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Metodi ottici di analisi

Una parte molto importante della moderna Chimica Analitica Strumentale è basata sullo studio dello scambio di energia (interazioni) tra la radiazione elettromagnetica e la materia. Queste interazioni sono evidenti ad occhio nudo nel caso di radiazioni che cadono nel campo del visibile.

La natura delle radiazioni elettromagnetiche

Alle radiazioni elettromagnetiche fa uso una doppia rappresentazione, si rappresenta cioè come un’onda elettromagnetica (natura ondulatoria) e come l’insieme di una serie di pacchetti discreti di energia, i fotoni (natura corpuscolare).
Dal punto di vista ondulatorio, le radiazioni elettromagnetiche consistono in una forma di energia che si propaga, anche nel vuoto: sono la simultanea propagazione nello spazio delle oscillazioni di un campo magnetico ed elettrico ortogonali tra loro.

Rappresentazione schematica di un'onda elettromagnetica”. Fonte: Infn

Proprietà ondulatorie della radiazione elettromagnetica

Frequenza→ ν → è il numero di vibrazioni nell’unità di tempo. Si misura in Hertz (Hz).

Periodo → T → È il tempo occorrente per compiere una oscillazione completa. È l’inverso della frequenza e si misura in secondi.

Lunghezza d’onda→ λ → È la distanza tra due punti in fase. Si misura in Å.

Energia di una radiazione elettromagnetica

Una radiazione elettromagnetica consiste in ‘pacchetti discreti’ di energia, chiamati Fotoni la cui energia dipende dalla frequenza secondo l’equazione:

E = h*ν

Dove:
E: enegia;
h: indica la costante di Planck: h = 6,63 x 10-34 J s;
n: frequenza

Tipi di radiazione

Esistono vari tipi di radiazione elettromagnetica, che differiscono per la loro lunghezza d’onda e, di conseguenza, per la loro frequenza ed energia.

Tipi di radiazioni elettromagnetiche e interazioni con la materia. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumentale; ITAS “Gambacorti” Pisa

La luce visibile

Le onde elettromagnetiche rendono conto di una ampia gamma di fenomeni pur mantenendo invariata la loro natura: ciò che cambia è l’energia associata all’onda e di conseguenza cambia la lunghezza d’onda. Le onde elettromagnetiche con bassa energia possiedono una lunghezza d’onda elevata e perciò non interagiscono con gli esseri viventi (Onde radio). Le onde elettromagnetiche che possiedono energia più alta e di conseguenza lunghezza d’onda più bassa sono in grado di interagire con i tessuti animali e vegetali fino alle molecole e agli atomi (Raggi X, Raggi gamma etc.).

Porzione del visibile dell'esteso campo delle onde elettromagnetiche conosciute. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Fonte: Quaderni di analisi chimica strumentale; ITAS “Gambacorti” Pisa

Luce monocromatica e luce policromatica

Quando un raggio di luce bianca colpisce un prisma di vetro viene scomposto in diversi colori. La dispersione in diversi colori tramite un prisma si spiega in quanto:

la luce bianca è in realtà composta da più radiazioni di diversa frequenza e corrispondenti a tutti i colori;
quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro viene deviato (rifratto): l’entità della deviazione dipende dalla lunghezza d’onda del raggio incidente.

Una radiazione di un solo colore ottenuta tramite dispersione, caratterizzata da una ben precisa lunghezza d’onda, viene detta Monocromatica.

Scomposizione della luce policromatica (Bianca) attraverso un prisma. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumentale; ITAS “Gambacorti” Pisa

Spettri di emissione e di assorbimento

I metodi di analisi spettrochimici sono basati sull’analisi dello spettro delle sostanze, il quale può essere di emissione o di assorbimento.

si ottiene uno spettro di emissione quando si analizza un fascio di luce emesso, in opportune condizioni, da una sostanza;
si ottiene uno spettro di assorbimento quando si analizza un fascio di luce dopo che ha attraversato una sostanza.

Per una stessa sostanza lo spettro di emissione e di assorbimento sono pressappoco come il positivo ed il negativo di una fotografia, una radiazione presente nello spettro di emissione sarà mancante in quello di assorbimento.

Teoria della spettroscopia di assorbimento molecolare

Ogni analita molecolare è capace di assorbire delle caratteristiche lunghezze d’onda di radiazione elettromagnetica. In questo processo l’energia della radiazione viene trasferita temporaneamente alla molecola e l’intensità della radiazione diminuisce come conseguenza.

l’analisi dello spettro permette di individuare la natura della sostanza in esame;
la misura dell’intensità delle radiazioni emesse o assorbite permette di risalire alla quantità di sostanza analizzata.

Atomi o molecole, trovandosi in campi energetici (calorifici, elettrici o elettro.magnetici) possono assorbire quantità definite e caratteristiche di energia e passare a stati energetici più alti. Questo fenomeno è detto di assorbimento.

Spettroscopia nel visibile e nell’ultravioletto

Estensione delle onde elettromagnetiche dalle onde radio ai raggi cosmici. Fonte: Cerm

Analisi qualitativa

Per effettuare analisi qualitative si fa uso di raggi policromatici separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). Le singole radiazioni monocromatiche di tale raggio si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà con diversa intensità le diverse radiazioni.
Riportando i valori registrati in un grafico lunghezza d’onda-assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata.

Spettri di assorbimento del bicromato di potassio e del permanganato di potassio entrambi in soluzione acquosa. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumentale; ITAS “Gambacorti” Pisa

Analisi quantitativa

Si fa uso di raggi monocromatici. Le determinazioni quantitative sono basate sul fatto che, quando una radiazione attraversa una soluzione, viene assorbita più o meno intensamente a seconda della concentrazione.
Come si vedrà in seguito, appositi dispositivi (rivelatori) sono in grado di misurare l’intensità di flusso luminoso; in particolare vengono misurate:
I₀: intensità del flusso luminoso all’ingresso della cella che contiene il campione;
I: intensità del flusso luminoso all’uscita della cella che contiene il campione.

Schema semplificato di uno spettrofotometro UV-Vis. Fonte: Fabbri N., Robino P., Simonelli G.; Quaderni di analisi chimica strumentale; ITAS “Gambacorti” Pisa

Assorbanza

A = -log I/I₀

Legge di Lambert-Beer

Prendendo in considerazione una cella, contenente una sostanza in soluzione, attraversata da un raggio di luce monocromatica, si dimostra che:

A = ε x b x C

dove:
A = assorbanza (non ha unità di misura).
ε= coefficiente di assorbimento molare, caratteristico della sostanza (mol-1 L cm-1).
b = cammino ottico (cm), cioè lo spessore della soluzione.
C= concentrazione molare della sostanza (mol/L)

Assorbanza e concentrazione

La proporzionalità diretta tra assorbanza e concentrazione permette di effettuare analisi quantitative.
L’equazione A = ε x b x C rappresenta una retta passante per l’origine degli assi e in cui ε x b è il coefficiente angolare.

Retta di calibrazione dell'assorbanza in funzione della concentrazione. Fonte: Rettaditaratura

Ricapitolando

ANALISI QUALITATIVA

↓

Lettura del campione a lunghezze d’onda caratteristiche dell’analita (ad esempio i polifenoli assorbono a lunghezze d’onda pari a 775 nm); oppure scansione del campione contenente l’analita in un intervallo più o meno ampio di lunghezze d’onda al fine di ottenere lo spettro di assorbimento caratteristico.

ANALISI QUANTITATIVA

↓

Preparazione di soluzioni standard diluite dell’analita, che si intende quantificare, e costruzione della curva di calibrazione riportante sull’asse delle ascisse la concentrazione e sull’asse delle ordinate l’assorbanza. Quest’ultima è letta alla lunghezza d’onda corrispondente al massimo dell’assorbimento dell’analita.

Schema a blocchi di uno spettrofotometro

Fonte: Uniroma

Schema a blocchi di uno spettrofotometro (segue)

Fonte: Analyticalcontrol

Analisi dei polifenoli nel vino

Il contenuto in polifenoli totali è ritenuto un dato di primaria importanza nel controllo di qualità dei mosti e dei vini.
I vini contengono numerosi tipi di composti fenolici, a tal proposito, per stimarne il contenuto, l’ideale sarebbe dosare separatamente tutte le strutture presenti, cosa non sempre possibile anche con l’aiuto di tecniche sofisticate, in quanto i risultati sono non sempre riproducibili e di difficile interpretazione. Si ricorre quindi ad una valutazione globale del contenuto in polifenoli del vino sfruttandone le proprietà riducenti e U.V. assorbenti.
Per la determinazione si utilizza un reattivo specifico chiamato di Folin-Ciocalteau costituito da una miscela di acido fosfotunstico (H₃PW₁₂O₄₀) e acido fosfomolibdico (H₃PM_o12O₄₀). In ambiente basico, ed in presenza di polifenoli, i due acidi producono ossidi di tungsteno e molibdeno (W₈O₂₃ e Mo₈O₂₃) di colore blu, che possiedono il massimo di assorbimento intorno ai 775 nm. L’intensità della colorazione è proporzionale alla concentrazione di reattivo ridotto dai polifenoli che, invece, si ossidano.