Spettroscopia di Assorbimento Ultravioletto-Visibile: Principi e Strumentazione

Spettroscopia di Assorbimento UV-Vis

La Spettroscopia di Assorbimento Ultravioletto e Visibile (UV-Vis) è la misura dell'attenuazione di un raggio di luce dopo che esso è passato attraverso un campione o dopo riflessione da parte di una superficie.

Quando una radiazione interagisce con la materia, possono avvenire un certo numero di processi come la riflessione, la dispersione, l'assorbimento, la fluorescenza/fosforescenza e reazioni fotochimiche. Poiché la luce è una forma di energia, l'assorbimento di luce da parte della materia provoca un aumento del contenuto energetico delle molecole. L'energia potenziale totale di una molecola generalmente è rappresentata dalla somma della sua energia elettronica, vibrazionale e rotazionale.

Etotale = Eelettronica + Evibrazionale + Erotazionale

In alcune molecole ed atomi i fotoni di luce UV e Visibile hanno energia sufficiente per provocare transizioni tra i diversi livelli di energia elettronica. La lunghezza d'onda della luce assorbita è quella che ha l'energia richiesta per promuovere un elettrone da un livello a più bassa energia ad uno a più alta energia. In figura è mostrato un esempio di transizione elettronica nella formaldeide provocata dall'interazione con la radiazione.

H 1 ++1 0 ++ H - 1 #1 C 0 H H pi -> pi* transition n-> pi* (187 nm) 1 transition CHOf $4 (285 nm) H H

Queste transizioni dovrebbero dare luogo a bande di assorbimento molto strette alle lunghezze d'onda caratteristiche delle differenze tra i livelli energetici delle specie che assorbono. Questo è vero per gli atomi, come mostrato in figura.

95E ΔΕ S2 SOS2 S1 1 So - S1 So 11 SOS2 SOS1 2 Fig Spettri atomici a righe

Per le molecole i livelli di energia vibrazionale e rotazionale sono sovraimposti ai livelli di energia elettronica. Dato che possono avvenire molte transizioni con energie differenti, si ottengono delle bande allargate come mostrato in figura.

E 4 electronic energy levels vibrational energy levels rotational energy levels S. A 11 electronic transition 1 S, - Sa 2 Fig. Spettri molecolari a bande

Analisi Qualitativa degli Spettri UV-Vis

Gli spettri UV-Vis generalmente presentano solo alcune bande che offrono una limitata quantità di informazioni qualitative. La maggior parte degli assorbimenti da parte di composti organici è dovuta alla presenza di legami ", cioè legami insaturi. Si chiama cromoforo un gruppo che contiene uno o più legami . La presenza di una banda di assorbimento ad una particolare lunghezza d'onda è spesso un buon indizio della presenza di un cromoforo. Comunque la posizione del massimo di assorbimento non è fissa, ma dipende in parte dall'intorno molecolare del cromoforo e dal solvente in cui il campione è sciolto. Altri 96parametri come il pH e la temperatura possono causare cambiamenti sia dell'intensità che della lunghezza d'onda dei massimi di assorbimento.

La coniugazione di più doppi legami fa aumentare sia l'intensità che la lunghezza d'onda della banda di assorbimento.

Gli ioni dei metalli di transizione, che presentano orbitali d, hanno anch'essi livelli energetici che provocano assorbimenti tra 400 e 700 nm nella regione del visibile.

Cromofori e Transizioni

Il Colore e l'Assorbimento

Il colore è una proprietà importante di una sostanza. Il colore della materia è correlato alla sua assorbività o riflettività. L'occhio umano vede il colore complementare a quello che è assorbito come mostrato nelle figure seguenti.

97800 Wavelength [nm] Absorbed color Complementary color 650-780 red blue-green 700 595-650 orange greenish blue 560-595 yellow-green purple 600 500-560 green red-purple 490-500 bluish green red 500 480-490 greenish blue orange 435-480 blue yellow 400 380-435 violet yellow-green

Principio dell'Additività e Legge di Beer

In accordo con la Legge di Beer, l'assorbanza è proporzionale al numero di molecole che assorbono la radiazione alla lunghezza d'onda specifica. Questo principio è vero anche per più di una specie assorbente presente nel campione. Tutti i metodi quantitativi per più di un componente sono basati sul principio che l'assorbanza di una miscela a qualsiasi lunghezza d'onda è uguale alla somma dell'assorbanza di ogni componente della miscela a quella lunghezza d'onda. Si può eseguire l'analisi dei componenti la miscela facendo delle misure ad un numero di lunghezze d'onda pari al numero di componenti presenti nella miscela Le lunghezze d'onda scelte sono di solito quelle corrispondenti ai massimi di assorbimento di ogni componente. Si calcola l'assorbività (8) di ogni componente alle lunghezze d'onda scelte utilizzando degli standard costituiti dai composti puri.

L'assorbanza della miscela ad ogni lunghezza d'onda è la somma dell'assorbanza di ogni componente a quella lunghezza d'onda, che dipende dall'assorbività e dalla concentrazione di ogni componente (secondo la Legge di Beer).

Per due componenti x e y le equazioni sono:

A( x+ y ) = Ax + Aly = & xbCx + & ybC y e A2 = A2 + A2 = &2bC + & bC (x+ y) x y x x y y

dove A è l'assorbanza alla lunghezza d'onda 1, A- è l'assorbanza alla lunghezza d'onda 2, & è l'assorbività alla lunghezza d'onda 1, & è l'assorbività alla lunghezza d'onda 2, C è la concentrazione e b è il cammino ottico.

Risolvendo il sistema di equazioni si calcola la concentrazione di ogni componente.

98In figura è mostrato un esempio simulato di una miscela di due componenti con massimi di assorbimento distanti.

1.5- X y x + y . Absorbance [AU] 1.0- 0.5 0.0- 200 210 220 230 240 Wavelength [nm]

Misure di assorbimento possono essere effettuate ad una singola lunghezza d'onda o su un campo spettrale esteso. La radiazione Ultravioletta e Visibile è abbastanza energetica da promuovere elettroni esterni a livelli a più alta energia e la spettroscopia UV-Vis si applica di solito a molecole o complessi inorganici in soluzione.

Strumentazione per Spettroscopia UV-Vis

Il campo di applicazione della spettroscopia UV-Vis è 190-900 nm; il limite inferiore è dovuto all'assorbimento da parte dei gas atmosferici. Il limite superiore è legato alla capacità di risposta del rilevatore che nei più moderni spettrofotometri si può estendere fino a 3300 nm che corrisponde al Vicino Infrarosso (NIR)

Regioni dello Spettro Elettromagnetico

Le regioni dello spettro elettromagnetico 400 nm 700 nm raggi ganıma Infrarosso Onde radio ultravinletto -2 -1 1 4 6 10 nm 10 nm 1 nm 10 nm 10 nm 10 nm 8 10 nm 10 10 nm 12 10 nm Lunghezza d'onda (1 nm = 1 miliardesimo di cm)

Spettro della Luce Visibile

Lo spettro della luce visibile I sette colori dell'arcobaleno: Rosso, Arancio, Giallo, Verde, Blu, Indaco, Viola

99Schema di spettrofotometro a doppio raggio fotomoltiplicatore riferimento sorgente spettro UV-Vis monocro matore campione Il campione viene di norma sciolto in un solvente; il riferimento è il solvente è un grafico di A in funzione di 2

Il solvente non deve assorbire nell'intervallo di lunghezze d'onda 200-800 nm

La sorgente di radiazione è comunemente una lampada a scarica di Deuterio per la parte Ultravioletta ed una lampada a tungsteno-alogeno per misure nel Visibile e NIR.

Lo strumento scambia le lampade automaticamente quando si passa dalla regione UV a quella del Visibile. Un monocromatore disperde le lunghezze d'onda della luce continua proveniente dalla sorgente

Monocromatori

Con un monocromatore a prisma la luce blu è deviata maggiormente della rossa e la dispersione m cambia con la lunghezza d'onda.

n2 normal n red r white violet

Con il monocromatore a reticolo la dispersione è lineare e quindi indipendente dalla lunghezza d'onda scelta.

Il funzionamento dei reticoli è basato sul fenomeno dell'interferenza:

nû = d(sin i + sin r)

100i r d

La configurazione dello spettrofotometro ed i componenti ottici sono ottimizzati per eliminare la luce spuria che è uno dei fattori limitanti nelle misure quantitative di assorbanza.

Dispersione per tre tipi di monocromatori.

Grating 500 200 300 400 600 700 - 800 2,nm (a) 200 350 400 450 500 600 800 2.nm Absorption Quartz prism 200 250 300 350 400 500 600 800 2,nm

Rivelatori

Il rivelatore è un fotodiodo, un fototubo o un tubo fotomoltiplicatore come quello mostrato in figura.

SEMITRANSPARENT PHOTOCATHODE 0 I 1 3 2 9 8 5 1 4 ACCELERATING GRID INCIDENT RADIATION BOX FOCUSING ELECTRODE 1 1-9 = DYNODES =ELECTRON MULTIPLIER 10 = ANODE INTERNAL CONDUCTIVE COATING

Il funzionamento è il seguente: l'energia dei fotoni che colpiscono il fotocatodo deve essere abbastanza grande da liberare un elettrone dal metallo di cui è costituito il fotocatodo (effetto 101 INCIDENT RADIATION 71 6 Glass prismfotoelettrico). Il numero di elettroni emessi dal fotocatodo è minore del numero di fotoni incidenti, cioè l'efficienza del processo è bassa. Un elettrone emesso è accelerato in direzione del primo dinodo da un campo elettrico e si ha così l'emissione di due o più elettroni dal dinodo (moltiplicazione secondaria di elettroni). Dopo alcune amplificazioni di questo tipo viene raggiunto l'anodo e la corrente generata è abbastanza grande per essere misurata.

Gli spettrofotometri commerciali usano una delle due configurazioni seguenti: uno spettrometro a scansione con doppio raggio e doppia cella per misure contemporanee di P e Po o uno spettrometro con un rivelatore costituito da un insieme (array) di diodi che permette misure simultanee di molte lunghezze d'onda.

Configurazioni Spettrofotometriche

Negli spettrometri a doppio raggio la radiazione proveniente dalla sorgente è dispersa prima di raggiungere la cella in cui è contenuto il campione. Una tipica configurazione di questo tipo è mostrata in figura.

riferimento monocromatore fenditura di uscita elemento disperdente chopper fenditura di ingresso rivelatore sorgente campione

Negli strumenti con rivelatore ad array tutte le lunghezze d'onda passano attraverso il campione e il monocromatore si trova tra il campione e l'array. In figura è mostrato lo schema di questa configurazione.

Diode array Polychromator Sample Dispersion device Source Entrance slit 102