Spettroscopia UV- Vis alcuni cenni…

Affinchè si possa studiare questo fenomeno, si ha bisogno di: La spettroscopia Studio delle proprietà della materia effettuato analizzando la sua interazione con una radiazione elettromagnetica. Affinchè si possa studiare questo fenomeno, si ha bisogno di: una sorgente di illuminazione Un oggetto che interagisce con la luce che viene da questa sorgente Un occhio umano (rivelatore per osservare l’effetto di questa interazione

Cos’è la radiazione? O cos’è la luce? Cos’è una sorgente di luce? sorgenti primarie, che emettono luce bruciando o consumando qualcosa (lampade fiamme), e sorgenti secondarie, che ridistribuiscono nello spazio la luce che ricevono dalle sorgenti primarie. Cos’è la materia? qualsiasi oggetto sotto i nostri occhi (e non solo) che abbia una certa dimensione Cos’è la radiazione? O cos’è la luce?

La radiazione elettromagnetica La luce è un fenomeno ondulatorio di una particolare forma di energia, l’ENERGIA ELETTROMAGNETICA. Una radiazione elettromagnetica può considerarsi costituita da onde elettromagnetiche, onde di energia che si ripetono periodicamente, con valore costante, nella direzione di propagazione. Contrariamente alle analoghe onde oceaniche che hanno un moto molto lento, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce: 300.000.000 metri al secondo, 1.080.000.000 chilometri l'ora!

Radiazione elettromagnetica: È costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio e nel tempo che si propaga lunga una direzione. Il campo elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro ed alla direzione di propagazione dell’onda. In fisica, un campo magnetico è un campo, in un certo spazio, che esercita una forza magnetica su cariche elettriche in movimento e su dipoli magnetici. Campi magnetici circondano correnti elettriche, dipoli magnetici, e campi elettrici variabili. In fisica, lo spazio che circonda una carica elettrica, od in presenza di un campo magnetico si chiama CAMPO ELETTRICO. Esso esercita una forza su altri oggetti carichi. Forza di attrazione di carica elettrica per unità di carica.

Alcune grandezze che caratterizzano una radiazione elettromagnetica Si dice lunghezza d’onda () la distanza spaziale tra due massimi dell’onda. La frequenza () è il numero di onde in un secondo.  e  sono correlate dalla seguente relazione: =c/ c è la velocità della luce ~ 3×108 m/s. L’ampiezza (A) rappresenta la distanza tra il massimo dell’onda e la direzione di propagazione Ogni onda elettromagnetica ha una frequenza (n) definita ed una lunghezza d'onda (l) associata a questa frequenza; queste due grandezze sono legate da una relazione matematica

Esiste una relazione tra la frequenza di una radiazione elettromagnetica e la sua energia: h = costante di Planck = 6.626 · 10-34 J · s: è un numero piccolissimo!!!! ? Questo cosa comporta???? Maggiore è la lunghezza d’onda () di una radiazione elettromagnetiche e minore è la sua energia. Quindi l’energia e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali!!!! Maggiore è la frequenza () di una radiazione elettromagnetica e maggiore è la sua energia. Quindi l’energia e la frequenza sono direttamente proporzionali!

SPETTRO ELETTROMAGNETICO Tutte le onde elettromagnetiche sono classificate in base alle loro frequenze caratteristiche all'interno di quello che è noto come: SPETTRO ELETTROMAGNETICO Raggi X UV VIS IR RADIO AC Raggi  RADAR-TV FM/SW/AM/LW Proprio come la luce rossa ha una sua frequenza distinta, lo stesso vale per gli altri colori. Mentre possiamo percepire queste onde elettromagnetiche nei rispettivi colori, non possiamo vedere il resto dello spettro elettromagnetico. Buona parte dello spettro elettromagnetico è infatti invisibile ed ha frequenze che spaziano in tutta la sua larghezza. NOTA BENE: il colore come tale non è una proprietà intrinseca della luce; è l’occhio che registra gli stimoli provocati dalle diverse radiazioni visibili con differenti sensazioni fisiologiche che vengono chiamate, appunto, colori. La luce visibile occupa solo una piccola porzione della zona centrale dello spettro. L’occhio umano è sensibile alle sole radiazioni elettromagnetiche dello spettro comprese tra 380 e 780 nm

Interazione radiazione-materia od anche interazione luce materia

Interazione radiazione-materia… vediamo cosa succede…. Oggetto (es. bicchiere d’acqua con pigmento) luce riflessa luce incidente luce rifratta luce assorbita luce difratta luce trasmessa

I I0 Assorbimento campione Domande: Quanta luce assorbe? Una sostanza può assorbire una certa quantità di maggiore o minore le diverse radiazioni elettromagnetiche alle varie lunghezze d’onda. Domande: Quanta luce assorbe? quali onde assorbe? cosa succede alle radiazioni assorbite? Perché un oggetto assorbe la luce? Cosa c’entra tutto questo con il colore?

Assorbimento: cosa succede? Stato fondamentale  Stato eccitato  Stato a minima energia di un particolare sistema fisico Stato ad energia più alta dello stato fondamentale Una radiazione può cedere energia alla materia solo se DE = hn!!!!

= l’energia è quantizzata!! LA LUCE E LA MATERIA Una radiazione può cedere energia alla materia (atomo o molecola solo se DE = hn!!!! = l’energia è quantizzata!! Per un atomo: Radiazione, E = hn DE Energia ceduta DE DE Un atomo o una molecola possono assumere radiazione solo in maniera “discreta”: ad es. un atomo, per fare un salto energetico e passare ad uno “stato eccitato”, può assumere solo un preciso DE a cui corrisponde una radiazione con una precisa frequenza (DE = hn). Si parla di “quantizzazione dell’energia”. Se ho un gas di atomi abbastanza rarefatto, l’energia può essere ceduta radiativamente (non per urti) Un atomo di idrogeno di Bohr (questo modello è stato superato, ma è ancora utile didatticamente)

hn Molecola Molecola* molecola molecola* hn E0 E1 = elettrone generico Le molecole sono costituite da più atomi e da più elettroni, e quindi rappresentano dei sistemi più complicati: anche le molecole possono assorbire radiazione elettromagnetica, e possono passare a stati eccitati (fare dei salti energetici). hn Molecola Molecola* molecola molecola* hn E0 E1 = elettrone generico Anche per le molecole, affinchè avvenga una transizione energetica, occorre utilizzare radiazione con una precisa frequenza (n)

Energia Stato eccitato Stato fondamentale hn> DE Radiazione NON assorbita Energia Stato eccitato hn= DE Radiazione assorbita!!! hn< DE Radiazione NON assorbita Stato fondamentale Una radiazione può essere assorbita dalla materia solo se la sua energia è pari alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e quello eccitato della molecola

Ma.. Vi ricordate? E=h=h(c/) Le molecole assorbono quindi solo onde di una particolare lunghezza d’onda, quindi solo ALCUNI COLORI!!!!!!

IL COLORE DEGLI OGGETTI riassunto Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi. In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette. Vedremo in seguito…

Interazione radiazione-materia

Spettroscopia UV-Visibile Riguarda le transizioni elettroniche  variazioni della distribuzione elettronica all’interno della molecola Quando un campione viene irradiato da una sorgente luminosa di opportuna lunghezza d’onda, gli elettroni dello stato fondamentale acquistano l’energia necessaria per popolare uno stato eccitato Come conseguenza, a quelle stesse lunghezze d’onda, solamente una frazione della luce mandata sul campione viene trasmessa al rivelatore DE3 DE2 DE1

DE1 DE2 DE3 I/I0 n 1 2 3  =DE/h 4 2 3 I/I0 n DE4 DE2 DE5

Studi spettroscopici forniscono informazioni sui livelli energetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura chimica Siam fatte così Poiché ogni sostanza ha un particolare spettro di assorbimento, l'esame di tali spettri permette di identificare una sostanza (per confronto diretto con campioni noti o tramite banche dati di spettri) o di controllarne il grado di purezza.

Esempio: Clorofilla a A Un grafico che riporti l’assorbanza di una specie, in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente, viene detto SPETTRO DI ASSORBIMENTO. Nel caso di un atomo, lo spettro di assorbimento è costituito da righe, mentre per una molecola (sistema più complesso), è costituito da bande Il perché di righe e bande lo vedremo poi…. Esempio: Spettro di assorbimento della clorofilla a A Lunghezza d’onda (nm) Clorofilla a

Metodi di analisi: METODO NON DISTRUTTIVO: non necessita di alcun prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare METODO DISTRUTTIVO: necessita di un prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare. Può essere di bulk (il campione viene omogeneizzato e trattato) o stratigrafico (il campione viene analizzato nei suoi singoli strati che lo compongono).

Un esperimento di spettroscopia (assorbimento) Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore I0 I I/I0 n 1 (=DE1/h) 2 (=DE2/h) 3 (=DE3/h) DE1 DE2 DE3

Come si fa???? Cos’è uno spettro??? Io non c’entro.. sigh Uno spettro è un grafico in cui si riporta l’intensità della radiazione assorbita dal campione in funzione della lunghezza d’onda o frequenza della radiazione stessa I0 I Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore Si fa uso di raggi policromatici separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). Le singole radiazioni monocromatiche si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà in modo diverso le diverse radiazioni. Riportando i valori registrati in un grafico lunghezza d'onda-assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. Se un sistema viene eccitato con energia elettromagnetica di una certa frequenza ν e viene poi ceduta sottoforma di energia termica si ha la SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO

Componenti di uno Spettrofotometro Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore Computer Riferimento P Po Specchio rotante specchio Sorgente: fornisce una radiazione continua sulle lunghezze d’onda di interesse Monocromatore: seleziona una stretta banda di lunghezze d’onda dallo spettro della sorgente Rivelatore: converte la radiazione elettromagnetica trasmessa in energia elettrica

Come si registra uno spettro? Si manda prima una linea di base  serve a togliere le disomogeneità fra le due cuvette e a fornire il valore di “zero” dell’assorbanza Nella cella di riferimento si lascia il solvente, nell’altra si mette la soluzione Si regolano i parametri in modo da avere una misura riproducibile

Quanta luce assorbe la mia molecola?? campione I0 Quanta luce assorbe la mia molecola??

Soluzione di concentrazione c Legge di Lambert e Beer []  [M-1 cm-1] [l] = [cm] [C]= [M]

Portacampione……. Le cuvette possono essere in plastica, vetro e quarzo. Attenzione: nell’UV assorbono il vetro e la plastica (utilizzare celle di quarzo!)

coefficiente di estinzione molare L’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di una soluzione può essere sfruttato grazie alla legge di Lambert-Beer, definita per una data lunghezza d’onda: A = ebc c concentrazione coefficiente di estinzione molare cammino ottico L’assorbanza di una soluzione è direttamente proporzionale alla concentrazione della specie assorbente Se si conosce la costante e, caratteristica della specie assorbente in esame, posso conoscere c, misurando A (per una opportuna l)

Vediamo un po’ di spettri…… ma prima di tutto: Regole empiriche = ( chi assorbe cosa…) -Se lo spettro di un composto esibisce una banda di assorbimento ad intensità bassa nella regione 270-350 nm, e nessun altro assorbimento sopra i 200 nm, il composto contiene un solo cromoforo non coniugato con elettroni n (transizione n→π∗) es: C=O nell’acetone -Se lo spettro presenta molte bande, anche nel visibile, il composto contiene probabilmente catene coniugate o gruppi aromatici. es: benzene -Se il composto è colorato possono esistere almeno 4,5 cromofori coniugati e gruppi auxocromi (con l’eccezione di alcuni nitro-, azo-, diazo-, and nitroso-composti che sono colorati). Cromoforo: gruppi funzionali organici insaturi che assorbono nell’UV-VIS Auxocromo: gruppo che estende la coniugazione di un cromoforo condividendo elettroni liberi

E per quanto riguarda il coefficiente di estinzione molare? Un valore di ε tra10000 and 20000 generalmente rappresenta un semplice chetone α,β-insaturo o un diene. -Bande con ε tra1000 and 10000 normalmente mostrano la presenza di un gruppo aromatico. Se il gruppo aromatico ha dei gruppi funzionali possono comparire bande con ε> 10000 ed altre con ε< 10000. -Bande con ε< 100 rappresentano transizioni n→π∗.

Vediamo alcuni esempi….. max, nm 177 217 186, 280 204 214 339 280 300, 665 204, 256 ,[M-1,cm-1] 13000 21000 1000, 16 41 60 5 22 12 7900, 200 Esempio C6H13CH=CH CH2=CHCH=CH2 (CH3)2C=O CH3COOH CH3CONH2 CH3NNCH3 CH3NO2 C2H5ONO2 Benzene (C6H6) Cromoforo Alchene Alchene coniugato Carbonile Carbossile Ammide Azo Nitro Nitrato Aromatico NOTA BENE: le posizioni dei massimi di assorbimento dipendono anche dal solvente!

Il rapporto segnale/rumore è ottimizzato per A ~ 1 Condizioni di misura A>>1 Grande variazione tra I0 ed I  Grande segnale Poca luce trasmessa  Elevato rumore A<<1 Piccolo segnale Basso rumore Il rapporto segnale/rumore è ottimizzato per A ~ 1 Nota: se il campione è torbido, si ha un’assorbanza fittizia

Colori della luce visibile Lunghezza d’onda Assorbita Osservata 380-420 violetto verde-gialla 420-440 blu-viola giallo 440-470 blu arancione 470-500 blu-verde rosso 500-520 verde viola 520-550 verde-giallo violetto 550-580 giallo blu 580-620 arancione verde-blu 620-680 rosso blu-verde 680-780 viola verde

Un po’ di teoria dei colori… Tre colori fondamentali: rosso blu e giallo R+G+B= Bianco R+G= Verde R+B= Magenta E’ possibile ottenere tutte le differenti tonalità miscelando i tre colori fondamentali (blu, rosso e verde). La sintesi additiva dei tre colori fondamentali determina una sensazione cromatica di saturazione chiamata bianco. L’assenza degli stessi tre colori produce la sensazione definita nero.

ESEMPIO Esempio di spettro UV-visibile di un’aldeide insatura. La banda a 395 nm rende conto del fatto che il composto è colorato in arancio, colore complementare rispetto al violetto che corrisponde alla regione spettrale interessata (~ 400 nm)

Perché si parla di bande e non di righe? Perché gli spettri di assorbimento sono “larghi”? Perché si parla di bande e non di righe? Perché gli spettri di assorbimento sono “larghi”? Le transizioni elettroniche promosse dalla radiazione UV-vis-NIR coinvolgono anche i vari livelli vibrazionali. Per questo motivo lo spettro è del tipo “a bande”. Questa caratteristica complica notevolmente il riconoscimento e la quantificazione di composti in miscela

Effetto del solvente sullo spettro

effetto del pH in soluzioni acquose. Altro problema: effetto del pH in soluzioni acquose. E’ possibile notare subito l’influenza di questa variabile chimica sulle sostanze: le soluzioni corrispondenti allo stesso colorante presenti a due concentrazioni idrogenioniche diverse, infatti,possono apparire di colore differente. Ciò è dovuto all’influenza dello ione H+ sulla stabilità delle molecole, che si ripercuote sui livelli energetici e quindi sugli spettri di assorbimento delle sostanze. Spesso, quindi, coloranti pH sensibili si sciolgono e si conservano in SOLUZIONI TAMPONE Soluzioni tampone: soluzioni acquose di opportune specie chimiche (acidi o basi deboli) che per diluizione e per aggiunta o sottrazione di ioni H3O+ mantengono il loro pH invariato

Rosso: Alizarina E’ di origine naturale E’ usato fin dall’antichità E’la componente stabile del carminio di robbia La Trinità (1426-28) Masaccio, Santa Maria Novella, Firenze

Studio dell’efficienza del protettivo dammar e del courtrai ESEMPI “REALI”: Studio dell’efficienza del protettivo dammar e del courtrai Dammar prima Dammar dopo Courtrai prima Courtrai dopo Vernice Dammar: fortemente ingiallita Blocca passaggio delle radiazioni negli strati pittorici sottostanti che non risultano fotossidati. Siccativo di Courtrai: no ingiallito Radiazioni riescono a penetrare nel bulk compromettendo strati pittorici sottostanti che risultano degradati.

Metodi di analisi: METODO NON DISTRUTTIVO: non necessita di alcun prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare METODO DISTRUTTIVO: necessita di un prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare. Può essere di bulk (il campione viene omogeneizzato e trattato) o stratigrafico (il campione viene analizzato nei suoi singoli strati che lo compongono).

Cenni di riflettanza Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nel campo beni culturali sono opachi I0 Ir Spettroscopia di riflettanza Registra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del campione, inclusa o esclusa la componente riflessa

(analogo all’assorbimento!!!!) I0 Ir La riflessione diffusa è alla base della spettroscopia di riflettanza Spettroscopia di riflettanza Il campione assorbe alcune componenti della radiazione incidente, per cui l’assorbimento riduce l’intensità di luce diffusa Riv Dalla misura della riflettanza riesco a ottenere informazioni sulla natura chimica del campione (analogo all’assorbimento!!!!) I0 Ir

Icampione % R = Istandard Vi ricorda qualcosa? I dati sono espressi usualmente in % R (riflettanza percentuale) dove R è la riflettanza dello standard, S è l’intensità di emissione del campione e D è il rumore di fondo dello strumento Per non farci spaventare, possiamo vederla così: % R = Icampione Istandard = luce riflessa dal campione/ luce riflessa dallo standard Vi ricorda qualcosa? Come potete vedere le due equazioni sono molto simili 

Esecuzione di misure UV-visibili in riflettanza Per effettuare misure in riflettanza è necessario in primo luogo registrare uno spettro del bianco, ovvero di una sostanza la cui superficie sia (idealmente) totalmente riflettente, quindi fornisca come risposta esclusivamente lo spettro di emissione della sorgente, senza modifiche dovute alle molecole della sostanza irraggiata Una sostanza che ha queste caratteristiche è il solfato di bario, BaSO4, che costituisce uno standard di riferimento molto utilizzato in riflettanza UV-visibile, in quanto ha una riflettanza vicina al 100% nel range visibile. Altri standard impiegati comunemente sono costituiti da materiali polimerici di aspetto, ovviamente, bianco Spettro di riflettanza del solfato di bario, che corrisponde allo spettro di emissione di una sorgente a Xenon ad emissione pulsata. Questo spettro è poi automaticamente sottratto dagli spettri dei campioni

Come per la trasmittanza,anche la riflettanza diminuisce in maniera NON LINEARE all’aumentare della concentrazione delle specie che assorbono. Esistono diversi algoritmi usati per linearizzare questa equazione che dipendono dalla natura del campione, dalla sorgente e dalla geometria dello strumento Spettri in riflettanza di vetri di differente colore:Blu, verde, porpora ? ? ? Come si fa a ricavare qualche informazione da questi spettri????? ? ?

I metodo Nella figura di sinistra sono riportati gli spettri di riflettanza di tre pigmenti bianchi: bianco piombo (a - linea tratteggiata), bianco zinco (b - linea continua) e bianco titanio (c - linea tratteggiata e punteggiata) Gli spettri in derivata prima (dx) permettono di discriminare i tre pigmenti e di identificare i pigmenti impiegati nel dipinto in due punti diversi (linee d, e) d(x)= lim (x 0) (f(x0+h)-f(x0))/h

In pratica si usa l’equazione di Riflettanza ed assorbimento sono due facce di una stessa medaglia: esiste un collegamento tra uno spettro di riflettanza ed uno di assorbimento? in teoria si… ed in pratica???? NOTA: Nella carta la luce è assorbita dai residui aromatici presenti nella lignina In pratica si usa l’equazione di Kubelka-Munk

riflettanza diffusa (R%). funzione di Kubelka - Munk: Dove: HexA= hexenuronic acid riflettanza diffusa (R%). funzione di Kubelka - Munk: Dove: = riflettanza diffusa (di un campione di spessore infinitesimo) K() = coefficiente di assorbimento o di estinzione molare S() = coefficiente di diffusione

Nel caso in cui il coefficiente di diffusione possa considerarsi costante, gli spettri di riflettanza possono essere “convertiti” in quelli di assorbanza, (tramite k). I presupposti di base sono: Soluzioni estremamente diluite ( diluizione “infinita”) in una matrice non assorbente) Coefficiente di scattering costante (matrice molto omogenea e composta da particelle molto piccole) Il campione deve essere su strato sottile (1.5 mm). Se sono presenti queste condizioni, la spettroscopia di riflettanza diffusa può fornire risultati di altà qualità.

per oggi è finita per fortuna…..

Applicazioni della spettroscopia UV-Visibile riassunto… Riguarda le transizioni elettroniche  variazioni della distribuzione elettronica all’interno della molecola Studi spettroscopici forniscono informazioni sui livelli energetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura chimica  ogni molecola ha uno spettro di assorbimento particolare E’ possibile riconoscere un pigmento sulla base dello spettro UV-Visibile  attribuzioni temporali Da misure di assorbanza è possibile determinare la concentrazione del cromoforo. Analisi di miscele incognite

COLORE. Percezione sensoriale dovuta a radiazioni elettromagnetiche in grado di stimolare la retina dell'occhio. Tali radiazioni appartengono alla cosiddetta banda del visibile: radiazione luminosa, o luce, è appunto l'insieme delle radiazioni monocromatiche (cioè di una data lunghezza d'onda) in grado di produrre questo stimolo. Ciascuna radiazione monocromatica comporta la visione di un determinato colore; combinazioni di radiazioni diverse fanno vedere colori diversi e tale rappresentazione psichica varia a seconda degli individui e delle situazioni. SPETTRO. L'insieme delle radiazioni monocromatiche presenti in una luce policromatica; anche la striscia luminosa, colorata, che si ottiene raccogliendo su uno schermo le radiazioni in cui è stata scomposta una luce policromatica || Spettro visibile è l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche che producono sensazioni luminose. SPETTROSCOPIA. Ramo della fisica che si occupa della produzione e dell'analisi dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche e in particolare di quello della luce.

A questo punto ci si può chiedere perché una sostanza assorba proprio in corrispondenza di certe lunghezze d’onda piuttosto che di altre. La risposta a questa domanda prevede che si conosca la struttura delle molecole che costituiscono tale sostanza, ed in pratica la natura dei legami da cui sono tenute assieme. Indigotina (blu) Tartrazina (gialla) Infatti se si conosce la struttura di una molecola, applicando la meccanica quantistica, si può risalire al suo diagramma energetico, e conoscere così le distanze di energia che intercorrono tra uno stato ed un altro. A ciascun salto energetico corrisponderà una particolare frequenza della radiazione assorbita, e indirettamente ogni salto energetico che coinvolga la radiazione visibile, determinerà il colore che noi osserveremo per una data sostanza.