Come scegliere uno spettrometro

Gli spettrometri si dividono in due gruppi: spettrometri a radiazione e spettrometri di massa.

Spettrometro Raman Horiba

Spettrometri a radiazione

• Spettrometri ad assorbimento: questo tipo di spettrometro misura la proporzionalità tra l’intensità della luce assorbita e la quantità di materia assorbente. Lo spettro ha dei picchi che rappresentano diverse lunghezze d’onda, ciascuna caratteristica di un elemento presente nel campione. Questa tecnica si applica sia alle molecole in fase liquida o gassosa che al vapore atomico, che si ottiene atomizzando campioni liquidi o solidi.

• Spettrometri di emissione: gli atomi del campione sono sottoposti a una fonte di eccitazione. Nel tornare al loro stato fondamentale (processo di de-eccitazione), gli atomi in questione emettono la radiazione caratteristica del materiale che costituisce il campione.

• Spettrometri Raman: sfruttano lo scattering anelastico della radiazione incidente da parte delle molecole del campione. La differenza tra la frequenza della radiazione incidente e la frequenza della radiazione diffusa permette di identificare i legami chimici delle molecole. La spettrometria Raman è quindi una tecnica ideale per l’analisi strutturale, complementare alla spettrometria infrarossa e alla spettrometria di massa.

• Spettrometri di risonanza magnetica nucleare (RMN): utilizzano una tecnica basata sulle proprietà magnetiche dei nuclei atomici. La RMN induce e rileva la transizione energetica dei momenti magnetici nucleari, dal livello energetico più basso a quello più alto. Per fare questo, gli atomi da analizzare sono posti in un campo magnetico e sottoposti a radiazioni a radiofrequenza. Misurare la frequenza di risonanza di questo campo permette poi di analizzare le molecole.

Spettrometri di massa

Spetttrometri di massa Thermo Scientific

Gli spettrometri di massa funzionano separando le molecole cariche (ioni) nella fase gassosa in base al loro rapporto massa/carica (m/z). Gli spettrometri di massa possono essere utilizzati per determinare:

• la massa molecolare di un composto,
• la massa di frammenti di un composto,
• la quantità di materia.

La spettrometria ha una vasta gamma di applicazioni. In questa guida all’acquisto, ci concentreremo principalmente sull’analisi di campioni biologici, la ricerca, l’industria farmaceutica e l’analisi ambientale.

• Analisi di campioni biologici: la spettrometria di massa viene usata nell’analisi di campioni biologici. Gli spettrometri di massa rilevano, ad esempio, i biomarcatori nei fluidi biologici.
• Ricerca: gli spettrometri sono utilizzati, in particolare in biologia molecolare, per analizzare il materiale genetico.
• Industria farmaceutica: in ambito farmaceutico, gli spettrometri vengono utilizzati per monitorare la composizione dei farmaci, in particolare i loro principi attivi.
• Analisi ambientale: la spettrometria può essere utilizzati per rilevare numerose sostanze come pesticidi, composti organici volatili e idrocarburi aromatici.

Spettrometro ad assorbimento atomico Agilent

Questa categoria comprende gli spettrometri di assorbimento atomico, gli spettrometri di assorbimento molecolare e gli spettrometri infrarossi, che differiscono tra loro per il tipo di analisi e il metodo di eccitazione.

Spettrometri di assorbimento atomico

Come suggerisce il loro nome, gli spettrometri ad assorbimento atomico permettono di effettuare analisi a livello atomico. Questa tecnica richiede generalmente una fase di atomizzazione preliminare, cioè la dissociazione di una specie chimica in atomi liberi. È una forma molto efficiente di spettrometria di assorbimento e ha quindi una vasta gamma di applicazioni. Inoltre, permette di effettuare misure di alta precisione anche qualora il campione sia composto da una miscela complessa di elementi chimici. Si tratta di una tecnica di riferimento per l’analisi degli elementi in traccia in un’ampia varietà di campioni, compresi quelli biologici. Nella sanità, per esempio, la spettrometria di assorbimento atomico è usata per analizzare con precisione campioni di sangue o di tessuto.

Possiamo distinguere tra due tipi di spettrometri ad assorbimento atomico:

• Spettrometri di assorbimento atomico (AAS): eccitazione mediante radiazione elettromagnetica
• Spettrometri di assorbimento dei raggi X (XAS): eccitazione mediante raggi X, senza necessità di atomizzazione preliminare

Spettrometro Uv-vis Spectronic Camspec

Spettrometri di assorbimento molecolare

Sono destinati all’analisi a livello molecolare. È la tecnologia più utilizzata per l’analisi qualitativa e quantitativa delle sostanze. Si basa sull’emissione di fotoni nella regione ultravioletta-visibile (UV-Vis, o UV-visibile) dello spettro. La spettroscopia di assorbimento molecolare ha il vantaggio di essere veloce, non distruttiva e semplice da eseguire. Tuttavia, è applicabile esclusivamente a campioni poco complessi: la larghezza delle bande di assorbimento molecolare non permette infatti di distinguere tutti i componenti presenti in tali sostanze.

A seconda del modo di eccitazione, queste apparecchiature possono essere suddivise in:

• Spettrometri UV: lunghezze d’onda dei fotoni nella regione ultravioletta dello spettro (100 nm – 400 nm);
• Spettrometri UV-visibile:  lunghezze d’onda dei fotoni nella regione ultravioletta e visibile dello spettro (100 nm – 750 nm);
• Spettrometri visibile: lunghezze d’onda dei fotoni nella regione visibile dello spettro (400 nm – 750 nm)

Spettrometri a infrarossi

Spettrometro a infrarossi Bruker

Gli spettri di assorbimento nella regione dell’infrarosso permettono di determinare la natura dei legami chimici che compongono una molecola e quindi di confermare le ipotesi strutturali.

La spettrometria infrarossa viene utilizzata per eliminare le ambiguità sulla struttura di una molecola. Tuttavia, offre poca precisione qualora la molecola contenga molti atomi. In questo caso, infatti, lo spettro diventa complesso e l’interpretazione abbastanza difficile, soprattutto qualora si tratti di composti organici. In questi casi, ricorreremo piuttosto alla spettrometria di assorbimento atomico.

Gli spettrometri di emissione sono utilizzati principalmente per l’analisi quantitativa e qualitativa a livello atomico. Il campione in analisi viene eccitato in maniera da emettere radiazioni. La misura quantitativa di questa radiazione, proveniente dagli atomi eccitati, permette di determinare la concentrazione di una sostanza presente nel campione, cioè l’analita.

Qui di seguito menzioniamo alcune delle caratteristiche degli spettrometri a emissione:

• Campo di misura molto ampio e dinamico
• Analisi qualitativa e quantitativa di diversi elementi con una sola misurazione
• Alta precisione e sensibilità
• Alta velocità
• Assenza di interferenze chimiche

Esistono peraltro due tipi di spettrometri di emissione, che differiscono per la modalità di eccitazione e di emissione: gli spettrometri a fluorescenza e gli spettrometri a emissione atomica.

Spettrometria a fluorescenza

Spettrometri a fluorescenza Edinburgh Instruments

L’emissione di fluorescenza si verifica quando una particella viene eccitata tramite radiazione elettromagnetica. La radiazione emessa è caratteristica della particella analizzata. Questa tecnica ha il grande vantaggio di essere molto precisa e specifica, il che la rende particolarmente adatta a misurare concentrazioni molto basse. Tuttavia, è una tecnica più complessa della spettrometria di assorbimento.

Esistono anche spettrometri a fluorescenza a raggi X, così chiamati perché l’eccitazione viene ottenuta grazie ai raggi X.

Spettrometri a emissione atomica (AES)

Questa tecnologia sfrutta l’eccitazione termica di atomi che sono stati sottoposti a una temperatura elevata. L’eccitazione, tuttavia, non essendo selettiva, si verifica in tutte le particelle che compongono il campione. Poiché ogni linea di emissione corrisponde a un elemento, lo spettro di emissione permette l’identificazione e la quantificazione di tutti gli atomi o molecole presenti nel campione.

Gli spettrometri di massa sono utilizzati per determinare la massa molecolare di una sostanza e ottenere i suoi dati strutturali.

Per effettuare un’analisi con la spettrometria di massa, il campione deve essere vaporizzato e ionizzato. Lo ione molecolare risultante viene scomposto in frammenti, che vengono separati in un analizzatore in base al loro rapporto massa/carica e poi catturati da un rivelatore. Il risultato è uno spettro di massa, caratteristico della composizione del campione.

Si tratta di una tecnica di rilevamento e identificazione estremamente sensibile ed ampiamente utilizzata, per esempio, nell’analisi delle proteine.

I vantaggi e le specificità di questa tecnica sono i seguenti:

• Ampia gamma di applicazioni, che va dall’analisi di molecole molto piccole (peso molecolare inferiore a 2.000 Da) all’analisi di macromolecole (peso molecolare superiore a 100.000 Da)
• Alta precisione, che permette di determinare il peso molecolare con un margine di errore massimo di 1 Dalton (Da)
• Possibile combinazione con altre tecniche analitiche (cromatografiche, per esempio) per ottenere una precisione ancora maggiore