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