância Magnética NuclearEspectroscopia de massa
Espectrometria
1
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticaondas electromagnéticas
2 campos oscilanteseléctricomagnético
orientados em ângulo recto na direcção da propagação
Espectrometria
2
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2
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticapropaga-se a velocidade constante
depende do índice de refracção do meio que atravessacomprimento de onda (l) depende da frequência (n),
da velocidade da luz (c) e do índice de refracçãodo meio (h)
Espectrometria
cl
hn
c – velocidade da luz3x1010 cm/seg
3
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticaondas electromagnéticas formadas por fotões
energia de um fotão
quanto menor o comprimento de onda, maior a quantidade de energia necessária para a absorção
Espectrometria
E hn
h – constante de Planck6.624x10-27 erg.seghc
Ehl
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3
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticarequisitos para que uma molécula absorva radiação:
radiação incidente deve ter a mesma frequência que a frequência rotacional, vibracional, electrónica ou nuclear da molécula
molécula deve ter um dipolo permanente ou um dipoloinduzido
energia absorvida deve promover uma transição, rotação ou vibração
Espectrometria
5
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticaestado fundamental
átomo ou molécula no seu nível energético mais baixo (mais estável)
estado excitadoquando um átomo ou molécula possuem uma energia
superior à mínima
Espectrometria
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4
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticaespectro de absorção
quando uma molécula absorve energia (radiação, colisão) e passa do estado fundamental ao excitado
espectro de emissãoquando a molécula cede o excesso de energia e volta
ao estado fundamental
Espectrometria
7
Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticatécnicas de absorção de radiação UV e Vísivel baseiam-se
na radiação de ressonânciae- excitado pode passar de um nível de menor energia
para outro de maior energiatendência para voltar ao normal, emitindo energia
em excesso
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Radiação electromagnéticaradiação de raios X
maior energia de excitação pode provocar a saída de um e- interno
lugar será preenchido por outro e- de um nível superior
radiação infravermelha e de microondasmoléculas possuem energia interna associada a
rotações das moléculas e vibrações entre os átomos que formam a molécula
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectro electromagnético
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectro electromagnéticoraios cósmicos e raios g
0 – 1 ːtransições nucleares
raios X1 ː - 10 nm
e- das camadas internasUV distante
100 – 200 nmionização de átomos e moléculase- da camada do meio
UV200 – 400 nmtransições dos e- de valência
Visível400 – 700 nmtransições dos e- de valência
Espectrometria
11
Técnicas Analíticas
Espectro electromagnéticoIV próximo
700 – 2000 nmvibrações moleculares
IV2000 nm - 25000 nmvibrações moleculares
IV afastado25 – 500 mm
rotações molecularesMicroondas
500 mm – 3 cm
rotações de gruposRessonância electrónica de spin (ESR)
3 cm – 5 morientação do spin
Ressonância magnética nuclear (NMR)5 – 30 morientação do spin
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectrometria de absorção electrónicatransições dos e- da camada de valênciaamostra atravessada por radiação contínua de luz branca
intensidade de radiação decresce, de modos diferentes, para diferentes comprimentos de onda
radiação emergente pode ser colorida (Vísivel) ouincolor (UV)
radiação absorvida é uma característica da amostra absorvente
Espectrometria
13
Técnicas Analíticas
Espectrometria de absorção electrónicaColorimetria
transformar uma substância incolor ou pouco colorida numa colorida, através de reacções químicas
permite analisá-laabsorção de radiação medida em espectrofotómetros ou
colorímetros
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Turbidimetriatambém chamada nefelometriamede absorção da radiação incidente numa amostra devido
à sua turvaçãointensidade da turvação proporcional à quantidade do
componente que está a ser medidoutiliza equipamento semelhante ao da colorimetriausada para estudar líquidos que tenham uma 2ª fase em
suspensãofase suspensa dispersa a luz
em geral, mede-se intensidade da luz dispersa
Espectrometria
15
Técnicas Analíticas
Turbidimetriasistemas estudados:
concentrações de gás ou bolhas de ar em soluçãoemulsões de óleo ou gordurapartículas sólidas em suspensão
permite determinar concentrações, mas também distribuição do tamanho das partículas
Espectrometria
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9
Técnicas Analíticas
Turbidimetriapode ser medida por 2 métodos:
1)mesma configuração que em colorimetriaintensidade da luz emergente atenuada por um
mecanismo de “bloqueio”2)detector montado a 90º relativamente à luz incidente
captura a radiação dispersa1) Nefelometria; 2) Turbidimetria
utilização indiferenciada
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Turbidimetriasoluções turvas têm tempo de vida limitado
medidas e resultados dependem do tempo
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectrometria de absorção electrónicaradiação no UV e visível apenas afecta os e- que formam as
ligações3 tipos de e-:
s – ligações simplesp – ligações duplas
n – e- não ligantes (elementos electronegativos –O, S)
Espectrometria
Energ
ia
Antiligante
Antiligante
Não ligante
Ligante
Ligantes
s*
p*
p
n
s ↓ s*
p ↓ p*
n ↓ p*
n ↓ s*
19
Técnicas Analíticas
Espectrometria de absorção electrónicaligações s muito fortes
transição s ↓ s* dá-se no UV do vácuo
compostos saturados – hidrocarbonetostransições n ↓ s* dão-se no UV do vácuo
compostos com e- não ligantes – cloreto de metilo
ligações p são mais fracastransição p ↓ p* dá-se no UV e Visíveltransições n ↓ p* dão-se no UV próximo e Visível
compostos com ligações duplas conjugadas
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectrometria de absorção electrónicaordem energética das transições electrónicas
s ↓ s* >> n ↓ s* > p ↓ p* > n ↓ p*
cromóforoscompostos que absorvem radiação UV/Visível
possuem ligações duplas (p) conjugadastransições electrónicas p ↓ p*
transições n ↓ p* não seguem regras de
selecçãoespectros com fraca intensidade
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Lei de Beer-Lambertabsorção de radiação por interacção com moléculas da
matéria pode variar de intensidadeabsorção medida através da radiação transmitida
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-Lambertquando encontra uma molécula, radiação pode ser:
refractadareflectidadifundida
radiação totalmente reemitida em todas as direcções, de modo uniforme
produzir fluorescênciaparte da energia absorvida é retida pela
amostraradiação reemitida tem menor energia (> l)
23
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-Lambertdesprezando fenómenos de reflexão, difusão e
fluorescência:
T - transmitânciaI0 – radiação incidenteI – radiação transmitida
0
IT
I
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-Lambertabsorvância é o log do inverso da transmitância
01
log logI
AT I
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-Lambertpassagem de um feixe de radiação monocromática num nº
sucessivo de moléculas absorventes idênticas resulta naabsorção de fracções iguais da energia radiante que as atravessa
fracção absorvente da radiação (I) é igual à secção S absorvida
x
x
dI dS
I S
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-LambertdS proporcional ao nº de moléculas absorventes na secção
transversal.dS k dn
00
.I nx
Ix
dI k dn
I S
0
lnI n
kI S
seV
Sb
V = volume do bloco
0
lnI nb
kI V
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-Lambertsubstituindo n e V por c (concentração) e –ln por log e
incluindo a constante e (absortividade ou coeficiente de
extinção molar)e é uma característica de cada composto
0
logI
bc AI
e
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-LambertA de uma solução directamente proporcional à
concentração da espécie absorvente, para um comprimento de percurso fixo
lei de Beer-Lambert válida se:radiação incidente é monocromáticacentros absorventes actuam independentemente uns
dos outros no processo de absorçãoabsorção ocorre numa secção transversal uniforme
29
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Lei de Beer-Lambertdesvios à lei de Beer-Lambert:
químicosmudanças na concentração da solução por
interacção das moléculas do soluto entre si e com o solvente
associação ou dissociaçãotrabalhar com soluções diluídas (<0.01 M) para
evitarinstrumentais
radiação não monocromáticasinal do detector não linear nem proporcional à
concentração da solução
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Técnicas Analíticas
Análise qualitativaidentificação tentativa do composto através da comparação
com padrões de:valor de lmax
perfil do espectro totallmax afectado pela natureza do solvente
solvente tem que ser transparente na região espectral
necessária confirmação por métodos complementares
compostos diferentes com lmax idênticos e
perfis muito semelhantes
Espectrometria
31
Técnicas Analíticas
Análise quantitativaquantidade de composto medida pelo valor da absorvância
máximaescolher l em que e seja máxima
variação na absorvância para uma dada mudança de concentração será maior
efeito relativo de outras substâncias e impurezas éminimizado
mudança de absorvância com l é menor
espectro de absorção médio não afectado por pequenos erros no ajuste de l
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Análise quantitativaexemplos
cálculo da concentração numa amostra em que e é
conhecidoaplicação directa da lei de Beer-Lambert
solução de Co(H2O)2+ tem uma absorvância de 0.20 a 530 nm numa célula de 1.00 cm. e = 10 L mol-1 cm-1
Espectrometria
Ac
be
0.200.020
10 1.00x Mc
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Técnicas Analíticas
Análise quantitativacálculo da concentração numa amostra em que e é
desconhecidofazer recta padrão
constrói-se recta com pelo menos 4 concentrações diferentes
coloca-se no gráfico o valor da absorvância máxima da amostra
tira-se a concentração do composto analisado
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Análise quantitativanecessário verificar linearidade da resposta em
relação à curva padrãoacima de uma certa concentração a relação
A vs. c deixa de ser linear
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Análise quantitativaabsorvância de uma solução de MnO4
- é 0.500 a525 nm. Em condições idênticas, uma solução deMnO4
- com concentração 1.0x10-4 M tem uma absorvância de 0.200.
cálculo da concentração desconhecida
Espectrometria
.
4
0.500
0.200 10desc
bc
b
e
e
4
.2.5 10x M
descc
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Técnicas Analíticas
Análise quantitativaproblemas de interferência na medida da
absorvância2 compostos com lmax igual ou próximo
absorvância é aditivainterferência de um composto sobre o
outronecessário separar os compostos
cromatografia…
Espectrometria
37
Técnicas Analíticas
Análise quantitativaexemplo
cálculo da concentração de um complexo metal-reagente (MR) que absorve a 522 nm(e = 1.18x104)
solução também contém R em excesso 1.00x10-4 M (e = 5.12x102 a 522 nm)
absorvância total a 522 nm = 0.727
Espectrometria
4 2 40.727 1.18 10 . 5.12 10 .10MR
x xc
55.72 10RM
x Mc
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Técnicas Analíticas
Análise quantitativaexemplo
2 complexos metálicos (X e Y)Al1 = 0.533, Al2 = 0.590em l1
em l2
Espectrometria
3 30.533 3.55 10 . 2.96 10 .c c X Y
x x
53.60 10c Y
x M
2 40.590 5.64 10 . 1.45 10 .c c X Y
x x
2 3
4
3
5.64 10 . 0.533 2.96 10 .0.590 1.45 10 .
3.55 10
cc
Y
Y
x xx
x
41.20 10c X
x M
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Técnicas Analíticas
EquipamentosColorímetros
simples e fotoeléctricos aplicados apenas na região Visível
Absorciómetrosinclui a classe dos colorímetros, mas podem ser usados
noutras regiões do espectroregiões selecionadas por filtros ópticos
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
EquipamentosEspectrofotómetros
usa uma banda mais estreita de comprimento de ondaseleccionada por um monocromador
feixe simplessimples e baratoapresenta erros devido a flutuações de voltagem e
interferências do solventenão regista espectro
Espectrometria
41
Técnicas Analíticas
Equipamentosfeixe duplo
mais sofisticado e caronão apresenta os erros encontrados no de feixe
simplesregista espectro da amostra
fonte de radiação dividida em 2 feixesum feixe passa na célula de referência onde
fica o solvente purooutro feixe passa na célula da amostra
efeitos da fonte ou do solvente registado por ambas as células
detector mede a diferença entre ambos os sinais
espectro apenas da amostra
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Equipamentoscomponentes básicos
fontelâmpada com descarga de hidrogénio
utilizada na região UV (185 – 370 nm)lâmpada de tugsténio
utilizada na região visível (350 - 2000 nm)atenuador ou fenda
diminui largura do feixe da fonte, deixando passar apenas o comprimento de onda de interesse
passa por uma fenda estreitafenda demasiado grande – passa radiação em
excesso, provocando desvio à lei de Beer-Lambert (radiação não monocromática)
fenda demasiado estreita – diminuição da intensidade da radiação e perca de sensibilidade
Espectrometria
43
Técnicas Analíticas
Equipamentosmonocromador ou filtro
selecciona uma banda ou comprimento de ondarede de difracção
placa metálica polida (reflexão) ou de vidro (transmissão) com ranhuras muito próximas, paralelas e equidistantes
separação do feixe de radiação em vários comprimentos de onda
seleccionados em função do tipo de amostra
prismavidro (visível) ou quartzo (UV)
dispersa o feixe de radiação
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Equipamentoscélula para amostra
amostras colocadas em células apoiadas em porta-células, colocados num compartimento
vidro ou plásticoregião visível
quartzoUV
mais eficientes2 janelas paralelas2 lados bem polidosespessura mais comum – 1 cm
Espectrometria
45
Técnicas Analíticas
Equipamentosdetector
fotocélulasdetectam a quantidade de radiação
transmitida após passagem pela amostraradiação transmitida provoca emissão
de e- a partir de uma superfície sólida com um cátodo e um ânodo
produção de corrente eléctricaamplificador
fotomultiplicadorquando atravessado por um fotão,
amplifica a resposta para maior nº de e-
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Equipamentosregistador
transforma sinal eléctrico que chega ao detector e amplificador em energia mecânica
regista um sinal
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
SolventesVisível
qualquer líquido incolorágua destilada mais usada
UVqualquer solvente que não absorva nesta região
sem ligações duplas conjugadaságua ou hidrocarbonetos saturados
elevada purezadissolver bem a amostra
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Aplicações na análise de alimentosabsorção no Visível
pigmentos naturaiscorantes artificiais
absorção no UVconservantesantioxidantescaracterização de óleos e gordurasgrau de oxidação de óleos e gordurasvitaminas A, B, C, E e Kpesticidasmicotoxinaspectina e polissacáridos
Espectrometria
49
Técnicas Analíticas
Aplicações na análise de alimentoscolorimetria
proteínasaminoácidosvitaminas A, B, C, D e Ecarboidratosmetaispesticidasantioxidantescaracterização de óleos e gordurasgrau de oxidação de óleos e gorduras
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Emissão de radiação electromagnéticaátomos, iões e moléculas podem ser excitados por diversos
processosao relaxar, libertam energia em excesso
relaxação pode resultar em emissão de radiação electromagnética
emissão é característica da substância
Espectrometria
51
Técnicas Analíticas
Emissão de radiação electromagnéticatipos de espectro
riscasespécies atómicas
riscas estreitasdiversas transições electrónicas e subníveis
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Emissão de radiação electromagnéticabandas
compostas por diversas riscasorbitais molecularesestados vibracionais e rotacionais
Espectrometria
53
Técnicas Analíticas
Emissão de radiação electromagnéticacontínuos
produzidos por aquecimento intenso de sólidosluz emitida ao longo de um amplo intervalo de
energialmax é função da temperatura do material
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
55
Técnicas Analíticas
Emissão de radiação electromagnéticaluz produzida é directamente proporcional à concentração
das espécies a serem medidas
c – concentraçãoI – intensidade da luzk – constante de proporcionalidade
Espectrometria
c=kI
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Técnicas Analíticas
Espectroscopia atómicaabsorção e emissão de radiação por átomosobtêm-se espectros de riscasutilização em análise elementar
qualitativa e quantitativa
Espectrometria
57
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicapode ocorrer alargamento das riscas por:efeito Doppler
durante a atomização/ionização, a amostra pode aproximar-se ou afastar-se do detector
desvio de Doppler na riscariscas espectrais que deveriam estar separadas de
1 – 5 nm, podem alargar até 100 vezesefeito de pressão
colisão dos átomos da amostra com outras substânciaspermuta de energia
efeito aumenta com a temperatura
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaEmissão atómica
átomos promovidos a um nível energético elevadoao decair emitem luz, que é medida
técnicas classificadas segundo fonte de excitaçãofotometria de chamafluorescência atómicaexcitação eléctricaemissão de plasma
permitem análises qualitativas e quantitativas
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaanálise qualitativa
baseada na presença de riscas de emissão específicas
Emissão atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaanálise quantitativa
baseada na medição da intensidade dasriscas de emissão
intensidade proporcional à concentração
grande erro relativofunciona melhor com metais
Emissão atómica
61
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicafontes de excitação
eléctricaeléctrodos de carbono de elevada pureza
arco – excitação eléctrica contínuafaísca – pequena rajada de excitação
T = 4000 – 8000 ºC para uma faísca
15000 – 40000 Vdisposição dos eléctrodos depende do
estado da amostra
Emissão atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicachama
funciona melhor com elementos dos grupos IA e IIA
mais fáceis de ionizaramostras (líquidos ou gases)
introduzidos na chama por aspiração
utiliza temperaturas relativamente baixas (~2000 – 3000 ºC)
< 1 % dos átomos são ionizadosemissão de plasma permite
temperaturas maiselevadas
Emissão atómica
63
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaplasma
semelhante à fotometria de chamagás inerte (geralmente Ar) excitado
ioniza a amostratemperaturas mais elevadas
(> 103 K) permitem maior sensibilidade
Emissão atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaplasma acoplado por indução (ICP)
6000 – 8000 ºCfunciona melhor para elementos
com mais elevadas energias de excitação
plasma acoplado directamente (DCP)plasma por microondas
Emissão atómica
65
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicamonocromador
círculo de Rowlandredes de elevada resolução devido
a riscas muito estreitas
Emissão atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicadetecção
olho, para sistemas mais simplesanálise qualitativa
películaqualitativa – posição das riscasquantitativa – grau de exposição
tubo fotomultiplicadoranálise quantitativa
Emissão atómica
67
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicafotómetro de chama
sistema monocromador/detector maissimples
menos espécies observáveisconstrução semelhante a
espectrofotómetros de feixeúnico
Emissão atómica
68
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Emissão atómica
69
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Emissão atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Emissão atómica
71
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaAbsorção atómica
absorção de luz por átomos no estado atómico livrelei de Beer-Lambertmaioria dos átomos não passa ao estado excitado
com os processos de excitação atómica utilizadosmétodo de análise dos átomos livres é mais
sensível
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicavantagens relativamente à emissão atómica
menos interferênciasmenor dependência da temperaturamelhores sensibilidade e rigor para maioria dos
elementos (gama de ppb)desvantagens relativamente à emissão
só analisa metaisapenas análise quantitativa
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
Absorção atómica
75
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
semelhante a espectrofotómetro de feixe simplesfontes
lâmpada de cátodo ocofonte produz riscas de emissão específicas
para o elemento usado na construção do cátodo
lâmpada de descarga sem eléctrodomaior intensidade mas menor estabilidade
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicalâmpada de cátodo oco
lâmpada contém gás inerte (Ar, Ne)aplicação de um potencial provoca
excitação do gás, deslocando-o para ocátodo
metal passa ao estado excitado devido ao contínuo bombardeamento pelo gás
após relaxar, produz riscas de emissão atómica específicas
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Absorção atómica
78
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicalâmpada de descarga sem eléctrodo
sal contendo o metal de interesse selado num tubo de quartzo com um gás inerte
campo de radiofrequência excita o gásgás excitado ioniza o metal
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicainterruptor rotativo usado para dividir feixe de
luz em 2reduz ruído da fonte
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
métodos de atomizaçãoexposição da amostra a temperaturas elevadasatomização separa partículas em moléculas
individuais e estas em átomosátomos no estado estacionário em forma
gasosa absorvem radiaçãoproduzem um sinal proporcional à sua
concentração
Absorção atómica
81
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
métodos de atomizaçãochama
líquidos e gasesC2H2 usado como combustível e ar ou N2O
como oxidantesN2O produz uma chama mais quente,
mas mais ruidosarequer amostras grandes (> 1 mL)
amostra continuamente consumidalimites de detecção elevados
pequena parte da amostra oxidada pela chama a cada momento
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
métodos de atomizaçãosem chama (forno de grafite)
líquidos e sólidosmaior intensidade mas menor estabilidadeamostra colocada num tubo de carbono
aquecido por corrente eléctricamaior tempo de residência da amostra
melhores sensibilidade e limite de detecção
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
métodos de atomizaçãosem chama (forno de grafite)
usado um programa de temperatura para aquecer a amostra
secagem50 – 200 ºC para remover solvente
carbonização200 – 800 ºC para decompor a
matrizatomização
aumento rápido até 2000 – 3000 ºC em poucos segundos
recolha dos dados
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
métodos de atomizaçãosem chama (forno de grafite)
Ar usado como gás de purga:remoção de material em excesso
durante a secagem e carbonização e após a atomização
redução da oxidação do tuboimpede a reacção de C com N durante
a atomizaçãonão se dá produção de cianogénio
Absorção atómica
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Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
monocromador e detectorrede holográfica para resolver as riscasdetector habitual é um tubo fotomultiplicadorhabitual usar um método para correcção do
“background”bandas largas devidas a absorção ou
emissão molecularcorrecção com D2 ou efeito de Zeeman
Absorção atómica
86
16/09/2015
44
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
monocromador e detectorcorrecção com lâmpada de D2
luz da fonte e de uma lâmpada de D2
passam alternadamente pela amostra
banda de luz da lâmpada de D2 que atravessa a amostra é mais larga
diferença entre os 2 sinais dá a correcção
Absorção atómica
87
Técnicas Analíticas
Espectrometria
88
16/09/2015
45
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
limitações da correcção com lâmpada de D2:
pode ocorrer sub- ou sobrecorrecção, dependendo da amostra
requer bom alinhamento das lâmpadas
D2 funciona mal a > 350 nm
Absorção atómica
89
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaequipamento
monocromador e detectorcorrecção com efeito de Zeeman
campo magnético forte aplicado à amostra
separação dos níveis de energia electrónica dos átomos
desloca-se o comprimento de onda de absorção da amostra, permitindo medir directamente o ruído de fundo
Absorção atómica
90
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46
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicainterferências
absorção de radiação da fonteelementos diferentes do analisado podem
absorver o comprimento de onda utilizado
ionizaçãoformação de iões em vez de átomos causa
menor absorção da radiaçãopodem adicionar-se supressores de
ionizaçãoauto-absorção
átomos absorvem mais radiação no centro da risca do que nos lados
provoca alteração na forma e intensidade da risca
Absorção atómica
91
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicainterferências
absorção de fundo da radiação da fontepresença de partículas resultantes de uma
atomização incompletaproblema reduzido por aumento da
temperatura da chamatransporte
velocidade de aspiração, nebulização ou transporte da amostra
Absorção atómica
92
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47
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Absorção atómica
93
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Absorção atómica
94
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48
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Absorção atómica
95
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Absorção atómica
96
16/09/2015
49
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómica Absorção atómicavs.
Emissão atómica
Absorção Emissão
Mede concentrações reduzidas de metal em matrizes complexas
Mede concentrações reduzidas de metal em matrizes complexas
Depende do nº de átomos no estado fundamental
Depende do nº de átomos excitados
Mede a radiação absorvida por átomos no estado fundamental
Mede a radiação emitida por átomos excitados
Presença de uma fonte luminosa (lâmpada de cátodo oco)
Ausência de fonte luminosa
Temperatura do atomizador ajustada de modo a apenas atomizar os átomos da amostra no estado fundamental
Temperatura do atomizador suficientemente elevada, de modo a atomizar e excitar os átomos da amostra
97
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaFluorescência atómica
modificação no equipamento usado para absorção atómica
lâmpada colocada em ângulo recto relativamente ao detector
mede qualquer átomo que fluoresça
98
16/09/2015
50
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaAplicações
análise clínicaanálise de metais em fluidos biológicos
sangue e urinaanálise ambiental
avaliar o nível de diversos elementos em rios, água do mar, ar e combustíveis
farmáciadetecção de pequenas quantidades de
catalisadores usados na produção de fármacosindústria
verificar a presença dos principais elementos e garantir que impurezas tóxicas estão abaixo do nível permitido
ex: teor de Pb no betão
99
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia atómicaAplicações
minasdetecção de ouro em rochas
análise de alimentosdeterminação de elementos existentes em
quantidades residuaiscosmética
análise de elementos existentes em quantidades residuais
ex: no cabelo
100
16/09/2015
51
Técnicas Analíticas
Raios XAbsorçãoDifracçãoEmissão/fluorescência
Espectrometria
101
Técnicas Analíticas
Raios Xse um e- de uma camada interna for ejectado de um átomo,
o seu lugar será preenchido por outro proveniente da camada externa
diferença de energia emitida como raios Xfunção do nº atómico
Espectrometria
102
16/09/2015
52
Técnicas Analíticas
Raios Xemissão de raios X é independente da forma química
intensidade usada para identificar elementos com nº atómico ≥ 20
fonte de raios X tem que possuir um nº atómico superior ao da amostra
Espectrometria
4Zabsorção
massa atómica
103
Técnicas Analíticas
Raios Xequipamento
Espectrometria
104
16/09/2015
53
Técnicas Analíticas
Raios Xequipamento
feixe de e- produz raios X a partir de um metal (Cu, W, Mo)
colimador é constituído por uma série de placas metálicas perfuradas
absorve todos os raios X não correctamente direccionados
filtro constituído por um metal com nº atómico superior ao do elemento a analisar
Espectrometria
105
Técnicas Analíticas
Raios Xmonocromadores são raramente usados
quando existem são de NaCliões difractam raios X
Espectrometria
106
16/09/2015
54
Técnicas Analíticas
Raios Xdetectores
por ionização em gasestubo cheio de Ar (≥ 1000 V)
elevado nº de ionizaçõesum único pulso de radiação com muitos
iõesnão é discriminatório
Espectrometria
107
Técnicas Analíticas
Raios Xdetectores
cintilaçãousados na detecção de raios X e g
raios X interagem com cristais de NaI(Tl) e produzem luz
1 fotão por cada 200 eVnº de fotões proporcional à energia dos
raios Xluz dirigida para um tubo fotomultiplicador
Espectrometria
108
16/09/2015
55
Técnicas Analíticas
Raios Xdetectores
estado sólidosemicondutores de Si(Li)
aplicando uma pequena diferença de potencial ao cristal obtêm-se 3 zonas
positiva, negativa e vaziaquando atravessado por uma radiação
ionizante, esta deixa um rasto de cargas positivas e negativas na zona vazia
detecção baseada na corrente necessária para reestabelecer a zona vazia
Espectrometria
109
Técnicas Analíticas
Raios XDifracção
usada para medir dimensão e forma de cristaisanálise elementar
estrutura de novos materiaisidentificação de substâncias
Espectrometria
110
16/09/2015
56
Técnicas Analíticas
Raios XAbsorção
usada para medir qualidade de metais e ligasmedicina
medicina dentária
Espectrometria
111
Técnicas Analíticas
Raios XFluorescência
quando uma amostra é exposta aos raios X, são produzidos raios X secundários
para nos atómicos ≥ 11 obtém-se informação qualitativa e quantitativa
técnica não destrutiva
Espectrometria
112
16/09/2015
57
Técnicas Analíticas
Espectroscopia molecularabsorção e emissão de radiação por moléculas
espectroscopias de UV/Vis, IV e Fluorescência
Espectrometria
113
Técnicas Analíticas
Espectroscopia molecularabsorção molecular
UV/Visanalisa transições electrónicasespectros aparecem como bandas
grande nº de estados vibracionais e rotacionais
Espectrometria
114
16/09/2015
58
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularpara existir absorção no UV/Vis por compostos orgânicos
energia absorvida pelo composto corresponda a uma transição de um orbital populado para um não populado
s ↓ s* não observada habitualmente
energia demasiado elevadan ↓ s* para compostos que contenham átomos
com pares de e- não partilhadoscompostos com O, S, N e halogéneos
150 – 250 nmpouco intensas
Absorção molecularUV/Vis
115
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularn ↓ p* e p ↓ p*
necessária insaturação para ter orbitais p*
ligações múltiplas e estruturas de ressonância
aumento de insaturação provoca desvio para >l
200 – 700 nmintensas
Absorção molecularUV/Vis
116
16/09/2015
59
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularefeito do solvente
na fase de vapor não existe solventeinteracções mínimas entre moléculas
solvente pode causar alargamento das bandas
Absorção molecularUV/Vis
117
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularem compostos inorgânicos também se verifica absorção
para espécies com orbitais d parcialmente ocupadosmais intensas para complexos com metais de transição
resultado da interacção do ligando com as orbitais d do metal
num ião livre, as orbitais d têm energias iguais, mas não são idênticas
interacção com um ligando afecta umas orbitais mais que outras
desdobramento das orbitais d resulta numa transição d ↓ d (zona do UV/Vis)
tipo e grau de desdobramento dependem do ligando e da geometria do complexo formado
Absorção molecularUV/Vis
118
16/09/2015
60
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularanálise qualitativa
pouco interessantebandas pouco estruturadasmoléculas com grupos funcionais semelhantes
apresentam espectros muito parecidos
Absorção molecularUV/Vis
119
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularanálise quantitativa
diversas aplicaçõeselevada sensibilidade
limites de detecção entre 10-4 e 10-6 Mrazoável selectividaderazoável simplicidade e baixo customedida deve ser efectuada no lmax
maior sensibilidademinimiza erros
Absorção molecularUV/Vis
120
16/09/2015
61
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularanálise quantitativa
condições de análise devem ser mantidas constantes:
solventetemperaturapHpreparação da amostra
condições instrumentais iguais e constantes para amostra e padrões
cuvettesfendascomprimento de onda
Absorção molecularUV/Vis
121
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularanálise quantitativa
método apenas válido em condições de linearidade Abs vs. conc
Absorção molecularUV/Vis
122
16/09/2015
62
Técnicas Analíticas
Espectroscopia molecularabsorção molecular
IVenergia demasiado baixa para promover transições
electrónicaslimitada aos níveis vibracional e rotacional
em líquidos e sólidos, rotação molecular é limitada
principal interacção é vibracionaldepende de:
nº de átomostipo de átomostipo de ligação entre átomos
Espectrometria
123
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularcada molécula pode apresentar
diversos tipos de vibração
Absorção molecularIV
124
16/09/2015
63
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularprincipal vantagem:
permite identificar grupos funcionais
Absorção molecularIV
125
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularanálise quantitativa
bandas muito estreitasdesvios à lei de Lambert-Beer
pouco útil em análise quantitativa
Absorção molecularIV
126
16/09/2015
64
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularFTIR
espectrofotómetros modernos usam sistema de transformada de Fourier
operação matemática que traduz uma curva complexa nas suas componentes
Absorção molecularIV
127
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularnum FTIR, a curva complexa é um interferograma
soma das interferências construtivas e destrutivas geradas pelas ondas de luz
curvas componentes são o espectro IVluz incidente é dividida 50:50 para um espelho fixo
e outro móvelespelho móvel é o principal e mais caro
componente
Absorção molecularIV/FTIR
128
16/09/2015
65
Técnicas Analíticas
EspectrometriaAbsorção molecular
IV/FTIR
129
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularexemplos de interferogramas
Absorção molecularIV/FTIR
130
16/09/2015
66
Técnicas Analíticas
Espectroscopia molecularabsorção molecular
Ramanfotões absorvidos por moléculas sofrem
espalhamentomaioritariamente elástico (espalhamento de
Rayleigh)fotão emitido tem mesmo l que o que absorve
pequena parte (1:107) tem espalhamento inelástico (efeito de Raman)
energias dos fotões incidentes e espalhados são diferentes
Espectrometria
131
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularlinhas de Stokes são equidistantes da de Rayleigh
1 quantum vibracional de energia perdido ou ganholinha de Stokes mais intensa
apenas as moléculas que sofrem excitação vibracional antes da irradiação podem originar linhas anti-Stokes
em geral, apenas se medem as linhas de Stokes
Raman
132
16/09/2015
67
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularpara que uma vibração seja activa em IV, tem que
haver alteração no momento dipolar da moléculapara que uma transição seja activa em Raman, tem que
haver alteração na polarizabilidade da moléculapolarizabilidade varia com movimento vibracional
espalhamento de Raman pouco eficaznecessária forte fonte de excitação
laserlaser é monocromático
permite avaliar diferença de energia entre as linhas de excitação e de Stokes
Raman
133
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularespectrómetro de Raman
fonte luminosanormalmente laser
ópticarecolhe luz espalhada pelo efeito de Raman
sistema de detecção
Raman
134
16/09/2015
68
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularestudos biomédicos efectuados em microscópios de
Raman ou sondas de fibra óptica acopladas a um sistema de Raman portátil
permite trabalhar in vivo
Raman
135
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularespectroscopias IV e Raman são complementares
diferentes regras de selecçãoex: moléculas diatómicas homonucleares
não têm espectro IVnão possuem momento dipolar
têm espectro Ramanligação, ao contrair e esticar, altera
interacções entre e- e núcleo, variando polarizabilidade
ex: moléculas poliatómicas simétricas que possuem centro de inversão (benzeno)
bandas activas no IV não são activas no Raman e vice-versa
ex: moléculas com pouca ou nenhuma simetriaactivas tanto no IV como no Raman
Raman
136
16/09/2015
69
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularespectroscopia de Raman fornece detalhes sobre:
composição químicaestrutura molecularinteracções moleculares
células e tecidosobtém-se informação sobre proteínas, lípidos,
carboidratos e ácidos nucleicos
Raman
137
Técnicas Analíticas
EspectrometriaRaman
138
16/09/2015
70
Técnicas Analíticas
Espectroscopia molecularfluorescência molecular
moléculas absorvem energia e passam ao estado excitado
quando relaxam de volta ao estado excitado podem emitir:
calorluz
fluorescência
Espectrometria
Co
Conversãointerna
139
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularconversão interna e fluorescência podem ocorrer
simultaneamentepercentagem de moléculas que fluorescem definida
pelo rendimento quântico
Fluorescência
taxa de relaxação por fluorescênciaQ
taxa de relaxação total
140
16/09/2015
71
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularespectros de fluorescência tendem a apresentar-se
como imagens reflectidas dos epectros de absorção
energias menoresparte da energia perdida de forma vibracional
Fluorescência
141
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularexcitação
fluorescência produzida ao longo de uma gama de comprimentos de onda da luz incidente
espectros de excitação corrigidosfluxo de fotões incidente mantido constantesolução suficientemente diluída
fracção da radiação absorvida é proporcional ao coeficiente de absorção do analito
forma idêntica à do espectro de absorção
Fluorescência
142
16/09/2015
72
Técnicas Analíticas
EspectrometriaFluorescência
143
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia moleculartécnica muito sensível e com baixos limites de detecçãopoucos compostos exibem fluorescência
estruturas rígidas com modos de relaxação vibracional reduzidos
compostos com anéis aromáticos fundidos são mais fluorescentes
ligações duplas conjugadas também exibem fluorescência
derivatização com grupos fluorescentes
Fluorescência
144
16/09/2015
73
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularfluorescência diminui com aumento da temperatura
maior nº de colisões com o solvente resultam num aumento de relaxação vibracional
aumento da viscosidade do solvente leva a um aumento da intensidade da fluorescência
movimento mais lento das moléculas de solvente conduz a menores interacções entre elas
Fluorescência
145
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularintensidade de fluorescência proporcional à
concentraçãoobtenção de curvas de calibração
utilização dos valores mais convenientes de lmax de emissão e excitação
Fluorescência
146
16/09/2015
74
Técnicas Analíticas
Espectrometria
Espectroscopia molecularauto-extinção
a concentrações elevadas aumenta a probabilidade de que um fotão emitido venha a ser absorvido por outra molécula da amostra
Fluorescência
147
Técnicas Analíticas
Ressonância magnética nuclear (NMR)técnica que fornece informações sobre o ambiente de
núcleos magneticamente activosnúcleos absorvem radiação na zona das frequências de
rádiomedição das frequências às quais ocorre absorção e
intensidade da mesma permite obtenção de dados sobre estrutura molecular
frequência depende da ligação química, da conformação molecular e de processos dinâmicos
núcleos mais estudados1H e 13C
Espectrometria
148
16/09/2015
75
Técnicas Analíticas
NMRtodos os núcleos possuem um spin
descreve a natureza do campo magnético do núcleonº de spin (I) pode ser 0 ou qualquer múltiplo de ½
(½, 2/2, ×)núcleos com spin 0 não possuem campo magnéticoquanto mais alto I, mais complexo o campo
magnético12C e 16O têm I = 0 invisíveis em NMRusam-se aqueles que são “visíveis” I ʌ 0
1H, 13C (I = ½), 14N (I = 1), …I descreve forma do campo magnético, g descreve
a sua intensidadeg ≡ factor giromagnético1H possui o campo magnético mais forte
Espectrometria
149
Técnicas Analíticas
NMRspin do núcleo afectado por um campo magnético
externonúcleo tenta alinhar-se segundo o campo aplicado
alinhamentos são quantificadosnº limitado de alinhamentos (depende de I)alinhamento (estados de spin ≡ Iz) varia de
–I a +I em intervalos de 1cada núcleo possui 2I+1 estados de spin
Espectrometria
150
16/09/2015
76
Técnicas Analíticas
NMRestados de spin variam em energia consoante a sua
orientação relativamente ao campo magnético externo
mais paralelos têm menor energiamais opostos possuem maior energia
Espectrometria
151
Técnicas Analíticas
NMRdiferença de energia permite induzir transição entre
diversos estados de spinirradiação de um dado núcleo induz um “salto”
de um outro núcleo de menor energia para uma orientação de energia superior (absorção de energia)
dão-se igualmente transições de mais alta para mais baixa energia (libertação de energia)
se as populações em ambos níveis energéticos forem iguais, transições anulam-se e não há sinal observável
sinal detectado pelo aparelho se populações diferentes
Espectrometria
152
16/09/2015
77
Técnicas Analíticas
Espectrometria
153
Técnicas Analíticas
NMRespectro de NMR
alterando a frequência da radiação electromagnética aplicada
obtém-se gráfico de absorção de energia vs.frequência
Espectrometria
154
16/09/2015
78
Técnicas Analíticas
NMRespectro de NMR
alternativamente pode variar-se a intensidade do campo magnético aplicado, mantendo a frequência constante
obtém-se gráfico de absorção de energiavs.intensidade do campo magnético aplicado
Espectrometria
155
Técnicas Analíticas
NMRespectro de NMR
sistema homogéneo com um único tipo de núcleoum único pico no espectro
compostos complexosnúcleo influenciado pelo ambiente
ambientes que aumentam separação energética entre estados de spin
transições a frequências mais elevadasambientes que provocam redução na
separaçãotransições a frequências mais baixas
variações em frequência ≡ desvio químico
Espectrometria
156
16/09/2015
79
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
e- possuem campo magnético (spin = ½)muito mais forte que o do núcleopolaridade oposta à do núcleo
campo sentido pelo núcleo numa molécula é combinação do campo magnético externo aplicado e do gerado pela nuvem electrónica
campo magnético externo oposto ao dos e-
núcleo “blindado” da força total do campo externo
Espectrometria
157
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
blindagem afectada por factores que alteram a densidade electrónica à volta do núcleo
diminuição da densidade - desblindagemaumento da densidade – maior blindagem
blindagem provoca redução da intensidade do campo magnético
separação de energia entre estados de spin diminui
transição de spin pode ser induzida por menor frequência
desblindagem produz o efeito inversovariação resulta em deslocamento químico (d)
Espectrometria
158
16/09/2015
80
Técnicas Analíticas
Espectrometria
159
Técnicas Analíticas
NMRdeslocamento químico medido em relação a
uma referênciaex: TMS (0 ppm)
Espectrometria
160
16/09/2015
81
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
e- mais próximos do núcleo são os que mais influenciam a blindagem
e- que participam em ligações químicaselectronegatividade afecta distribuição
electrónicaátomos electronegativos e grupos
funcionais aceitadores de e- provocam desblindagem
átomos electropositivos e grupos funcionais dadores de e- provocam blindagem
Espectrometria
161
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
ex: C menos electronegativo que Oem O-H, e- ligantes atraídos para O
densidade electrónica à volta de H menor que em C-H
menor blindagem
Espectrometria
162
16/09/2015
82
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
corrente de anel em sistemas p
uma carga em movimento (corrente) pode produzir um campo magnético
átomos com hibridização sp2 possuem 1 orbital p disponível
orbitais p em átomos adjacentes têm tendência para se alinhar produzindo um sistema p
ex: benzeno (corrente de anel)corrente de anel oposta ao campo
magnético externo
Espectrometria
163
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
H do anel sofrem um reforço do campo magnético externo
desblindadosnoutros sistemas p ocorre o mesmo
orbitais p em átomos adjacentes têm tendência para se alinhar produzindo um sistema p
Espectrometria
164
16/09/2015
83
Técnicas Analíticas
NMRblindagem e desblindagem
em casos raros, H podem estar colocados acima ou abaixo do sistema p
sofrem blindagem
Espectrometria
165
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
intensidade do sinal depende do nº de núcleos envolvidos
área de um pico é proporcional ao nº de núcleos que contribuem para o sinal
ex: espectro de MeOH (CH3OH)2 tipos de átomos de H
2 deslocamentos químicos (d)
área 3:1
Espectrometria
166
16/09/2015
84
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
relaxação de spin rápida
áreas dos picos reflectem nº de núcleosrelaxação lenta
núcleos promovidos ao estado de spin de maior energia mais rapidamente do que podem sair deste
excesso de população do nível de mais baixa energia será reduzido e as 2 populações tornam-se iguais
saturaçãosinal de NMR diminui de
intensidadesinal desaparece com saturação
total
Espectrometria
167
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
produzidos por campos magnéticos dos núcleos vizinhos
campos fracos mas fazem-se sentir se o núcleo não estiver afastado mais de 3 ligações
Espectrometria
168
16/09/2015
85
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
ex: moléculas com 2 H próximos (A e B) com desvios químicos diferentes
HA tem estados de spin Iz = ½ e Iz = -½na ausência de HB produz um único pico no
NMRHB tem um pequeno campo magnético que
pode estar alinhado ou oposto ao campo externo, com idêntica probabilidade
se estiver alinhado HA fica desblindadose estiver em oposição HA fica blindado
metade das moléculas possui ressonância a mais alta frequência
metade a mais baixa
Espectrometria
169
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
pico de HA desdobra-se em 2 (dobleto) por influência de HB e vice-versa*
J (constante de acoplamento dipolar) frequência de separação ente os 2 picos
varia entre 0 – 15 Hz
*efeito usado para identificar que H estão acoplados um com outro
Espectrometria
170
16/09/2015
86
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
valores de constantes de acoplamento
Espectrometria
Jtrans > Jcis
171
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
se o nº de H acoplados aumentar, desdobramento torna-se mais complexo
ex: C2H6
para 3 H idênticos existem 8 combinações possíveis de spin
blindagem ou desblindagem sentida por HA
depende da soma dos campos magnéticos dos 3 HB
maior blindagem ocorre quando 3 HB
estão opostos ao campo externo (DDD)
segue-se o caso em que 2 estão opostos
3 possíveis combinações (DDU, DUD, UDD) com a mesma probabilidade (1/18)
Espectrometria
D – downU - up
intensidade destas duas frequências é de 1:3
172
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87
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
no caso de apenas 1 HB estar em oposição (DUU, UUD, UDU)
no caso de nenhum HB estar em oposição (UUU)
Espectrometria
intensidade dos 4 picos é de 1:3:3:1
173
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
se tivermos 3 H idênticos acoplados
quartetoN núcleos idênticos acoplados originarão
2NI+1 picosintensidade das linhas prevista de
acordo com o triângulo de Pascal
Espectrometria
174
16/09/2015
88
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
no caso de acoplamento com um núcleo de spin mais elevado, situação é análoga
ex: H acoplado com N (I = 1)tripleto de picos com igual intensidade
representando as 3 possíveis orientações de spin do N (1, 0, -1)
N acoplado a H (I = ½)dobleto
Espectrometria
175
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
intensidades previstas com um método semelhante ao triângulo de Pascal
para I = 1:
Espectrometria
176
16/09/2015
89
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
acoplamento de 1ª ordem aplica-se quando desvios químicos dos núcleos acoplados estão suficientemente separados
quando desvios se aproximam, interacções mais fracas começam a predominar
efeitos de acoplamento de 2ª ordem:energias dos estados de spin sofrem
desviosprobabilidades das transições entre
níveis variam
Espectrometria
posições e intensidades dos picos deixam de ser as previstas pela teoria de 1ª ordem
177
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
sistema com 2 núcleos acoplados de spin ½pico de cada núcleo divide-se em 2
(dobleto)quando desvios químicos se tornam
semelhantes, picos do dobleto mudam de intensidade
pico de cada dobleto mais próximo dos picos do núcleo acoplado aumenta de intensidade (aumento da probabilidade da transição)
o outro pico diminui de intensidade
Espectrometria
178
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90
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros – acoplamento dipolar
desdobramento não se verifica se protões estão separados por mais de 3 ligações s
acoplamentos de longo alcance ocorrem quando protões estão separados por mais que 3 ligações s, mas com ligações duplas ou triplas
Espectrometria
179
Técnicas Analíticas
NMRsinais de Hc, Hd e He sobrepostos
sinais de Ha, Hb e Hc não se sobrepõem
Espectrometria
180
16/09/2015
91
Técnicas Analíticas
NMRvelocidade de relaxação
processo exponencial
descrito por T1 (tempo de relaxação)tempo necessário para que a energia em
excesso desça para 1/e (0.36788) do seu valor original
T1 para H em moléculas orgânicas ≤ 1 seg
Espectrometria
181
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
exemplos de moléculas com protões quimicamente equivalentes
1 único sinal no espectro de 1H-NMR
Espectrometria
182
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92
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
moléculas com protões não quimicamente equivalentes
vários sinais no espectro de 1H-NMR
Espectrometria
183
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
grupos aceitadores de e- provocam desvio de d para
frequências mais altasex: halogéneos
Espectrometria
184
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93
Técnicas Analíticas
Espectrometria
185
Técnicas Analíticas
Espectrometria
186
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94
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
valores típicos de d
Espectrometria
187
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
valores típicos de d
Espectrometria
188
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95
Técnicas Analíticas
NMRinterpretação de espectros
variação com a temperaturaex: ciclohexano
velocidade de conversão depende da temperatura
Espectrometria
189
Técnicas Analíticas
NMRespectroscopia de 13C
nº de sinais reflecte o nº de diferentes tipos de carbonointensidade do sinal muito menor que a de 1H
(~ 6400 vezes)d acima de 220 ppm (com 1H até 10 ppm)
Espectrometria
190
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96
Técnicas Analíticas
NMRespectroscopia de 13C
valores de d
Espectrometria
191
Técnicas Analíticas
NMRNMR a 2 dimensões
espectro COSY 1H identifica acoplamentospicos cruzados indicam pares de H acoplados
Espectrometria
COrrelation SpectroscopY
192
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97
Técnicas Analíticas
NMRNMR a 2 dimensões
espectro HETCOR (HETeronuclear CORrelation spectroscopy) indica acoplamentos entre protões e carbonos, aos quais estão ligados
Espectrometria
193
Técnicas Analíticas
Ressonância paramagnética electrónica (EPR)técnica que detecta espécies com e- desemparelhados
radicais livres, se forem moléculas orgânicasiões de metais de transição, no caso de complexos
inorgânicosexcitação dos spins electrónicos
necessários campos magnéticos mais fracos e frequências mais altas que em NMR
Espectrometria
194
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98
Técnicas Analíticas
EPRe- possuem momento magnético
colocados num campo magnético externo (B0)momento magnético alinha paralelo ou anti-
paralelo a B0
alinhamento paralelo define um estado de menor energia
separação entre os 2 estados:
para transitar entre os 2 níveis, um e-
absorve radiação electromagnética
Espectrometria
e B 0ΔE= Bg m
ge – factor giromagnético do e-
mB – magnetão Bohr (9.27x10-24 JT-1)
e B 0ΔE=h = Bgn m
equação fundamental do EPR
195
Técnicas Analíticas
EPRcentro paramagnético colocado num campo magnético
energia absorvida pelo e- detectada e convertida num espectro
Espectrometria
196
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99
Técnicas Analíticas
EPRe- livre tem um valor de g = 2.002319304386 (ge)radiação de 9.75 GHz (mais comum) provoca
ressonância a 0.34 Tesla (T)sinais de EPR produzidos:
medição de energia absorvida a diferentes frequências num campo magnético constante (como no NMR)
variando o campo magnético externo a frequência constante (mais comum)
Espectrometria
197
Técnicas Analíticas
EPRna realidade, não existem centros paramagnéticos
isolados, mas sim grandes grupos de centrospopulação dos centros em equilíbrio termodinâmico
distribuição estatística segue a distribuição de Boltzman
à frequência de 9.75 GHz (radiação da banda X) e à temperatura ambiente
Espectrometria
1
( )J
J
EM kT
M
ne
n
1 0.998J
J
M
M
n
n
nMJ+1– nº de centros
paramagnéticos a ocupar o nível MJ+1
k – constante de Boltzmann (1.38x10-23 JK-1)
T – temperatura (K)
198
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100
Técnicas Analíticas
EPRg dá informação sobre a estrutura electrónica do centro
paramagnéticog ʌ ge
razão do momento magnético do e- sobre o seu momento angular difere daquela de um e- livre
como o momento magnético é constante (magnetão de Bohr), e- ganha ou perde momento angular
resulta do acoplamento spin-órbita
Espectrometria
199
Técnicas Analíticas
EPRvariação de g dá informação sobre a natureza do
orbital atómico ou molecular que contém o e-
se o átomo ao qual o e- está associado tiver spin nuclear diferente de 0
o seu campo magnético vai também afectar o e-
acoplamento hiperfino, desdobrando o sinal em dobletos, tripletos, …
Espectrometria
200
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101
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaprodução de iões a partir de um composto e sua
caracterizaçãométodo qualitativo, podendo ser acoplado a outros
Espectrometria
201
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaoperação sob vácuo
maior distância média percorrida pelos iões e moléculas antes de colidirem com outros iões ou moléculas
fragmentação mais reprodutívelmaior sensibilidademaior rigor e fiabilidade na análise
produzido por um sistema de 2 bombasuma rotativa (10-2 – 10-4 torr)bomba turbomolecular ou bomba de difusão
(10-5 torr)
Espectrometria
202
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102
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaexistem diversos métodos de ionização:
impacto de electrões (EI)ionização química (CI)fast atom bombardment (FAB)field ionizationdesorpção de plasma
Espectrometria
energia efragmentação
203
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaimpacto de electrões (EI)
e- atinge uma molécula neutraliberta outro e-
forma ião molecularenergia adicional causa fragmentação da molécula
Espectrometria
204
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103
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaimpacto de electrões (EI)
e- com menos de 70 eV originam poucos iõese- com mais de 70 eV provocam fragmentação
excessivaobtém-se pouca informação
energia adicional causa fragmentação da molécula
Espectrometria
205
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaimpacto de electrões (EI)
filamento e ânodo produzem e-
repelente “empurra” iões positivos produzidos para fora da fonte de ionização
lentes aceleram iões até atingirem energia cinética constante
Espectrometria
206
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104
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaanalisadores de massa
filtros que resolvem os fragmentos produzidosmagnéticoselectrostáticostime of flight (TOF)quadrupoloion trap
Espectrometria
207
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaanalisadores de massa
quadrupolosiões acelerados entram numa zona com 4 polos
potencial dos polos variaiões com uma determinada massa
alcançam o detectormuito usados em GC/MS
Espectrometria
208
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105
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaquadrupolos
para um determinado conjunto de condições, apenas iões com uma massa (M/Z) específica são capazes de atravessar todo o filtro
faz-se um varrimento numa gama de massastipicamente 10 – 800 M/Z
tempo de aquisição ≈ 1 seg
Espectrometria
209
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massadetecção
habitualmente feita em multiplicadores de e-
material electroemissivo ao ser atingido por um ião, ejecta um e-
e- acelerados atingem parede do multiplicador, libertando mais e-
sinal amplificado
Espectrometria
210
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106
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massarecolha e processamento de dadosidentificação do espectro de massa
computadores com bibliotecascada linha representa uma massa/carga específica
habitualmente carga é 1eixo dos x dá directamente a massa
Espectrometria
211
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massaespectros mostram:
massa dos fragmentospadrão de fragmentação
presença de isótoposisótopo mais abundante considerado ter um
valor de 100 %restantes isótopos normalizados relativamente
ao mais abundanteintervalos entre as linhasintensidade proporcional à abundância
Espectrometria
212
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107
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
analisar aspecto geraltentar encontrar o ião moleculardeterminar composição elementaridentificar características estruturaisanalisar grau de fragmentaçãoverificar a existência de aglomerados (clusters)
presença de linhas com massas pares ou ímpares
propor estruturas possíveis
Espectrometria
213
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
espaçamento regular com 14 unidades de massalinha principal em cada cluster tem valor ímparpresença de ramificações
linhas associadas a fragmentações de ambos os lados da ramificação
aumento de ramificações aumento do nº de
linhas
EspectrometriaEx: hidrocarbonetos saturados
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108
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
n-hexanoião molecular a 86linha mais intensa a 57
típico dos hidrocarbonetos
EspectrometriaEx: hidrocarbonetos saturados
215
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
em alcenosfragmentos contendo ligação dupla são
deslocados de -2 unidadesnum alcano os iões principais seriam 43,
57, 71, 85, …
EspectrometriaEx: hidrocarbonetos insaturados
216
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109
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
1-hexenoião molecular a 84 mais intenso que no
n-hexanoem cada cluster os iões CnH2n e CnH2n-1
têm maior intensidade
EspectrometriaEx: hidrocarbonetos insaturados
217
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
1-hexeno, 2-hexeno e 3-hexenoposição da ligação dupla não afecta fortemente
o espectro
EspectrometriaEx: hidrocarbonetos insaturados
218
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110
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
em cicloalcanosquebra de pelo menos 2 ligações para haver
fragmentaçãoaumento na intensidade do ião molecular
EspectrometriaEx: compostos cíclicos
219
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
anéis insaturadosaumento do grau de insaturação leva a um
aumento de intensidade do ião molecular
redução da fragmentação
EspectrometriaEx: compostos cíclicos
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111
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massainterpretação de espectros de massa:
ionização simples com formação de iões moleculares estáveis
muito difícil determinar padrões de substituição nos anéis
EspectrometriaEx: compostos aromáticos
221
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massa“auxiliares” de interpretação dos espectros
regra do e- ímparusada para confirmar se uma linha pode ser devida
a um ião molecularionização provoca a perca de 1 e-
espécie formada é um radical (M ↓ M+.)
se a espécie inicial tem um nº par de e-, o ião molecular terá um nº ímpar
Espectrometria
222
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Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massa“auxiliares” de interpretação dos espectros
regra do azotono caso de existir um nº ímpar de N
em compostos orgânicos existe uma relação entre a valência e a massa do isótopo mais comum da maioria dos elementos
elementos pares têm valência parelementos ímpares têm valência ímpar
regra assume que os elementos se limitam a C, H, halogénios, O e N
composto contendo apenas C, H, O ou X tem peso molecular par
composto com nº ímpar de N tem peso molecular ímpar e com nº par tem PM par
Espectrometria
223
Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massa“auxiliares” de interpretação dos espectros
percas lógicasas restantes linhas fazem sentido relativamente ao
ião molecular?apenas um pequeno nº de fragmentos neutros
de baixo PM é habitualmente perdidocorte de uma única ligação simples
percas de radicais
quando pelo menos 2 ligações são quebradaspercas neutrasmenos comum
Espectrometria
1 15 16 17 19 26 27 29 31 35 43 46
H CH3 NH2 OH F CN C2H3 C2H5 ou CHOOCH3 ou CH2OH
ClOC2H5 ou
COOHNO2
2 17 18 20 27 28 30 34 36 44 74 80
H2 NH3 H2O HF HCN CO/C2H2 CH2O H2S HCl CO2 C3H6O2 HBr
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Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massa“auxiliares” de interpretação dos espectros
percas lógicas (Exemplo)86 parece ser o ião molecular86 é nº par
ou não há N ou nº par de Nre-normaliza-se para calcular fórmula molecular
86 – 72 = 14 ɸ C6H14
Espectrometria
m/z Abundância relativa
57 100.00
84 0.10
85 0.40
86 15.51
87 1.00
m/zAbundância
relativa
Abundância
normalizadaNF C5 C6 C7
A 86 15.5 100 6.5 72
A+1 87 1.0 6.5 6.6
A+2
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Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massa“auxiliares” de interpretação dos espectros
percas lógicas (Exemplo)dados indicam ser o n-hexano
Espectrometria
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Técnicas Analíticas
Espectroscopia de massa“auxiliares” de interpretação dos espectros
percas lógicas (2º exemplo)84 indica presença de Cl249 indica Cl
CH2Cl2
Espectrometria
227
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