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Composizione: spettroscopia

SPETTROSCOPIA UV-Visibile-NIR

La spettroscopia UV-Visibile è una delle tecniche più classiche di analisi spettroscopica di una sostanza. Può essere applicata a tutti i materiali sotto forma di gas, liquidi o solidi; per questo motivo le considerazioni specifiche vanno effettuate caso per caso. L'analisi può essere di tipo qualitativo e quantitativo.

Preparazione del campione

Proprio perchè la tecnica si presta all'analisi di tutti i tipi di campioni, la cura ed il tempo spesi per la preparazione del campione possono dipendere molto dal campione e del tipo di analisi desiderata. Un'analisi quantitativa richiede sempre una calibrazione messa a punto preliminarmente ed una notevole precisione nella preparazione. In questo caso la preparazione rappresenta il 98% dell'analisi. Per una misura qualitativa in riflettanza su un campione solido, praticamente non è necessaria alcuna preparazione; per contro l'intepretazione del dato può essere molto laboriosa se non quasi impossibile.

Strumentazione

Gli strumenti dispersivi UV-Visibile coprono generalmente il range 190-900 nm e sono i più utilizzati; possono avere un costo anche molto contenuto. Se invece vi è la necessità di ampliare il range spettrale nel NIR, il costo aumenta considerevolmente, ma il range è di solito 190-3000 nm. Per l'analisi di campioni in riflettanza è necessaria una sfera integratrice come accessorio.

Misura

Gli spettri UV-Visibile e UV-Visibile-NIR sono mediamente di difficile interpretazione e scarsamente selettivi. Per questo, a parte alcuni casi, non è la tecnica preferibile per il riconoscimento di campioni incogniti; la spettroscopia infrarossa è decisamente più adatta.

L'UV-Visibile può essere molto utile per la quantificazione di sostanze, specie se disciolte in un liquido o in un gas. La valutazione va fatta caso per caso e preventivamente.

SPETTROSCOPIA INFRAROSSA (FTIR)

La tecnica di spettroscopia infrarossa è la più usata per il riconoscimento di sostanze incognite ed offre, in molti casi, possibilità di analisi quantitativa. È applicabile su quasi ogni tipo di campione in maniera sempre più semplice mediante accessori opportuni. Consente anche l'analisi a livello microscopico su campioni o parti di campione delle dimensioni fino a 1 micron. Gli spettri possono essere ottenuti a qualsiasi temperatura e pressione con accessori opportuni. Il tempo di analisi è brevissimo con l'utilizzo di strumenti a trasformata di Fourier (FTIR, ormai quasi tutti); maggiore è il tempo di preparazione del campione, soprattutto in caso di analisi quantitative. L'analisi on-line di processo è possibile solo in alcuni casi.

Preparazione del campione

Gas: esistono celle per gas facilmente utilizzabili; l'analisi è sempre sia qualitativa che quantitativa.

Liquidi: esistono diversi metodi di analisi, dalla deposizione su un supporto, alla cella calibrata da liquido, all'analisi in riflettanza; vanno valutate a seconda delle esigenze.

Solidi: il metodo di campionamento di un solido può essere molto diverso; un campione può essere filmato tal quale e analizzato in trasmittanza o in riflettanza, oppure inglobato in matrici trasparenti, oppure, con accessori opportuni, analizzato in riflettanza senza preparazione alcuna.

In generale, si deve sviluppare una certa manualità per ottenere spettri di ottima qualità; esistono 'trucchi' diversi sulla preparazione del campione che migliorano notevolmente il dato e consentono di ottenere analisi quantitative anche dove sembra impossibile.

L'accessoristica relativa alla preparazione è sempre necessaria.

Strumentazione

La scelta sulla strumentazione è molto ampia ma, proprio per questo, andrebbe effettuata sotto la guida di esperti del settore per soddisfare le esigenze specifiche senza sostenere costi inutili (è inutile pensare ad un microscopio FTIR se non lo utilizzeremo mai!). Per gli accessori il discorso è altrettanto valido, con l'attenuante che i prezzi sono solitamente un po' più contenuti. Per molte applicazioni la possibilità di avere una libreria di spettri il più ampia possibile nel settore di interesse è un fattore importante. La cura della strumentazione è fondamentale per la sua durata. È consigliabile un ambiente a temperatura ed umidità standard ed un flussaggio con gas inerte o aria secca. Uno strumento compatto, semplice, flessibile, con risoluzione fino a 1 cm-1 e una libreria di spettri adeguata possono essere comunque una buona base di partenza. Per la preparazione sono utili una pressetta riscaldabile, una pastigliatrice per KBr, un mortaio con pestello in agata, del Kbr in polvere, qualche vetrino di KBr, una cella da liquidi ed una da gas.

Misura

La misura generalmente è composta da:

preparazione del campione: rappresenta dal 20% al 99 % della qualità del risultato.
misura: di solito l'1% dell'analisi (basta qualche click di mouse e conoscer il software del proprio strumento)
interpretazione dei dati: dal 20% al 99% della correttezza del risultato.

Per quanto riguarda la misura, la maggior parte della cura va riposta nel buon mantenimento della strumentazione e nel suo controllo periodico.

SPETTROSCOPIA NIR

Gli spettrometri dedicati NIR hanno applicazioni specifiche ma consentono comunque analisi qualitative e quantitative di routine anche in ambienti difficili come controllo di processo on-line mediante sonde lunghe anche decine o centinaia di metri.
In questo caso la calibrazione è la base della misura, ma è preventivamente necessaria la valutazione dell'applicabilità della tecnica alle esigenze: non tutto è misurabile col NIR.

SPETTROSCOPIA RAMAN

La spettroscopia Raman può fornire un numero elevatissimo di informazioni paragonabile a quelle ottenibili con la spettroscopia infrarossa. Alcuni punti chiave:

aspetti positivi:

  1. Il campione non necessita di alcuna preparazione e viene analizzato tal quale.
  2. Gli spettri Raman sono ricchissimi di informazioni
  3. Gli spettri Raman possono essere eseguiti anche on-line ed in condizioni difficili, con sonde remote lunghe anche centinaia di metri. È possibile utilizzare spettrometri portatili per l'esecuzione di misure "in situ".

aspetti negativi:

  1. È una tecnica non ancora molto diffusa: esistono pochissimi specialisti ed alcuni strumenti soffrono ancora di 'artigianalità'.
  2. Non applicabile in presenza di fluorescenza (da verificare sui propri materiali).

Preparazione del campione

Praticamente nessuna. Di conseguenza non vi è bisogno di nessun accessorio particolare.

Strumentazione

La strumentazione si divide in Raman convenzionale e FT-Raman, che può essere usato anche come accessorio di un FTIR. In generale ha costi elevati e la scelta è senza dubbio inferiore rispetto agli spettrometri infrarossi. Non vi sono parti igroscopiche come per gli strumenti FTIR e quindi non è richiesto condizionamento particolare. L'uso della strumentazione richiede però personale ben addestrato.

Misura

Con gli attuali array CCD la misura è diventata veloce, come per gli FTIR. La prearazione del campione è nulla, l'interpretazione degli spettri è tuttavia materia da specialisti, anche a causa della scarsa disponibilità di librerie di spettri Raman. È quindi necessaria un'analisi preventiva per l'applicabilità della tecnica alle esigenze di chi ha interesse ad un suo utilizzo.

Spettrometria di massa

Non si basa, come le precedenti, su interazione di radiazione elettromagnetica con la materia, tuttavia si parla di spettri di massa in quanto misura una serie di segnali dovuti alle masse dei componenti analizzati. Può essere molto utile nell'identificazione di sostanze incognite ed è una tecnica sensibilissima anche per quantità minime di sostanza. Si presta quindi alla messa a punto di metodi quantitativi di rivelazione di tracce: le metodiche sono però ben definite e conviene informarsi prima circa la possibilità di analisi dei nostri campioni e su quali metodi si devono utilizzare.

Preparazione del campione

Il trattamento e la preparazione del campione sono fondamentali e possono richiedere tempi anche lunghi.
Occorre sempre sapere come si deve trattare ai fini dell'analisi un determinato campione e in che condizioni dev'essere esaminato.

Strumentazione

Varia a seconda della sensibilità necessaria. Di solito le componenti da analizzare sono separate cromatograficamente.
Ha costi decisamente elevati e richiede una certa specializzazione, oltre ad una cura perfetta.

Misura

La misura può richiedere qualche ora; ogni cambiamento di condizioni può richiedere tempi ancora più lunghi.
L'interpretazione degli spettri di massa richiede una conoscenza approfondita della tecnica e dei metodi che si stanno utilizzando.

RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE NMR e FFC NMR sui polimeri

La Risonanza magnetica Nucleare (NMR) è una potente tecnica di indagine che permette una diretta e dettagliata visione all’interno della struttura molecolare, anche se decisamente da specialisti. In particolare, recenti applicazioni della tecnica NMR sono rivolte proprio all'analisi ed allo studio delle materie plastiche e dei fenomeni ad essi correlati, quali quelli di degradazione.

Applicazioni

Già altamente nota per usi clinici e diagnostici (Imaging), nonchè come tecnica spettroscopica in cui si pone tra i più avanzati strumenti di analisi, l’NMR, nella configurazione rilassometrica, trova spazio in moltissime applicazioni in settori quali ricerca e sviluppo, controllo qualità, caratterizzazione materiali, abbracciando diversi campi merceologici come alimentare, chimico e petrolchimico, polimeri, tessile, medico e farmaceutico.

Fast Field Cycling (FFC) NMR

La rilassometria a ciclo di campo o Fast Field Cycling (FFC) NMR è tra le più importanti tecniche rilassometriche: essa permette di monitorare i processi di rilassamento protonico in funzione del campo magnetico applicato. Le informazioni che ne derivano, legate soprattutto alla cosidetta curva di dispersione (profilo NMRD), riguardano in particolare la mobilità protonica delle molecole nel campione osservato. Queste risultano fondamentali, per esempio, nella comprensione e nella caratterizzazione delle dinamiche d'ìnterazione delle molecole di acqua con la matrice in cui si annida: sistemi porosi, macromolecole, agenti di contrasti, sistemi biologici. Le informazioni che possono essere estrapolate dalle misure riguardano:lo stato di idratazione, il contenuto di acqua, l’effetto di additivi, la porosità.

FFC NMR e polimeri

Per quanto riguarda l’applicazione di FFC sui polimeri, largamente utilizzato in ambito accademico, i risultati hanno evidenziato alcune utili informazioni:

  • La forma della curva di dispersione è una caratteristica del tipo di polimero
  • È stata riscontrata una forte dipendenza del valore assoluto dei tempi di rilassamento in un determinato intervallo di frequenze dalla densità dei cross-link.
  • È stata verificata una particolare sensibilità del tempo di rilassamento T1 a basse frequenze a piccoli ammontare di solventi o monomeri non-polimerizzati.
  • Sono stati effettuati studi sulla vulcanizzazione della gomma naturale: a un differente contenuto di accelerante è corrisposta una diversa curva di dispersione.
  • Sono state monitorate secondo diversi profili di dispersione la parte amorfa e la parte cristallina di un campione.

Attualmente la tecnica è ampiamente utilizzata nella ricerca di base e applicata in settori quali la biochimica e la biologia, la diagnostica medica e le scienze dei materiali.

 

Dr. Maurizio Veronelli - Specialista in Scienza dei Polimeri

RDLab137 - Milano

Ultima revisione: 02/01/2017