Fondamenti della spettroscopia FTIR

La spettroscopia infrarossa studia l’interazione tra la radiazione infrarossa e la materia. Si basa sulla capacità di quasi tutte le molecole di assorbire la radiazione infrarossa a specifiche lunghezze d’onda. Ogni molecola presenta proprietà di assorbimento caratteristiche, spesso legate ai suoi gruppi funzionali. Queste caratteristiche di assorbimento possono fungere da «impronta digitale» per identificare le sostanze. Uno spettrometro a infrarossi misura questi assorbimenti e produce uno spettro infrarosso, utilizzabile per identificare i composti chimici e determinarne la struttura.^[6]

Nelle analisi di routine, la regione più importante è quella del medio infrarosso, tipicamente compresa tra 4.000 e 400 cm⁻¹. 

Per approfondire questo argomento, consultare "Che cos’è la luce: una particella o un’onda?"
La radiazione elettromagnetica si propaga nello spazio, trasportando una certa quantità di energia. Questa energia è proporzionale alla frequenza di oscillazione ν, a sua volta legata alla lunghezza d’onda λ dalla velocità della luce c (Equazione 1):
 

Pertanto, un'onda luminosa (o un fotone) trasporta un'energia E tanto maggiore quanto maggiore è la frequenza o, viceversa, quanto minore è la lunghezza d'onda (Equazione 2).

Per ragioni storiche, gli spettroscopisti spesso preferiscono usare anche il numero d'onda ṽ, definito come il reciproco della lunghezza d'onda. Il numero d'onda è direttamente proporzionale all’energia del fotone (Equazione 3) ed è solitamente espresso in reciproci di centimetro (cm^⁻¹), così da ottenere valori facilmente leggibili.

La descrizione precedente si applica a un'unica onda luminosa o a un singolo fotone. Tuttavia, un fascio luminoso è composto da molte onde di frequenza diversa che si propagano nella stessa direzione. Ciascuna frequenza contribuisce al fascio con un'intensità I (ossia con un determinato numero di fotoni per unità di tempo). L'intensità di un fascio luminoso è la grandezza effettivamente misurata dal rivelatore di uno spettrometro.

La distribuzione dell'intensità alle diverse frequenze costituisce lo spettro del fascio luminoso. Solo una piccola parte di queste frequenze è percepibile dall'occhio umano (“luce visibile”). Altre regioni dello spettro comprendono le microonde, l'infrarosso, l'ultravioletto (UV) e i raggi X. Nella spettroscopia IR si impiega radiazione infrarossa (IR) per l'eccitazione.^[8],[9],[10]
 

Uno spettro infrarosso è un grafico dell’intensità misurata in funzione del numero d’onda. Quando lo spettro è rappresentato in assorbanza, i picchi sono rivolti verso l’alto e indicano le regioni in cui il campione ha assorbito la radiazione infrarossa. Quando gli stessi dati sono rappresentati in trasmittanza, i picchi sono rivolti verso il basso. Per la maggior parte delle analisi, si preferisce l’assorbanza perché fornisce la base appropriata per l’analisi quantitativa, la sottrazione spettrale e la ricerca nelle librerie spettrali. 

Ogni picco corrisponde a una vibrazione molecolare associata a un gruppo funzionale presente nella molecola. Il profilo complessivo riflette la struttura chimica del campione. Per questo motivo, la FTIR è spesso descritta come una tecnica di identificazione basata sull’impronta digitale. Al tempo stesso, l’altezza del picco è correlata alla concentrazione secondo la legge di Lambert–Beer:

 A = assorbanza 
ε = coefficiente di assorbimento (assorbività) 
l = cammino ottico 
c = concentrazione 

Questa combinazione rende la FTIR utile non solo per identificare i materiali, ma anche per misurare la concentrazione di un componente presente.
 

Uno spettrometro FTIR è costituito dai seguenti componenti:

• Sorgente di radiazione IR
• Interferometro con divisore di fascio
• Cella portacampione
• Rivelatore
• Unità di elaborazione per la trasformata rapida di Fourier

Il cuore di ogni spettrometro FTIR è un interferometro. Anziché scomporre la luce nelle sue singole lunghezze d’onda mediante fenditure e reticoli di diffrazione, il divisore di fascio dell’interferometro suddivide il fascio in due raggi, ne varia la differenza di cammino ottico tramite uno specchio mobile e quindi li ricombina. Prima di raggiungere il rivelatore, la radiazione IR attraversa il campione nella cella portacampione, dove specifiche vibrazioni molecolari assorbono radiazione a lunghezze d’onda caratteristiche. Di conseguenza, la radiazione trasmessa contiene le informazioni sull’assorbimento del campione. Il rivelatore registra il segnale variabile sotto forma di interferogramma. Un’elaborazione matematica, la trasformata di Fourier, converte questo interferogramma nello spettro corrispondente.

Nell’uso di routine, lo strumento misura prima uno spettro di fondo e poi lo spettro del campione. Calcolando il rapporto tra questi due spettri, si eliminano in larga misura i contributi strumentali e ambientali, ricavando così lo spettro del campione. Un laser integrato funge da riferimento interno per la scala dei numeri d’onda ed è una delle ragioni per cui le posizioni dei picchi FTIR sono altamente riproducibili.

Questa configurazione garantisce che più luce raggiunga il rivelatore, che tutte le lunghezze d’onda vengano misurate simultaneamente e che la scala dei numeri d’onda rimanga accurata grazie al riferimento laser.

Questi sono i motivi principali per cui gli strumenti FTIR possono offrire, nel lavoro quotidiano in laboratorio, prestazioni superiori rispetto ai sistemi IR dispersivi delle generazioni precedenti.

Perché le molecole assorbono la radiazione infrarossa?

Nella spettroscopia IR, l'assorbimento della radiazione infrarossa porta all'eccitazione delle vibrazioni molecolari. Di conseguenza, variano le lunghezze e gli angoli di legame all'interno della molecola. Si distinguono due principali categorie di vibrazioni (si veda la Figura 4)^[2]:

1. Vibrazioni di valenza (di stiramento): comportano variazioni delle lunghezze di legame tra gli atomi.

   • Stiramento simmetrico: tutti gli atomi coinvolti si avvicinano o si allontanano simultaneamente
   • Stiramento asimmetrico: un atomo si avvicina a un altro, mentre l’altro si allontana

    

2. Vibrazioni di deformazione (flessione): comportano variazioni degli angoli di legame.
   • Vibrazione a forbice: due atomi si avvicinano o si allontanano senza che le lunghezze di legame cambino
   • Vibrazione di wagging: gli atomi oscillano avanti e indietro nello stesso piano
   • Vibrazione di rocking: il movimento avviene al di fuori del piano molecolare
   • Vibrazione di twisting: moto rotatorio attorno a un asse di legame

Numero di gradi di libertà

Il caso più semplice è rappresentato da una molecola biatomica, come l’ossigeno molecolare (O₂), l’azoto (N₂) o il monossido di carbonio (CO). Queste molecole presentano un solo grado di libertà vibrazionale lungo l’asse di legame, poiché i due atomi possono muoversi l’uno rispetto all’altro soltanto modificando la distanza che li separa. Questo movimento è chiamato vibrazione di stiramento, o di valenza.^[3] Nelle molecole poliatomiche, il maggior numero di atomi consente ulteriori modi vibrazionali indipendenti. Questi sono detti modi normali. Il numero di questi modi normali dipende dai movimenti possibili di ciascun atomo. Ogni atomo ha tre gradi di libertà, corrispondenti al movimento nelle tre direzioni spaziali. Una molecola composta da N atomi possiede quindi complessivamente 3N gradi di libertà.^[3],[4] Poiché gli atomi di una molecola sono collegati da legami chimici, non possono muoversi in modo completamente indipendente. Tuttavia, la molecola non è un corpo rigido, per cui sono possibili movimenti relativi tra gli atomi. Di conseguenza, i gradi di libertà complessivi di una molecola possono essere suddivisi come segue^[4]:

• Tre gradi di libertà sono associati alla traslazione (ossia al movimento dell’intera molecola nelle direzioni x, y e z);
• Due gradi di libertà (nelle molecole lineari) o tre (nelle molecole non lineari) sono associati alla rotazione attorno agli assi spaziali;
• I restanti gradi di libertà sono associati al moto vibrazionale degli atomi all’interno della molecola. Di conseguenza, le molecole lineari hanno 3N−5 modi vibrazionali, mentre le molecole non lineari ne hanno 3N−6 [5].

Un esempio è l’anidride carbonica (CO₂), una molecola lineare composta da tre atomi. Presenta quindi 3 × 3 − 5 = 4 modi vibrazionali, tra cui le vibrazioni di stiramento simmetrico e asimmetrico, nonché due vibrazioni di deformazione: una nel piano e una fuori dal piano del disegno. Al contrario, la molecola dell’acqua (H₂O), che è non lineare, è anch’essa composta da tre atomi, ma presenta 3 × 3 − 6 = 3 modi vibrazionali.

Tipi di vibrazioni e loro effetti nella regione di assorbimento

Il gruppo carbonilico è un gruppo funzionale molto comune in chimica e, grazie al suo momento dipolare permanente, dà origine a bande molto caratteristiche dovute alla vibrazione di stiramento del legame C=O. Il numero d’onda di questa banda (o di queste bande) è fortemente influenzato dall’ambiente chimico del gruppo carbonilico. Gli effetti di delocalizzazione possono modificare la forza del legame C=O, causando uno spostamento della banda IR. Gli intervalli tipici di numero d’onda per i vari gruppi funzionali sono riportati nella Tabella 2 e nella Figura 6.^[9]

Tabella 2: Panoramica delle principali vibrazioni.[9]

Uno dei grandi vantaggi della spettroscopia FTIR è che i metodi di campionamento di routine richiedono una preparazione minima del campione. 
I tre principali metodi di campionamento sono:

• Trasmissione
• Riflessione totale attenuata (ATR)
• Riflettanza speculare e spettroscopia infrarossa in riflettanza diffusa con trasformata di Fourier (DRIFTS)

Trasmissione

I metodi in trasmissione sono considerati molto affidabili, poiché consentono di ottenere spettri di elevata qualità, con linea di base piatta e bande ben definite. Si prestano inoltre a un'ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, il loro principale limite è legato all'opacità del campione: deve essere sufficientemente sottile o diluito, in modo da non assorbire né troppa né troppo poca radiazione. 

Per i solidi si utilizzano spesso pastiglie di KBr pressate, mentre per i liquidi si impiegano celle di trasmissione con cammini ottici compresi tra 25 µm e 200 µm. Per i gas sono necessarie celle a gas dedicate, con cammini ottici molto più lunghi, da 5 cm a 20 m.^[1]

ATR

La riflessione totale attenuata (ATR) è diventata la tecnica di campionamento FTIR di uso generale più diffusa, poiché consente di misurare solidi, polveri e liquidi senza alcuna preparazione del campione. 

Nell'ATR, il fascio infrarosso subisce una riflessione totale interna in un cristallo, generando un'onda evanescente che penetra nel campione solo per pochi micrometri. 

L'ATR con cristallo di diamante è estremamente versatile, perché il diamante è resistente agli agenti chimici, meccanicamente robusto e altamente resistente ai graffi. Per le analisi di routine, l'ATR con cristallo di diamante è spesso la prima tecnica da considerare.^[6]
 

DRIFTS e riflettanza speculare

Per polveri e solidi con superficie ruvida, la riflettanza diffusa (DRIFTS) può essere una soluzione efficace. Per superfici metalliche lisce o rivestimenti su metalli lucidi, possono invece risultare indicati la riflettanza speculare e i metodi in riflettanza-assorbanza. Queste tecniche possono ridurre i tempi di preparazione del campione, ma in genere sono più sensibili alle caratteristiche superficiali e possono generare spettri più rumorosi rispetto a misure in trasmissione di elevata qualità.

In generale, la regola pratica più utile è semplice: per solidi, polveri, polimeri, liquidi e semisolidi, l’ATR è di norma la prima scelta; per i gas, le celle a gas in trasmissione restano l’approccio standard.^[1]