Introduzione alla spettroscopia NIR
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Introduzione alla spettroscopia NIR
Introduzione alla spettroscopia NIR Elena Tamburini Dipartimento di Chimica UNIVERSITA’ di FERRARA [email protected] Era il 17 marzo del 1800 quando l’astronomo Sir William Herschel dimostrò l’esistenza della radiazione infrarossa… CEREALI: Proteine Umidità Grassi Fibre LATTE: Grassi Proteine Controllo di processo TE’: Caffeina Aminoacidi, Polifenoli Alcaloidi MIELE: Qualità Adulterazioni Origine PANE-FARINA: Proteine Umidità Forza Resa in farina “Maltabilità” CARTA-LEGNO: Ceneri Sostanza secca Invecchiamento del legno LANA/FIBRE TESSILI: Qualità delle fibre Diametro delle fibre Resa in lanolina FARMACI: Monitoraggio delle materie prime Analisi dei principi attivi Proprietà chimico-fisiche Droghe Contraffazioni VINO: Zuccheri Acidità Alcol Glicerolo Identificazione dei ceppi fermentanti VERDURA-FRUTTA: Sostanza secca (Brix) Acidità Grado di difettività CARNE: Proteine Grassi Umidità Adulterazioni Qualità OLIVE-OLIO: Qualità Adulterazione Acidità PASTA-RISO: Contenuto in amido Cuocibilità Varietà FORAGGIO: Fermentabilità Fibre, proteine, zuccheri Azoto Acidi grassi volatili Presenza di residui animali ZUCCHERO: Umidità Sostanza secca Analisi sottoprodotti CAFFE’: Caffeina Varietà CARBURANTI: Numero di ottani Benzene Zolfo Densità Contenuto di biofuels SUOLO: Mappatura Fertilizzazione Analisi ambientali C/N Anioni SPETTROSCOPIA ASTRONOMICA: Atmosfera delle stelle Età delle stelle Astrobiologia MEDICINA: Infarto Arterosclerosi Tumori 1- il tempo di analisi è sotto il secondo 2- si possono analizzare contemporaneamente più analiti 3- nella maggior parte dei casi non è necessaria alcuna preparazione del campione 4- è possibile eseguire analisi non invasive e non distruttive 5- il costo dell’analisi è molto basso 6- l’impatto ambientale è basso 7- dagli spettri possono essere dedotte proprietà fisiche, effetti biologici e informazioni strutturali delle molecole 8- gli algoritmi permettono correzioni automatiche delle interferenze, tipo effetto matrice, linea di base, scattering 9- limite di rivelabilità è basso e range di concentrazione alto 10- alto livello di automazione raggiunto, ne consente l’uso anche a personale non specializzato 1- tecnica predittiva e non determinativa 2-bande allargate, sovrapposte e difficilmente attribuibili a legami specifici 3- segnale di intensità debole fino a 1000 volte rispetto ai segnali ottenibili lavorando nell 4- indispensabile utilizzo di algoritmi chemiometrici per estrarre dagli spettri le informazio analitiche La Teoria … Spettroscopia Scienza che studia l’interazione fra radiazione elettromagnetica e materia λ ν Radiazione elettromagnetica λν = c = 3 x 108 m s-1 Ephoton = hν h=6.6 x 10-34Js 2500 4000 radiazione 800 nm 12500 cm-1 materia eccitazione di Nuclei Elettroni Atomi Molecole Energia Livelli di energia ROTAZIONALE VIBRAZIONALE ELETTRONICA far IR-Microwave NIR-mid IR UV-VIS ETOTALE = EROTAZIONALE + EVIBRAZIONALE + EELETTRONICA C H \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\\/\/\/\/\/\/\//\/\/\/\\/\/\/\/\/\ \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ Energy Bond length C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H repulsion Energy Bond Length C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ /////// H repulsion resistance Energy Bond Length C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H SNAP \\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ / / / / / Oscillatore armonico classico Energy Legge di Hooke F=-kx Bond Length C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H m1 m2 m1m2 µ= m1 + m2 1 ν= 2π k µ Energy Eυ = (V + ½) hυ V = 0, 1, 2, 3, …. Bond Length ∆υ = ± 1 C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H Regole di selezione Se le vibrazioni sono ARMONICHE, c’è una sola frequenza vibrazionale OSCILLATORE AN ARMONICO Energy Bond Length C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H SNAP \\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ / / / / / C H N atomi H 3N-6 modi vibrazionali C \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H C ’ \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\ H 3°/4° overtoni + bande di combinazione Chemiometria Informazioni qualitative e quantitative La Pratica … La radiazione riflessa trasmessa assorbita Trasmittanza Riflettanza I0 I0 It Transflettanza Itf I0 Ir TRASMITTANZA I0 It Legge di Lambert-Beer A = log 1/T = Ka c l Ka = coefficiente di estinzione molare c = concentrazione l = cammino ottico T = It/Io RIFLETTANZA I0 Ir Legge di Kubelka-Munk f(R∞) = Kr / s R∞ = Riflettanza assoluta Kr = coefficiente di assorbimento s = coefficiente di dispersione R = Ir/I0 TRANSFLETTANZA Era il 17 marzo del 1800 quando l’astronomo Sir William Herschel dimostrò l’esistenza della radiazione infrarossa… 1880 W. Abney & E.R. Festing 1902 W. W. Coblentz 1950-60 W. Kaye 1960 - 70 Karl Norris 100000 24607 13780 Numero di pubblicazioni (scala logaritmica) 10000 1975 1000 152 100 10 3 23 23 1950-59 1960-69 4 1 1930-39 1940-49 1970-79 Anno 1980-89 1990-99 2000-07 International Near Infrared Spectroscopy Conference International Diffuse Reflectance Conference (IRDC) Chambersburg (Pennsylvania, USA) PITTCON conference and expo – Pittsburgh conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy Simposio Italiano di Spettroscopia NIR