Spettroscopia IR Spettroscopia IR

Spettroscopia IR Spettroscopia IR

Spettroscopia IR La radiazione infrarossa (e in particolar modo quella nel vicino IR) può essere assorbita dalle molecole e convertita in Energia Vibrazionale. Gli atomi all'interno di una molecola non stanno fermi, ma compiono oscillazioni intorno alla posizione di equilibrio, che vengono dette VIBRAZIONI. Queste possono essere classificate come variazioni della lunghezza di legame (stretching) e variazioni degli angoli di legame (bending).

Spettroscopia IR

Modi vibrazionali Bending (Piegamento) Nel piano Fuori del piano Spettroscopia IR Modi vibrazionali Bending (Piegamento) Nel piano Asimmetrico : Scissoring (forbice) Simmetrico: Rocking (dondolo) Fuori del piano Simmetrico : Wagging (agitare) Asimmetrico: Twisting (torsione)

Stretching (stiramento) Spettroscopia IR Modi vibrazionali Stretching (stiramento) Asimmetrico Simmetrico

Spettroscopia IR Modi vibrazionali

3N - 6 (molecola non lineare) Spettroscopia IR Le vibrazioni delle molecole E’ possibile valutare quanti sono i possibili modi di vibrare (gradi di libertà vibrazionali) di una molecola composta di N atomi? 3N - 6 (molecola non lineare) 3N - 5 (molecola lineare)

gradi di libertà totali MOLECOLA NON LINEARE MOLECOLA LINEARE 3N gradi di libertà totali il grado di libertà di una molecola costituita da un numero N di atomi viene utilizzato per descrivere in modo completo il movimento di ogni singolo atomo facendo riferimento a una terna di assi cartesiani ortogonali (x,y,z). Ogni atomo, dunque possiede 3 gradi di libertà e la molecola possiede complessivamente 3n gradi di libertà. Questo valore comprende tutti i possibili movimenti della molecola: traslazionali, rotazionali, vibrazionali

3N 3 2 3 2 3 3N-6 3N-5 gradi di libertà totali MOLECOLA NON LINEARE MOLECOLA LINEARE 3N gradi di libertà totali gradi di libertà traslazionali (servono ad indicare la posizione della molecola in blocco (del suo centro di massa) e quindi a descrivere il suo moto traslazionale gradi di libertà rotazionali (servono ad indicare l'orientazione della molecola nello spazio): 3 per le molecole non lineare e 2 per quelle lineari (rotazioni intorno a 3 assi perpendicolari passanti per il suo centro di massa nel primo caso e 2 rotazioni intorno ad assi perpendicolari all'asse molecolare nel secondo caso) gradi di libertà vibrazionali indicano le posizioni relative di un atomo rispetto all'altro e descrivono i moti interni vibrazionali 3 2 3 2 3 3N-6 3N-5

La molla rappresenta il legame chimico; Spettroscopia IR Oscillatore armonico Il comportamento di atomi vibranti può essere descritto approssimativamente con il modello dell´oscillatore armonico della fisica classica. Immaginiamo che gli atomi siano uniti da molle prive di peso che consentono agli atomi di vibrare intorno alla posizione di equilibrio. La molla rappresenta il legame chimico; questa similitudine può risultare più o meno rispondente alla realtà.. Risulta poco efficace perché la molla è qualcosa di visibile, mentre il legame (forze elettrostatiche) è qualcosa da immaginare.

Oscillatore armonico Robert Hooke (1635-1703) Spettroscopia IR Oscillatore armonico Robert Hooke (1635-1703) fisico, biologo, geologo e architetto inglese. In meccanica e in fisica, la legge di Hooke è la più semplice relazione di comportamento dei materiali elastici. Essa è formulata dicendo che l'allungamento subìto da una molla è direttamente proporzionale alla forza applicata e alla costante di proporzionalità, detta costante elastica, che dipende dalla molla F = - k x F=forza di richiamo

Un legame molto forte è assimilabile ad una molla con una K elevata. Spettroscopia IR Oscillatore armonico Il moto è: oscillatorio, periodico (con frequenza che dipende dalla costante k e dalle masse dei due atomi) Un legame molto forte è assimilabile ad una molla con una K elevata.

Oscillatore Armonico: stretching e bending Spettroscopia IR quando due oscillatori condividono una atomo comune (come nel caso della CO2) quella che si ha è un’interazione meccanica fra i due oscillatori Si avranno così due vibrazioni di stiramento (stretching) fondamentali: simmetrico e asimmetrico!

Descrizione quantistica Spettroscopia IR Oscillatore armonico Descrizione quantistica sono possibili solo valori discreti dell’energia totale, dipendenti da un numero quantico vibrazionale, v, che può avere solo valori interi: Spostamento, x Energia Potenziale, V Energie permesse, Ev LIVELLI VIBRAZIONALI E = (v+ ½ )h v = 0, 1, 2, …. INFINITI SPAZIATURA COSTANTE n= frequenza vibrazionale prevista classicamente.

Spettroscopia IR Regole di selezione Sono permesse solo transizioni con variazione del numero quantico Dv = ± 1 (vale a dire tra livelli adiacenti, Dv = + 1 in assorbimento, Dv = - 1 in emissione). Spostamento, x Energia Potenziale, V Energie permesse, Ev Conseguenza: potranno essere assorbiti od emessi solo fotoni con frequenza uguale alla frequenza di vibrazione: DE =hn= hnAB Le frequenze vibrazionali corrispondono a quelle della radiazione infrarossa. In termini di numero d'onda, tra 100 e 4000 cm-1.

Spettroscopia IR Regole di selezione Spostamento, x Energia Potenziale, V Energie permesse, Ev Ci sarà interazione con la radiazione solo se durante la vibrazione si ha variazione del momento di dipolo elettrico

Dipolo elettrico Dipolo elettrico Spettroscopia IR Dipolo elettrico Dipolo elettrico sistema composto da due cariche elettriche uguali e opposte di segno (+q e –q). Momento di dipolo (DM)=rq (q=carica; r= distanza tra le cariche) I dipoli possono essere impiegati per rappresentare, da un punto di vista elettrico, sistemi naturali quali le molecole che sono una delle unità più semplici di ogni materiale.

Spettroscopia IR Dipolo elettrico Le molecole possono avere una struttura simile al dipolo anche se non sono esposte ad alcun campo elettromagnetico, in questo caso si parla di molecole polari. Esse sono caratterizzate da un momento dipolare.

tra gli atomi di un legame Spettroscopia IR Dipolo elettrico Le molecole possono avere una struttura simile al dipolo anche se non sono esposte ad alcun campo elettromagnetico, in questo caso si parla di molecole polari. Esse sono caratterizzate da un momento dipolare. Il momento di dipolo è tanto più grande quanto la differenza di elettronegatività tra gli atomi di un legame Altre molecole sono neutre (non hanno una carica netta in condizioni normali) ma subiscono una polarizzazione in presenza di un campo elettromagnetico: cariche positive e negative, sollecitate dal campo, tendono a muoversi in direzioni opposte. In presenza di un campo elettrico, le molecole non polari possono essere rappresentate da un dipolo, proprio come le molecole polari.

le molecole biatomiche omonucleari sono IR inattive. Spettroscopia IR Regole di selezione Spostamento, x Energia Potenziale, V Energie permesse, Ev Ci sarà interazione con la radiazione solo se durante la vibrazione si ha variazione del momento di dipolo elettrico le molecole biatomiche omonucleari sono IR inattive.

Regole di selezione (http://www.youtube.com/watch?v=DDTIJgIh86E) Spettroscopia IR Regole di selezione Un legame polare aumenta il valore del suo momento dipolare, in seguito all’assorbimento di una radiazione IR (http://www.youtube.com/watch?v=DDTIJgIh86E) Prima dell’assorbimento Dopo l’assorbimento

Spettroscopia IR Regole di selezione Per capire perché un legame polare aumenta il valore del suo momento dipolare, in seguito ad una deformazione, bisogna considerare che durante la vibrazione del sistema ci saranno cariche che si avvicinano e si allontanano. Queste cariche da un punto di vista statico creano un campo elettrico. Da un punto di vista dinamico questo risulta anche oscillante. Tale campo elettrico oscilla alla frequenza con cui vibra l’oscillatore armonico. Anche la radiazione elettromagnetica ha un campo elettrico oscillante che oscilla alla frequenza n. Quando le due frequenze risultano uguali, i due campi elettrici possono allinearsi e scambiarsi energia reciprocamente.

CO2 3N-5=4 (stretching antisimmetrico) (stretching simmetrico) n1 = 1353.6 cm-1 n3 = 2396.3 cm-1 I DUE MODI POSSONO ESSERE ECCITATI SEPARATAMENTE (bending)

(stretching simmetrico) (stretching antisimmetrico) (stretching simmetrico) n1 = 1353.6 cm-1 n3 = 2396.3 cm-1 lo streching simmetrico non determina variazione del momento di dipolo. Le regole di selezione indicano che non c’è assorbimento di radiazione IR in corrispondenza della frequenza dello stretching simmetrico. Variazione di momento di Dipolo

CO2 3N-5=4 Gli altri 2 modi corrispondono a variazioni dell’angolo di legame su due piani perpendicolari si tratta cioè di bending. Questi due modi sono evidentemente degeneri, cioè hanno la stessa frequenza e quindi daranno origine ad un’unica banda di assorbimento. (bending)

Lo spettro IR della CO2 consisterà perciò di 2 sole bande. % Trasmissione 4000 2000

Livelli energetici di CO2 Spettroscopia IR CO2 20,000 Livelli energetici di CO2 Differenze di energia, cm-1 2350 1335 IR 667 IR Zero

H2O 3N-6=3

H2O n1 = 3835 cm-1  n2 = 1648 cm-1                                                                             n3 = 3939 cm-1 3N-6=3 Tutti e 3 i modi danno origine a variazione del momento di dipolo e sono IR attivi.

NH3 = 3505.7 cm-1 n2 = 1022.0 cm-1                                                             n3 = 3573.1 cm-1 n4 = 1689.7 cm-1

Spettroscopia IR Molecole Reali Le molecole reali non obbediscono realmente alle leggi del moto armonico. I livelli energetici vibrazionali non sono più egualmente spaziati, (moto anarmonico) e la differenza di energia tra livelli adiacenti diventa sempre più piccola al crescere del numero quantico vibrazionale. Moto armonico Moto anarmonico

Spettroscopia IR Molecole Reali Le molecole reali non obbediscono realmente alle leggi del moto armonico. I livelli energetici vibrazionali non sono più egualmente spaziati, (moto anarmonico) ma la differenza di energia tra livelli adiacenti diventa sempre più piccola al crescere del numero quantico vibrazionale. • La regola di selezione Dv = ± 1 non è più rispettata strettamente. Sono, infatti, debolmente (cioè con bassa intensità) permesse anche transizioni con v = ±2, v = ±3, …. Le bande corrispondenti vengono dette seconde armoniche,terze armoniche, …, e in genere armoniche superiori, mentre quella con Dv = ±1 è detta armonica fondamentale o prima armonica.

Spettroscopia IR Molecole Reali Le molecole reali non obbediscono realmente alle leggi del moto armonico. I livelli energetici vibrazionali non sono più egualmente spaziati, (moto anarmonico) ma la differenza di energia tra livelli adiacenti diventa sempre più piccola al crescere del numero quantico vibrazionale. • La regola di selezione Dv = ± 1 non è più rispettata strettamente. Sono, infatti, debolmente (cioè con bassa intensità) permesse anche transizioni con v = ±2, v = ±3, …. Le bande corrispondenti vengono dette seconde armoniche,terze armoniche, …, e in genere armoniche superiori, mentre quella con Dv = ±1 è detta armonica fondamentale o prima armonica. Poiché però, per effetto dell’anarmonicità, i livelli energetici tendono ad avvicinarsi, le frequenze delle seconde armoniche, ad esempio, non saranno esattamente il doppio delle fondamentali, ma un po’ inferiori.

Molecola Poliatomica spostamenti simultanei di più gruppi di atomi Spettroscopia IR Molecola Poliatomica spostamenti simultanei di più gruppi di atomi ciascuna coppia di atomi puó essere considerata un oscillatore armonico indipendente?

gli spostamenti più rilevanti coinvolgono un gruppo limitato di atomi. Spettroscopia IR Frequenze di Gruppo In una molecola complessa, i modi normali di vibrazione corrispondono a spostamenti simultanei di molti atomi. In molti casi, tuttavia, gli spostamenti più rilevanti coinvolgono un gruppo limitato di atomi. Si parla allora di frequenze di gruppo, cioè caratteristiche delle vibrazioni di un particolare gruppo di atomi, i cui valori sono abbastanza simili in tutti i composti in cui quei gruppi sono presenti.

Spettroscopia IR

Spettroscopia IR

Spettroscopia IR Spettro MIR Lo spettro IR di un composto viene solitamente suddiviso in due regioni: quella a numeri d'onda superiori a ~ 1500 cm-1 (la regione dei gruppi funzionali), in cui si osservano appunto frequenze di gruppo caratteristiche, e che possono essere usate per determinare la presenza di tali gruppi in un composto incognito. Si tratta, con pochissime eccezioni, di vibrazioni di stretching. La regione al di sotto di 1500 cm-1 è nota come regione dell'impronta digitale. La regione è molto complessa ed è veramente "unica" per un dato composto. In questa regione si osservano tutti gli stretching di legami singoli (che non coinvolgono H) e praticamente tutti i bending.

Zona dei gruppi funzionale Zona delle impronte digitali Spettroscopia IR Zona dei gruppi funzionale Zona delle impronte digitali

Zona dei gruppi funzionale Zona delle impronte digitali

Spettroscopia IR

Intensità di una banda IR Spettroscopia IR Intensità di una banda IR dipende dalla variazione del momento dipolare provocata dalla vibrazione. (grande variazione del momento dipolare  intensità maggiore) Sono intensi gli assorbimenti relativi a vibrazione di legami polarizzati (es. C=O) Se la vibrazione è simmetrica, il momento dipolare non varia e l'assorbimento è debole o assente.

Larghezza di una banda IR Spettroscopia IR Larghezza di una banda IR Natura delle bande: Nello spettro infrarosso l’assorbimento di radiazione dà origine a bande piuttosto che a righe strette perché ogni transizione vibrazionale è accompagnata da molte transizioni rotazionali (corrispondenti ai diversi livelli rotazionali dello stato vibrazionale fondamentale di partenza e dello stato vibrazionale eccitato di arrivo): si ha cioè un allargamento disomogeneo

Posizione di una banda IR Spettroscopia IR Posizione di una banda IR

Posizione di una banda IR Spettroscopia IR Posizione di una banda IR Esempio: Gli stretching O-H si osservano: intorno a 3600 cm-1 se il gruppo è "libero"; tra 3600-3200 cm-1, con bande larghe, in alcoli e fenoli in presenza di ponti ad H; in acidi carbossilici la banda è larghissima ed arriva fino a 2700 cm-1.

2-Butanone Propanammide C=O C-H overtone CH bend 2-Butanone C=O NH2 C-H CH bend Propanammide

Spettroscopia IR Riepilogo

Spettroscopia IR

Spettroscopia NIR Metodo valido per l’analisi qualitativa e quantitativa di molti prodotti nell’industria alimentare. Vantaggi rispetto alle metodiche analitiche convenzionali: veloce (per l’acquisizione spettrale del campione sono necessari solo pochi minuti), non distruttiva (il campione, dopo lettura spettroscopica, può essere riutilizzato) non invasiva (nel senso che le radiazioni usate hanno contenuto energetico molto basso che non provoca un trasferimento di energia al campione sottoforma di calore) non necessita di preparazione del campione. Tecnica analitica molto efficace per determinare in tempi ridotti e in modo simultaneo numerose proprietà dei prodotti agro-alimentari.

Spettroscopia NIR La spettroscopia NIR è basata sull’assorbimento nel campo spettrale tra circa 12000 e 4000 cm-1. Gli assorbimenti NIR degli alimenti sono dovuti ad armoniche (overtone) e a bande di combinazione derivanti da interazioni tra più vibrazioni La radiazione assorbita che effettua i cambiamenti vibrazionali dipende sempre dalla massa degli atomi e dalla forza di legame tra questi due atomi quali principalmente i legami C-H, O-H, N-H. Nella regione NIR infatti sono importanti i gruppi contenenti idrogeno come C-H, N-H, O-H, S-H, P-H.

Spettroscopia NIR La spettroscopia NIR è basata sull’assorbimento nel campo spettrale tra circa 12000 e 4000 cm-1. Gli assorbimenti NIR degli alimenti sono dovuti ad armoniche (overtone) e a bande di combinazione derivanti da interazioni tra più vibrazioni Le bande armoniche sono derivate dall’assorbimento d’energia multipla a quella necessaria per la banda fondamentale. Sono definite spesso “Overtones” nella letteratura riguardante il vicino infrarosso. Le bande di combinazione e le bande di differenza si producono solo quando i fotoni assorbiti modificano nello stesso tempo il livello d’energia di due o più legami interatomici. Esse non appaiono se non a frequenze uguali alla somma o alla differenza delle frequenze della vibrazione.

Spettroscopia NIR

Spettroscopia NIR

Spettroscopia NIR

Spettroscopia NIR Poiché nell’analisi NIR si associano le bande delle armoniche superiori e delle loro combinazioni, gli spettri risultanti sono caratterizzati da grosse sovrapposizioni di bande e danno come risultato picchi molto allargati. Questo inficia la possibilità di un’interpretazione visiva degli spettri come invece avviene nell’analisi IR classica. Viene di norma utilizzato un software chemiometrico per interpretare gli spettri ottenuti e dare risultati sia qualitativi sia quantitativi.

la legge di Lambert-Beer. Spettroscopia NIR Anche nel caso dell’analisi nella regione spettrale NIR si applica la legge di Lambert-Beer. Tale legge è però lineare solo per intervalli limitati di concentrazione. Questo è dovuto alla relativa debolezza delle sorgenti luminose e dei sensori utilizzati nella strumentazione NIR che spesso provocano deviazioni da questa legge. Ciò porta a relazioni non lineari tra energia diffusa o trasmessa e concentrazione dei diversi composti del campione in esame. In effetti, in questi casi, la parte di radiazione riflessa diviene non trascurabile, questo obbliga a legare l’assorbanza e la concentrazione a curve di calibrazione. La tecnica NIR si basa sulla discriminazione nello spettro del prodotto esaminato e delle bande ascrivibili al componente da determinare, per comparazione con gli spettri di un gruppo di campioni di riferimento, di cui è nota la concentrazione del componente, determinata con metodi classici, per ricavare quella contenuta nel campione in analisi, risolvendo equazioni di calibrazione basate sull’assorbimento degli standard alle lunghezze d’onda selezionate.

Calibrazione Nel caso di prodotti agro-alimentari la calibrazione dei campioni deve soddisfare due precisi criteri: un numero sufficientemente elevato di campioni al fine di rendere ragionevolmente precisa la stima delle costanti di calibrazione; campioni sufficientemente variabili in tutti i loro aspetti, in modo tale da poter essere rappresentativi di una popolazione di campioni incogniti che verranno testati in altri momenti.

la legge di Lambert-Beer. Spettroscopia NIR Anche nel caso dell’analisi nella regione spettrale NIR si applica la legge di Lambert-Beer. Alle frequenze delle armoniche superiori i valori d’assorbanza sono da 10 a 100 volte più bassi che alle frequenze della regione del MIR, ne consegue che i campioni da sottoporre all’analisi NIR non richiedono diluizioni, questo rappresenta un vantaggio notevole della tecnica; l’analisi può essere eseguita su campioni tal quali senza nessun tipo di preparazione. Essendo poi un’analisi non distruttiva il campione può essere completamente recuperato sia per successive analisi con altre tecniche sia per utilizzarlo per sintesi o per lavorazioni successive.

costituenti quali acqua, proteine, grassi e carboidrati. Spettroscopia NIR costituenti quali acqua, proteine, grassi e carboidrati. -CH Alcani (singolo legame); Alcheni (doppio legame); Alchini (triplo legame) Aromatici (es. saccarina) -OH Acqua (banda a 1440 e 1940 nm) Alcoli Zuccheri (banda a 1580 e 2100 nm): possibilità di distinzione tra zuccheri Fenoli -NH Ammoniaca Ammidi (banda 2000-2200 nm per proteine)

Applicazioni NIR Quantitative determinare la concentrazione di un analita in una matrice Qualitative la classificazione dei campioni Tecniche combinate utilizzano la tecnica NIR come parte di un processo sperimentale più ampio (Particolarmente innovativi sono anche le applicazioni della spettroscopia nel vicino infrarosso in fase di processo, che permettono di eliminare le analisi off-line e passare a modelli on-line (automatizzando le operazioni di campionamento e analisi) o addirittura in line, valutando direttamente la qualità del prodotto durante il processo)

Applicazioni NIR Settore oleario affiancata alla spettroscopia MIR, per identificare diverse tipologie di oli extravergini di oliva, differenziando sia gli oli monovarietali che aziendali in funzione della loro origine geografica per la valutazione contemporanea della qualità e dell’autenticità di oli extravergini di oliva. Gli spettri acquisiti sono stati correlati con alcuni indici qualitativi degli oli, quali i parametri di legge, la composizione in acidi grassi e il contenuto in tocoferoli, al fine di creare modelli di regressione in grado di fornire, come risultato finale, il profilo qualitativo di oli incogniti sottoposti a determinazione spettroscopica.

Applicazioni NIR Acquisizione degli spettri FT-NIR di carne macinata analizzata per valutare la freschezza

Applicazioni NIR Allestimento sperimentale utilizzato per le prove di lievitazione. Gli spettri sono stati raccolti in continuo utilizzando una fibra ottica a riflessione diffusa, posizionata a contatto con l’impasto.