Spettroscopia Raman: caratteristiche e potenzialità in ambito conciario
La spettroscopia è un ramo della chimica che si basa sull’interazione tra radiazione e materia. Quando una radiazione elettromagnetica arriva su un materiale possono avvenire molti fenomeni: la radiazione può essere assorbita, trasmessa, riflessa o diffusa per scattering, in funzione delle caratteristiche del campione stesso e della lunghezza d’onda. I dati ottenuti dalla spettroscopia sono chiamati spettro, vale a dire un grafico dell’intensità dell’energia rilevata dopo l’interazione con il campione rispetto alla lunghezza d’onda.
Nel caso della spettroscopia IR, una molecola viene investita da una radiazione infrarossa la cui frequenza è compresa fra 10.000 e 100 cm-1, l’energia ceduta dalla radiazione stessa viene convertita in energia vibrazionale. L’energia della molecola aumenta di una quantità pari ad E = hν dove ν è la frequenza della radiazione incidente. Solo quando la radiazione elettromagnetica possiede l’energia esatta per far passare la molecola allo stato energetico più alto, avviene l’assorbimento. Poiché l’energia dei livelli vibrazionali è strettamente associata alla struttura molecolare e poiché l’energia che può o non può essere assorbita è determinata dai livelli stessi, ne consegue che, osservando quale energia viene assorbita dalla molecola, è possibile dedurre quali siano i principali gruppi funzionali di una molecola e quindi determinare la sua natura chimica. La spettroscopia infrarossa è dunque una spettroscopia (vibrazionale) di assorbimento. Nell’analisi in trasmissione si posiziona il campione in modo che venga attraversato dalla radiazione infrarossa; il rivelatore misura l’entità della radiazione che passa attraverso il campione, cioè che viene trasmessa, che sarà ovviamente complementare a quella assorbita. Assorbimento e trasmissione sono correlati tra loro, quindi il loro utilizzo diventa intercambiabile:
in cui I è l’intensità della radiazione giunta al rivelatore e I0 quella della radiazione emessa
Nella spettroscopia IR, è possibile effettuare anche un’analisi in riflessione dove si misura l’entità della radiazione riflessa dal campione stesso, oppure l’entità della radiazione riflessa internamente ad un materiale ad elevato indice di rifrazione posto a diretto contatto con il campione. In entrambi i casi, con lo stesso principio sopra esposto per la trasmittanza, la radiazione riflessa viene espressa come riflettanza.
La spettroscopia Raman si basa su un ulteriore effetto che avviene quando una radiazione interagisce con un materiale, ovvero la diffusione; l’effetto Raman si manifesta quando un materiale è colpito da un fascio di luce monocromatico, quale si può ottenere dall’emissione di un laser. Una parte del fascio incidente viene diffusa elasticamente, ossia con la medesima frequenza (effetto Rayleigh). Una percentuale di luce minore subisce una diffusione anelastica, viene cioè diffusa con una frequenza più alta o più bassa di quella originaria (effetto Raman), che comporta l’emissione di radiazioni a lunghezze d’onda minori (Stokes) o maggiori (Anti-Stokes) di quella incidente. La differenza di energia tra i fotoni incidenti e quelli diffusi anelasticamente corrisponde ai livelli energetici vibrazionali della molecola diffondente: l’analisi dello spostamento delle righe spettrali dovuto ad effetto Raman può anch’essa fornire informazioni sulla composizione chimica, la struttura molecolare, le interazioni intermolecolari del campione.
Lo spettro Raman è uno spettro vibrazionale, come lo spettro IR, ma, è uno spettro di emissione in cui la luce incidente è un fascio di luce monocromatica nell’intervallo di lunghezze d’onda che vanno dall’UV al vicino infrarosso; gli spettri IR e Raman hanno in genere intensità diversa ed in alcuni casi si possono avere segnali presenti in una tecnica e non nell’altra, e viceversa. La spettroscopia IR e quella Raman sono pertanto tecniche complementari, poiché affiancano assorbimento ed emissione vibrazionali di una stessa molecola.
La spettroscopia di assorbimento IR, per essere utilizzata nella caratterizzazione dei materiali, generalmente necessita di manipolazione del campione da esaminare in trasmissione. Le tecniche di indagine in riflettanza, più adatte allo studio dei materiali, quali ad esempio la spettroscopia IR a riflettanza totale attenuata (ATR) presentano una sensibilità assai ridotta rispetto alle tecniche spettroscopiche in trasmissione.
La spettroscopia Raman rappresenta una tecnica di caratterizzazione dei materiali molto versatile, in quanto non necessita di manipolazione dei campioni, non è distruttiva né invasiva, può essere utilizzata “in situ” mediante strumentazione portatile e può anche permettere un’indagine a livello microscopico, quando accoppiata ad un microscopio ottico, con possibilità di focalizzare la luce incidente in maniera puntuale, per ottenere informazioni specifiche anche nella sezione di campioni materiali. Un ulteriore vantaggio della spettroscopia Raman deriva dal fatto è che l’acqua, così come il vetro, praticamente non interferisce con la tecnica, pertanto i campioni acquosi, ovvero i materiali caratterizzati da un elevato contenuto di acqua, possono essere analizzati tal quali. Ciò ha consentito la diffusione dell’utilizzo della spettroscopia Raman sia per la ricerca e sviluppo sui materiali (polimeri e nanocoating) che per il controllo qualità, ad esempio nel settore farmaceutico che per l’analisi nel settore biologico e medico.
La Stazione Sperimentale ha accumulato nel tempo notevole esperienza nell’interpretazione di spettri AT-IR quale tecnica di caratterizzazione avanzata, e, anche nell’ambito dei propri rapporti di collaborazione con Enti di Ricerca di rilevanza nazionale, ha già effettuato studi preliminari di applicazioni della spettroscopia RAMAN a materiali di interesse conciario, ottenendo risultati promettenti in riferimento a:
- Riconoscimento del conciante di campioni con concia organica e/o vegetale
- Indagini su difetti puntuali di natura organica e del relativo grado di penetrazione nella sezione
- Individuazione della composizione di rifinizioni e/o layer costitutivi di materiali sostitutivi della pelle
Da questi studi si sono già potute ottenere informazioni sulle condizioni applicative ideali degli spettrometri Raman su campioni di pelle con diverso stato di lavorazione, emergendo d’altro canto la necessità di costituire banche dati specifiche per i prodotti conciari e l’opportunità di poter risolvere, tramite studi chemiometrici applicati ai risultati ottenuti, la complessità dei componenti che normalmente costituisco la pelle finita.
A cura di
Dott. Gianluigi Calvanese
Responsabile Area Analisi, Certificazione e Consulenza
Pubblicato il 22-12-2023 ore 14.50