Spettroscopia e spettrometria ottica. Francesco Nobili

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1 Spettroscopia e spettrometria ottica Francesco Nobili

2 SPETTROSCOPIA OTTICA Nelle tecniche spettroscopiche si analizza l intensità dell interazione radiazione-materia a varie lunghezze d onda Tale interazione può essere presente come: -Assorbimento della radiazione da parte della materia -Emissione della radazione da parte della materia SPETTROSCOPIA L andamento dell intensità in funzione della lunghezza d onda (spettro) può fornire informazioni strutturali: energie delle specie e dei legami coinvolti IDENTIFICAZIONE SPETTROMETRIA L intensità dell interazione ad una singola lunghezza d onda può fornire informazioni quantitative numero di specie interagenti DETERMINAZIONE DELLA QUANTITA

3 Spettrometria di emissione Sorgente Selettore di Lunghezza d onda Detector Sistema di elaborazione Campione Il campione eccitato (riceve energia in eccesso) per mezzo di ENERGIA TERMICA ed emette radiazione tornando allo stato fondamentale; si misura l intensità della radiazione emessa L intensità di una riga spettrale è correlata a: -numero di specie che emettono I = k ' c -probabilità della transizione

4 Spettrometria di assorbimento Necessita di una sorgente esterna che interagisca con il campione Sorgente Selettore di Lunghezza d onda Detector Sistema di elaborazione Campione LEGGE DI LAMBERT-BEER Il campione è interposto tra la sorgente ed il detector. Assorbe energia dalla sorgente luminosa per passare ad uno stato eccitato; si misura il rapporto tra la radiazione incidente e la radiazione trasmessa (ASSORBANZA) log( I / I ) = A = ε lc 0 t ε = f (λ)

5 In alternativa si può prendere in considerazione la TRASMITTANZA, ovvero la frazione di luce incidente che viene trasmessa dal campione (si può anche fare riferimento alla TRASMITTANZA PERCENTUALE T%= 100T) Trasmittanza ed assorbanza sono quindi legate dalla relazione Quindi 0<ε< 0<A< 1>T>0 A T = I I I t I 0 0 = log = t logt Una volta fissato il valore di l (di solito 1 cm), purché ε si mantenga costante (condizioni sperimentali come λ e composizione del sistema fissate), l equazione A = εcl diviene A = kc

6 EFFETTO DEL COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO ε A = ε lc ε = f ( λ ) Diversi gruppi funzionali assorbono a diverse lunghezze d onda da uno spettro è permessa l identificazione dei gruppi funzionali e quindi della molecola

7 EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DEL CAMPIONE c A = ε lc A = ε l c C /µ M

8 EFFETTO DELLO SPESSORE DEL CAMPIONE l A = ε lc I 0 = 10,000 I t = 5,000 T I t 5000 = = = I b- 0.5 A = -log T = -log (0.5) =

9 EFFETTO DELLO SPESSORE DEL CAMPIONE A = ε lc I 0 = 10,000 I t = 2,500 T I t 2500 = = = I b A = -log T = -log (0.25) =

10 Assorbanza e Trasmittanza A = ε l c spessore /multipli di l A A = logt = = ε lc I log t I 0 T = 10 -A spessore /multipli di l

11 La legge di Lambert-Beer è valida senza eccezioni, ma possono verificarsi DEVIAZIONI APPARENTI, di origine CHIMICO-FISICA o STRUMENTALE DEVIAZIONI DI ORIGINE FISICA E CHIMICA (a) concentrazioni elevate possono causare una MODIFICA DELL INDICE DI RIFRAZIONE DELLA SOLUZIONE λν = c/n λ = c/nν variazione della λ variazione di ε deviazione del cammino ottico perdita di intensità sul rivelatore (b) concentrazioni elevate possono provocare interazioni tra le molecole con FORMAZIONI DI COMPLESSI, POLIMERI o AGGREGATI CON IL SOLVENTE, da cui si possono avere deviazioni positive o negative della legge di Lambert-Beer formazione di nuove specie, sottrazione di vecchie Per questi motivi è preferibile operare con soluzioni diluite ( mol/l)

12 (c) VARIAZIONI DI ph possono INFLUENZARE L EQUILIBRIO tra due specie aventi diverse ε ad una diversa λ: il cambiamento del rapporto di concentrazione fra le due forme provoca una variazione di assorbanza è preferibile usare un TAMPONE quando si fanno delle diluizioni Esempio: equilibrio tra la forma acida e la forma basica di un INDICATORE metilarancio HA A - + H + forma acida rossa forma basica gialla λ max = 514 nm λ max = 463 nm (d) altre deviazioni di origine chimica e fisica: TEMPERATURA (può spostare gli equilibri), SOLVENTE (tramite la polarità)

13 DEVIAZIONI DI ORIGINE STRUMENTALE (a) la radiazione che attraversa il campione non è rigorosamente monocromatica (unica λ), quindi, dipendendo ε da λ, ci saranno diversi contributi all assorbanza. (b) luce diffusa (di fondo) di origine strumentale: si somma alla radiazione che attraversa il campione senza essere attenuata A = log I I 0 t + + S S All aumentare della concentrazione I t tende a 0, quindi Si restringe l intervallo di linearità A = 0 log I + S S

14 SPETTROMETRIA DI FLUORESCENZA Si misura la radiazione riemessa dopo assorbimento Campione Selettore di Lunghezza d onda Detector Sistema di elaborazione 0-90 o Sorgente Il campione assorbe energia da una sorgente luminosa per passare ad uno stato eccitato ed emette una radiazione di fluorescenza (a frequenza minore) la cui intensità è misurata dal detector; l orientazione a 90 fa sì che il detector non raccolga la radiazione incidente Se la concentrazione è abbastanza bassa I F = k " c limite di applicabilità: A < 0.07

15 STRUMENTAZIONE per SPETTROMETRIA OTTICA 5 COMPONENTI FONDAMENTALI Sorgente luminosa Elemento disperdente (monocromatore) Campione Rivelatore Indicatore Registratore Elaboratore sorgente elemento disperdente campione rivelatore elaboratore La disposizione e l orientamento tra i componenti possono variare a seconda del tipo di analisi (es: emissione/assorbimento/fluorescenza)

16 SORGENTI LUMINOSE In base al tipo di radiazione emessa possono essere classificate in due gruppi principale: SORGENTI CONTINUE e SORGENTI DISCRETE (A RIGHE) (1) SORGENTI CONTINUE Producono uno spettro di radiazione in un ampio range di lunghezze d onda, principamente per RISCALDMENTO o per SCARICA ELETTRICA Nella regione UV-VIS-NIR le più comuni sono: - lampada al tungsteno nm - lampada al deuterio nm - lampada ad arco di Xe nm Nella regione IR le più comuni sono: - filamento di Nernst 2.5 5µm

17 Possono essere usate in combinazione

18 SORGENTI DISCRETE Producono radiazione a lunghezze d onda ben definite adatte per l analisi atomica La più comune (usata in assorbimento atomico AA è la LAMPADA A CATODO CAVO LAMPADA A CATODO CAVO (HCL, Hollow Cathode Lamp) Produce solo lunghezze d onda specifiche, caratteristiche delle transizioni di un particolare elemento allo stato ATOMICO L Ar contenuto all interno ( Pa) è eccitato e ionizzato da una scarica elettrica (500 V) l Ar ionizzato ed eccitato è accelerato nel campo elettrico e bombarda il catodo, che è fatto di un elemento specifico l elemento bombardato è espulso nell atmosfera gassosa ed eccitato dalle collisioni con gli Ar + * l elemento eccitato decade allo stato fondamentale emettendo la radiazione caratteristica e - + Ar Ar + * Ar + * + M Ar + M* M* M + hν M - + e - Ar Ar* + M* M hν

19 ELEMENTI DISPERDENTI Gli spettrofotometri sono equipaggiati con uno o più dispositivi per selezionare una banda stretta, assorbita o emessa dall'analita (banda passante). Per mantenere la validità della legge di Lambert-Beer Questo componente è fondamentale se: Si è interessati ad una singola lunghezza d onda analisi quantitativa Si devono esplorare in sequenza diverse lunghezze d onda (scansione), ad esempio per ottenere uno spettro di assorbimento (A vs λ) identificazione I due tipi principali di selettori di lunghezza d'onda sono i monocromatori ed i filtri. I monocromatori dei moderni spettrofotometri sono prismi e, principalmente, reticoli.

20 I prismi si basano sulla rifrazione e separano con continuità le varie lunghezze d onda I reticoli si basano sulla diffrazione e permettono di selezionare solo determinate lunghezze d onda

21 CELLE PORTACAMPIONE Devono essere trasparenti a tutte le λ che si utilizzano Devono essere di geometria definita Quelle più comunemente utilizzate per analisi quantitative hanno un cammino ottico di 1 cm Intervallo di trasparenza: Silice nm Vetro nm Plastica nm UV Visibile IR quarzo o silice fusa vetro o plastica o quarzo KBr, NaCl

22 RIVELATORI Il rivelatore (detector) deve essere in grado di convertire la luce in un segnale misurabile I rivelatori si basano su diversi principi fisici, in funzione della lunghezza d onda della radiazione incidente Generalmente CONVERTONO RADIAZIONE IN CORRENTE ddp (ruolo di trasduttori) Rivelatori più comuni Tipo di effetto uso Rivelatore sfruttato tipico Fototubo fotoelettrico UV Fotomoltiplicatore fotoelettrico UV/Vis Stato Solido fotovoltaico UV/vis IR Termocoppia potenziale di giunzione IR

23 STRUMENTAZIONE COMPLETA Gli strumenti per spettrofotometria di assorbimento si possono suddividere nelle seguenti categorie: Singolo raggio Doppio raggio SPETTROFOTOMETRO A SINGOLO RAGGIO monocromatore rivelatore cella porta campione fenditura di uscita elemento disperdente (prisma/reticolo) sorgente fenditura di ingresso

24 SPETTROFOTOMETRO A DOPPIO RAGGIO NEL TEMPO Uno spettrofotometro a doppio raggio nel tempo utilizza un chopper (di solito uno specchio rotante) per inviare alternativamente la radiazione attraverso il campione ed attraverso il riferimento. La radiazione alternativamente trasmessa da campione e riferimento viene poi misurata da un unico rivelatore. monocromatore riferimento fenditura di uscita elemento disperdente sorgente fenditura di ingresso chopper rivelatore campione

25 SPETTROFOTOMETRO A DOPPIO RAGGIO NELLO SPAZIO In questo strumento il fascio di radiazione viene diviso in due parti mediante uno specchio fisso, ed i due fasci vengono inviati rispettivamente sul campione e sul riferimento. monocromatore elemento disperdente fenditura di uscita riferimento rivelatore sorgente fenditura di ingresso specchio divisore di fascio campione rivelatore

26 Spettroscopia e spettrometria ottica Francesco Nobili 06/03/12 1

27 SPETTROSCOPIA OTTICA Nelle tecniche spettroscopiche si analizza l intensità dell interazione radiazione-materia a varie lunghezze d onda Tale interazione può essere presente come: -Assorbimento della radiazione da parte della materia -Emissione della radazione da parte della materia SPETTROSCOPIA L andamento dell intensità in funzione della lunghezza d onda (spettro) può fornire informazioni strutturali: energie delle specie e dei legami coinvolti IDENTIFICAZIONE SPETTROMETRIA L intensità dell interazione ad una singola lunghezza d onda può fornire informazioni quantitative numero di specie interagenti DETERMINAZIONE DELLA QUANTITA 06/03/12 2 Le tecniche di spettroscopia ottica utilizzano la porzione dello spettro elettromagnetico che va dai raggi X all infrarosso (X-ray, UV, visibile, IR) per effettuare determinazioni qualitative e quantitative. Si misura l intensità dell interazione radiazione/materia alle varie lunghezze d onda: si studia la distribuzione dell energia negli urti anelastici tra fotoni e atomi. Spettroscopia: analisi in funzione della lunghezza d onda per identificazione di elementi o gruppi funzionali. Spettrometria: analisi ad una singola lunghezza d onda per misure di concentrazione. 2

28 Spettrometria di emissione Sorgente Selettore di Lunghezza d onda Detector Sistema di elaborazione Campione Il campione eccitato (riceve energia in eccesso) per mezzo di ENERGIA TERMICA ed emette radiazione tornando allo stato fondamentale; si misura l intensità della radiazione emessa L intensità di una riga spettrale è correlata a: -numero di specie che emettono -probabilità della transizione I = k ' c 06/03/12 3 Nella spettrometria di emissione si misura l intensità di una radiazione emessa quando un campione, eccitato per mezzo di energia termica, torna allo stato fondamentale. Da un punto di vista quantitativo, l intensità della radiazione emessa dipende dalla concentrazione nella sorgente (es. nella fiamma) delle specie che emettono. Si può quindi scrivere una relazione lineare I=k *c tra intensità emessa e concentrazione. 3

29 Spettrometria di assorbimento Necessita di una sorgente esterna che interagisca con il campione Sorgente Selettore di Lunghezza d onda Detector Sistema di elaborazione 0 Campione LEGGE DI LAMBERT-BEER log( I / I ) = A = ε lc t Il campione è interposto tra la sorgente ed il detector. Assorbe energia dalla sorgente luminosa per passare ad uno stato eccitato; si misura il rapporto tra la radiazione incidente e la radiazione trasmessa (ASSORBANZA) ε = f (λ) 06/03/12 4 Nella spettrometria di assorbimento si misura il rapporto tra le intensità della radiazione incidente e della radiazione trasmessa dopo parziale (o totale) assorbimento da parte del campione. La radiazione trasferisce energia al campione mediante urti anelastici che lo portano allo stato eccitato. Da un punto di vista quantitativo, l intensità della radiazione emessa dipende dal numero degli urti che portano all assorbimento, e quindi: (i) dallo spessore l del campione attraversato dalla radiazione, (ii) dal numero di atomi o molecole del campione e quindi dalla sua concentrazione c, (iii) dalla probabilità ε che gli urti provochino un trasferimento di energia. Quest ultima dipende dalla corrispondenza tra l energia dei fotoni e l energia dei livelli energetici coinvolti, quindi in ultima analisi dalla lunghezza d onda incidente e dalla chimica del campione. L assorbimento è quantificato dalla LEGGE DI LAMBERT-BEER A = εlc. L assorbanza A ha le dimensioni di un NUMERO. 4

30 In alternativa si può prendere in considerazione la TRASMITTANZA, ovvero la frazione di luce incidente che viene trasmessa dal campione (si può anche fare riferimento alla TRASMITTANZA PERCENTUALE T%= 100T) Trasmittanza ed assorbanza sono quindi legate dalla relazione Quindi 0<ε< 0<A< 1>T>0 A T = I t I 0 I It 0 = log = logt Una volta fissato il valore di l (di solito 1 cm), purché ε si mantenga costante (condizioni sperimentali come λ e composizione del sistema fissate), l equazione A = εcl diviene A = kc 06/03/12 5 In alternativa all assorbanza A si possono riportare gli spettri come trasmittanza T = It/I0, sempre con le dimensioni di un numero. A = -logt 5

31 EFFETTO DEL COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO ε ε A = = ε lc f ( λ ) Diversi gruppi funzionali assorbono a diverse lunghezze d onda da uno spettro è permessa l identificazione dei gruppi funzionali e quindi della molecola 06/03/12 6 Se ε è funzione di λ, allora fissato un campione e il suo spessore, fare un indagine spettroscopica di A o T in funzione di λ significa vedere come varia ε in funzione di λ Questo permette di identificare le transizioni possibili, e quindi la chimica (elementi, gruppi funzionali) del campione. 6

32 EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DEL CAMPIONE c A = ε lc A = ε l c C /µ M 06/03/12 7 A fini di analisi quantitativa, dobbiamo considerare che soluzioni dello stesso campione a diverse concentrazioni daranno assorbanze direttamente proporzionali alla concentrazione. Quindi, mediante misure di assorbanza delle varie soluzioni, si può misurare la risposta del metodo: costruzione di una RETTA DI TARATURA per calcolare il prodotto ε*l Dalla misura dell assorbanza di un campione incognito, si può quindi risalire alla sua concentrazione. 7

33 EFFETTO DELLO SPESSORE DEL CAMPIONE l A = ε lc I 0 = 10,000 I t = 5,000 T I t 5000 = = = I b- 0.5 A = -log T = -log (0.5) = /03/12 8 Anche lo spessore del campione è legato all assorbanza da una relazione di proporzionalità diretta. 8

34 EFFETTO DELLO SPESSORE DEL CAMPIONE A = ε lc I 0 = 10,000 I t = 2,500 T I t 2500 = = = I b A = -log T = -log (0.25) = /03/12 9 Raddoppiando lo spessore, raddoppia l assorbanza. Fissando lo spessore uguale ad 1 cm e la concentrazione uguale a 1mol/L, allora il COEFFICIENTE DI ASSORBIVITA MOLARE ε ha le dimensioni di L*mol^-1*cm^-1 9

35 Assorbanza e Trasmittanza A = ε l c spessore /multipli di l A = logt = A = ε lc I log t I spessore /multipli di l 06/03/12 10 T = 10 -A La scala dell assorbanza è lineare, mentre la scala della trasmittanza è esponenziale. Le due rappresentazioni sono equivalenti, ma la scala dell assorbanza è più sensibile a concentrazioni maggiori, mentre la scala della trasmittanza è più sensibile a concentrazioni minori. 10

36 La legge di Lambert-Beer è valida senza eccezioni, ma possono verificarsi DEVIAZIONI APPARENTI, di origine CHIMICO-FISICA o STRUMENTALE DEVIAZIONI DI ORIGINE FISICA E CHIMICA (a) concentrazioni elevate possono causare una MODIFICA DELL INDICE DI RIFRAZIONE DELLA SOLUZIONE λν = c/n λ = c/nν variazione della λ variazione di ε deviazione del cammino ottico perdita di intensità sul rivelatore (b) concentrazioni elevate possono provocare interazioni tra le molecole con FORMAZIONI DI COMPLESSI, POLIMERI o AGGREGATI CON IL SOLVENTE, da cui si possono avere deviazioni positive o negative della legge di Lambert-Beer formazione di nuove specie, sottrazione di vecchie Per questi motivi è preferibile operare con soluzioni diluite ( mol/l) 06/03/12 11 La legge di Lambert-Beer è una legge universalmente valida, ma si possono verificare delle deviazioni SOLO APPARENTI che potrebbero falsare i risultati di un analisi se non se ne tiene opportunamente conto. Queste deviazioni possono essere di origine fisica e chimica o di origine strumentale. Le deviazioni di origine fisica e chimica derivano sostanzialmente da spostamenti di equilibri, dovuti principalmente a concentrazioni troppo elevate o variazioni di ph in seguito a diluizioni. 11

37 (c) VARIAZIONI DI ph possono INFLUENZARE L EQUILIBRIO tra due specie aventi diverse ε ad una diversa λ: il cambiamento del rapporto di concentrazione fra le due forme provoca una variazione di assorbanza è preferibile usare un TAMPONE quando si fanno delle diluizioni Esempio: equilibrio tra la forma acida e la forma basica di un INDICATORE metilarancio HA A - + H + forma acida rossa forma basica gialla λ max = 514 nm λ max = 463 nm (d) altre deviazioni di origine chimica e fisica: TEMPERATURA (può spostare gli equilibri), SOLVENTE (tramite la polarità) 06/03/12 12 Il ph può essere stabilizzato mediante l utilizzo di un tampone, così da evitare che equilibri di dissociazione si spostino in seguito a diluizioni. Ad esempio, un indicatore cambia il suo colore a seconda che sia presente nella forma acida HA o nella forma basica A. Le due forme assorbono quindi a due lunghezze d onda diverse (514 e 463 nm rispettivamente). In assenza di tampone, in seguito a diluizione le due concentrazioni relative varierebbero, e questa variazione si sommerebbe alla semplice variazione di assorbanza dovuta alla diluizione secondo la legge di L-B, falsando i risultati dell analisi. 12

38 DEVIAZIONI DI ORIGINE STRUMENTALE (a) la radiazione che attraversa il campione non è rigorosamente monocromatica (unica λ), quindi, dipendendo ε da λ, ci saranno diversi contributi all assorbanza. (b) luce diffusa (di fondo) di origine strumentale: si somma alla radiazione che attraversa il campione senza essere attenuata A = I log I 0 t + S + S All aumentare della concentrazione I t tende a 0, quindi Si restringe l intervallo di linearità A = 0 log I + S S 06/03/12 13 Le deviazioni strumentali (sempre apparenti) possono avere due tipi di origine: (a) radiazione non monocromatica; (b) una radiazione diffusa di fondo si somma alle radiazioni incidente e trasmessa, e non puòessere distinte da queste, falsando ancora il calcolo dell assorbanza secondo la legge di Lambert-Beer, che rimane comunque valida. 13

39 SPETTROMETRIA DI FLUORESCENZA Si misura la radiazione riemessa dopo assorbimento Campione Selettore di Lunghezza d onda Detector Sistema di elaborazione 0-90 o Sorgente Il campione assorbe energia da una sorgente luminosa per passare ad uno stato eccitato ed emette una radiazione di fluorescenza (a frequenza minore) la cui intensità è misurata dal detector; l orientazione a 90 fa sì che il detector non raccolga la radiazione incidente Se la concentrazione è abbastanza bassa I F = k " c limite di applicabilità: 06/03/12 A < La geometria a 90 tra sorgente, campione e detector utilizzata nella spettrometria di fluorescenza fa sì che solo la radiazione di fluorescenza sia raccolta dal detector, senza interferenze da parte della radiazione incidente. In questo modo, solo quest ultima è raccolta. Il vantaggio rispetto al solo assorbimento è che si ha una risposta molto selettiva su un segnale di fondo uguale a 0, aumentando anche la sensibilità. Da un punto di vista quantitativo, l intensità della radiazione di fluorescenza è legata alla concentrazione da una relazione di proporzionalità diretta I=K *c VALIDA SOLO A CONCENTRAZIONI MOLTO BASSE. 14

40 STRUMENTAZIONE per SPETTROMETRIA OTTICA 5 COMPONENTI FONDAMENTALI Sorgente luminosa Elemento disperdente (monocromatore) Campione Rivelatore Indicatore Registratore Elaboratore sorgente elemento disperdente campione rivelatore elaboratore La disposizione e l orientamento tra i componenti possono variare a seconda del tipo di analisi (es: emissione/assorbimento/fluorescenza) 06/03/12 15 Una strumentazione ottica, indipendentemente dalla geometria con cui è assemblata (emissione, assorbimento, fluorescenza) presenta sempre gli stessi componenti fondamentali: una sorgente luminosa, che fornisce la radiazione interagente, un elemento disperdente che seleziona le varie lunghezze d onda, il campione, un rivelatore che misura l intensità della radiazione, ed un elaboratore che registra, confronta e presenta i dati in una forma accettabile. Ricordiamo che nella spettrometria di emissione la sorgente ed il campione coincidono. 15

41 SORGENTI LUMINOSE In base al tipo di radiazione emessa possono essere classificate in due gruppi principale: SORGENTI CONTINUE e SORGENTI DISCRETE (A RIGHE) (1) SORGENTI CONTINUE Producono uno spettro di radiazione in un ampio range di lunghezze d onda, principamente per RISCALDMENTO o per SCARICA ELETTRICA Nella regione UV-VIS-NIR le più comuni sono: - lampada al tungsteno nm - lampada al deuterio nm - lampada ad arco di Xe nm Nella regione IR le più comuni sono: - filamento di Nernst 2.5 5µm 06/03/12 16 Le sorgenti luminose possono essere continue o discrete. Le sorgenti continue emettono radiazione in un intervallo continuo di lunghezze d onda. L energia per l emissione può essere somministrata sotto forma di calore o di scarica elettrica. La comune lampada al tungsteno ad esempio emette radiazione a causa del riscaldamento per effetto Joule. 16

42 Possono essere usate in combinazione 06/03/12 17 L andamento della potenza emessa in funzione della lunghezza d onda costituisce lo spettro di emissione. Nei normali spettrofotometri UV-vis si ha la sovrapposizione di due sorgenti, deuterio e tungsteno, ognuna delle quali contribuisce ad una porzione dello spettro di emissione. Le sorgenti continue sono adatte ad indagini spettroscopiche, cioè in cui è necessario fare una scansione di lunghezze d onda. 17

43 SORGENTI DISCRETE Producono radiazione a lunghezze d onda ben definite adatte per l analisi atomica La più comune (usata in assorbimento atomico AA è la LAMPADA A CATODO CAVO LAMPADA A CATODO CAVO (HCL, Hollow Cathode Lamp) Produce solo lunghezze d onda specifiche, caratteristiche delle transizioni di un particolare elemento allo stato ATOMICO L Ar contenuto all interno ( Pa) è eccitato e ionizzato da una scarica elettrica (500 V) l Ar ionizzato ed eccitato è accelerato nel campo elettrico e bombarda il catodo, che è fatto di un elemento specifico l elemento bombardato è espulso nell atmosfera gassosa ed eccitato dalle collisioni con gli Ar + * l elemento eccitato decade allo stato fondamentale emettendo la radiazione caratteristica e - + Ar Ar + * Ar + * + M Ar + M* M* M + hν M - + e - Ar Ar* + M* M hν 06/03/12 18 Le sorgenti discrete sono invece sorgenti che emettono a singole lunghezze d onda. Questo si rende necessario quando si vuole effettuare un analisi selettiva verso un elemento o comunque a singole lunghezze d onda. L uso di una banda passante molto stretta fa sì che l intero spettro emesso (molto stretto, ai limiti di una linea) sia assorbito dal campione. Inoltre, l emissione ad una (idealmente) singola lunghezza d onda fa sì che possa essere applicata rigorosamente la legge di Lambert-Beer: unico valore di ε per unico valore di λ Tra le sorgenti discrete, citiamo il LASER, la lampada a scarica senza elettrodi e soprattutto la lampada a catodo cavo (HCL) che è la sorgente universalmente utilizzata per l assorbimento atomico. La radiazione monocromatica è emessa dallo stesso elemento che si vuole analizzare, portato allo stato eccitato in forma gassosa da urti con ioni Ar+ eccitati ed accelerati nel campo elettrico. L atomo gassoso eccitato M* torna poi allo stato fondamentale emettendo la radiazione caratteristica, monocromatica, corrispondente alla transizione. In questo modo, l emissione è selettiva verso un singolo atomo. Ovviamente, bisogna conoscere in anticipo gli elementi che compongono il campione da analizzare. 18

44 ELEMENTI DISPERDENTI Gli spettrofotometri sono equipaggiati con uno o più dispositivi per selezionare una banda stretta, assorbita o emessa dall'analita (banda passante). Per mantenere la validità della legge di Lambert-Beer Questo componente è fondamentale se: Si è interessati ad una singola lunghezza d onda analisi quantitativa Si devono esplorare in sequenza diverse lunghezze d onda (scansione), ad esempio per ottenere uno spettro di assorbimento (A vs λ) identificazione I due tipi principali di selettori di lunghezza d'onda sono i monocromatori ed i filtri. I monocromatori dei moderni spettrofotometri sono prismi e, principalmente, reticoli. 06/03/12 19 Gli elementi disperdenti servono per separare intervalli ristretti di lunghezze d onda (idealmente singole lunghezze d onda, ma questo è un risultato non ottenibile in pratica) da uno spettro policromatico più ampio. In questo modo, come per le sorgenti monocromatiche, si mantiene la validità della legge di L-B (che non sarebbe valida per radiazioni policromatiche in quanto ε, funzione di λ, assumerebbe diversi valori anziché uno singolo). Più ristretto è l intervallo di lunghezze d onda isolato (banda passante), maggiore sarà la risoluzione degli spettri I vs λ I principali tipi di selettori sono i filtri, che semplicemente tagliano un intervallo di lunghezze d onda facendo passare l intervallo complementare, ed i MONOCROMATORI (i più usati) che invece isolano intervalli ristretti attorno ad un valore centrale che può essere facilmente selezionato. 19

45 I prismi si basano sulla rifrazione e separano con continuità le varie lunghezze d onda I reticoli si basano sulla diffrazione e permettono di selezionare solo determinate lunghezze d onda 06/03/12 20 I prismi si basano sulla rifrazione: ogni lunghezza d onda è deviata con continuità ad un angolo diverso. Si ha una dispersione continua nello spazio delle varie lunghezze d onda. I reticoli si basano invece sulla diffrazione: in base a fenomeni geometrici di interferenza tra le onde che compongono un fascio policromatico e le incisioni regolari di un reticolo, le singole lunghezze d onda saranno riflesse ad angoli diversi che dipendono dalla geometria del reticolo. La radiazione riflessa sarà quindi dispersa nello spazio a vari angoli in funzione della lunghezza d onda. 20

46 CELLE PORTACAMPIONE Devono essere trasparenti a tutte le λ che si utilizzano Devono essere di geometria definita Quelle più comunemente utilizzate per analisi quantitative hanno un cammino ottico di 1 cm Intervallo di trasparenza: Silice nm Vetro nm Plastica nm UV Visibile IR quarzo o silice fusa vetro o plastica o quarzo KBr, NaCl 06/03/12 21 Le celle portacampione non devono interferire spettralmente con la radiazione, e chimicamente con i materiali utilizzati. Ad esempio, il vetro è adatto alla radiazione visibile ma non alla radiazione UV, mentre per la radiazione IR si utilizzano celle o pasticche portcampione di KBr o NaCl. 21

47 RIVELATORI Il rivelatore (detector) deve essere in grado di convertire la luce in un segnale misurabile I rivelatori si basano su diversi principi fisici, in funzione della lunghezza d onda della radiazione incidente Generalmente CONVERTONO RADIAZIONE IN CORRENTE ddp (ruolo di trasduttori) Rivelatori più comuni Tipo di effetto uso Rivelatore sfruttato tipico Fototubo fotoelettrico UV Fotomoltiplicatore fotoelettrico UV/Vis Stato Solido fotovoltaico UV/vis IR Termocoppia potenziale di giunzione IR 06/03/12 22 Il rivelatore, accoppiato con il trasduttore, converte il segnale luminoso in un segnale elettrico. Ad esempio, nel tubo fotomoltiplicatore, un fascio di fotoni è convertito in una corrente di elettroni poi amplificata attraverso il tubo. La corrente in uscita è fatta passare su una resistenza nota ai cui capi si misura una differenza di potenziale, che è quindi proporzionale all intensità della radiazione che ha colpito il detector. Questa ddp muove un pennino che traccia un grafico, o è inviata ad una scheda di acquisizione per la registrazione e l elaborazione dei risultati da parte di un computer. Altri detector sfruttano altri fenomeni (effetto fotovoltaico per il detector allo stato solido, potenziale di giunzione per la termocoppia), ma tutti generano un segnale di output sotto forma di potenziale. 22

48 STRUMENTAZIONE COMPLETA Gli strumenti per spettrofotometria di assorbimento si possono suddividere nelle seguenti categorie: Singolo raggio Doppio raggio SPETTROFOTOMETRO A SINGOLO RAGGIO monocromatore rivelatore cella porta campione fenditura di uscita elemento disperdente (prisma/reticolo) sorgente fenditura di ingresso 06/03/12 23 Mettendo insieme gli elementi descritti, si ottiene uno spettrofotometro. Gli spettrofotometri possono essere a singolo raggio e a doppio raggio. Lo spettrofotometro a singolo raggio lavora inviando il segnale emesso dalla sorgente al detector, attraverso il campione che lo assorbe parzialmente. E utilizzato normalmente per effettuare analisi che prevedono misure ad una sola lunghezza d onda e per soluzioni con un solo analita (misure quantitative). Le misure sono paragonate con un riferimento che di solito è una cella contenente il solo solvente. 23

49 SPETTROFOTOMETRO A DOPPIO RAGGIO NEL TEMPO Uno spettrofotometro a doppio raggio nel tempo utilizza un chopper (di solito uno specchio rotante) per inviare alternativamente la radiazione attraverso il campione ed attraverso il riferimento. La radiazione alternativamente trasmessa da campione e riferimento viene poi misurata da un unico rivelatore. monocromatore riferimento fenditura di uscita elemento disperdente sorgente fenditura di ingresso chopper rivelatore campione 06/03/12 24 Nello spettrofotometro a doppio raggio nel tempo una radiazione incidente proveniente da una singola sorgente è divisa in due da un chopper ed inviata alternativamente attraverso il campione ed il riferimento. Il detector, sincronizzato con il chopper, confronta le due radiazioni trasmesse e calcola in automatico la trasmittanza T=It/I0, facendo così la correzione del bianco. Infatti, l intensità della radiazione trasmessa dal campione è presa come It, l intensità della radiazione trasmessa dal bianco (riferimento) è presa come I0. La sorgente unica ed il detector unico permettono di compensare fluttuazioni temporanee nell emissione della sorgente e nella risposta del detector. 24

50 SPETTROFOTOMETRO A DOPPIO RAGGIO NELLO SPAZIO In questo strumento il fascio di radiazione viene diviso in due parti mediante uno specchio fisso, ed i due fasci vengono inviati rispettivamente sul campione e sul riferimento. monocromatore sorgente fenditura di ingresso fenditura di uscita elemento disperdente specchio divisore di fascio riferimento rivelatore campione rivelatore 06/03/12 25 Nello spettrofotometro a doppio raggio nello spazio il fascio è diviso in due parti uguali da uno specchio divisore, che indirizza le due parti simultaneamente sul campione e sul riferimento. Non esistono parti mobili, ed è possibile studiare anche processi molto veloci in quanto i due raggi sono simultanei. Sono però necessari due rivelatori distinti, che devono possedere caratteristiche simili e soprattutto fornire la stessa risposta, altrimenti si introducono errori che on possono essere compensati. 25

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