Spettroscopia IR e spettroscopia FTIR: come funziona uno spettrometro FTIR e analisi FTIR

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La spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) è oggi una tecnica estremamente popolare, grazie alla sua combinazione unica di sensibilità, flessibilità, specificità e robustezza. In grado di far fronte ad analiti solidi, liquidi e gassosi, è diventata una delle tecniche strumentali analitiche più praticate nella scienza. Sebbene esistano una serie di limitazioni note alla FTIR, come la sua relativa intolleranza all'acqua e la sua sensibilità alle proprietà fisiche della matrice di analisi, è comunque estremamente popolare e comunemente utilizzata in settori diversi come quello alimentare e delle bevande,1 chimico, ingegneristico, ambientale2, farmaceutico3 e biomassa4 e in contesti clinici.5 Le forme di strumentazione idonee ora includono dispositivi da banco, portatili e online in tempo reale.

Cos'è la spettroscopia IR?

Cos'è la spettroscopia FTIR e qual è la differenza tra spettroscopia FTIR e IR?

Come funziona la FTIR?

Analisi FTIR e raccolta dati FTIR

Come interpretare uno spettro IR e uno spettro FTIRgrafico dello spettro IR

Vantaggi, svantaggi e usi della spettroscopia nel medio e nel vicino IR/FTIR

Applicazioni FTIR: presente e futuro

L’occhio umano può vedere solo una piccola parte dello spettro molto più ampio della radiazione elettromagnetica (Figura 1). Nella parte ad alta energia dello spettro visibile si trova la regione dell’ultravioletto (UV), mentre nella parte a bassa energia si trova l’infrarosso (IR). Le regioni IR più utili per l'analisi dei composti organici tendono ad avere una lunghezza d'onda compresa tra 2.500 e 16.000 nm. L'IR lontano, medio e vicino (NIR) rientra nell'ambito della "spettroscopia molecolare".

La spettroscopia IR è lo studio dell'interazione della luce IR con la materia, dove la luce IR è caratterizzata dall'intervallo di numeri d'onda che va da 12.800 a 10 cm-1. Storicamente, per convenzione, l'IR tende ad essere descritto in “numero d'onda”, dove qualsiasi numero d'onda è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda. Pertanto, una lunghezza d'onda più corta avrà un numero d'onda maggiore, in riferimento al fatto che più onde potrebbero adattarsi a una data distanza. L'IR lontano è generalmente definito come radiazione compresa tra 500 e 20 cm-1, l'IR medio tra 4.000 e 500 cm-1 e il NIR tipicamente tra ~ 10.000 e 4.000 cm-1.

La luce IR viene assorbita dalle molecole a frequenze specifiche in base ai legami molecolari tra gli atomi e ai tipi di atomi presenti all'estremità dei legami. Le energie dei fotoni nella regione IR inducono l'eccitazione vibrazionale degli atomi legati covalentemente. Si ritiene spesso che questi legami covalenti agiscano come molle rigide che possono allungarsi, piegarsi, ruotare e forbiciare (Figura 2). La radiazione nel medio infrarosso ad alta energia eccita le vibrazioni fondamentali quando l’energia viene assorbita dalle molecole, elevandole dallo stato fondamentale al primo stato vibrazionale. Al contrario, la spettroscopia NIR è composta da bande combinate di “sovratoni” prodotti da quelle vibrazioni fondamentali. Il lettore viene inoltre indirizzato a materiale introduttivo aggiuntivo utile disponibile presso la Royal Society of Chemistry.

Figura 2: Animazione che mostra i movimenti tridimensionali che possono verificarsi per i legami atomici molecolari quando eccitati dalla luce IR. Questi movimenti causano le bande di assorbanza spettrale IR che osserviamo. Credito: tratto da YouTube https://www.youtube.com/watch?v=0S_bt3JI150

La differenza tra IR e FTIR è che quest'ultimo è costruito da un interferogramma come segnale grezzo. Questa rappresenta l'intensità della luce in funzione della posizione di uno specchio all'interno dell'interferometro, non in funzione della lunghezza d'onda (come avviene negli strumenti dispersivi). Questo è il “FT”. Il segnale deve prima essere trasformato in Fourier (FT) per produrre l'intensità in funzione del numero d'onda.