Spettroscopia UV- Vis
alcuni cenni…
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:
o una sorgente di illuminazione
o Un oggetto che interagisce con la luce che viene da questa
sorgente
o Un occhio umano (rivelatore per osservare l’effetto di questa
interazione
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
Esiste una relazione tra la frequenza di una radiazione elettromagnetica e la
sua energia:
c
E h h
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!
Tutte le onde elettromagnetiche sono classificate in base alle loro frequenze
caratteristiche all'interno di quello che è noto come:
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Raggi X
Raggi
UV
VIS IR
RADIO
AC
RADAR-TV FM/SW/AM/LW
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 difratta
luce assorbita
luce trasmessa
Assorbimento
I0
campione
I
Una sostanza può assorbire una certa quantità di maggiore o minore le
diverse radiazioni elettromagnetiche alle varie lunghezze d’onda.
Domande:
1)
2)
3)
4)
5)
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 = h !!!!
LA LUCE E LA MATERIA
Una radiazione può cedere energia alla materia (atomo o
molecola solo se
DE = h !!!!
= l’energia è quantizzata!!
Per un atomo:
Radiazione, E = h
DE
DE
DE
Energia ceduta
Un atomo di idrogeno di Bohr
(questo modello è stato superato, ma è ancora utile didatticamente)
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).
h
Molecola
Molecola*
E1
E1
E0
molecola
E0
molecola*
h
= elettrone generico
Anche per le molecole, affinchè avvenga una transizione energetica, occorre utilizzare
radiazione con una precisa frequenza ()
Energia
Stato eccitato
h > DE
Radiazione NON assorbita
Stato fondamentale
h = D E
Radiazione assorbita!!!
h < DE
Radiazione NON assorbita
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
E h h
DE3 DE2
DE1
c
I/I0
DE1 DE2 DE3
1 2
3
=DE/h
I/I0
DE4
DE2 DE5
4
2
3
Studi
spettroscopici forniscono informazioni sui livelli
energetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura
chimica
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.
Siam
fatte
così
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:
Clorofilla a
Spettro di assorbimento della clorofilla a
A
Lunghezza d’onda (nm)
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
I0
Rivelatore
I
I/I0
DE1 DE2 DE3
1
2
3
(=DE1/h) (=DE2/h) (=DE3/h)
Come si fa????
Cos’è uno spettro???
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
Sorgente
Monocromatore I0 Campione
I 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'ondaassorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza
esaminata.
Componenti di uno Spettrofotometro
Specchio rotante
P
Sorgente
Campione
Monocromatore
Rivelatore
Computer
Po
specchio
Riferimento
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??
I0
campione
I
C
Legge di Lambert e Beer
I0
I
Soluzione di
concentrazione c
[] [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!)
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 = bc
coefficiente di
estinzione molare
Abs
concentrazione
cammino ottico
ppm c
L’assorbanza di una soluzione è direttamente proporzionale
alla concentrazione della specie assorbente
Se si conosce la costante , caratteristica della specie assorbente
in esame, posso conoscere c, misurando A (per una opportuna )
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 nitrosocomposti 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…..
Cromoforo
Esempio
max, nm
,[M-1,cm-1]
Alchene
Alchene coniugato
Carbonile
Carbossile
Ammide
Azo
Nitro
Nitrato
Aromatico
C6H13CH=CH
CH2=CHCH=CH2
(CH3)2C=O
CH3COOH
CH3CONH2
CH3NNCH3
CH3NO2
C2H5ONO2
Benzene (C6H6)
177
217
186, 280
204
214
339
280
300, 665
204, 256
13000
21000
1000, 16
41
60
5
22
12
7900, 200
NOTA BENE: le posizioni dei massimi di assorbimento
dipendono anche dal solvente!
Colori della luce visibile
Lunghezza d’onda
380-420
420-440
440-470
470-500
500-520
520-550
550-580
580-620
620-680
680-780
Assorbita
violetto
blu-viola
blu
blu-verde
verde
verde-giallo
giallo
arancione
rosso
viola
Osservata
verde-gialla
giallo
arancione
rosso
viola
violetto
blu
verde-blu
blu-verde
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”?
vibrational levels
S1
rotational levels
v2 DE = h
v1
S0
electronic levels
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
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.
[
pH log H 3 O
]
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
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
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
I0
Ir
Dalla misura della riflettanza riesco a
ottenere informazioni sulla natura chimica
del campione
(analogo all’assorbimento!!!!)
I dati sono espressi usualmente in % R (riflettanza percentuale)
S D
R %
100
R D
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:
Icampione
%R=
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
4000
OOIBase32 Data File
3600
3200
2800
2400
Intensity
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
2000
1600
1200
800
400
0
-400
150
200
250
300
350
400
450
500
550
Wavelength [nm]
600
650
700
750
800
850
900
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
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
HexA= hexenuronic acid
riflettanza diffusa (R%).
2
2
(1
)
K(
)
(1
)
K( )
R
R
funzione di Kubelka
F(R) -Munk:
F(R)
2 R
S( )
2 R
S( )
Dove:
R = riflettanza diffusa (di un campione di spessore
infinitesimo)
K() = coefficiente di assorbimento o di estinzione molare
S() = coefficiente di diffusione
(1 R)2 K( )
(1 R)2 K( )
F(R)
F(R)
2 R
S( )
2 R
S( )
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…
1) Riguarda le transizioni elettroniche variazioni della
distribuzione elettronica all’interno della molecola
2) Studi spettroscopici forniscono informazioni sui livelli
energetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura chimica
ogni molecola ha uno spettro di assorbimento particolare
3) E’ possibile riconoscere un pigmento sulla base dello spettro UVVisibile attribuzioni temporali
4) Da misure di assorbanza è possibile determinare la
concentrazione del cromoforo.
5) 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.
