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Espectroscopia vibracional: espectroscopia infravermelha e Raman para avaliações de biocombustíveis
A noção de que sistemas compostos por moléculas podem sofrer movimentos vibracionais, nos quais seus átomos estão em constante movimento em torno de sua posição de equilíbrio, pode ser explicada pela espectroscopia vibracional . Cada molécula contém uma energia de estado de terra (incluindo a energia vibracional), que pode ser descrita como a soma de diferentes componentes. Esta energia define a energia mínima com a qual os átomos de uma molécula podem mover-se num movimento periódico, descrito principalmente pelos seis movimentos mostrados na Figura 2.
Figure 2.
Modos vibracionais principais para as moléculas.
O princípio deste tipo de espectroscopia é que a radiação electromagnética pode interagir com as moléculas, conduzindo-as da energia do seu estado terrestre para uma energia de estado vibracional excitada, na qual os movimentos dos átomos têm maior energia. A transição de estado segue regras mecânicas quânticas e obedece a níveis de energia quantificados; para uma visão harmónica do oscilador da vibração, a energia que leva uma molécula de um estado vibracional a um estado imediatamente superior é (12hv), onde a sua constante de Planck e vise a frequência da vibração. Portanto, o fóton que pode interagir com uma molécula deve ter uma energia igual a este valor para mudar seu estado vibracional; caso contrário, a transição não é alcançada. A porção do espectro electromagnético que pode levar a estas transições é a região infravermelha. Esta região pode ser dividida em três partes diferentes, com diferentes aplicações para o estudo espectroscópico: infravermelho próximo (NIR), 14.000-4000 cm-1, permite o estudo de sobretons e vibrações harmônicas ou combinadas; infravermelho médio (MIR), 4000-400 cm-1, permite o estudo das vibrações fundamentais e da estrutura de rotação-vibração de pequenas moléculas; e infravermelho distante (FIR), 400-10 cm-1, permite o estudo de vibrações atômicas de baixa intensidade. Uma molécula poliatômica pode sofrer muitos tipos de vibração, dependendo do seu número de átomos e do seu grau de liberdade. Para moléculas não lineares, o número de vibrações possíveis pode ser definido pela regra 3N- 6, onde N é o número total de átomos. Assim, moléculas diferentes sofrem diferentes tipos de vibração, levando a diferentes transições possíveis através da absorção de radiação infravermelha. Esta é a premissa deste tipo de espectroscopia, uma vez que um espectro alcançado por esta técnica pode ser visto como a impressão digital de uma molécula e pode ser usado especialmente para análise de grupos funcionais .
As duas principais técnicas para estudar estas vibrações são a espectroscopia infravermelha e a Raman, e têm sido estudadas em maior grau que as outras técnicas para aplicações desde meados do século XX. Embora o conhecimento teórico tenha sido desenvolvido durante o século anterior, só na Segunda Guerra Mundial é que a espectroscopia de infravermelho teve um avanço, com o número de instrumentos passando de menos de 20 antes da guerra para 700 em 1947 . De facto, vários programas do Reino Unido/EUA durante a guerra levaram à investigação e desenvolvimento dos primeiros instrumentos infravermelhos disponíveis comercialmente, tais como os utilizados na análise do petróleo (por exemplo, para rastrear a origem da gasolina utilizada pela força aérea alemã), no controlo de qualidade para a produção de borracha sintética e na resolução da estrutura da penicilina. Exemplos de publicações iniciais variam de aplicações industriais a estudos mais acadêmicos Por exemplo, Downing et al. usaram espectroscopia de infravermelho para diferenciar isômeros da molécula diclorodifeniltricloroetano e para detectar qualitativamente a presença de impurezas em suas amostras, e Pfann et al. usaram espectroscopia de infravermelho para avaliar a presença de fragmentos moleculares dos iniciadores usados para catalisar uma reação de polimerização na estrutura do polímero final. Em relação à área de biocombustíveis, por ser um assunto mais recente, as primeiras aplicações descritas da espectroscopia de infravermelho começaram a aparecer apenas no final da década de 1990. Em 1996, Adjaye et al. utilizaram-na para caracterizar diferentes misturas de silica-alumina e HZSM-5 como catalisadores para a conversão catalítica de um biocombustível do processamento térmico de madeira de bordo em hidrocarbonetos líquidos; no mesmo ano, Sanderson et al. utilizaram a técnica para a análise composicional de matérias-primas de biomassa. A espectroscopia Raman, por outro lado, foi aplicada para estudos de biocombustível quase uma década depois da espectroscopia infravermelha, como no trabalho de Oliveira et al. Eles usaram a técnica para determinar a adulteração de misturas diesel/biodiesel pela adição de óleo vegetal. Neste estudo, tanto a espectroscopia Raman quanto a espectroscopia de infravermelho próximo foram aplicadas para a determinação, e ambas deram um resultado final de precisão similar para a quantificação da adulteração, dependendo do algoritmo utilizado para o cálculo.
As duas técnicas, embora relacionadas aos modos vibracionais das moléculas, têm princípios diferentes e são complementares. A espectroscopia infravermelha é baseada na absorção de radiação, enquanto a espectroscopia Raman é baseada na interação via colisões inelásticas. Na espectroscopia infravermelha, um fotão infravermelho de determinada energia (com uma frequência v), pode ser absorvido por uma molécula se essa energia for exactamente igual à diferença de energia entre um estado vibracional terrestre e um estado vibracional excitado; utilizando um modelo harmónico simplificado, a diferença de energia entre os dois estados é (12hv), como mencionado anteriormente no texto. Portanto, a energia do fotão (Ep) necessária para que uma transição seja possível é definida por:
No entanto, mesmo que um fotão tenha essa energia, essa transição de estado pode não existir devido à principal regra de seleção da espectroscopia infravermelha: para que a absorção ocorra (portanto, transição), a vibração precisa levar a uma mudança no momento dipolo. Se não ocorrer nenhuma mudança, então essa transição é considerada “proibida por infravermelhos”. A intensidade na qual as transições ocorrem também depende das ligações moleculares relacionadas à vibração, já que é proporcional ao quadrado deste momento dipolo .
Para a espectroscopia Raman, a mudança do momento dipolo pela vibração não é a regra de corte, e transições de vibração que não são permitidas na espectroscopia de infravermelho podem ser permitidas na espectroscopia Raman. Isto é devido aos diferentes fenômenos que ocorrem nesta espectroscopia; como dito, a técnica aproveita uma colisão inelástica entre o fóton e a molécula, levando à dispersão da radiação eletromagnética com comprimento de onda diferente do irradiado. O campo eléctrico na radiação electromagnética pode interagir com a molécula, criando um momento dipolo adicional induzido como resposta dos electrões e núcleos que se movem em direcções opostas do campo, de acordo com a lei de Coulomb. A dependência neste caso está relacionada com a capacidade da molécula de ser polarizada, medida pela sua polarizabilidade, ou seja, a deformabilidade da nuvem de electrões em torno da molécula por um campo eléctrico externo. De fato, a regra de seleção para uma transição vibratória na espectroscopia Raman é que ela causa uma mudança na polarizabilidade da molécula. O fóton incidente é então momentaneamente absorvido pela molécula, levando a uma transição do estado terrestre para um estado virtual; um novo fóton é criado e disperso por uma transição deste estado virtual para um estado vibracional de menor energia, como mostrado na Figura 3. A maioria da luz dispersa é a mesma freqüência da luz inicial, como descrito por Rayleigh scattering, que não contém nenhuma informação sobre a molécula. A informação vem do espalhamento de Stokes e anti-Stokes, no qual a molécula passa de um estado terrestre para um estado virtual ou de um estado excitado para um estado virtual; no primeiro caso, a luz espalhada tem uma frequência menor do que a luz inicial, enquanto no segundo, a luz espalhada tem uma frequência maior do que a luz inicial. Assim, os espectros Raman podem ser divididos pelos dois tipos de espectros de dispersão, e a diferença de frequência é equivalente à da espectroscopia de infravermelhos.
Figure 3.
Digrama a nível de energia para as transições possíveis na espectroscopia de infravermelhos e Raman.
Para ambas as técnicas, a caracterização é uma das principais possibilidades, já que as frequências das vibrações moleculares dependem das massas dos átomos, da sua disposição geométrica e da força das suas ligações químicas. Os espectros fornecem informações sobre a estrutura molecular, dinâmica e ambiente .
Em termos de aplicação, ambas as técnicas têm diferentes esquemas de aparelhos, que não serão tratados pelos autores aqui, mas podem ser facilmente encontrados em outros lugares. Quanto à diferença entre as técnicas para fins de comparação, Peter Larkin descreveu-a no seu livro “Infrared and Raman Spectroscopy”: Princípios e Interpretação Espectral”, como mostra a Tabela 2.
| Raman | Infrared | Near-IR | ||
|---|---|---|---|---|
| Fácil Preparação da Amostra | Muito simples | Variável | Simples | |
| Líquidos | Muito simples | Muito simples | Muito simples | Muito simples |
| Poderes | Muito simples | Simples | Simples | |
| Gases | Simples | Muito simples | Simples | |
| Fingerprinting | Excellent | Excelente | Muito bom | |
| Melhores vibrações | Simétrico | Assimétrico | Comb/Overtone | |
| Frequências de grupo | Excelente | Excelente | Fair | |
| Soluções aquosas | Muito bom | Muito difícil | Fair | |
| Análise quantitativa | Bom | Bom | Excelente | |
| Baixo-modos de frequência | Excelente | Dificuldade | Não |
Tabela 2.
Comparação da Raman, espectroscopia de infravermelho médio e infravermelho próximo, tirada de .
A diferença entre os espectros das amostras obtidas pela espectroscopia de infravermelho e pela espectroscopia da Raman é ilustrada por Corsetti et al. , em que ambas as técnicas foram utilizadas para medições quantitativas em misturas sistematicamente variadas de etanol e uma gasolina, assunto de interesse devido à produção de bioetanol. A Figura 4 mostra uma comparação entre as duas técnicas para a mistura e para o etanol puro e a gasolina.
Figure 4.
IR e os espectros Raman de etanol puro (vermelho), gasolina pura (azul tracejado) e misturas (preto), apresentados em .
Uma comparação entre os espectros pode ser muito direta, em que faixas que são muito intensas para espectroscopia IR têm baixa intensidade na espectroscopia Raman, e vice-versa. As bandas vibracionais relacionadas às moléculas de álcool, que são os trechos das bandas O─H (3600-3000 cm-1) e C─O (1000-1100 cm-1), são intensas nos espectros de IR devido à eletronegatividade que provoca grande mudança no momento dipolo; no entanto, estas vibrações não são muito polarizáveis, portanto são mostradas com baixa intensidade nos espectros Raman. Por outro lado, as bandas relacionadas com os alongamentos e flexões das bandas C─H (3000-2800 cm-1 e 1600-1200 cm-1) não causam muita alteração no momento dipolo e não são muito intensas nos espectros IR, enquanto que tendem a ser mais polarizáveis e têm maior intensidade nos espectros Raman.
Como mencionado anteriormente, as primeiras aplicações das duas técnicas na área dos biocombustíveis foram para a caracterização e quantificação de componentes/propriedades de biocombustíveis. Estes tipos de aplicações são muito comuns, e uma grande quantidade de trabalho das duas últimas décadas pode ser encontrada na literatura sobre o assunto. A caracterização é a principal característica destas técnicas, que têm sido aplicadas em diferentes situações. Uma delas é a avaliação de catalisadores, como no estudo de biocatalisadores heterogêneos a partir da sacarose, pó de serra e casca de ovo de galinha para produção de biodiesel por Wembabazi et al. Outro estudo investigou a produção de biocombustíveis hidrocarboneto através do hidroprocessamento do óleo de carinata, enquanto que outro analisou a produção de combustíveis bioaditivos a partir do bioglicerol em condições ecologicamente corretas. Muitos outros trabalhos podem ser encontrados que tratam deste tema A caracterização tem sido aplicada não só aos catalisadores utilizados nos processos de biocombustível, mas também ao próprio biocombustível, como a análise estrutural dos bio-óleos da liquefação hidrotérmica subcrítica e supercrítica de uma planta da Turquia em um estudo de Durak e Aysu , ou a caracterização do material insolúvel isolado do biodiesel do óleo de palma colombiano em Plata et al. Também, Nanda et al. avaliaram estrume de cavalo através da gaseificação catalítica de água supercrítica como uma possível matéria-prima de próxima geração para a produção de biocombustível . Muitos outros utilizaram esta abordagem .
Uma outra grande característica destas técnicas é a sua dependência de concentração. A intensidade dos sinais está relacionada com a característica da vibração da banda e com o número de moléculas necessárias para fazer a transição de estado (ou seja, concentração molecular). Esta dependência pode ser definida pela lei Lambert-Beer, que afirma que existe uma relação linear entre o sinal e a concentração. Portanto, isto pode ser usado para a estimativa da concentração de componentes presentes em misturas ou para outras propriedades em diferentes sistemas. Como comentado anteriormente, um dos primeiros artigos publicados utilizando espectroscopia de infravermelho teve como objetivo obter uma análise composicional da matéria-prima da biomassa, onde se determinou a composição química de várias matérias-primas lenhosas e herbáceas (121 amostras no total) utilizando a espectroscopia NIR. Foram analisadas amostras para extrativos de etanol, cinzas, lignina, ácidos urônicos, arabinose, xilose, manose, galactose, glicose e C, H, N e O, e todas essas respostas foram quantificadas por espectroscopia. Os resultados mostraram grandes correlações para a maioria das respostas, como mostrado na Figura 5, sugerindo que a espectroscopia infravermelha foi capaz de quantificar componentes relacionados às matérias-primas de biomassa com respostas de alta precisão.
Para fins de quantificação ou classificação, muitos algoritmos quimiométricos podem ser aplicados a dados vibracionais para transformar os dados em informações quantitativas mais relevantes. No caso do trabalho de Sanderson apresentado acima, foi utilizada a regressão parcial dos mínimos quadrados (PLSR) para converter os dados de espectros para as respostas. Vários outros trabalhos na área de biocombustíveis utilizaram diferentes algoritmos para a avaliação quantitativa de diferentes respostas ou para o controle de qualidade e classificação, como a regressão linear multivariada (MLR), regressão de componentes principais (PCR), máquinas vetoriais de suporte (SVM), rede neural artificial (ANN), análise parcial menos quadrática discriminante (PLS-DA), análise de componentes principais (PCA), K-nearest neighbors (KNN), análise linear discriminante (LDA), análise quadrática discriminante (QDA), análise discriminante regularizada (RDA), entre outras (ver Figura 6).
Figure 5.
Gráfico de predito vs. valores observados das respostas estudadas para a quantificação dos componentes presentes na matéria-prima da biomassa.
Figure 6.
Esquema da reação de produção de biodiesel feita por .
Outras aplicações na área usando as técnicas vibracionais são a avaliação da degradação do biocombustível e a avaliação do processo . Em relação a este último tema, uma nova estratégia de otimização e controle de processos surgiu na última década, a iniciativa da tecnologia analítica de processos (PAT) . PAT pode ser definida como a aplicação ótima de tecnologias em estratégias de controle de processos de feedback, ferramentas de gerenciamento de informação e/ou estratégias de otimização de processos de produtos, conforme descrito por Chadwick et al. Para alcançar seus objetivos, técnicas de sensoriamento em tempo real são empregadas para controlar e monitorar parâmetros ao longo da cadeia de processamento, alcançando uma grande quantidade de dados. Na literatura, o PAT tem sido aplicado para seguir caminhos de reação, monitorar a conversão ao longo do tempo e até mesmo avaliar quantitativamente a eficiência dos catalisadores para a produção de biodiesel . Como exemplo, do nosso grupo de pesquisa, Kartnaller et al. utilizaram espectroscopia e quimiometria infravermelha para seguir a reação de esterificação de um ácido graxo livre ao biodiesel, quantificando cada componente da mistura e avaliando diferentes catalisadores enzimáticos . A Figura 7a mostra a alteração dos espectros da mistura de reação na qual as bandas relacionadas aos diferentes componentes mudam à medida que a reação progride. Como discutido, o sinal espectroscópico é dependente da concentração de acordo com a lei de Lambert-Beer; portanto, se um produto em uma mistura muda na sua concentração, o mesmo acontecerá com a intensidade de suas bandas. Com o avanço da tecnologia, o equipamento infravermelho mudou nas últimas décadas e novos tipos foram mostrados no mercado. Isto permitiu ao equipamento adquirir mais informação em menos tempo e de forma automatizada, o que pode gerar muita informação e permitir um fácil monitoramento das vias de reação, como mostrado na Figura 7b.
Figure 7.
(a) Alteração da intensidade das bandas infravermelhas de diferentes componentes de uma mistura devido à reação e(b) monitoramento quantitativo dos diferentes componentes da reação ao longo do tempo, calculado pela Lambert-Beerlaw, a partir de .
Hence, é fácil concluir que a espectroscopia vibracional tem uma grande variedade de aplicações em geral, e a área de biocombustível a tem usado para muitos tipos de objetivos nos últimos anos. Com o aumento dos avanços tecnológicos, tanto do ponto de vista técnico como da pesquisa de biocombustível, o uso da técnica vai aumentar ainda mais.