La spettroscopia di assorbimento infrarosso - il cui acronimo FTIR deriva dall’inglese Fourier Transform Infrared Spectroscopy – è una tecnica analitica ampiamente impiegata per l’identificazione di materiali organici e, in alcuni casi, inorganici.

La regione dello spettro infrarosso comprende i numeri d’onda¹ nell’intervallo 14000-20 cm^-1 e viene usualmente distinta in tre parti: vicino infrarosso (14000-4000 cm-1), medio infrarosso (4000-500 cm^-1) e lontano infrarosso (500-20 cm^-1). In Figura 1 è riportata la rappresentazione delle regioni principali dello spettro elettromagnetico con l’esempio di uno spettro FTIR raccolto nella regione del medio infrarosso.

Fig. 1 - Regioni spettrali della radiazione elettromagnetica con espansione della regione infrarossa. In alto è riportato un tipico spettro IR [I].

¹ L’energia dello spettro elettromagnetico è rappresentata da funzioni d’onda periodiche definite da ampiezza, frequenza e lunghezza d’onda. L’ampiezza è l’altezza dell’onda (intensità), la frequenza n è il numero di oscillazioni per unità di tempo (cicli per secondo) e la lunghezza d’onda l è la distanza tra due massimi successivi. Il numero d’onda n è definito come il numero di onde per unità di lunghezza (in cm-1), cioè 1 / l.

La tecnica FTIR misura l’intervallo di lunghezze d’onda facenti parte della regione dello spettro infrarosso che viene assorbito dal materiale. L’assorbimento della radiazione infrarossa produce nelle molecole dei moti vibrazionali caratteristici definiti come stretching (stiramento) e bending (piegamento). Come illustrato in Figura 2, lo stiramento è il risultato di una continua variazione delle distanze di legame tra due atomi e può essere simmetrico o antisimmetrico; il piegamento, invece, si riferisce alla modifica dell’angolo di legame sullo stesso piano o fuori dal piano su cui sono situati gli atomi considerati. L’apporto di energia necessario per produrre ciascun tipo di moto vibrazionale dipende direttamente dalla forza e dalla polarità dei legami tra gli atomi della molecola analizzata.

La principale applicazione della spettroscopia FTIR riguarda l’analisi qualitativa di composti organici. Ogni composto organico, infatti, presenta uno spettro infrarosso caratteristico che dipende dalla corrispondente struttura molecolare. Un comune metodo di interpretazione di spettri FTIR consiste nel considerare due regioni spettrali del medio infrarosso: la zona dei gruppi funzionali² (4000-1250 cm-1) e la zona caratteristica detta impronta digitale (1250-700 cm-1).[II] La combinazione tra l’interpretazione della regione dei gruppi funzionali e il confronto della regione caratteristica con quelle contenute in librerie spettrali fornisce, nella maggior parte dei casi, l’evidenza sperimentale sufficiente ad identificare un composto.

² In chimica organica è detto gruppo funzionale una parte della struttura di una molecola caratterizzata da specifici elementi e da una struttura ben precisa, che conferisce al composto una reattività tipica e simile a quella di altri composti contenenti lo stesso gruppo. Tra i gruppi funzionali più comuni ci sono il gruppo idrossilico (-OH) presente negli alcoli, il gruppo estereo (-COOR in cui R è un gruppo alchilico tipo il metile CH3) e quello carbossilico (-COOH).

In Figura 3 è riportato lo spettro FTIR di un composto polimerico molto comune, il polietilene. La risposta del detector è rappresentata nello spettro come assorbanza³ in ordinata, mentre la frequenza è indicata come numero d’onda (cm^-1) in ascissa. La risposta del detector è proporzionale all’intensità della radiazione IR che raggiunge il detector dopo aver attraversato il campione, quindi indica il grado di interazione della radiazione IR con il campione polimerico. L’assorbanza presenta dei massimi, denominati bande di vibrazione, che indicano la presenza di gruppi -CH₂- (stretching asimmetrico a 2921.4, stretching simmetrico a 2851.1, scissoring a 1467.5 e rocking a 725.1 cm-1). La posizione delle bande di vibrazione caratterizza inequivocabilmente il polietilene la cui struttura chimica, H(-CH₂-CH₂-)nH, presenta catene di gruppi funzionali -CH₂-.

³ L’assorbanza è l’unità di misura della radiazione infrarossa assorbita da un campione ed è definita dall’equazione A=log I₀/I, dove I₀ è l’intensità della radiazione incidente e I quella della radiazione trasmessa attraverso il campione. I valori di A variano tra 0 (assorbimento nullo = trasmissione totale) e 1 (assorbimento totale = trasmissione nulla) a seconda della frequenza della radiazione.

Per quanto riguarda la zona dei gruppi funzionali sono disponibili dati tabulati noti col nome di tavole di correlazione che riassumono gli intervalli di frequenze degli assorbimenti per specifici gruppi funzionali [IV,V]. Inoltre, alcuni siti internet forniscono l’accesso gratuito alle loro banche dati che è possibile utilizzare per svolgere una ricerca delle bande di vibrazione incognite [VI,VII].

Nei casi più complessi, tuttavia, la spettroscopia infrarossa può necessitare la combinazione con altri metodi analitici come la spettrometria di massa, la risonanza magnetica nucleare e l’analisi elementare per identificare inequivocabilmente una sostanza.

ANALISI QUANTITATIVA

Le tecniche di assorbimento infrarosso trovano una particolare applicazione per l’analisi quantitativa di un gran numero di inquinanti atmosferici. Con l’eccezione delle molecole omonucleari, infatti, tutte le specie molecolari organiche e inorganiche assorbono nella regione infrarossa. Inoltre, l’unicità dello spettro infrarosso arriva ad un tale grado di specificità che è uguagliato o superato solo da pochissimi altri metodi [II].

Per poter ottenere un’analisi quantitativa affidabile di una miscela di composti qualsiasi si devono verificare le seguenti condizioni:

1. l’identificazione delle specie presenti deve essere esaustiva

2. almeno una delle bande di vibrazione relative a ciascun componente di cui si desidera quantificare la concentrazione deve essere isolata e definita

3. è auspicabile che non si verifichino deviazioni dalla legge di Lambert-Beer.
Secondo la legge di Lambert-Beer l’assorbanza A è direttamente proporzionale alla concentrazione c (espressa in mol/L) della specie assorbente contenuta nel campione (solido, liquido o gassoso):

A = ebc = log l₀ / l

dove e è una costante di proporzionalità chiamata coefficiente di assorbimento molare e b la lunghezza del cammino percorso dalla radiazione attraverso il campione.
La validità di questa legge consente di costruire delle rette di taratura rappresentate con i valori di assorbanza in funzione di concentrazioni note da cui si determina la concentrazione di campioni incogniti.

CAMPI DI APPLICAZIONE E METODI

La versatilità dei metodi di analisi IR consente di poter scegliere quello più opportuno per l’applicazione desiderata. Infatti, a seconda della tecnica prescelta, possono essere analizzati campioni in qualsiasi stato fisico, organici o inorganici, cristallini o amorfi. In Tabella 1 sono indicati i metodi IR più opportuni per analisi nel settore ambientale, nel controllo qualità di prodotti industriali di ogni tipo e nella ricerca scientifica in genere.

VANTAGGI DELLA SPETTROSCOPIA INFRAROSSA

Come evidenziato in precedenza i vantaggi della spettroscopia IR sono numerosi e vengono di seguito riassunti:

a. necessità di ridotte quantità di campione per l’analisi (non distruttiva);

b. possibilità di analizzare il campione tal quale;

c. velocità nell’effettuare l’analisi;

d. analisi qualitative ma anche quantitative a seconda del tipo di miscela;

e. analisi di composti in qualsiasi stato fisico; solidi (cristallini, microcristallini o amorfi), liquidi e gassosi;

f. informazione strutturale utile per l’immediato riconoscimento di ampie classi di composti organici e inorganici.

BIBLIOGRAFIA

I. M.R. Derrick, D. Stulik, J.M. Landry, Infrared Spectroscopy in Conservation Science, The Getty Conservation Institute, Los Angeles, 1999.

II. D.A. Skoog, J.J. Leary, Chimica analitica strumentale, EdiSES, Napoli, 1995.

III. Hummel Polymer Sample Library, Fourier Transform Infrared Spectral Library by Thermo Nicolet Corporation.

IV. G. Socrates, Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies: Tables and Charts, 3rd edition, 2004. (Acquistato ma non ancora ricevuto)

V. R.M. Silverstein, F.X. Webster, and D.J. Kiemle, Spectrometric Identification of Organic Compounds, 7th edition, Wiley, 2005. (Acquistato ma non ancora ricevuto)

VI. Spectral Database for Organic Compounds: http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/ (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan).

VII. http://www.spec-online.de/