Análise Elementar de Cosméticos por Fluorescência de Raio X 

Material
Metodologia
Resultados e Discussão
Conclusão

 

 

É sabido que todo produto comercial (cosmético, medicamento etc) que entra em contato com o organismo humano provoca algum efeito. Além dos efeitos benéficos, há também os efeitos adversos e prejudiciais ao funcionamento natural do organismo. Assim, técnicas específicas para identificação e quantificação dessas substâncias ou mesmo dos elementos que participam dessas substâncias são de grande valia no controle de qualidade dos produtos. 

Dentre as técnicas de análise elementar, a fluorescência de raios x tem se mostrado altamente qualificada tanto na identificação como quantificação dos elementos químicos inorgânicos presentes em diferentes materiais. Além de possibilitar a realização de ensaios repetitivos, pode-se obter, sem prévia separação química dos elementos constituintes das amostras, análises multielementares sequencial ou simultânea. 

Essa técnica baseia-se na medida das intensidades dos raios X característicos (radiação secundária) emitidos pelos elementos constituintes das amostras, através da dispersão do comprimento de onda (WD-XRF) ou energia (ED-XRF), depois das mesmas serem devidamente excitadas (radiação primária). Como fontes de excitação primária podem-se empregar os tubos de raios x,^2,12 raios x ou gama de baixa energia emitidos por fontes radioativas,^8,10,13 radiações de freamento⁴ ou partículas aceleradas.³ 

Muito embora a fluorescência de raios x já seja amplamente utilizada com sucesso em diferentes áreas (nutrição animal,^12,13 agronomia,⁶ saneamento ambiental,¹¹ metalurgia,⁵ indústrias alimentícias⁷ etc), não o é, ainda, largamente empregada na área farmacêutica. Assim, este trabalho tem por objetivos, além de mostrar a viabilidade dessa técnica analítica instrumental na área farmacêutica, adequar a metodologia na preparação de amostras Viscosas, caracterizar os componentes inorgânicos presentes em amostras de batom comerciais e quantificar um dos seus constituintes. 

 

Material 

Na preparação das amostras e amostras padrão foram utilizados: 

• Três amostras de batom, das quais duas eram nacionais (amostras A e N) e de procedência distinta, e uma importada (amostra I). 
• Dióxido de titânio (Ti0₂) e óleo de rícino.
• Balões volumétricos, becker, pipetas e bastão de vidro.
• Mylar (8 mm de espessura). 
• Amostra-padrão X10CrNi18,9 fornecida pelo fabricante do equipamento. 
• Balança analítica (sensibilidade 0,1 mg) c agitador automático de tubos. 

Para leitura das radiações secundárias empregou-se um sistema de fluorescência de raios x, por dispersão de comprimento de onda, fabricado pela Carl Zeiss, em operação no Núcleo Integrado de Pesquisas em Biocompatibilidade de Materiais (NIPEM) da Faculdade de Odontologia de Ribeirão Preto (FORP/USP), contendo:

• Tubos de raios x com alvos metálicos de Cr e Rh.
• Cristal difrator LiF200 (2d = 4,028 Å).
• Detectores de fluxo gasoso (10% Ar +  90% CH₄) e cintilação [NaI(TI)].
• Porta-amostras cilíndricos, específicos para amostras líquidas (F_interno = 3.0 cm).
• Registrador gráfico X Y.
• Microcomputador e impressora.

 

Metodologia

Preparou-se uma solução estoque contendo 2,51 g do batom A dissolvido em óleo de rícino até um volume total de 150 ml. Tal solução foi utilizada na preparação da amostra A dos padrões. Para elaboração da solução estoque contendo TiO₂ usou-se 0,625 g da substância misturada em óleo de rícino, obtendo-se um volume de 25 ml. 

As amostras N e I foram preparadas na mesma proporção da amostra A, sendo que para essas amostras utilizou-se 0,425 g de batom dissolvido em óleo de rícino até completar o volume de 25 ml. Dessas amostras retirou-se 22 ml e completou-se com 3 ml de óleo de rícino, obtendo-se amostras nas mesmas condições que as empregadas na amostra A (Tabela 1).

Todas as amostras amostras-padrão foram homogeneizadas durante cinco minutos no agitador automático. A seguir foram colocadas nos porta-amostras, contendo uma janela de Mylar em uma de suas bases. As amostras permaneceram em repouso por 24 horas antes de serem levadas ao equipamento para análise. Preparou-se também uma amostra contendo 25 ml de óleo de rícino para verificação de possíveis contaminações no material (amostra R).

Fixada a tensão do tubo de Cr ou Rh em 40 kV e a corrente em 30 mA calibraram-se os detectores em 3V empregando-se da linha K_β-Fe, obtida através da utilização da amostra padrão X10CrNi18,9 e do cristal difrator LiF 200  (2θ=51.72°). Essa calibração foi feita para o sistema detector-cristal difrator submetido ao vácuo.

Para obtenção dos espectrogramas de raios x das amostras A, N, I e R, houve necessidade de se desligar o vácuo devido à existência da janela de Mylar em uma das bases dos porta-amostras. No caso da utilização do tubo de Cr esses espectrogramas foram obtidos para a velocidade do goniômetro de 6°/minuto, amplificação 5000, cristal difrator LiF200, para uma varredura de 10° <2θ<145° e detectores operando em conjunto. Para o tubo de Rh a amplificação empregada foi variável e a varredura feita para 10° <2θ<70°, para esse mesmo cristal difrator e detectores operando em conjunto. 

Os ângulos experimentais 2θ da linha analítica (Kα-Ti) e as respectivas radiações de fundo (BG1 e BG2) foram determinados com auxílio de uma amostra prensada de dióxido de titânio, empregando-se o cristal difrator LiF200, detector de fluxo gasoso e o sistema submetido ao vácuo. 

Desligado o vácuo, houve necessidade de se diminuir tanto a tensão como a corrente aplicadas ao tubo de cromo, pois as taxas de contagens obtidas para os padrões mais concentrados ultrapassavam 35000 cps, exigindo correção das leituras devido ao tempo morto (τ ≅ 1 μs) do equipamento.

Foram efetuadas quatro leituras para as linhas analíticas e respectivas radiações de fundo por amostra ou padrão empregado, sendo o tempo de leitura fixado em 10 segundos. Para esses dados obteve-se a média, desvio padrão e coeficiente de variação.

A determinação da concentração de dióxido de titânio e, consequentemente, do elemento titânio nas amostras foi determinado de duas maneiras:

Método 1. As intensidades liquidas para as linhas Kα-Ti nas amostras-padrão foram obtidas através de diferença entre as leituras dos padrões onde adicionou-se a solução contendo TiO₂ e a que não foi adicionada, isto é: 

I_aliq = I_{aliq + am} – I_am   (1)

I_{aliq + am} = intensidades médias obtidas para a linha Kα-Ti nos padrões A₁, A₂ ...., A₅ (cps)
I_am = intensidade média (cps) obtida para a linha Kα-Ti no padrão A₀
I_aliq = intensidade líquida média (cps) obtida para a linha Kα-Ti na alíquota adicionada 

Assim, foi possível verificar se os dados se ajustam ao modelo linear, sendo a variável independente a quantidade de TiO₂ adicionado e a variável dependente a intensidade líquida (I_aliq), sendo a equação (2) obtida através dos mínimos quadrados.

I_aliq  = a + b.C      (2)

I_aliq = intensidade liquida (cps)
C = quantidade de TiO₂ adicionado (ml)
a, b = coeficientes linear e angular da reta, respectivamente

Na determinação dos teores de TiO₂ nas amostras (A, N e I) as intensidades líquidas para a linha Kα-Ti tem-se que:

I_am = I_Kα-Ti  - I_BG     (3)

I_BG = (I_BG1 - I_BG2)/2             (4)

sendo: 

I_Kα-Ti  = intensidade média obtida para a linha Kα-Ti na amostra (cps)
I_BG = média das intensidades obtidas para as radiações de fundo BG1 e BG2 (cps)
I_am = intensidades líquidas nas amostras (cps) 

Assim, conhecendo-se os parâmetros a, b e a intensidade líquida nas amostras, determina-se o teor de TiO₂ através da equação (2). 

Método 2. Neste caso todas as leituras obtidas para as amostras-padrão A₀, A₁, A₂... A₅ , foram empregados na obtenção da rola do padronização, sendo a intensidade liquida dada pela diferença entre as intensidades obtidas para a linha analítica e média das respectivas radiações de fundo, isto é: 

I_liq = I_Kα-Ti - I_BG     (5)

I_Kα-Ti = intensidade média (cps) obtida para a linha Kα-Ti na amostra padrão;
I_BG = já definido
I_liq = intensidade média líquida (cps) obtida para a linha Kα-Ti na amostra-padrão e alíquota de TiO₂ adicionada

Assim, obtendo-se a equação de padronização pode-se determinar o teor de TiO₂ somente para amostra A, dado em valor absoluto para quando l_liq = 0, isto é: 

C = [a/b]              (6)

Através desses dois procedimentos (Método 1 e 2) determinou-se, também, seus coeficientes angulares (b₁, b₂) das duas retas de padronização são estatisticamente iguais, isto é 

H₀: b₁ =  b₂ 

                                               t_calc = (b₁ – b₂)/   ())

Hα:b₁ ≠ b₂ e

ao nível de 5% de probabilidade e n-2 graus de liberdade, sendo V(b₁), V(b₂) as variâncias de b₁ e b₂, respectivamente. 

 

Resultados e Discussão 

As linhas Kα e Kβ do Cr (Figuras 1 a 4) são devidas a radiação características do tubo, enquanto que a linha Kα:Cu advém da radiação espalhada. Assim, em se tratando de amostras leves (basicamente oxigênio, hidrogênio e carbono) tem-se sempre a presença dessa linha, entretanto, não é possível confirmar a presença desse elemento nas amostras. Somente quando detectadas as linhas Kα e Kβ do cobre nesse tipo de matrizes é que se pode afirmar a presença do elemento na amostra, quando empregado o tubo de Cr. 

Com referência a amostra R, usada com solvente na preparação das amostras de batom, verificou-se que a mesma não possui impurezas que possam interferir na quantificação do titânio, acusando somente a presença de traço do elemento ferro (Figura 4) 

Dos tubos utilizados, Rh e Cr, e cristal difrator LiF200 (Tabela 2) tem-se que o de cromo é o mais indicado para excitação dos elementos com número atômico compreendidos na faixa de 13 ≤ Z ≤ 22, visto que as linhas características do tubo (Kα = 5,411 e Kβ = 5.946 keV) estão próximas à borda de absorção desses elementos. Isso possibilita maior sensibilidade de detecção e, consequentemente, diminuição do tempo de detecção e erros devidos à estatística de contagem. Já o tubo de Rh (Kα = 20.165 e Kβ = 22,712 keV) apresenta maior eficiência de detecção para elementos de número atômico variando de 23 ≤ Z ≤ 40. 

Tabela 2. Elementos detectados nas amostras ao empregar-se os tubos de raios x com alvos metálicos de Cr e Rh (40 kV, 30 mA), detectores operando em conjunto, amplificação 5000, cristal difrator  LiF200, sem vácuo
Elementos	Amostras
	A	N	I	R
Ti	+	+	+	+
Fe	*	+	+	*
Br	-	+	+	*
Sr	+	-	-	-
Ba	+	-	-	-
+ presença do elemento   - elemento não detectado   *traço do elemento

 

Assim, através da utilização do tubo de ródio confirmou-se a presença dos elementos Si (K_abs = 16,101 keV), Br (K_abs = 13,471 keV) e Fe (K_abs = 7,109 keV) nas amostras de batom analisadas, visto que as linhas características do tubo possuem energia suficiente para excitar os referidos elementos, fato não observado quando se emprega um tubo de cromo, onde somente parte do espectro continuo possui energia suficiente para promover absorção fotoelétrica nos elementos Sr, Br e Fe.

De todos os elementos detectados nas amostras tem-se que tanto o Sr (Kα = 14,139 keV), Br (Kβ = 11,907 keV) como o Fe (Kα = 6,398 keV) podem contribuir para a intensificação (efeito matriz) da linha característica do titânio (K_abs = 4,963 keV). Entretanto, o ferro só está presente em baixa concentração, o que não ocasionará acréscimos significativos na taxa de contagem do titânio. Já o bromo e o estrôncio emitem raios x característicos com energias duas a três vezes superiores à borda de absorção do analítico (elemento que se está dosando), devendo ser espalhada (efeito Compton) na matriz para serem absorvidos pelo analítico. Portanto, não devem interferir significativamente nas leituras do titânio. Convém ressaltar que ao se empregar o tubo de raios x com alvo metálico de cromo, somente uma fração do espectro contínuo do tubo possui energia suficiente para promover a produção fotoelétrica tanto no bromo como no estrôncio. 

Quanto a presença do elemento Ba (Figura 1), ocorreu superposição das linhas La do Ba (Lα= 4,467; 4,840 e 5,158 keV) com as Kα,β = do Ti (Kα = 4,509 e Kβ = 4,932 keV). Quando ocorre tal efeito (interferência de linha ou espectral) uma das maneiras de minimizá-lo seria a mudança do cristal difrator, usando-se um do menor distância interplanar. Entretanto, dos cristais disponíveis o que apresentaria menor distancia seria o LiF200 (2d = 2,848 Å), mas por limitações instrumentais tal cristal não detecta a linha Kα do Ti (2θ>145°). 

Como todas as amostras analisadas foram preparadas da mesma maneira, mantidas as mesmas condições instrumentais de análise (40 kV, 30 mA. cristal difrator LiF 200, amplificação c detectores empregados) e sendo os efeitos de intensificação/absorção (efeito matriz) da radiação praticamente desprezíveis, pode-se, através dos espectrogramas de raios x, verificar pelas alturas dos picos, que a amostra I possui teor de titânio superior às observadas nas demais e que as quantidades existentes desse elemento nas amostras A e N são similares. Observa-se, ainda, que os teores de bromo encontrados nas amostras N e I também são similares e que somente a mostra A acusou a presença dos elementos estrôncio e bário. Finalmente, tem-se que a amostra A possui teor de ferro um pouco maior que o encontrado para a amostra R.

Através da utilização da amostra prensada de TiO₂ determinaram-se os ângulos experimentais 2θ de 85,15; 86 e 87,15° para BG1, Kαti e BG2, respectivamente. A partir das intensidades liquidas obteve-se para equação de padronização, calculadas de acordo com o Método 1:

I_liq = 1047,31 + 4023,01.C

com parâmetro α não diferindo estatisticamente de zero no nível de 5% de probabilidade e parâmetro b significativamente diferente de zero no nível de 5% de probabilidade, coeficiente de determinação R² = 0,967 e t_calc = 9,36*, indicando que os dados experimentais se ajustam a um modelo linear.

A partir dessa equação e as intensidades líquidas das amostras estimou-se os respectivos teores de TiO₂ para as amostras analisadas (Tabela 3).

No caso do Ba, presente nas amostras-padrão, tem-se que ao determinar-se as taxas de contagem (Método I), tal efeito é retirado. Assim, foi possível empregar-se uma única reta de padronização¹² para dosagem do dióxido de titânio nas amostras A e N. Não foi possível determinar-se a concentração do dióxido de titânio para a amostra I visto que a taxa de contagem obtida fornece volume superior a 3 ml, valor máximo empregado na elaboração das amostras padrão.

De acordo com o Método 2 tem-se que:

I_liq = 5739,70 + 4071,30.C

obtendo-se uma quantidade de TiO₂, na amostra A de 1,41 ml, com parâmetros a e b estatisticamente diferente de zero ao nível de 5% de probabilidade, R² = 0,969 e t_calc = 11.23* indicando também que os dados experimentais se ajustam a um modelo linear. Entretanto, ao determinar-se a reta de padronização dessa maneira, tem-se que a mesma só poderá ser empregada para a amostra de batom usada na solução estoque, já que o coeficiente linear obtido indica a taxa de contagem obtida para a linha analítica (Kα-Ti) presente na amostra em questão. Convém salientar que, devido a presença do elemento bário (Figura 1) parte dessas contagens serão devido a contribuição desse elemento na taxa de dióxido de titânio, consequentemente, a quantidade de dióxido de titânio presente nessa amostra será menor do que o valor determinado (<1,41 ml de TiO₂). 

Finalmente, convém salientar que o efeito de autoabsorção para linha do analítico foi observado, na amostra padrão onde adicionou-se a alíquota de 3 ml de TiO₂. Esse efeito ocasionou a diminuição na taxa de contagem esperada, com consequente diminuição no valor de R², pois nem todos os raios x secundários produzidos pelo titânio nas espessuras mais internas conseguem atingir o detector para serem contados. 

Uma vez que os coeficientes angulares das retas de padronização representam a sensibilidade de detecção do elemento titânio, comprovou-se pelo teste de hipótese que os mesmos não diferem estatisticamente entre si, uma vez que t_calc < t_tab com 7 graus de liberdade no nível de 5% de probabilidade. 

 

Conclusão

- Ocorre o efeito de autoabsorção para amostra-padrão onde adicionou-se a alíquota de 3 ml de TiO₂. 

- Não ocorre efeito interelementar (efeito matriz) nas amostras. 

- O emprego do método 1 permite determinar a concentração de TiO₂ em qualquer tipo de amostra de batom, sem a necessidade da preparação de novos padrões. 

- É viável o emprego da técnica analítica instrumental de fluorescência de raios x na caracterização qualitativa e quantitativa de componentes inorgânicos presentes nesse tipo de matriz. 

Nota do Conselho Editorial  A competitividade e o desenvolvimento tecnológico na indústria tem buscado cada vez mais técnicas sofisticadas para poder avaliar e comprovar ao consumidor, que seus produtos possuem qualidade e apresentam um diferencial em relação aos seus concorrentes. Centros de tecnologia e pesquisa tem se empenhado cada vez mais em ter um relacionamento cada vez mais estreito com a indústria.  O trabalho ora apresentado mostra a utilização de uma técnica instrumental de fluorescência de raios x quo pode ter grande potencial no desenvolvimento e garantia de qualidade de produtos cosméticos, farmacêuticos, para agricultura e área de alimentos.  A técnica de fluorescência de raios x baseia-se na medida da intensidade de raios x característicos emitidos pelos elementos constituintes da amostra através da dispersão de energia ou comprimento de onda.  Desta forma podemos utilizar esta técnica para identificar e quantificar o teor de materiais como: TiO2, Óxido de ferro, óxido de zinco, óxido de bromo, óxido de bário e até mesmo a presença destes metais em formulações de batom, creme, loções e fotoprotetores.

 

Prof. Dra. Orghieda Luiza Araújo Domingues Zucchi é docente do Departamento de Física e Química da Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto-USP, Ribeirão Preto SP
Marcos José Salvador é graduando da Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto-USP, Ribeirão Preto SP, e bolsista do PIBIQ CNPq.

Os autores agradecem ao CNP4 pela concessão da bolsa e ao NIPEM/FORP/USP por permitir a utilização do seu laboratório e equipamentos para execução desse trabalho.

 

Este artigo foi publicado na revista Cosmetics & Toiletries (Edição em Português), 10(3): 52-58, 1998.