Metodi ottici di analisi

Una parte molto importante della moderna Chimica Analitica Strumentale è basata sullo studio dello scambio di energia (interazioni) tra la radiazione elettromagnetica e la materia. Queste interazioni sono evidenti ad occhio nudo nel caso di radiazioni che cadono nel campo del visibile.

La natura delle radiazioni elettromagnetiche Alle radiazioni elettromagnetiche fa uso una doppia rappresentazione, si rappresenta cioè come un’onda elettromagnetica (natura ondulatoria) e come l’insieme di una serie di pacchetti discreti di energia, i fotoni (natura corpuscolare). Dal punto di vista ondulatorio, le radiazioni elettromagnetiche consistono in una forma di energia che si propaga, anche nel vuoto: sono la simultanea propagazione nello spazio delle oscillazioni di un campo magnetico. Fonte: http://www.na.infn.it/

Proprietà ondulatorie della radiazione elettromagnetica Frequenza ν è il numero di vibrazioni nell’unità di tempo. Si misura in Hertz (Hz) Periodo T È il tempo occorrente per compiere una oscillazione completa. È l’inverso della frequenza e si misura in secondi. Lunghezza d’onda λ È la distanza tra due punti in fase. Si misura in Å

Energia di una radiazione elettromagnetica Una radiazione elettromagnetica consiste in ‘pacchetti discreti’ di energia, chiamati FOTONI la cui energia dipende dalla frequenza secondo l’equazione: E = h.v Dove: E: enegia; h: indica la costante di Planck: h = 6,63 x 10-34 J s; v: frequenza

Fonte: Fabbri N. , Robino P. , Simonelli G Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumetnale; ITAS “Gambacorti” Pisa (vedere copyright) Esistono vari tipi di radiazione elettromagnetica, che differiscono per la loro lunghezza d’onda e, di conseguenza, per la loro frequenza ed energia.

La luce visibile La radiazione visibile rappresenta solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico: Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumetnale; ITAS “Gambacorti” Pisa (vedere copyright) Alle diverse radiazioni visibili, che differiscono per la loro lunghezza d’onda (e di conseguenza per la loro frequenza ed energia) corrispondono i diversi colori.

Luce monocromatica e luce policromatica Quando un raggio di luce bianca colpisce un prisma di vetro viene scomposto in diversi colori. La dispersione in diversi colori tramite un prisma si spiega in quanto: la luce bianca è in realtà composta da più radiazioni di diversa frequenza e corrispondenti a tutti i colori; quando u raggio di luce passa da un mezzo ad un altro viene deviato (rifratto): l’entità della deviazione dipende dalla lunghezza d’onda del raggio incidente. RADIAZIONE POLICROMATICA RADIAZIONE MONOCROMATICA Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumetnale; ITAS “Gambacorti” Pisa (vedere copyright) Una radiazione di un solo colore ottenuta tramite dispersione, caratterizzata da una ben precisa lunghezza d’onda, viene detta MONOCROMATICA.

Spettri di emissione e di assorbimento I metodi di analisi spettrochimici sono basati sull’analisi dello spettro delle sostanze, il quale può essere di emissione o di assorbimento. si ottiene uno spettro di emissione quando si analizza un fascio di luce emesso, in opportune condizioni, da una sostanza; si ottiene uno spettro di assorbimento quando si analizza un fascio di luce dopo che ha attraversato una sostanza. Per una stessa sostanza lo spettro di emissione e di assorbimento sono pressappoco come il positivo ed il negativo di una fotografia, una radiazione presente nello spettro di emissione sarà mancante in quello di assorbimento.

Teoria della spettroscopia di assorbimento molecolare Ogni analita molecolare è capace di assorbire delle caratteristiche lunghezze d’onda di radiazione elettromagnetica. In questo processo l’energia della radiazione viene trasferita temporaneamente alla molecola e l’intensità della radiazione diminuisce come conseguenza. l’analisi dello spettro permette di individuare la natura della sostanza in esame; la misura dell’intensità delle radiazioni emesse o assorbite permette di risalire alla quantità di sostanza analizzata. Atomi o molecole, trovandosi in campi energetici (calorifici, elettrici o elettro.magnetici) possono assorbire quantità definite e caratteristiche di energia e passare a stati energetici più alti. Questo fenomeno è detto di assorbimento.

Spettroscopia nel visibile e nell’ultravioletto Fonte: http://www.cerm.unifi.it

Analisi qualitativa Per effettuare analisi qualitative si fa uso di raggi policromatici separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). Le singole radiazioni monocromatiche di tale raggio si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà con diversa intensità le diverse radiazioni. Riportando i valori registrati in un grafico lunghezza d’onda-assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumetnale; ITAS “Gambacorti” Pisa (vedere copyright)

Analisi quantitativa Si fa uso di raggi monocromatici. Le determinazioni quantitative sono basate sul fatto che, quando una radiazione attraversa una soluzione, viene assorbita più o meno intensamente a seconda della concentrazione. Come si vedrà in seguito, appositi dispositivi (rivelatori) sono in grado di misurare l’intensità di flusso luminoso; in particolare vengono misurate: I0: intensità del flusso luminoso all’ingresso della cella che contiene il campione; I: intensità del flusso luminoso all’uscita della cella che contiene il campione. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumetnale; ITAS “Gambacorti” Pisa (vedere copyright)

Assorbanza Legge di Lambert-Beer A = -log I/I0 A = ε x b x C Prendendo in considerazione una cella, contenente una sostanza in soluzione, attraversata da un raggio di luce monocromatica, si dimostra che: A = ε x b x C dove: A = assorbanza (non ha unità di misura) ε = coefficiente di assorbimento molare, caratteristico della sostanza (mol-1 L cm-1) b = cammino ottico (cm), cioè lo spessore della soluzione C= concentrazione molare della sostanza (mol/L)

Assorbanza e concentrazione Fonte: http://rettaditaratura.spaces.live.com/ La proporzionalità diretta tra assorbanza e concentrazione permette di effettuare analisi quantitative. L’equazione A = ε x b x C rappresenta una retta passante per l’origine degli assi e in cui ε x b è il coefficiente angolare.

Ricapitolando ANALISI QUALITATIVA ANALISI QUANTITATIVA Lettura del campione a lunghezze d’onda caratteristiche dell’analita (ad esempio i polifenoli assorbono a lunghezze d’onda pari a 775 nm); oppure scansione del campione contenente l’analita in un intervallo più o meno ampio di lunghezze d’onda al fine di ottenere lo spettro di assorbimento caratteristico. Preparazione di soluzioni standard diluite dell’analita, che si intende quantificare, e costruzione della curva di calibrazione riportante sull’asse delle ascisse la concentrazione e sull’asse delle ordinate l’assorbanza. Quest’ultima è letta alla lunghezza d’onda corrispondente al massimo dell’assorbimento dell’analita.

Modello di uno spettrofotometro Fonte: http://w3.indice.uniroma1.it/ CAMMINO OTTICO

SORGENTE CONTINUA DI RADIAZIONE VISIBILE Una normale lampada a filamento di tungsteno fornisce uno spettro continuo da 320 a 2500 nm. La sua intensità varia proporzionalmente alla quarta potenza della tensione. SORGENTE CONTINUA DI RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA Lampade al deuterio sono usate per fornire radiazione continua nell’intervallo tra 160 e 380 nm e sono le più comuni per la spettroscopia ultravioletta SELEZIONATORI DI LUNGHEZZE D’ONDA Generalmente gli strumenti spettroscopici sono dotati di monocromatori e filtri. I primi hanno il vantaggio che la lunghezza d’onda in uscita può essere variata continuamente in un intervallo spettrale considerevole. I secondi offrono il vantaggio della semplicità, robustezza e basso costo. PROCESSORI E REGISTRATORI DI SEGNALE I processori sono dei dispositivi elettronici che amplificano il segnale elettrico del rivelatore. Per la visualizzazione del segnale sono impiegati display digitali, scale potenziometriche, registratori, tubi a raggi catodici. RIVELATORI FOTONICI Quelli di più largo impiego sono i fototubi, i fotomoltiplicatori, le celle fotovoltaiche e i fotodiodi al silicio. CONTENITORI PER IL CAMPIONE Sono chiamati couvette e sono costruite con un materiale trasparente nella regione spettrale di interesse. Per la regione ultravioletta sono richieste couvette di silice o di quarzo. Contenitori di plastica hanno trovato applicazioni nella regione el visibile. Generalmente sono usate quelle con un cammino ottico pari ad 1 cm. Fonte: www.analyticalcontrol.it spettrofotometro

Analisi dei polifenoli nel vino Il contenuto in polifenoli totali è ritenuto un dato di primaria importanza nel controllo di qualità dei mosti e dei vini. I vini contengono numerosi tipi di composti fenolici, a tal proposito, per stimarne il contenuto, l’ideale sarebbe dosare separatamente tutte le strutture presenti, cosa non sempre possibile anche con l’aiuto di tecniche sofisticate, in quanto i risultati sono non sempre riproducibili e di difficile interpretazione. Si ricorre quindi ad una valutazione globale del contenuto in polifenoli del vino sfruttandone le proprietà riducenti e U.V. assorbenti. Per la determinazione si utilizza un reattivo specifico chiamato di Folin-Ciocalteau costituito da una miscela di acido fosfotunstico (H3PW12O40) e acido fosfomolibdico (H3PMo12O40). In ambiente basico, ed in presenza di polifenoli, i due acidi producono ossidi di tungsteno e molibdeno (W8O23 e Mo8O23) di colore blu, che possiedono il massimo di assorbimento intorno ai 775 nm. L’intensità della colorazione è proporzionale alla concentrazione di reattivo ridotto dai polifenoli che, invece, si ossidano.

Esecuzione 100mL 100mL Fonte: www.microsoft.com Fonte: www.sarin.it Fonte: www.sarin.it IN UN MATRACCIO TARATO DA 100 mL AGGIUNGERE 1 mL DI VINO TAL QUALE, 5 mL DI REATTIVO DI FOLIN CIOCALTEAU E 15 mL DI UNA SOLUZIONE DI CARBONATO DI SODIO AL 20% (SERVE A RENDERE BASICA LA SOLUZIONE) PORTARE A VOLUME CON ACQUA DISTILLATA FINO A 100 mL. PREPARARE CONTEMPORANEAMENTE UNA SOLUZIONE CONTENENTE 5 mL DI UNA SOLUZIONE DI REATTIVO DI FOLIN CIOCALTEAU, 15 mL DELLA SOLUZIONE DI CARBONATO DI CALCIO AL 20% E PORTARE A VOLUME CON ACQUA DISTILLATA FINO A 20 mL. QUESTA SOLUZIONE COSTITUISCE IL BIANCO. AGITARE E TENERE ENTRAMBE LE SOLUZIONI AL BUIO PER 2 ORE. Fonte: http://rettaditaratura.spaces.live.com/ Fonte: www.analyticalcontrol.it Fonte: www.analyticalcontrol.it RISALIRE AL CONTENUTO DI POLIFENOLI MEDIANTE L’USO DI UNA RETTA DI TARATURA, ALLESTITA CON SOLUZIONI A TITOLO NOTO DI ACIDO GALLICO. TRASCORSE LE 2 ORE, AZZERARE LO STRUMENTO CON IL BIANCO EFFETTUANDO UNA LETTURA A 775 nm AZZERARE LO STRUMENTO CON IL BIANCO EFFETTUANDO UNA LETTURA A 775 nm

Bibliografia e sitografia Douglas A. Skoog, Donald M. West F. James Holler; Chimica analitica una introduzione; edizioni EdiSes Cappelli P., Vannucchi V.; Chimica degli alimenti. Conservazione e trasformazioni. Zanichelli Skoog – Leary; Chimica analitica strumentale; edizioni Edises Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumetnale; ITAS “Gambacorti” Pisa (vedere copyright)