Espectrometria a les escoles: experiments pràctics

Traduït per MariaRosa Quintero Bernabeu

Imatge cortesia de Maren Beßler / Pixelio

Nataša Gros, Tim Harrison, Irena Štrumbelj Drusany i Alma Kapun Dolinar presenten una selecció d’experiments realitzats amb un simple espectròmetre dissenyat especialment per les escoles, I donen detalls de como dur a terme una de les activitats.

Per motivar els estudiants emprant un punt de vista pràctic de la química, nosaltres i els nostres col·laboradors de projecte hem desenvolupat un conjunt d’experiments emprant un espectrofotòmetre de baix cost a petita escala. En aquest projecte vàrem emprar un senzill espectrofotòmetre escolar dissenyat per una de les nostres col·laboradores (Nataša Gros). L’espectrofotòmetre pot ser fàcilment actualitzat per formar part d’altres tipus d’instruments analítics, com per exemple cromatògrafs de gasos o de líquids, permetent així dur a terme un ventall més ampli d’experiments a l’escola (veure la pagina web del projecte^w1). Un nombre limitat d’instruments es troba disponible per ser llogats per escoles.

Com treball un espectrofotòmetre

En un espectrofotòmetre, la llum blanca que prové d’una font de llum (una bombeta) travessa un monocromador, d’on surt la llum de la longitud d’ona (color) seleccionada. Aquesta llum passa a continuació a través d’una solució continguda en la cel·la òptica, anomenada cubeta (Figura 1). La solució absorbeix una fracció de la llum i un detector mesura la reducció d’intensitat de llum resultant (l’absorbància). Com més intens sigui el color de la solució, més alta serà la mesura d’absorbància.

Figura 1: Components principals d’un espectrofotòmetre convencional
Imatge cortesia de Nicola Graf

Les cubetes més comunament utilitzades tenen una longitud d'1cm i requereixen un volum mínim de 3 ml de solució per obtenir mesures satisfactòries. L’objectiu principal d’un espectrofotòmetre d’ús general es la mesura exacta i precisa de l’absorbància. Per tant, la selecció de la longitud d’ona ha de ser el més exacte possible i la llum altament monocromàtica (és a dir ha d’estar formada per un estret rang de longituds d’ona). Conseqüentment la construcció d’un aparell d’aquest tipus es complicada i poc obvia per un usuari típic, i l’instrument es car.

En canvi, l’objectiu principal del desenvolupament de l’espectrofotòmetre Spektra^TM va ser produir un aparell de baix cost, portàtil i robust amb un disseny i una utilització simples i intuïtius, que permeti un baix consum de reactius i l’ús d’un protocol experimental simplificat (Gros, 2004). Aquest espectrofotòmetre està principalment dissenyat per finalitats educatives, especialment per la introducció de conceptes, però ha demostrat ser útil per realitzar mesures quantitatives o semi-quantitatives de mostres sobre el terreny.

Spektra està format per dos elements òptics: un díode electroluminiscent (light emitting diode LED) tricolor i un detector lluminós. Tres colors poden ser seleccionats: blau (430 nm), verd (565 nm) i vermell (625 nm). Aquesta llum travessa directament la capa líquida i arriba al detector (figura 2). Els elements essencials (la font de llum, la cambra de mesura i el detector) estan exposats. D’aquesta manera l’instrument no és una caixa negra pels estudiants, sinó un aparell senzill d’entendre i d’utilitzar (Figures 3a i b).

Figura 2: Cambra de mesura de l’espectrofotòmetre Spektra
Imatge cortesia de Nataša Gros

	Figura 3a: Prototip d’espectrofotòmetre Spektra. A: font de llum LED; B: cambra de mesura; C: zona de mesura amb el detector a la part inferior. Fer clic sobre la imatge per ampliar-la Imatge cortesia de Nataša Gros
	Figura 3b: Disseny final de l’Spektra. Aquest instrument és més compacte, però els tres elements essencials (A: font de llum; B: cambra de mesura; C: detector) es troben igualment exposats. Fer clic sobre la imatge per ampliar-la Imatge cortesia de Nataša Gros

Les reaccions i les mesures es duen a terme en suports polimèrics anomenats blíster (similars als embalatges de plàstic dels comprimits farmacèutics), els quals permeten treballar amb volums petits (0.35ml) de solució, l’homogeneïtzació ràpida dels reactius i la generació de volums petits de residus químics. El treball experimental amb l’Spektra és simple i segur, i no requereix formació de laboratori especifica o material de vidre especial. Els volums de solució necessaris són molt petits: es podria emprar un protocol experimental basat en l’ús de gotes de solució si fos necessari.

L’espectrofotòmetre es pot adquirir en línea^w2. Per altra banda, la Universitat de Bristol^w3, al Regne Unit, ofereix un nombre limitat d’Spektra a lloguer per mestres que vulguin provar els experiments amb els seus estudiants o bé desenvolupar altres investigacions pràctiques. Per mestres que prefereixin un instrument convencional, els colorímetres Mystrica (que empren cubetes normals) són igualment assequibles i de bona qualitat^w4.

Protocols experimentals en espectrofotometria

Com a part del projecte, es van desenvolupar una sèrie d’activitats pràctiques d’espectrofotometria destinades a augmentar l’interès en la ciència i inspirar els futurs científics entre els estudiants de l’escola. Aquestes activitats cobreixen temes tant variats com l’anàlisi d’aigües, la física de la llum i el color, investigacions sobre la llei de Lambert-Beer, l’equilibri químic, l’anàlisi mediambiental, cinètica de reaccions químiques i l’anàlisi d’aliments.

Els experiments d’anàlisi d’aliments inclouen la determinació espectrofotomètrica de nivells de ferro en mostres de diferents herbes o farines, contingut d’alcohol en licors, nivells de glucosa en melmelada, color de la cervesa, color (qualitat) del pebre, nivells de fosfat en suc de poma, nivells de fosfats i nitrits en productes càrnics, i concentració de caseïna en formatges. Existeix un altre protocol que permet el seguiment de la fermentació alcohòlica.

A continuació es presenten les instruccions detallades per la determinació del nivell de glucosa en melmelada. Els detalls d’altres experiments, incloent-hi alguns que podrien ser adients per activitats a l’abast de les escoles de primària, estan disponibles a la pàgina web del projecte^w1. La pàgina web conte també instruccions para actualitzar l'instrument Spektra a cromatògraf de gasos o líquids, així com detalls d'experiments que poden ser realitzats amb l’equipament actualitzat (consulteu també Gros & Vrtačnik, 2005).

Determinació espectrofotomètrica del nivell de glucosa en melmelada

Algunes reaccions entre sucres i altres reactius químics generen productes amb color. La intensitat del color està relacionada amb la concentració inicial de sucres. L’absorbància de solucions de mostra es pot mesurar i comparar amb l’absorbància de solucions patró de concentració de sucre coneguda. Només es coneix una quantitat limitada de reaccions que impliquen canvis de color per polisacàrids, i la majoria impliquen sucres senzills, normalment sucres reductors (veure taula).

La determinació de glucosa es va escollir principalment perquè els estudiants saben què són els sucres, i per tant l’activitat té un interès general. A més, la determinació del contingut de sucres en melmelades pot tenir interès en aplicacions industrials en qüestions relacionades amb control de qualitat.

Un dels mètodes per la determinació de la concentració de sucre en melmelada es basa en la hidròlisi de molts dels sucres no reductors (principalment sucrosa en la melmelada) a glucosa, emprant àcid sulfúric (H₂SO₄), i la subsegüent neutralització amb hidròxid de sodi (NaOH). Els sucres reductors (per exemple glucosa i fructosa) generen un producte vermell- marró quan són escalfats en presència d’àcid 3,5- dinitrosalicílic (DNSA, també conegut com àcid 2-hidroxi-3,5-dinitrobenzòic). Per més detalls sobre aquesta reacció, consulteu Miller (1959).

La concentració del complex acolorit es pot determinar amb l’espectrofotòmetre emprant el LED blau (430 nm). La concentració inicial de sucre en les mostres de melmelada es pot obtenir de la corba de calibratge creada a partir de concentracions de glucosa coneguda.

Equipament i reactius

Espectrofotòmetre Spektra (o un altre espectrofotòmetre)
Cubetes o blísters
Pipetes
Matrassos aforats de 100 ml
Erlenmeyers
Test tubes
Balança
Bany d’aigua
Embut
Paper de filtre
Mostres de melmelada
Reactiu DNSA (àcid 3,5-dinitrosalicílic)
Solució d’àcid sulfúric (H₂SO₄) (aproximadament 2 mol/l)
Solució d’hidròxid de sodi (NaOH) (10% en pes)
Tartrat de sodi i potassi (NaK(CH₂OH)₂(COO)₂.4H₂O)
Glucosa en pols (C₆H₁₂O₆)

Preparació de les solucions

Reactiu DNSA: per preparar el reactiu DNSA, dissoldre 10 g de DNSA en 200 ml de solució de NaOH (aproximadament 2 mols/l). Escalfar la solució i barrejar perfectament. Dissoldre 300 g de tartrat de sodi i potassi en 500 ml d’aigua destil·lada per obtenir un estabilitzant de color. Barrejar les dues solucions, agitar i enrasar a 1 l amb aigua destil·lada.

Melmelada (sucres): pesar 1-2 g de melmelada en un erlenmeyer i afegir 10 ml d’àcid sulfúric. Escalfar en el bany d’aigua bullint durant 20 min, agitant periòdicament fins que la hidròlisi sigui completa. Deixar refredar la mostra i afegir amb cura 12 ml d’hidròxid de sodi. Agitar i filtrar a un matràs aforat de 100 ml, enrasar amb aigua destil·lada a 100 ml. Emprant una pipeta, transferir 10 ml d’aquesta solució a un altre matràs aforat de 100 ml i enrasar a 100 ml amb aigua destil·lada per obtenir la solució de mesura. Agitar

Melmelada (sucres reductors): pesar 3.0 g de melmelada en un erlenmeyer. Afegir-hi 50 ml d’aigua destil·lada. Escalfar i agitar durant 10 min. Filtrar a un matràs aforat de 100 ml i enrasar a 100 ml amb aigua destil·lada. Emprant una pipeta, transferir 10 ml a un altre matràs aforat de 100 ml i enrasar a 100 ml amb aigua destil·lada per obtenir la solució de mesura. Agitar.

Solució estàndard de glucosa (15 mg/ml): posar 1.5 g de glucosa en un matràs aforat de 100 ml i enrasar a 100 ml amb aigua destil·lada. Agitar.

Obtenció de la corba de calibratge

Etiquetar cinc matrassos aforats (100 ml) amb lletres de la A a la E. En cada matràs etiquetat, pipetejar els volums de solució estàndard de glucosa i aigua destil·lada especificats a la taula 1.

Matràs	A	B	C	D	E
Volum de solució estàndard de glucosa (ml)	2	3	6	8	10
Volum d’aigua destil·lada (ml)	98	97	94	92	90
Concentració de glucosa (mg/ml)	0.3	0.45	0.9	1.2	1.5

Taula 1: preparació de les solucions estàndard de glucosa

Etiquetar i omplir sis tubs de mostra com s’especifica a la taula 2.

Número de la mostra	Blanc	1	2	3	4	5
Solució estàndard de glucosa (matràs)	N/A	A	B	C	D	E
Volume of standard glucose solution (ml) Volum de solució estàndard de glucosa (ml)	0	1	1	1	1	1
Volum de reactiu DNSA (ml)	1	1	1	1	1	1
Volum d’aigua destil·lada (ml)	3	2	2	2	2	2

Taula 2: preparació de les solucions de la corba de calibratge

Esclafar els tubs de mesura i els seus continguts en aigua bullint durant 5 min. El reactiu DNSA reacciona amb els sucres presents, generant un producte vermell-marró.

Refredar els tubs de mesura, afegir 6 ml d’aigua destil·lada a cada tub i agitar bé.

Emprant la llum blava del LED (430 nm) de l’espectrofotòmetre, mesurar la transmitància de cada solució.

Les lectures de l’instrument Spektra són transmitàncies expressades en percentatges i han de ser dividides per 100 per obtenir els valors de transmitància pels càlculs següents. La transmitància està relacionada amb l’absorbància per l’equació: A = –log T. Consulteu la segona i tercera columna de la taula 3.

La imatge de la dreta mostra les solucions de calibratge. Fins i tot el blanc (aigua amb DNSA sense glucosa) té un color intens. És per tant necessari mesurar totes les mostres, incloent-hi el blanc, contra aigua destil·lada. L’absorbància específica de la glucosa en les mostres es calcula restant la mesura d’absorbància dels blanc de la mesurar d’absorbància de la mostra (consulteu la quarta columna de la taula 3).

Figura 4: Solucions de calibratge
Imatge cortesia de Irena Štrumbelj Drusany

Concentració de glucosa (mg/ml)	Transmitància (lectura de l’Spektra, T%)	Absorbància (A)	Absorbància específica de la glucosa (A – A_blanc)
0 (Blanc)	27.54	0.56	0
0.3	23.44	0.63	0.07
0.45	20.04	0.69	0.13
0.9	18.21	0.74	0.18
1.2	15.13	0.82	0.26
1.5	14.45	0.84	0.28

Taula 3: corba de calibratge- mesures d’absorbància de les mostres de diferents concentracions de glucosa

Gràfic de la concentració de glucosa contra l’absorbància específica de la glucosa, tal i com es mostra a la figura 5.

Figura 5: Corba de calibratge de les mostres- absorbància específica de la glucosa contra concentració de glucosa

Mesura de les mostres de melmelada

Les mostres de melmelada s’han de tractar de manera similar a les solucions de glucosa emprades per la corba de calibratge.

Per cada mostra de melmelada a mesurar, posar 1 ml de mostra de melmelada preparada (veure “Preparació de les solucions”) en un tub de mesura i afegir 1 ml de reactiu DNSA i 2 ml d’aigua destil·lada.

Escalfar els tubs de mesura i els seus continguts en aigua bullint durant 5 min. El reactiu DNSA reacciona amb els sucres presents, generant un producte vermell-marró.

Refredar els tubs, afegir 6 ml d’aigua destil·lada a cada tub i agitar.

Emprant la llum blava LED (430 nm) de l’espectrofotòmetre, mesurar la transmitància (T%) de cada mostra de melmelada. Dividir entre 100 per obtenir T, convertir T a A emprant l’equació A = –log T, i utilitzar aquest valor per calcular l’absorbància específica de la glucosa (A – A_blanc).

La taula 4 mostra un exemple de valors de transmitància obtinguts i els valors d’absorbància específica de glucosa per cada mostra.

Mostra	Transmitància (lectura de l’Spektra, T%)	Absorbància (A)	Absorbància específica de la glucosa (A – A_blanc)
1	18.6	0.73	0.17
2	21.3	0.67	0.11

Taula 4: Resultats de mostra de les mostres de melmelada

Emprant la corba de calibratge, convertir les mesures d’absorbància (A) a concentracions de glucosa (mg/ml) en les vostres mostres.

Emprant els exemples de la taula 4, les concentracions de glucosa obtingudes a partir de la corba de calibratge són:

Mostra 1: 0.8 mg/ml

Mostra 2: 0.5 mg/ml

A partir de les concentracions de glucosa, calcular la massa de glucosa en 1 g de mostra emprant l’equació següent:

Massa de glucosa (g per 1g mostra) = massa concentració (mg/ml) x 10 x 100 ml

D’on

Massa concentració és el valor llegit a la corba de calibratge

10 is la dilució (veure “Preparació de solucions”)

100 ml és el volum d’1 g de mostra de melmelada.

En el nostre exemple,

Mostra 1: massa de glucosa (g per 1 g de mostra)= 0.8 mg/ml x 10 x 100 ml = 0.8 g

Mostra 2: massa de glucosa (g per 1 g de mostra)= 0.5 mg/ml x 10 x 100 ml = 0.5 g.

Aquests càlculs estan fets assumint que la massa inicial de melmelada és d’1 g. Si, per exemple, la mostra hagués pesat 2 g, els resultats anteriors es dividirien entre 2 per obtenir la massa de glucosa en g per 1 g de mostra.

Sucres reductors i no reductors

En termes químics, un sucre reductor és una aldosa, com la glucosa, que conté un grup aldehid que pot ser oxidat a àcid carboxílic. El test més comú per detectar sucres reductors és escalfar-los en solució de Benedict o de Fehling, que contenen ions de coure (II) que poden ser reduïts a òxid de coure (I) i observats com a precipitat marró-taronja.

Els sucres no reductors, com la sucrosa, poden tenir un grup cetona en lloc del grup aldehid, el qual no pot reduir els ions coure (II). Quan es tracten amb solucions de Benedict o de Fehling, els sucres no reductors no produeixen cap precipitat acolorit.

Nataša Gros és professora associada en química analítica a la Universitat de Ljubljana, Facultat de Química i Tecnologia Química, Eslovènia.

Tim Harrison és membre de l’escola de mestres Bristol ChemLabS a la Universitat de Bristol, Regne Unit. També és el responsable resident de comunicació científica, amb una passió pel foment de la química.

Alma Kapun Dolinar i Irena Štrumbelj Drusany són mestres de secundària al centre Biotehniški Izobraževalni de Ljubljana (centre per l’Educació i la Formació Biotècnica de Ljubljana) a Eslovènia.

Agraïments

Els autors volen agrair el Directorat General de la Comissió Europea per l’Educació i la Cultura pel suport econòmic del projecte Enfocament pràctic a la Química analítica per Escoles Vocacionals II(AnalChemVoc II, LLP-LDV-TOI-2008-SI-15) a través del programa Leonardo da Vinci.

Referències

Gros N (2004) Spectrometer with microreaction chamber and tri-colour light emitting diode as a light source. Talanta 62: 143-150. doi: 10.1016/S0039-9140(03)00420-X

Gros N, Vrtačnik M (2005) A small-scale low-cost gas chromatograph. Journal of Chemical Education 82: 291-293. doi: 10.1021/ed082p291

Miller GL (1959) Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analytical Chemistry 31: 426-428.
Aquest article és de consulta lliure a la pàgina web de la Societat Americana de Química (American Chemical Society). Consulteu: http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ac60147a030

Recursos a la xarxa

w1 – Per més informació sobre el projecte, vegeu: www.kii2.ntf.uni-lj.si/analchemvoc2/file.php/1/HTML/experiments.htm

w2 – L’instrument Spektra pot ser comprat a Laboratorijska tehnika Burnik: www.lt-burnik.si/index.php?newlang=english

w3 – La Universitat de Bristol ChemLabS (www.chemlabs.bris.ac.uk) ofereix un nombre limitat d’espectrofotòmetres Spektra per ser llogats a mestres que vulguin provar els experiments amb els seus estudiants o desenvolupar altres aplicacions pràctiques. Els mestres interessats poden contactar amb Tim Harrison (t.g.harrison@bristol.ac.uk).

w4 – Per més detalls sobre els colorímetres Mystrica , consultar : http://mystrica.com/Colorimeter.aspx. La pàgina web també descriu alguns possibles experiments, essent especialment bons els relacionats amb reaccions enzimàtiques.

Recursos

Si us ha interessat aquesta activitat d’ensenyament i d’altres que es troben contingudes en aquest número de Science in School, potser voldreu consultar també la col·lecció dels articles d’ensenyament publicats anteriorment . Consulteu: www.scienceinschool.org/teaching

Opinió

La química analítica es basa en l’anàlisi espectromètrica fonamentalment, però els instruments professionals són cars i per tant no són fàcilment accessibles per les escoles promig de molts països. Aquest article presenta un espectrofotòmetre desenvolupat per un dels autors per dur a terme anàlisis assequibles per totes les escoles de secundària. La pàgina web del projecte detalla diversos experiments escolars en espectrofotometria, i el protocol de laboratori per un dels experiments es troba inclòs en aquest article.

Recomanaria aquest article per introduir la química analítica en classes de ciències (no només de química, sinó també de biologia i ciències ambientals), particularment per escoles de secundària que no disposen d’un laboratori ben equipat. L’ enfocament proposat és simple i suficientment agradable com per encoratjar mestres i estudiants a provar els experiments proposats i explorar-ne de nous.

Els mestres poden emprar aquest article per discutir la metodologia de l’espectrofotometria i la teoria de les mesures espectrofotomètriques. L’anàlisi experimental proporciona l’oportunitat d’obtenir dades matemàticament, lligant així química i estadística..

L’article pot ser utilitzat també per dur a terme un exercici de comprensió: