SPETTROSCOPIA I metodi di analisi spettroscopici si basano sull’interazione della radiazione elettromagnetica con gli atomi e le molecole in esame. Le varie branche della spettroscopia sono classificate sulla base della porzione dello spettro elettromagnetico capace di indurre cambiamenti energetici alla materia.

UV-A (Lunghezza d'onda lunga 320-380 nm) UV-B (Lunghezza d'onda media 280-320 nm) UV-C (Lunghezza d'onda corta 180-280 nm)

SPETTROSCOPIA La radiazione elettromagnetica è costituita da una componente di campo elettrico oscillante (E) e da una componente di campo magnetico oscillante (M), perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dell’onda. La radiazione elettromagnetica è una forma di energia propagata in onde caratterizzate da una lunghezza d’onda (l), cioè la distanza percorsa durante un’oscillazione completa, e da una frequenza (n), cioè il numero di oscillazioni al secondo. Frequenza e lunghezza d’onda sono correlate dalla seguente equazione: n = c/l dove c è la velocità della luce (2.9979 x 108 m s-1).

CARATTERISTICHE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE LUNGHEZZA D’ONDA: distanza percorsa dall’onda durante un ciclo completo di oscillazione (nanometri) FREQUENZA: numero di cicli completi di oscillazione che avvengono nell’unita’ di tempo (Hertz = 1 ciclo/secondo)

SPETTROSCOPIA L’energia di ogni onda è funzione della frequenza ed è definita da: E = hn Dove h è la costante di Planck (6.62620 x 10-34 J s). Affinchè avvenga l’interazione, l’energia dell’onda elettromagnetica deve corrispondere alla differenza tra due livelli energetici di un atomo o molecola: hn = E* - E0 Dove E0 è il più basso livello energetico, o livello basale, e E* il livello superiore, o stato eccitato. Gli atomi e le molecole possono esistere soltanto in livelli energetici discreti, quantizzati. L’assorbimento di una radiazione di appropriata frequenza può determinare il salto dell’atomo o della molecola ad un livello energetico superiore, in accordo all’equazione E0 + hn = E* hn hn Al contrario, quando gli atomi o le molecole ritornano al livello basale da un livello superiore, una radiazione di appropriata frequenza viene emessa. E* = E0 + hn Nella meccanica quantistica hn viene chiamato quanto ed un quanto di energia luminosa viene chiamato fotone. In accordo alla teoria quantistica, i cambiamenti negli stati energetici avvengono per mezzo di perdite o guadagni di quanti, non in modo continuo.

SPETTROFOTOMETRIA UV-VIS La spettrofotometria UV-VIS permette di misurare lunghezza d’onda e intensità della radiazione assorbita nella regione dell’ultravioletto vicino e del visibile da parte di un campione. Si tratta di una tecnica usualmente applicata a molecole, ioni inorganici o complessi in soluzione. Gli spettri UV-VIS hanno una vasta gamma di proprietà che sono di utilità limitata per l’identificazione del campione, ma sono estremamente utili per misure quantitative. La concentrazione di un analita in soluzione può essere determinata misurando l’assorbanza ad una determinata lunghezza d’onda e applicando la STRUMENTAZIONE La sorgente luminosa è solitamente una lampada al deuterio (luce UV) o al tungsteno (luce visibile). Le lunghezze d’onda sono selezionate mediante un prisma o un monocromatore. legge di Beer-Lambert

SPETTROFOTOMETRIA UV-VIS In un tipico monocromatore, il fascio di luce viene riflesso da uno specchio collimatore sulla griglia di diffrazione, dove la luce viene scomposta nelle diverse lunghezze d’onda. I fasci di luce vengono riflessi sullo specchio focalizzatore che invia il raggio verso una stretta finestra di uscita. Dal momento che soltanto la luce incidente con un definito angolo di riflessione può uscire, la possibilità di ruotare la griglia permette di selezionare fasci di luce con una determinata lunghezza d’onda.

SPETTROFOTOMETRIA UV-VIS Legge di Lambert -Beer Si tratta di una relazione lineare tra la quantità di luce assorbita (o assorbanza) e concentrazione di una specie assorbente. A = al * l * c dove A è l’assorbanza misurata, al è il coefficiente di assorbimento dipendente dalla lunghezza d’onda, l è il cammino del raggio e c è la concentrazione dell’analita. Quando la concentrazione è espressa come molarità, la legge diventa: A = e * l * c dove e è il coefficiente di estinzione molare dipendente dalla lunghezza d’onda, espresso in M-1 cm-1. Il coefficiente di estinzione molare di una molecola rappresenta l‘assorbanza di una soluzione a concentrazione unitaria della molecola ad una data lunghezza d’onda. Le misure sperimentali sono di solito effettuate in termini di trasmittanza (T), definita come T = I1 / Io dove I1 è l’intensità in uscita dopo il passaggio attraverso il campione e Io è l’intensità incidente. La relazione tra T e A è data da A = -log T = - log (I1 / Io)

Deviazioni dalla legge di Lambert-Beer La legge di Lambert-Beer e’ valida solo se la luce incidente e’ monocromatica, se l’assorbimento del solvente e’ trascurabile, se la concentrazione del campione e’ contenuta entro limiti adatti, se non si verificano reazioni chimiche delle molecole del campione fra loro o con il solvente. Le cause di non osservanza della legge possono essere sia di tipo chimico che di tipo strumentale. Effetti chimici Modificazioni delle proprietà di assorbimento per cambiamenti della struttura molecolare dell’analita (formazione di complessi, polimerizzazione, etc) Cambiamento dell’indice di rifrazione della soluzione con la concentrazione Modificazione dell’associazione della sostanza assorbente per alterazione del pH Assorbimento di luce da parte di altre sostanze presenti in soluzione Effettuazione della misura a valori di concentrazione troppo elevati Effetti strumentali Radiazioni non monocromatiche impiegate per la misura Linearità degli strumenti

RETTA DI TARATURA La retta di taratura è un grafico che mette in relazione il segnale analitico dello strumento (per esempio l’assorbanza registrata dal detector) con la concentrazione dell’analita. La retta di taratura viene costruita misurando il segnale proveniente da una serie di standard a concentrazione nota ed è utilizzata per determinare la concentrazione di un campione ignoto o per calibrare uno strumento analitico.