Potenzialità della spettroscopia infrarossa ATR-FTIR per lo sviluppo di sensori chimici.

1. Introduzione 
1 
 
1. INTRODUZIONE 
 
 
Le sempre piø stringenti esigenze del mondo della sicurezza, intesa sia come 
protezione contro atti terroristici o vandalici, sia come controllo ambientale, 
così come quelle provenienti dall'ambito industriale per i controlli di processo 
e di prodotto, richiedono la disponibilità di sistemi analitici veloci, affidabili, 
sensibili e  a basso costo. In questo ambito, le misure e gli strumenti di 
laboratorio, per quanto affidabili, risultano spesso inutilizzabili per ovvie 
ragioni pratiche, soprattutto quando sono richieste risposte in tempo reale e un 
significativo grado di miniaturizzazione. Per questa ragione, è in grande 
sviluppo la produzione e l'utilizzo di sensori chimici, vale a dire dispositivi 
capaci di trasdurre in un segnale misurabile, in genere elettrico, una 
alterazione chimica indotta dalla sostanza target. Un sensore chimico è 
costituito generalmente da un film sottile, sensibile alle specie chimiche che si 
vogliono rilevare e misurare, da una struttura di supporto e dall'elettronica di 
controllo.  Tra i significativi vantaggi di questi dispositivi vi è la 
miniaturizzazione, spinta ormai verso dimensioni nanometriche, e il fatto di 
poter essere preparati utilizzando le tecnologie ormai consolidate 
dell'industria elettronica [1]. 
Le grandezze fisiche da rilevare nei processi industriali sono di varia natura; 
generalmente queste quantità sono difficili da trasmettere ed elaborare nella 
forma originaria. L'obiettivo di un sensore è quello di convertire una 
grandezza fisica o biologica in ingresso, in un'altra piø facile da manipolare di 
tipo elettrico (tensione, corrente, resistenza, capacità). In pratica un sensore 
prende in ingresso un valore nella grandezza fisica del dominio di interesse e 
fornisce in uscita una grandezza fisica nel dominio dell'unità di controllo.
1. Introduzione 
2 
 
Lo strato attivo  di un sensore deve possedere i seguenti requisiti: 
 

 alta sensibilità; 

 reversibilità; 

 assenza di contaminazione; 

 basso costo; 

 elevata selettività; 

 semplicità nella fabbricazione; 

 ridotte dimensioni; 

 alta velocità di risposta [2]. 
 
Negli ultimi tempi la ricerca si sta orientando non solo verso l'uso di materiali 
semiconduttori a base inorganica come ossidi metallici, ma si sta puntando 
l'attenzione anche su materiali a matrice organica come ad esempio le 
ftalocianine, le porfirine e le porfirazine [3] ; ciò essenzialmente per due 
motivi: le molecole organiche si prestano meglio all'ingegneria molecolare, 
nel senso che possono essere modificate nella loro struttura in modo da 
accentuare o provocare la selettività o la sensibilità verso una particolare 
specie e la conducibilità di semiconduttori organici può variare di molti ordini 
di grandezza a seguito dell'adsorbimento sullo strato attivo [4,5].  
La conoscenza della struttura submicroscopica di superfici, degli strati di 
adsorbiti, dei film depositati in superficie, e di interfaccia è di importanza 
fondamentale per la comprensione delle proprietà fisiche, chimiche e 
meccaniche dei materiali solidi. Allo stesso tempo, questo tipo di informazioni 
sono valutabili in un certo numero di campi tecnologici, quali la tecnologia dei 
semiconduttori, catalisi, lubrificazione, corrosione e i suoi inibitori, finitura 
dei metalli, adesione, stampaggio, e tecnologia elettrochimica. 
La spettroscopia vibrazionale, che ha storicamente fornito a chimici, fisici e 
ingegneri incisive informazioni circa le specie chimiche presenti sulle 
superfici, è uno dei maggiori metodi analitici ampiamente impiegati al giorno 
d’oggi  [6].
1. Introduzione 
3 
 
In tale ottica di sviluppo delle scienze sensoristiche, verranno messe in luce, in 
questo lavoro di tesi, le potenzialità della spettroscopia ATR-FTIR (Attenuated 
Total Reflection Fourier Transform Infrared spectroscopy) applicata allo 
studio dei meccanismi di riconoscimento molecolare tra sistemi organici (una 
ftalocianina) e comuni target ambientali (fenoli). 
La  spettroscopia infrarossa è una tecnica che si basa sull’interazione e 
assorbimento tra una radiazione elettromagnetica e la materia. 
In tutte le spettroscopie di “assorbimento”,la molecola studiata, costituisce un 
dipolo oscillante che si comporta come una “antenna” in grado di assorbire le 
radiazioni elettromagnetiche della frequenza opportuna. 
PerchØ questo possa avvenire occorre innanzitutto che la molecola abbia un 
momento di dipolo proprio, cioè che il centro delle cariche positive non 
coincida con quello delle cariche negative. Inoltre durante la vibrazione 
molecolare deve avvenire un’oscillazione della distanza inter-atomica,la quale 
determinerà anche una variazione periodica del momento di dipolo della 
molecola. Tale molecola, così facendo, si comporterà come un’antenna 
sintonizzata su una certa frequenza [7].  
Piø precisamente, però, questa è una spettroscopia di vibrazione, infatti 
quando la suddetta molecola organica, dotata di momento di dipolo proprio, 
viene investita da una radiazione infrarossa, la cui frequenza sia compresa in 
un certo range di valori, essa assorbe energia elettromagnetica. L’energia 
ceduta dalla radiazione stessa viene convertita in energia vibrazionale. 
La tecnica utilizzata comporta la deposizione della ftalocianina come film 
idrofobo attraverso il metodo Langmuir-Schäfer (LS) sul prisma ATR e la 
registrazione di spettri in flusso con soluzioni buffer in assenza e presenza di 
fenolo, 4-bromofenolo, 4-clorofenolo e 4-iodofenolo.  
La tecnica LS permette di ottenere film organici molto ordinati con 
caratteristiche fisiche riproducibili e quindi uno spessore costante di film 
sottile organico [8,9]  .
1. Introduzione 
4 
 
I risultati ottenuti attraverso la spettroscopia ATR-FTIR sono stati confermati 
attraverso l’ analisi al QCM, che è una tecnica già consolidata in ambito 
sperimentale. 
Confrontando gli spettri acquisiti e contenuti in una banca dati con quello di 
un composto incognito è possibile identificare correttamente la molecola 
incognita grazie agli spettri differenziali. 
La spettrometria IR permette di compiere studi di reattività e di cinetiche 
chimiche e fisiche. 
 
 
1.1  Spettroscopia 
 
Quando luce policromatica (luce bianca), che contiene l’intero spettro di 
lunghezze d’onda nella regione del visibile, passa attraverso uno oggetto, viene 
in parte assorbita, lasciando che le lunghezze d’onda non assorbite siano 
trasmesse. Queste residue lunghezze d’onda trasmesse, saranno viste come un 
colore. Tale  colore è il complementare dei colori assorbiti. In maniera simile, 
gli oggetti opachi assorbiranno certe lunghezze d’onda, lasciando che un colore 
residuo venga riflesso e “visto”.  
Ci sono tre processo fondamentali mediante i quali una molecola può assorbire 
radiazioni; tutti presuppongono il passaggio della molecola ad un livello piø 
alto di energia interna: l’aumento di energia essendo uguale all’energia della 
radiazione assorbita. Questi tre tipi di energia interna sono quantizzati cioè 
esistono distribuiti in livelli discreti. 
Le molecole ruotano attorno a vari assi,  essendo l’energia di rotazione a livelli 
energetici definiti, perciò la molecola può assorbire la radiazione ed essere 
eccitata a livelli piø alti di energia rotazionale, in una transizione rotazionale. 
Atomi o gruppi di atomi all’interno di una molecola vibrano relativamente gli 
uni agli altri, e l’energia di questa vibrazione si verifica in corrispondenza di
1. Introduzione 
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definiti livelli quantizzati. La molecola può quindi assorbire una quantità 
discreta di energia ed essere eccitata ad un piø alto livello di energia 
vibrazionale in una transizione vibrazionale. Infine, gli elettroni di una 
molecola possono essere eccitati ad una piø alta energia elettronica, in una 
transizione elettronica. PoichØ ciascuna di queste transizioni di energia 
interna, è quantizzata, esse si verificheranno solamente a lunghezze d’onda 
definite corrispondenti ad una energia uguale al salto quantizzato nell’energia 
interna. Ci sono tuttavia, molti possibili livelli di energia differenti per ciascun 
tipo di transizione e possono venire assorbite molte  lunghezze d’onda   
(fig. 1.1) . 
 
 
Figura 1.1 Diagramma dei livelli energetici, illustrate le variazioni di energia 
associate con l’assorbimento di radiazione elettromagnetica: A, variazioni rotazionali 
pure (infrarosso lontano); B, variazioni roto-vibrazionali (vicino infrarosso); C, 
transizioni elettroniche roto-vibrazionali (visibile e ultravioletto). E₀ è lo strato 
elettronico fondamentale e E₁ è il primo stato elettronico eccitato. 
 
Le transizioni rotazionali possono perciò avere luogo ad energie molto basse 
(alte lunghezze d’onda, cioè, la regione delle microonde o del lontano 
infrarosso), ma le transizioni vibrazionali richiedono energie piø alte nella
1. Introduzione 
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regione del vicino infrarosso, mentre le transizioni elettroniche richiedono 
energie ancora piø alte (nelle regioni del visibile e dell’ultravioletto).  
Per misurare la quantità di radiazione luminosa assorbita da un campione, 
posto davanti ad una sorgente di radiazioni, viene utilizzato uno 
spettrofotometro. Questo strumento fornisce una misura dello spettro 
elettromagnetico e la relativa tecnica d’indagine è chiamata spettroscopia. 
I principali settori della spettroscopia ottica sono la spettroscopia rotazionale, 
quella vibrazionale e quella elettronica. 
La spettroscopia vibrazionale dà informazioni sulle forze di legame e sulla 
geometria molecolare. Dal punto di vista dell’analisi chimica è una tecnica 
utile per il riconoscimento di molecole o di gruppi caratteristici nelle molecole 
e per il loro dosaggio.  
Lo spettro infrarosso ottenuto diagrammando l’intensità dell’assorbimento in 
funzione della lunghezza d’onda, sebbene sia riferito alla molecola nella sua 
interezza, è caratterizzato da dei picchi riferibili a gruppi funzionali specifici, 
facenti parte della struttura. E’ proprio grazie alla riproducibilità di questi 
picchi, e soprattutto di valori caratteristici di assorbimento, che noi siamo in 
grado di risalire alla struttura della molecola in esame [10]. 
  
 
1.2  Sensori 
 
Secondo la definizione IUPAC “un sensore è un sistema in grado di 
trasformare un’informazione chimica, che va dalla concentrazione di un 
singolo componente specifico del campione in analisi alla concentrazione di 
tutti i componenti l’intera matrice, in un segnale analiticamente utile” [11]. 
In parole piø semplici un sensore e’ un dispositivo che rileva un segnale di 
input, fisico o chimico, e lo converte (attraverso un trasduttore) in un 
appropriato segnale di output, osservabile e facilmente comprensibile.
1. Introduzione 
7 
 
Caratteristica comune ed indispensabile di tutti i sensori chimici è l’esistenza di 
un efficace processo di interazione nei confronti dell’analita di interesse, che 
deve essere legato in maniera selettiva, veloce, stabile e reversibile [12-14]. 
I sensori possono essere classificati in base a: 
• parametro misurato (es. pH) 
• applicazione (es. per uso biomedico) 
• il tipo di materiale su cui si basa la misura (es. semiconduttore) 
• principio di trasduzione (es. sensore elettrochimico). 
I componenti principali che costituiscono il sensore sono (fig.1.3):  
o un sistema di riconoscimento molecolare (recettore, che conferisce 
specificità alla misura); 
o un trasduttore fisico-chimico: dispositivo che converte un cambiamento 
verificatosi (fisico o chimico), in un segnale misurabile. Nei sensori chimici 
quest’ultimo è spesso un segnale elettronico la cui ampiezza è 
proporzionale alla concentrazione di una determinata specie chimica o di 
un insieme di specie. I metodi analitici in chimica sono per la maggior parte 
basati sui trasduttori fotometrici, come nei metodi spettroscopici e  
colorimetrici; 
o un attuatore: parte del dispositivo che produce la visualizzazione del 
risultato.  
 
 
Figura 1.3  Rappresentazione schematica del sensore
1. Introduzione 
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Possiamo raggruppare i sensori in 3 grandi categorie, cioè: 
- sensori fisici che misurano quantità fisiche quali lunghezza, peso, 
temperatura, pressione e elettricità;   
- sensori chimici definiti come dispositivi che rispondono ad un particolare 
analita in modo selettivo   attraverso una reazione chimica, e possono essere 
usati per la determinazione qualitativa o quantitativa del misurando; 
- biosensori, definiti come dispositivi nei quali è incorporato un elemento di 
rilevazione connesso ad un trasduttore: l’analita che questo sensore rileva e 
misura potrebbe essere una specie puramente chimica (come una sostanza 
inorganica), oppure un componente biologico.  La sostanziale differenza 
rispetto ai precedenti sensori risiede, dunque, nella natura biologica 
dell’elemento di riconoscimento molecolare (strato attivo). I biosensori sono in 
realtà una sottocategoria dei sensori chimici, ma spesso sono considerati come 
un genere assestante [15]. 
La struttura generale è costituita da un elemento biologico, fissato su un 
substrato in grado di trasformare la reazione biochimica che avviene tra il 
ricettore e il bersaglio ricercato, in un segnale rilevabile, in altre parole un 
trasduttore (fig.1.4).  
Quando il biomateriale viene immobilizzato su un supporto, le sue proprietà 
mutano, rispondendo ad un qualche effetto in modo elettronico oppure 
otticamente rilevabile. La reazione biologica, altamente specifica, avviene tra 
lo strato immobilizzato, ricco di recettori, e la sostanza target. Durante il 
processo di trasduzione (trasformazione di una forma di energia in un’altra), il 
segnale biochimico viene convertito in risposta elettrica. Quest’ ultima in 
seguito viene opportunamente amplificata e convertita in segnale  
quantificabile [16] (fig.1.5).