Quinina

OBJETIVO
En esta práctica vamos a determinar el contenido en quinina en una bebida refrescante carbonatada;
concretamente en una tónica de la marca Nordic.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Cuando una especie química absorbe radiación electromagnética, pasa a un estado electrónico excitado.
Muchas sustancias en ese estado disipan el exceso de energía emitiendo calor (como resultado de las
colisiones entre moléculas vecinas) y sólo una minoría es capaz de emitir calor y radiación electromagnética,
de distinta frecuencia a la absorbida, y que puede utilizarse con fines analíticos.
X + h ! X + Calor
! X + Calor + h
El proceso de emisión de radiación como consecuencia de la desactivación de una molécula se denomina
genéricamente Luminiscencia, mientras que el término Fotoluminiscencia se refiere al caso particular en el
que la excitación tiene lugar por absorción de fotones. Cuando la energía de excitación es de otro tipo, se
originan otras modalidades de luminiscencia: Quimioluminiscencia, bioluminiscencia, etc.
La fotoluminiscencia puede clasificarse en función del mecanismo mediante el cual la sustancia vuelve al
estado fundamental en:
• Fluorescencia
• Fosforescencia
Para que una sustancia origine emisión fotoluminiscente es necesario que previamente tenga lugar la
absorción de radiación electromagnética.
La multiplicidad se define como M=2S+1, siendo S el número cuántico de spín de la molécula. Cuando M=1,
se habla de estado singlete, es el estado energético mas bajo de la molécula (estado fundamental). Cuando un
electrón pasa a un estado energético superior puede ocurrir que se conserve su spín o que se produzca un
cambio en el valor de éste. En el primer caso tenemos un estado singlete excitado y en el segundo un estado
triplete. Las transiciones del estado fundamental hasta el estado triplete son muy poco probables;
normalmente es necesario pasar por un estado singlete excitado.
Superpuestos a cada nivel de energía electrónico existen una serie de niveles de energía vibracional
estrechamente espaciados.
El proceso de emisión de un fotón desde el estado singlete excitado hasta el estado singlete fundamental
recibe el nombre de Fluorescencia y ocurre inmediatamente después de la excitación, por lo que no es posible
percibir visualmente la emisión de fluorescencia una vez eliminada la fuente de radiación.
Una vez adquirido el estado triplete, la molécula puede llegar al nivel vibracional inferior mediante procesos
de relajación vibracional, y posteriormente emitir un fotón para retornar finalmente al estado fundamental.
Esta emisión se denomina Fosforescencia.
Debido a que las transiciones entre estados de diferente multiplicidad están prohibidas, la emisión
fosforescente se produce con un cierto retraso respecto a la absorción. Por ello, con frecuencia, puede ser
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observada a simple vista después de cesar la radiación de excitación.
Factores que afectan a la Fluorescencia
La emisión fluorescente observada en una determinada especie está condicionada por la propia estructura
molecular de la sustancia y por otros factores dependientes del medio en el que se trabaje.
• Influencia de la estructura molecular.
El primer requisito para que exista fluorescencia es que la molécula posea una estructura capaz de absorber
radiación ultravioleta o visible, esto es, que puedan tener lugar las transiciones !* y n!*. Se ha observado
que el comportamiento fluorescente se presenta con más frecuencia en el primer tipo de transiciones, con lo
que quedan virtualmente eliminados los compuestos orgánicos saturados. Las características de la emisión
fluorescente de una molécula orgánica aromática están muy influidas por los sustituyentes; por ejemplo si en
un anillo bencénico los sustituyentes son halógenos, se observa una disminución de la fluorescencia al
aumentar el peso atómico del halógeno.
Un factor estructural importante es la rigidez, y se ha observado que la fluorescencia está favorecida en
moléculas con una rigidez alta. El aumento de fluorescencia en ciertos agentes orgánicos cuando forman
quelatos con iones metálicos parece también debido a un aumento en la rigidez molecular.
• Influencia del disolvente
Se observa que al aumentar la polaridad del disolvente se produce un desplazamiento en el espectro de
fluorescencia hacia mayores longitudes de onda. En disolventes con átomos pesados normalmente se produce
una disminución de la fluorescencia.
• Influencia del pH
El espectro de fluorescencia de muchos compuestos aromáticos conteniendo grupos funcionales ácidos o
básicos es sensible al pH. Los cambios en la emisión de los compuestos de este tipo provienen del número de
especies resonantes diferentes que están asociadas con las formas ácidas o básicas de la molécula. Estas
formas resonantes proporcionan mayor estabilidad al primer estado excitado produciéndose la fluorescencia a
una mayor longitud de onda.
• Influencia del oxígeno disuelto
Es uno de los problemas más molestos de las fluorimetrías, ya que a menudo reduce la intensidad de emisión
de una disolución fluorescente debido a sus propiedades oxidantes y sus características paramagnéticas.
• Influencia de la temperatura
Se observa que existe una disminución de la fluorescencia al aumentar la temperatura debido al aumento de
los choques entre moléculas que provocan la desactivación de éstas en forma de energía no radiante.
Relación entre la intensidad de fluorescencia y la concentración.
La intensidad de fluorescencia If es proporcional a la concentración C según la ley de Beer:
T = P/P0 = 10−bc
La fracción de radiación absorbida es:
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1 − P/P0 = 1 − 10−bc
La cantidad de radiación absorbida es:
P − P0 = P0( 1 − 10−bc)
La If está relacionada con la cantidad de radiación absorbida de la forma siguiente:
If = Kf(P − P0)
Siendo K una constante de proporcionalidad y f el rendimiento cuántico de la fluorescencia.
Para bajas concentraciones, cuando el término bc sea menor que 0.05, la expresión queda:
If = KfP02.3bc
Para disoluciones muy diluidas queda que:
If
C
A concentraciones relativamente altas, se pierde la linealidad.
Instrumentación
El equipo utilizado está formado por:
• Fuente de radiación: Tubo de descarga de Xenón.(lámpara continua)
• Monocromadores: Para elegir la longitud de onda tanto de emisión como de excitación.
• Celda de muestra: Suelen ser de cuarzo para permitir el paso de la radiación ultravioleta y con todas
las caras transparentes, ya que las medidas se hacen a 90º.
• Detector: Los más utilizados suelen ser los tubos multiplicadores.
Espectros de excitación y de emisión.
Debido a la presencia de dos monocromadores pueden registrase dos tipos de espectros, el de excitación y el
de emisión. El espectro de emisión aparece a longitudes de onda más largas que el de excitación. Debido a
que los espaciados entre los niveles vibracionales son similares en el estado fundamental y en el excitado, el
espectro de fluorescencia es aproximadamente una imagen especular del espectro de absorción. Para
aplicaciones analíticas se usa el espectro de emisión, pero cuando se trabaja con un espectrofluorímetro se
obtiene primero un espectro de excitación para confirmar la intensidad de la sustancia y seleccionar la
longitud de onda para la emisión.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Material
− Matraces aforados
• Pipetas aforadas
• Vasos de precipitados
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• Vidrio de reloj
• Porta sustancias
• Pipeta Pasteur
• Micropipeta
• Espectrofluorímetro Shimadzu
Reactivos
• H2SO4 18 M
• Sulfato de quinina dihidratada
Disoluciones
• Un litro de una disolución de ácido sulfúrico 0.05 M
Partimos de H2SO4 18 M luego los ml de este ácido que necesitamos para preparar una disolución 0.05 M
son:
M x V = M' x V'
18 M x V = 0.05 M x 1L
V = 2.78 ml
Nosotros realmente mediremos 3 ml con la ayuda de un dosificador, que los llevaremos hasta un volumen de
1000 ml en un matraz aforado; luego la molaridad de la disolución resultante será de 0.054 M.
• Disolución madre de quinina
Prepararemos 500 ml de una disolución de quinina de 100 ppm (mg/l)
Pesamos 60.3 mg del sulfato de quinina dihidratada y lo disolvemos con la ayuda del H2SO4 0.0054 M que
hemos preparado anteriormente; posteriormente lo llevamos a un matraz de 500 ml y lo enrasamos.
3. Disolución de trabajo
A partir de la disolución madre de quinina prepararemos una disolución de trabajo de 10 ppm y a partir de ésta
prepararemos disoluciones patrón de concentración conocida para realizar un calibrado y ver la linealidad de
la fluorescencia con la concentración. Las concentraciones de las disoluciones patrón están comprendidas en
un intervalo de entre 0.1 y 10 ppm.
−0.1 ppm : Se pipetea 1 ml de la disolución de trabajo y se lleva a un volumen de 100 ml.
−0.5 ppm : Se pipetean 2.5 ml de la disolución de trabajo y se llevan a un volumen de 50 ml.
−0.8 ppm : Se pipetean 4 ml de la disolución de trabajo y se llevan a un volumen de 50 ml.
−1 ppm : Se pipetean 2.5 ml de la disolución de trabajo y se llevan a un volumen de 25 ml.
−4 ppm : Se pipetean 10 ml de la disolución de trabajo y se llevan a un volumen de 25 ml.
−6 ppm : Se pipetean 15 ml de la disolución de trabajo y se llevan a un volumen de 25 ml.
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−8 ppm : Se pipetean 20 ml de la disolución de trabajo y se llevan a un volumen de
25 ml.
• Disolución de la muestra.
Tomamos en un baso de precipitados una cantidad de muestra y la sometemos a un baño de ultrasonidos para
desgasificarla, ya que las burbujas podrían provocar errores en las medidas al desviar la luz. Una vez que se
ha desgasificado tomamos un mililitro y lo llevamos a un matraz de 25 ml que enrasaremos con ácido
sulfúrico.
Medidas
Una vez que tenemos preparadas tanto los patrones como la muestra problema realizamos las medidas en el
espectrofluorímetro. Para ello lo primero que hacemos es introducir los parámetros con los cuales va a trabajar
el espectrofluorímetro:
Exc= 350 nm Emi = 450 nm
Después introducimos la disolución de ácido sulfúrico para marcar la referencia y posteriormente se mide la
intensidad de emisión de las distintas disoluciones teniendo cuidado de limpiar bien la cubeta de muestra cada
vez. Para todas las disoluciones se hacen tres medidas y obtenemos la media. Haremos las medidas de menor
a mayor concentración para evitar efectos de tendencia; también se podría hacer aleatóriamente para evitar
efectos de deriva.
La medida de la muestra problema la haremos al final para que los datos y la muestra tengan la misma
variabilidad.
Resultados.
Con los datos que hemos obtenido hacemos un análisis de regresión lineal ajustando a una recta. Para que esta
recta de calibrado sea buena, los residuales han de ser aleatorios e independientes.
Una vez que hemos obtenido la recta introducimos el valor de la intensidad de la muestra problema para
calcular su concentración en quinina( esto lo hace la hoja de cálculo automáticamente)
El valor de la concentración de quinina que nos sale es de 2.9318 ± 0.376 ppm, por lo que, teniendo en cuenta
la dilución inicial de 1/25, la concentración de quinina en la botella original de tónica es de 74 ± 7 ppm.
CONCLUSIONES
Este valor esta dentro de lo normal ya que este tipo de bebida suele tener una concentración en quinina de 80
ppm.
El valor de la concentración hubiera sido más exacto si la intensidad hubiera caído en el centro de la recta,
pero de todas maneras el resultado es bueno.
BIBLIOGRAFÍA
• NOCIONES DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL.
Claudio González Pérez. Ed. Universidad de Salamanca. 1ª Edición. 1999.
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