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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

INSTITUTO DE QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA

“DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS ANALÍTICOS USANDO

ESPECTROMETRIA DE RAIOS X E QUIMIOMETRIA”

GISELE GONÇALVES BORTOLETO

Orientadora: Profa Dra Maria Izabel Maretti Silveira Bueno

TESE DE DOUTORADO

Campinas – SP

Maio de 2007

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AGRADECIMENTOS

A Profa. Dra. Maria Izabel Maretti Silveira Bueno pela orientação e amizade que

proporcionaram um grande crescimento pessoal e profissional.

Aos professores da Unicamp pelas contribuições que, direta ou indiretamente,

enriqueceram meu trabalho.

A Profa. Dra. Nelci F. Höehr por intermediar com confiança meu acesso ao

laboratório de análises clínicas da Unicamp.

Ao pessoal do HC-UNICAMP pelas facilidades.

As pessoas que gentilmente cederam amostras de urina para realização desse

trabalho.

As pessoas que colaboraram com amostras de óleos e azeites.

Aos colegas de trabalho e amigos: Greice, Larissa, Karen, Sandrinha, Thaís,

Simone, Alexandre, André, Guto, Luiz, Rafaele, Fabíola e, em especial, ao Rafael pelo

auxílio com o ICP OES.

Aos funcionários do IQ (BIQ, CPG, Xerox, Desenho, Vidraria, Segurança e

Limpeza) pela prestação de serviços com eficiência.

Ao CNPq pela bolsa de estudo concedida e todo apoio financeiro.

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CURRICULUM VITAE

DADOS PESSOAIS Nome: Gisele Gonçalves Bortoleto Nascimento: 28/02/1978 - Piracicaba/SP - Brasil CPF: 27765943804 FORMAÇÃO ACADÊMICA/TITULAÇÃO 2003 - 2007 Doutorado em Química.

Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil. Título: Desenvolvimento de métodos analíticos usando espectrometria de raios X e quimiometria. Orientador: Maria Izabel Maretti Silveira Bueno Bolsista do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

2001 - 2003 Mestrado em Química.

Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil. Título: Pré-concentração e determinação em linha de arsênio inorgânico em águas usando espectrometria de absorção atômica com geração de hidreto. Ano de obtenção: 2003 Orientador: Solange Cadore Bolsista da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo Licenciatura em Química. Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil

1997 - 2001 Bacharelado em Química.

Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil. Bolsista do Serviço de Apoio ao Estudante

PRODUÇÃO EM C, T & A Produção bibliográfica Artigos completos publicados em periódicos 1. BORTOLETO, G. G., BORGES, S. S. O., BUENO, M. I. M. S. X-ray scattering and multivariate analysis for classification of organic samples: a comparative study using Rh tube and synchrotron radiation. Analytica Chimica Acta. v.595, p.38 - 42, 2007. 2. XAVIER, A. M., LIMA, A. G., VIGNA, C. R. M., VERBI, F. M., BORTOLETO, G. G., GORAIEB, K., COLLINS, C. H., BUENO, M. I. M. S. Marcos da história da radioatividade e tendências atuais. Química Nova. v.30, p.83 - 91, 2007. 3. MACAROVSCHA, G. T., BORTOLETO, G. G., CADORE, S. Silica modified with zirconium oxide for on-line determination of inorganic arsenic using a hydride generation-atomic absorption system. Talanta (Oxford). v.71, p.1150 - 1154, 2007. 4. BORTOLETO, G. G., PATACA, L. C. M., BUENO, M. I. M. S. A new application of X-ray scattering using principal component analysis - classification of vegetable oils. Analytica Chimica Acta. v.539, p.283 - 287, 2005.

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5. BORTOLETO, G. G., PATACA, L. C. M., BUENO, M. I. M. S. Determinação de arsênio em águas contaminadas usando fluorescência de raios X por dispersão de energia. Química Nova. v.28, p.579 - 582, 2005. 6. BORTOLETO, G. G., CADORE, S. Determination of total inorganic arsenic in water using on-line pre-concentration and hydride-generation atomic absorption spectrometry. Talanta. v.67, p.169 - 174, 2005. 7. TREVISAN, M. G., POPPI, R. J., PATACA, L. C. M., MARCUCCI, M. C., LIMA, A. G., BUENO, M. I. M. S., BORTOLETO, G. G., ASHIDANI, L. Semi-quantitative analysis of propolis and determination of geographical origin using SXRF, fundamental parameters and PLS-DA. Activity Report (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron), 2005. 8. BORGES, S. S. O., MORAES, S. G., LIMA, A. G., HEMERLY, F. P., GORAIEB, K., BUENO, M. I. M. S., BORTOLETO, G. G., ALEXANDRE, T. L. X-ray scattering and multivariate analysis - a new technique for classification of organics. Activity Report (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron), 2005. 9. BORTOLETO, G. G., MACAROVSCHA, G. T., CADORE, S. Determination of cadmium by flame-atomic absorption spectrometry after preconcentration on silica gel modified with cupferron. Journal of the Brazilian Chemical Society. v.15, p.313 - 317, 2004. Comunicações e Resumos Publicados em Anais de Congressos ou Periódicos (resumo)

43 trabalhos apresentados em reuniões científicas.

Produção Técnica Processos ou técnicas com registro ou patente 1. BORTOLETO, G. G., PATACA, L. C. M., BUENO, M. I. M. S. Espalhamento de Raios X e Quimiometria para Classificação de Óleos Vegetais, Minerais e/ou Sintéticos, 2005. Patente: Privilégio de Inovação n.PI0500177-3, Espalhamento de raios X e quimiometria. 21 de Janeiro de 2005 (Depósito).

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RESUMO

Esta tese de doutorado apresenta uma inovação na química analítica abordando

novas aplicações da técnica de fluorescência de raios-X, na qual o espalhamento da

radiação X e a quimiometria exercem papel fundamental.

Os sinais de espalhamento dos raios X provenientes da interação de diferentes

fontes de excitação com amostras essencialmente orgânicas foram avaliados a partir de

estudos realizados com um espectrômetro de bancada com tubo de Rh, como também

com luz síncrotron, da linha de fluorescência de raios-X do Laboratório Nacional de Luz

Síncrotron (LNLS), Campinas, SP, Brasil. Os resultados mostraram diferentes perfis de

espalhamento da radiação para as diferentes fontes de excitação empregadas. Uma

banda contínua em toda região espectral foi obtida como sinal, no caso do uso da luz

síncrotron, e intensos picos em determinadas regiões espectrais caracterizaram os

espalhamentos Compton e Rayleigh, quando o tubo de Rh foi utilizado. A alta

intensidade da luz síncrotron resolveu os problemas de precisão intermediária

observados nas medidas das amostras de álcoois realizadas com tubo de Rh.

Em outro estudo, no qual os espectros de XRF de amostras de adoçantes

dietéticos e óleos vegetais foram analisados por PCA, os resultados revelaram

agrupamentos entre compostos com composições químicas ligeiramente distintas.

Nesse caso, o uso do tubo de Rh foi adequado para atingir os objetivos propostos. Nas

análises de óleos, a formação dos diversos grupos foi baseada nas variedades de óleos

de soja, canola, girassol e milho. Nos testes realizados com adoçantes, os resultados

mostraram uma tendência de diferenciação entre as amostras compostas por diferentes

edulcorantes, principalmente entre aqueles que contêm ou que não contêm o átomo de

enxofre em suas moléculas.

O estudo realizado com amostra de urina conclui este trabalho, ressaltando mais

uma vantagem do uso da XRF aliada a quimiometria: a possibilidade de realizar

quantificações diretas e simultâneas de elementos inorgânicos e compostos orgânicos

em amostras líquidas complexas. Nesse caso, um método para determinação de Ca, P,

Na, K, Mg, Cl, uréia, glicose e creatinina em amostra de urina é apresentado, no qual os

coeficientes de regressão da ordem de 0,99, obtidos para os modelos de calibração dos

xii

diferentes analitos, mostram a potencialidade da técnica para ser implementada em

laboratórios de rotina.

xiii

ABSTRACT

This work presents an innovation in analytical chemistry dealing with new

applications of X-ray fluorescence technique in which the X-ray scattering effects and

the chemometric tools play essential roles.

X-ray scattering spectra resulting from interaction of simple organic samples were

obtained with two sources, a common bench top spectrometer equipped with a Rh tube

and also with synchrotron radiation (from the XRF beam line of the Laboratório Nacional

de Luz Síncrotron (LNLS), Campinas, SP, Brazil). Distinct scattering profiles are

observed for both excitation sources: a continuum for synchrotron light and intense

peaks related to Compton and Rayleigh effects when a Rh tube is used. After

processing the spectra from both sources, it was observed that the high intensity of

synchrotron radiation solved the intermediate precision problems found in measuring

samples via Rh tube.

In another study, the spectra of sweetners and vegetable oils were analysed by

XRF with PCA and the results showed distinct groupings for distinct samples. In this

case, the Rh source was adequate to reach the objectives. In oil analyses, different

groupings are based on the varieties of soybean, corn, canola and sunflower oils. In the

case of sweetners, the results show a tendence to diferentiate samples of dissimilar

artificial sweetners, especially when the presence of sulfur is of major importance.

A study performed with urine samples is the final part of this work, poiting out one

more advantage of using X-ray fluorescence with chemometrics, that is, the possibility of

simultaneous and direct quantifications of inorganic elements and organic compounds in

complex liquid samples. In this case a method for determining Ca, P, Na, K, Mg, Cl,

urea, glucose and creatinine is presented with good regression coefficients being

obtained for the different analytes. This can be taken as a good indication of the

potential of the technique for implementation in routine laboratories.

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SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS.........................................................................................xvii

LISTA DE TABELAS .................................................................................................... xix

LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... xxi

CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO .........................................................................................1

I.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................3

CAPÍTULO II – OBJETIVOS............................................................................................5

II.1 OBJETIVOS GERAIS ........................................................................................7

CAPÍTULO III – ESPECTROMETRIA DE RAIOS X ........................................................9

III. 1 A DESCOBERTA DOS RAIOS X ..................................................................11

III. 2 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X (XRF)........................................................11

III. 2.1 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X POR COMPRIMENTO DE ONDA

DISPERSIVO (WDXRF) ...................................................................................13

III. 2.2 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X POR DISPERSÃO DE ENERGIA

(EDXRF)............................................................................................................14

III. 2.3 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM REFLEXÃO TOTAL (TXRF) ..16

III. 2.4 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM FONTE DE LUZ SÍNCROTRON

(SEXRF)............................................................................................................17

III. 2.5 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X INDUZIDA POR PARTÍCULA

(PIXE) ...............................................................................................................18

III. 3 ESPALHAMENTO DE RAIOS X....................................................................18

III. 4 MÉTODOS QUIMIOMÉTRICOS E A ESPECTROMETRIA DE RAIOS X......26

III. 4.1 ANÁLISE EXPLORATÓRIA ..................................................................27

III. 4.2 CALIBRAÇÃO MULTIVARIADA ...........................................................28

CAPÍTULO IV – ESTUDO DO ESPALHAMENTO DE RAIOS X ...................................31

IV. 1 ESTUDO DO ESPALHAMENTO DE RAIOS X .............................................33

IV. 2 PARTE EXPERIMENTAL ..............................................................................34

IV. 3 ANÁLISE DE GRAFITE, NANOTUBOS DE CARBONO, COQUE E

CARVÃO ATIVADO ..............................................................................................35

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IV. 4 ANÁLISE DE ÁLCOOIS ................................................................................39

CAPÍTULO V – ANÁLISE DE ADOÇANTES DIETÉTICOS ..........................................47 V. 1 ANÁLISE DE ADOÇANTES DIETÉTICOS ....................................................49

V. 2 PARTE EXPERIMENTAL ...............................................................................50

V. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................51

CAPÍTULO VI – ANÁLISE DE ÓLEOS VEGETAIS.......................................................57 VI. 1 ANÁLISE DE ÓLEOS VEGETAIS .................................................................59

VI. 2 PARTE EXPERIMENTAL ..............................................................................60

VI. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO .....................................................................61

CAPÍTULO VII – ANÁLISE DE URINA ..........................................................................67 VII. 1 ANÁLISE DE URINA ....................................................................................69

VII. 2 PARTE EXPERIMENTAL .............................................................................70

VII. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................71

CAPÍTULO VIII – CONCLUSÕES..................................................................................85

VIII. 1 CONCLUSÕES............................................................................................87

CAPÍTULO IX – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................89

IX. 1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................91

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LISTA DE ABREVIATURAS

EDXRF – Fluorescência de Raios X por Dispersão em Energia

ET-AAS – Espectrometria de Absorção Atômica com Atomização Eletrotérmica

FSA – Agência de Padrões de Alimentos

FT - IR – Espectrometria no Infravermelho com Transfromada de Fourier

GERX – Grupo de Espectrometria de Raios X

HCA – Análise Hierárquica de Agrupamento

HC-UNICAMP – Hospital das Clínicas da Universidade Estadual de Campinas

ICP-MS – Espectrometria de Massas com Fonte de Plasma por Acoplamento Indutivo

ICP OES – Espectrometria de Emissão Óptica com Fonte de Plasma por Acoplamento

Indutivo

INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

IOOC – Conselho Internacional do Azeite

KNN – Regra dos K-Vizinhos mais Próximos

LNLS – Laboratório Nacional de Luz Síncrotron

MS – Espectrometria de Massas

NIR – Espectrometria no Infravermelho Próximo

PC – Componente Principal

PCA – Análise de Componentes Principais

PCR – Regressão de Componentes Principais

PIXE – Fluorescência de Raios X Induzida por Partìculas

PLS – Regressão por Quadrados Mínimos Parciais

RDA – Análise Discriminante Regularizada

SIMCA – Modelos Independentes e Similaridades utilizando Componentes Principais

SRXRF – Fluorescência de Raios X com Luz Síncrotron

SR TXRF – Fluorescência de Raios X com Reflexão Total induzido por Luz Síncrotron

TXRF – Fluorescência de Raios X com Reflexão Total

WDXRF – Fluorescência de Raios X por Dispersão em Comprimento de Onda

XAS – Espectrometria de Absorção de Raios X

XRF – Fluorescência de Raios X

xix

LISTA DE TABELAS

Tabela VII.3 Valores previstos pelos modelos de calibração construídos com dados do

EDXRF para os diferentes analitos e valores de referência (obtidos por ICP OES para os

elementos químicos e por métodos padrão do HC-UNICAMP para os compostos

orgânicos)...............................................................................................................................83

xxi

LISTA DE FIGURAS

Figura III.2 Representação do efeito fotoelétrico.........................................................................12 Figura III.3.1 Representação dos fenômenos Compton e Rayleigh........................................... 19 Figura III.3.2 Espectros da grafite contendo o pico Rayleigh e as bandas Compton e Raman, onde λ0 nas figuras representam a posição do pico Rayleigh, λC a posição da banda Compton e λR a posição da pequena banda do efeito Raman (Suzuki et al., 1970) .....................................21 Figura III.3.3 Espectros de diferentes amostras contendo o pico Rayleigh e as bandas Compton e Raman, onde λ0 nas figuras representam a posição do pico Rayleigh, λC a posição da banda Compton e λR a posição da pequena banda do efeito Raman (Suzuki et al., 1970) ..................23 Figura III.3.4 Espectros de espalhamento Raman e de absorção de raios X para amostras puras de lítio e berílio (Suzuki et al., 1970) .................................................................................24 Figura III.3.5 Representaçã da ocorrência do fenômeno Raman de raios X (Tohji & Udagawa, 1989) ...........................................................................................................................................24 Figura IV.1 Espectro de uma amostra de sílica pura..................................................................33 Figura IV.3.1 Espectros das amostras de matriz de carbono a) Espectros obtidos no EDXRF com tubo de Rh b) Espectros obtidos no LNLS com luz síncrotron.............................................36 Figura IV.3.2 Gráficos de scores das amostras a base de carbono, após processar PCA a) Amostras analisadas no EDXRF com tubo de Rh b) Amostras analisadas no LNLS com radiação síncrotron.......................................................................................................................38 Figura IV.4.1 Espectros das amostras dos diferentes álcoois a) Amostras analisadas por EDXRF com tubo de Rh b) Amostras analisadas por EDXRF com radiação síncrotron.............40 Figura IV.4.2 Gráficos de scores das amostras de álcoois, obtidos após processar PCA a) Amostras analisadas por EDXRF com tubo de Rh b) Amostras analisadas por EDXRF com radiação síncrotron.......................................................................................................................41 Figura IV.4.3 Modelo de regressão construído empregando-se o método PLS.........................42 Figura IV.4.4 Espectros contendo o pico Rayleigh e as bandas Compton e Raman, onde λ0 nas figuras representam a posição do pico Rayleigh, λC a posição da banda Compton e λR a posição da pequena banda do efeito Raman (Suzuki et al., 1970) ..........................................................44 Figura V.1 Estruturas moleculares dos diferentes edulcorantes presentes nos adoçantes analisados....................................................................................................................................50 Figura V.3.1 Espectro de amostra de adoçante irradiada com 15 kV de voltagem aplicada ao tubo de Rh....................................................................................................................................51

xxii

Figura V.3.2 Espectro de uma amostra de adoçante irradiada com 50 kV de voltagem aplicada ao tubo de Rh...............................................................................................................................52 Figura V.3.3 Resultados de PCA das amostras de adoçantes dietéticos irradiadas com 15 kV de voltagem aplicada ao tubo de Rh a) Gráficos de scores das amostras de adoçantes. b) Gráficos de loadings das amostras de adoçantes.......................................................................53 Figura V.3.4 Resultados de PCA das amostras de adoçantes dietéticos irradiadas com 50 kV de voltagem aplicada ao tubo de Rh a) Gráficos de scores das amostras de adoçantes. b) Gráficos de loadings das amostras de adoçantes.......................................................................54 Figura VI.3.1 Resultados obtidos para as amostras de óleos vegetais, após processar PCA utilizando Pirouette 2.02. a) Gráfico de scores das amostras de óleos. b) Gráfico de loadings das amostras de óleos.................................................................................................................62 Figura VI.3.2 Gráfico de scores das amostras de azeites obtido após processar PCA..............63 Figura VI.3.3 Gráfico de scores das amostras de óleos de oliva autênticas e adulteradas, após processar PCA .................................... .......................................................................................64 Figura VII.3.1 Superfície de resposta obtida para o elemento Ca...............................................73 Figura VII.3.2 Superfície de resposta obtida para o elemento P.................................................74 Figura VII.3.3 Superfície de resposta obtida para o elemento Mg..............................................74 Figura VII.3.4 Superfície de resposta obtida para o elemento Cl................................................75 . Figura VII.3.5 Superfície de resposta obtida para o elemento Na...............................................76 Figura VII.3.6 Superfície de resposta obtida para o elemento K.................................................76 Figura VII.3.7 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Ca com 3 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).............................................................................................77 Figura VII.3.8 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o P com 3 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência) ............................................................................................78 Figura VII.3.9 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Na com 2 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).............................................................................................78 Figura VII.3.10 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o K, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).................................................................................................................79 Figura VII.3.11 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Mg com 5 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).............................................................................................79

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Figura VII.3.12 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Cl com 2 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).............................................................................................80 Figura VII.3.13 Curvas de calibração e validação da uréia, obtidas por PLS com 4 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados do HC-UNICAMP (valores de referência) ...................................................................................81 Figura VII.3.14 Curvas de calibração e validação da glicose, obtidas por PLS com 4 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados do HC-UNICAMP (valores de referência) ...................................................................................81 Figura VII.3.15 Curvas de calibração e validação da creatinina, obtidas por PLS com 4 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados do HC-UNICAMP (valores de referência) ...................................................................................82

Introdução ______________________________________________________________________

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CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO �

Introdução ______________________________________________________________________

3

I. 1 INTRODUÇÃO

A Química Analítica é a área responsável pelo desenvolvimento de novas

metodologias de análise, aplicáveis aos mais variados campos da pesquisa científica e

em laboratórios de rotina. A contínua procura por métodos cada vez mais seletivos,

versáteis, econômicos, robustos, etc., é que mantém o desenvolvimento desta área, o

que acaba contribuindo significativamente para o progresso de outras.

Uma das grandes sub-áreas da Química Analítica é a Espectrometria, dentro da

qual, nesse trabalho, destaca-se a técnica de fluorescência de raios X (XRF, do inglês,

X-ray Fluorescence). A XRF nasceu por volta de 1912, quando o físico inglês Henry

Moseley estabeleceu uma relação matemática entre as energias dos raios X e os

números atômicos dos elementos químicos (Jenkis, 1999).

Pode-se dizer que a XRF hoje está bem disseminada na comunidade científica,

por sua habilidade em determinar elementos químicos, geralmente de forma rápida,

sem destruir a matriz, com baixo custo operacional e mínimo, ou mesmo nenhum,

preparo da amostra. Está pronta a solucionar certos problemas químicos, além das

inúmeras aplicações em outras áreas da ciência como medicina, geologia, biologia,

arqueologia, entre outras (Börjesson et al, 2003; Potts et al, 2003)

O fenômeno que fundamenta as medidas por XRF é o efeito fotoelétrico. Porém,

além deste, efeitos de espalhamento do feixe incidente, conhecidos como

espalhamentos Rayleigh, Compton e Raman de raios X, ocorrem simultaneamente,

embora sejam pouco utilizados pelos pesquisadores em medidas analíticas.

Considerando-se a importância dos estudos científicos voltados para o

aprimoramento das técnicas analíticas e visando avanços, especialmente dentro da

espectrometria de raios X, desenvolveu-se neste trabalho uma alternativa para análises

envolvendo a fluorescência de raios X, mas enfocando principalmente o uso do

espalhamento da radiação X e a análise multivariada de dados químicos, área

conhecida como quimiometria.

Objetivos ______________________________________________________________________

5

CAPÍTULO II - OBJETIVOS

Objetivos ______________________________________________________________________

7

II. 1 OBJETIVOS GERAIS

O principal objetivo deste trabalho é apresentar uma nova aplicação da técnica

de espectrometria de raios X, baseada nos sinais analíticos gerados tanto pelo efeito

fotoelétrico, como pelos efeitos dos espalhamentos Compton, Rayleigh e,

principalmente, Raman de raios X. A partir disso, outros objetivos fazem parte do

trabalho:

��Estudar o espalhamento de raios X, avaliando a posição e a intensidade dos

picos ou bandas de espalhamento provenientes de diferentes amostras contendo

essencialmente elementos leves.

�� Avaliar o perfil espectral do espalhamento de raios X provenientes de diferentes

fontes de excitação, comparando as informações obtidas dos diferentes sinais.

��Conduzir estudos que comprovem que a região do espalhamento da radiação

traz informações qualitativas e quantitativas a respeito das amostras.

��Empregar a quimiometria no tratamento dos espectros obtidos, utilizando análise

de componentes principais (PCA, do inglês, Principal Component Analysis) para

a análise exploratória não supervisionada dos dados e o método de regressão

PLS (do inglês, Partial Least Squares), para a construção de modelos de

calibração multivariada.

��Desenvolver métodos analíticos que, aprimorados em estudos futuros, possam

ser implementados na prática, segundo as necessidades de laboratórios de

rotina.

Espectrometria de raios X ______________________________________________________________________

9

CAPÍTULO III -

ESPECTROMETRIA DE RAIOS X �

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11

III. 1 A DESCOBERTA DOS RAIOS X

Na noite de 08 de novembro de 1895, o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen

trabalhava numa sala totalmente escura, utilizando um tubo de Coolidge com o qual

estudava a condutividade dos gases. A certa distância do tubo, havia uma folha de

papel tratada com platinocianeto de bário usada como tela. Röntgen viu com espanto a

tela brilhar, emitindo luz. Ele achou que esta luz não poderia ser proveniente da válvula,

pois estava coberta por uma cartolina negra e nada (luz ou raio catódico) poderia ter

vindo dela. Surpreso, fez várias investigações. Virou a tela, expondo o lado sem o

revestimento de platinocianeto de bário, e esta continuava a brilhar. Colocou diversos

objetos entre a válvula e a tela e viu que todos pareciam transparentes, mas não

demorou a ter uma surpresa maior quando sua mão escorregou em frente à válvula e

viu seus ossos na tela. Registrou em chapas fotográficas suas observações e só então

teve certeza de que estava diante de algo novo. Em 28 de dezembro de 1895, Röntgen

entregou à Sociedade Físico-Médica de Wurzburg, Alemanha, um relatório preliminar

de sua descoberta, descrevendo as pesquisas que fizera nas sete semanas anteriores:

os objetos tornavam-se transparentes diante dos novos raios que, por serem

desconhecidos, chamou-os de raios X. Em 1901, Röntgen foi laureado com o primeiro

Prêmio Nobel da Física e, posteriormente, o seu nome foi dado ao elemento 111

(IUPAC, 2004). Na Primeira Guerra Mundial, pode-se dizer que os benefícios dos raios

X salvaram mais de 10 mil vidas. A partir de 1950, técnicas baseadas em raios X se

tornaram ferramentas importantes dentro da física teórica e desde então, seu uso vem

crescendo em diversas áreas, como a de caracterização de materiais, por exemplo.

Hoje, os métodos baseados em absorciometria de raios-X são essenciais para as

indústrias e radiografias médicas (Jenkins, 1999).

III. 2 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X (XRF)

A técnica de fluorescência de raios X nasceu por volta de 1912, com um trabalho

apresentado por Henry Moseley embora, somente a partir de 1948, a técnica ganhou

força com um trabalho apresentado por Freidman & Birks (Jenkins, 1999).


12

A XRF é classificada como uma técnica de emissão atômica, fundamentada no

efeito fotoelétrico. Quando um átomo é submetido a um processo de irradiação

utilizando-se de uma fonte de raios X (tubos de raios X, indução por partícula,

radioisótopos naturais, luz síncrotron, etc.), um elétron pode ser ejetado das camadas

eletrônicas mais internas do átomo. Para estabilização deste estado de excitação,

elétrons das camadas eletrônicas mais externas ocupam rapidamente as vacâncias

geradas, liberando a diferença de energia existente entre os dois níveis de energia; a

radiação emitida para cada transição é característica para cada elemento presente na

amostra. O fenômeno está representado na Figura III.2. Desta maneira, a energia ou

comprimento de onda da radiação emitida pode ser diretamente utilizada na

determinação qualitativa de um elemento, assim como a intensidade da radiação

emitida pode ser empregada na quantificação de tal espécie (Jenkins, 1999; Skoog et

al., 2002).

Figura III.2 Representação do efeito fotoelétrico.

A partir de 1950, começaram a surgir os primeiros espectrômetros de

fluorescência de raios X comerciais, de forma que hoje a técnica apresenta uma ampla

variedade de equipamentos que se diferenciam pelo modo de excitação ou pela

configuração (geometria), sendo basicamente divididos em 3 categorias:

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13

1 – Por dispersão em comprimento de onda (seqüencial ou simultâneo), sigla em inglês,

WDXRF (Wavelength Dispersive X-ray Spectrometry).

2 – Por dispersão em energia (com diferentes modos de excitação), sigla em inglês,

EDXRF (Energy Dispersive X-ray Spectrometry).

3 – Os especiais, que apresentam configurações que merecem ser destacadas:

3.1 – Reflexão Total, sigla em inglês, TXRF (Total Reflection X-ray Spectrometry).

3.2 – Com Fonte de Luz Síncrotron, sigla em inglês, SRXRF (Synchrotron Radiation X-

ray Spectrometry).

3.3 – Indução por Partículas, sigla em inglês, PIXE (Particle Induced X-ray Emission).

Equipamentos portáteis de XRF, que utilizam radioisótopos ou tubos de raios X

como fonte de excitação, também já são bastante empregados em análises de rotina,

sendo que as principais aplicações estão voltadas para análises de obras de arte

(Calligaro, 2002; Pappalardo et al., 2006). Na ciência, seu grande potencial é enfocado

para análises in vivo (Aro et al., 2000; Börjesson et al., 2003).

III. 2.1 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X POR COMPRIMENTO DE ONDA

DISPERSIVO (WDXRF)

Os espectrômetros de comprimento de onda dispersivo (WDXRF, do inglês,

Wavelength Dispersive X-Ray Fluorescence) são constituídos essencialmente por um

cristal e um detector monocanal que são usados para a medida seqüencial de vários

comprimentos de onda, ou por um detector multicanal que apresenta um conjunto de

cristais e detectores para realização de medidas simultâneas. Nos espectrômetros

convencionais, um cristal de espaço interplanar conhecido (cristal analisador), que é

movimentado por um goniômetro, atua como uma rede de difração. Ele dispersa o feixe

policromático proveniente da emissão da amostra, difratando cada comprimento de

onda característico a um ângulo específico. Ou seja, quanto maior o comprimento de

onda, maior o ângulo de dispersão, segundo a lei de Bragg (Skoog et al., 2002).

Uma das grandes vantagens associadas à utilização de instrumentos de WDXRF

está no fato das análises serem obtidas quase sem interferências espectrais, devido à


14

alta resolução proporcionada pelo sistema cristal/goniômetro. Isso permite uma seleção

de comprimentos de onda com máxima eficiência na linha de interesse ou eficiência

mínima nas linhas interferentes. Além disso, existem filtros que possibilitam eliminar as

interferências entre as linhas características da fonte e o sinal de emissão do elemento

de interesse, bem como a escolha correta do cristal analisador, que permite separar e

selecionar uma região específica e muito estreita do espectro de emissão de raios X.

Recentemente, Barilaro et al. (2006) empregaram a técnica em análises

arqueológicas para caracterização de fragmentos obtidos de escavação no sul da Itália.

A escolha da WDXRF e da FT-IR (do inglês, Fourier Transformed Infrared

Spectroscopy) pelos autores foi baseada na possibilidade de realizar análises não

destrutivas das amostras consideradas preciosas, e na possibilidade de correlacionar

os dados obtidos com a origem dos fragmentos. Os resultados obtidos usando WDXRF,

principalmente relativos às concentrações de Ni e Cr, foram valiosos na diferenciação

das amostras pertencentes à Itália e algumas pertencentes à Grécia. Valores abaixo de

150 e 250 mg L-1 para Ni e Cr, respectivamente, são característicos de amostras da

Sibari, região do sul da Itália, enquanto valores acima destes supostamente são de

origem grega.

Em outro trabalho (Marguí et al., 2005), a técnica foi empregada para

determinação multielementar de mais de 14 elementos em amostras de vegetais.

Considerando a ampla faixa de concentração obtida em material de referência

certificado, que variou de < 0,1 mg L-1 até > 1000 mg L-1 para diferentes elementos,

considera-se o uso da WDXRF bastante adequado para o estudo em questão.

III. 2.2 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X POR DISPERSÃO DE ENERGIA (EDXRF)

A maioria dos instrumentos de fluorescência de raios X por EDXRF é multicanal

e consiste somente de duas unidades básicas: a fonte de excitação e o sistema de

detecção, que geralmente emprega um detector semicondutor de Si(Li) acoplado a

sistemas eletrônicos que atuam como agente de dispersão.

A análise quantitativa por EDXRF apresenta baixa resolução e pobre

detectabilidade para certos elementos, quando comparada à análise por WDXRF;


15

porém, tem a grande vantagem de ser rápida, permitir a montagem de um

espectrômetro de baixo custo, entre outras.

Para contornar o problema dos limites de detecção, alguns trabalhos reportados

na literatura empregam métodos de concentração da amostra antes da análise por

EDXRF (Nagata et al., 1997; Cornejo-Ponce et al., 1998). Recentemente, Teixeira et al.

(2007) propuseram um método de quantificação para cobre e ferro em gasolina

automotiva, após concentração dos analitos em papel celulose. Embora muitas técnicas

sejam capazes de realizar determinações quantitativas de Cu e Fe, o trabalho é

interessante, se for considerado que XRF é a técnica padrão para quantificar enxofre

em gasolina, e que pode se estender para quantificar simultaneamente outros

elementos de grande importância nesse tipo de amostra.

Em outro estudo recente, a técnica de EDXRF foi aplicada para análises

arqueológicas e metalúrgicas de amostras provenientes de certas regiões de Israel,

com base na vantagem da técnica que permite realizar análises em campo (Shalev et

al., 2006). As amostras foram irradiadas em uma estação piloto com um espectrômetro

improvisado com tubo de Rh e detector Peltier e os resultados foram bastante

satisfatórios, podendo ser correlacionados com a procedência das amostras.

Outros trabalhos recentes reportados na literatura mostram muitas aplicações da

EDXRF. Enfocando especificamente o uso de radioisótopos como fontes de excitação

da amostra, Papachristodoulou et al. (2006) e Mukhamedshina & Mirsagatova (2005)

empregaram 109Cd em estudos de caracterização de amostras de porcelanas antigas e

ligas metálicas, respectivamente. Os autores ressaltam que a XRF mostrou ser

bastante útil, considerando a rápida obtenção da composição química dos materiais, a

determinação de macro-componentes com resultados semi-quantitativos, sem a

necessidade de um padrão, e ainda, no estudo com as porcelanas, possibilitar o uso da

quimiometria para o tratamento dos dados obtidos, o que foi essencial para avaliação

da procedência e processos de manufatura.


16

III. 2.3 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM REFLEXÃO TOTAL (TXRF)

Uma vertente de grande sucesso da técnica de XRF é a TXRF, baseada nos

mesmos princípios da técnica convencional, embora com algumas diferenças na

configuração do equipamento, que são bastante significativas. Nesse caso, o feixe de

radiação atinge a amostra com um ângulo de incidência muito pequeno, minimizando a

sua interação com o substrato. A radiação emitida é detectada perpendicularmente e

bem próxima à amostra, maximizando o número de fótons coletados pelo detector. Para

isso, a amostra, que deve ser líquida ou solubilizada, deve ser apresentada na forma de

um filme depositado sobre um suporte muito limpo e opticamente plano, geralmente de

quartzo.

Essas modificações elevam a detectividade da técnica de XRF convencional,

famosa por apresentar alta radiação de fundo decorrente de efeitos de espalhamento

da radiação.

Considerando as vantagens dessa vertente da XRF, muitos trabalhos que

envolvem a TXRF estão sendo publicados com diferentes enfoques (Misra & Singh

Mudher, 2002; Meinschad et al., 2003; Klockenkämper, 2006; Nagata et al., 2006; Streli

et al. 2006).

Com os 30 anos da descoberta da TXRF, é interessante mencionar que hoje,

além da sua grande importância em microanálises, ela vem ganhando espaço em

análises de superfície e de camadas finas. Segundo Misra & Singh Mudher (2002),

nenhuma outra técnica de análise pode competir com a TXRF, considerando sua

aplicação para análises de wafers finos. Segundo Klockenkämper (2006), os bons

limites de detecção que vêm sendo alcançados pela técnica a tem colocado em pé de

igualdade com outras bastante empregadas, como ICP OES, ET-AAS e ICP-MS. Os

maiores desafios são combinar a reflexão total dos raios X com os diversos métodos de

excitação de raios X e, assim, disseminar a potencialidade da técnica. Nesse contexto,

Streli et al. (2006) descreveram alguns resultados recentes obtidos com a SR TXRF (do

inglês, Synchrotron Radiation Induced Total Reflection X-Ray Fluorescence), os quais

foram bastante satisfatórios para análises de aerosol, alumina ultra pura e especiação


17

de As em xilema. Nagata et al. (2006) determinaram traços de chumbo e arsênio em

soluções aquosas, após empregarem quimiometria para análise de dados.

III. 2.4 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X COM FONTE DE LUZ SÍNCROTRON

(SRXRF)

A técnica de SRXRF difere da XRF convencional pelo fato de empregar a luz

síncrotron como fonte de excitação. Para se gerar a luz síncrotron, elétrons são

injetados em um anel com alto vácuo e mantidos em alta energia cinética através de

uma bobina de radiofreqüência e de um oscilador eletromagnético. Os campos verticais

aceleram os elétrons horizontalmente, e esta aceleração por um imã curvo, causa a

emissão tangencial de um feixe de radiação de amplo espectro, denominada luz

síncrotron.

Este tipo de fonte tem proporcionado melhoras significativas na detectabilidade

dos elementos, decorrentes das próprias propriedades físicas deste tipo de radiação. A

radiação síncrotron apresenta um feixe muito mais intenso que as fontes convencionais,

distribuição contínua de energia, feixe altamente colimado e polarização linear no plano

da trajetória em que o elétron é mantido, permitindo reduzir os efeitos de espalhamento

e, conseqüentemente, a radiação de fundo. Assim, recentemente, Bazhanova et al.

(2007) aplicaram a SRXRF num estudo de avaliação da composição elementar de

tecidos humanos saudáveis e doentes, enquanto Farquharson et al. (2007) mapearam

cobre e outros elementos traços em tumor de mama, usando um micro feixe de luz

síncrotron. Muitos outros trabalhos reportados na literatura envolvendo SRXRF têm sido

aplicados em análises biológicas, principalmente em estudos de casos, como os citados

acima.

Apesar das grandes vantagens de se empregar luz síncrotron, deve ser

ressaltado que um dos principais inconvenientes desta técnica é o alto custo embutido

na construção e manutenção do gerador dessa radiação. Além disso, a intensidade da

fonte diminui com tempo, propriedade que deve ser contornada através do

monitoramento contínuo do feixe primário ou com o emprego de padrão interno nas

amostras analisadas.


18

III. 2.5 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X INDUZIDA POR PARTÍCULA (PIXE)

A técnica PIXE difere da XRF tradicional basicamente por empregar um

acelerador de partículas (Acelerador de Van de Graaff), que acelera partículas alfa ou

prótons que são os responsáveis pela excitação do átomo. Para evitar perdas de

intensidade da fonte, o sistema é mantido em câmara de vácuo. A maior intensidade e a

facilidade de focalização do feixe produzido pelo acelerador de partículas são as

grandes vantagens da técnica PIXE em relação a XRF tradicional, enquanto o alto custo

é o principal inconveniente da técnica.

Zhu et al. (2006) aplicou PIXE num estudo de origem de porcelanas chinesas

antigas e Wierzchos et al. (2006) estudou a composição elementar de pedras do

deserto da Antártica. Os autores sempre destacam a vantagem de a técnica possibilitar

análises não destrutivas, tornando-a bastante apropriada para estudos nessas áreas.

O uso de quimiometria para tratamento de dados provenientes de PIXE também

vem ganhando algum espaço na comunidade científica. Biancato et al. (2006)

empregaram análise de componentes principais para analisar os resultados obtidos das

composições elementares de partículas de aerosol provenientes da costa da Antártica,

enquanto no trabalho realizado por Zhu et al. (2006), a análise de fatores foi empregada

para identificar a procedência das porcelanas analisadas.

III. 3 ESPALHAMENTO DE RAIOS X

O espalhamento da radiação X ocorre quando um fóton de raios X interage com

os elétrons dos elementos químicos, sem que haja os fenômenos quantizados de

absorção/emissão de energia pelo átomo. Assim, esses efeitos acontecem

concomitantemente ao efeito fotoelétrico, sendo o efeito de espalhamento mais

acentuado para os elementos que apresentam baixos coeficientes de absorção para a

radiação X.

O espalhamento Rayleigh, também chamado de espalhamento coerente, ocorre

quando a interação entre os fótons da fonte de excitação e os elétrons das camadas

externas do átomo é elástica, ou seja, quando não há perda de energia durante o


19

processo de colisão. Todos os átomos espalham fótons de raios X pelo processo

Rayleigh a uma maior ou menor extensão, embora a intensidade do espalhamento

dependa do número atômico.

O espalhamento Compton, também chamado de espalhamento incoerente,

ocorre quando os fótons espalhados dispersam uma pequena parte de sua energia

durante a colisão, especialmente quando o elétron que colide com o fóton está ligado

fracamente ao átomo (Jenkins, 1999). Segundo Compton, os raios espalhados sofrem

mudanças no comprimento de onda, caracterizadas por um aumento no seu tamanho

(Compton, 1929). Nesse trabalho, Compton denominava os efeitos de espalhamento

como as linhas “não modificadas” e linhas “modificadas”, o que hoje correspondem aos

fenômenos Rayleigh e Compton.

Uma representação simples desses fenômenos se encontra na Figura III.3.1

abaixo:

Figura III.3.1 Representação dos fenômenos Compton e Rayleigh.

As intensidades relativas destes fenômenos dependem também da composição

da matriz da amostra e aumentam proporcionalmente com a diminuição da massa

molar média da amostra. Portanto, amostras com grande quantidade de átomos leves

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20

(amostras orgânicas, por exemplo) apresentam espalhamento muito intenso

(Jenkins,1999).

Considerando as aplicações da XRF tradicional, o espalhamento da radiação

incidente sempre foi considerado muito indesejável. Estes efeitos de espalhamento

foram estudados com a ajuda de métodos matemáticos sofisticados e têm sido usados

para corrigir resultados quantitativos de concentrações elementares (Marcó et al., 1999)

Mais freqüentemente, tenta-se minimizar estes efeitos, já que eles contribuem

fortemente para a radiação de fundo, quando sinais de certos elementos químicos são

monitorados (Bos & Vrielink, 2005).

Além dos efeitos Compton e Rayleigh, outro tipo de espalhamento de baixa

intensidade também ocorre, chamado espalhamento Raman de raios X ou

espalhamento eletrônico (Tohji & Udagawa, 1987; Tohji & Udagawa, 1989). Já em

1929, Compton relatou algumas palavras sobre as linhas “modificadas”

correspondentes à radiação espalhada serem raios X muito análogos às linhas Raman

vibracionais, descobertas alguns meses antes. Todavia, a teoria do espalhamento

Raman de raios X só foi aceita pela comunidade científica após publicação do trabalho

de Mizuno & Ohmura (1967), no qual o espalhamento foi definido como o referente à

perda de energia do fóton durante sua interação com um átomo, caracterizada como a

energia de ionização de elétrons de camadas internas (K, L, ou mesmo M) do átomo em

questão.

No mesmo ano, Suzuki (1967), baseando-se nas considerações teóricas de

Mizuno e Ohmura, resolveu demonstrar experimentalmente o espalhamento Raman,

trabalhando com amostras de elementos puros leves tais como lítio, berílio, boro e

carbono, tubos de raios X (radiação K� do Cu e Cr) e espectrômetros por dispersão de

comprimento de onda. Os autores variavam o ângulo de incidência dos raios X (30°,

60°, 80°, 120° e 140°, dependendo do elemento usado como espalhador) e detectavam

a ocorrência de um processo de absorção de energia, no qual os elétrons eram

deslocados para níveis atômicos não quantizados acima do nível de Fermi, o que

gerava um pico deslocado em relação ao espalhamento Rayleigh, que representava

esse processo. Os autores provavam assim a ocorrência de um fenômeno

desconhecido até então, chamando-o de espalhamento Raman de raios X. Nesta


21

situação, os fótons de alta energia que incidiram sobre as amostras com baixo número

atômico não provocariam a ocorrência do fenômeno fotoelétrico.

Em 1970, Suzuki e colaboradores (Suzuki et al., 1970) publicaram outro trabalho

na área, quando foi observado e confirmado experimentalmente que o pico Compton

variava seu perfil e sua posição no espectro com a variação no ângulo entre a fonte de

excitação e o detector (Figura III.3.2). Por outro lado, o espalhamento Raman se

deslocava e tinha sua intensidade alterada de acordo com a composição da amostra

(Figura III.3.3).

Figura III.3.2 Espectros da grafite contendo o pico Rayleigh e as bandas Compton e Raman,

onde λ0 nas figuras representam a posição do pico Rayleigh, λC a posição da banda Compton e

λR a posição da pequena banda do efeito Raman (Suzuki et al., 1970).

Analisando a Figura III.3.2, retirada do trabalho de Suzuki e colaboradores

(1970), observa-se o aparecimento de uma banda deslocada em relação ao pico


22

Rayleigh, com uma perda de energia bastante significativa. Além disso, observa-se o

deslocamento do pico Compton com o aumento do ângulo entre fonte e detector.

Isso leva a concluir que o espalhamento Compton não é dependente da

composição da amostra, mas sim do desenho experimental analítico. Essa

consideração está de acordo com a teoria que descreve o pico Compton em XRF

proposta por Van Gysel et al. (2003), que mostra a dependência desse efeito com seu

ângulo de medida. Nesse trabalho, os autores apresentam a equação:

∆E = E0 – EC / mc2 (1 – cosθ ) Equação 1

onde ∆E é a diferença de energia (keV) entre a radiação incidente e a radiação

espalhada, mc2 é a energia de um elétron no estado de repouso (510,996 keV), θ é o

ângulo de espalhamento, E0 é a energia do fóton antes do processo do espalhamento

ocorrer e Ec é o valor de energia devido ao espalhamento Compton. Sendo assim,

outros fenômenos de espalhamento, se característicos da amostra irradiada, não

podem estar relacionados com o espalhamento Compton, que depende somente de

parâmetros geométricos.

Analisando outra figura (Figura III.3.3), também retirada do trabalho de Suzuki e

colaboradores (1970), podem ser observados novamente os deslocamentos de uma

banda de baixa intensidade referente ao efeito Raman de raios X. Neste estudo, os

deslocamentos foram observados em função da variação da composição da amostra.

Assim, é possível associar o espalhamento Raman aos sinais analíticos obtidos para

certas amostras, como é descrito mais adiante.


23

Figura III.3.3 Espectros de diferentes amostras contendo o pico Rayleigh e as bandas Compton

e Raman, onde λ0 nas figuras representam a posição do pico Rayleigh, λC a posição da banda

Compton e λR a posição da pequena banda do efeito Raman (Suzuki et al., 1970).

Ainda analisando a Figura III.3.3, nota-se que quanto mais pesado é o elemento,

maior é o deslocamento Raman em relação ao Rayleigh, ou seja, maior é a perda de

energia em relação à energia incidente. Esse fato só vem a reforçar a teoria de Mizuno

& Ohmura (1967) que atribuem essa perda de energia a energia de ionização de

elétrons das camadas K dos átomos leves. Nesse caso, quanto mais pesado é o

elemento, maior é a energia de ionização e maior é a diferença de energia referente ao

processo de espalhamento.

Outro aspecto bastante interessante do efeito Raman de raios X, observado por

pesquisadores que passaram a estudar o fenômeno em questão (Tohji & Udagawa,

1987; Tohji & Udagawa, 1989; Bergmam et al., 2002), é que o perfil do espectro obtido

para o espalhamento Raman é muito análogo ao espectro de absorção de raios X para

um mesmo material, como pode ser observado na Figura III.3.4.


24

Figura III.3.4 Espectros de espalhamento Raman e de absorção de raios X para amostras

puras de lítio e berílio (Suzuki et al., 1970)

Exatamente pelo fato do espalhamento Raman de raios X se iniciar com um

processo de absorção de energia pelos elétrons da camada K dos elementos leves, a

sua resposta é exatamente a mesma dos processos de XAS (do inglês, X-Ray

Absorption Spectroscopy). A partir desses trabalhos, ficou mais fácil a compreensão do

efeito Raman de raios X, representado na Figura III.3.5, extraída do trabalho de Tohji &

Udagawa (1989).

Figura III.3.5 Representação da ocorrência do fenômeno Raman de raios X (Tohji &

Udagawa, 1989).

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25

De qualquer maneira, até alguns anos atrás, ainda se acreditava que, para medir

especificamente o efeito Raman, seriam necessários seguir alguns requisitos:

1. utilizar uma fonte de radiação muito intensa, altamente polarizada e modulável,

como é o caso da radiação síncrotron.

2. empregar tempos bastante elevados para a contagem do sinal durante as

irradiações, para a produção de uma razão sinal/ruído razoável.

3. empregar um detector especial, já que a resolução requerida para observação do

sinal é de décimos de eV, o que não é, de forma alguma, comum em

equipamentos convencionais de XRF.

De fato, linhas específicas de processos Raman eram somente observáveis em

condições muito especiais e, por isso, muitas vezes sua existência foi considerada

duvidosa, antes do experimento de Suzuki em 1967.

Porém, como esses fenômenos se apresentam como uma multiplicidade de

sinais, principalmente para amostras complexas, hoje se sabe que estes podem ser

perfeitamente tratados por quimiometria, como descrito por Bueno et al. (2005) e

mostrado no decorrer desse trabalho. Mesmo assim, embora muitos pesquisadores

saibam da existência desses efeitos de espalhamento nos espectros obtidos por XRF,

não se costuma usar as informações contidas nesses espectros como sinal de medida

em análises por XRF. Poucos trabalhos são reportados na literatura, que envolvem o

uso do espalhamento da radiação X como resposta do instrumento analítico. Somente

alguns deles tratam da teoria que explica os fenômenos envolvidos, considerando a

composição química das amostras.

Molt & Schramm em 1999 determinaram C, H e O em matrizes líquidas orgânicas

de óleos, glicerina e 2-propanol empregando análise orgânica elementar e usaram PCR

(do inglês, Principal Component Regression) para a construção de modelos de

calibração multivariada, considerando o espalhamento da radiação X como medida

analítica. Os autores apontaram uma maneira simples de quantificar elementos leves

por XRF usando quimiometria para o tratamento de dados, embora não tenham

discutido nada a respeito da correlação entre o espalhamento Raman e os elementos

da amostra. Em continuidade ao estudo, Schramm (2000) mostra ainda a possibilidade


26

de se quantificar Zn nessas amostras orgânicas empregando o espalhamento de raios

X como resposta.

Em trabalho apresentado por Kessier et al. (2002), o uso do espalhamento

Compton e Rayleigh foi fundamental para a identificação de compostos químicos

usando PCA e RDA (do inglês, Regularized Discriminant Analysis). Nesse trabalho, os

autores apontaram a alta correlação existente entre o tamanho das amostras, a posição

e a espessura delas com o sinal do espalhamento da radiação X. Nesse mesmo ano,

Vázquez et al. (2002) empregaram o espalhamento proveniente de experimentos

realizados no modo TXRF, PCA e HCA (do inglês, Hierarchical Cluster Analysis) para

analisar semelhanças e diferenças entre amostras de polímeros. Continuando os

estudos com polímeros, Boeykens & Vázquez (2004) concluíram que a técnica se

mostrou interessante e inovadora para ser aplicada na área, embora estudos teóricos

que possam vir a explicar os resultados experimentais mereçam ainda maior atenção,

sem, portanto, mencionar o efeito Raman como responsável pelo processo.

A partir de 2005, alguns trabalhos começaram a ser publicados pelo grupo de

pesquisa GERX – Grupo de Espectrometria de Raios X (Bortoleto et al., 2005; Bueno et

al., 2005; Verbi et al., 2005; Alexandre & Bueno, 2006; Pereira, 2006; Bortoleto et al.,

2007), mostrando resultados interessantes de estudos com o espalhamento de raios X,

principalmente no que se refere às hipóteses para as observações experimentais.

Dentro desse contexto esta tese foi desenvolvida, ressaltando que a quimiometria para

a análise dos dados exerce um papel fundamental em todos os trabalhos da área.

III. 4 MÉTODOS QUIMIOMÉTRICOS E A ESPECTROMETRIA DE RAIOS X

Devido aos grandes avanços em hardware e software, o uso de computadores

para interpretar resultados de medições químicas aumentou drasticamente nos últimos

anos. Paralelamente, a aquisição de dados na área de química analítica atingiu níveis

bastante sofisticados com o interfaceamento de instrumentos aos computadores,

produzindo uma enorme quantidade de informação, muitas vezes complexa e variada.

Os modernos instrumentos analíticos têm a capacidade de produzir respostas

multivariadas para cada amostra, gerando a necessidade de métodos matemáticos e


27

estatísticos para o tratamento de dados e a máxima extração de informações

relevantes. Foi nesse panorama que surgiu a quimiometria, que é considerada uma

área da química destinada à análise de dados de natureza multivariada (Ferreira et al.,

1999; Hopke, 2003). Embora a quimiometria seja uma área relativamente nova, ela já

produz um grande impacto no campo da espectroscopia, de tal modo que hoje existem

diversos softwares comerciais disponíveis para o processamento dos mais diversos

métodos quimiométricos, além daqueles que já estão incorporados em muitos

instrumentos analíticos comerciais (Geladi, 2003; Hopke, 2003).

De acordo com Luo (2006), embora a quimiometria venha sendo aplicada à

espectrometria de raios X desde o início da década de 90 (Wang et al., 1990; Swerts et

al., 1993; Swerts et al., 1994) quando os primeiros trabalhos começaram a surgir, ela

poderia ter alcançado um sucesso ainda maior na área de XRF, se estudos fossem

conduzidos na mesma proporção como os das outras áreas espectroscópicas.

III. 4.1 ANÁLISE EXPLORATÓRIA

A análise exploratória não supervisionada baseada em métodos de

reconhecimento de padrões visa evidenciar similaridades ou diferenças entre amostras

de um determinado conjunto de dados (Silva et al., 2002). A PCA é a base principal de

diversos métodos de análise multivariada e seu grande objetivo é comprimir a

quantidade de informação de um conjunto de dados iniciais para um novo sistema de

eixos, denominados Componentes Principais (PC). Estas PC representam as amostras,

possibilitando visualizar características multivariadas dos dados em poucas dimensões,

através de uma projeção de dados sobre um subespaço dimensional menor,

maximizando a variância, sem perda de informação relevante. A primeira componente

principal, PC1, é a combinação linear de máxima variância (isto é, de máxima

informação) das variáveis originais, ou seja, os auto vetores, num determinado eixo. A

segunda componente, PC2, de segunda maior variância, é ortogonal a PC1, isto é, não

correlacionada a ela. A terceira apresenta a terceira maior variância e é ortogonal às

duas primeiras PC, portanto também não correlacionadas, e assim por diante. Como

esses eixos são calculados em ordem decrescente de importância, a informação


28

relevante fica concentrada nas duas ou três primeiras PC, que podem ser então

confrontadas com padrões de características conhecidas (Wold et al.,1987; Silva et al.,

2002; Neto et al., 2006).

De acordo com Luo (2006), as aplicações dos métodos de reconhecimento de

padrões não supervisionados, que envolvem PCA, HCA e outros, à espectrometria de

raios X, têm apresentado resultados bastante promissores nas mais diversas áreas

como materiais, análise forense, investigações arqueológicas, alimentos e agricultura,

entre outras. Nesse contexto, é interessante mencionar o trabalho de Swerts et al.

(1994), um dos primeiros a empregar quimiometria à análise de dados de XRF, no qual

os autores determinaram a idade de porcelanas chinesas empregando PCA e métodos

de calibração multivariada.

III. 4.2 CALIBRAÇÃO MULTIVARIADA

Calibração é o procedimento para encontrar uma função matemática que

produza relações entre propriedades de interesse com resultados registrados pelos

instrumentos. A calibração multivariada é uma das mais bem sucedidas combinações

de métodos estatísticos com dados químicos, tanto na química analítica quanto na

química teórica. Dentre os diversos métodos de calibração multivariada existentes, o

mais utilizado é o de regressão por quadrados mínimos parciais (PLS) (Ferreira et al.,

1999).

O método PLS (Barthus, 2005) abrange aplicações em vários campos da

Química, tais como analítica, físico-química, processos industriais e análises. Neste

método de regressão, a matriz dos sinais instrumentais (matriz X de dados

independentes), como um espectro, por exemplo, é relacionada com a matriz das

variáveis dependentes (matriz Y), como concentrações, por exemplo. As duas matrizes

são decompostas em uma soma de n variáveis latentes, equivalentes a componentes

principais no PCA, que sofreram rotação durante a decomposição. O número de

variáveis latentes utilizadas no processo de calibração é normalmente obtido usando

um procedimento chamado validação cruzada (cross validation), que é uma


29

metodologia baseada na magnitude dos erros de previsão de um dado modelo de

calibração (Geladi & Kowalski, 1986; Ferreira et al., 1999).

Alguns trabalhos que envolvem análises de dados de XRF por PLS surgiram na

literatura por volta de 1990 (Wang et al., 1990; Swerts et al., 1993; Urbanski &

Kowalska, 1995). Mais recentemente, o espalhamento da radiação X vem

complementando as informações dos sinais de XRF, o que provavelmente levará a um

aumento considerável nas publicações que envolvem a espectrometria de raios X e a

calibração multivariada (Goraieb et al. 2006; Pereira et al., 2006).

Estudo do espalhamento de raios X ______________________________________________________________________

31

CAPÍTULO IV –

ESTUDO DO ESPALHAMENTO DE

RAIOS X


33

IV. 1 ESTUDO DO ESPALHAMENTO DE RAIOS X

Em certos espectros de XRF obtidos por um equipamento de EDXRF

convencional de bancada, equipado com tubo de raios X de Rh, linhas características

de XRF dos elementos químicos e picos característicos dos espalhamentos Compton e

Rayleigh geralmente podem ser observados, o que facilmente prova a existência de

certos elementos na amostra, assim como a presença de elementos leves que geram

intenso espalhamento da radiação.

A Figura IV.1 mostra um exemplo destes efeitos, quando uma amostra de sílica

pura foi irradiada nestas condições.

0 10 20 30 40

0,0

0,5

1,0

1,5

Inte

nsid

ade

/ cps

µµ µµA

-1

Energia / keV Figura IV.1 Espectro de uma amostra de sílica pura.

No espectro acima, é possível notar a presença de Si, caracterizado pelo intenso

sinal de XRF desse elemento em 1,74 keV, além dos picos Compton Kα e Kβ e

Si Kαααα

Rh Kαααα Compton

Rh Kαααα Rayleigh Rh Kββββ Compton Rh Kββββ Rayleigh


34

Rayleigh Kα e Kβ característicos da interação da fonte de Rh com a amostra composta

por elementos leve, Si e O. Como era de se esperar, devido às condições de análise, o

espalhamento Raman específico de cada elemento não é observado, mas a

multiplicidade de variações de intensidade do sinal na região do espalhamento da

radiação (em torno de 20 keV) pode conter manifestações do efeito Raman, que

ocorrem junto ao Compton e Rayleigh.

Neste capítulo, o objetivo principal do trabalho visa mostrar os perfis do

espalhamentos provenientes da interação do tubo de Rh com diferentes amostras à

base de carbono e diferentes álcoois simples, assim como o proveniente da interação

da luz síncrotron com as mesmas amostras. Em ambos os casos, realizaram-se as

medidas no modo de detecção do sinal por dispersão de energia.

Também é de interesse provar que a região de espalhamento de raios X pode

ser útil, quando se assume que, nessa região, a quantidade de informação a respeito

da amostra é bastante significativa. Nesse contexto, o uso de quimiometria se torna

fundamental para interpretação dos dados gerados.

IV. 2 PARTE EXPERIMENTAL

Para realização deste estudo, foram analisadas amostras sólidas de grafite

(Synth), de carvão ativado (Norit), de nanotubos de carbono (CNT Co.) e de coque

(obtido da refinaria de petróleo da Paulínia, SP-Brasil). Amostras líquidas de quatro

diferentes tipos de álcoois (metanol, etanol, propan-1-ol e propan-2-ol), todos de grau

analítico, de três diferentes marcas, também foram analisadas.

Todas as amostras foram inseridas em celas apropriadas para irradiação

(Chemplex®), adaptadas com um filme de Mylar®, com 2,5 µm de espessura. Alíquotas

de 2 mL foram utilizadas para as amostras líquidas, enquanto as amostras sólidas

foram inseridas nas celas até seu preenchimento. Todas as amostras, em todas as

análises, foram irradiadas por 100 segundos sob atmosfera de ar, com colimação do

feixe de 10 mm, sendo este último considerado só no caso do uso do EDXRF.

Para as análises de espectrometria de raios X por dispersão de energia com

equipamento convencional, um espectrômetro modelo EDX 700, marca Shimadzu,


35

equipado com tubo de raios X de Rh e detector de Si(Li) foi empregado. A voltagem

aplicada ao tubo foi 50 kV, produzindo corrente ao redor de 100 mA, quando o dead-

time do detector é 25%.

As análises na linha de fluorescência de raios X do Laboratório Nacional de Luz

Síncrotron (LNLS – Campinas, SP-Brasil) foram realizadas com energia do anel

operando em 1,37 GeV, corrente variável de 240,8 – 163,2 mA (normalizada) e detector

de Ge hiper puro.

Os espectros gerados foram usados para construção de matrizes de variáveis

independentes (valores de energia, em keV) para serem analisadas por PCA, utilizando

o programa The Unscrambler, versão 9.2, da CAMO. As variáveis empregadas para o

processamento de PCA foram de 18,00 – 24,00 keV, quando os experimentos foram

realizados com o EDX 700 e de 5,00 – 20,00 keV, quando os experimentos foram

realizados no LNLS.

IV. 3 ANÁLISE DE GRAFITE, NANOTUBOS DE CARBONO, COQUE E CARVÃO

ATIVADO

Para avaliar a influência da estrutura atômica no sinal do espalhamento

(provenientes de um tubo de Rh e de radiação síncrotron), quatro materiais sólidos,

compostos essencialmente por carbono, foram selecionados: carbono ativado, coque,

grafite e nanotubos de carbono. Quando elementos leves são irradiados com energia

muito maior que 0,284 keV (energia de ligação do elétron K do carbono), eles não

devem absorver a radiação X, mas sim espalhá-la, já que esses átomos não têm

elétrons fortemente ligados ao núcleo que permitam a ocorrência do efeito fotoelétrico.

Assim, o resultado do fenômeno de interação da radiação X com as amostras sólidas

de matriz leve, que deveria ser basicamente o espalhamento, está mostrado na Figura

IV.3.1.


36

5 10 15 20 25 300

1

2

Inte

nsid

ade

/ cps

µµ µµA

-1

Energia / keV

carvão ativado coque grafite nanotubo de carbono

a) Espectros obtidos no EDXRF com tubo de Rh.

0 5 10 15 20

500

1000

1500

2000

Inte

nsid

ade

/ cps

µµ µµA

-1

Energia / keV


b) Espectros obtidos no LNLS com luz síncrotron.

Figura IV. 3.1 Espectros das amostras de matriz de carbono.


37

A Figura IV.3.1 mostra diferentes perfis de espectros de raios X usando duas

distintas fontes de raios X para irradiação das mesmas amostras. Nos espectros obtidos

com tubo de Rh, além de alguns picos característicos de certos elementos químicos

presentes nos materiais analisados, é possível visualizar também os picos

característicos da fonte de Rh, que correspondem ao espalhamento da radiação X:

Compton Kα (19,20 keV), Rayleigh Kα (20,16 keV), Compton Kβ (21,56 keV) e Rayleigh

Kβ (22,74 keV). Já nos espectros obtidos com luz síncrotron, observam-se muitas linhas

de fluorescência (referentes aos elementos que compões estes materiais sólidos) e um

baixo sinal de fundo, correspondente ao espalhamento da radiação X. Os picos em 13,3

keV e 14,7 keV nas amostras de grafite e nanotubos de carbono são correspondentes

às linhas Kα e Kβ do Rb, respectivamente, outro elemento provavelmente presente nos

materiais analisados.

A diferença observada nos espectros obtidos é perfeitamente normal,

considerando que a intensidade da luz síncrotron é propositalmente empregada para

detectar elementos não detectáveis por XRF convencional. Todavia, no estudo em

questão realizado com amostras sólidas, a alta intensidade da luz síncrotron não se

mostrou adequada para fornecer dados de espalhamento de raios X. Ela fez com que

os sinais gerados pelos elementos se sobressaíssem sobre o sinal de espalhamento

que seria gerado pelo carbono.

De qualquer forma, uma observação interessante pôde ser feita a respeito da

semelhança dos espectros da grafite e dos nanotubos de carbono representados na

Figura IV. 3.1b. Para explicar esse resultado, Iijima (1991) afirma que nanotubos de

carbono são formados essencialmente por folhas de grafite enroladas em formas

cilíndricas, o que provavelmente, nesse caso, gerariam espectros muito parecidos.

Mesmo após a obtenção dos espectros com baixo sinal de espalhamento quando

se empregou a luz síncrotron, resolveu-se continuar esse estudo seguindo para o

tratamento de dados por análise multivariada. Para processar os espectros por PCA,

primeiramente centraram-se os dados na média. Os gráficos de scores da Figura IV.3.2

foram obtidos, a partir dos quais é possível concluir que existe uma tendência de

separação dos compostos a base de carbono, no eixo da PC1, em ambos os casos.


38

Isso é interessante, pois informações químicas de compostos essencialmente orgânicos

estão sendo obtidas a partir de análises de XRF e quimiometria.

-6 -3 0 3 6

-1

0

1

2

PC

2 2%

PC1 96%


-20000 0 20000 40000 60000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

PC

2 1%

PC1 99%


a) Amostras analisadas no EDXRF com tubo de Rh. b) Amostras analisadas no LNLS com radiação

síncrotron.

Figura IV.3.2 Gráficos de scores das amostras à base de carbono, após processar PCA.

Analisando a Figura IV.3.2b, nota-se que a grafite e os nanotubos de carbono

não são completamente separados em dois distintos grupos, principalmente usando as

respostas do experimento com fonte de luz síncrotron. Novamente, isso está de acordo

com a literatura (Iijima, 1991), na qual esses materiais estão descritos como compostos

de mesma composição e estrutura.

Considerando os resultados obtidos com o tubo de Rh, observa-se uma baixa

precisão das medidas, já que as distâncias entre as replicatas são maiores que as

distâncias entre os diferentes tipos de amostras. Nesse caso, considerou-se o uso do

Rh não adequado para estudos desse tipo. Por outro lado, melhores resultados

poderiam ser obtidos com aumentos significativos no tempo de irradiação das análises,

o que aumentaria a intensidade do sinal analítico.

De qualquer modo, avaliando a tendência da separação dos diferentes materiais

a base de carbono em amostras de estrutura cristalina (grafite e nanotubos de carbono)

e amostras de estrutura amorfa (coque e carvão ativado), conclui-se que informações


39

relevantes podem ser obtidas da região do espalhamento no espectro, mesmo que

obtidos em equipamentos de baixa resolução, como os que utilizam os tubos de raios X

de Rh como fonte de radiação.

IV. 4 ANÁLISE DE ÁLCOOIS

Outro estudo que visou investigar o perfil do espalhamento da radiação X e o tipo

de informação que pode ser obtida desses efeitos de espalhamento, empregando

diferentes fontes primárias de raios X, foi realizado com amostras líquidas de diferentes

álcoois, variando-se o número de carbonos que compõem a molécula e a isomeria do

composto: metanol, etanol, propan-1-ol e propan-2-ol.

Observando os espectros dos materiais em questão (Figura IV.4.1), é possível

notar intenso espalhamento da radiação X das amostras líquidas, gerado por ambas as

fontes de raios X. No experimento realizado com tubo de Rh, os picos de espalhamento

Compton e Rayleigh, Kα e Kβ do Rh, aparecem como o esperado, enquanto no

experimento realizado com luz síncrotron, o sinal de espalhamento aparece como uma

banda intensa.


40

5 10 15 20 25 30

0,0

0,2

0,4

0,6In

tens

idad

e / c

ps µµ µµ

A-1

Energia / keV

metanol etanol 1-propanol 2-propanol

a) Amostras analisadas por EDXRF com tubo de Rh.

5 10 15 20 250

200

400

600

800

1000

Inte

nsid

ade

/ cps

µµ µµA

-1

Energia / keV


b) Amostras analisadas por EDXRF com radiação síncrotron.

Figura VI.4.1 Espectros das amostras dos diferentes álcoois.


41

O fato dos picos de espalhamento não aparecerem em posições determinadas

nos espectros obtidos com a luz síncrotron (região em torno de 20 keV) é devido à

radiação síncrotron ser policromática, sem apresentar linhas referentes aos elementos

que compõem os tubos de raios X, de Rh, no caso presente.

Tratando os espectros por quimiometria (empregando PCA, após centrar os

dados na média), foi obtida a Figura IV.4.2, na qual é possível observar uma tendência

de separação dos álcoois em grupos, de acordo com o número de átomos de carbono

das moléculas das amostras e com a isomeria presente nessas moléculas.

-3000 -2000 -1000 0 1000-100

-50

0

50

100

PC

2 0,

8%

PC1 99%


-2x106 -1x106 0 1x106 2x106-1,5x106

-1,0x106

-5,0x105

0,0

5,0x105

1,0x106

PC

2 27

%

PC1 49%


a) Amostras analisadas por EDXRF com tubo de

Rh.

b) Amostras analisadas por EDXRF com radiação

síncrotron.

Figura IV.4.2 Gráficos de scores das amostras de álcoois, obtidos após processar PCA.

Na Figura IV.4.2a, embora a PC1 explique 99% da variância, nota-se que as

distâncias entre amostras do mesmo tipo estão maiores que as distâncias entre

amostras de tipos diferentes, indicando baixa precisão intermediária das medidas.

Nesse caso, a tendência de separação dos diferentes álcoois no eixo da PC1 perde um

pouco seu significado quando as análises são feitas com o tubo de Rh.

Os resultados obtidos para a separação das diferentes amostras estão bastante

satisfatórios, quando as análises são realizadas com luz síncrotron. A PC1 explica 49%

da variância para separar os álcoois pelo número de átomos de carbono que compõe


42

as moléculas e a PC2 explica 27% de variância para separar os álcoois isômeros. A

melhor performance obtida com luz síncrotron está relacionada com o fato da

intensidade da luz síncrotron ser da ordem de 10000 vezes maior que a proveniente de

um tubo de raios X, o que obviamente influencia significativamente nas variações dos

sinais de espalhamento e, por conseqüência, na separação de amostras consideradas

muito semelhantes a olho nu. Uma forma de contornar esse problema com o tubo de Rh

seria aumentar o tempo de irradiação das amostras de forma a atingir sinais de

espalhamento mais precisos, o que pareceu ser fundamental nas análises em questão,

já que a luz síncrotron forneceu resultados bastante satisfatórios.

Outro estudo, realizado com os espectros das amostras de álcoois e dados da

literatura (Lide, 1996), foi conduzido com objetivo de se construir um modelo de

calibração multivariada para prever pontos de ebulição de álcoois. As curvas de

calibracão e validação do modelo, obtidas utilizando duas variáveis latentes, estão

apresentadas na Figura IV.4.3.

Figura IV.4.3 Modelo de regressão construído empregando-se o método PLS.

A curva apresentada na Figura IV.4.3 visa mostrar a gama de informações que

podem ser obtidas com o espalhamento de raios X, embora estudos mais detalhados

devam ser feitos para obtenção de modelos de calibração e previsão mais confiáveis.


43

Nesse contexto, Henriques & Bueno (2005), em trabalho desenvolvido junto com a

Petrobrás, depositaram uma patente que aborda um método de quantificação de

parâmetros da indústria petrolífera, usando a técnica proposta nesse trabalho.

Em suma, nesse capítulo, fica clara a quantidade de informações que pode ser

obtida a partir de espectros de XRF gerados a partir do uso da luz síncrotron ou,

mesmo, com tubos de raios X. Deve ser considerado que os equipamentos

convencionais que empregam tubos de raios X para excitação da amostra são

construídos com geometria fixa entre seus componentes, para minimizar efeitos de

espalhamento da radiação. Sabe-se que o ângulo de 90o adotado para construção dos

espectrômetros, segundo Van Gysel et al. (2003), foi otimizado para diminuir ao máximo

a intensidade de espalhamento que chega ao detector, o qual a princípio interferiria em

estudos de quantificação baseados unicamente no efeito fotoelétrico.

Além disso, após análise dos artigos que descrevem o espalhamento Raman, foi

considerado que, em ângulos acima de 90o, o espalhamento Compton que ainda

consegue chegar ao detector pode ser suficientemente intenso para se sobrepor ao

espalhamento Raman, que é o principal responsável pelas informações a respeito da

composição das amostras, como mostra a Figura IV.4.4 (Suzuki, 1970).


44

Figura IV.4.4. Espectros contendo o pico Rayleigh e as bandas Compton e Raman, onde λ0 nas

figuras representam a posição do pico Rayleigh, λC a posição da banda Compton e λR a posição

da pequena banda do efeito Raman (Suzuki et al., 1970).

Assim, dificilmente o efeito Raman de raios X é visualizado em espectros obtidos

com equipamentos convencionais, uma vez que este efeito geralmente está sobreposto

pelo espalhamento Compton.

Em visita a Delft University of Technology em 2006, foi realizado um experimento

rápido com um equipamento XRF modular e fonte radioativa para excitar uma amostra

de papelão. Foi possível observar claramente o deslocamento do pico Compton,

enquanto variava-se manualmente a posição da fonte radioativa em relação à amostra

e ao detector. Além disso, observou-se o aparecimento de um pequeno pico deslocado

em relação ao Rayleigh, o qual foi atribuído ao efeito Raman.

Pode ser concluído então que, independente da fonte de raios X, o

espalhamento gerado pode ser analisado por quimiometria, que mais uma vez se

mostra como uma poderosa ferramenta para análise de dados químicos.


45

Aumentos consideráveis no tempo de irradiação das amostras poderiam

aumentar significativamente o sinal do espalhamento da radiação, o que poderia

minimizar o problema de precisão intermediária das medidas realizadas com o tubo de

Rh.

Mudanças na configuração dos equipamentos convencionais de bancada

poderiam possibilitar uma observação do pico Raman de raios X.

Análise de adoçantes dietéticos ______________________________________________________________________

47

CAPÍTULO V –

ANÁLISE DE ADOÇANTES

DIETÉTICOS


49

V. 1 ANÁLISE DE ADOÇANTES DIETÉTICOS

Enquanto o açúcar atua como parte da dieta alimentar das pessoas, os cientistas

têm observado um aumento em problemas de saúde como cáries dentárias, diabetes

tipo II e obesidade, problemas diretamente relacionados com a alimentação.

Conseqüentemente, a substituição de açúcar comum por outras substâncias com poder

de adoçar tem mudado hábitos alimentares e gerado muita discussão.

O uso de adoçante alternativamente à sacarose permite a obtenção de alimentos

com baixo teor calórico e doçura normal. Ele pode assim ser apropriado para pessoas

que têm restrições na ingestão de sacarose, frutose e glicose, como é o caso dos

obesos e dos diabéticos. Neste contexto, o uso de edulcorantes, como ciclamato,

sacarina, aspartame e esteviosídeo, ficou popular no Brasil, Europa e Ásia, países nos

quais eles são comumente usados na produção de alimentos “light“ e “diet” e também

na produção de adoçantes de mesa.

Nos últimos 50 anos, muitos estudos foram realizados visando encontrar

substitutos para a sacarose e, também, para monitorar a qualidade de alimentos que

contêm edulcorantes. A avaliação da degradação de aspartame em bebidas e a

determinação de contaminantes como metanol e anilina em alimentos que contêm

aspartame e ciclamato, respectivamente, são alguns exemplos (Saurina et al., 2004;

Sales & Cardeal, 2003). Além disso, ainda existe a necessidade de se garantir a

qualidade do adoçante quanto ao edulcorante utilizado. Algumas pessoas apresentam

restrição ao uso de alguns edulcorantes e, nesse caso, a presença deles deve constar

no rótulo, além de outras informações importantes, como o limite de consumo diário.

Em uma pesquisa realizada pelo IDEC (2007) os resultados constataram que os

adoçantes e bebidas light desrespeitam o Código de Defesa do Consumidor quanto à

omissão de dados importantes nos rótulos dos produtos em questão.

Dessa forma, o objetivo principal desse trabalho foi avaliar a eficiência da técnica

de XRF aliada à quimiometria em estudos de diferenciação de compostos basicamente

orgânicos, realizados com amostras de impacto social como os adoçantes dietéticos. O

equipamento de XRF convencional de bancada, equipado com o tubo de raios X de Rh,

foi empregado neste estudo.


50

Os adoçantes analisados são compostos por diferentes tipos de edulcorantes, os

quais estão apresentados na Figura V.1.

NHS

O

OO

NHSO3 Na

HOCCH2CHCNHCHCOCH3

O

NH2

O

CH2

O

OOH

O

OH

O

C CO

H

OH H2

C

O

CH3CH2

O

CH2

OH

O

OO

CH2

O

OH

OH

OH

H

H

OH

3H

�� 0��1 ��0��1 ��0��1 ��0��1 ��

��

(��(��(��(��

NHS

O

OO

NHSO3 Na

HOCCH2CHCNHCHCOCH3

O

NH2

O

CH2

O

OOH

O

OH

O

C CO

H

OH H2

C

O

CH3CH2

O

CH2

OH

O

OO

CH2

O

OH

OH

OH

H

H

OH

3H

�� 0��1 ��0��1 ��0��1 ��0��1 ��

��

(��(��(��(��

Figura V.1. Estruturas moleculares dos diferentes edulcorantes presentes nos adoçantes

analisados.

V. 2 PARTE EXPERIMENTAL

Para realização desse estudo, foram analisadas vinte e seis amostras de

adoçantes dietéticos líquidos de diferentes marcas, obtidas de supermercados locais.

Detalhes sobre o procedimento, o equipamento, as condições de operação do EDXRF e

o tratamento de dados estão descritos no item IV. 2 desta tese, com o diferencial de

que neste estudo, mais uma etapa de irradiação também foi realizada com voltagem de

15 kV aplicada ao tubo de Rh.


51

V. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A voltagem aplicada aos tubos de raios X é um parâmetro comumente avaliado

quando se propõe à determinação de elementos leves com maior eficiência, já que os

coeficientes de absorção para esses elementos são maiores a baixas energias. Durante

a realização deste estudo, foi possível perceber que este parâmetro também tem

grande importância em análises que envolvem o uso do espalhamento da radiação X.

Quando se aplica baixa voltagem nos tubos de raios X, a energia alcançada,

muitas vezes, não é suficiente para promover excitação de elétrons de camadas K

dessas fontes e o que se observa como sinais do espalhamento da radiação X são as

linhas pouco intensas, Lα e Lβ do Rh (Figura V.3.1).

0 5 10 15

0,0

0,1

0,2

Inte

nsid

ade

/ cps

µµ µµA

-1

Energia / keV

Figura V.3.1. Espectro de uma amostra de adoçante irradiada com 15 kV de voltagem aplicada

ao tubo de Rh.

Ainda, analisando a Figura V.3.1, pode-se notar a presença de um pico de

fluorescência de raios X, em 2,3 keV, referente ao elemento enxofre presente na

amostra de adoçante analisada.

Rh Lββββ

S Kαααα Rh Lαααα


52

Em uma outra situação, trabalhando-se com energia suficiente para excitar

elétrons de camadas K das fontes de raios X, o que se observa, geralmente, são sinais

do espalhamento da radiação X que podem aparecer como as linhas Kα e Kβ (Compton

e Rayleigh) da fonte de radiação, como pode ser observado no espectro obtido com

tubo de Rh (Figura V.3.2). Nesse caso (Figura V.3.2), também é possível notar as linhas

pouco intensas Kα do S e Lα do Rh.

0 10 20 30 40

0

300

600

900

1200

Inte

nsid

ade

/ cps

µµ µµA

-1

Energia / keV

Figura V.3.2 Espectro de uma amostra de adoçante irradiada com 50 kV de voltagem aplicada

ao tubo de Rh.

Dessa forma, fica evidente que, dependendo da amostra, certas condições de

análise podem fornecer melhores resultados que outras.

Assim, trabalhando-se com os resultados provenientes da irradiação das

amostras de adoçantes com 15 kV de voltagem aplicada ao tubo, realizou-se a análise

exploratória não supervisionada dos espectros obtidos empregando-se PCA. Os dados

foram centrados na média e todas as variáveis do espectro foram empregadas para

geração dos resultados mostrados na Figura V.3.3.

Rh Lαααα

Rh Kαααα Compton

Rh Kββββ Compton

Rh Kαααα Rayleigh

Rh Kββββ Rayleigh

S Kαααα


53

-0,5 0,0 0,5

-0,4

-0,2

0,0

0,2

PC

2 (4

%)

PC1 (73 %)

Ciclamato e sacarina Esteviosídeo Aspartame

0,0 0,1 0,2 0,3

0,0

0,1

0,2

1,711,721,731,741,751,761,771,781,791,81,811,821,831,841,851,861,871,881,891,91,911,921,931,941,951,961,971,981,9922,012,022,032,042,052,062,072,082,092,12,112,122,132,142,152,162,172,182,19

2,22,212,22

2,232,24

2,25

2,26 2,27

2,282,29

2,32,312,322,33

2,342,35

2,36

2,37

2,382,392,4

2,412,42

2,432,442,452,462,472,482,492,52,512,522,53

2,542,552,562,572,582,592,6

2,612,622,632,642,652,662,672,682,692,72,71

2,722,732,742,752,762,772,782,792,82,812,822,832,842,852,862,87

2,882,892,92,912,922,932,942,952,962,972,982,9933,013,02

3,033,043,053,063,073,08

3,093,13,11

3,123,133,143,153,163,173,183,193,23,213,223,233,243,253,263,273,283,293,33,313,323,333,343,35

3,363,373,383,393,43,413,423,433,443,453,463,473,483,493,53,513,523,533,543,55

3,563,573,583,593,63,613,623,633,643,653,663,673,683,693,73,713,723,733,743,753,763,773,783,793,83,813,823,833,843,853,863,873,883,893,93,913,923,933,943,953,963,97

3,983,9944,014,024,034,044,054,064,074,084,094,14,114,124,134,144,154,164,174,184,194,24,214,224,234,244,254,264,274,284,294,34,314,324,334,344,354,36

4,374,384,394,44,414,424,434,444,454,464,474,484,494,54,514,524,534,544,554,564,574,584,594,64,614,624,634,644,654,664,674,684,694,74,714,724,734,744,754,764,774,78

4,794,84,814,824,834,844,854,864,874,884,894,94,914,924,934,944,954,964,974,984,9955,015,025,035,045,055,065,075,085,095,15,115,125,13

5,14

5,155,165,175,185,195,25,215,225,235,245,255,265,275,285,295,35,31

5,325,335,345,355,365,375,385,395,45,415,425,435,445,455,465,475,485,495,55,515,525,535,545,555,565,57

5,585,595,65,615,625,635,64

5,655,665,675,685,695,7

5,715,725,735,745,755,765,775,785,795,85,815,825,835,845,855,865,875,885,895,95,915,925,935,945,955,965,975,985,9966,01

6,026,036,046,056,066,076,08

6,09

6,16,116,126,136,146,156,166,176,186,196,26,216,226,236,246,256,266,276,286,296,36,31

6,32

6,336,346,356,36

6,37

6,38

6,396,46,416,426,436,446,456,46

6,476,48

6,496,56,516,526,536,546,556,566,576,586,59

6,6

6,616,626,636,646,656,666,676,686,696,76,716,726,736,74

6,756,766,776,786,796,86,816,826,836,846,856,866,876,886,896,96,916,926,93

6,946,956,966,976,986,9977,017,02

7,03

7,047,057,067,077,087,097,17,117,127,137,147,157,167,177,187,197,2

7,217,227,237,247,25

7,267,277,287,297,37,317,32

7,337,347,357,367,377,387,39

7,4

7,417,427,437,447,457,467,477,487,497,57,517,527,537,547,557,567,577,587,597,6

7,617,62

7,637,647,65

7,667,677,687,697,77,717,727,73

7,747,757,767,777,787,797,87,817,827,837,84

7,857,867,877,887,897,97,917,927,937,94

7,957,967,977,987,9988,018,028,038,048,05

8,068,078,088,098,18,118,128,138,148,158,168,178,188,198,28,218,228,238,248,25

8,26

8,278,288,298,3

8,318,328,338,348,35

8,36

8,378,388,39

8,4

8,418,428,438,448,458,468,478,488,498,58,518,528,538,548,558,56

8,578,588,598,68,618,628,638,64

8,658,668,678,688,69

8,78,718,728,738,748,758,768,778,788,798,88,818,828,838,848,858,86

8,878,888,89

8,98,918,928,938,948,958,968,978,988,9999,019,029,039,049,059,069,07

9,089,099,19,11

9,129,139,149,159,16

9,179,189,199,29,219,229,239,249,259,269,279,289,29

9,39,319,329,339,349,359,369,379,389,399,49,419,429,439,449,459,469,47

9,489,499,59,519,529,539,549,559,569,579,589,599,69,619,629,639,649,659,66

9,679,689,699,79,719,729,73

9,749,759,76

9,779,789,799,89,81

9,829,839,849,85

9,869,879,889,899,99,919,929,93

9,949,959,969,979,989,991010,0110,0210,0310,0410,0510,0610,0710,0810,0910,110,11

10,12

10,13

10,1410,1510,1610,1710,1810,1910,2

10,2110,2210,2310,2410,2510,2610,27

10,2810,2910,310,3110,3210,3310,3410,3510,3610,3710,3810,3910,410,4110,4210,4310,4410,4510,4610,4710,4810,4910,5

10,5110,5210,5310,5410,5510,56

10,5710,5810,5910,610,61

10,6210,6310,6410,6510,6610,67

10,6810,6910,710,7110,7210,7310,7410,7510,7610,7710,7810,7910,810,8110,8210,8310,8410,8510,8610,8710,8810,8910,910,9110,92

10,9310,9410,9510,9610,9710,9810,991111,0111,0211,0311,0411,0511,0611,0711,08

11,0911,1

11,1111,1211,1311,1411,1511,1611,1711,1811,1911,211,2111,22

11,2311,2411,2511,2611,2711,28

11,2911,311,3111,3211,3311,3411,35

11,36

11,3711,3811,3911,4

11,4111,4211,4311,4411,4511,4611,47

11,4811,4911,511,5111,52

11,5311,5411,5511,5611,5711,5811,5911,611,6111,6211,6311,6411,6511,66

11,6711,6811,69

11,711,7111,7211,7311,7411,7511,7611,7711,78

11,7911,811,8111,8211,8311,84

11,85

11,8611,8711,8811,8911,911,9111,9211,9311,9411,9511,9611,9711,98

11,99

1212,0112,0212,0312,0412,0512,0612,0712,08

12,0912,112,1112,1212,13

12,1412,1512,1612,1712,1812,1912,2

12,2112,2212,2312,2412,25

12,2612,2712,2812,2912,312,3112,3212,3312,3412,3512,3612,3712,3812,3912,412,4112,4212,4312,4412,4512,4612,4712,4812,4912,512,5112,5212,5312,54

12,5512,5612,5712,5812,59

12,612,6112,62

12,6312,64

12,65

12,6612,6712,6812,69

12,712,7112,7212,7312,7412,7512,7612,7712,7812,7912,812,8112,8212,8312,8412,8512,8612,8712,8812,8912,912,9112,9212,9312,9412,9512,9612,9712,9812,991313,0113,0213,0313,0413,0513,0613,0713,0813,0913,113,1113,1213,1313,1413,1513,16

13,17

13,1813,1913,213,2113,2213,2313,2413,25

13,2613,2713,2813,2913,313,3113,3213,33

13,3413,3513,3613,3713,3813,3913,4

13,4113,4213,4313,4413,4513,4613,4713,4813,4913,513,5113,5213,5313,5413,5513,5613,5713,5813,5913,613,6113,6213,6313,6413,6513,6613,6713,6813,6913,713,7113,7213,7313,7413,7513,7613,7713,7813,7913,813,8113,8213,8313,8413,8513,8613,8713,8813,8913,913,9113,9213,9313,9413,9513,9613,9713,9813,991414,0114,0214,0314,0414,0514,0614,0714,0814,0914,114,1114,1214,1314,1414,1514,1614,1714,1814,1914,214,2114,2214,2314,2414,25

14,2614,2714,2814,2914,314,3114,3214,3314,3414,3514,3614,3714,3814,414,4114,4314,4414,4514,4614,4714,4814,4914,514,5114,5214,5314,5414,5514,5614,5714,5814,5914,614,6114,6214,6314,6414,6514,6614,6714,6814,6914,714,7114,7214,73

PC

2 (4

%)

PC1 (73%)

a) Gráfico de scores das amostras de adoçantes. b) Gráfico de loadings das amostras de adoçantes.

Figura V.3.3 Resultados de PCA das amostras de adoçantes dietéticos irradiadas com

15 kV de voltagem aplicada ao tubo de Rh.

É possível observar no gráfico de scores da Figura V.3.3a uma separação das

amostras de adoçantes dietéticos em basicamente dois grupos. Considerando as

estruturas dos edulcorantes presentes nas amostras analisadas (Figura V.1), associou-

se a separação obtida à presença do átomo de enxofre no ciclamato de sódio e na

sacarina sódica, que compõem certas amostras. Ainda vale ressaltar que algumas

amostras de adoçantes a base de esteviosídeo, que se agruparam com amostras a

base de ciclamanto e sacarina, são justamente aquelas que contém, segundo seus

rótulos, ciclamato e sacarina em suas composições, ou seja, são misturas dos três

edulcorantes em questão.

O gráfico de loadings da Figura V.3.3b mostra que as variáveis responsáveis

pelo agrupamento das amostras são os valores próximos a 2,3 keV, cujos valores são

exatamente os que geram o pico de fluorescência Kα do enxofre (fenômeno

fotoelétrico). Pode-se dizer, então, que a influência do sinal de fluorescência foi maior

que a dos sinais de espalhamento, o que condiz com o perfil do espectro mostrado na


54

Figura V.3.1, no qual é possível notar a linha Kα do S bem mais intensa que as linhas

Lα e Lβ do Rh.

Em uma outra situação, a irradiação das amostras foi realizada com 50 kV de

voltagem aplicada ao tubo e os resultados obtidos, após serem analisados por PCA,

estão representados na Figura V.3.4. Nesse caso, também centraram-se os dados na

média e processou-se a PCA com todas as variáveis que compõem o espectro.

-3 -2 -1 0 1 2

-0,25

0,00

0,25

0,50

PC

2 (3

%)

PC 1 (88%)

Esteviosídeo Ciclamato/Sacarina Aspartame

0,0 0,1 0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,760,780,80,820,840,860,880,90,920,940,960,9811,021,041,061,081,11,121,141,161,181,21,221,241,261,281,31,321,341,361,381,41,421,441,461,481,51,521,541,561,581,61,621,641,661,681,71,721,741,761,781,81,821,841,861,881,91,921,941,961,9822,022,042,062,082,12,122,142,162,182,22,22

2,24

2,26

2,282,32,32

2,34

2,36

2,382,42,422,442,462,482,52,522,542,562,582,62,622,642,662,682,72,722,742,762,782,82,822,842,862,882,92,922,942,962,9833,023,043,063,083,13,123,143,163,183,23,223,243,263,283,33,323,343,363,383,43,423,443,463,483,53,523,543,563,583,63,623,643,663,683,73,723,743,763,783,83,823,843,863,883,93,923,943,963,9844,024,044,064,084,14,124,144,164,184,24,224,244,264,284,34,324,344,364,384,44,424,444,464,484,54,524,544,564,584,64,624,644,664,684,74,724,744,764,784,84,824,844,864,884,94,924,944,964,9855,025,045,065,085,15,125,145,165,185,25,225,245,265,285,35,325,345,365,385,45,425,445,465,485,55,525,545,565,585,65,625,645,665,685,75,725,745,765,785,85,825,845,865,885,95,925,945,965,9866,026,046,066,086,16,126,146,166,186,26,226,246,266,286,36,326,346,366,386,46,426,446,466,486,56,526,546,566,586,66,626,646,666,686,76,726,746,766,786,86,826,846,866,886,96,926,946,966,9877,027,047,067,087,17,127,147,167,187,27,227,247,267,287,37,327,347,367,387,47,427,447,467,487,57,527,547,567,587,67,627,647,667,687,77,727,747,767,787,87,827,847,867,887,97,927,947,967,9888,028,048,068,088,18,128,148,168,188,28,228,248,268,288,38,328,348,368,388,48,428,448,468,488,58,528,548,568,588,68,628,648,668,688,78,728,748,768,788,88,828,848,868,888,98,928,948,968,9899,029,049,069,089,19,129,149,169,189,29,229,249,269,289,39,329,349,369,389,49,429,449,469,489,59,529,549,569,589,69,629,649,669,689,79,729,749,769,789,89,829,849,869,889,99,929,949,969,981010,0210,0410,0610,0810,110,1210,1410,1610,1810,210,2210,2410,2610,2810,310,3210,3410,3610,3810,410,4210,4410,4610,4810,510,5210,5410,5610,5810,610,6210,6410,6610,6810,710,7210,7410,7610,7810,810,8210,8410,8610,8810,910,9210,9410,9610,981111,0211,0411,0611,0811,111,1211,1411,1611,1811,211,2211,2411,2611,2811,311,3211,3411,3611,3811,411,4211,4411,4611,4811,511,5211,5411,5611,5811,611,6211,6411,6611,6811,7

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22,1222,1422,1622,1822,222,2222,2422,2622,2822,322,3222,3422,3622,3822,422,4222,4422,4622,4822,5

22,5222,5422,5622,5822,622,6222,6422,6622,6822,722,7222,7422,7622,7822,822,8222,8422,8622,8822,922,9222,9422,9622,982323,0223,0423,0623,0823,123,1223,1423,1623,1823,223,2223,2423,2623,2823,323,3223,3423,3623,3823,423,4223,4423,4623,4823,5

23,5223,5423,5623,5823,623,6223,6423,6623,6823,723,7223,7423,7623,7823,823,8223,8423,8623,8823,923,9223,9423,9623,982424,0224,0424,0624,0824,124,1224,1424,1624,1824,224,2224,2424,2624,2824,324,3224,3424,3624,3824,424,4224,4424,4624,4824,524,5224,5424,5624,5824,624,6224,6424,6624,6824,724,7224,7424,7624,7824,824,8224,8424,8624,8824,924,9224,9424,9624,982525,0225,0425,0625,0825,125,1225,1425,1625,1825,225,2225,2425,2625,2825,325,3225,3425,3625,3825,425,4225,4425,4625,4825,525,5225,5425,5625,5825,625,6225,6425,6625,6825,725,7225,7425,7625,7825,825,8225,8425,8625,8825,925,9225,9425,9625,982626,0226,0426,0626,0826,126,1226,1426,1626,1826,226,2226,2426,2626,2826,326,3226,3426,3626,3826,426,4226,4426,4626,4826,526,5226,5426,5626,5826,626,6226,6426,6626,6826,726,7226,7426,7626,7826,826,8226,8426,8626,8826,926,9226,9426,9626,982727,0227,0427,0627,0827,127,1227,1427,1627,1827,227,2227,2427,2627,2827,327,3227,3427,3627,3827,427,4227,4427,4627,4827,527,5227,5427,5627,5827,627,6227,6427,6627,6827,727,7227,7427,7627,7827,827,8227,8427,8627,8827,927,9227,9427,9627,982828,0228,0428,0628,0828,128,1228,1428,1628,1828,228,2228,2428,2628,2828,328,3228,3428,3628,3828,428,4228,4428,4628,4828,528,5228,5428,5628,5828,628,6228,6428,6628,6828,728,7228,7428,7628,7828,828,8228,8428,8628,8828,928,9228,9428,9628,982929,0229,0429,0629,0829,129,1229,1429,1629,1829,229,2229,2429,2629,2829,329,3229,3429,3629,3829,429,4229,4429,4629,4829,529,5229,5429,5629,5829,629,6229,6429,6629,6829,729,7229,7429,7629,7829,829,8229,8429,8629,8829,929,9229,9429,9629,983030,0230,0430,0630,0830,130,1230,1430,1630,1830,230,2230,2430,2630,2830,330,3230,3430,3630,3830,430,4230,4430,4630,4830,530,5230,5430,5630,5830,630,6230,6430,6630,6830,730,7230,7430,7630,7830,830,8230,8430,8630,8830,930,9230,9430,9630,983131,0231,0431,0631,0831,131,1231,1431,1631,1831,231,2231,2431,2631,2831,331,3231,3431,3631,3831,431,4231,4431,4631,4831,531,5231,5431,5631,5831,631,6231,6431,6631,6831,731,7231,7431,7631,7831,831,8231,8431,8631,8831,931,9231,9431,9631,983232,0232,0432,0632,0832,132,1232,1432,1632,1832,232,2232,2432,2632,2832,332,3232,3432,3632,3832,432,4232,4432,4632,4832,532,5232,5432,5632,5832,632,6232,6432,6632,6832,732,7232,7432,7632,7832,832,8232,8432,8632,8832,932,9232,9432,9632,983333,0233,0433,0633,0833,133,1233,1433,1633,1833,233,2233,2433,2633,2833,333,3233,3433,3633,3833,433,4233,4433,4633,4833,533,5233,5433,5633,5833,633,6233,6433,6633,6833,733,7233,7433,7633,7833,833,8233,8433,8633,8833,933,9233,9433,9633,983434,0234,0434,0634,0834,134,1234,1434,1634,1834,234,2234,2434,2634,2834,334,3234,3434,3634,3834,434,4234,4434,4634,4834,534,5234,5434,5634,5834,634,6234,6434,6634,6834,734,7234,7434,7634,7834,834,8234,8434,8634,8834,934,9234,9434,9634,983535,0235,0435,0635,0835,135,1235,1435,1635,1835,235,2235,2435,2635,2835,335,3235,3435,3635,3835,435,4235,4435,4635,4835,535,5235,5435,5635,5835,635,6235,6435,6635,6835,735,7235,7435,7635,7835,835,8235,8435,8635,8835,935,9235,9435,9635,983636,0236,0436,0636,0836,136,1236,1436,1636,1836,236,2236,2436,2636,2836,336,3236,3436,3636,3836,436,4236,4436,4636,4836,536,5236,5436,5636,5836,636,6236,6436,6636,6836,736,7236,7436,7636,7836,836,8236,8436,8636,8836,936,9236,9436,9636,983737,0237,0437,0637,0837,137,1237,1437,1637,1837,237,2237,2437,2637,2837,337,3237,3437,3637,3837,437,4237,4437,4637,4837,537,5237,5437,5637,5837,637,6237,6437,6637,6837,737,7237,7437,7637,7837,837,8237,8437,8637,8837,937,9237,9437,9637,983838,0238,0438,0638,0838,138,1238,1438,1638,1838,238,2238,2438,2638,2838,338,3238,3438,3638,3838,438,4238,4438,4638,4838,538,5238,5438,5638,5838,638,6238,6438,6638,6838,738,7238,7438,7638,7838,838,8238,8438,8638,8838,938,9238,9438,9638,983939,0239,0439,0639,0839,139,1239,1439,1639,1839,239,2239,2439,2639,2839,339,3239,3439,3639,3839,439,4239,4439,4639,4839,539,5239,5439,5639,5839,639,6239,6439,6639,6839,739,7239,7439,7639,7839,839,8239,8439,8639,8839,939,9239,9439,9639,984040,0240,0440,0640,0840,140,1240,1440,1640,1840,240,2240,2440,2640,2840,340,3240,3440,3640,3840,440,4240,4440,4640,4840,540,5240,5440,5640,5840,640,6240,6440,6640,6840,740,7240,7440,7640,7840,840,8240,8440,8640,8840,940,9240,94

PC

2 (3

%)

PC1 (88%)

a) Gráfico de scores das amostras de adoçantes. b) Gráfico de loadings das amostras de adoçantes.

Figura V.3.4 Resultados de PCA das amostras de adoçantes dietéticos irradiadas com 50 kV

de voltagem aplicada ao tubo de Rh.

O gráfico de scores (Figura V.3.4a) mostra que 88% da variância explicada na

PC1 e 3% da variância explicada na PC2 levam a uma tendência de separação das

amostras, dada a variação nas suas composições químicas. O gráfico de loadings

(Figura V.3.4b) mostra a influência do espalhamento da radiação na separação obtida,

já que as energias em torno de 19 keV são correspondentes aos sinais dos efeitos

Compton, Rayleigh e às manifestações do espalhamento Raman de raios X.

Observando ainda o gráfico de loadings também é possível notar, no eixo da

PC2, a influência do enxofre (Kα = 2,307 keV) na separação dos diferentes compostos.


55

Nesse caso, não só a região do espalhamento de raios X foi importante para a

separação dos compostos, mas o pico do enxofre representado por um sinal de

fluorescência de raios X teve um papel fundamental para os resultados obtidos. Assim,

empregando-se essa nova proposta de análise, é importante considerar que os

resultados obtidos com toda a região espectral, além daquela em torno do

espalhamento da radiação devem ser avaliados. Um estudo de seleção de variáveis é

bastante adequado na otimização dos métodos da XRF aliada à quimiometria.

Em suma, nesse capítulo fica mostrada a potencialidade da técnica proposta em

estudos de diferenciação de amostras orgânicas. Uma avaliação detalhada dos

compostos em estudo pode fornecer importantes informações químicas, que se

correlacionam muito bem com os resultados da análise multivariada. O uso do tubo de

raios X mostrou que pode ser útil, dependendo da amostra a ser analisada, não

fazendo da luz síncrotron um pré-requisito para estudos com o espalhamento da

radiação X.

Análise de óleos vegetais ______________________________________________________________________

57

CAPÍTULO VI -

ANÁLISE DE ÓLEOS VEGETAIS


59

VI. 1 ANÁLISE DE ÓLEOS VEGETAIS

Nos últimos anos, os consumidores têm demonstrado crescente interesse por

alimentos de elevada qualidade, com clara identidade de origem. As razões variam

desde patriotismo, qualidades organolépticas, hábitos de consumo específicos de cada

região, possíveis benefícios à saúde associados com produtos de certas origens,

exigência maior pela qualidade e segurança de alimentos produzidos fora da região ou

país de consumo, até preocupações concernentes a métodos de produção

ambientalmente corretos e que respeitem os animais. Paralelamente, a globalização do

mercado de alimentos e a relativa facilidade com que as mercadorias são transportadas

através de países e continentes vêm favorecendo o aparecimento de fraudes de forma

que, cada vez mais os consumidores se preocupam com a autenticidade do alimento

que consomem (Kelly et al., 2005). Uma recente matéria publicada pelo jornal britânico

The Independent (2006) revela que fraudes em alimentos são atualmente um “grande

negócio”, gerando imensos lucros aos criminosos. Em 2005, as alfândegas da União

Européia (UE) chegaram, pela primeira vez na história, à marca de 5 milhões de

produtos alimentícios apreendidos devido a falsificações (Food Navigator.com, 2006).

No Brasil, em 2001, Nagato et al. publicaram um trabalho sobre a fraude de

bebidas no Brasil, no qual a autenticidade de bebidas alcoólicas (whisky, vodka,

conhaque de gengibre, etc.), enviadas para análise ao Instituto Adolfo Lutz, foi

verificada no período de 1993 a agosto de 1999.

Aued-Pimentel et al. (2002) testaram a pureza de 236 amostras de azeites de

oliva, avaliando o teor de ácidos graxos presentes nessas amostras, entre janeiro de

1993 e setembro de 2000. Do total, 136 amostras também foram analisadas por

espectrometria ultravioleta, para verificar se a qualidade dos produtos era condizente

com a classificação da rotulagem. Foram observadas adulterações em 43 amostras

(18,2%), sendo que o principal tipo de fraude foi adição de óleos vegetais de menor

valor comercial, principalmente de soja. Esse fato sugere que um sistema de

fiscalização mais eficiente no que se refere à comercialização desse tipo de amostra

deveria ser implementado no país.


60

Dentro desse contexto de falsificação de alimentos, considerando análises de

óleos comestíveis, nota-se que muitos trabalhos estão reportados na literatura

ilustrando meios para identificação da amostra e de sua procedência. Geralmente,

técnicas que empregam quimiometria no tratamento dos dados (Lanteri et al., 2002;

Christy et al., 2004) têm sido propostas.

Assim, por se tratar de uma amostra complexa e de grande apelo no mercado

industrial, avaliou-se neste trabalho a possibilidade de se empregar a nova técnica em

questão, usando a análise exploratória de dados, para diferenciar amostras de óleos

comuns (como os de soja, girassol, entre outros) e amostras de azeites de oliva. Isso

possibilitaria, em estudos futuros, a construção de bancos de dados para identificação e

classificação de amostras de diferentes tipos de óleos, inclusive identificação de azeites

de oliva adulterados com óleos de pior qualidade.

A IOOC (International Olive Oil Council) estabelece em suas normas algumas

categorias de azeites de oliva, sendo que a categoria dos extra-virgens é a dos azeites

de oliva de melhor qualidade, com os maiores benefícios para a saúde. Considerando

que isso também implica em um produto de maior custo, a adulteração de azeites extra-

virgens com outros óleos vegetais como os de canola, girassol, soja ou até mesmo com

azeites de oliva de pior qualidade, é prática no Brasil, já detectada pelo INMETRO

(Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial), principalmente

quando o envasamento do produto importado é feito no próprio país (INMETRO, 2007).

A fim de garantir a identidade e a qualidade desses produtos à população, segundo

Aued-Pimentel et al. (2002), é necessário um aprimoramento dos laboratórios

brasileiros de controle de adulterações e falsificações de óleos, contando

principalmente com métodos e parâmetros rápidos e confiáveis para a realização das

análises e classificações.

VI. 2 PARTE EXPERIMENTAL

Seis diferentes tipos de óleos comestíveis (algodão, soja, milho, girassol, canola

e oliva) de pelo menos quatro diferentes marcas comerciais, obtidos de supermercados

locais, foram analisados. Detalhes sobre o procedimento para análise de amostras


61

líquidas, sobre o espectrômetro e as condições de operação do EDXRF são os mesmos

descritos no item IV. 2.

Os espectros gerados foram usados para construção de matrizes de variáveis

independentes (valores de energia, em keV) para serem analisadas por PCA, utilizando

o programa Pirouette 2.02. O único pré-tratamento realizado com as variáveis originais

foi centrar os dados na média antes do processamento de PCA. Neste estudo, o

programa The Unscrambler não foi empregado, devido à sua indisponibilidade no

laboratório na época em que se realizou o tratamento de dados.

VI. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os estudos descritos neste capítulo mostram resultados satisfatórios,

considerando a separação dos diferentes tipos de óleos após análise por XRF e

quimiometria. As análises foram conduzidas separadamente, considerando dois grupos

de óleos: comuns e de azeites. Os resultados das amostras de óleos comuns, após

serem processados por PCA, estão representados na Figura VI.3.1. Nesse caso, não só

a região em torno de 19 keV, referente aos sinais de espalhamento da fonte, foi

selecionada para o tratamento dos dados, mas toda a região espectral, que inclui

também os possíveis sinais de fluorescência, ou seja, todas as variáveis que compõem

o espectro obtido.


62

-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4

-0,0005

0,0000

0,0005

0,0010

PC

4 1,

5 %

PC1 81,6 %

Canola Girassol Milho Soja

0,0 0,1 0,2

-0,1

0,0

0,1

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22,2822,322,3222,3422,3622,3822,422,4222,4422,46

22,4822,522,5222,5422,5622,5822,622,6222,6422,6622,6822,722,7222,7422,7622,7822,822,8222,8422,8622,8822,922,9222,9422,9622,982323,0223,0423,0623,0823,123,1223,1423,1623,1823,223,2223,2423,2623,2823,323,3223,3423,3623,3823,423,4223,4423,4623,4823,523,5223,5423,5623,5823,623,6223,6423,6623,6823,723,7223,7423,7623,7823,823,8223,8423,8623,8823,923,9223,9423,9623,982424,0224,0424,0624,08

24,124,1224,1424,1624,1824,224,2224,2424,2624,2824,324,3224,3424,3624,3824,424,4224,4424,4624,4824,524,5224,5424,5624,5824,624,6224,6424,6624,6824,724,7224,7424,7624,7824,824,8224,8424,8624,8824,924,9224,9424,9624,982525,0225,0425,0625,0825,125,1225,1425,1625,1825,225,2225,2425,2625,2825,325,3225,3425,3625,3825,425,4225,4425,4625,4825,525,5225,5425,5625,5825,625,6225,6425,6625,6825,725,7225,7425,7625,7825,825,8225,8425,8625,8825,925,9225,9425,9625,982626,0226,0426,0626,0826,126,1226,1426,1626,1826,226,2226,2426,2626,2826,326,3226,3426,3626,3826,426,4226,4426,4626,4826,526,5226,5426,5626,5826,626,6226,6426,6626,6826,726,7226,7426,7626,7826,826,8226,8426,8626,8826,926,9226,9426,9626,982727,0227,0427,0627,0827,127,1227,1427,1627,1827,227,2227,2427,2627,2827,327,3227,3427,3627,3827,427,4227,4427,4627,4827,527,5227,5427,5627,5827,627,6227,6427,6627,6827,727,7227,7427,7627,7827,827,8227,8427,8627,8827,927,9227,9427,9627,982828,0228,0428,0628,0828,128,1228,1428,1628,1828,228,2228,2428,2628,2828,328,3228,3428,3628,3828,428,4228,4428,4628,4828,528,5228,5428,5628,5828,628,6228,6428,6628,6828,728,7228,7428,7628,7828,828,8228,8428,8628,8828,928,9228,9428,9628,982929,0229,0429,0629,0829,129,1229,1429,1629,1829,229,2229,2429,2629,2829,329,3229,3429,3629,3829,429,4229,4429,4629,4829,529,5229,5429,5629,5829,629,6229,6429,6629,6829,729,7229,7429,7629,7829,829,8229,8429,8629,8829,929,9229,9429,9629,983030,0230,0430,0630,0830,130,1230,1430,1630,1830,230,2230,2430,2630,2830,330,3230,3430,3630,3830,430,4230,4430,4630,4830,530,5230,5430,5630,5830,630,6230,6430,6630,6830,730,7230,7430,7630,7830,830,8230,8430,8630,8830,930,9230,9430,9630,983131,0231,0431,0631,0831,131,1231,1431,1631,1831,231,2231,2431,2631,2831,331,3231,3431,3631,3831,431,4231,4431,4631,4831,531,5231,5431,5631,5831,631,6231,6431,6631,6831,731,7231,7431,7631,7831,831,8231,8431,8631,8831,931,9231,9431,9631,983232,0232,0432,0632,0832,132,1232,1432,1632,1832,232,2232,2432,2632,2832,332,3232,3432,3632,3832,432,4232,4432,4632,4832,532,5232,5432,5632,5832,632,6232,6432,6632,6832,732,7232,7432,7632,7832,832,8232,8432,8632,8832,932,9232,9432,9632,983333,0233,0433,0633,0833,133,1233,1433,1633,1833,233,2233,2433,2633,2833,333,3233,3433,3633,3833,433,4233,4433,4633,4833,533,5233,5433,5633,5833,633,6233,6433,6633,6833,733,7233,7433,7633,7833,833,8233,8433,8633,8833,933,9233,9433,9633,983434,0234,0434,0634,0834,134,1234,1434,1634,1834,234,2234,2434,2634,2834,334,3234,3434,3634,3834,434,4234,4434,4634,4834,534,5234,5434,5634,5834,634,6234,6434,6634,6834,734,7234,7434,7634,7834,834,8234,8434,8634,8834,934,9234,9434,9634,983535,0235,0435,0635,0835,135,1235,1435,1635,1835,235,2235,2435,2635,2835,335,3235,3435,3635,3835,435,4235,4435,4635,4835,535,5235,5435,5635,5835,635,6235,6435,6635,6835,735,7235,7435,7635,7835,835,8235,8435,8635,8835,935,9235,9435,9635,983636,0236,0436,0636,0836,136,1236,1436,1636,1836,236,2236,2436,2636,2836,336,3236,3436,3636,3836,436,4236,4436,4636,4836,536,5236,5436,5636,5836,636,6236,6436,6636,6836,736,7236,7436,7636,7836,836,8236,8436,8636,8836,936,9236,9436,9636,983737,0237,0437,0637,0837,137,1237,1437,1637,1837,237,2237,2437,2637,2837,337,3237,3437,3637,3837,437,4237,4437,4637,4837,537,5237,5437,5637,5837,637,6237,6437,6637,6837,737,7237,7437,7637,7837,837,8237,8437,8637,8837,937,9237,9437,9637,983838,0238,0438,0638,0838,138,1238,1438,1638,1838,238,2238,2438,2638,2838,338,3238,3438,3638,3838,438,4238,4438,4638,4838,538,5238,5438,5638,5838,638,6238,6438,6638,6838,738,7238,7438,7638,7838,838,8238,8438,8638,8838,938,9238,9438,9638,983939,0239,0439,0639,0839,139,1239,1439,1639,1839,239,2239,2439,2639,2839,339,3239,3439,3639,3839,439,4239,4439,4639,4839,539,5239,5439,5639,5839,639,6239,6439,6639,6839,739,7239,7439,7639,7839,839,8239,8439,8639,8839,939,9239,9439,9639,984040,0240,0440,0640,0840,140,1240,1440,1640,1840,240,2240,2440,2640,2840,340,3240,3440,3640,3840,440,4240,4440,4640,4840,540,5240,5440,5640,5840,640,6240,6440,6640,6840,740,7240,7440,7640,7840,840,8240,8440,8640,8840,940,92

PC

4 1,

5 %

PC1 81,6 % a) Gráfico de scores das amostras de óleos. b) Gráfico de loadings das amostras de óleos.

Figura VI.3.1 Resultados obtidos para as amostras de óleos após processar PCA.

Avaliando a composição dos óleos analisados, foi possível associar a formação

dos grupos de óleos de soja, girassol, milho e canola apresentada no gráfico de scores

(VI.3.1a) às diferentes proporções de ácidos graxos saturados, monoinsaturados e

poliinsaturados presentes em cada tipo de amostra, que variam de acordo com suas

diferentes fontes de origem. Um exemplo típico é a alta concentração de ácidos graxos

monoinsaturados presentes nas amostras de óleos de canola, em comparação à baixa

concentração desses compostos nos óleos de soja, (Lima et al., 2006).

Observando os resultados fornecidos pelo gráfico dos loadings (Figura VI.3.1b),

nota-se que, mesmo trabalhando com o espectro todo, as variáveis de peso na

separação das amostras correspondem às energias dos espalhamentos Compton,

Rayleigh e Raman de raios X. Em outra situação de análise, na qual somente a região

do espalhamento foi selecionada para o tratamento dos dados (18,00 – 24,00 keV), os

resultados obtidos foram bastante semelhantes aos da Figura VI.3.1, comprovando que

os sinais analíticos de importância na análise em questão são realmente os referentes

ao espalhamento da radiação X.

Durante a análise dos azeites de oliva, outro resultado interessante foi obtido,

após processamento dos dados por PCA. É possível observar no eixo da PC2 (Figura


63

VI.3.2) a formação de um grupo referente aos azeites de oliva extra-virgens e de um

grupo que englobou todos os outros tipos de óleos de oliva. A ausência de água ou

qualquer tratamento químico durante o processo de extração para produção dos azeites

extra-virgens é o que pode estar diferenciando facilmente essas amostras dos outros

azeites, além dos teores diferenciados das gorduras que compõem a amostra.

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0-0,1

0,0

0,1

0,2

PC

2 1,

7 %

PC1 97,2 %

Azeites comuns Azeites extra-virgens

Figura VI. 3.2 Gráfico de scores das amostras de azeites obtido após processar PCA.

A amostra assinalada com o círculo na Figura VI.3.2 é um azeite extra-virgem

que se diferencia dos demais azeites extra-virgens por ter sido temperado com um

condimento chamado Tartufo, o qual deve ter modificado as características originais do

azeite. Nesse caso, essa amostra pode ser considerada como um outlier.

A partir desses resultados, a técnica de XRF que usa a quimiometria para o

tratamento de dados se mostra promissora para análises de amostras orgânicas, assim

como NIR, FT-IR, MS, entre outras.

Em outro estudo realizado com amostras de azeites de oliva extra-virgem, uma

adulteração foi simulada com 10% e 50% de óleo de soja, visando avaliar a capacidade

da técnica em separar grupos de amostras de azeites extra-virgens autênticos de

amostras de azeites extra-virgens adulterados, com diferentes quantidades de óleos de

pior qualidade.


64

Os resultados obtidos após processamento dos dados por PCA estão mostrados

na Figura VI.3.3, onde se observa a formação de basicamente dois grupos de óleos: o

dos óleos autênticos e o dos óleos adulterados. Antes do processamento da PCA

centaram-se os dados na média.

Figura VI.3.3 Gráfico de scores das amostras de óleos de oliva autênticas e adulteradas, após

processar PCA.

Embora outros testes tenham sido realizados visando à construção de modelos

de calibração e de previsão para quantificação dos adulterantes nas amostras de

azeites, os resultados obtidos não foram satisfatórios. Considerando que as

adulterações foram simuladas com pequenas quantidades do óleo adulterante (1% até

10%), o que pode ter interferido na obtenção de uma boa resposta analítica é a baixa

detectabilidade da técnica em questão para determinar compostos orgânicos em matriz

leve como a de óleo, figura de mérito ainda não avaliada para a XRF aliada à

quimiometria.

• 10% � 50 %


65

Assim, neste capítulo fica mais uma vez mostrada a potencialidade da técnica

em empregar sinais do espalhamento para realizar análises químicas. Nesse caso

específico dos óleos, o trabalho apresenta uma metodologia viável para ser

implementada nos laboratórios de rotina de controle de qualidade de óleos.

Obviamente, para isso, estudos mais detalhados devem ser realizados, principalmente

visando à construção de modelos de classificação de amostras de óleos, empregando

métodos supervisionados de análise multivariada como SIMCA ou KNN, por exemplo.

Análise de urina ______________________________________________________________________

67

CAPÍTULO VII -

ANÁLISE DE URINA

Análise de urina ______________________________________________________________________

69

VII.1 ANÁLISE DE URINA

A técnica de XRF teve sua primeira aplicação para análise de urina reportada na

literatura em 1969, quando Beyermann et al. determinaram quantidades em torno de

nanogramas de cromo, utilizando 25 mL de urina, após uma etapa de pré-concentração

com 8-quinolinol como agente quelante do analito. Até a década de 90, poucos

trabalhos foram reportados na literatura (Agarwal et al., 1975; Vos et al., 1981; Ping et

al., 1983), o que evidencia o desinteresse, na época, em utilizar a técnica para análises

de amostras líquidas, principalmente de amostras líquidas complexas, como é o caso

da urina.

Após o desenvolvimento da técnica de TXRF, o número de trabalhos que

envolvem a aplicação da XRF em análises de amostras líquidas aumentou

significativamente, colocando-a em pé de igualdade com outras técnicas

espectroquímicas (Klockenkämper, 2006). De qualquer maneira, a aplicação de XRF

em laboratórios de rotina ainda é bastante reduzida, sendo que os métodos

espectrofotométricos, os eletroanalíticos e os baseados em absorção atômica e

emissão óptica são os mais utilizados (Fleury, 1999).

Entretanto, se alguns aspectos interessantes da XRF forem considerados, como

a não necessidade de um preparo laborioso de amostra e, principalmente, a

possibilidade de determinação multielementar e simultânea de analitos inorgânicos e

orgânicos (como vem sendo descrita nesta tese), a proposta de empregar XRF e

quimiometria parece ser uma alternativa viável na área de análises clínicas.

Recentemente, o laboratório Fleury Medicina e Saúde vem investindo em novos

sistemas de análise de urina adquirindo novos equipamentos, visando à redução do

tempo gasto nas análises realizadas pelos métodos tradicionais (SaudeBusinessWeb,

2007).

Nesse contexto, o trabalho descrito neste capítulo propõe o uso da

espectrometria de raios X aliada a quimiometria para avaliar a quantificação

multielementar e simultânea de Ca, P, Na, K, Mg e Cl, glicose, uréia e creatinina em

urina, compostos frequentemente requisitados em exames clínicos, devido ao

importante controle destes compostos no organismo.

Análise de urina ______________________________________________________________________

70

A determinacao de Ca em urina é útil na avaliação de cálculo renal, lesões

ósseas, acidose tubular renal, etc. A determinação de P, na avaliação do balanço Ca/P,

acidose tubular renal, uso de diuréticos, etc. A determinação de Na, no equilíbrio hidro-

salino, oliguria renal, etc. A determinação de K, no balanço hidro-salino, ácido-básico,

hipocalemias renais, etc. A quantificação de Mg, na avaliação de homeostase. A

quantificação de Cl, no metabolismo hidro-salino, ação de diuréticos, etc. A

quantificação de uréia, como indicador da função renal. A quantificação de glicose, na

glicosúria em diabéticos e a determinação de creatinina, como índice de várias

substâncias (Fleury, 1999).

Para o desenvolvimento do método, uma parceria com o laboratório de análises

clínicas da UNICAMP foi estabelecida, a qual previa o fornecimento das amostras e

resultados das análises dessas amostras obtidos por métodos padrão de rotina.

Com a metodologia proposta, visa-se propor uma única alternativa para substituir

os diversos métodos empregados para quantificação de cada analito, gerando assim

economia de tempo e reagentes. Além disso, uma inovação dentro dos laboratórios de

análises clínicas poderia ser implementada usando o banco de dados gerado pela

técnica.

VII.2 PARTE EXPERIMENTAL

As amostras de urina (coletadas por 24 horas em frascos volumétricos de 2000

mL) cedidas pelo HC-UNICAMP são condicionadas em HNO3, 0,1 mol L-1 e

armazenadas em geladeira em frascos volumétricos de polietileno menores, de 50 mL,

por, no máximo, dois dias. Após esse tempo, as amostras são descartadas.

Para análise por XRF, porções analíticas (2 mL) são colocadas nos suportes

específicos para análise no espectrômetro e, em seguida, são irradiadas por 100

segundos em um equipamento EDXRF, modelo EDX 700, marca Shimadzu, operando

nas seguintes condições otimizadas: 15 kV de voltagem aplicada no tubo de Rh,

corrente variável (para 25% de dead-time do detector) e 10 mm de colimação do feixe.

Para análise por ICP OES, as amostras são diluídas a 50% e introduzidas diretamente

no espectrômetro modelo Optima 3000 DV, marca Perkin-Elmer, utilizando os seguintes

Análise de urina ______________________________________________________________________

71

parâmetros otimizados: visão axial do plasma, potência do plasma de 1,4 kW e vazões

de nebulização da amostra e do gás auxiliar iguais a 0,6 L min-1 e 0,5 L min-1,

respectivamente.

Os espectros gerados pelo EDXRF foram usados para construção de matrizes X,

de variáveis independentes (valores de energia, em eV) e Y, de variáveis dependentes

(concentrações de cada espécie nas amostras, obtidas pelo ICP OES para os

elementos Ca, P, Na, K, Mg e Cl e pelos métodos padrão do HC-UNICAMP para uréia,

glicose e creatinina). Os dados da matriz X foram centrados na média e analisados por

PLS, para construção dos modelos de calibração, via The Unscrambler, versão 9.2 da

CAMO.

VII.3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os primeiros estudos com urina se iniciaram com a otimização da melhor

condição de armazenamento das amostras em laboratório. Sabe-se que os exames de

urina realizados em laboratórios de análises clínicas são feitos a partir da coleta e

análise da amostra no mesmo dia, para que não haja perdas e/ou contaminação

durante a estocagem do material. Entretanto, para o desenvolvimento de um método

analítico em laboratório de pesquisa, este procedimento fica inviável e, portanto, um

método eficiente de armazenamento da amostra teve que ser otimizado. Para isso,

quantificaram-se os elementos de interesse em amostras de urina, imediatamente após

a coleta e compararam-se os resultados obtidos com os das quantificações realizadas,

utilizando-se as condições citadas abaixo.

1. Armazenamento durante 2 dias fora da geladeira, sem nenhum conservante;

2. Armazenamento durante 2 dias fora da geladeira, com HNO3 0,1 mol L-1 como

conservante;

3. Armazenamento durante 2 dias na geladeira, sem conservante;

4. Armazenamento na geladeira com HNO3 0,1 mol L-1 como conservante por 1 dia, 2

dias e 3 dias.

Análise de urina ______________________________________________________________________

72

O armazenamento da amostra de urina na geladeira, com HNO3 0,1 mol L-1 como

conservante, por no máximo 2 dias, foi a melhor forma de estocar a amostra de urina no

laboratório. Nesta situação, nenhum precipitado se formou no fundo dos frascos, como

observado nas outras condições testadas, além dos testes não apresentarem diferença

significativa entre os valores obtidos antes e depois da estocagem, para os

elementos/compostos de interesse determinados. Além disso, a condição foi compatível

com as necessidades requeridas para análise da amostra no ICP OES.

No decorrer do trabalho, outro fator limitante do desenvolvimento do método foi a

dificuldade encontrada para obtenção dos resultados por métodos padrão utilizados no

Hospital das Clínicas da UNICAMP. Assim, houve a necessidade de se empregar uma

técnica de referência do IQ-UNICAMP para facilitar o desenvolvimento do método

proposto.

A técnica de ICP OES, já bastante utilizada para esse tipo de análise (Fleury,

1999), foi avaliada e apresentou resultados em concordância com os fornecidos pelo

laboratório do HC-UNICAMP. Assim, foi escolhida como técnica de referência para o

desenvolvimento do método por XRF.

Para a otimização das melhores condições de análise do ICP OES, foram

realizados testes envolvendo diferentes configurações do plasma, vazões de

nebulização e do gás auxiliar e potência do plasma. Para diagnosticar o plasma, foi

avaliada a robustez, que é um parâmetro geralmente analisado e pode ser calculada

através da razão das intensidades dos sinais de MgII/MgI. Essa razão forneceu um

resultado em torno de 10 para a matriz de urina, valor considerado adequado segundo

Mermet (1991). Dessa forma, as condições de operação do ICP OES descritas no item

VII.2 deste capítulo foram as selecionadas.

Considerando os testes realizados com o EDXRF, notou-se que os sinais

obtidos, empregando-se diferentes condições de operação do espectrômetro, variavam

de forma aleatória. Para otimizar as melhores condições do EDXRF, ou seja, que

fornecessem os melhores sinais analíticos, considerando-se também o espalhamento

como medida analítica, um planejamento fatorial 22 com ponto central foi realizado.

Análise de urina ______________________________________________________________________

73

Como respostas do planejamento experimental, os coeficientes de regressão das

curvas obtidas para cada analito, em cada experimento realizado, foram utilizados. Os

fatores avaliados foram tempo de irradiação da amostra (100 e 1000 segundos) e

voltagem aplicada ao tubo de Rh (15 e 50 kV). Os resultados obtidos se apresentam

nas Figuras VII.3.1 a VII.3.6, ressaltando que a melhor condição de trabalho,

representada nas superfícies de respostas, é a correspondente ao ponto (experimento)

mais alto da superfície. Nesse estudo, pode-se concluir que tanto a voltagem aplicada

ao tubo de Rh como o tempo de irradiação das amostras são fatores significativos na

obtenção da melhor resposta.

Figura VII.3.1 Superfície de resposta obtida para o elemento Ca.

Análise de urina ______________________________________________________________________

74

Figura VII.3.2 Superfície de resposta obtida para o elemento P.

Figura VII.3.3 Superfície de resposta obtida para o elemento Mg.

Análise de urina ______________________________________________________________________

75

Figura VII.3.4 Superfície de resposta obtida para o elemento Cl.

Observando as Figuras VII.3.1 a VII.3.4, nota-se que a voltagem aplicada ao tubo

de raios X e o tempo de irradiação das amostras influenciaram na quantificação desses

elementos (Ca, P, Mg e Cl) da mesma maneira, ou seja, quanto menor a voltagem e

menor o tempo de irradiação, melhor é a resposta obtida. Nesses casos, a

quantificação simultânea de Ca, P, Mg e Cl é favorecida, empregando-se as condições

do EDXRF estabelecidas em 15 kV e 100 segundos, enquanto 50 kV de voltagem no

tubo de Rh e 1000 segundos de irradiação das amostras levam aos piores resultados

analíticos.

Nas Figuras VII.3.5 e VII.3.6, é possível observar que o fator tempo passou a não

influenciar nas respostas para os analitos Na e K.

Análise de urina ______________________________________________________________________

76

Figura VII.3.5 Superfície de resposta obtida para o elemento Na.

Figura VII.3.6 Superfície de resposta obtida para o elemento K.

Empregando-se qualquer tempo para irradiação das amostras de urina, os

resultados obtidos para os elementos Na e K não se alteram, o que pode estar

relacionado com as altas concentrações desses elementos na urina.

Análise de urina ______________________________________________________________________

77

Tendo que optar por uma condição que atenda a análise simultânea de todos os

analitos avaliados, escolheu-se continuar os estudos com as amostras de urina

empregando-se o tempo de 100 segundos para irradiação das amostras e voltagem de

15 kV aplicada ao tubo de Rh.

A partir desses estudos, iniciou-se a construção dos modelos de calibração

multivariada com espectros de FRX, obtidos nas condições ótimas de operação do

EDXRF, e dados de referência do ICP OES (também obtidos com o ICP OES otimizado

para analisar urina) para os elementos Ca, P, Na, K, Mg e Cl. Empregou-se o método

PLS no modo leave-one-out para obtenção dos modelos, que estão representados nas

figuras VII.3.7 a VII.3.12.

Figura VII.3.7 Curvas de calibração e validação obtidas para o Ca com 3 variáveis latentes,

usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).

Análise de urina ______________________________________________________________________

78

Figura VII.3.8 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o P com 3 variáveis

latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).

Figura VII.3.9 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Na com 2 variáveis


Análise de urina ______________________________________________________________________

79

Figura VII.3.10 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o K com 2 variáveis


Figura VII.3.11 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Mg com 5 variáveis


Análise de urina ______________________________________________________________________

80

Figura VII.3.12 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para o Cl com 2 variáveis,

usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados de ICP OES (valores de referência).

Os bons coeficientes de regressão das curvas apresentadas indicam modelos de

calibração eficientes para realizar as determinações requeridas em amostras de urina.

Com as facilidades oferecidas pela análise multivariada, avaliou-se também a

possibilidade de quantificar simultaneamente alguns compostos orgânicos

rotineiramente requisitados nos exames urina: uréia, glicose e creatinina, utilizando as

mesmas condições de irradiação. Os resultados estão mostrados nas figuras VII.3.13 a

VII.3.15.

Análise de urina ______________________________________________________________________

81

Figura VII.3.13 Curvas de calibração e validação da uréia com 4 variáveis, obtidas por PLS,

usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados do HC-UNICAMP (valores de referência).

Figura VII.3.14 Curvas de calibração e validação da glicose com 4 variáveis, obtidas por PLS, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo modelo) e dados do HC-

UNICAMP (valores de referência).

Análise de urina ______________________________________________________________________

82

Figura VII.3.15 Curvas de calibração e validação obtidas por PLS para a creatinina com 4 variáveis latentes, usando-se espectros de EDXRF convencional (valores previstos pelo

modelo) e dados do HC-UNICAMP (valores de referência).

Novamente, os coeficientes de regressão obtidos para as curvas de calibração e

validação indicam modelos adequados para a determinação dos compostos em

questão, em amostras de urina.

Utilizaram-se assim amostras retiradas do conjunto de validação (não incluídas

no modelo de calibração), para testar a previsão dos valores dos elementos e

compostos de interesse nas amostras de urina.

Os resultados estão apresentados na Tabela VII.3, na qual é possível observar

resultados razoavelmente próximos entre os valores de referência e os valores

previstos pelos modelos de calibração, embora alguns deles apresentem altos valores

dos desvios padrão das medidas.

Análise de urina ______________________________________________________________________

83

Tabela VII.3 Valores previstos pelos modelos de calibração construídos com dados do

EDXRF para os diferentes analitos e valores de referência (obtidos por ICP OES para os

elementos químicos e por métodos padrão do HC-UNICAMP para os compostos orgânicos).

Analito Amostra Valor previsto pelo modelo (mg L-1) Valor de referência (mg L-1)

Ca 1

2

3

4,9 + 0,3

23 + 1

176 + 2

5,5 + 0,3

24 + 1

176 + 9

P 1

2

3

103 + 4

328 + 6

504 + 9

125 + 6

305 + 15

564 + 28

Na 1

2

3

238 + 75

1232 + 58

3761 + 56

310 + 15

1250 + 62

3800 + 90

K 1

2

3

133 + 38

278 + 18

1703 + 27

144 + 7

308 + 15

1746 + 85

Mg 1

2

3

15 + 2

18 + 2

11 + 5

31 + 1

27 + 1

9,6 + 0,5

Cl 1

2

3

264 + 41

1408 + 92

5549 + 94

212 + 11

1464 + 70

5878 + 98

Uréia 1

2

3

ND*

20 + 3

50 + 9

0,5 + 0,1

15,5 + 0,7

50 + 3

Glicose 1

2

3

0,6 + 0,5

14 + 3

101 + 14

0,5 + 0,1

10 + 1

100 + 5

Creatinina 1

2

3

5,6 + 4,8

305 + 39

1116 + 18

8,8 + 0,5

280 + 14

1120 + 53

* ND = não detectado

Análise de urina ______________________________________________________________________

84

Ainda, analisando a Tabela VII.3, nota-se que a quantificação do elemento Mg

não foi satisfatória, considerando tanto a exatidão quanto a precisão da análise. Uma

possível explicação para isso pode ser o fato de, nesse caso, oito variáveis latentes

terem sido empregadas na construção do modelo proposto, o que deve ter causado um

super ajustamento da curva, levando a tais resultados.

De qualquer maneira, com os estudos realizados, fica mostrada a potencialidade

do método em realizar quantificações simultâneas de compostos orgânicos e

inorgânicos em amostras de urina, o que pode gerar alternativas interessantes de

análise dentro dos laboratórios de análises clínicas. Além disso, o fato desse tipo de

análise funcionar para amostras de urina, perspectivas de análise podem ser

consideradas para outros tipos de amostras, nas quais a determinação tanto de

compostos orgânicos como de certos elementos químicos tenham importância

considerável.

Considerando os resultados obtidos neste estudo, ainda é interessante

mencionar que existe uma coerência em se empregar a menor voltagem no tubo para

conseguir as melhores respostas analíticas para as análises das amostras de urina.

Quando o EDXRF efetua as irradiações nessas condições, o equipamento seleciona

uma faixa de energia para realizar a detecção dos sinais que se estende até ao redor

de 15 keV. Exatamente nessa região, muitos sinais Kα de fluorescência dos elementos

de interesse estariam se manifestando, além das linhas Lα e Lβ do tubo de Rh, que

aparecem como espalhamento da radiação. Ou seja, não haveria necessidade de se

ampliar o espectro para detectar altas energias referentes a elementos mais pesados.

Outra conclusão interessante é que os resultados obtidos neste trabalho

confirmaram que a melhor condição de análise a ser escolhida depende fortemente do

tipo de amostra que se está estudando. A melhor condição do EDXRF para análise de

urina foi diferente daquela mais apropriada para avaliar as amostras de adoçantes,

assim como o tubo de Rh, utilizado como fonte de excitação, também mostrou ser

eficiente nesse caso, conclusão oposta àquela em que foi empregado para irradiar

amostras a base de carbono e amostras de álcoois.

Conclusões ______________________________________________________________________

85

CAPÍTULO VIII - CONCLUSÕES

Conclusões ______________________________________________________________________

87

VIII. 1 CONCLUSÕES

Considerando os resultados mostrados nos capítulos anteriores fica provada a

potencialidade da técnica de XRF aliada à quimiometria para análises de diferentes

tipos de amostras como álcoois, adoçantes, óleos vegetais e urina.

Nos primeiros capítulos, o uso do espalhamento de raios X como sinal analítico

foi fundamental para abrir novas perspectivas de se empregar a XRF em análises de

amostras orgânicas de matriz leve, simples e complexas, um desafio da área de

espectrometria de raios X, até então.

Nos estudos com as amostras de adoçantes dietéticos e óleos vegetais, foi

possível avaliar a possibilidade de se empregar a técnica em estudos de identificação

de amostras, de grande interesse dentro da área de alimentos.

O desenvolvimento do método de determinação simultânea dos elementos Ca,

P, Na, K, Mg, Cl e dos compostos glicose, uréia e creatinina em urina, embora com

algumas pendências para ser aplicado na prática, ilustra outros aspectos positivos da

técnica proposta, baseados em análises rápidas e de baixo custo, atendendo às

necessidades dos grandes laboratórios de análises clínicas como os do HC-UNICAMP

e Fleury, por exemplo.

Assim, esta tese se apresenta como um trabalho pioneiro que visa incentivar o

desenvolvimento de novos trabalhos, dentro da área em que está sendo proposta.

Algumas funcionalidades, possibilidades e potencialidades da XRF aliada à

quimiometria, aqui apresentadas podem vir a ser bastante úteis em estudos futuros.

Referências Bibliográficas ______________________________________________________________________

89

CAPÍTULO IX -

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


91

IX. 1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGARWAL, M.; BENNETT, R.B.; STUMP, I.G.; D’AURIA, J. Analysis of urine for trace elements by energy dispersive x-ray fluorescence spectrometry with a pre-concentrating chelating resin. Analytical Chemistry, v. 47, n. 6, p. 924-927, 1975. ALEXANDRE, T.L.; BUENO, M.I.M.S. Classification of some species, genera and families of plants by x-ray spectrometry. X-Ray Spectrometry, v. 35, p. 257-260, 2006. ARO, A.; AMARASIRIWARDENA, C.; LEE, M.L; KIM, R.; HU, H. Validation of K x-ray fluorescence bone lead measurements by inductively coupled plasma mass spectrometry in cadaver legs. Medical Physics, v. 27. n.1, p. 119-123, 2000. AUED-PIMENTEL, S.; TAKEMOTO, E.; MINAZZI-RODRIGUES; R.S.; BADOLATO, E.S.G. Azeite de oliva: incidência de adulterações entre os anos de 1993 a 2000. Revista do Instituto Adolfo Lutz, v. 61, n. 2, p. 69-75, 2002. Azeite de Oliva II INMETRO. 07 de mar. 2004. Disponível em <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/azeite2.asp>. Acesso em 25 mar. 2007. BARILARO, D; BARONE, G.; CRUPI, V.; MAJOLINO, D.; MAZZOLENI, P.; TRISCARI, M.; VENUTI, V. Characterization of ancient amphorae by spectroscopic techniques. Vibrational Spectroscopy, v. 42, p. 381-386, 2006. BARTHUS, R.C.; MAZO, L. H.; POPPI, R.J. Determinação simultânea de NADH e ácido ascórbico usando voltametria de onda quadrada com eletrodo de carbono vítreo e calibração multivariada. Eclética Química, v. 30, p. 51-58 , 2005. BAZHANOVA, V.V; GULJAEVA, L.F.; KRASILNIKOV, S.E.; TITOVA, V.S.; SHAPORENKO, A.D.; SHULGA, Y. Using XRF SR for the study of changes in elemental composition of healthy and pathological tissues of human organisms. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, doi: 10.1016/j.nima.2007.01.069, 2007. BERGMANN, U.; GLATZEL, P.; CRAMER, S.P. Bulk-sensitive XAS characterization of light elements: from X-ray Raman scattering to X-ray Raman spectroscopy. Microchemical Journal, v. 71, p. 221-230, 2002. BEYERMANN, K.; ROSÈ, H.J.; CHRISTIAN, R.P. The determination of nanogram amounts of chromium in urine by x-ray fluorescence spectroscopy. Analytica Chimica Acta, v. 45, p. 51-55, 1969. BIANCATO, D.; CECCATO, D.; CHIMINELLO, F.; MITTNER, P. Micro-PIXE and principal component analysis in a study of internal mixing phenomena in Antarctic coastal aerosol. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, v. 249, p. 561-565, 2006. BOEYKENS, S.; VÁZQUEZ, C. Preliminary classification of polymers by using total-reflection X-ray fluorescence spectra. Spectrochimica Acta Part B, v. 59, p. 1189-1192, 2004. BORJESSON, J.; ISAKSSON, M.; MATTSSON, S. X-ray fluorescence analysis in medical sciences: a review. Acta Diabetologica, v. 40, p. S39-S44, 2003.


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