La Sapienza - Università di Roma

Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (Fourier Trasformate Infrared - FT-IR)

Il laboratorio è dotato di uno spettrofotometro infrarosso a trasformata di Fourier (Spectrum 3, Perkin Elmer) su cui è possibile montare diversi accessori, quali trasmissione, riflettanza totale attenuata (ATR), riflettanza diffusa (DRIFT) e cella per l’analisi dei gas, a seconda della tipologia di campione da analizzare. La spettroscopia infrarossa è una tecnica che fornisce informazioni sulla presenza di gruppi funzionali. Irraggiando il campione con una radiazione infrarossa si osservano solo le vibrazioni molecolari che causano una variazione del momento di dipolo elettrico con conseguente aumento dell’ampiezza dei moti vibrazionali dei legami della molecola, stretching (stiramento) e bending (piegamento). Lo spettro IR riporta la trasmittanza percentuale (T%) o l’assorbanza (A) in funzione dei numeri d’onda (cm^-1) ed è suddiviso in due zone: la zona dei gruppi funzionali (4000-1250 cm^-1) e la zona del finger print (1250-500 cm^-1).  Nella prima zona i picchi sono dovuti ai gruppi funzionali presenti all’interno delle molecole mentre i segnali nella seconda zona sono tipici e caratteristici della molecola. Quindi, ciascuna molecola ha un suo spettro caratteristico ed è possibile ottenere informazioni strutturali in quanto gli assorbimenti di ciascun tipo di legame si trovano solo in certe regioni spettrali, numeri d’onda caratteristici per ciascuna classe di gruppi funzionali. Possono essere condotte analisi su campioni solidi, liquidi e gassosi. I solidi e i liquidi possono essere analizzati tal quali o previo mescolamento con una matrice trasparente alla radiazione IR, quale il bromuro di potassio (KBr).

Trasmissione

Tecnica IR più semplice, in quanto si basa sul posizionamento del campione, solido o liquido, lungo il tragitto della radiazione IR. In questo caso il campione solido deve essere una pellicola, indicato per l’analisi di film polimerici, mentre per i campioni liquidi è necessario l’impiego di una camera con finestre in KBr.

Riflettanza totale attenuata (Attenuated Total Reflection - ATR)

È la tecnica più utilizzata per l’acquisizione degli spettri IR in quanto veloce e non richiedendo alcuna preparazione del campione migliora la riproducibilità spettrale.

Il campione, liquido o solido, viene posto direttamente sulla superficie del cristallo ATR (materiale IR trasparente con elevato indice di rifrazione, ZnSE, ZNS, Ge, Si, diamante). Il raggio IR emesso dalla sorgente viene diretto sul cristallo ad un angolo di incidenza che permetta la riflessione totale del raggio all’interfaccia cristallo-campione. Il raggio dopo essere penetrato all’interno del campione (0.5-3μm), ed essere quindi stato attenuato per assorbimento da parte delle molecole, viene inviato al rivelatore.

In ATR è possibile lavorare su campioni solidi o liquidi in piccole quantità. Nel caso di materiali solidi con superficie non omogenea, polveri o liquidi altamente volatili in aria è necessario applicare una pressione in modo da massimizzare il contatto fra il materiale e la superficie del diamante.

Analisi gas tramite cella dei gas

I gas possono essere analizzati tramite l’utilizzo di una cella dei gas. La cella dei gas presenta un elevato cammino ottico, per la presenza di specchi all’interno della cella che permettono ripetuti riflessi della radiazione IR. All’aumentare della lunghezza è possibile analizzare concentrazioni inferiori di gas, il piccolo volume della cella garantisce uno scambio di gas efficiente ed infine la cella può essere riscaldata per prevenire la condensazione dei gas con alto punto di ebollizione.

Le possibili analisi che possono essere condotte sui campioni gassosi sono lo studio dell’inquinamento atmosferico, la determinazione della purezza del gas o la ricerca e quantificazione di composti in miscele gassose composte.

Nel laboratorio la cella dei gas è attualmente collegata ad un impianto per la conduzione di test di abuso termico su celle agli ioni di litio. La cella è collegata all’uscita del reattore tramite una transferline, anch’essa riscaldata per prevenire la condensazione dei gas, e permette di monitorare il rilascio dei gas nel tempo. Lo studio in tempo reale dell’emissione e relativa variazione delle concentrazioni è possibile tramite il software TimeBase, Perkin Elmer, che permette di effettuare acquisizioni spettrali in continuo.

Riflettanza diffusa (Diffuse Reflectance – DRIFT)

Questa tecnica richieda una preparazione del campione tramite miscelazione del campione con un’opportuna quantità di KBr (matrice trasparente alla radiazione IR). Una volta preparato il campione esso viene collocato in una coppetta, macro o micro a seconda delle quantità, e la radiazione IR viene indirizzata sul campione. La radiazione IR interagisce con le particelle e riflette sulla superficie diffondendosi nel campione. Lo specchio posto all’uscita dirige questa energia diffusa al rivelatore dello spettrometro che ne restituisce l’interferogramma. Questa tecnica permette di ottenere eccellenti dati quantitativi e qualitativi, previa un’accurata preparazione del campione.

Con questa tecnica possono essere analizzati i campioni sia organici che inorganici che possono essere ridotti in polvere sottile (meno di 10μm), come polveri morbide e miscele di polvere, compresse (ambito farmaceutico) e polimeri. Tramite la tecnica DRIFT è possibile anche ottenere campioni non per macinazione con KBr ma per abrasione con cartine di carburo di silicio. In questo modo è possibile rimuovere, per abrasione meccanica, una piccola quantità di campione da grandi superfici altrimenti non analizzabili. I principali studi possono essere condotti su vernici, compresse e materiali polimerici rigidi.