A multi-led, microcontrolled, portable and inexpensive photometer
http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422005000600026
Edvaldo da Nóbrega Gaião; Everaldo Paulo de Medeiros; Wellington da Silva Lyra; Pablo Nogueira Teles Moreira; Pablo Cavalcante de Vasconcelos; Edvan Cirino da Silva*; Mário César Ugulino de Araújo
Departamento de Química, Centro de Ciências Exatas e da Natureza, Universidade Federal da Paraíba, CP 5093, 58051-970 João Pessoa - PB
A microcontrolled, portable and inexpensive photometer is described. It uses six light-emitting diodes (LEDs) as radiation sources and a phototransistor as detector, as well as a microcontroller (PIC - Programmable Controller of Interruption). This device provided total autonomy to the proposed photometer, which was successfully applied to determination of Fe2+ in ferrous syrups and of seven clinical biochemical parameters. As the components are cheap (~U$30.00) and easy to find, the proposed photometer is an economical alternative for routine chemical analyses in small laboratories, for research and teaching. Being portable and microcontrolled, it allows doing field chemical analyses.
Keywords: Multi-LED photometer; microcontroller; ferrous ion.
Diodos emissores de luz (LEDs)1 têm proporcionado muitas vantagens quando utilizados em instrumentação óptica1,2, especialmente para espectrofotometria de absorção molecular UV-VIS. De fato, fotômetros simples, portáteis e de baixo custo, que empregam LED como fonte de radiação, têm sido desenvolvidos e usados em diversas aplicações analíticas1-7.
Entre os fotômetros descritos na literatura, existem alguns que usam dois ou mais LEDs com máximos de emissão em diferentes comprimentos de onda, o que os tornam potencialmente aplicáveis a análises multicomponentes2,8. Contudo, a necessidade do uso de um microcomputador para aquisição e/ou tratamentos dos dados dificulta o uso desses instrumentos em laboratórios com poucos recursos financeiros e/ou em análises químicas de campo. Mesmo o fotômetro multi-LED proposto por Cantrell e colaboradores9, que utiliza um microcontrolador ("PIC-Programmable Controller of Interruption")10 para aquisição automática de sinais, necessita de um microcomputador para tratamento dos dados. Para contornar essa limitação, desenvolveu-se neste trabalho um fotômetro multi-LED baseado em um microcontrolador PIC de outra série, que permite dispensar totalmente o uso de um microcomputador.
Para avaliar o desempenho do fotômetro proposto, realizaram-se determinações de íon ferroso em amostras de xarope e de proteínas totais, albumina, glicose, uréia, cálcio, cloreto e hemoglobina em amostras de soro sangüíneo.
Descrição do fotômetro proposto
O instrumento proposto emprega somente componentes baratos e de fácil aquisição. Ele foi acondicionado em uma caixa plástica pequena com dimensões 15 x 10 x 5 cm. Como fontes de radiação, o fotômetro utiliza seis LEDs com as seguintes características: violeta (lmáx = 430 nm), azul (lmáx = 485 nm), verde (lmáx = 560 nm), amarelo (lmáx = 580 nm), laranja (lmáx = 600 nm) e vermelho (lmáx = 660 nm), conforme espectros de emissão mostrados na Figura 1.
Os LEDs foram montados em um suporte circular adaptado ao eixo de uma chave eletro-mecânica de seis posições que permite, ao mesmo tempo, ligar e posicionar o LED desejado em frente ao detector (Figura 2).
O detector escolhido para esse protótipo é um fototransistor, pois é barato e de fácil aquisição e apresenta uma boa relação sinal-ruído. Entre o LED e o detector foi colocado um suporte de alumínio onde se encaixa uma cela de detecção com caminho óptico de 1,0 cm. A cela de detecção pode ser do tipo convencional ou em fluxo (Figura 2).
O PIC10 utilizado é o da série 16F87711, que é programável e apresenta baixo custo (~U$ 13,00). Possui internamente um conversor A/D de 10 bits, uma memória FLASH de 8 Kb, uma EEPROM de 256 B e uma RAM de 368 B, 3 relógios ("timer"), 8 portas lógicas que podem ser configuradas para aquisição de sinais, entre outros recursos importantes11. Esse PIC permite a introdução de filtros digitais e de periféricos de entrada e saída de dados (teclados, chaves, impressoras, mostradores, etc), além da redução drástica de componentes eletrônicos. Além disso, possibilita a introdução ou alteração de funcionalidades do instrumento sem necessidade de reconfiguração do hardware, bem como a realização de aquisição e tratamento de dados sem necessidade de microcomputador.
Um circuito eletrônico (Figura 3) foi projetado de modo a fornecer uma corrente mínima para funcionamento dos LEDs, o que garante uma boa estabilidade no sinal. Uma fonte de –5 e +5V foi montada para a alimentação desse circuito. Os sinais analógicos produzidos durante as medidas são enviados para o PIC, que os digitaliza por meio de um conversor A/D interno de 10 bits. Estes sinais são apresentados em valores de transmitância e absorbância em um mostrador de cristal líquido ("liquid crystal display–LCD")12, após conversão realizada por um software (escrito em linguagem C) gravado no microcontrolador. O código-fonte desse programa encontra-se disponível na homepage13 do nosso laboratório. Os sinais analógicos são também disponibilizados em uma saída lateral do fotômetro, para possibilitar seu monitoramento por um microcomputador mediante uma interface conversora (A/D).
O LCD utilizado no fotômetro é o modelo WH-1602A, o qual possui barramento de dados de 8 bits (podendo-se trabalhar com quatro ou oito bits) e barramento de controle de 3 bits. Neste trabalho, a comunicação entre o PIC e o mostrador foi sempre realizada empregando-se sete linhas, sendo três de controle e quatro para transmissão de dados de 4 bits.
Uma vez que o propósito principal deste trabalho foi desenvolver e construir um fotômetro multi-LED microcontrolado, o equipamento foi dotado de um periférico de saída (mostrador) dispensando assim o uso de um canal de saída de sinais. Todavia, um canal de saída analógica foi introduzido para que o usuário, se desejar, tenha acesso direto aos sinais que não foram ainda digitalizados. Apesar desses sinais poderem ser digitalizados por qualquer interface de comunicação, uma alternativa economicamente viável é usar a interface que foi desenvolvida pelo nosso grupo14. Essa interface permite a aquisição de sinais por meio da porta paralela do microcomputador. Outra alternativa para transmissão dos sinais consiste na incorporação de um CI MAX23215 no circuito eletrônico do fotômetro. Esse componente permite a transferência dos dados digitais, disponibilizados na saída RS do PIC, para a porta serial do microcomputador.
Funcionamento do fotômetro e medidas analíticas
O princípio de funcionamento do fotômetro proposto é muito simples: a radiação atravessa a cela de detecção contendo a amostra absorvente e alcança o fototransistor. As variações dos sinais detectados pelo circuito eletrônico são filtradas por um filtro passa-baixa. Em seguida, os sinais são amplificados por um pequeno circuito amplificador, conforme esquema mostrado na Figura 3.
Para realizar as medidas com o instrumento proposto, posiciona-se o LED correspondente ao comprimento de onda desejado e enche-se a cela de detecção com a solução do branco. O sinal de 100% em transmitância (correspondente a uma tensão de cerca de 4,0 V) é ajustado pelo analista, girando-se outro botão existente no painel principal do fotômetro (Figura 2). Esse sinal é exibido no mostrador como o de máxima transmitância, sendo armazenado para posterior uso no cálculo das absorbâncias das soluções. Em seguida, o analista deve encher a cela com a solução absorvente (padrão ou amostra) e colocá-la no aparelho. Os valores das medidas de transmitância e absorbância são apresentados no mostrador LCD do fotômetro.
Aplicações do fotômetro proposto
Análises de xaropes ferrosos
Uma solução-estoque com 1000 mg L-1 em Fe2+ foi preparada a partir de FeSO4.7H2O dissolvido em meio ácido (H2SO4, 0,2 mol L-1). Soluções-padrão de Fe2+ (2,0; 4,0; 6,0; 8,0 e 10,0 mg L-1) foram preparadas a partir da solução-estoque, por diluição com água deionizada. Essas soluções foram utilizadas na construção da curva analítica do fotômetro proposto para determinação de Fe2+, baseada em medidas de absorbância usando o método colorimétrico 1,10-fenantrolina16. As amostras de xarope ferroso foram adquiridas em drogarias locais e analisadas após diluição com água deionizada.
Análises bioquímicas clínicas
Os reagentes e as soluções-padrão utilizadas nas determinações bioquímicas clínicas foram adquiridos de kits comerciais16-23. A preparação dos reagentes foi realizada de acordo com procedimento descrito no manual de instruções do kit correspondente a cada parâmetro bioquímico. A escolha do LED apropriado para cada determinação também foi norteada pelas informações disponíveis nesses manuais. Com efeito, o LED verde do fotômetro proposto foi usado para determinação de proteínas totais17 (baseada no método do biureto18) e de glicose19, o LED vermelho para albumina20, o amarelo para cálcio21, o laranja para uréia22, o azul para cloreto22 e o LED violeta foi utilizado para determinação de hemoglobina23. As amostras de soro sangüíneo foram fornecidas pelo Laboratório de Análises Clínicas do Hospital Universitário da Universidade Federal da Paraíba e analisadas sem nenhum tratamento prévio.
As amostras de xarope ferroso foram também analisadas usando dois espectrofotômetros de absorção UV-VIS comerciais (Hewlett Packard-HP, modelo 8453 e outro da Micronal, modelo B342II), enquanto que para as amostras de soro sangüíneo utilizou-se apenas o instrumento da HP.
Não obstante a simplicidade da eletrônica utilizada no fotômetro desenvolvido, o que permitiu diminuir consideravelmente seu custo total, seu desempenho não foi comprometido. De fato, sua estabilidade foi investigada por um período de 8 h de funcionamento e nenhuma variação considerável do sinal produzido foi observada.
O desempenho do fotômetro proposto foi inicialmente avaliado mediante a determinação de íon ferroso em amostras de xarope. Os resultados são apresentados na Tabela 1, juntamente com os obtidos com os instrumentos HP e Micronal. Uma boa concordância entre os valores obtidos empregando os três equipamentos pode ser observada. De fato, nenhuma diferença significativa, ao nível de 95% de probabilidade, foi verificada entre os resultados quando o teste t emparelhado foi aplicado. O fotômetro proposto também forneceu resultados com precisão satisfatória (Tabela 1), sendo atestada por um desvio padrão relativo (RSD) geralmente menor ou igual a 0,3% (n = 5), enquanto os valores de RSD obtidos com os instrumentos comerciais foram usualmente menores que 0,2% (n = 5).
Para a determinação de Fe2+, as medidas de absorbância foram realizadas usando o LED azul, pois este apresenta, entre os LEDs disponíveis, o pico de emissão (lmáx = 485 nm) mais próximo do máximo de absorção do complexo Fe(II)-fenantrolina (lmáx » 510 nm). Apesar de não existir coincidência total entre ambos os máximos, não houve problemas de desvios da lei de Beer em virtude da banda de emissão do LED azul ser relativamente estreita (Figura 1). A Tabela 2 mostra que o fotômetro proposto apresentou uma linearidade na curva analítica tão boa quanto à da curva obtida com os espectrofotômetros comerciais. Com efeito, um coeficiente de correlação maior que 0,999 é considerado como evidência de um ajuste ideal dos dados para a reta de regressão24. Contudo, é provável que ocorresse algum problema de desvio da linearidade se as medidas de absorbância fossem realizadas, para esta aplicação, empregando o LED violeta, cuja banda de emissão é consideravelmente mais larga (Figura 1). Quanto ao fototransistor, este normalmente não apresenta problemas de linearidade em sua resposta, em virtude de sua função de transferência apresentar uma relação linear entre a potência da radiação incidente e o sinal elétrico produzido25.
Os limites de detecção e quantificação do fotômetro proposto e dos instrumentos comerciais foram estimados, em nível de 95% de confiança, empregando o método baseado em parâmetros da curva analítica e no desvio padrão do branco24. Os resultados são apresentados na Tabela 2, os quais mostram uma diferença pequena entre os valores obtidos com o fotômetro proposto e o Micronal. Por outro lado, o espectrofotômetro HP ofereceu limites de detecção e quantificação melhores que os outros dois instrumentos. Apesar disso, o desempenho do fotômetro desenvolvido pode ser também considerado satisfatório quando avaliado em termos dessa figura de mérito.
O desempenho do fotômetro proposto foi também avaliado mediante a realização de análises bioquímicas clínicas e os resultados são mostrados na Tabela 3. Neste caso, apenas o espectrofotômetro HP foi utilizado para fins de comparação entre os desempenhos analíticos. Todavia, nesta aplicação não foram construídas curvas analíticas, pois os métodos colorimétricos descritos nos manuais dos kits baseiam-se sempre em um único padrão que é disponibilizado para cada espécie bioquímica. Os valores encontrados na Tabela 3 representam sempre a média de três determinações analíticas repetidas (n=3). Novamente, é notável a boa concordância entre os valores obtidos com o fotômetro proposto e o instrumento comercial HP. Com efeito, nenhuma diferença significativa, em nível de 95% de confiança, foi verificada entre os resultados quando o teste t emparelhado foi aplicado. Por outro lado, os valores de RSD obtidos nessas determinações foram usualmente menores que 0,5% para ambos os instrumentos.
O fotômetro proposto apresentou um desempenho bastante satisfatório como demonstrado nas aplicações analíticas realizadas, as quais permitiram atestar sua eficiência, versatilidade e flexibilidade. De fato, foi possível determinar satisfatoriamente o íon ferroso em amostras de xarope, bem como sete parâmetros bioquímicos clínicos, a partir de medidas realizadas usando seis diferentes LEDs, simplesmente girando-se um pequeno botão existente no painel do equipamento. A determinação desses parâmetros foi motivada não apenas pela sua importância no diagnóstico de certos estados patológicos do paciente, mas também – e principalmente – por permitirem o uso de todos os LEDs disponíveis no fotômetro. Neste sentido, o instrumento proposto demonstrou ter potencial para realização de análises multicomponentes.
O custo do fotômetro multi-LED foi estimado como U$30.00, o qual é bem inferior ao de qualquer instrumento comercial simples, cujo preço é de cerca de U$ 1,500.00. O fotômetro microcontrolado proposto também oferece manutenção simples e barata, pois utiliza uma eletrônica simples, componentes baratos e facilmente encontrados no comércio.
As características destacadas fazem do fotômetro proposto uma ferramenta alternativa economicamente viável para análises químicas em laboratórios de rotina, de pesquisa e/ou de ensino carentes de recursos financeiros. Finalmente, por ser microcontrolado e portátil, dispensa o uso de microcomputador e também possibilita a realização de análises químicas de campo.
Ao CNPq e à CAPES pelas bolsas concedidas.
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