METODI OTTICI D’ANALISI ANALISI SPETTRALE IN ASSORBIMENTO SPETTROFOTOMETRIA UV- VIS FOTOMETRIA DI FIAMMA IN ASSORBIMENTO

ANALISI SPETTRALE IN ASSORBIMENTO ASSORBIMENTO DI ENERGIA RAGGIANTE

INTERAZIONE TRA MOLECOLE ED ENERGIA RAGGIANTE SEPARAZIONE SPETTROSCOPIA RIVELAZIONE SPETTRI REGISTRAZIONE RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA INTERAZIONE STATI QUANTICI DELLA MATERIA

PER UN ATOMO ENERGIA INTERNA Ea = E0 + Ee + Et PER UNA MOLECOLA ENERGIA INTERNA Em = E0 + Ee + Et + Er + Ev

STATO ELETTRONICO ECCITATO V = 1 J = 4 J = 3 V = 0 J = 2 J = 1 V = 2 J = 0 STATO ELETTRONICO FONDAMENTALE V = 1 J = 4 J = 3 V = 0 J = 2 J = 1 J = 0

TRANSIZIONI ELETTRONICHE – VIBRAZIONALI - ROTAZIONALI 2 1 J 3 2 1 E2 3 2 1 J 3 2 1 v 2 1 3 2 1 E1 3 2 1 UV – VIS IR MO λ

SPETTROFOTOMETRIA UV - VIS DEFINIZIONI E LEGGI DELL’ASSORBIMENTO COMPONENTI STRUMENTALI TECNICHE DI ANALISI

LEGGE DI LAMBERT E BEER ASSORBIMENTO M M* EMISSIONE M* M + calore M* M +

VARIAZIONE DI INTENSITA’ cammino ottico I° I dN dN dN dN dN

A = ε b c LEGGE DI LAMBERT E BEER -dI = K I dN ASSORBANZA TRASMITTANZA A = - log T = - log I/I° T = I/I° T = 10 - ε b c

A A λmax c3 A3 A3 c2 A2 A2 c1 A1 A1 c1 c2 c3 λmax nm mol/l A = log I°/I A = k c

DEVIAZIONI LEGGE DI LAMBERT E BEER c A c c POSITIVA NEGATIVA

Sorgente di luce instabile Risposta non lineare rivelatore-amplificatore Radiazione policromatica FATTORI STRUMENTALI Ampiezza della fenditura Luce diffusa Concentrazioni troppo elevate Formazione di polimeri, aggregati, complessi Variazione del pH e dissociazione FATTORI CHIMICI Effetto solvente, effetto temperatura Foto effetti (scattering, fluorescenza)

SORGENTI AD ENERGIA RAGGIANTE VIS UV A TUNGSTENO A DEUTERIO I = K Vn

SISTEMI DISPERSIVI COLORIMETRI SPETTROFOTOMETRI FILTRI MONOCROMATORI COLORE INTERFERENZIALI PRISMI RETICOLI

AMPIEZZA DI BANDA E E max E max/2 570 580 590 λ nm

ANALISI QUALITATIVA A A SOLUZIONE ACQUOSA FASE VAPORE 280 220 nm 280

SCELTA DELLA LUNGHEZZA D’ONDA 1° max A λ1 dA λ2 2° max dA dA FLESSO dA dλ dλ1 dλ2 dc1 dc2 S = dA/dc

ERRORE FOTOMETRICO T = 10-εbc T% E R O dT dT c dc dc 20 60 T%

ADDITIVITA’ DELLE ASSORBANZE A = ε1bc1 + ε2bc2 A’ = ε1’bc1 + ε2’bc2 A’ A1 A2’ A = A1 + A2 A’ = A1’ + A2’ A2 A1’ λ λ’

RETTA DI TARATURA Ax = ε b Cx A BIANCO ST 1 ST 2 ST 3 ST 4 CAMPIONE Ax concentrazione

CURVE DI TITOLAZIONE A εS= εP = 0 εT > 0 εS= εT = 0 εP > 0 SOSTANZA + TITOLANTE  PRODOTTO A εS= εP = 0 εT > 0 εS= εT = 0 εP > 0 εP= εT = 0 εS > 0 εS>εT >0 εP = 0 εT>εP >0 εS = 0 εP>εT>0 εS = 0 mL titolante

DETERMINAZIONE Ka A A HA  H+ + A- pH pH= pKa 590 500 λ 2 3 4 5 6 7 pH 590 500 λ 2 3 4 5 6 7 pH HA  H+ + A- pH [H+]= Ka [HA]/[A-] quando [HA] = [A-] pH= pKa

STUDIO DI COMPLESSI metodo rapporto molare xM + yL  MxLy Assorbanza alla λMAX del complesso MxLy A 1 moli M moli L 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 2 0 2 4 6 8 moliL/moliM Curva 1 – ML2 assorbe solo il complesso alla λMAX Curva 2 – ML2 assorbe il complesso ed il legante alla λMAX

STUDIO DI COMPLESSI metodo variazione continua xM + yL  MxLy Assorbanza alla λMAX del complesso MxLy A moli M moli L 0 10 2 8 4 6 6 4 8 2 10 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 χM χM = 0,6 χL = 0,4 RAPPORTO 3 A 2 M3L2

METODO AGGIUNTE CON DILUIZIONE ESEMPIO: 20 mL(V(L)) di campione in quattro palloncini da 100 mL Aggiungere eventuali reattivi e portare a volume fino a 100 mL Misurare l’assorbanza alla λMAX 1 ml 2 mL 3 mL 4 mL soluzione STANDARD 100 ppm = CST A Calcoli: ppm = (Vx CST)/V(L) CAMPIONE PRELEVATO 0 1 2 3 4 mL aggiunta Vx

METODO AGGIUNTE SENZA DILUIZIONE ESEMPIO: Versare 100 mL di campione in quattro palloncini da 100 mL = Vx Aggiungere: Misurare l’assorbanza alla λMAX VST1 = 1 ml V ST2 = 2 mL VST3 = 3 mL VST4 = 4 mL soluzione STANDARD 100 ppm = CST Ad VTOT = Vx + VST1 VTOT = Vx+VST2 VTOT= Vx+VST3 VTOT=Vx+VST4 Equazione di una retta: CSTVST/Vx Cx = CONCENTRAZIONE CAMPIONE Cx

FOTOMETRIA DI FIAMMA LA FIAMMA ASSORBIMENTO ATOMICO MICROFORNO DI GRAFITE

LA FIAMMA CONO ESTERNO A l t e z a ZONA INTERCONICA CONO INTERNO cm

TIPI DI FIAMMA ARIA - ACETILENE 2300°C ARIA - IDROGENO 2045 °C PROTOSSIDO DI AZOTO - ACETILENE 2800 °C ARIA/ARGO - IDROGENO 300/800 °C ARIA - PROPANO 1930 °C

SCHEMA A BLOCCHI SPETTROFOTOMETRO AD A.A. Aspirazione BRUCIATORE PRISMA RIVELATORE

PROCESSO DI ATOMIZZAZIONE NEBULIZZAZIONE Soluzione DESOLVATAZIONE MA (SOLIDO) STOP ASSORBIMENTO FUSIONE MA (LIQUIDO) VAPORIZZAZIONE MA (GAS) STOP EMISSIONE ATOMIZZAZIONE M°A° (GAS) ECCITAZIONE M* (GAS) IONIZZAZIONE M+ (GAS)

LAMPADA A CATODO CAVO Anodo Ar+ Ar+ Ar+ Catodo cavo

CONFRONTO SORGENTE A RIGHE E CONTINUA Riga di assorbimento I I Sorgente a righe Segnale risultante λ λ I Sorgente continua I Segnale risultante λ λ

ALLARGAMENTO RIGHE SPETTRALI EFFETTO LORENTZ  le collisioni tra atomi fanno variare, anche se di poco, i livelli energetici ALLARGAMENTO NATURALE  dualismo onda-corpuscolo ΔE x ∆t = h/2π PRESSIONE  aumento probabilità collisioni EFFETTO DOPPLER  variazione della frequenza della radiazione registrata se la sorgente è in movimento ν’=frequenza percepita ν =frequenza emessa dalla sorgente v = velocità della radiazione vS = velocità sorgente I ν TUTTI QUESTI EFFETTI PORTANO AD UNA DISTRIBUZIONE DI TIPO GAUSSIANO DELLE RIGHE DI ASSORBIMENTO E DI EMISSIONE

INTERFERENZE FISICHE Dipendono dalle caratteristiche della matrice in cui si trova l’elemento da analizzare. Se la soluzione è più o meno viscosa degli standard, il comportamento nella fase di nebulizzazione sarà diverso. Di conseguenza non sarà possibile stabilire una correlazione tra il numero di atomi che raggiungono la fiamma provenendo dal campione o dagli standard. Il problema si risolve preparando le soluzioni standard con una matrice il più possibile simile al campione, oppure impiegando il metodo dell’aggiunta.

INTERFERENZE CHIMICHE Si verificano quando nel campione sono presenti specie chimiche che possono dare composti molto stabili con l’elemento da analizzare. Ad esempio, la presenza di fosfati nella determinazione dal calcio abbassa notevolmente l’assorbanza a causa della formazione del pirofosfato. Il problema si risolve trattando il campione con un reagente che dia un composto più stabile con i fosfati che il calcio stesso. Oppure si può aggiungere dell’EDTA che complessa il calcio impedendone la combinazione con il fosfato. Il complesso calcio-EDTA viene rapidamente decomposto nella fiamma.

INTERFERENZE DA IONIZZAZIONE Una fiamma calda può causare fenomeni da ionizzazione degli atomi di elementi alcalini e alcalini terrosi. Poiché gli ioni assorbono a λ diverse degli atomi (in quanto i livelli energetici si sono modificati), l’assorbimento risultante sarà complessivamente ridotto. Per ovviare a questa interferenza si usa aggiungere al campione ed agli standard un diverso metallo alcalino in concentrazione massiccia (1000 ÷ 2000 ppm). Ad esempio, nell’analisi dello stronzio è opportuno aggiungere una certa quantità di potassio. Si noti l’effetto dell’aggiunta sulla sensibilità dell’analisi.

con K 25000 μg/mL A con K 1000 μg/mL 2 4 6 μg/mL Sr In tal modo sarà quest’ultimo ad ionizzarsi, creando nel contempo, a causa del grande eccesso di elettroni sulla fiamma, un’atmosfera riducente che inibirà la ionizzazione dell’elemento che interessa.

Nella determinazione del bario in presenza di calcio (matrice) si possono verificare errori sensibili. Infatti il radicale CaOH assorbe a 554 nm molto vicina alla riga di risonanza del Ba (553,6 nm). A Assorbimento del radicale CaOH 560 553,6 548 nm Si può minimizzare questa interferenza molecolare lavorando con fiamme più calde che migliorano l’efficienza dell’atomizzazione. Però non sempre si può ricorrere a questo rimedio perché viene contemporaneamente accentuato il fenomeno della ionizzazione.

INTERFERENZE SPETTRALI DA EMISSIONE Si distinguono in: 1) Radiazioni emesse non corrispondenti alla riga di risonanza. Vengono eliminate dal monocromatore. 2) Radiazioni emesse corrispondenti alla riga di risonanza. Vengono eliminate dall’inserimento di un chopper. 3) Fluttuazioni nell’emissione della lampada o variazioni di risposta del rivelatore. Vengono eliminate col sistema a doppio raggio.

INTERFERENZE DA SCATTERING Si verificano quando sulla fiamma si trovano particelle solide o gocce di soluzione non ben vaporizzate. Poiché: I diffusa = k ν4 ciò significa che l’effetto è più evidente a λ minori. Di fatto questo problema può sorgere al di sotto dei 250 nm. Qualche miglioramento si può ottenere variando il rapporto combustibile /comburente, per ottenere una migliore distruzione dalla matrice. Non è conveniente aumentare la temperatura della fiamma, perché molti metalli sono volatili.

CORREZIONE ASSORBIMENTO DI FONDO Le interferenze derivanti da specie molecolari indissociate e da problemi di diffusione hanno in comune il fatto che l’assorbimento che ne deriva è a banda larga e perciò può essere considerato continuo (background). La correzione viene effettuata con l’accoppiamento di una lampada a deuterio (spettro continuo) e con un equalizzatore. IC EQUA ID

Introduzione campione FORNETTO A GRAFITE N2 Atomizzazione T °C Introduzione campione 3000 Incenerimento 1000 Essiccamento grafite 100 30 60 secondi