Spettrofotometria infrarossa

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1 Spettrofotometria infrarossa La spettrofotometria infrarossa (IR) è una tecnica molto nota in campo chimico e ha notevoli applicazioni anche nel campo dei beni culturali. Si tratta di una tecnica di analisi molecolare nella quale sono misurate transizioni tra livelli energetici vibrazionali, che richiedono energia corrispondente a radiazioni nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico, cioè tra 1 e 500 µm Con questa tecnica è possibile avere informazioni sui gruppi funzionali presenti nelle molecole che formano il campione e quindi, indirettamente, sulle molecole stesse. Le informazioni sono prevalentemente di tipo qualitativo; l aspetto quantitativo è scarsamente sfruttato

2 L energia in gioco Frequenza (υ in Hz, sec -1 ) Lunghezza d'onda (λ in nm o in µm) Numero d'onda: ( v = 1/λ in cm -1 ) Frequenza = Numero d onda x c (velocità della luce) Campo spettrale della radiazione IR: µm ( cm -1 ) µm ( cm -1 ): vicino IR (NIR) µm ( cm -1 ): medio IR (MIR) µm ( cm -1 ): lontano IR (FIR)

3 L energia in gioco Curva di energia potenziale di una molecola biatomica come funzione dello spostamento degli atomi durante la vibrazione. La molecola viene promossa ad uno stato eccitato solo se il momento di dipolo µ cambia durante la vibrazione.

4 MOMENTO DIPOLARE DI UN LEGAME CHIMICO Il momento dipolare è una grandezza che misura la polarità di una molecola. Da un punto di vista fisico i momenti dipolari sono grandezze vettoriali ovvero caratterizzate da una dimensione e da una direzione. Il momento dipolare di una molecola biatomica si rappresenta di solito con una freccia diretta lungo il legame da δ+ a δ-(con δ si rappresenta una carica parziale). Il momento dipolare è dato dall equazione: μ = q r dove q indica il valore della carica parziale espresso in coulomb e r la distanza tra gli atomi. Il momento dipolare è quindi espresso in coulomb metri o in debye (D, un debye corrisponde a 3, C m)

5 Infrarosso vibrazione delle molecole L energia delle radiazioni infrarosse è sufficiente per attivare anche transizioni energetiche rotazionali

6 Moti vibrazionali delle molecole stretching: modificano le lunghezze dei legami. Distinti in: simmetrico asimmetrico bending: modificano gli angoli tra gli atomi. Distinti in: Rocking (oscillazione) Scissoring ( sforbiciata ) Wagging (scuotimento) Twisting (distorsione)

7 IR: MODI DI VIBRAZIONE

8 ENERGIA DELLE TRANSIZIONI Ogni transizione vibrazionale, come quelle elettroniche e rotazionali, ha una specifica energia che dà luogo ad un assorbimento della regione infrarossa in una specifica regione Ogni gruppo funzionale può avere più modi vibrazionali che corrispondono ad energie diverse; allo stesso tempo gli assorbimenti dei differenti gruppi funzionali corrispondono ad energie simili anche se presenti in molecole diverse Va considerato che, nonostante i modi di vibrazione di una molecola possano essere diversi, le regole della meccanica quantistica ci dicono che l assorbimento di energia, e quindi la transizione tra due stati energetici vibrazionali, avviene solo se la vibrazione implica un cambiamento nel momento dipolare della molecola. Nel gergo della meccanica quantistica ciò equivale ad indicare un modo di vibrazione attivo o permesso

9 L anidride carbonica L anidride carbonica, CO 2, può avere i modi di vibrazione illustrati nella figura, con l atomo di carbonio al centro. Questi moti sono responsabili dell effetto serra che la CO 2 esercita in atmosfera, assorbendo energia termica dalla terra. La vibrazione A, stretching simmetrico (~40 trilioni di vibrazioni/sec), non è attiva in quanto non cambia il momento dipolare; le altre vibrazioni sono invece attive

10 Spettro IR della CO 2 I segnali dello spettro di assorbimento IR della CO 2 corrispondono ai modi di vibrazione permessi: quelli di bending, entrambi attorno a 666 cm -1,e quello di stretching asimmetrico a 2350 cm -1 Lo stretching simmetrico del gruppo C=O, che dovrebbe essere a 1340 cm -1, nella CO 2 non è attivo perchè in questa molecola non cambia il momento dipolare 666 cm -1 (bending) 1340 cm -1 (stretching simmetrico) 2350 cm -1 (stretching asimmetrico)

11 STRUTTURA FINE Siccome l energia delle radiazioni IR è più che sufficiente ad attivare le transizioni rotazionali, i segnali di assorbimento dovuti alle vibrazioni sono in realtà bande più o meno allargate. Se utilizziamo uno strumento ad elevata risoluzione, possiamo mettere in evidenza la struttura fine in cui la banda vibrazionale appare in realtà composta da più segnali, dovuti alle transizioni rotazionali

12 Spettro IR della formaldeide (HCOH) Lo stesso gruppo funzionale in differenti molecole presenta moti vibrazionali specifici, che si traducono in bande di assorbimento collocate a frequenze caratteristiche (frequenze di gruppo), influenzate solo marginalmente dalla complessità della struttura molecolare

13 Esempio di spettro IR La complessità dello spettro è tipica dell analisi infrarossa ma è spesso un vantaggio. L insieme dei gruppi funzionali identificati permette di risalire globalmente alla molecola, il cui spettro IR corrisponde ad un impronta digitale Il campione è irraggiato con un intervallo di compresotra2.5e20µm(o compreso tra 4000 e 500 cm -1 ). Il 100% della scala di trasmittanza corrisponde ad assorbimento nullo

14 FREQUENZE DI VIBRAZIONE La frequenza che corrisponde ad una determinata vibrazione è determinata dalla forza dei legami e dalla massa degli atomi coinvolti. Alcune regole generali sono le seguenti: le frequenze di stretching sono più alte di quelle di bending, perchè è richiesta meno energia per piegare un legame piuttosto che per allungarlo i legami con idrogeno hanno frequenze di stretching più alte di quelli con atomi più pesanti i tripli legami hanno frequenze di stretching più alte di quelle corrispondenti dei doppi legami, a loro volta più alte dei corrispondenti legami singoli, es. C-C cm -1 C=C cm -1 C=C cm -1

15 FREQUENZE DI VIBRAZIONE C ν è il numero d onda, direttamente proporzionale alla frequenza di vibrazione delle masse c è la velocità della luce k è la costante di forza del legame chimico μ è la massa ridotta

16 Frequenze di gruppo I principali gruppi funzionali sono illustrati nella figura sottostante in relazione alle frequenze di assorbimento. La regione cm -1 è normalmente difficile da interpretare e viene spesso chiamata regione del fingerprint, essendo molto caratteristica da molecola a molecola

17 SPETTROFOTOMETRI IR Il campione è irraggiato con un intervallo più o meno ampio di ; le assorbite corrispondono ai gruppi funzionali delle molecole. La risposta è visibile sotto forma di spettro di assorbimento o di trasmittanza Esempio di spettrofotometro IR. Si tratta in genere di strumenti molto compatti, dal costo limitato

18 Tipi di spettrofotometri IR Gli spettrofotometri IR sono di due tipi: dispersivi, in cui è presente un elemento che disperde sequenzialmente la radiazione a trasformata di Fourier, in cui l acquisizione è contemporanea su tutto il range spettrale

19 IR dispersivo Attualmente gli spettrofotometri IR dispersivi sono poco utilizzati

20 Spettrofotometri FT-IR Gli spettrofotometri IR più diffusi sono quelli a Trasformata di Fourier, nei quali, attraverso un sistema di raccolta della radiazione luminosa noto come Interferometro di Michelson e basato su uno specchio in movimento, lo spettro IR è registrato contemporaneamente in tutto il range richiesto

21 Interferometro di Michelson (1891) DATI TECNICI Questo tipo di interferometro, utilizzato nei moderni strumenti IR, basa la separazione delle lunghezze d onda non sullo spazio ma sul tempo. L interferometro di Michelson è costituito da un dispositivo in cui è presente uno specchio semiriflettente, uno specchio fisso e uno specchio mobile.

22 Interferometro di Michelson (1891) DATI TECNICI La luce proveniente dalla sorgente arriva sullo specchio semiriflettente che ne riflette una parte (circa la metà) e una parte (l altra metà) la trasmette. La luce riflessa va sullo specchio fisso mentre quella trasmessa arriva allo specchio mobile. I raggi riflessi dagli specchi ritornano verso lo specchio semiriflettente dove nuovamente metà di ciascun raggio è riflessa e metà è trasmessa. Un raggio ricombinato viaggia in direzione del rivelatore ed un altro ritorna verso la sorgente. Poiché uno specchio si muove, le onde non hanno la stessa fase ma si creerà una differenza di cammino ottico detta ritardo δ. Un grafico dell intensità della luce emergente in funzione del ritardo δ prende il nome di interferogramma. L integrale della funzione matematica che esprime l interferogramma prende il nome di trasformata di Fourier. Lo spettro finale che si ottiene non è altro che la trasformata di Fourier dell interferogramma.

23 Strumenti portatili Sono attualmente sul mercato diversi strumenti FTIR portatili che consentono di effettuare analisi con buone prestazioni

24 Preparazione dei campioni L analisi IR si può effettuare su campioni di varia natura: campioni liquidi: si deposita una goccia su un supporto trasparente campioni solubili con proprietà filmogene: si genera un film per evaporazione da una soluzione campioni insolubili o solidi: polverizzazione e incorporamento in capsula di KBr materiale non campionabile: analisi superficiale

25 Metodi per l acquisizione di spettri IR Tecnica Trasmissione Riflessione speculare Riflessione diffusa Riflessione totale Segnale Trasmittanza Riflettanza Riflettanza Riflettanza adatte in situ

26 I 0 I Trasmissione campioni solidi, liquidi e gassosi vale la legge di Lambert-Beer non adatta per materiali non campionabili o troppo spessi Segnale: trasmittanza (T) = I / I 0 oppure assorbanza (Abs) = log 1/T gas: nessuna preparazione liquidi: nessuna preparazione, diluizione solidi: nessuna preparazione, dissoluzione, diluizione, pastiglia con KBr (trasparente all IR)

27 Riflessione speculare campioni solidi riflettenti anche di grandi dimensioni non distruttiva è necessario ottimizzare Adatta per l'analisi di sezioni pittoriche. Lo spettro di riflettanza viene trasformato in uno spettro simile a quelli in trasmittanza attraverso la trasformazione di Kramers- Kronig, che tiene conto degli indici di rifrazione e dei parametri di assorbimento dei materiali coinvolti.

28 Riflessione diffusa (DRIFTS) campioni solidi non riflettenti anche di grandi dimensioni polveri e liquidi non distruttiva Viene registrato lo spettro della radiazione diffusa escludendo la componente speculare. Lo spettro di riflettanza, attraverso la trasformazione di Kubelka-Munk, viene trasformato in uno spettro simile a quelli in trasmittanza.

29 Utilizzo di fibre ottiche Le fibre ottiche sono sfruttate vantaggiosamente per le misure FTIR in riflettanza. Attraverso l impiego di sonde è possibile irraggiare il campione e raccogliere la radiazione diffusa; entrambe le radiazioni possono viaggiare su fibre Ovviamente il grande vantaggio dell impiego delle fibre ottiche consiste nella possibilità di effettuare analisi in situ, totalmente non distruttive e senza toccare il campione; inoltre non ci sono vincoli dovuti alla forma del campione Normalmente le fibre ottiche impiegate negli strumenti FTIR sono vetri a calcogenuro (As-Se-Te) o calcoalogenuro. Esse devono avere elevata purezza per evitare l attenuazione del segnale. Tuttavia, nessuna delle fibre attualmente disponibili è in grado di coprire l intero range del medio infrarosso; con i vetri a calcogenuro si arriva al massimo ad un intervallo cm -1

30 Sonde per riflettanza diffusa La sonda per riflettanza diffusa può essere costituita da una fibra ottica per l irraggiamento e una per la raccolta della radiazione diffusa

31 Riflettanza totale attenuata (ATR) o spettroscopia di riflessione interna (IRS) Adatta per qualsiasi materiale che possa essere posizionato a diretto contatto col supporto per la riflessione interna Il campione è posizionato su un supporto costituito da un cristallo con elevato indice di rifrazione (AgCl, ZnSe o bromoioduro di silicio, germanio e tallio ). Il raggio viene riflesso più volte sulla superficie interna del cristallo e quindi sul campione, generando uno spettro di riflettanza del campione stesso.

32 Principio dell ATR Nella modalità ATR i raggi infrarossi sono diretti all interno di un cristallo ad alto indice di rifrazione. I raggi, riflettendosi sulla superficie interna del cristallo, creano un onda evanescente che si proietta sul campione posto in stretto contatto con il cristallo. Parte dell energia dell onda è assorbita dal campione e la radiazione riflessa è restituita al rivelatore, originando uno spettro di riflettanza Per ottenere lo spettro, è quindi necessario porre il cristallo ATR a contatto con la superficie del campione. La risposta analitica proviene da uno strato di 2-3 µm del campione

33 Differenza tra ATR e trasmittanza Gli spettri IR in modalità ATR sono simili a quelli registrati in trasmittanza (e quindi in assorbanza). Ci sono differenze sottili, in particolare le bande a frequenze basse avranno valori di assorbanza maggiori rispetto a quelle a frequenze alte; normalmente i software di gestione degli strumenti sono in grado di compensare queste differenze

34 Sonde ATR Sonda ATR per strumento portatile o con fibra ottica Accessorio ATR per strumento da banco

35 Strumento portatile con ATR Lo strumento FTIR portatile mostrato in figura è dotato di sonda ATR a inclinazione variabile che permette di effettuare analisi superficiali senza vincoli di ingombro del campione. L area analizzata ha un diametro di 1 mm. Range spettrale: cm -1 Non essendo impiegate fibre ottiche ma lenti per trasmettere la radiazione luminosa, non ci sono limitazioni al range spettrale analizzabile se non in funzione del cristallo ATR

36 Materiali per sonde ATR Esistono sul mercato tipi diversi di cristalli ATR: Seleniuro di zinco: per applicazioni di routine AMTIR: un vetro a base di selenio, germanio e arsenico, molto resistente ad agenti chimici aggressivi Germanio: adatto per analisi di materiali con elevati assorbimenti Silicio: duro e fragile, chimicamente inerte, adatto per applicazioni a temperatura variabile, resistene a campioni molto abrasivi Diamante: il più duro dei materiali disponibili per ATR, adatto a qualsiasi campione, ha però costo elevato e assorbe tra 2300 e 1800 cm -1

37 Applicazioni per i beni culturali caratterizzazione di materiali coloranti e di leganti identificazione di prodotti di degradazione monitoraggio di processi di degrado caratterizzazione di materiali protettivi

38 Spettro IR di Blu oltremare

39 Spettro IR di Blu di Prussia

40 Caratterizzazione di pigmenti a base di ossidi di ferro

41 SPETTRI INFRAROSSI

42 SPETTRI INFRAROSSI

43 SPETTRI INFRAROSSI

44 SPETTRI INFRAROSSI

45 SPETTRI INFRAROSSI

46 Nella figura sono riportati gli spettri in modalità µ-ftir-atr su campioni di vetri prelevati da vetrate del monastero di Batalha (Portogallo, XV secolo), in differenti condizioni di degrado Lo spettro c) risulta il meno degradato, probabilmente perchè meno esposto. Le bande principali a 995 cm 1 e 930 cm 1 sono dovute ai legami Si-O Vetri medievali Negli spettri a) e b) è presente una banda a cm 1 dovuta alla presenza di carbonato e/o ossalato di calcio, due prodotti di degradazione dovuti rispettivamente all azione dell umidità e della CO 2 atmosferica disciolta e all azione di microorganismi Inoltre è possibile osservare in tutti gli spettri una banda larga a 3400 cm 1 dovuta allo stretching del gruppo O H che indica un livello significativo di idratazione della superficie. La combinazione della presenza di ioni CO 3 2- eoh nei vetri è normalmente indice di corrosione dovuta ad ambienti umidi

47 Vantaggi dell IR versatilità: può dare informazioni strutturali su un ampio range di materiali organici ed inorganici cristallini e non cristallini monomeriche o polimeriche rapidità di esecuzione accuratezza e precisione sensibilità discreta costi relativamente economici

48 campione solubile in esano (apolare) no Schema di separazione con solventi di un campione di materiale pittorico acetone (polare) no toluene (aromatico) no acqua no si si si si cere e olii paraffina olio minerale ceresina carnauba cera d'api plastificanti insolubile in diclorometano acetato di cellulosa nitrocellulosa metilcellulosa etilcellulosa polivinilcloruro alcuni uretani epossidici (monomeri) solubile in diclorometano polistirene polivinilacetato acrilici siliconici resine naturali cera d'api plastificanti polivinilcloruro resine naturali polistirene polietilene polipropilene polibutadiene polisoprene gomme naturali esteri di cellulosa poliesteri pigmenti proteine (uovo) teflon uretani epossidici (polimeri) no sali proteine polisaccaridi amido, destrine pectine, gomme polivinilalcol metilcellulosa alcuni minerali nylon olii siccativi si acido formico (acido)