Chimica analitica - tecniche spettroscopiche

UV

Transizioni n : hanno luogo nel vicino UV in composti contenenti doppi legami e

 π *

elettroni di non legame (es. N=O, C=O, N=N)

Transizioni : transizioni molto

π  π*

intense che hanno luogo nel vicino UV in

sistemi con doppi legami C=C o

contenente eteroatomi. L’intensità e la

lunghezza d’onda della transizione

aumentano per doppi legami coniugati (polieni, dichetoni, aromatici…). Sistemi di

coniugazione molto estese possono assorbire radiazione visibile

Transizioni d-d e per trasferimento di carica: nel visibile, in complessi di metalli di

transizione (orbitali d parzialmente riempiti). Le d-d riguardano la transizione tra due orbitali

atomici d del metallo, quelle per trasferimento di carica il passaggio di un elettrone da un

orbitali d del metallo ad un orbitale di un legante o viceversa (MnO4- o CrO4-).

Gli spettri nel visibile sono dovuti agli elettroni di legame più o meno ampiamente

π

delocalizzati. Infatti se in una molecola sono presenti doppi legami coniugati, si verifica una

delocalizzazione elettronica con conseguente diminuzione energetica tra un livello e l’altro:

per effettuare transizioni occorreranno quindi radiazioni di minor energia, quali ad esempio

quelli del campo vivibile. Cromoforo: gruppo funzionale insaturo responsabile di

 un assorbimento situato nella regione delle lunghezze

d’onda comprese rta 200 e 800nm (UV-Vis)

Auxocromo: gruppo che estende la coniugazione di un

 cromoforo condividendo elettorni liberi (es. -OH, -NH2,

-Cl), ne influenzano la lunghezza d’onda e intensità di

assorbimento

Questo esempio di spettro UV-Vis di un’aldeide insatura ci fa vedere l’estesa

α-β

coniugazione che fa sì che si abbia una banda di assorbimento nel visibile.

Regole empiriche:

Se lo spettro di un composto esibisce una banda di assorbimento ad

- intensità bassa nella regione 270-350 nm, e nessun altro assorbimento

sopra i 200 nm, il composto contiene solo un cromoforo non coniugato

con elettroni n (transizione n ) es: C=O nell’acetone

π*

Se lo spettro mostra molte bande anche nel visibile, il composto

- contiene probabilmente catene coniugate o gruppi aromatici. Es.

benzene

Se il composto è colorato possono esistere almeno 4,5 cromofori

- coniugati e gruppi auxocromi (con l’eccezione di alcuni nitro-, azoto-,

diazo-, e nitroso-composti che sono colorati)

Anche ci dà delle informazioni sul tipo di composto:

ε Un valore tra 10000 e 20000 generalmente rappresenta un chetone

- α,β-

insaturo o un diene

Un valore tra 1000 e 10000 normalmente mostra la presenza di un

- gruppo aromatico. Se questo ha dei gruppi funzionale, possono

comparire bande con > 10000 ed altre con <1000

ε ε

Un valore minore di 100 rappresentano transizioni n

- π*.

Spettrofotometro UV-Vis Negli spettrofotometri commerciali

si ha = 200-800 nm, comprendente

λ

visibile e parte dell’UV. Sotto i

200nm si avrebbe forte

assorbimento da parte dell’aria, quindi si dovrebbe lavorare in atmosfere di N2, o sotto vuoto

spinto. Uno spettrofotometro è costituito da:

Sorgente: da cui prende origine la radiazione policromatica diretta sul

- campione. Negli strumenti che misurano la luce ultravioletta e visibile

sono presenti due diverse lampade, in modo che la sorgente copra

l’intervalli da 200- 800 nm:

Visibile : lampada a incandescenza a filamento di

• tungsteno; il filamento, reso incandescente dal

passaggio di corrente elettrica, emette uno spettro

continuo di luce.

UV

: lampada a scarica di deuterio; la corrente

• elettrica passa attraverso un gas (deuterio): dalla

collisione degli elettroni con gli atomi di gas si ha

eccitazione a livelli energetici più elevati e

conseguente decadimento ai livelli iniziali

mediante emissione di luce

Nelle lampade più moderne abbiamo lampade allo Xenon, in grado

coprire tutto l’intervallo UV-Vis.

Monocromatore: è il sistema ottico per disperdere la luce

- policromatica in bande monocromatiche, inviate poi in successione sul

campione. Il fascio policromatico inside su un oggetto in grado di

deviare le diverse radiazioni con diversi angoli: la radiazione uscente

sarà quella che passa attraverso la fenditura di uscita:

Il prisma è in grado di disperdere le radiazioni con

• diversa lunghezza d’onda grazie al fenomeno della

rifrazione;

I reticoli svolgono la stessa funzione del prisma,

• ma basandosi sulla riflessione. Costituiti da una

serie di solchi o fenditure parallele tracciati su una

superficie lucida a distanza ravvicinata (superficie

di un CD)

Cella portacampione: contiene il

- campione da esaminare; questo,

generalmente in soluzione, viene

introdotto in questi contenitori che sono

chiamati cuvette, che possono essere di

plastica, vetro e quarzo. Ma nell’UV assorbono il vetro e la plastica!

Negli spettrofotometri a doppio

raggio sono presenti due celle,

una contenente il campione,

laltra contenente il solo solvente,

di riferimento. Questo deve

essere trasparente nella regione UV-Vis e inerte nei confronti del

soluto.

Rivelatore: dispositivi capaci di produrre un segnale elettrico che

- dipende dall’energia delle radiazioni che lo investono. Questo segnale

viene poi trasferito a un indicatore analogico o elaborato per via

elettronica in modo più o meno complesso. Spesso è un tubo

fotomoltiplicatore, che misura il numero di fotoni della radiazione

convertendoli in segnale elettrico. Questo segnale viene poi

opportunamente amplificato e un amperometro ne rivela l’intensità,

trasponendolo in un segnale da 0 a 100. Ponendo pari a 100 il segnale

in assenza del campione, otteniamo la trasmittanza e da questa

l’assorbanza: T=I/I0 A=log(1/T)=log(I0/I)

Esistono vari tipi di spettrofotometri:

Spettrofotometro a monoraggio usati solo per analisi quantitative

- Spettrofotometri a doppio raggio, per analisi quali/quantitative. Si ha

- un sistema che invia due raggi, identici per frequenza e intensità, uno

attraverso un campione e l’altro attraverso il bianco, per cui si ha un

confronto continuo tra l’assorbanza del campione e del bianco. Si

possono effettuare misure a qualsiasi lunghezza d’onda e senza

ripetere azzeramenti, quindi preferibile per le applicazioni qualitative

Spettrofotometri a serie di diodi, strumenti UV in cui il rivelatore è

- costituito da un chip con centinaia di fotodiodi allineati, ognuno dei

quali misura la particolare banda si radiazione inviatagli dall’elemento

disperdente. Non hanno una risoluzione elevata, ma presentano pero

una caratteristica notevole: registrano simultaneamente tutto lo spettro.

Si registra in tempo reale, secondo per secondo, l’intero spettro della

miscela in uscita.

Spettroscopia UV nell’analisi

farmaceutica

È un buon metodo per l’analisi quantitativa, ci permette di:

Determinare il pKa dei farmaci

- Determinare la loro solubilità

- Determinare la velocità di rilascio di un farmaco da una formulazione

- (test di dissoluzione)

Monitorare la cinetica di degradazione di un farmaco

-

Inoltre è un metodo riconosciuto dalla farmacopea ufficiale (analisi qualitativa)

VANTAGGI: metodo facile, attendibile ed economico per l’analisi quantitativa, metodo di

routine usato per la determinazione delle proprietà chimico-fisiche dei farmaci. LIMITI: non

applicabile all’analisi di miscele.

Analisi quantitative: l’assorbimento di radiazioni elettromagnetica monocromatica da parte

di una soluzione può essere sfruttato per determinare la concentrazione della soluzione

grazie alla legge di Lambert-Beer. L’assorbanza della soluzione è direttamente

proporzionale alla concentrazione della specie assorbente. Se si conosce la costante ,

ε

caratteristica della specie in esame, si può si puo ricavare c, misurando A. Questa legge

però è valida solo per soluzioni molto diluite! Per questo le condizioni di lavoro prevedano

che le soluzioni siano sempre diluite al massimo, compatibilmente con la sensibilità dello

strumento, per avere valori accettabili di assorbanza, inoltre le radiazioni che devono

attraversare la soluzione in esame devono essere monocromatiche. Si usano quindi fasci di

radiazioni comprendenti una banda molto ristretta dello spettro, ossia fasci quasi

monocromatici. Verrà scelta una lunghezza d’onda in modo che:

L’assorbimento sia massimo, per motivi di sensibilità, in modo da

- rilevare quantità piccolissime di sostanza

Sia al centro di un picco ‘largo’, per motivi di precisione, in modo che

- piccole variazioni di lunghezza d’onda comportino minimi errori sulla

misura dell’assorbanza

Calcolo della concentrazione di una soluzione attraverso la legge di Lambert-Beer

Metodo della retta di taratura: nel caso non si conosca Si

ε.

preparano diverse soluzioni a concentrazione nota e crescenti

della sostanza da analizzare. Riportando su un grafico

A/Concentrazione i valori di assorbanza letti sullo

spettrofotometro si deve ottenere una retta passante per l’origine

(A= xC). Poi si misura l’assorbanza del campione a

ε

concentrazione incognita e con l’aiuto del grafico per l’interpolazione si ottiene la

concentrazione corrispondente a quel valore.

Analisi qualitative: si fa uso di raggi policromatici a spettro continuo, poi separati tramite

monocromatori nelle varie componenti. Queste radiazioni monocromatiche si fanno poi

passare una alla volta attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà con differente

intensità le diverse radiazioni. Si riportano i valori registrati in un grafico lunghezza

d’onda/assorbimento e si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. Avendo

ogni sostanza il suo spettro di assorbimento, l’esame di tali spettri permette di identificare

una sostanza ed il suo grado di purezza. Le tecniche migliori rimangono comunque la

spettroscopia infrarossa, e soprattutto la risonanza magnetica nucleare.

SPETTROSCOPIA DI FLUORESCENZA

La fluorescenza è quel fenomeno per cui una molecola colpita da una radiazione luminosa

ad una certa lunghezza d’onda ( di eccitazione) ne emette un’altra a lunghezza d’onda

λ

superiore ( d’emissione). La dissipazione dell’energia che la molecola ha ricevuto dal

λ

quanto può avvenire in due modi:

La molecola trasferisce l’eccesso di energia all’intorno con un processo non

1. radiativo. Attraverso gli urti con altre molecole o attraverso moto che avvengono nei

solidi, l’energia emessa sotto form