Estudo das Melhores Condições para Determinação de Cu(II) e Ni(II)
por Meio da Reação Quimiluminescente do Sistema Peróxi-Oxalato
Ana Clara Beltran Rodrigues (IC) e Patrícia Dantoni (PQ)
Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Santo André, São Paulo
Com o intuito de determinar a melhor combinação de oxalato e fluoróforo para o estudo do comportamento do sistema
quimiluminescente peróxi-oxalato (QL-PO) na presença de cobre(II) e níquel(II), estudou-se a resposta ao sistema QL-PO com 2-NPO
(oxalato de 2-nitrofenila) e TCPO (oxalato de bis (2,4,6) triclorofenila), como oxalatos, e DFA (9, 10-difenilantraceno) e perileno – cuja
melhor concentração foi determinada por meio de planejamento fatorial – como fluoróforos. Por meio de construção de curvas
analíticas, selecionou-se a combinação oxalato/fluoróforo com maior sensibilidade e estudou-se o comportamento dos íons metálicos
neste sistema em meio tamponado com HTRIS+/TRIS pH 8,5 e em meio não tamponado, na presença e ausência de imidazol, através
da análise da supressão e do aumento do sinal QL. Como o sistema QL-PO apresentou maior supressão do sinal QL na presença de
cobre(II) que de níquel(II), também foi realizada uma curva analítica para o estudo da presença do primeiro no sistema QL-PO.
Palavras Chave: quimiluminescência; sistema peróxi-oxalato; planejamento fatorial; imidazol; cobre(II), níquel(II).
I. INTRODUÇÃO
A
REAÇÃO QUIMILUMINESCENTE (QL) do sistema peróxioxalato (QL-PO) ocorre quando ésteres fenólicos do
ácido oxalico (oxalatos) reagem com peróxido de hidrogênio,
H2O2, na presença de ativadores ou fluoróforos. O sistema
QL-PO é catalisado por bases oxigenadas como o salicilato de
sódio ou nitrogenadas como a piridina e o imidazol (IMI) – o
mais comumente utilizado, pois aumenta sensivelmente a
intensidade de emissão observada (Esquema 1)[1].
ArO
O
F
+ H2O2
O
OAr
oxalato
F*
QL-PO foram obtidos em luminômetro (Lumat LB 9507,
Berthold Technologies).
As soluções empregadas foram as seguintes: em água,
1,0x10-2 mol L-1 de H2O2, 0,1 mol L-1 de Cu(NO3)2.3H2O,
0,1mol L-1 de NiCl2.6H2O e tampão HTRIS+/TRIS 0,1mol L-1
pH 8,5; e em acetonitrila (ACN), 5,0x10-2 mol L-1 de IMI,
1,0x10-3 mol L-1 de DFA, 1,0x10-4 mol L-1 de perileno,
4,5x10-4 mol L-1 de TCPO e 4,5x10-4 mol L-1 de 2-NPO.
Na construção de curvas analíticas foram feitas cinco
medições para cada concentração de H2O2, nos demais
experimentos foram realizadas medições em triplicata.
h
Base
2 CO2 + 2ArOH
F:fluoróforo
Esquema 1. Esquema simplificado do sistema QL-PO[2]
Desde 1963 quando foi descoberto por Chandross[3], o
sistema QL-PO vem despertando o interesse de muitos
pesquisadores por sua simplicidade de reação e alto
rendimento quântico quimiluminescente [4,5]. Dentre as
diversas aplicações analíticas podemos citar a determinação de
H2O2, substâncias fluorescents e íons metálicos[2].
Este trabalho apresenta a comparação do comportamento do
sistema QL-PO com os oxalatos TCPO (oxalato de bis (2,4,6)
triclorofenila) e 2-NPO (oxalato de 2-nitrofenila), na presença
de dois fluoróforos diferentes: DFA (9,10-difenilantraceno) e
perileno – que teve sua melhor concentração determinada por
planejamento fatorial. Por meio da construção de curvas
analíticas e do cálculo do limite de detecção[6] nas melhores
condições encontradas, determinou-se o melhor sistema para
estudos subseqüentes com os íons metálicos cobre(II) e
níquel(II).
II. PARTE EXPERIMENTAL
Os valores de Intensidade máxima (Imax, em unidades
relativas de luz/s, Rlu/s) e de Área (A, Rlu) do pico da reação
Resumo submetido em 18/09/09. Autor correspondente: Ana Clara
Beltran Rodrigues (e-mail: [email protected]).
III. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Por meio de planejamento fatorial 22 completo, com três
repetições no ponto central, foi feita a análise das respostas
(Imax e A) do sistema em relação a concentração de perileno,
no sistema contendo TCPO como oxalato e a diferentes
porcentagens de ACN. A tabela 1 apresenta os parâmetros
utilizados para a realização do planejamento fatorial.
Tabela 1. Planejamento fatorial 22 realizado para otimização
das condições de concentração de perileno e porcentagem de
ACN:
Variável
Nível (-)
Nível (0)
Nível (+)
Concentração de
1,2 x10 - 7
1,3 x10 - 6
1,2 x10 - 5
Perileno (mol L-1)
ACN (%)
25
37
62
Os resultados obtidos do planejamento fatorial foram
calculados a partir da planilha de Teófilo e Ferreira[7] e
indicam que, para maximizar a resposta de Imax, as melhores
condições são: maior concentração de perileno e menor
porcentagem de ACN. Ao passo que, para maximizar a
resposta de A, é necessário manter ambos os valores no nível
máximo. Optou-se pelas condições para maximizar Imax e
foram construídas curvas analíticas variando-se a
concentração de H2O2, em sistemas com 2-NPO e TCPO como
oxalatos e DFA e perileno, como fluoróforos, em meio
tamponado com HTRIS+/TRIS pH 8,5.
A tabela 2 apresenta a comparação dos limites de detecção e
da sensibilidade dos sistemas.
Tabela 2. Comparação entre os limites de detecção de H2O2
e a sensibilidade dos sistemas estudados.
DFA
Perileno
DFA
Perileno
2-NPO
TCPO
Intensidade Máxima
Limite de
Sensibilidade
Limite de
Sensibilidade
Detecção
(L mol-1)
Detecção
(L mol-1)
-1
-1
(mol L )
(mol L )
8,0x10-7 (a)
7,7x1010 (a)
8,0x10-7 (b)
2,2x109 (b)
2,2x10-6 (b)
9,0x109 (b)
2,5x10-6 (b)
3,1x108 (b)
Área
Limite de
Sensibilidade
Limite de
Sensibilidade
Detecção
(L mol-1)
Detecção
(L mol-1)
-1
-1
(mol L )
(mol L )
2,3x10-6 (a)
3,8x1010 (a)
1,5x10-6 (b)
1,7x109 (b)
1,3x10-5 (b)
3,6x109 (b)
1,3x10-6 (b)
6,0x108 (b)
(a) Faixa linear de 2,0x10-6 a 1,0x10-5 mol L-1 de H2O2.
(b) Faixa linear de 2,0x10-6 a 1,0x10-4 mol L-1 de H2O2.
Ao se comparar o limite de detecção e a sensibilidade de
ambos os fluoróforos, com 2-NPO e TCPO, verificou-se que
DFA (1,0x10-3 mol L-1) apresenta melhores rendimentos que
perileno (1,2x10-5 mol L-1) para Imax e A. A maior
sensibilidade foi encontrada com 2-NPO, que possui faixa
linear mais restrita (de 2,0x10-6 mol L-1 a 1,0x10-5 mol L-1 de
H2O2). Portanto, o estudo dos íons metálicos Cu(II) e Ni(II)
foi realizado em sistemas com 2-NPO como oxalato e DFA
como ativador.
O estudo do comportamento do sistema QL-PO na presença
de Cu(II) e Ni(II) foi realizado por meio da comparação dos
sinais QL em que se manteve fixa a concentração de H2O2 em
1,0x10-5 mol L-1 e 1,0x10-4 mol L-1, e variou-se a de íon
metálico: 6,0x10-6 ; 1,0x10-5 ou 1,0x10-4 mol L-1, escolhidas de
acordo com a literatura[8,9]. Avaliaram-se os fatores de
supressão (F.S.) e de aumento (F.A.) do sinal QL em meio
tamponado
com
HTRIS+/TRIS
(pH
8,5;
10s;
25%ACN/75%H2O) e meio não tamponado na presença
(pH 8,5; 10s; 62%ACN/38%H2O) e ausência (pH 5,0; 100s;
25%ACN/75%H2O) de IMI 1,2x10-2 mol L-1.
No estudo de Cu(II), observou-se que em meio tamponado,
em 1,0x10-5 mol L-1 de H2O2, houve um aumento de sinal para
as concentrações de Cu(II) 6,0x10-6 mol L-1 e 1,0x10-5 mol L-1
em Imax (F.A. = 11,5% e 0,92%, respectivamente), enquanto
que em 1,0x10-4 mol L-1 de Cu(II) houve diminuição do sinal
QL para Imax e A, os F.S. foram: 48,3% e 63,7%,
respectivamente, na mesma concentração de H2O2. Enquanto
que, em 1,0x10-4 mol L-1 de H2O2 e de Cu(II), os F.S. caíram
para 29,6% para Imax e 45,6% para A – nesta concentração de
H2O2 houve supressão do sinal QL nas três concentrações
estudadas de Cu(II). Em meio não tamponado, tanto na
presença quanto na ausência de IMI, observou-se que a
supressão do sinal QL é maior na presença de 1,0x10-4 mol L-1
de Cu(II): na ausência de IMI, em 1,0x10-5 mol L-1 de H2O2,
os F.S. obtidos foram: 59,7% e 44,5%, para Imax e A,
respectivamente; no entanto, em 1,0x10-5 mol L-1 de Cu(II),
para a mesma concentração de H2O2, houve aumento do sinal
QL, os F.A. encontrados foram 51,4% para Imax, e 27,7%,
para A. Enquanto que na presença de 1,2x10-2 mol L-1 de IMI,
observaram-se os maiores F.S. no estudo de Cu(II), 96,8%
para A e 93,7% para Imax, em sistemas com 1,0x10-4 mol L-1
do íon metálico e 1,0x10-5 mol L-1 de H2O2. A supressão
ocasionada pela presença de IMI e Cu(II) indica a formação de
produtos não previstos na reação, os quais competem com a
formação do intermediário chave[10].
Contudo, no estudo de Ni(II), os resultados foram bem
diversos quanto ao efeito das concentrações de íon metálico.
Em meio tamponado e 1,0x10 -5 mol L-1 de H2O2, os maiores
F.S. foram encontrados em 1,0x10-5 mol L-1 do íon metálico,
tanto para Imax quanto para A, de 47,8% e 53,7%,
respectivamente; já em 1,0x10-4 mol L-1 de H2O2, os maiores
F.S. obtidos foram 28,6% para Imax e 33,8% para A, ambos
em 6,0x10-6 mol L-1 de Ni(II) – em nenhuma duas das
concentrações de H2O2 houve aumento de sinal QL na
presença de Ni(II) em meio tamponado. Em meio não
tamponado, na ausência de IMI, em ambas as concentrações
de H2O2 o maior F.S. para Imax foi obtido em 6,0x10-6 mol L-1
de Ni(II) – de 25,9% em 1,0x10 -5 mol L-1 de H2O2 e 48,9% em
1,0x10-4 mol L-1 de H2O2 – enquanto que para A, em
1,0x10-5 mol L-1 de Ni(II), de 47,1% em 1,0x10-5 mol L-1 de
H2O2 e 51,8% em 1,0x10-4 mol L-1 de H2O2. Em
1,0x10-4 mol L-1 de H2O2 houve supressão de sinal QL em
todas concentrações estudadas de Ni(II), tanto para Imax
quanto para A, em meio não tamponado sem IMI; porém, em
1,0x10-5 mol L-1 de H2O2 houve aumento do sinal QL em
1,0x10-4 mol L-1 de Ni(II) para A (F.A. = 27,7% ). Em
sistemas com IMI, em 1,0x10-5 mol L-1 de H2O2, houve
aumento de sinal QL em 6,0x10-6 mol L-1 de Ni(II), os F.A.
obtidos foram de 8,2% para Imax e 9,6% para A. A supressão
de sinal QL em 1,0x10-5 mol L-1 de Ni(II) corresponde aos
F.S., para Imax e A, respectivamente, de 10,4% e 6,0%; e em
1,0x10-4 mol L-1 de Ni(II) , de 19,3% e 34,2% – os menores
F.S. encontrados para sistemas na presença de Ni(II).
Como o maior F.S. encontrado, em comparação a todos os
sistemas estudados, é o do 1,0x10-4 mol L-1 de Cu(II) em meio
não tamponado com [IMI] = 1,2x10 -2 mol L-1, que é maior que
93% tanto para Imax, quanto para A, realizaram-se medições
para a construção de uma curva analítica para a determinação
de Cu(II), da mesma forma que feito anteriormente para H2O2,
neste sistema.
A tabela 3 apresenta os F.S.(-) e F.A.(+) obtidos no estudo
do comportamento do sistema QL-PO da presença de Cu(II),
na faixa de 2,5x10-7 a 1,3x10-5 mol L-1(concentrações iniciais),
em Imax e A.
Ao analisarmos a tabela 3, observa-se que a presença de
Cu(II) aumentou o sinal QL na faixa de 2,5x10-7 a
1,3x10-6 mol L-1 e suprime o sinal QL entre 3,8x10-6 e
1,3x10-5 mol L-1 de Cu(II) – supressão que aumenta com o
aumento da concentração de íon metálico, tanto para Imax
quanto para A.
Tabela 3. Influência da presença de Cu(II) em Imax e A, em
meio não tamponado, com [H2O2] = 1,0x10-5 mol L-1 e
[IMI] = 1,2x10-2 mol L-1.
Concentração de
Imax(%)
A(%)
Cu(II)
2,5x10-7 mol L-1
(+) 37,43
(+)58,04
6,3x10-7 mol L-1
(+)30,72
(+)45,88
8,8x10-7 mol L-1
(+)30,62
(+)43,17
1,3x10-6 mol L-1
(+)32,48
(+)47,28
3,8x10-6 mol L-1
(-)4,52
(-)15,48
6,3x10-6 mol L-1
(-)29,62
(-)44,34
8,8x10-6 mol L-1
(-)43,17
(-)55,44
1,3x10-5 mol L-1
(-)55,49
(-)65,53
No estudo de níquel (II), verificou-se, observando Imax,
que a supressão do sinal se dá em maior porcentagem, em
meio não tamponado (48,9%), para concentração de H2O2
1,0x10-4 mol L-1 na menor concentração de Ni(II) estudada.
Ao passo que, em concentração de H2O2 1,0x10-5 mol L-1, a
maior supressão de Imax foi encontrada em meio tamponado
(47,8%). Ao contrário do observado para o Cobre(II), a menor
supressão de sinal obtida para o Níquel(II) foi na presença de
IMI, de apenas 19,30% em Imax, com 1,0x10 -4 mol L-1 de
Ni(II) e 1,0x10-5 mol L-1 de H2O2.
Nota-se que estes resultados indicam que há mudanças no
mecanismo da reação na presença dos íons metálicos
estudados e estudos mais aprofundados merecem ser feitos em
trabalhos futuros.
IV. CONCLUSÃO
AGRADECIMENTOS
Com o intuito de estudar diferentes fluoróforos (DFA e
perileno) e oxalatos (2-NPO e TCPO), utilizou-se de
planejamento fatorial para a determinação da melhor
concentração de fluoróforo, para o perileno foi de
1,2x10-5 mol L-1. Conhecendo-se as melhores concentrações
de cada fluoróforo – visto que a concentração de DFA foi
fixada em 1,0x10-3 mol L-1 pela insolubilidade do fluoróforo
em concentrações maiores em acetonitrila e da não detecção
em concentrações menores – construíram–se curvas analíticas
a fim de se determinar a melhor combinação de oxalato e
fluoróforo.
Verificou-se que o melhor sistema, em 25%ACN,
apresentava 2-NPO como oxalato e DFA como fluoróforo,
apesar da faixa linear deste sistema ser mais estreita, de
2,0x10-6 a 1,0x10-5 mol L-1, que a de 2-NPO e perileno, que é
de 2,0x10-6 a 1,0x10-4 mol L-1.
Em seguida, estudou-se o comportamento do sistema QLPO na presença dos íons metálicos Ni(II) e Cu(II) – que de
acordo com Steijger et al.[11] aumenta em 70% o sinal QL da
reação entre 2-NPO e H2O2 na presença de 3aminofluoranteno como ativador e de IMI – na melhor
combinação fluoróforo/oxalato encontrada (DFA/2-NPO) em
meio tamponado com HTRIS+/TRIS pH 8,5, e em meio não
tamponado na presença e ausência de IMI, por meio da análise
dos fatores de supressão (F. S.) e de aumento (F. A.) de sinal
QL.
Ao analisarmos os F. S. obtidos no estudo dos íons
metálicos presentes em três concentrações (6,0x10-6; 1,0x10-5
e 1,0x10-4 mol L-1), observou-se que o maior F. S. encontrado
foi para o sistema contendo Cu(II) em meio não tamponado
com [IMI] = 1,2x10 -2 mol L-1 e [H2O2] = 1,0x10-5 mol L-1
(93,7% e 96,8% para Imax e A, respectivamente).
Construiu-se uma curva analítica variando-se a
concentração de Cu(II) entre 2,5x10-7 e 1,3x10-6 mol L-1.
Houve um aumento de sinal QL na faixa de 2,5x10-7 a
1,3x10-6 mol L-1 de Cu(II), embora inferior ao observado por
Steijger et al.[11]; contudo, observou-se supressão de sinal
entre 3,8x10-6 a 1,3x10-5 mol L-1 – supressão descrita por Lee
et al.[10] na reação de 1,1’-oxalildiimidazol com H2O2 na
presença de perileno, que detectou Cu(II) em meio aquoso em
concentração igual a 5,0x10 -8 mol L-1.
À UFABC pela concessão de bolsa de iniciação científica
por meio do programa PIC/UFABC. Às professoras Káthia M.
Honório da EACH-USP, pela sua colaboração no
planejamento fatorial, e Nina Coichev do IQ-USP que vem
dado todo suporte para o desenvolvimento dos experimentos.
REFERÊNCIAS
M. M. Nakamura, S. A. Saraiva e N. Coichev, “Parameters affecting the
peroxyoxalate chemiluminescence”, Analytical Letters, vol. 32, no. 12,
pp. 2471-2487, 1999.
[2] W. J. Baader, C. V. Stevani e E. L. Bastos, “Chemiluminescence of
organic peroxides”, in The Chemistry of peroxides, vol. 2, Z. Rappoport,
John Wiley & Sons Ltd., 2006, pp. 1211-1278.
[3] E. A. Chandross, “A new chemiluminescent system”, Tetrahedron
Letters, no. 12, pp.761-765, 1963.
[4] C. V. Stevani e W. J. Baader, “O sistema quimiluminescente peróxioxalato”, Química Nova, vol. 22, no. 5, 1999.
[5] P. J. Kwakaman e U. A. Th. Brinkman, “Peroxyoxalate chemiluminesce
detection in liquid chromatography”, Analytica Chimica Acta, vol. 266,
pp. 175-192, 1992.
[6] D.A. Skoog, F. J. Hooler e T. A. Nieman, Princípios de Análise
Instrumental, 5ªed., São Paulo: Artmed Editora, 2002, pp.26-27.
[7] R. F. Teófilo e M. M. C. Ferreira, “Quimiometria II: planilhas
eletrônicas para cálculos de planejamentos experimentais, um tutorial”,
Química Nova, vol. 29, no. 2, pp. 338-350, 2006.
[8] O. M. Steijger, P. H. M. Rodenburg, H. Lingeman, U. A. Th. Brinkman
e J. J. M. Holthuis, “Influence of metal íons on peroxyoxalate
chemiluminescence”, Analytica Chimica Acta, vol. 266, pp. 233-241,
1992.
[9] U. Quaβ e D. Klockow, “Determination of Fe(II) in atmospheric liquid
water by peroxyoxalate chemiluminescence”, Int. J. Environ. Anal.
Chem., vol. 60, pp. 361-375, 1995.
[10] J. H. Lee, J. Je, A. Tartaglia, J. Hur, M. A. Schlautman e E. R.
Carraway, “Quantification of Cu2+ using 1,1´-oxalildiimidazol
chemiluminescence”, Journal of Photochemistry and Photobiology A:
Chemistry, vol. 182, pp. 28-32, 2006.
[11] O. M. Steijger, P. H. M. Rodenburg, H. Lingeman, U. A. Th. Brinkman,
J. J. M. Holthuis e A. K. Smilde, “Enchancement of Peroxyoxalate
Chemiluminescence by Cooper(II) in Flow Injection Analysis;
Optimization by Factorial Design Analysis”, Analytica Chimica Acta,
vol. 320, pp. 99-105, 1996.
[1]