METODI SPETTROSCOPICI

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Geronimo Magnani
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1 METODI SPETTROSCOPICI Si basano sulla interazione e misura della elettromagnetica con l analita. radiazione Si possono dividere generalmente in metodi di assorbimento (attenuazione di un fascio di radiazione) e di emissione (radiazione emessa dall analita in particolari condizioni sperimentali) Più in dettaglio vengono classificati in base alla regione dello spettro elettromagnetico coinvolta

2 LE ONDE ELETTROMAGNETICHE Ampiezza (A) = lunghezza del vettore elettrico al massimo dell onda Lunghezza d onda (l) = distanza tra i massimi (o i minimi) successivi Frequenza (n) = numero di oscillazioni del campo elettrico al secondo (1 Hz = 1 ciclo al secondo) Velocità di propagazione (v) = nl dipende dal mezzo in cui si propaga la radiazione

3 Nel vuoto la velocità di propagazione è massima (c cm/s). Nell aria la velocità e simile (0.03% in meno). Quando la radiazione attraversa un altro mezzo la velocità diminuisce a spese della lunghezza d onda, la frequenza è infatti invariata e dipende dalla sorgente di radiazioni. _ Numero d onda ( n ) = numero di onde per cm 1/l Potenza (P) = energia per unità di area al secondo. all ampiezza della radiazione Correlata La radiazione può essere trattata anche in forma particellare assimilandola a pacchetti discreti di energia (fotoni o quanti): E = hn h = costante di Planck = Js E = hc/ l

6 Assorbimento della radiazione

7 SPETTROFOTOMETRIA UV/visibile Quali elettroni danno luogo a transizioni misurabili nell UV/visibile? Gli elettroni in una molecola possono essere classificati in 4 tipi: elettroni non coinvolti in legami (E di eccitazione alte) elettroni di legami singoli covalenti (s) (E troppo alte per UV/visibile) elettroni non leganti (tipo n) (E sufficienti per UV/visibile) elettroni in orbitali p (legami doppi e tripli) UV/visibile) (E sufficienti per Le transizioni avvengono in orbitali antileganti di tipo s* e p*, le più comuni sono n p* e p p*. L intensità relativa delle bande di assorbimento è rappresentata dalle assorbività molari e che sono una misura della probabilità che la transizione elettronica abbia luogo. La probabilità di transizioni p p* è maggiore di transizioni n p*

8 I gruppi che assorbono in una molecola sono chiamati cromofori. Le variazioni spettrali vengono classificate come batocromiche (massimo spostato verso l maggiori) e ipsocromiche (verso l minori). Variazioni d intensità vengono indicate come ipercromiche o ipocromiche.

10 Composti organici devono essere sciolti solitamente in solventi organici. Il solvente puo variare lo spettro a causa di interazioni solvente-soluto. Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley)

11 Trasmittanza (T) = P/P 0 T% = P/P Assorbanza = log P 0 /P = -log T Legge di Beer (vale per soluzioni diluite) : A =abc a (e) =assorbività (o assorbanza specifica) molare b = cammino ottico c =concentrazione

13 Additività delle assorbanze x l1 A 1x(l1) = e x(l1) b c x A 1y(l1) = e y(l1) b c y A 2x(l2) = e x(l2) b c x A 2y(l2) = e y(l2) b c y

14 DEVIAZIONI DALLA LEGGE DI BEER chimiche. Le specie assorbenti danno reazioni di associazione, dissociazione o reazione con solvente con prodotti che hanno e diversi (p.es. un indicatore acido-base in soluzione non tamponata) strumentali. Dovute a radiazioni spurie e al radiazione policromatica per l assorbimento. fatto che si usa

15 ERRORE SPETTROFOMETRICO

17 Le sorgenti continue emettono radiazione non risolta in un ampio intervallo di lunghezze d onda

18 I Lasers "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", sono fonti di radiazione monocromatica e ad elevata intensità Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley)

Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di

19 I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche una conducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo. La risposta di un semiconduttore a una forzante dipende dalle sue caratteristiche intrinseche e da alcune variabili esterne come la temperatura. Semiconduttore di tipo n Semiconduttore di tipo p

20 DIODI

21 LED (LIGHT EMITTING DIODE) I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n,formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato. Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. I LED sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita (fonte wikipedia)

22 MONOCROMATORI Servono a selezionare la lunghezza d onda desiderata, consistono di fenditure d ingresso e d uscita per eliminare le radiazioni indesiderate, un sistema di specchi per focalizzare la radiazione e un separatore di lunghezze d onda (prisma o reticolo)

23 Il prisma separa le varie componenti della luce perché l indice di rifrazione è diverso per ciascuna l. La dispersione non è lineare (minore per l maggiori). I reticoli presentano una supeficie riflettente piana di alluminio che presenta un numero grande di solchi paralleli. La separazione dipende dalla distanza tra i solchi. I reticoli producono anche multipli della radiazione incidente (ordini superiori). nλ = d (sen i + sen r) d = distanza tra le superfici, n ordine di diffrazione, i e r = radiazione incidente e riflettente La dispersione è lineare, vengono usati diversi tipi per l UV/visibile e l IR

24 L ampiezza di banda effettiva del monocromatore dipende oltre che dalle caratteristiche del reticolo anche dalla fenditura d uscita. Generalmente varia tra 1 e 20nm per applicazioni quantitative. Molti monocromatori hanno fenditure variabili che permettono di lavorare con rivelatori di diversa sensibilità I filtri sono caratterizzati da una l alla quale si ha la massima trasmissione e da una ampiezza di banda. Quelli ad interferenza sono più selettivi (e più costosi). Quelli ad assorbimento sono costituiti da vetro colorato. Vengono utilizzati nel sistema ottico sia in presenza che in assenza di monocromatore (p.es. alcuni lettori per dosaggi immunochimici).

25 Contenitori per il campione (cuvette)

26 RIVELATORI PER SPETTROFOMETRI Sono di tipo fotonico (fino a l = 2 mm); sono forniti di una superficie reattiva che in presenza di fotoni emette elettroni (fotoemissione) o li eccita in modo che possano condurre elettricità (fotoconduzione). I più comuni sono i fototubi, i fotomoltiplicatori e i rivelatori basati sulla tecnologia dei semiconduttori (a silicio)

28 In un rilevatore a matrice di diodi (DAD diode array detector) sono presenti tanti diodi. Maggiore il numero migliore la risoluzione del detector Rivelatori ad array di diodi a 1024 elementi.

29 Non c è monocromatore. Tutte le lunghezze d onda sono registrate simultaneamente, il reticolo di diffrazione è posto a valle della cuvetta, la radiazione separate viene inviata al detector. Schema di uno spettrofotometro a matrice di diodidiodi Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley)

(charge-couple device -CCD). Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed.

30 Spetrofotometro a fibra ottica Lo strato intermedio (cladding ) ha un indice di rifrazione maggiore del core Lo strato esterno è protettivo Rivelatore (charge-couple device -CCD). Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley) Sorgente Tutta la radiazione che entra con un angolo inferiore a a viene trasmessa per riflessione interna

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