spettrometria ir

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
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:
0.7 - 500 µm (14000 - 20 cm-1)
0.7 - 2.5 µm (14000 - 4000 cm-1): vicino IR (NIR)
 2.5 - 20 µm (4000 - 500 cm-1): medio IR (MIR)
20 - 500 µm (500 - 20 cm-1): lontano IR (FIR)
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 .
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 3,338·10-30 C·m)
Infrarosso  vibrazione delle molecole
L’energia delle radiazioni infrarosse è sufficiente per
attivare anche transizioni energetiche rotazionali
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)
IR: MODI DI VIBRAZIONE
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
L’anidride carbonica
L’anidride carbonica, CO2, 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 CO2 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
Spettro IR della CO2
I segnali dello spettro di assorbimento IR della CO2 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 CO2 non è attivo
perchè in questa
molecola non cambia il
momento dipolare
1340 cm-1
(stretching
simmetrico)
666 cm-1
(bending)
2350 cm-1
(stretching
asimmetrico)
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
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
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  compreso tra 2.5 e 20 µm (o 
compreso tra 4000 e 500 cm-1). Il 100% della scala di trasmittanza
corrisponde ad assorbimento nullo
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  700-1200 cm-1
– C=C  1620-1680 cm-1
– C=C  2260-3030 cm-1
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
Frequenze di gruppo
I principali gruppi funzionali sono illustrati nella figura sottostante in
relazione alle frequenze di assorbimento. La regione 1450-600 cm-1 è
normalmente difficile da interpretare e viene spesso chiamata regione del
fingerprint, essendo molto caratteristica da molecola a molecola
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
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
IR dispersivo
Attualmente gli spettrofotometri IR dispersivi sono poco
utilizzati
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
DATI TECNICI
Interferometro di Michelson (1891)
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.
DATI TECNICI
Interferometro di Michelson (1891)
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.
Strumenti portatili
Sono attualmente sul mercato
diversi strumenti FTIR portatili che
consentono di effettuare analisi con
buone prestazioni
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
Metodi per l’acquisizione di spettri IR
Segnale
Trasmissione
Trasmittanza
Riflessione speculare
Riflettanza
Riflessione diffusa
Riflettanza
Riflessione totale
Riflettanza
adatte in situ
Tecnica
Trasmissione
• campioni solidi, liquidi e
gassosi
I0
I
• vale la legge di Lambert-Beer
• non adatta per materiali non
campionabili o troppo spessi
Segnale:
trasmittanza (T) = I / I0 oppure assorbanza (Abs) = log 1/T
gas:
nessuna preparazione
liquidi: nessuna preparazione, diluizione
solidi: nessuna preparazione, dissoluzione, diluizione, pastiglia con
KBr (trasparente all’IR)
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 KramersKronig, che tiene conto degli indici di rifrazione e dei parametri
di assorbimento dei materiali coinvolti.
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.
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
4000-900 cm-1
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
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.
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
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
Sonde ATR
Sonda ATR per strumento portatile
o con fibra ottica
Accessorio ATR per strumento da
banco
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: 4000-650 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
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
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
Spettro IR di Blu oltremare
Spettro IR di Blu di Prussia
Caratterizzazione di pigmenti a base di ossidi di ferro
SPETTRI INFRAROSSI
SPETTRI INFRAROSSI
SPETTRI INFRAROSSI
SPETTRI INFRAROSSI
SPETTRI INFRAROSSI
Vetri medievali
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
Negli spettri a) e b) è presente una banda a 1300–1600 cm−1 dovuta alla presenza di
carbonato e/o ossalato di calcio, due prodotti di degradazione dovuti rispettivamente
all’azione dell’umidità e della CO2 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 CO32- e OH− nei vetri è
normalmente indice di corrosione dovuta ad ambienti umidi
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
campione
solubile
Schema di separazione con solventi di un
campione di materiale pittorico
in
esano
(apolare)
si
cere e olii
•paraffina
•olio minerale
•ceresina
•carnauba
•cera d'api
plastificanti
no
acetone
(polare)
si
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
no
toluene
(aromatico)
no
si
si
polivinilcloruro
resine naturali
polistirene
polietilene
polipropilene
polibutadiene
polisoprene
gomme naturali
esteri di cellulosa
poliesteri
pigmenti
proteine (uovo)
teflon
uretani
epossidici
(polimeri)
acqua
sali
proteine
polisaccaridi
•amido, destrine
•pectine,
gomme
polivinilalcol
metilcellulosa
alcuni minerali
nylon
olii siccativi
si
no
acido formico
(acido)
no