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

INTERAZIONE TRA MOLECOLE ED ENERGIA RAGGIANTE

SPETTROSCOPIASPETTROSCOPIA

SEPARAZIONESEPARAZIONE

RIVELAZIONERIVELAZIONE

REGISTRAZIONEREGISTRAZIONE

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

STATI QUANTICI DELLA MATERIA

STATI QUANTICI DELLA MATERIA

INTERAZIONE

SPETTRI

PER UN ATOMO

PER UNA MOLECOLA

ENERGIA INTERNAENERGIA INTERNA Ea = E0 + Ee + EtEa = E0 + Ee + Et

ENERGIA INTERNAENERGIA INTERNA Em = E0 + Ee + Et + Er + EvEm = E0 + Ee + Et + Er + Ev

STATO ELETTRONICO ECCITATO

STATO ELETTRONICO FONDAMENTALE

V = 2

V = 1

V = 0

V = 2

V = 1

V = 0

J = 4

J = 3

J = 2

J = 1

J = 0

J = 4

J = 3

J = 2

J = 1

J = 0

λ

3

2

1

3

2

1

3

2

1

J

3

2

1

v

2

1

0

E2

E1

v

2

1

0

J

3

2

1

UV – VIS IR MO

TRANSIZIONI ELETTRONICHE – VIBRAZIONALI - ROTAZIONALITRANSIZIONI ELETTRONICHE – VIBRAZIONALI - ROTAZIONALI

SPETTROFOTOMETRIA UV - VIS

• DEFINIZIONI E LEGGI DELL’ASSORBIMENTO

• COMPONENTI STRUMENTALI

• TECNICHE DI ANALISI

LEGGE DI LAMBERT E BEERLEGGE DI LAMBERT E BEER

ASSORBIMENTOASSORBIMENTO

M*M

+ calorecaloreM* M

EMISSIONEEMISSIONE

+M* M

cammino ottico

I° I

dI

dN dN dN dN dN

I°

dI’

VARIAZIONE DI INTENSITA’VARIAZIONE DI INTENSITA’

-dI = K I dN

A = ε b c

LEGGE DI LAMBERT E BEER

A = - log T = - log I/I°A = - log T = - log I/I° T = I/I°T = I/I°

T = 10 - ε b cT = 10 - ε b c

ASSORBANZAASSORBANZA TRASMITTANZATRASMITTANZA

A

mol/lc1

A1

c2

A2

c3

A3

A = log I°/IA = log I°/I

A

nmλmax

c

1

c

2

c

2

A3

A2

A1

λmaxλmax

A = k cA = k c

c3

AA

c c

DEVIAZIONI LEGGE DI LAMBERT E BEERDEVIAZIONI LEGGE DI LAMBERT E BEER

POSITIVAPOSITIVA NEGATIVANEGATIVA

A

c

FATTORI STRUMENTALIFATTORI STRUMENTALI

FATTORI CHIMICIFATTORI CHIMICI

Sorgente di luce instabile

Risposta non lineare rivelatore-amplificatore

Radiazione policromatica

Ampiezza della fenditura

Luce diffusa

Concentrazioni troppo elevate

Formazione di polimeri, aggregati, complessi

Variazione del pH e dissociazione

Effetto solvente, effetto temperatura

Foto effetti (scattering, fluorescenza)

SORGENTI AD ENERGIA RAGGIANTESORGENTI AD ENERGIA RAGGIANTE

A TUNGSTENO A DEUTERIO

VIS UV

I = K VnI = K Vn

SISTEMI DISPERSIVISISTEMI DISPERSIVI

FILTRI MONOCROMATORI

COLORIMETRI SPETTROFOTOMETRI

COLORE INTERFERENZIALI PRISMI RETICOLI

AMPIEZZA DI BANDAAMPIEZZA DI BANDA

E

570 580 590 λ nm

E max/2

E max

ANALISI QUALITATIVAANALISI QUALITATIVA

A

280 220 nm

A

280 220 nm

SOLUZIONE ACQUOSASOLUZIONE ACQUOSA FASE VAPOREFASE VAPORE

SCELTA DELLA LUNGHEZZA D’ONDASCELTA DELLA LUNGHEZZA D’ONDA

dλ1 dλ2

λ1

λ2

A A

dc1dc2

dA

S = dA/dcS = dA/dc

dA

dA

dA

dλ

FLESSO

1° max

2° max

ERRORE FOTOMETRICOERRORE FOTOMETRICO

T = 10-εbcT = 10-εbc

T%

cdc dc

dT

dT

E

R

R

O

R

E

T%20 60

ADDITIVITA’ DELLE ASSORBANZEADDITIVITA’ DELLE ASSORBANZE

A1

A1’A2

A2’

A’

A

λ λ’

A = ε1bc1 + ε2bc2

A’ = ε1’bc1 + ε2’bc2

A = ε1bc1 + ε2bc2

A’ = ε1’bc1 + ε2’bc2

A = A1 + A2

A’ = A1’ + A2’

A = A1 + A2

A’ = A1’ + A2’

RETTA DI TARATURARETTA DI TARATURA

BIANCO ST 1 ST 2 ST 3 ST 4

A

concentrazione

CAMPIONE

Cx

Ax Ax = ε b Cx

CURVE DI TITOLAZIONE

SOSTANZA + TITOLANTE PRODOTTO

A

0

0

mL titolante

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

DETERMINAZIONE Ka

A

590 500 λ

A

HA H+ + A-

2 3 4 5 6 7 pH

[H+]= Ka [HA]/[A-] quando [HA] = [A-]

pH= pKa

pH

STUDIO DI COMPLESSI metodo rapporto molare

xM + yL MxLy

moli M moli L

2 0

2 2

2 4

2 6

2 8

A

0 2 4 6 8 moliL/moliM

1

2

Assorbanza alla λMAX del complesso MxLy

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

moli M moli L

0 10

2 8

4 6

6 4

8 2

10 0

A

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

1 ml 2 mL 3 mL 4 mL soluzione STANDARD 100 ppm = CST

Aggiungere eventuali reattivi e portare a volume fino a 100 mL Misurare l’assorbanza alla λMAX

0 1 2 3 4 mL aggiunta

A

Calcoli:

Vx

ppm = (Vx CST)/V(L) CAMPIONE PRELEVATO

METODO AGGIUNTE SENZA DILUIZIONEESEMPIO: Versare 100 mL di campione in quattro palloncini da 100 mL = Vx

VST1 = 1 ml V ST2 = 2 mL VST3 = 3 mL VST4 = 4 mL soluzione STANDARD 100 ppm = CST

Misurare l’assorbanza alla λMAX

CSTVST/Vx

Ad

Cx

Cx = CONCENTRAZIONE CAMPIONE

Aggiungere:

VTOT = Vx + VST1 VTOT = Vx+VST2 VTOT= Vx+VST3 VTOT=Vx+VST4

STx

STST

STx

xxVV

VC

VV

VCKA

x

STSTx

x

STx

V

VCCK

V

VVA

x

STSTx V

VCKKCAd Equazione di una retta:

xaby

FOTOMETRIA DI FIAMMA

• LA FIAMMA

• ASSORBIMENTO ATOMICO

• MICROFORNO DI GRAFITE

LA FIAMMALA FIAMMA

cm

A

l

t

e

z

z

a

CONO ESTERNOCONO ESTERNO

ZONA INTERCONICAZONA INTERCONICA

CONO INTERNO CONO INTERNO

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

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.SCHEMA A BLOCCHI SPETTROFOTOMETRO AD A.A.

BB PR

BRUCIATOREBRUCIATORE PRISMAPRISMA RIVELATORERIVELATORE

Aspirazione

PROCESSO DI ATOMIZZAZIONE

PROCESSO DI ATOMIZZAZIONE

NEBULIZZAZIONENEBULIZZAZIONE

FUSIONEFUSIONE

VAPORIZZAZIONEVAPORIZZAZIONE

ATOMIZZAZIONEATOMIZZAZIONE

ECCITAZIONEECCITAZIONE

IONIZZAZIONEIONIZZAZIONE

DESOLVATAZIONEDESOLVATAZIONEMA (SOLIDO)MA (SOLIDO)

MA (LIQUIDO)MA (LIQUIDO)

MA (GAS)MA (GAS)

M°A° (GAS)M°A° (GAS)

M* (GAS)M* (GAS)

M+ (GAS)M+ (GAS)

Soluzione

STOP A

SSORBIM

ENTO

STOP EMISSIONE

LAMPADA A CATODO CAVOLAMPADA A CATODO CAVO

Anodo

Catodo cavo

Ar+Ar+

Ar+

CONFRONTO SORGENTE A RIGHE E CONTINUACONFRONTO SORGENTE A RIGHE E CONTINUA

I

λ

II

I

λλ

λ

Riga di assorbimento

Sorgente

a righeSegnale risultante

Sorgente

continuaSegnale risultante

ALLARGAMENTO RIGHE SPETTRALIALLARGAMENTO RIGHE SPETTRALI

1. EFFETTO LORENTZ le collisioni tra atomi fanno variare, anche se di poco, i livelli energetici

2. ALLARGAMENTO NATURALE dualismo onda-corpuscolo ΔE x ∆t = h/2π

3. PRESSIONE aumento probabilità collisioni

4. EFFETTO DOPPLER variazione della frequenza della radiazione registrata se la sorgente è in movimento

1. EFFETTO LORENTZ le collisioni tra atomi fanno variare, anche se di poco, i livelli energetici

2. ALLARGAMENTO NATURALE dualismo onda-corpuscolo ΔE x ∆t = h/2π

3. PRESSIONE aumento probabilità collisioni

4. EFFETTO DOPPLER variazione della frequenza della radiazione registrata se la sorgente è in movimento

Svv

v '

ν’=frequenza percepita

ν =frequenza emessa dalla sorgente

v = velocità della radiazione

vS = velocità sorgente

TUTTI QUESTI EFFETTI PORTANO AD UNA DISTRIBUZIONE DI TIPO GAUSSIANO DELLE RIGHE DI ASSORBIMENTO E DI EMISSIONE

I

ν

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 FISICHEINTERFERENZE FISICHE

INTERFERENZE CHIMICHEINTERFERENZE 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 IONIZZAZIONEINTERFERENZE 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

con K 1000 μg/mL

μg/mL Sr 2 4 6

A

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

560 553,6 548 nm

Assorbimento del radicale CaOH

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 EMISSIONEINTERFERENZE 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 SCATTERINGINTERFERENZE DA SCATTERING

Si verificano quando sulla fiamma si trovano particelle solide o gocce di soluzione non ben vaporizzate. Poiché:

I diffusa = k ν4I 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 FONDOCORREZIONE 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.

EQUA

IC

ID

FORNETTO A GRAFITEFORNETTO A GRAFITE

3000

1000

100

T °C

secondi30 60

grafite

Introduzione campione

Atomizzazione

Incenerimento

Essiccamento

N2