lunes, 30 de marzo de 2015

Determinación de cafeína por UV-VIS

Objetivos
Manejar con seguridad un espectrofotómetro uv-vis
Determinar la concentración de sustancias orgánicas en muestras problema por medio de una curva de calibración, aplicando la ley de lambert-beer

Introducción
L

a medición de la absorción y emisión de luz de los materiales se llama espectrofotometría.los términos absorción  y emisión tienen el mismo significado que en el uso cotidiano: la absorción significa tomar algo, en términos más precisos se define como el logaritmo decimal de la relación entre la intensidad de la radiación no absorbida (It) y la intensidad de la radiación incidente (Io).

y la emisión significa desprenderlo.
Cuando se emplea la palabra luz en el lenguaje cotidiano, se hace referencia a la luz visible, sin embargo la luz visible solo es una pequeña parte de de todo el espectro electromagnético. El espectro electromagnético incluye ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, visible, ultravioleta, rayos x y rayos gamma. El siguiente esquema muestra la longitud de las ondas del espectro electromagnético.


Los componentes esenciales de un instrumento usado en un método absorciométrico son:
Una fuente de radiación. Las fuentes de radiación en la zona uv-vis del espectro pueden ser de dos tipos: fuentes térmicas, en las que la radiación es el resultado de altas temperaturas y fuentes de descargas eléctricas en atmosfera gaseosa.
Un sistema  monocromador para “resolver” o separar la radiación policrómica, bandas de longitudes de onda o longitudes de onda
Un compartimento de muestra y/o referencia (blanco), transparente, que les sirva de transporte.
Un detector de energía transmitida
Un amplificador de la corriente eléctrica generada.
Un sistema de medida: de escala, digita

Antes de comenzar a usar un espectrofotómetro es necesario calibrarlo, para evitar errores en las determinaciones. El primer paso debe ser la limpieza y la alineación del sistema óptico, después se realiza la calibración de la longitud de onda, y al final se verifica la respuesta de la absorbencia En un análisis espectrofotométrico la absorción selectiva de una longitud de onda de cierta sustancia es aprovechada de una región del espectro. Todos los compuestos orgánicos    pueden absorber una parte de la radiación electromagnética dado que sus electrones de valencia pueden ser excitados al absorber  y pasar a niveles energéticos mayores.

Material y equipo
Matraz aforado de 500 ml
Matraz aforado de 100 ml
5 matraces aforados de 10 ml
1 pipeta de 1 ml
Balanza analítica
Espectrofotómetro uv-vis
Celdas de cuarzo de 1 cm



Desarrollo experimental  
Preparación de soluciones


Resultados  
Se determinó la absorbancia de soluciones para la curva tipo cuyas concentraciones fueron de 25, 30, 35, 40 y 50 ppm arrojando los siguientes resultados.

 
curva tipo de cafeína
concentraciones
ppm
absorbancia
25
1.07
30
1.09
35
1.3
40
1.86
50
2.5
Tabla no. 1 absorbancias de las soluciones para curva tipo




Al graficar los puntos  obtenidos experimentalmente y al realizar la regresión lineal se obtuvo la ecuación y = 0.061X – 0.657 con un coeficiente de correlación de 0.937. La presente ecuación nos permitió calcular la concentración en ppm de las muestras problema que a continuación se presentan.
Determinación de la concentración de cafeína para Afrinex active y refresco de cola (pepsi)

·         Afrinex:
Tableta completa: 0.6438 g
Tableta macerada: 0.5851 g
Absorbancia registrada: 0.586
Concentración de cafeína:
De la ecuación     y = 0.061X – 0.657 despejamos X (la concentración)

Se obtuvo una concentración de 20.3770 ppm equivalentes a 10.49 *10^-5 mol / l
De la concentración inicial se tenían 25 mg  en 0.6438g de los cuales se trabajó con 0.5851g siendo una cantidad inicial de cafeína de 22.7205 mg.
La concentración inicial en mg/ml de cafeína es.
22.721 mg/10 ml = 2.27 mg/ml

Cálculo.
20.38 ppm  = 20.38 mg/mL

Si 1 mol de cafeína equivale a 194.19 g entonces:


 ·         Pepsi
Absorbancia registrada: 0.278
Concentración de cafeína:
De la ecuación     y = 0.061X – 0.657 despejamos X (la concentración)

Se obtuvo una concentración de 15.3278 ppm equivalentes a 78.93 mol/l
Cálculo.

Si 1 mol de cafeína equivale a 194.19 g entonces:

·         Investigar que es el coeficiente de extinción de la ecuación de Lambert-Beer y de que depende.
Lambert y Beer demostraron que la absorbancia (A), también llamada densidad óptica (D.O.) de una sustancia es directamente proporcional a la concentración (c) de la sustancia absorbente, la longitud del paso de luz (l) (espesor de la solución) y una constante denominada coeficiente de extinción  o coeficiente de absorción (a), que es característico para cada sustancia a una longitud de onda (l) determinada.
                                                    A  =   a l  c                                 
Las unidades del coeficiente de extinción dependen de las unidades de concentración y de longitud del paso de luz. Generalmente la unidad de longitud es el centímetro y la longitud del paso de luz es 1,0 cm. Si las unidades de concentración son moles L-1 o milimoles L-1, se hace referencia al coeficiente de extinción molar (o milimolar, respectivamente
Si la concentración está expresada en g/100 mL (% peso / volumen) se obtiene el coeficiente de extinción específico (E1%).
A  =  l  c        + Ao

El coeficiente de extinción se determina realizando una serie de diluciones de la sustancia de interes. Luego se mide la absorbancia de cada muestra de dilución a un largo de onda determinado. Los valores de absorbancia son graficados en función de la concentración. El resultado debe ser una linea recta.
La pendiente de la linea (Δy/Δx) es el coeficiente de extinción (K). Si las unidades de concentración son en moles, entonces la constante es llamada coeficiente de extinción molar y se mide en unidades de M/ cm.
Representa a cada longitud de onda la capacidad que tiene una sustancia de absorber la radiación electromagnética.
También se puede calcular mediante la fórmula:

Y debe de arrojar un resultado aproximado al obtenido de la pendiente de la regresión lineal.
·         Calculo del coeficiente de extinción molar a partir de los datos de las soluciones estándar.
De la ecuación:


Donde b = longitud de la trayectoria que atraviesa la luz por la muestra (1cm)
            C = concentración del material que absorbe luz (50 ppm)
           A = absorbancia (2.5)
Se realiza el despeje correspondiente


El coeficiente de extinción molar (єλ272) es aproximadamente 0.05 (cm*ppm)-1
Por lo tanto la ecuación final es:




·         Calculo de la concentración de de la muestra problema a partir del coeficiente de extinción molar.

Afrinex active.
Absorbancia registrada: 0.586
Concentración de cafeína:
La concentración de cafeína en la tableta de Afrinex active es de aproximadamente 11.12 ppm. Equivalentes a 57.26 * 10^-6
Pepsi.
Absorbancia registrada: 0.278
Concentración de cafeína:

La concentración de cafeína el refresco de cola es de aproximadamente 5.56 ppm. Equivalentes a 28.63*10^-6


·         Aplicaciones industriales de la cafeína

Uso del café como pesticida
El café puede ser también un repelente de los caracoles y las babosas respetuoso con el medio ambiente. Los jardineros saben desde hace tiempo que los cultivos de café pueden ahuyentar a las babosas, supuestamente por su aspereza; sin embargo, el simple vertido de una jarra llena de café (frío) sobre la base de los rosales quizás sea una solución más permanente. La cafeína actúa como una potente neurotoxina para estas plagas viscosas, según aseguran los científicos el Departamento de Agricultura de EE.UU. en Hawai.
Dado que no está permitido utilizar ningún sistema químico convencional de control de babosas y caracoles, hay que recurrir urgentemente a una solución alternativa. La fumigación de cafeína en una concentración del 1-2 por ciento ha resultado ser una solución efectiva para la eliminación de los bichos. Sin embargo, se trata de una disolución bastante concentrada (una taza de café instantáneo contiene alrededor de un 0,05 por ciento de cafeína) y podría llegar a dañar la flora. Afortunadamente, con la concentración que contiene una taza de café, las babosas parecen perder su apetito, por lo que supone un método eficaz de protección de las plantas.
Los usos de la cafeína en el mercado
La cafeína está siendo utilizada dentro de las tres principales áreas de mercado, que son evidentes: los refrescos, bebidas energéticas, farmacéuticas y en menor medida en los complementos alimenticios. Sin embargo, otras áreas se encuentran utilizando la cafeína. Solo por mencionar algunas aplicaciones, la cafeína se utiliza en los dulces, chocolates, jabones, shampoo, licores, cosméticos, inhaladores, etc.
Principales usos de la cafeína
Bebidas

Farmacéuticos
Bebidas energéticas
Medicamentos OCT
Jugos de frutas
Analgésicos
Agua cafeinada
Diuréticos
Bebidas de cola
Remedios para el resfriado
Sodas
Medicamentos de prescripción
Medicamentos de energía
Medicamentos para pérdida de peso

·         Aplicaciones de la espectroscopia uv-vis
La espectrometría UV/Vis se utiliza habitualmente en la determinación cuantitativa de soluciones de iones metálicos de transición y compuestos orgánicos muy conjugados.

Soluciones de iones metálicos de transición

Las soluciones de iones metálicos de transición pueden ser coloreadas (es decir, absorben la luz visible) debido a que los electrones en los átomos de metal se pueden excitar desde un estado electrónico a otro. El color de las soluciones de iones metálicos se ve muy afectado por la presencia de otras especies, como algunos aniones o ligandos. Por ejemplo, el color de una solución diluida de sulfato de cobre es muy azul; agregando amoníaco se intensifica el color y cambia la longitud de onda de absorción máxima.

Compuestos orgánicos

Los compuestos orgánicos, especialmente aquellos con un alto grado de conjugación, también absorben luz en las regiones del
espectro electromagnético visible o ultravioleta. Los disolventes para estas determinaciones son a menudo el agua para los compuestos solubles en agua, o el etanol para compuestos orgánicos solubles. Los disolventes orgánicos pueden tener una significativa absorción de UV, por lo que no todos los disolventes son adecuados para su uso en espectrometría UV. El etanol absorbe muy débilmente en la mayoría de longitudes de onda. La polaridad y el pH del disolvente pueden afectar la absorción del espectro de un compuesto orgánico. La tirosina, por ejemplo, aumenta su máximo de absorción y su coeficiente de extinción molar cuando aumenta el pH de 6 a 13, o cuando disminuye la polaridad de los disolventes.

Aunque los complejos de transferencia de carga también dan lugar a colores, éstos son a menudo demasiado intensos para ser usados en mediciones cuantitativas.

La ley de Beer-Lambert establece que la absorbancia de una solución es directamente proporcional a la concentración de la solución. Por tanto, la espectrometría UV/VIS puede usarse para determinar la concentración de una solución. Es necesario saber con qué rapidez cambia la absorbancia con la concentración. Esto puede ser obtenido a partir de referencias (las tablas de coeficientes de extinción molar) o, con más exactitud, determinándolo a partir de una curva de calibración.

El espectrofotómetro UV/Vis puede utilizarse como detector para la Cromatografía Líquida de Alta Resolución (CLAR). La presencia de un analito da una respuesta que puede ser proporcional a la concentración. Para resultados precisos, la respuesta del instrumento al analito debe compararse con la respuesta a un estándar, lo que es muy similar al uso de curvas de calibración. La respuesta (por ejemplo, el pico de altura) para una concentración particular se conoce como factor de respuesta.


Análisis y discusión

Para que el método de obtención de una curva tipo de absorbancias contra la concentración del analito dé buenos resultados, la medición experimental de la concentración desconocida de la sustancia debe de estar dentro del rango sobre el cuál se hizo la curva tipo, p. ej. entre 25 y 50 ppm. También debe tratarse de disoluciones diluidas, pues a concentraciones más elevadas, la ecuación de Lambert-Bert adquiere otra forma no lineal y por tanto la curva de calibración no se puede interpolar por mínimos cuadrados (véase Chang, 2008, pp. 724). Además, se debe escoger la longitud de onda a la cual la absorbancia de la muestra sea máxima, pues ello asegura que la curva tipo tenga valores más manejables de absorbancia, es decir, más cercanos a uno (Chang, et. al.).

La longitud de onda de absorbancia máxima de la muestra fue de 272 nm, que corresponde a la zona de luz UV del espectro de luz (Chang, 2010, pp. 657). En este caso, se debe usar una celda de cuarzo, pues a diferencia de las celdas de vidrio, la de cuarzo no presenta absorción de luz en la zona de UV y por ello no interviene con el experimento.

Las concentraciones de cafeína obtenidas a partir de las muestras problema no está cerca de la concentración que se debió obtener (véanse resultados), ello se debe probablemente al tiempo de reposo que estuvieron las muestras en el refrigerador, tiempo durante el cual se puedo haber evaporado etanol o adherido cafeína a las paredes del recipiente. Además, debe marcarse que las absorbancias obtenidas no estaban dentro de la zona de interpolación y lo que se hizo fue una extrapolación, proceso que como ya se dijo antes no es confiable porque la relación absorbancia concentración no es lineal durante toda la gama de concentraciones.

El método de obtención de la curva tipo fue bastante bueno porque el coeficiente de correlación r2 fue igual a 0.937, un valor muy cercano a 1, lo cual también demuestra que al trabajar con celdas de cuarzo éstas no interfieren en los datos de la absorbancia, además de la línea recta horizontal que aparece en el barrido de la celda.


Bibliografía
-Chang, R. (2008). Fisicoquímica (3ª ed.). E. U. A.: McGraw-Hill, pp. 768
-Chang, R. (2010). Química (10ª ed.).  E. U. A.: McGraw-Hill
-Day, R. y Underwood, A. (1989). Química analítica cuantitativa (5ª ed.). México, D.F.: Prentice-Hall Hispanoamericana. pp. 251-265
-Skoog, D., West, D., Holler, F. y Crouch, S. (2001). Química analítica (7ª ed.). México, D. F.: McGraw-Hill. pp. 363-374







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