SPETTROSCOPIA AGLI INFRAROSSI

IN TRASFORMATA DI FOURIER (FTIR)

COSA E’ LA FTIR

• Spettroscopia: tecnica basata sull’interazione di una radiazione elettromagnetica con la materia

• Infrarossi: radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda comprese fra 800 e 4000 nm

• Trasformata di Fourier: Elaborazione che trasforma un segnale complesso con diverse componenti armoniche nel dominio del tempo in uno nel dominio delle frequenze

A cosa serve?

• La FTIR fornisce informazioni di tipo composizionale/strutturale:

1. L’analisi degli spettri IR fornisce informazioni su quali molecole sono presenti, tramite identificazione dei legami molecolari

2. Consente di identificare campioni incogniti mediante confronto con campioni noti (Test identificativo) o anche solo tramite analisi spettrale ( Analisi Incognita)

3. E’ possibile effettuare analisi quantitative

• La FTIR è una tecnica molto diffusa perché:

1. Moltissimi elementi organici ( e anche inorganici) assorbono nell’IR

2. I segnali spettrali sono caratteristici di ciascun tipo di legame chimico e forniscono indicazioni sull’intorno chimico

Lo spettro IR

• La banda degli Infrarossi copre una porzione ampia dello spettro basso-energetico, e si distngue in tre zone:

1. Vicino infrarosso (0.7-3 um)

2. Medio Infrarosso (3-6 um)

3. Lontano Infrarosso (6-20 um)

Interazione IR-Materia: Vibrazioni atomiche

• I livelli energetici degli elettroni in una molecola sono suddivisi in tre ordini gerarchici:

1. Livelli elettronici (0.1-10 eV)

2. Livelli vibrazionali (0.01-0.1 eV)

3. Livelli rotazionali(0.001-0.01 eV)

Lo spettrometro ad Infrarossi: Interferometro di Michaelson

• Sistema comprensivo di una sorgente IR (lega Ni-Cr a 1400°C), di una lente separatrice e di due specchi (fisso e mobile) che determina prima la separazione e poi la riunificazione in interferenza di un fascio IR che viene raccolto da un rilevatore (trasduttore termo-elettrico)

• Durante un singolo scan lo specchio mobile muove avanti ed indietro rispetto al separatore

• In base alla differenza di cammino ottico dei due fasci, misurata tramite un laser He-Ne, si ha interferenza costruttiva o distruttiva

• Si ottiene un interferogramma (intensità vs differenza di cammino ottico) comprensivo di tutte le radiazioni IR inviate al detector, che viene convertito in Trasformata di Fourier in un segnale in frequenza.

• La frequenza del segnale dell’interferogramma è correlata al numero d’onda secondo la relazione:

F (misurata) =2v*W (output)

• Dove F= freq. Interferogramma (s-1), v= velocità specchio mobile (cm/s), W=numero d’onda in cm-1

Dall’interferogramma allo spettro

• Teorema di Fourier: una qualunque funzione può essere approssimata dalla sovrapposizione pesata di funzioni sinusoidali e cosinusoidali

𝐹 𝑘 = 𝑓(𝑥)𝑒𝑖𝑘𝑥𝑑𝑥 = ∞−∞

𝑓 𝑥 cos 𝑘𝑥 𝑑𝑥 + 𝑖 ∞−∞

𝑓(𝑥) sin 𝑘𝑥 𝑑𝑥 = Fpari (k) +Fdisp(k)

𝐅 𝐱 =

𝑲

[ 𝑭𝒑𝒂𝒓𝒊∗ 𝒄𝒐𝒔 𝒌𝒙 + 𝑭𝒅𝒊𝒔𝒑 ∗ 𝒔𝒊𝒏 𝒌𝒙 ]

• Un interferogramma è una sovrapposizione di segnali di questo tipo, dunque tramite la TF otteniamo l spettro delle frequenze che lo costituiscono

Acquisizione dello spettro IR – Campioni e Riferimenti

• Prima dell’analisi si acquisisce l’interferogramma di riferimento, che tiene conto dello spettro IR trasmesso in assenza di campione ( fattori ambientali, assorbimento dell’interferometro etc.).

• La forma dello spettro di «background» è determinata dal tipo di sorgente e dalla sua temperatura

• Il cut-off a bassi numeri d’onda è dovuto all’assorbimento della radiazione da parte delle pastiglie di KBr porta-campione, mentre quello ad alti numeri d’onda è dato dalla sorgente IR

• Interponendo un campione che assorbe nello spettro IR, l’interferogramma viene modificato in quanto ora tiene conto dello spettro d’assorbimento di ambiente, strumentazione e campione!

Acquisizione dello Spettro IR – Sottrazione Spettrale

• Dal rapporto fra lo spettro con il campione e quello di riferimento, si ottengono gli spettri IR utili all’analisi, mostrati in termini di assorbanza o trasmittanza percentuale

1. 𝑨 𝝎 = − 𝐥𝐨𝐠𝑰(𝝎)

𝑰𝟎(𝝎)(Assorbanza)

2. %T 𝝎 = 𝟏𝟎𝟎 ∗𝑰(𝝎)

𝑰𝟎(𝝎)(Trasmittanza Percentuale)

• I contributi all’assorbimento non dovuti al campione vengono filtrati e si ottengono spettri nitidi

• Convenzionalmente lo spettro riporta alti valori di numero d’onda a sinistra.

Artefatti della Sottrazione spettrale

• La sottrazione dello spettro di riferimento è un passaggio necessario che può presentare delle difficoltà.

1. Un’esatta cancellazione prevede che i segnali di fondo presi durante l’acquisizione di riferimento e quelle con il campioni siano uguali, ma non è sempre vero (concentrazioni variabili nel tempo) Utilizzo di fattori di sottrazione «n» tali che ISpettro= ICampione –n*Iriferimento, dove «n» può variare in diverse regioni spettrali

2. Possibilità di riscontrare artefatti quali: assorbanze negative; picchi fittizi dovuti al processo di sottrazione incompleto; picchi a «forma di derivata», dovuti a variazioni minime nella posizine spettrale dei picchi corrispondenti dovute, per esempio, a fenomeni di interazione fra molecole e campione

• Un controllo con lo spettro di riferimento è spesso necessario!

Correzione Base-line

• Oltre a rimuovere lo spettro di riferimento, occorre anche rimuovere la baseline, quando necessario

• Una opportuna preparazione del campione e manutenzione dell’impianto aiutano a contenere errori sistematici

• Le baseline vanno rimosse mediante funzioni adatte al tipo specifico di baseline riscontrata.

Tipi di Vibrazione

• In base alla natura fisica del legame molecolare, una serie di moti vibrazionali possono verificarsi

• Ciascuna tipologia di moto vibrazionale corrisponde ad un’energia differente

• Spettri di A vs 𝒗 sono preferitiper analisi quantitative e confronti bibliografici

Le «zone» dello Spettro FTIR

• Caratteristiche generali:

1. Dato un legame, le corrispondenti energie di «stretching» sono piu alte delle energie di «bending»

2. Le frequenze di vibrazione di legami con atomi di H sono maggiori di quelle relative a legami con atomi piu pesanti

3. Le energie vibrazionali di legami tripli sono maggiori di quelle dei legami doppi che a loro volta sono maggiori di quelle di legami singoli

• Ogni tipo di legame vibra ad energie

determinate, salvo piccole variazioni

dovute all’intorno chimico e ad

eventuali solventi

• 1400 < v(cm-1) < 600

Regione «Fingerprint»

• 4000 < v(cm-1) < 1400

Regione di Gruppo

Functional Class Range (cm-1) Intensity Assignment Range (cm-1) Intensity Assignment

Alkanes 2850-3000 str CH3, CH2 & CH

2 or 3 bands

1350-1470

1370-1390

720-725

med

med

wk

CH2 & CH3 deformation

CH3 deformation

CH2 rocking

Alkenes 3020-3100

1630-1680

1900-2000

med

var

str

=C-H & =CH2 (usually sharp)

C=C (symmetry reduces

intensity)

C=C asymmetric stretch

880-995

780-850

675-730

str

med

med

=C-H & =CH2

(out-of-plane bending)

cis-RCH=CHR

Alkynes 3300

2100-2250

str

var

C-H (usually sharp)

C≡C (symmetry reduces

intensity)

600-700 str C-H deformation

Arenes 3030

1600 & 1500

var

med-wk

C-H (may be several bands)

C=C (in ring) (2 bands)

(3 if conjugated)

690-900 str-med C-H bending &

ring puckering

Alcohols & Phenols 3580-3650

3200-3550

970-1250

var

str

str

O-H (free), sharp

O-H (H-bonded), broad

C-O

1330-1430

650-770

med

var-wk

O-H bending (in-plane)

O-H bend (out-of-plane)

Amines 3400-3500 (dil. soln.)

3300-3400 (dil. soln.)

1000-1250

wk

wk

med

N-H (1°-amines), 2 bands

N-H (2°-amines)

C-N

1550-1650

660-900

med-str

var

NH2 scissoring (1°-amines)

NH2 & N-H wagging

(shifts on H-bonding)

Aldehydes & Ketones 2690-2840(2 bands)

1720-1740

1710-1720

1690-1675

1745-1780

med

str

str

str

str

str

str

C-H (aldehyde C-H)

C=O (saturated aldehyde)

C=O (saturated ketone)

aryl ketone

α, β-unsaturation

cyclopentanone

cyclobutanone

1350-1360

1400-1450

1100

str

str

med

α-CH3 bending

α-CH2 bending

C-(C=O)-C bending

Carboxylic

Acids & Derivatives

2500-3300 (acids) overlap C-H

1705-1720 (acids)

1210-1320 (acids)

1750 & 1820 (anhydrides)

1040-1100

1735-1750 (esters)

1000-1300

1630-1695(amides)

str

str

med-str

str

str

str

str

str

O-H (very broad)

C=O (H-bonded)

O-C (sometimes 2-peaks)

C=O (2-bands)

O-C

C=O

O-C (2-bands)

C=O (amide I band)

1395-1440

1590-1650 / 1500-1560

med

med/ med

C-O-H bending

N-H (1°-amide/2°ammidi) II

band

Alcune bande caratteristiche

Esempio applicativo: distinguere isomeri

Tre isomeri con formula bruta C4H8O

Manca segnale OH

Presente segnale C=O

Segnale Stretching C-H aldeidico

Segnale bending C-H aldeidico

Manca segnale OH

Presente segnale C=O

Segnali bending C-C=O-C

Segnali bending CH3-C=O

Presente segnale str. O-H

Forti segnali stretch C-H

Manca segnale C=O

Manca segnale C=C

Il Problema dell’acqua e della CO2

• Le molecole d’acqua e CO2 presentano picchi caratteristici nello spettro FTIR, dovuti a vibrazioni simmetriche e asimmetriche dei legami O-H e C=O, che possono coprire altri segnali

• Variazioni nella concentrazione di CO2 e H2O nel tempo possono portare ad una mancata efficienza di filtraggio dei relativi segnali durante l’acquisizione degli spettri e ad artefatti di vario tipo (alterazione intensità picchi, presenza di picchi negativi in assorbanza )

• In genere si lavora in atmosfera controllata di N2 o O2 ( invisibili nella FTIR)

Rapporto Segnale-Rumore

• Il rapporto segnale rumore (SNR) è un indice della qualità del segnale

• La FTIR gode di valori tipici di SNR che possono facilmente eccedere le 100 unità

SNR ∝ 𝒕 ∝ 𝑵

• Un alto SNR implica:

1. Elevata sensibilità

2. Elevata chiarezza del segnale

3. Elevata qualità di analisi quantitativa

• Segnali con valori di SNR minori di ~5 possono essere difficili da interpretare

Risoluzione

• La risoluzione di un qualunque strumento è la capacità di distinguere dettagli ravvicinati in una informazione (picchi, immagini etc.):

1. Un segnale ad alta risoluzione (<1 cm-1) è ricco di informazioni in quanto distingue segnali energeticamente prossimi

2. Una campionatura effettuata a bassa risoluzione (>1 cm-1) produrrà un segnale comprensivo di tutti i singoli segnali ottenuti nel range di risoluzione, con perdita di informazioni

• La risoluzione FTIR (R) dipende dal numero di posizioni dello specchio mobile campionati durante una intera scansione, per tanto spettroscopi FTIR ad alta risoluzione hanno cammini ottici (CO) più lunghi e, di conseguenza, traslazioni maggiori ( <2 cm):

R ∝ 1/COmax/scan

Compromesso Fra Risoluzione e Rumore

• Spettri ad alta risoluzione sono piu rumorosi, perché la maggior risoluzione isola i deboli segnali di rumore e riduce l’intensità e l’ampiezza dei picchi

R ∝ SNR ∝ 𝑵

• Occorre trovare il valore di risoluzione ottimale per avere spettri ricchi di informazioni e con un ridotto rumore di fondo.

• La scelta della migliore risoluzione dipende dallo stato fisico del campione:

1. Nei solidi e nei liquidi, l’alta condensazione delle molecole si traduce in bande d’assorbimento piu ampie basta una risoluzione di 4-8 cm-1 per risolvere i picchi

2. Per i gas, le bande d’assorbimento sono più strette per via della minore interazione fra molecole occorrono risoluzioni < 2 cm-1

Informazioni dallo Spettro IR – Analisi Quantitativa

• L’altezza del picco puo essere correlata alla concentrazione della specie assorbente, secondo la legge di Lambert-Beer:

A 𝝎 = =|C|*d*𝜺 𝝎

• L’assorbitività molare 𝜺 𝝎 è funzione dell’energiadella radiazione e del tipo di molecola

• Noto l’analita, si procede alla realizzazione di una curva di calibrazione, in cui si verifica l’andamento dell’assorbanza per un certo moto vibrazionale al variare della concentrazione di analita

• La concentrazione nel campione incognito è quindi ottenuta per interpolazione confrontando l’ampiezza del picco con la curva di calibrazione.

Saturazione dello spettro

• L’analisi FTIR richiede solo pochi mg di campione

• Utilizzare troppo campione per ottenere picchi piu intensi puoportare a fenomeni di saturazione

• lim𝑰→𝟎

𝑨 𝝎 = lim𝑰→𝟎

− 𝐥𝐨𝐠𝑰(𝝎)

𝑰𝟎(𝝎)= ∞

• La radiazione viene completamente assorbita a certe frequenze e non è possibile discernere segnali ravvicinati

Conclusioni FTIR

Vantaggi

• Versatile ( campioni organici, biologici,inorganici,

liquidi, solidi, gas etc.)

• Ricca di informazioni ( tipo e quantità molecolari,

intorno chimico)

• Sensibile ( mg sample, ug-pg rintracciabili)

• Relativamente veloce ( <10 mins)

• Relativamente poco costosa(<20K$ )

• Insensibile a N2 e O2

• Alto rapporto segnale/rumore (1<SNR <100)

• Elevata accuratezza e precisione del segnale

( <0.1 cm-1)

Problemi

• Alcune specie chimiche non sono identificabili (ioni monoatomici, molecole monoatomiche, biatomiche omonucleari,)

• Per analisi di miscugli, l’analisi FTIR diventa molto complessa

• L’acqua deve essere contenuta entro lo 0.1%wt. Gli ampi picchi d’assorbimento dell’acqua a 3300 e 1600 cm-1 possono coprire le caratteristiche spettrali dei soluti.

• L’acqua puo sciogliere le pastiglie/celle di KBr e NaCl in cui sono alloggiati i campioni

• Non adatta a identificare tracce di contaminanti (ppm,ppb)

• Artefatti nel segnale ( %H2O(g) variabile nel tempo)

• Deve essere accompagnato da altre tecniche analitiche (NMR, MS, Spettroscopia UV-vis, Raman etc…)

• L’analisi quantitativa richiede una esperta pulizia ed elaborazione dello spettro