Come scegliere uno spettrometro

Lo spettrometro è uno strumento di misura che permette di scomporre un raggio o un fascio di ioni e di analizzare le componenti elementari del suo spettro. Gli spettrometri trovano impiego, ad esempio, nell’identificazione di materiali e molecole.

In questa guida all’acquisto ci concentreremo sulle diverse tecniche di spettrometria e faremo il punto su ciò che può essere analizzato con i vari tipi di spettrometro, di cui valuteremo vantaggi e svantaggi.

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Spettrometri: quale scegliere?
La spettrometria si divide in due categorie: la spettrometria a raggi e la spettrometria di massa.

Gli spettrometri UV-Vis, ad infrarossi, a raggi X e a raggi gamma sfruttano la spettrometria a raggi, che permette di analizzare la struttura di un materiale attraverso la sua interazione con le radiazioni che assorbe, disperde o emette.

La spettrometria di massa permette invece di analizzare la struttura molecolare di un gas per ionizzazione.

La scelta del tipo di spettrometro, e quindi della tecnologia che sfrutta, dipenderà dal materiale da rilevare e dal fatto che l’analisi sia o non sia invasiva (distruzione del campione o meno).

Indipendentemente dal tipo di tecnologia, i principali criteri per la scelta di uno spettrometro sono:
- Il limite di rilevazione/sensibilità
- La gamma di lunghezze d’onda
Qualora si debba analizzare il colore di un campione, ad esempio, sarà necessario uno spettrometro che copra la regione visibile dello spettro tra 360 e 740 nm.
- La risoluzione (capacità dello spettrometro a distinguere lunghezze d’onda vicine tra loro)
Se lo spettro del campione mostra forti picchi separati da una distanza di almeno 0,5 nm, sarà necessario ricorrere a uno spettrometro con una risoluzione minima di 0,5 nm.

Una volta determinata la gamma di lunghezze d’onda e la risoluzione necessarie, a guidarvi nella vostra scelta saranno i seguenti criteri:
- Dimensioni di ingombro dell’apparecchio, soprattutto qualora sia trasportabile
- Costo di acquisto
- Rapidità di analisi
- Ratio segnale/rumore
- Linearità
- Gamma dinamica
- Stabilità termica
- Robustezza
Quando scegliere uno spettrometro ad infrarossi?
Spettrometro a infrarossi FTIR di Bruker Optics

La spettrometria a infrarossi è una spettrometria ad assorbimento che permette di determinare la natura dei legami chimici presenti in una molecola.

Gli spettrometri ad infrarossi misurano la reazione di un campione esposto alla luce infrarossa, che viene assorbita per via della vibrazione e della rotazione delle molecole.

È una tecnologia che permette di realizzare analisi non invasive e quantitative con una preparazione minima del campione.

Applicazioni
- Lo spettrometro a infrarossi trova impiego nell’industria dei semiconduttori, più precisamente nell’analisi delle superfici, ma viene usato anche per determinare in maniera rapida il contenuto di acqua nelle sementi agricole, nonché per identificare materie prime e componenti nell’industria chimica, cosmetica, farmaceutica e della lavorazione delle materie plastiche.
- È utile per monitorare i prodotti solidi altamente assorbenti e per ottenere informazioni come il contenuto di proteine, grassi, fibre e amido.
- Esistono spettrometri ad infrarossi per laboratori e modelli portatili per analisi sul campo.
Limiti
- Qualora il numero di componenti chimici sia elevato, lo spettro diventa complesso e l’interpretazione molto delicata, soprattutto nel caso di composti organici.
Quando scegliere uno spettrometro UV-Vis?
Spettrometro UV/Vis di U-Therm International

La spettrometria UV-Vis (lunghezze d’onda ultraviolette dello spettro ultravioletto e visibile) è una spettrometria ad assorbimento che consente l’analisi di campioni a bassa complessità in fase liquida o gassosa.

Una lampada, solitamente al deuterio, trasforma uno spettrometro a luce visibile in un dispositivo UV-Vis, ossia in grado di misurare lunghezze d’onda comprese tra 190 e 1100 mm.

Gli spettrometri UV-Vis offrono un tipo di analisi che è complementare a quella realizzata dagli spettrometri ad infrarossi, e permettono di quantificare meglio i componenti del campione osservato.

Applicazioni
- Lo spettrometro UV-Vis viene utilizzato per verificare l’efficienza dei filtri nell’industria alimentare.
Limiti
- È semplice da usare, ma è in grado di analizzare solo campioni relativamente semplici. A causa della larghezza delle bande di assorbimento molecolare, infatti, gli spettri di assorbimento non permettono di osservare tutti i componenti di una miscela complessa.
Quando scegliere uno spettrometro ad assorbimento atomico?
Spettrometro ad assorbimento atomico di Analytik Jena

La spettrometria ad assorbimento atomico è utilizzata per determinare la concentrazione di elementi metallici in una soluzione precedentemente riscaldata con una fiamma o in un forno.

La fiamma ad alta temperatura fa evaporare l’acqua del campione e ne causa in questo modo la dissociazione ionica. Questa manipolazione genera una variazione dell’intensità della luce misurata dal rivelatore per determinare la concentrazione del campione.

L’assorbimento atomico presenta il vantaggio di essere molto selettivo.

Applicazioni
- Gli spettrometri ad assorbimento atomico sono utilizzati, tra l’altro, nella prospezione mineraria, nell’industria farmaceutica e nella ricerca ambientale.
- Questo analizzatore ad alta precisione è ideale per i laboratori in cui vengono eseguiti test ambientali, tossicologici e di controllo qualità.
Limiti
- Prima di poter procedere ad un’analisi qualitativa e quantitativa, è necessario preparare una soluzione iniziale, realizzata sciogliendo il composto con un solvente adatto.
Quando scegliere uno spettrometro a raggi X?
Spettrometro a raggi X di Thermo Scientific

La spettrometria a raggi X è una spettrometria d’assorbimento che mira a determinare la composizione di un materiale eccitandolo con i raggi X.

Applicazioni
- In geologia serve a identificare i componenti delle rocce.
- Nell’industria nucleare viene utilizzata per rilevare la presenza di uranio, sia per l’estrazione mineraria che per cercare impurità nel combustibile.
- Viene utilizzata anche nel trattamento delle acque reflue per identificare le sostanze da trattare.
Quando scegliere uno spettrometro a fluorescenza a raggi X?
Spettrometro a fluorescenza a raggi X di Malvern Panalytical

La spettrometria a fluorescenza a raggi X è una spettrometria di emissione che misura la radiazione X emessa dagli atomi eccitati dall’assorbimento dei raggi X.

Gli atomi possono essere eccitati termicamente in maniera che, raggiungendo un livello di energia o di temperatura più elevato, generino dei fasci di raggi X.

Applicazioni
- È adatto per misurare concentrazioni molto basse.
- Viene utilizzato per l’analisi chimica elementare.
- Viene utilizzato anche, ad esempio, per rilevare la presenza di piombo nelle vernici e nelle tubature e per determinare lo spessore e la composizione dei rivestimenti nell’edilizia e nell’industria.
Limiti
- Le tecniche di fluorescenza sono più complesse e difficili da implementare rispetto alle tecniche di assorbimento, in quanto richiedono l’eccitazione preventiva con radiazioni monocromatiche della particella da analizzare.
Quando scegliere uno spettrometro a risonanza magnetica?
Spettrometro a risonanza magnetica di Oxford Instruments

La spettrometria a risonanza magnetica è la tecnologia più avanzata per determinare la struttura dei composti organici. In particolare, fornisce non solo dati strutturali su un’intera molecola, ma anche informazioni sulle reazioni organiche.

Applicazioni
- Questa tecnologia viene utilizzata negli esami MRI, ossia realizzati tramite risonanza magnetica, in quanto permette di ottenere immagini con un elevato contrasto dei diversi tessuti del corpo umano.
- Viene anche utilizzata nella rilevazione di esplosivi e nello studio delle calotte polari.
Perché scegliere uno spettrometro Raman?
Spettrometro Raman di Bruker Optics

La spettrometria Raman è una tecnica di spettrometria a diffusione che permette di analizzare la struttura chimica di un campione e di identificare i composti in esso presenti, in modo simile alla spettrometria ad infrarossi, ma in campioni più piccoli e con una risoluzione migliore.

Gli spettrometri Raman vengono utilizzati per analizzare la composizione molecolare della struttura esterna dei materiali.

Applicazioni
- Viene utilizzata in archeologia per eseguire analisi non distruttive.
- Permette l’identificazione di molecole organiche, polimeri, biomolecole e composti inorganici.
- Consente di mappare la distribuzione dei componenti nelle miscele, come i farmaci negli eccipienti, determinando la presenza di diversi tipi di carbonio (diamante, grafite, carbonio amorfo, carbonio di tipo diamante, nanotubi di carbonio) e le loro proporzioni, oltre a misurare la tensione e la struttura cristallina dei semiconduttori.
Quando scegliere uno spettrometro di massa?
Spettrometro di massa di marca Shimadzu

Lo spettrometro di massa viene utilizzato per determinare la massa delle molecole gassose.
Permette di effettuare un’analisi qualitativa e quantitativa: ogni componente ha uno spettro di massa, unico o quasi unico, che può essere confrontato con gli spettri di massa già registrati al fine di identificare e quantificare i singoli componenti.

Gli spettrometri di massa sono in grado di analizzare campioni molto piccoli e di identificarne i componenti

Applicazioni
- Vengono utilizzati per l’analisi rapida dei campioni nell’ambito dei controlli antidoping, nonché nei settori della sicurezza alimentare e dell’industria farmaceutica.
Limiti
- Questa tecnologia non è compatibile con le grandi molecole.

Quali sono le applicazioni degli spettrometri?

Tabella riassuntiva degli spettrometri e delle loro applicazioni

Spettrometro	Tipo	Applicazioni
IR	Assorbimento	Caratterizzazione e identificazione delle molecole organiche. Controllo della qualità nei settori farmaceutico, chimico e agroalimentare.
UV-Vis	Assorbimento	Controllo della qualità nei settori farmaceutico, chimico e agroalimentare.
Assorbimento atomico	Assorbimento	Concentrazione di elementi metallici
Raggi X	Assorbimento	Controllo della qualità dei semiconduttori. Rilevamento di uranio nel settore dell’energia nucleare. Identificazione dei componenti delle rocce in ambito geologico.
Fluorescenza X	Emissione fluorescente	Analisi di chimica organica Analisi biochimiche
Risonanza magnetica	Campo magnetico	Analisi di chimica organica
Raman	Diffusione	Identificazione di sostanze illecite o pericolose. Archeologia (analisi molecolare)
Massa	Ionizzazione	Analisi tossicologica, anti-doping, analisi mediche, analisi ambientali, ecc.