SPETTROSCOPIA AGLI INFRAROSSI IN TRASFORMATA DI FOURIER (FTIR)

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1 SPETTROSCOPIA AGLI INFRAROSSI IN TRASFORMATA DI FOURIER (FTIR)

2 COSA E LA FTIR Spettroscopia: tecnica basata sull interazione di una radiazione elettromagnetica con la materia Infrarossi: radiazione elettromagnetica con lunghezze d onda comprese fra 800 e 4000 nm Trasformata di Fourier: Elaborazione che trasforma un segnale complesso con diverse componenti armoniche nel dominio del tempo in uno nel dominio delle frequenze

3 A cosa serve? La FTIR fornisce informazioni di tipo composizionale/utturale: 1. L analisi degli spettri IR fornisce informazioni su quali molecole sono presenti, tramite identificazione dei legami molecolari 2. Consente di identificare campioni incogniti mediante confronto con campioni noti (Test identificativo) o anche solo tramite analisi spettrale ( Analisi Incognita) 3. E possibile effettuare analisi quantitative La FTIR è una tecnica molto diffusa perché: 1. Moltissimi elementi organici ( e anche inorganici) assorbono nell IR 2. I segnali spettrali sono caratteristici di ciascun tipo di legame chimico e forniscono indicazioni sull intorno chimico

4 Lo spettro IR La banda degli Infrarossi copre una porzione ampia dello spettro bassoenergetico, e si distngue in tre zone: 1. Vicino infrarosso (0.7-3 um) 2. Medio Infrarosso (3-6 um) 3. Lontano Infrarosso (6-20 um)

5 Interazione IR-Materia: Vibrazioni atomiche I livelli energetici degli elettroni in una molecola sono suddivisi in tre ordini gerarchici: 1. Livelli elettronici ( ev) 2. Livelli vibrazionali ( ev) 3. Livelli rotazionali( ev)

6 Lo spettrometro ad Infrarossi: Interferometro di Michaelson Sistema comprensivo di una sorgente IR (lega Ni-Cr a 1400 C), di una lente separatrice e di due specchi (fisso e mobile) che determina prima la separazione e poi la riunificazione in interferenza di un fascio IR che viene raccolto da un rilevatore (trasduttore termo-elettrico) Durante un singolo scan lo specchio mobile muove avanti ed indietro rispetto al separatore In base alla differenza di cammino ottico dei due fasci, misurata tramite un laser He-Ne, si ha interferenza couttiva o diuttiva Si ottiene un interferogramma (intensità vs differenza di cammino ottico) comprensivo di tutte le radiazioni IR inviate al detector, che viene convertito in Trasformata di Fourier in un segnale in frequenza. La frequenza del segnale dell interferogramma è correlata al numero d onda secondo la relazione: F (misurata) =2v*W (output) Dove F= freq. Interferogramma (s -1 ), v= velocità specchio mobile (cm/s), W=numero d onda in cm -1

7 Dall interferogramma allo spettro Teorema di Fourier: una qualunque funzione può essere approssimata dalla sovrapposizione pesata di funzioni sinusoidali e cosinusoidali = dx f(x)e ikx = k F f x cos kx dx + i f(x) sin kx dx = Fpari (k) +F disp (k) F x = [ F pari cos kx + F disp sin kx ] K Un interferogramma è una sovrapposizione di segnali di questo tipo, dunque tramite la TF otteniamo l spettro delle frequenze che lo costituiscono

8 Acquisizione dello spettro IR Campioni e Riferimenti Prima dell analisi si acquisisce l interferogramma di riferimento, che tiene conto dello spettro IR trasmesso in assenza di campione ( fattori ambientali, assorbimento dell interferometro etc.). La forma dello spettro di «background» è determinata dal tipo di sorgente e dalla sua temperatura Il cut-off a bassi numeri d onda è dovuto all assorbimento della radiazione da parte delle pastiglie di KBr porta-campione, mentre quello ad alti numeri d onda è dato dalla sorgente IR Interponendo un campione che assorbe nello spettro IR, l interferogramma viene modificato in quanto ora tiene conto dello spettro d assorbimento di ambiente, umentazione e campione!

9 Acquisizione dello Spettro IR Sottrazione Spettrale Dal rapporto fra lo spettro con il campione e quello di riferimento, si ottengono gli spettri IR utili all analisi, moati in termini di assorbanza o trasmittanza percentuale 1. A ω = log I(ω) I 0 (ω) 2. %T ω = 100 I(ω) I 0 (ω) (Assorbanza) (Trasmittanza Percentuale) I contributi all assorbimento non dovuti al campione vengono filtrati e si ottengono spettri nitidi Convenzionalmente lo spettro riporta alti valori di numero d onda a sinia.

10 Artefatti della Sottrazione spettrale La sottrazione dello spettro di riferimento è un passaggio necessario che può presentare delle difficoltà. 1. Un esatta cancellazione prevede che i segnali di fondo presi durante l acquisizione di riferimento e quelle con il campioni siano uguali, ma non è sempre vero (concentrazioni variabili nel tempo) Utilizzo di fattori di sottrazione «n» tali che I Spettro = I Campione n*i riferimento, dove «n» può variare in diverse regioni spettrali 2. Possibilità di riscontrare artefatti quali: assorbanze negative; picchi fittizi dovuti al processo di sottrazione incompleto; picchi a «forma di derivata», dovuti a variazioni minime nella posizine spettrale dei picchi corrispondenti dovute, per esempio, a fenomeni di interazione fra molecole e campione Un controllo con lo spettro di riferimento è spesso necessario!

11 Correzione Base-line Oltre a rimuovere lo spettro di riferimento, occorre anche rimuovere la baseline, quando necessario Una opportuna preparazione del campione e manutenzione dell impianto aiutano a contenere errori sistematici Le baseline vanno rimosse mediante funzioni adatte al tipo specifico di baseline riscontrata.

12 Tipi di Vibrazione In base alla natura fisica del legame molecolare, una serie di moti vibrazionali possono verificarsi Ciascuna tipologia di moto vibrazionale corrisponde ad un energia differente Spettri di A vs v sono preferiti per analisi quantitative e confronti bibliografici

13 Le «zone» dello Spettro FTIR Ogni tipo di legame vibra ad energie determinate, salvo piccole variazioni dovute all intorno chimico e ad eventuali solventi 1400 < v(cm -1 ) < 600 Regione «Fingerprint» 4000 < v(cm -1 ) < 1400 Regione di Gruppo Caratteristiche generali: 1. Dato un legame, le corrispondenti energie di «etching» sono piu alte delle energie di «bending» 2. Le frequenze di vibrazione di legami con atomi di H sono maggiori di quelle relative a legami con atomi piu pesanti 3. Le energie vibrazionali di legami tripli sono maggiori di quelle dei legami doppi che a loro volta sono maggiori di quelle di legami singoli

14 Alcune bande caratteristiche Functional Class Range (cm-1) Intensity Assignment Range (cm-1) Intensity Assignment Alkanes CH3, CH2 & CH 2 or 3 bands med med wk CH2 & CH3 deformation CH3 deformation CH2 rocking Alkenes med var =C-H & =CH2 (usually sharp) C=C (symmetry reduces intensity) C=C asymmetric etch med med =C-H & =CH2 (out-of-plane bending) cis-rch=chr Alkynes Arenes & 1500 var var med-wk C-H (usually sharp) C C (symmetry reduces intensity) C-H (may be several bands) C=C (in ring) (2 bands) (3 if conjugated) C-H deformation med C-H bending & ring puckering Alcohols & Phenols var O-H (free), sharp O-H (H-bonded), broad C-O med var-wk O-H bending (in-plane) O-H bend (out-of-plane) Amines (dil. soln.) (dil. soln.) Aldehydes & Ketones (2 bands) Carboxylic Acids & Derivatives (acids) overlap C-H (acids) (acids) wk wk med med med- N-H (1 -amines), 2 bands N-H (2 -amines) C-N C-H (aldehyde C-H) C=O (saturated aldehyde) C=O (saturated ketone) aryl ketone α, β-unsaturation cyclopentanone cyclobutanone O-H (very broad) C=O (H-bonded) O-C (sometimes 2-peaks) med- var med med NH2 scissoring (1 -amines) NH2 & N-H wagging (shifts on H-bonding) α-ch3 bending α-ch2 bending C-(C=O)-C bending C-O-H bending 1750 & 1820 (anhydrides) (esters) (amides) C=O (2-bands) O-C C=O O-C (2-bands) C=O (amide I band) / med/ med N-H (1 -amide/2 ammidi) II band

15 Esempio applicativo: distinguere isomeri Tre isomeri con formula bruta C4H8O Manca segnale OH Presente segnale C=O Segnale Stretching C-H aldeidico Segnale bending C-H aldeidico Manca segnale OH Presente segnale C=O Segnali bending C-C=O-C Segnali bending CH3-C=O Presente segnale. O-H Forti segnali etch C-H Manca segnale C=O Manca segnale C=C

16 Il Problema dell acqua e della CO 2 Le molecole d acqua e CO 2 presentano picchi caratteristici nello spettro FTIR, dovuti a vibrazioni simmetriche e asimmetriche dei legami O-H e C=O, che possono coprire altri segnali Variazioni nella concentrazione di CO 2 e H 2 O nel tempo possono portare ad una mancata efficienza di filtraggio dei relativi segnali durante l acquisizione degli spettri e ad artefatti di vario tipo (alterazione intensità picchi, presenza di picchi negativi in assorbanza ) In genere si lavora in atmosfera controllata di N 2 o O 2 ( invisibili nella FTIR)

17 Rapporto Segnale-Rumore Il rapporto segnale rumore (SNR) è un indice della qualità del segnale La FTIR gode di valori tipici di SNR che possono facilmente eccedere le 100 unità SNR t N Un alto SNR implica: 1. Elevata sensibilità 2. Elevata chiarezza del segnale 3. Elevata qualità di analisi quantitativa Segnali con valori di SNR minori di ~5 possono essere difficili da interpretare

18 Risoluzione La risoluzione di un qualunque umento è la capacità di distinguere dettagli ravvicinati in una informazione (picchi, immagini etc.): 1. Un segnale ad alta risoluzione (<1 cm -1 ) è ricco di informazioni in quanto distingue segnali energeticamente prossimi 2. Una campionatura effettuata a bassa risoluzione (>1 cm -1 ) produrrà un segnale comprensivo di tutti i singoli segnali ottenuti nel range di risoluzione, con perdita di informazioni La risoluzione FTIR (R) dipende dal numero di posizioni dello specchio mobile campionati durante una intera scansione, per tanto spettroscopi FTIR ad alta risoluzione hanno cammini ottici (CO) più lunghi e, di conseguenza, traslazioni maggiori ( <2 cm): R 1/CO max/scan

19 Compromesso Fra Risoluzione e Rumore Spettri ad alta risoluzione sono piu rumorosi, perché la maggior risoluzione isola i deboli segnali di rumore e riduce l intensità e l ampiezza dei picchi R SNR Occorre trovare il valore di risoluzione ottimale per avere spettri ricchi di informazioni e con un ridotto rumore di fondo. La scelta della migliore risoluzione dipende dallo stato fisico del campione: 1. Nei solidi e nei liquidi, l alta condensazione delle molecole si traduce in bande d assorbimento piu ampie basta una risoluzione di 4-8 cm -1 per risolvere i picchi 2. Per i gas, le bande d assorbimento sono più ette per via della minore interazione fra molecole occorrono risoluzioni < 2 cm -1 N

20 Informazioni dallo Spettro IR Analisi Quantitativa L altezza del picco puo essere correlata alla concentrazione della specie assorbente, secondo la legge di Lambert-Beer: A ω = = C *d*ε ω L assorbitività molare ε ω è funzione dell energia della radiazione e del tipo di molecola Noto l analita, si procede alla realizzazione di una curva di calibrazione, in cui si verifica l andamento dell assorbanza per un certo moto vibrazionale al variare della concentrazione di analita La concentrazione nel campione incognito è quindi ottenuta per interpolazione confrontando l ampiezza del picco con la curva di calibrazione.

21 Saturazione dello spettro L analisi FTIR richiede solo pochi mg di campione Utilizzare troppo campione per ottenere picchi piu intensi puo portare a fenomeni di saturazione lim I 0 A ω = lim I 0 log I(ω) I 0 (ω) = La radiazione viene completamente assorbita a certe frequenze e non è possibile discernere segnali ravvicinati

22 Conclusioni FTIR Vantaggi Versatile ( campioni organici, biologici,inorganici, liquidi, solidi, gas etc.) Ricca di informazioni ( tipo e quantità molecolari, intorno chimico) Sensibile ( mg sample, ug-pg rintracciabili) Relativamente veloce ( <10 mins) Relativamente poco costosa(<20k$ ) Insensibile a N2 e O2 Alto rapporto segnale/rumore (1<SNR <100) Elevata accuratezza e precisione del segnale ( <0.1 cm -1 ) Problemi Alcune specie chimiche non sono identificabili (ioni monoatomici, molecole monoatomiche, biatomiche omonucleari,) Per analisi di miscugli, l analisi FTIR diventa molto complessa L acqua deve essere contenuta entro lo 0.1%wt. Gli ampi picchi d assorbimento dell acqua a 3300 e 1600 cm-1 possono coprire le caratteristiche spettrali dei soluti. L acqua puo sciogliere le pastiglie/celle di KBr e NaCl in cui sono alloggiati i campioni Non adatta a identificare tracce di contaminanti (ppm,ppb) Artefatti nel segnale ( %H 2 O (g) variabile nel tempo) Deve essere accompagnato da altre tecniche analitiche (NMR, MS, Spettroscopia UV-vis, Raman etc ) L analisi quantitativa richiede una esperta pulizia ed elaborazione dello spettro