SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO INTERAZIONI TRA RADIAZIONI E MATERIA Quando una radiazione elettromagnetica interagisce con la materia, può verificarsi un trasferimento di energia dalla radiazione alla materia (eccitazione) cui segue la completa restituzione di energia sotto diverse forme (rilassamento). Assorbimento ed emissione di energia radiante da parte della materia A temperatura ambiente atomi e molecole si trovano nello stato fondamentale (minima energia). Quando vengono sollecitati da una opportuna quantità di energia ( E), passano in uno stato eccitato a maggiore energia (assorbimento). + E ASSORBIMENTO Lo stato eccitato non è stabile e dura per tempi brevissimi, perché atomi e molecole tendono a ritornare quasi istantaneamente nello stato di partenza, restituendo all ambiente l energia assorbita. Se tale restituzione avviene sotto forma di energia radiante, si parla più propriamente di emissione. - E EMISSIONE Dr.ssa M. Agamennone 1
ASSORBIMENTO L assorbimento è l acquisizione, da parte della materia, della energia di radiazioni elettromagnetiche. L assorbimento avviene in tempi brevissimi (10-15 s) e, nella maggior parte dei casi è seguito immediatamente da una rapida (10-14 10-7 s) riemissione dell energia assorbita sotto forma di calore, in seguito a urti con gli atomi o con le molecole vicini. Durante questo processo non viene prodotta energia radiante. Le radiazioni elettromagnetiche coinvolte possono essere di vario tipo: le radiofrequenze (cioè quelle a minore energia) riescono solo a interagire con lo spin di alcuni nuclei; le microonde inducono rotazione nelle molecole; le radiazioni IR amplificano le naturali oscillazioni dei legami molecolari; le radiazioni UV/visibile riescono a eccitare gli elettroni di valenza; i raggi X riescono addirittura ad estrarre gli elettroni più vicini al nucleo. La tecnica di analisi è la spettroscopia di assorbimento atomico e molecolare. ASSORBIMENTO ATOMICO Gli atomi liberi, quando assorbono energia radiante, danno luogo solo a transizioni elettroniche, che sono quantizzate, e quindi si possono registrare spettri di righe. Spettro visibile Spettro di assorbimento atomico Ogni atomo ha un caratteristico spettro di assorbimento, dovuto alla specifica distribuzione energetica degli orbitali. In ogni spettro atomico si distinguono diverse serie di righe, secondo l orbitale di partenza degli elettroni coinvolti nella transizione. Questo dipende dallo stato di eccitazione dell atomo e dalla temperatura. Gli atomi allo stato libero non possono dare luogo a transizioni vibrazionali o rotazionali. Le transizioni nucleari necessitano di E maggiori (= frequenze maggiori). Dr.ssa M. Agamennone 2
UV vicino Visibile IR vicino 864 3 2 1 12 11 10 Serie principale (transizioni 3s np (n = 3, 4, 5,, ) Serie diffusa (transizioni 3p nd (n = 3, 4, 5,, ) 9 16 15 14 Serie netta (o stretta) (transizioni 3p ns (n = 4, 5, 6,, ) 10 19 Serie fondamentale (o di Bergmann) (transizioni 3d nf (n = 4, 5, 6,, ) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1800 Lunghezza d onda (nm) Spettro di assorbimento atomico del sodio (a 3000 K), registrato su lastra o pellicola fotografica. Lo spettro è stato smontato in quattro parti, che corrispondono ad altrettante serie di righe. Le serie di righe corrispondono ai diversi tipi di transizioni. L area in grigio rappresenta la regione del continuo e le righe tratteggiate (numero 8, 12, 16 e 19) il limite di ciascuna serie. Le righe di ogni serie tendono ad infittirsi verso le lunghezze d onda minori, al punto da non essere più rappresentabili. 1900 E (ev) 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 6s 5s 4s 1315 1416 4p 3p 6p 7p8p 5p 9p 5d 4d 3d 9 11 10 12 4f 5f 18 1719 Diagramma semplificato dei livelli di energia dell atomo di sodio. Le frecce colorate in rosso (intere) indicano le principali transizioni elettroniche che possono avvenire in seguito all assorbimento di radiazioni di una determinata lunghezza d onda. Le frecce marroni (tratteggiate) indicano il limite di ciascuna serie: a lunghezze d onda minori di questa (cioè con radiazioni più energetiche), l elettrone viene espulso e l atomo si ionizza. Le transizioni danno origine, nello spettro di assorbimento a quattro serie di righe. 1.5 Serie principale: 3s np, con n = 3, 4, 5, 6, 1 0.5 0 3s 12345678 Serie diffusa: 3p nd, con n = 3, 4, 5, 6, Serie netta (o stretta): 3p ns, con n = 4, 5, 6, Serie fondamentale (o di Bergmann): 3d nf, con n = 4, 5, Dr.ssa M. Agamennone 3
SPETTRO DI ASSORBIMENTO ATOMICO DELL ATOMO DI H Tutte le righe dello spettro sono doppie perché ogni elettrone può avere 2 stati di spin pressoché isoenergetici. Spettroscopia di assorbimento La spettroscopia è la tecnica di separazione e rivelazione delle variazioni di energia subite dalla materia. Il dispositivo più semplice per la spettroscopia di assorbimento è costituito da: Una sorgente di radiazioni Un monocromatore Un rivelatore Sorgente Campione Monocromatore Rivelatore Sistema di elaborazione del segnale Il monocromatore suddivide la radiazione uscente dal campione nelle diverse componenti monocromatiche. Il rivelatore raccoglie le radiazioni in uscita dal campione e consente di confrontarne l intensità con quella delle radiazioni in ingresso (emesse dalla sorgente). Quando il rivelatore è l occhio umano o una lastra fotografica, gli strumenti che si basano su questo schema, sono detti spettroscopi. Dr.ssa M. Agamennone 4
Spettrofotometro per assorbimento atomico Sorgente Comparto celle Monocromatore Rivelatore Raggio campione pulsato Sistema elaborazione segnali e presentazione dati Microprocessore Display interfaccia Video Sistema di atomizzazione Elemento disperdente Filtro Tastiera Stampante Chopper CAMPIONE SORGENTE DETECTOR Dr.ssa M. Agamennone 5
Spettroscopia di assorbimento La spettroscopia di assorbimento atomico può esser utilizzata sia per l analisi qualitativa dei campioni sia per l analisi quantitativa. Nell analisi quantitativa si lavora con una radiazione monocromatica, di cui si misura l intensità in uscita dal campione e si confronta con quella in entrata. Nell analisi qualitativa, invece, l intensità della radiazione in uscita viene confrontata con quella in entrata per tutte le lunghezze d onda. Il tracciato che si ottiene mostra l assorbimento del campione al variare della lunghezza d onda: spettro di assorbimento. SORGENTI L assorbimento atomico è utilizzato quasi esclusivamente nell analisi quantitativa, in cui non è richiesta la registrazione di spettri. Pertanto non è necessario che la lampada emetta in tutto il campo spettrale, anzi è indispensabile disporre di sorgenti che emettano spettri di righe. Infatti le sorgenti a spettro continuo forniscono bande passanti troppo ampie (dell ordine di 0.1 nm, se il monocromatore è molto efficiente) rispetto alle bande di assorbimento atomico (0.002 nm). Di conseguenza, per evitare che l energia assorbita dal campione sia, in percentuale troppo bassa rispetto a quella emessa dalla lampada (e quindi difficile da rilevare) è necessario usare radiazioni monocromatiche. Le radiazioni della sorgente devono essere anche molto intense, per compensare le dispersioni di energia che si verificano nel sistema ottico (specchi e monocromatore). I tipi di sorgente più usati sono tre: Lampada a catodo cavo Lampada a scarica elettrodica di gas Lampada a scarica di radiofrequenza Dr.ssa M. Agamennone 6
LAMPADE A CATODO CAVO (Hollow Cathode Lamp) Sono le sorgenti più usate, anche se presentano qualche problema per l'analisi di metalli alcalini e di elementi molto volatili (come As, Se, Cd), che hanno vita molto breve e danno emissioni di bassa intensità. Gas inerte L emissione della radiazione eccitante è prodotta da un catodo cilindrico cavo, costituito dall elemento da analizzare* o da una sua lega. Il bulbo della lampada, in vetro con una finestra di quarzo, è riempito di argon o di neon. * Queste lampade possone essere a singolo elemento o multielemento. LAMPADE A CATODO CAVO Quando viene applicata una opportuna differenza di potenziale agli elettrodi, il gas di riempimento si ionizza parzialmente; gli ioni positivi, accelerati dal campo elettrico, urtano il catodo e provocano l espulsione degli atomi superficiali. Si formano, così, atomi vaporizzati che, eccitati dagli urti con il gas di riempimento, emettono energia radiante. Espulsione Eccitazione Emissione Ar + M* M* hν M 0 M 0 Ar + M 0 Catodo Emissione di energia radiante in una lampada a catodo cavo. Un atomo di argon ionizzato estrae un atomo superficiale M 0 dal catodo; l atomo viene poi eccitato nell urto con il gas di riempimento; l atomo eccitato (M*) decade nello stato fondamentale emettendo un quanto di luce (hn). Dr.ssa M. Agamennone 7
a) Atomizzatore a fiamma SISTEMI DI ATOMIZZAZIONE Sfrutta una fiamma, alimentata a gas, in cui viene nebulizzata una soluzione del campione. Il dispositivo è costituito da un bruciatore a flusso laminare con premiscelatore. Metodologie Speciali in Analisi Farmaceutic a Il campione (in soluzione) viene aspirato nel nebulizzatore, trasformato in aerosol e immesso nella camera di premiscelazione, dove si mescola con il gas combustibile e con il comburente. La combustione e l'atomizzazione avvengono sulla testata del bruciatore. Dr.ssa M. Agamennone 8
IL CAMPIONE ASPIRATO VIENE VAPORIZZATO NELLA FIAMMA IL CAMPIONE VIENE ASPIRATO ATTRAVERSO UN CAPILLARE Tipi di fiamme consigliate per analisi di assorbimento atomico Propano-aria Acetilene-ossido di azoto Aria-idrogeno H He Li Be Acetilene-aria B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La. Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Dr.ssa M. Agamennone 9
b) Fornetto di grafite Si tratta di un sistema interamente automatizzato, che consente di abbassare notevolmente (fino a 1000 volte) i limiti di rivelabilità tipici della spettrofotometria di fiamma; inoltre consente di lavorare su aliquote molto piccole di campione, sia in soluzione sia allo stato solido. b) Fornetto di grafite In genere il programma di riscaldamento prevede tre stadi successivi, di diversa durata, condotti a temperature crescenti: 1. rimozione del solvente o essiccamento del campione (se si tratta di un solido); 2. incenerimento (pirolisi) del campione; 3. atomizzazione. Metodologie Speciali in Analisi Farmaceutica Dr.ssa M. Agamennone 10
M + + A - (soluzione) E Nebulizzazione M + + A - (aerosol) E Desolvatazione MA (solido) MA E E MA (liquido) E MA (vapore) Distruzione della matrice Fusione Vaporizzazione Fenomeni che si verificano durante l atomizzazione in una fiamma o in un fornetto di grafite di una soluzione contenente l analita in forma ionica (M + ) e un controione (A - ). Nel tubo di grafite non avviene la fase di nebulizzazione. E Atomizzazione.. M A (gas) E. M * (gas) Eccitazione M + + e- E Ionizzazione Spettrofotometro per assorbimento atomico Sorgente Comparto celle Monocromatore Rivelatore Raggio campione pulsato Sistema elaborazione segnali e presentazione dati Microprocessore Display interfaccia Video Sistema di atomizzazione Elemento disperdente Filtro Tastiera Stampante Chopper Dr.ssa M. Agamennone 11
MONOCROMATORI Sorgente di luce bianca Prisma Film o rivelatore Campione di assorbimento Spettro di assorbimento Prisma ottico Reticolo di diffrazione RIVELATORI I rivelatori trasformano l'energia radiante in un segnale elettrico. fotocatodo a) Fototubi La radiazione elettromagnetica è sufficiente per produrre l effetto fotoelettrico: emissione di elettroni dalla superficie di alcuni materiali (catodi). - e - + hν Finestra di quarzo anodo vetro Fototubi. Il catodo è rivestito da materiale fotosensibile, che emette elettroni quando viene colpito da radiazioni elettromagnetiche. La pila mantiene una opportuna d.d.p. tra gli elettrodi. Quando una radiazione elettromagnetica colpisce il catodo, gli elettroni emessi vengono catturati dall anodo e nel circuito fluisce una corrente elettrica la cui intensità è direttamente proporzionale all intensità della radiazione che l ha prodotta. Metodologie Speciali in Analisi Farmaceutic a - + Reostato MA MV Dr.ssa M. Agamennone 12
b) Fotomoltiplicatori Sono una variante dei fototubi ma sono molto più sensibili. Gli elettroni emessi dal fotocatodo vengono accelerati da un campo elettrico e quindi acquistano energia. Se colpiscono un altra superficie elttronicamente attiva (dinodo) liberano un numero più grande di elettroni. Questi, a loro volta, colpiscono i dinodi successivi e il segnale si amplifica. La produzione a cascata di elettroni che si verifica prende il nome di effetto fotoelettrico secondario. SISTEMA DI LETTURA DEI SEGNALI Il sistema di lettura converte il segnale che proviene dal rivelatore in una forma che può essere usata dall analista. La corrente in uscita dal fotomoltiplicatore, in realtà, è costituita da tre diverse componenti: 1. La corrente residua del fotomoltiplicatore, cioè la corrente che fluisce nel rivelatore quando non è irraggiato; 2. La corrente dovuta alla emissione (di ampio spettro) del sistema di atomizzazione, che «accompagna» sempre la riga analitica; 3. La corrente dovuta alla emissione della sorgente (che è l'unica componente di interesse analitico ed è riconoscibile perché è pulsata). a b Metodologie Speciali in Analisi Farmaceutic a Intensità di corrente Corrente prodotta dalla emissione della sorgente Corrente prodotta dalla emissione del sistema di atomizzazione Corrente residua del fotomoltiplicatore Tempo Intensità di corrente Tempo Composizione del segnale in uscita dal fotomoltiplicatore nel caso di una lampada con emissione spettrale (a) in assenza e (b) in presenza di analita. Dr.ssa M. Agamennone 13
Lettura del segnale in uscita dal fotomoltiplicatore. Quando nella fiamma è presente l analita, il segnale passa dal livello i 1 che corrisponde al bianco, al livello i 2. All istante t 1 il microprocessore comincia a integrare ripetutamente il segnale durante brevi intervalli di tempo ( t, costante di tempo) e in questo modo misura l area A calcolando poi l altezza media del segnale (A/ t). Alla fine del tempo di lettura, T (=t 2 -t 1 ), il microprocessore comunica al sistema di elaborazione dei segnali il valore medio (i 2 ) di tutte le n misure effettuate. Intensità del segnale i 1 i 2 0 A t t T 1 t 2 Tempo Metodologie Speciali in Analisi Farmaceutica Dr.ssa M. Agamennone 14