RELAZIONE FINALE Titolare assegno: dott.ssa Gabriella Cerrone ...

RELAZIONE FINALE
Titolare assegno: dott.ssa Gabriella Cerrone
Tutor: Prof.re Antonio Sasso
Sede: Università degli studi di Napoli “Federico II”, dipartimento di
Scienze Fisiche
Tematica: Tecniche avanzate di caratterizzazione chimico-fisica di
molecole e sistemi molecolari aggregati di interesse ambientale
Tutor Assegnista
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INDICE
Attività di ricerca (con risulati conseguiti) p.3
Progetti futuri p.36
Ricadute tecnologiche e scientifiche p.38
Collaborazioni p.39
Acquisizione delle competenze organizzativo-manageriali p.39
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ATTIVITA’ DI RICERCA
Stato dell’arte/Introduzione
L’interesse della comunità scientifica internazionale per lo studio della componente nanometrica
dell’aerosol atmosferico nasce da tre principali motivi.
In primo luogo, la frazione più abbondante dell’aerosol atmosferico è costituito da particelle di
dimensioni inferiori ai 100 nm che, per effetto dell’agitazione Browniana e dei moti convettivi,
presentano un tempo di permanenza nell’atmosfera molto lungo [1].
In secondo luogo, studi epidemiologici hanno già dimostrato che, tra le numerose specie inquinanti
in atmosfera, l’aerosol nanometrico ha effetti particolarmente nocivi sulla salute umana, ed è causa
di varie patologie a carico del sistema respiratorio e cardiovascolare [2]. Ciò è dovuto, proprio alle
ridotte dimensioni di queste nanoparticelle che possono raggiungere le vie respiratorie più profonde
e di lì, attraverso il sistema circolatorio, invadere l’intero organismo provocando un incremento nel
rischio di malattie cancerogene.
Infine, la componente nanometrica del particolato atmosferico risulta fortemente coinvolta nei
complessi meccanismi che regolano la chimica e la fisica dell’atmosfera. Ad esempio tali particelle
rappresentano centri di nucleazione per la formazione di aerosol più grandi, i cui effetti climatici
sono di enorme portata (effetto serra e relativo riscaldamento del pianeta) [3,4].
Più del 50% dell’aerosol ultrafine presente in atmosfera è costituto da materiale carbonioso
organico ed elementale. La principale sorgente antropogenica di tale composti carboniosi è
costituita dai sistemi di combustione, largamente usati nella società industriale [5, 6].
La distribuzione dell’emissione da parte dei sistemi di combustione è di tipo bimodale: esistono
particelle di dimensioni tipiche di qualche nanometro (1-5 nm) di carbone organico (NOC) e
particelle di carbone elementale (fuliggine o EC) con dimensioni tipiche tra i 20 e i 200 nm. Le
particelle di tipo EC sono state ampiamente caratterizzate e studiate, sia in fiamme che in processi
di pirolisi ad alte temperature; al contrario, non esistono studi sistematici sulla componente
organica. In particolare, persistono problematiche aperte riguardo il ruolo che le particelle
nanometriche rivestono come nuclei precursori della fuliggine.
Inoltre, è stato dimostrato che il NOC, a differenza del carbone elementale, è solubile in acqua, il
che ha dirette ripercussioni circa la sua capacità di penetrazione nelle cellule. Pertanto, una
3

migliore comprensione della struttura chimica di tali nanoparticelle può, da una parte, aiutare a
comprendere meglio i meccanismi alla base del processo di combustione e, dall’altra, fare luce
sugli effetti che tali particelle hanno sulla salute umana [7, 8].
La rilevanza e l’interdisciplinarità di tali tematiche giustifica il notevole sviluppo di metodologie
sperimentali, avvenuto negli ultimi anni, per la caratterizzazione chimico-fisica del particolato
carbonioso. Tecniche basate sullo scattering elastico e dinamico [9], sull’assorbimento ottico
(principalmente nelle regioni spettrali dell’ultravioletto e visibile) [10], sulla diffrazione a raggi X
[11], nonché su microscopia a trasmissione elettronica (TEM) ed a Forza Atomica (AFM) [12],
hanno fornito informazioni interessanti per lo studio della componente del particolato atmosferico
con dimensione maggiore di 10 nm, mentre risulta ancora inesplorata (talvolta problematica) la loro
applicazione a particelle nel range dimensionale di 1-5 nm.
E’ proprio da questa constatazione che prende forma il presente progetto, il cui scopo è quello di
mettere a punto una serie di metodologie sperimentali, tra di loro complementari, finalizzate alla
caratterizzazione del particolato nanometrico direttamente prelevato da fiamme da laboratorio. In
particolare, il progetto punterà all’implementazione di tecniche sperimentali di tipo ottico:
spettroscopia in assorbimento, spettroscopia Raman per la caratterizzazione chimica e
morfologica del NOC. La spettrometria di massa è attualmente la tecnica maggiormente utilizzata
per l’analisi dei composti carboniosi prodotti nei sistemi di combustione [13-18]. Tecniche di
diagnostica di tipo ottico forniscono informazioni complementari a quelle che si ricevono dalla
spettroscopia di massa. Esse costituiscono strumenti, ormai ben consolidati, per un’analisi non
distruttiva del campione in esame. Dal punto di vista spettroscopico, le particelle organiche
nanometriche sono state intensivamente investigate nella regione spettrale dell’U. V.[19-22].
Informazioni di tipo morfologico sul particolato nanometrico possono essere ottenute con l’ausilio
di tecniche spettroscopiche risolte in tempo come la Time Resolved Fluorescence Polarization
Anisotropy (TRFPA). Essa costituisce una tecnica non invasiva già ampiamente utilizzata in
ambito biologico [24-27], ma solo recentemente applicata a sostanze prodotte in sistemi di
combustione [28]. Allo stato attuale, invece, non esistono studi conclusivi circa le proprietà di
assorbimento nell’infrarosso. Tale regione risulta, invece, estremamente interessante per due ordini
di motivi. In primo luogo, essa costituisce il presupposto essenziale per misure di diagnostica ottica
basata sull’utilizzo di sorgenti laser commerciali a basso costo (laser a diodo a semiconduttore). In
secondo luogo, lo spettro infrarosso di un assegnato campione è in grado di fornire l’impronta
digitale delle strutture molecolari presenti in esso, e, quindi, risulta uno strumento indispensabile
per lo studio delle proprietà chimico-fisiche delle strutture nanometriche.
4

La spettroscopia Raman, a differenza di quella in assorbimento, consente di investigare legami di
tipo apolare; per questo motivo, essa è largamente utilizzata per l’analisi e la caratterizzazione di
materiali carboniosi in genere. Essa va ad indagare il tipo di legame formato dagli atomi di
Carbonio che si traduce, a livello macroscopico, nell’esistenza di materiali dalle proprietà
meccaniche e di trasporto elettronico profondamente diverse tra loro, come la grafite, il diamante, i
fullereni o i nanotubi di carbonio. Tecniche di tipo Raman sono state già applicate per lo studio
della componente micrometrica del particolato da combustione [23], mentre nulla è noto circa lo
spettro Raman del NOC.
L’interesse in questa regione spettrale nasce da considerazione chimico-fisiche sul campione. Infatti
ci aspettiamo che in esso siano presenti strutture chimiche aromatiche ed alifatiche in percentuali
diverse a seconda delle sue proprie caratteristiche e tali strutture presentano modi IR attivi e Raman
attivi proprio nell’infrarosso.
Nel nostro caso abbiamo misurato ed analizzato lo spettro di assorbimento di vari campioni in una
regione spettrale compresa tra i 400 e i 7800 cm -1. Per coprire tale spettro di lunghezze d’onda, si e’
utilizzato uno spettrometro a trasformata di Fourier (FTIR) messo a disposizione dal Professor
Maddalena.
In ultimo, al fine di ottenere ulteriori informazioni sulle proprietà ottiche delle nano particelle, si è
montato in laboratorio un apparato per la rivelazione di radiazione Raman allo scopo di effetturare
le prime prove di misura di spettro Raman da nanoparticolato carbonioso.
Recentemente, tecniche ottiche avanzate (Laser Tweezing, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,
Raman imaging) hanno reso possibile lo studio dell’interazione fra singoli oggetti [29-31]. In
particolare, esse hanno trovato larga applicazione per lo studio di singoli oggetti biologici (singole
cellule, frammenti di DNA, virus, etc.) e della loro interazione con l’ambiente esterno.
L’applicazione di questo tipo di tecniche allo studio dell’interazione della componente nanometrica
dell’aerosol con cellule del tessuto epiteliale potrebbe risultare di grande interesse e di grande
attualità. In particolare, potrebbe fornire preziosissime informazioni sulla capacità di penetrazione
delle nanoparticelle attraverso la membrana cellulare in funzione della dimensione delle particelle
stesse, come meglio illustrato nella parte analitica di questo progetto.
Da misure di shift Raman è possibile seguire l'evoluzione temporale della distribuzione spaziale
delle particelle oggetto dell'investigazione. Questi dati possono fornire informazioni preziose
5

specialmente per quanto riguarda il primo strato dell'atmosfera (Planetary Boundary Layer) che è
maggiormente affetto dalle immissioni di tipo antropico.
Nel seguito verranno introdotte le nanoparticelle oggetto dei miei studi, la tecnica di misura della
loro risposta spettrale nella regiore dell’infrarosso con le relative misure effettuate, la tecnica dello
scattering anelastico “Raman” con illustrazione dell’apparato montato in laboratorio per la
rivelazione di tale segnale e tutti i risultati ottenuti.
6

Bibliografia
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7

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8

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Aeresol atmosferico
In atmosfera sono disperse particelle sia allo stato solido che liquido (aerosol atmosferico) costituito
da tipi di particolato differenti per dimensione e natura chimica. In esso si distinguono prodotti:
-primari, se emessi in atmosfera direttamente attraverso processi naturali o antropici,
-secondari, se si formano in atmosfera mediante reazioni chimiche.
Nella fattispecie, il particolato carbonioso, cioè costituito per la maggiore da carbonio organico
(OC) risulta essere particolarmente nocivo sia per l’ambiente che per la salute umana. Esso è per la
maggior parte di natura primaria ed è classificato a seconda delle sue dimensioni. Così, ad esempio,
si parla di PM10 (particulate matter) quando s’intende polveri di diametro inferiore ai 10 µm,
piuttosto di PM2.5 nel caso di diametro inferiore ai 2.5 µm e così via. In particolare si parla di
particolato fine per i PM2.5 ed ultrafine per i PM0.1 e di nanoparticelle per i PM0.001. La
produzione dei PM è soprattutto di natura antropica: industria e traffico sono, specie nei centri
urbani, i maggiori produttori di PM.
Se consideriamo un campione di PM10 risulta che (vedi figura 1) in termini di massa la
concentrazione di PM tra 1 e 10 µm contenuta in esso è maggiore rispetto a quella dei PM di
diametro inferiore mentre, in termini di unità i PM ultrafini sono in concentrazione assolutamente
Figura 1
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
concentrazione
numerica
concentrazione
massiva
PM0.01
PM0.1
PM10
10

superiore (D’Alessio et al., La Chimica e l’Industria (2005)).
Tenendo poi in conto che:
-più le dimensioni delle particelle sono ridotte, maggiore è la loro capacità di penetrazione, e quindi
di creare danni nei tessuti umani una volta inalati;
-sostanze nocive alla salute umana nonché perfino cancerogene hanno la tendenza ad adsorbirsi alla
superficie esterna di tale particolato che quindi si fa loro veicolo nel corpo umano;
-il rapporto superficie/volume aumenta col diminuire del diametro;
si può avere un’idea del motivo dell’interesse crescente riguardo tale argomento.
Per quanto concerne l’interazione tra i PM ed il corpo umano, i PM10, una volta inalati, sono
promotori di disturbi all’apparato oro-faringeo, i PM1.0 raggiungono già l’apparato respiratorio
nella sua totalità, mentre i PM0.1 risultano essere estremamente dannosi visto che, date le ridotte
dimensioni, arrivano ad essere trasportati perfino negli alveoli polmonari e da qui possono essere
immessi all’apparato circolatorio. Alcuni studi sperimentali avanzano la possibilità che tali
particelle una volta inalate possano raggiungere persino il sistema nervoso centrale (Oberdorster G.
et al (2004), Inhalation Toxicology, 16(6-7),
In Italia, al momento, vige una normativa sul controllo dei PM10. Nello specifico, la concentrazione
media giornaliera non deve superare i 50 µg/m 3 e per non più di 35 volte all’anno, mentre la media
annua non deve superare i 40 µg/m 3 . Ma ben poco ancora si conosce dei PM nanometrici e non
esiste a tutt’oggi una normativa a riguardo.
Per le nostre misure sperimentali sono stati utilizzati come campioni delle sospensioni di
nanoparticelle in acqua bidistillata campionate al dipartimento di Ingegneria Chimica
dell’Università degli studi di Napoli “Federico II” in collaborazione col gruppo del Professor
D’Alessio.
Illustriamo di seguito, in sintesi, il procedimento di campionamento delle nanoparticelle.
Su di un bruciatore si forma una fiamma premiscelata, il rapporto tra i due gas da miscelare viene
deciso dall’operatore e realizzato facendo confluire precedentemente i flussi dei due gas (nel nostro
caso Etano e Ossigeno) in un premiscelatore elettronico. Dalla fiamma viene estratto, mediante un
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opportuno sistema in vetro raffreddato con acqua in circolo, il particolato. Tale sistema è posto sotto
vuoto. Il particolato gorgoglia in acqua bidistillata contenuta in uno o più bubbler posizionati lungo
il sistema di aspirazione. Si può variare il rapporto Combustibile/Ossigeno, C/O (allo scopo di
monitore la variazione del rapporto tra la componente alifatica e aromatica del campione in esame),
o l’altezza, z, dal bruciatore, allla quale si vuole campionare il particolato prodotto durante la
combustione (dalle quali misure s’intende ricavare informazioni sulla dinamica temporale della
formazione di particolato che corrisponde alle diverse altezze di prelevamento del campione).
Campioni e substrati
Per misurare lo spettro FTIR del particolato prodotto in fiamma è stato necessario preparare i
campioni da studiare in modo opportuno.
La tecnica di estrazione delle nanoparticelle dalla fiamma prevede, come detto, che il prodotto della
combustione sia fatto gorgogliare in acqua bidistillata ed è per questo che i campioni da noi
utilizzati sono costituiti da sospensioni di nanoparticelle in soluzione acquosa; essi differiscono tra
loro per il rapporto carbonio-ossigeno di cui è composta la fiamma in combustione e dall’altezza di
campionamento.
Sfortunatamente, l’acqua presenta un forte assorbimento nell’IR, ragion per cui ci si è trovati nella
necessità di studiare un metodo altenativo per poter misurare lo spettro IR del particolato. L’idea è
quella di depositare il particolato su di un substrato trasparente nella regione dell’infrarosso
eliminando per evaporazione la presenza dell’acqua.
Al tal fine si è scelto, come supporto per la deposizione, una pasticca di bromuro di potassio (KBr)
che essendo trasparente in questa regione spettrale non risulta coinvolto nella misura FTIR.
D’altronde una delle caratteristiche del KBr, che è un sale, è la sua solubilità in acqua, motivo per
cui bisogna privare il campione dell’acqua in cui è in sospensione ed allo stesso tempo trovare un
solvente che non intacchi i legami del KBr .
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Figura 2: Spettro di asorbimento del KBr
Procedimento di preparazione delle pasticche in KBr
Per preparare le pasticche di KBr necessitiamo di KBr in polvere, per spettroscopia IR (Merck), un
mortaio e pestello di agata, una pressa, una pompa da vuoto ed un “pasticcatore” (mostrato in
figura) della Perkins Elmer. Le pasticche utilizzate sono state preparate all’ICTP di Pozzuoli (Na)
grazie alla collaborazione con il dottor Musto.
Procedimento:
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-essendo il KBr un materiale igroscopico ci si premura di lasciare una quantità di KBr in polvere in
stufa a 200°C per tutta una notte allo scopo di eliminare l’acqua presente nella polvere;
-si procede quindi alla macinazione nel mortaio di una quantità di tale polvere allo scopo di rendere
la grana ancora più fine in modo che alla fine del processo di vetrificazione la pasticca risulti il più
omogenea possibile;
-si mette una quantità di polvere nel pasticcatore (circa 300 mg) e, posto sotto vuoto per circa
cinque minuti, si procede a pressarlo a circa 200 bar di pressione per ulteriori cinque minuti;
-si procede quindi all’estrazione della pasticca dal pasticcatore.
Preparazione dei campioni su pasticca di KBr
Una volta preparate le pasticche e tenute sempre in luoghi asciutti (magari sotto vuoto) si procede
alla deposizione del particolato su di esse e alla relativa misura dell’assorbimento nell’IR
utilizzando uno spettrofotometro a trasformata di Fourier (FTIR).
Si procede quindi in tal senso:
- Si misura lo spettro FTIR di due pasticche di KBr. Tali spettri saranno il nostro bianco di
riferimento.
- In un contenitore apposito si lascia evaporare l’acqua contenuta nella sospensione sotto una
campana di vetro collegata ad una pompa da vuoto ad una pressione di circa 50 mbar, un vuoto
poco spinto al fine di evitare l’evaporazione del particolato stesso.
-Si aggiunge del solvente volatile nel contenitore e con una siringa si procede alla deposizione della
nuova sospensione su una delle due pasticche di KBr . Contemporaneamente si depone una quantità
simile di solo solvente sulla seconda pasticca. Quest’ultima ci farà da riferimento sul segnale del
solvente.
-Si lasciano entrambe le pasticche sotto un vuoto poco spinto (50 mbar) e si ripete la deposizione
più volte.
- Aspettato un tempo stimato sufficiente, si procede alla misurazione dello spettro FTIR delle due
pasticche così preparate.
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Assorbimento nella regione spettrale dell’infrarosso
L’utilizzo di tecniche spettroscopiche nelle regione dell’infrarosso prende ragion d’essere dal fatto
che la radiazione IR interagisce con i legami interni alla molecola, cioè con i legami fra i vari atomi
e/o i vari gruppi funzionali presenti nella molecola. Dal punto di vista fisico, il trasferimento di
energia è reso possibile dall’accoppiamento del campo elettrico oscillante della radiazione
elettromagnetica incidente con il momento di dipolo della molecola, µ, posto in oscillazione dalle
vibrazioni molecolari, Q. Per cui, per poter avere assorbimento di radiazione infrarossa deve
accadere che la radiazione stessa provochi una variazione del momento di dipolo molecolare.
Circostanza che dipende fortemente dalla geometria e dalla struttura della molecola. In figura, sono
mostrate due diverse vibrazioni molecolari, nella prima non c’e variazione di momento di dipolo
per cui non si avrà assorbimento nell’infrarosso, nella seconda invece si.
X
X
Y
∂µ/∂Q=0
X
Y
∂µ/∂Q≠0
X
X
X
Viene detto spettro infrarosso di una molecola o sostanza il diagramma che contiene i picchi di
assorbimento dell’energia nella regione dell’infrarosso relativi ai moti vibrazionali della molecola
in funzione del numero d’onda. Generalmente, viene scelta come unità di misura dell’energia il
numero d’onda e cioè il cm -1 .
Dato che ogni tipo di legame fra atomi e ogni gruppo funzionale presenta un assorbimento a una
specifica lunghezza d’onda dell’infrarosso, rivelando lo spettro di assorbimento del campione, si
possono ricavare informazioni sui componenti della molecola.
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Tra i vari movimenti che una molecola può fare ricordiamo, ad esempio, quelli definiti di
“stretching” e cioè tutti quelli che comportano la variazione della lunghezza del legame, e quelli
definiti di “bending” e cioè tutti i moti che comportano la variazione dell’angolo di legame.
È da notare che non tutte le vibrazioni molecolari produrranno assorbimento nell’infrarosso. Per
essere attiva nell’IR, la vibrazione deve presentare un cambiamento nel momento di dipolo
molecolare durante il modo. Per tale ragione, per le molecole biatomiche omonucleari come H2, N2
e O2, non può essere osservato alcun assorbimento nell’IR. Nel caso di molecole eteronucleari,
come per esempio CO o HCl, che posseggono un dipolo permanente, invece, l’assorbimento
nell’infrarosso è dovuto proprio al fatto che la vibrazione modifica il momento di dipolo. È
comunque da sottolineare che non è necessario che la molecola presenti un momento di dipolo
permanente per essere IR attiva. Per esempio nel caso del CO2, essendo la molecolare lineare e
centrosimmetrica non presenta alcun momento di dipolo permanente, ma nel caso di stretching
asimmetrico si ha la generazione di un momento di dipolo periodico che rende la molecola IR
attiva.
È possibile riconoscere in uno spettro nell’infrarosso una corrispondenza tra zone dello spettro e
specifici modi: in particolare da 3800 a 1300 cm -1 si è nella zona dei gruppi funzionali che
comprende le bande d’assorbimento dovute agli stiramenti dei legami: da 1300 a 650 cm -1 si è nella
cosiddetta zona delle impronte digitali (finger print) poiché lo spettro risulta caratteristico per ogni
molecola dato che in questa zona si registrano assorbimenti dovuti alle vibrazioni totali di tutta la
molecola (vibrazioni di scheletro); da 650 a 200 cm -1 si è nella zona del lontano IR che comprende
i legami tra atomi pesanti, deformazioni di gruppi privi d’idrogeno e vibrazioni di scheletro.
Per ben interpretare gli spettri IR è necessario fare riferimento a spettri già noti in letteratura. In
genere si hanno tabelle che riportano le bande di assorbimento dei gruppi funzionali e delle
vibrazioni degli atomi noti ai quali si fa riferimento quando si studia una sostanza incognita.
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FTIR
Per misurare gli spettri infrarossi dei nostri campioni abbiamo utilizzato un spettrometro a
trasformata di Fourier della Perkin Elmer (modello: Spectrum 2000)
Gli spettrometri a trasformata di Fourier (FTIR) diversamente da quelli tradizionali non si basano
sull’utilizzo di un monocromatore a dispersione, ma di un interferometro di Michelson, il quale
produce nel corso di una scansione l’interferogramma della sostanza in esame. Mediante
l’operazione matematica della trasformata di Fourier, quest’ultimo viene trasformato dal computer,
collegato allo strumento, in un tradizionale spettro infrarosso.
Vediamo quali sono i principi base di funzionamento di uno di questi spettrofotometri.
La radiazione emessa da una sorgente luminosa, in genere ad incandescenza, raggiunge uno
specchio semiriflettente, M1: il 50% viene diretto ad uno specchio fisso, M2, ed il restante 50% ad
specchio mobile, M3. I raggi riflessi da questi due ultimi raggiungono nuovamente lo specchio
semiriflettente che li ricongiunge e li indirizza al rivelatore, R. I due raggi, dunque, hanno percorso
un diverso cammino ottico. Il rivelatore registra un interferogramma le cui interferenze costruttive e
distruttive dipendono dalla differenza di cammino ottico prodotto dai due raggi a sua volta legato
istante per istante alla posizione dello specchio mobile.
R
M2
M1
M3
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Le informazioni riguardanti la frequenza e l’intensità della radiazione emessa sono contenute nel
suddetto interferogramma. Il software di acquisizione trasforma, mediante la trasformata di Fourier,
il segnale di intensità luminosa in funzione del tempo (proporzionale allo spostamento dello
specchio) in un segnale di intensità in funzione del numero d’onda. Si ottiene quindi, in questo
modo, un tradizionale spettro infrarosso.
La scelta dell’intervallo spettrale (nel range compreso tra 7800 e 370 cm -1 ) nel quale si vuole
acquisire il segnale e della risoluzione (nel range compreso tra 0.2 e 4 cm -1 ) dello strumento può
essere effettuata dall’operatore comandando lo strumento direttamente dal computer.
Misure dello spettro infrarosso del nanoparticolato
A) Uso di diversi solventi
In questa fase si è deposto il particolato (secondo il procedimento spiegato precedentemente)
proveniente dalla stessa sospensione acquosa (C/O= 0.65) utilizzando tre diversi solventi: il dicloro
metano (DCM), il toluene e l’acetonitrile. Si sono misurati gli spettri FTIR di tutte e tre le pasticche
dopo aver ripetuto più volte il processo di deposizione. Due sono gli scopi di questo tipo di misure:
in primo luogo si vuole capire se il solvente modifica lo spettro FTIR delle nanoparticelle, proprio
per tal motivo si è utilizzato un solvente molto aromatico, il toluene, ed uno molto alifatico,
l’acetonitrile: in secondo luogo, si vuole verificare se uno dei tre solventi risulta, in qualche
maniera, più adatto degli altri per il tipo di misure che intendiamo fare.
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Trasmissione (%)
80
70
60
50
40
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
Trasmissione (%)
100
90
80
70
60
50
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
C/O=0.65 in Toluene
numero d'onda (cm -1 )
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Come prima osservazione è da sottolineare che, per ottenere gli spettri mostrati in figura, nel caso
del toluene e dell’acetonitrile è stato necessario ripetere molte più volte il procedimento di
deposizione, almeno il triplo delle deposizioni effettuate nel caso dell’utilizzo del DCM.
Circostanza che sottolinea come il DCM sia in ogni caso il miglior solvente da utilizzare per il
nostro particolato, supportati ulteriormente dalla constatazione che il DCM è il solvente più
utilizzato in letteratura per questo tipo di esperimenti.
In più, confrontando i grafici ottenuti, risulta evidente che la posizione dei picchi non cambia
(anche se nel caso dell’acetonitrile i picchi sono appena accennati), per cui oltre a concludere che il
solvente, qualunque dei tre sia, non partecipa alla misura dello spettro nell’infrarosso, possiamo
anche dire che lo spettro misurato è dato proprio dal particolato in esame.
Trasmissione (%)
100
80
60
40
20
0
C/O=0.65 in DCM
numero d'onda (cm -1 )
C/O=0.65 in Acetonitrile
19

Trasmissione (%)
Trasmissione (%)
100
80
60
40
20
90
80
70
60
50
40
30
20
B) Studio per diversi rapporti C/O
Abbiamo misurato lo spettro FTIR di nanoparticolato deposto su pasticche di KBr utilizzando
sospensioni che si differenziavano per il rapporto C/O della fiamma dai quali sono stati prelevati.
L’obiettivo è quello di capire se tale parametro modica la natura stessa del particolato. Registrando
lo spettro di trasmissione dei vari particolati possiamo, infatti, risalire alla struttura chimica dei
campioni e controllare in tal modo le variazioni dovute per l’appunto alla variazione di rapporto
C/O. Ci si potrebbe aspettare, per esempio, che aumentando il rapporto C/O possano a loro volta
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
C/O=0.56
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
C/O=0.77
Trasmissione (%)
Trasmissione(%)
100
90
80
70
60
50
100
95
90
85
80
75
70
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
C/O=0.65
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
20
C/O=0.92

Trasmissione (%)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
variare le posizioni dei picchi, dato che alcuni legami potrebbero disfarsi ed altri formarsi. In
particolare, da considerazioni teoriche, ci si potrebbe aspettare che la natura del particolato tendi a
divenire via via più aromatica all’aumentare del rapporto C/O o semplicemente che potrebbe variare
l’intensità relativa tra i picchi aromatici e quelli alifatici. Per cui, assegnati i picchi relativi ad
assorbimenti dovuti a vibrazioni di anelli aromatici piuttosto che dovuti a vibrazioni di catene
alifatiche presenti nel campioni, si può misurare tale andamento. In questa fase, si sono misurati gli
spettri FTIR di particolato campionato ai seguenti rapporti C/O: 0.56, 0.65, 0.77, 0.92. Tutti i
campionamenti sono stati effettuati in un range compreso tra i 3.5 mm e 6 mm di altezza dal
bruciatore.
Confrontando i quattro grafici corrispondenti ai quattro rapporti C/O con cui è stato campionato il
particolato prodotto durante la combustione dalla fiamma si vede che la posizione dei picchi non
viene minimamente modificata dalla variazione del rapporto C/O per cui possiamo concludere che
tale parametro non modifica i legami chimici presenti nel particolato.
C) Riconoscimento dei picchi registrati
Stabilito che il solvente oltre ad evaporare completamente non modifica lo spettro del particolato
siamo ora pronti ad assegnare i picchi misurati ai rispettivi modi vibrazionali.
Prendiamo ad esempio uno degli spettri misurati, in particolare quello relativo ad una sospensione
con rapporto C/O=0.56 e mostriamo nelle seguenti due figure un ingrandimento delle due zone
698
800
863
1015 1096
1261
1467
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
numero d'onda (cm -1 )
C/O=0.56
spettrali in cui si sono misurati i picchi di assorbimento di tale particolato.
Trasmissione (%)
60
50
40
30
20
2850
2920
2400 2600 2800 3000 3200 3400
2960
numero d'onda (cm -1 )
C/O=0.56
21

Mediante l’utilizzo di tabelle note in letteratura è stato possibile stilare la seguente tabella che
relaziona i picchi misurati con i modi presenti nel materiale.
Posizione (cm -1 ) Assegnazione
698 anello benzenico trisostituito (1,3,5), fuori dal piano
800 legame C-H in anello benzenico trisostituito (1,3,5), fuori dal piano
863 legame C-H in anello benzenico bisostituito (1,3), fuori dal piano
1015 legame C-H in anello benzenico trisostituito (1,3,5), nel piano
1096 legame C-H in anello benzenico bisostituito (1,3), nel piano
1261 legame C-H in anello benzenico trisostituito (1,3,5)
1467 -C=C- strecthing oppure –CH3 strecthing
2850 -CH2 strecthing simmetrico
2920 -CH2 strecthing asimmetrico
2960 -CH3 strecthing asimmetrico
È possibile dunque riconoscere due zone ben distinte dello spettro, la prima è relativa ad
assorbimenti di energia nell’infrarosso dovuti a moti vibrazionale di legami aromatici (400-
1500cm -1 ), la seconda, invece, ad assorbimenti dovuti alla presenza di legami alifatici (2800-
3000cm -1 ). E’ indubbio, dunque, che con misure FTIR sia possibile ben identificare la struttura
chimica dei costituenti presenti nel particolato in esame.
Per quanto riguarda la possibilità di valutare i rapporti relativi tra i picchi aromatici e quelli alifatici
siamo, al momento in piena, elaborazione dati.
D) Studio a diverse temperature
Un’altra interessante analisi che si è fatta è stata quella di misurare lo spettro FTIR di un dato
particolato carbonioso deposto su di una pasticca di KBr al variare della temperatura.
L’idea da cui prende spunto tale misura si basa sulla constatazione teorica che al crescere della
temperatura gli idrogeni presenti nel particolato evaporano permettendo in tal modo alle catene di
idrocarburi di unirsi ad anello, rendendo quindi il particolato più aromatico. Andamento che
intendiamo monitorare riscaldando a diverse temperature il particolato deposto su di una pasticca
mediante l’utilizzo di un forno, e misurando per ogni temperatura lo spettro FTIR corrispondente.
22

Dal confronto di tali spettri intendiamo ricavare l’informazione sull’andamento aromatizzante o
meno del particolato.
In questo caso si è scelto come particolato quello con rapporto C/O=0.77 e lo si è lasciato nel forno
per un tempo di circa 10 minuti a temperature variabili tra 20 (temperatura ambiente) e i 195 °C .
Dal confronto dei grafici non si nota una variazione nella posizione dei picchi, probabilmente
poiché non abbiamo raggiunto temperature sufficienti a far avvenire il processo di aromatizzazione
del particolato mentre si osserva una netta diminuizione degli assorbimenti dovuti alle catene
alifatiche. I tre picchi relativi alla zona alifatica (2800-3000cm -1 ) sono molto meno profondi a
temperatura di 195°C (ultimo grafico) che non a temperatura di 20°C (primo grafico).
Il passo successivo sarà proprio quello di portare il particolato a temperature maggiori per
innescare il processo di aromatizzazione del particolato. Resta comunque da elaborare in modo
quantitativo i dati ottenuti dalla misura di tali spettri dei quali abbiamo fatto solo una prima
interpretazione puramente qualitativa.
Trasmissione (%)
Trasmissione (%)
90
80
70
60
50
40
90
80
70
60
50
40
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0.77 a T=20 C
0.77 a T=60 C
Trasmissione (%)
Trasmissione (%)
90
80
70
60
50
40
30
90
80
70
60
50
40
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0.77 a T=43 C
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0.77 a T=85
23

Trasmissiona (%)
Trasmissione (%)
Trasmissione (%)
90
80
70
60
50
40
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
90
85
80
75
70
65
60
55
50
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
E) Studio a diverse altezze
0.77 a T=145
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0.77 a T=105 C
0.77 a T=185 C
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Risulta particolarmente interessante un’analisi dello spettro FTIR del particolato a rapporto C/O
costante ma campionati ad altezze diverse. La dinamica temporale della formazione di particolato,
Trasmissione (%)
Trasmissione (%)
Trasmissione (%)
100
90
80
70
60
50
40
90
80
70
60
50
40
90
80
70
60
50
40
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numero d'onda (cm -1 )
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
numro d'onda (cm -1 )
numero d'onda (cm -1 )
0.77 a T=125 C
0.77 a T=165 C
0.77 a T=195 C
24

infatti, corrisponde alle diverse altezze di prelevamento del campione. Da un’analisi di questo tipo,
sarà possibile verificare modelli teorici inerenti la formazione di particolato nanometrico in sistemi
di combustione, che prevedono una progressiva aromatizzazione del particolato stesso, senza che
ciò sia accompagnato ad una crescita dimensionale delle particelle costituenti.
Nel nostro caso sono in corso le misurazioni degli spettri di due campioni, campionati dalla stessa
fiamma (per cui stesso rapporto C/O, ovvero C/O=0.77) ma a due diverse altezza dal bruciatore: 3.5
e 12 mm.
25

Infrarosso/Raman
La spettroscopia nell’infrarosso non è l’unica tecnica capace di dare informazioni sulle energie
necessarie per transizioni tra livelli vibrazionali delle molecole. Raman nel 1928 scoprì che quando
la materia viene irraggiata da luce monocromatica riemette parte di essa ad una lunghezza d’onda
differente da quella incidente. La tecnica sperimentale che si basa su tale fenomeno prende il nome
di spettroscopia Raman. Dalla misura della radiazione diffusa anelasticamente dal campione in
seguito all’irraggiamento con una radiazione laser, è possibile investigare i livelli vibrazionali delle
molecole. Anche per la spettroscopia Raman sono tabellati i picchi di riferimento. Rispetto alla
spettroscopia infrarossa, d’altronde, la spettroscopia Raman presenta differenti regole di selezione.
Infatti, mentre un modo è IR-attivo quando avviene un cambiamento del momento di dipolo della
molecola, µ, un modo è Raman-attivo se c'è un cambiamento di polarizzabilità, P, per cui i modi
che non sono attivi nell’infrarosso possono essere attivi al Raman e viceversa. È possibile quindi
con la spettroscopia Raman, misurare l’energia dei moti vibrazionali capaci di modificare la
polarizzabilità della molecola, circostanza che deriva anch’essa, come nel caso della spettroscopia
infrarossa, dalla geometria della molecola. Per tal motivo, possiamo affermare che le due
spettroscopie sono complementari. In figura 1 mostriamo per una generica molecola YX3, un modo
Raman attivo e un modo Raman non attivo. In figura 2 mostriamo, per la stessa molecola, un modo
IR attivo e modo IR non attivo. È interessante notare come lo stesso modo, il primo per entrambe le
figure, sia contemporaneamente Raman attivo ma non IR attivo.
X
Figura 1
X
Y
∂P/∂Q≠0 X ∂P/∂Q=0
X
X
Y
X
26

X
Figura 2
X
Y
∂µ/∂Q=0
X
Y
∂µ/∂Q≠ 0
X
X
X
Effetto Raman
Quando una molecola viene investita da radiazione monocromatica si ha che la maggior parte dei
fotoni vengono diffusi elasticamente, cioè alla stessa frequanza della radiazione incidenza (senza
perdita di energia), diffusione elastica o Rayleigh, e una piccola parte viene diffusa anelasticamente,
diffusione Raman. In questo caso, se la molecola nell’interazione con la radiazione acquista energia
si parla di Raman Stokes se cede energia, Raman Anti-Stokes. Questo è interpretabile considerando
che la materia irraggiata può trovarsi sia in uno stato energetico fondamentale che in uno stato
vibrazionale energetico eccitato. L’interesse per lo spettro Raman consta nel fatto che esso è
caratteristico delle molecole investite dalla radiazione. Ed è per questo che dallo spettro della luce
diffusa da materiali illuminati da radiazione coerente e monocromatica (tipicamente nel visibile), è
possibile ottenere informazioni sui moti vibrazionali delle molecole.
L'intensità della luce diffusa è tipicamente 10 -3 -10 -5 dell'intensità incidente per la diffusione elastica,
10 -7 -10 -10 per la diffusione anelastica.
Un tipico spettro presenta linee Stokes e anti-Stokes disposte simmetricamente rispetto alla linea
Rayleigh, e la differenza in energia rispetto a quest'ultima corrisponde all'energia acquistata o
ceduta dalla molecola nel variare il livello vibrazionale iniziale.
Schematicamente possiamo descrivere la diffusione nel seguente modo, vedi figura 1.
27

Figura 1: Assorbimento e riemissione di fotoni nell'effetto Raman.
Supponiamo di avere una molecola in un livello di energia εi. Investita da radiazione
monocromatica, essa assorbe un fotone di energia hν e si porta ad un livello virtuale di energia εν.
Dato che questo livello non corrisponde ad uno stato vibrazionale permesso, l’energia acquisita
viene immediatamente riemessa sotto forma di un fotone di energia hν’. La molecola passa ad un
livello energetico εf.
Per la conservazione dell’energia deve essere
Si ha la diffusione Rayleigh nel caso in cui εi=εf , se ciò non accade si ha la diffusione Raman. È
noto che a temperatura ambiente il livello εg è più popolato di quello ε1 per cui è più probabile la
transizione tra lo stato vibrazionale fondamentale al primo eccitato piuttosto che quella inversa, per
cui risulta anche sperimentalmente che le linee Stokes sono più intense di quelle anti-Stokes.
Volendo calcolare il rapporto tra le intensità, avremo che esso dipende perciò dalla popolazione
relativa di εg e di ε1 secondo il fattore di Boltzmann:
28

Anche se l'effetto Raman è interpretabile mediante l’utilizzo della meccanica quantistica è possibile
tentare un approccio qualitativo classico.
Prendiamo in esame une molecola biatomica ed investiamola di radiazione monocromatica
coerente: possiamo associare ad esso un campo elettrico pari a :
nella direzione di oscillazione della molecola. Sotto l’effetto della radiazione la molecola comincia
ad oscillare attorno alla sua posizione di equilibrio e possiamo introdurre un momento di dipolo pari
a:
dove abbiamo indicato con α la polarizzabilità della molecola, che dipende dalla distanza tra i due
atomi della molecola. Dato x come spostamento dalla distanza di equilibrio x0 tra i due atomi,
sviluppando la polarizzabilità α in serie di Taylor attorno a x0 si ottiene:
dove abbiamo indicato con α0 la polarizzabilità a x0. Supponendo che ogni molecola abbia una sua
frequenza di risonanza ω0, possiamo scrivere x=acosω0t e fermandoci ai termini lineari nello
sviluppo utilizzando anche la (1) si ottiene:
(1)
(2)
(3)
29

che si può riscrivere come:
un dipolo irradia alla sua frequenza di oscillazione, per cui la molecola riemette luce alle frequenze
ω, ω-ω0 e ω+ω0 che sono per l’appunto le frequenze Rayleigh, Raman Stokes e Raman Anti-
Stokes.
In ogni caso il fenomeno dello scattering della luce è debole e occorre un raggio molto intenso
(laser) per osservare l'effetto Raman
Infine, come già detto, la spettroscopia Raman e quella ad infrarosso sono complementari.
Apparato sperimentale per la misura della radiazione Raman
Uno degli obiettivi a lungo termine del mio progetto consisteva nel progettare e montare un
apparato per la rivelazione di radiazione Raman in laboratorio. Come già accennato, l’efficienza del
processo Raman è molto bassa per cui bisognava realizzare un apparato che amplificasse il più
possibile il segnale diffuso dal campione in esame. L’allineamento delle ottiche, in particolare,
risultava essere molto critico. Ci sono voluti diversi mesi per poter realizzare l’apparato mostrato in
Figura 1.
(4)
30

F
N
OF
Laser
PMT
Figura 1: schema dell’apparato sperimentale realizzato in laboratorio per la rivelazione di
radiazione Raman
Come sorgente di radiazione si è utilizzato un laser Nd:YOV della Spectra Physics duplicato in
cavità, la cui radiazione ha una lunghezza d’onda di 532 nm e una potenza accordabile nel range
0.23-10 Watt.
La radiazione generata dal laser, dopo essere stata filtrata in lunghezza d’onda dal filtro F, investe il
campione focalizzata da un’opportuna lente L.
Essendo la generazione di radiazione Raman un processo isotropo, parte di tale radiazione viene
ricollimata dalla lente e passando per il beam splitter BM raggiunge il filtro notch N.
IL filtro notch (Jobin Yvon) è un filtro olografico che blocca la radiazione incidente in di un
intervallo spettrale molto stretto, esso ha la funzione di rimuovere dal segnale che si vuole rivelare
la radiazione generata dalla sorgente al fine di massimizzare l’efficienza della rivelazione Raman.
Nel nostro caso si è utilizzato un filtro che taglia selettivamente la radiazione di lunghezza d’onda
in un intervallo piccato intorno a 532 nm.
Mediante una fibra ottica OF la radiazione raggiunge l’ottica adattiva, che serve per ricollimare il
fascio in uscita dalla fibra, montata a ridosso del monocromatore M. Il ruolo del monocromatore è
quello di separare la radiazione continua nelle sue componenti monocromatiche. Nella fattispecie, si
è utilizzato un monocromatore della Jobin Yonn modello Triax 180, provvisto di una torretta a tre
S
M
AE
31

eticoli di diffrazione (300, 600 e 1800 linee/mm). L’apertura delle slitte, l’intervallo spettrale di
scansione e il tempo di scansione sotto tutti parametri che si possono agevolmente gestire tramite
l’utilizzo di un software labview.
La radiazione ulteriormente filtrata e separata in componenti spettrali dal monocromatore viene
quindi raccolta e rivelata da un fotomoltiplicatore PMT a sua volta collegato con l’elettronica di
acquisizione AE, costituita da un lock in (che essenzialmente filtra il segnale da parte del rumore),
un oscilloscopio e una seriale ADC collegata ad un computer.
Il segnale infine viene elaborato via software.
Prove preliminari
Per poter testare la funzionalità dell’apparato, sono stati posti in esame campioni di cui era noto in
letteratura lo spettro Raman in modo da poterli confrontare con quelli da noi rivelati.
E’ stato misurato, per esempio, lo spettro Raman dell’esano e si sono ritrovati i picchi noti in
letteratura.
Misure sulle nanoparticelle
Montato in laboratorio l’apparato sopra descritto, si è proceduto al posizionamento del campione di
particolato nanometrico su di un supporto appositamente costruito per esso.
Come più volte accennato, l’efficienza del processo Raman è molto bassa, per cui, rivelare il
segnale Raman generato da un campione investito da radiazione laser di pompa, risulta essere
abbastanza problematico. In più, a differenza del caso in cui si misurava lo spettro Raman
dell’esano, adesso si è di fronte ad un campione in cui il particolato è in concentrazione bassissima
in sospensione acquosa. Il processo di generazione di radiazione Raman, quando avviene, risulta
quindi di bassissima intensità. Per cui, ad esempio, si cominciano ad avere seri problemi nel
separare il segnale Raman dal fondo rumoroso dovuto a diversi fattori concomitanti (fluorescenza
del campione, residuo del laser di pompa, radiazione luminosa ambientale…). Il rapporto
segnale/rumore è quindi molto basso.
Come primo passo s’intende lavorare su due fronti paralleli:
-preparazione del campione in maniera da implementare la sua generazione di radiazione Raman;
-ottimizzazione dell’apparato per la misura dello spettro Raman del campione.
Si è cercato, anzitutto, di misurare lo spettro Raman generato dal particolato carbonioso
nanometrico direttamente in sospensione acquosa tale quale viene campionato dai nostri
collaboratori. Si sono poi utilizzati campioni di nanoparticelle deposti su pasticche di KBr o su
finestre di CaF2, che sono entrambi materiali che non interferiscono con il segnale Raman del
32

particolato carbonioso. Lo scopo di queste prove è quello di individuare in quale sistema si ottiene
la maggiore amplificazione del segnale Raman prodotto dal particolato.
Contemporaneamente, si è proceduto a modificare l’apparato sperimentale da Raman a micro-
Raman e al fine di vedere in quale delle due situazioni l’efficienza del processo Raman fosse
maggiore.
L’idea prende spunto da queste due considerazioni:
utilizzando una lente, la superficie investita dal campione è maggiore (per cui
presumibilmente un numero maggiore di nanoparticelle dovrebbe essere investito da radiazione
laser) che nel caso dell’utilizzo di un obiettivo da microscopio (micro-Raman), per cui l’efficienza
del processo dovrebbe essere maggiore;
con l’utilizzo di un obiettivo da microscopio, d’altro canto, a parità di potenza del laser
incidente, l’intensità del fascio di pompa sul campione è nettamente maggiore (visto che l’area
investita è minore) che nel caso di una lente, per cui la generazione di radiazione Raman dovrebbe
essere amplificata visto che essa è proporzionale all’intensità dell’irraggiamento.
In realtà, i due fenomeni sovra citati competono tra loro e, a priori, non è possibile sapere quale dei
due domina. In genere, se il campione è disperso in bassissima concentrazione in un solvente (quale
il caso della sospensione) è più probabile che il Raman possa fornirci un segnale migliore del
micro-Raman, visto che la luce di pompa, estremamente focalizzata dall’obiettivo da microscopio
ha una alta probabilità di concentrarsi in un’area dove investe un numero di nanoparticelle non
sufficiente alla generazione di una radiazione Raman di intensità rilevabile dalla nostra
strumentazione.
D’altro canto, se la misurazione viene fatta su di un campione uniformemente distribuito (quale
forse il caso delle soluzione lasciata depositare sulle pasticche di KBr o sulla finestra di CaF2)
probabilmente il micro-Raman risulta essere più efficiente.
Inoltre, sempre al fine di ottimizzare la rivelazione del segnale, le misure sono state ripetute
variando alcuni dei gradi di libertà del nostro apparato, quali ad esempio: la potenza del fascio laser
incidente sul campione, l’apertura delle fenditure in ingresso ed in uscita del monocromatore e i vari
parametri del lock in utilizzato (sensibilità, tempo di integrazione,…).
In ogni caso, per quanto riguarda questo tipo di misure siamo solo agli inizi e gli spettri fino ad oggi
misurati sono ancora affetti da molto rumore di fondo, per cui è evidente che bisogna continuare
nel proposito di ottimizzare sia l’apparato che la preparazione del particolato da esaminare. Al
momento si è in questa fase dell’esperimento.
33

Misure Raman al CNR di Pozzuoli
Contemporaneamente alla realizzazione dell’apparato Raman in laboratorio, ci siamo interessati
alla misura di spettri Raman del particolato in collaborazione con il dottor Camerlingo del CNR di
Pozzuoli (Na).
In questo caso si è utilizzato un apparato per spettroscopia Raman (presente nei laboratori afferenti
al CNR di Pozzuoli) costituito da un laser Elio-Neon (Melles-Griot, lunghezza d’onda=1064 nm)
collegato mediante fibra ottica (diametro:50 µm) ad un sistema di microscopia (obiettivi da 10X,
20X, 50X e 100X) che permette di focalizzare il fascio laser sul nostro campione. Lo stadio
portacampioni permette di variare la posizione del campione, mediante viti micrometriche, sia sul
piano xy che sul piano xz.
La scelta della zona del campione da analizzare (rispettivamente di 100 50 20 10µm) viene
effettuata mediante una telecamera montata sul microscopio. Anche in questo caso si utilizza un
filtro notch, per eliminare la radiazione laser, posto subito prima della fibra ottica che porta il
segnale Raman da rilevare ad un monocromatore (Triax 180 della Jobin Yvon) collegato a sua volta
ad un rivelatore CCD raffreddato ad azoto liquido (Spectrum One CCD). Il segnale viene infine
acquisito ed elaborato mediante uno specifico software (SpectraMax per Windows) che permette
all’operatore di impostare tutti i parametri variabili sia del monocromatore (intervallo di lunghezza
d’onda, apertura delle fenditure,..) sia della CCD (temperatura, …) che dell’acquisizione (tempo di
acquisizione, numero di acquisizioni,..). I dati vengono quindi acquisiti, elaborati e mostrati
direttamente sullo schermo.
Nelle due figure seguenti è mostrato lo spettro Raman di uno dei nostri campioni di particolato in
sopensione acquosa così come viene visualizzato sullo schermo del computer mediante l’utilizzo
del sovra citato software.
.
cm -1
Segnale
Raman
Elaborazione
dati
Residuo
34

Raman shift (cm -1 )
Segnale
Raman
Elaborazione
dati
Residuo
Il campione esaminato è una sospensione acquosa di particolato estratto da una fiamma con
C/O=0.92 ad una altezza dal bruciatore di 4.5 mm. Anche se il rapporto segnale/rumore non è
ottimale sono riconoscibili dei picchi in entrambi gli spettri. Si è tentato un inizio di interpretazione
dati che ci permette di assegnare i valori dei numeri d’onda (in cm -1 ) ai quali corrispondono i picchi
di shift Raman misurati (segnati in grassetto nelle due figure). È evidente che le misure vanno
ripetute sia per verificare gli spettri ottenuti sia per migliorare il rapporto segnale/rumore. Solo con
uno spettro “pulito” sarà poi possibile fare l’elaborazione dati volta all’identificazione dei modi
vibrazionali corrispondenti agli shift Raman registrati. Al momento siamo in questa fase.
35

PROGETTI FUTURI
È evidente che l’attività finora svolta, anche se già comincia a darci informazioni preziose sulla
natura chimica del particolato in esame, dovrà essere ulteriormente sviluppata al fine di raggiungere
una piena comprensione della struttura chimica delle particelle. Alcune delle strade intraprese, poi,
necessitano di ulteriori misure e verifiche sperimentali. Discorso che vale, per la maggiore, per la
parte relativa alle misure di spettroscopia Raman. Infatti nonostante l’apparato per la rivelazione di
radiazione Raman sia stato messo a punto e testato con campioni standard (esano) occorrerà fare un
ulteriore sforzo al fine di ottimizzarlo per la rivelazione dei segnali generati dal particolato la cui
intensità è particolarmente debole. Operazione, questa, che deve andare in parallelo con quella di
trovare la forma migliore (liquida, solida) ed il substrato più idoneo che ci permetta di ottimizzare il
segnale Raman.
Inoltre, s’intende investigare le bande di assorbimento nell’IR, legate alle vibrazioni di stretching
del legame O-H e C-H, con maggiore risoluzione, mediante spettroscopia in assorbimento. La
radiazione infrarossa necessaria a tale scopo sarà prodotta utilizzando il processo di generazione di
frequenza differenza (DFG) in un cristallo di Niobato di Litio di tipo periodically-poled. Le sorgenti
primarie per tale processo saranno fornite da un laser Nd-YAG e da un laser Ti:Sa, pompato da un
Nd:YOV duplicato in frequenza. Utilizzando tale sistema sarà possibile generare radiazione di
elevata purezza spettrale ed accordabile tra 2 e 9 micron.
Gli stessi campioni saranno quindi sottoposti ad un’analisi di tipo micro-Raman, che come ben
noto, fornisce informazioni complementari rispetto alla spettroscopia in assorbimento. In
particolare, si andrà ad indagare l’intensità delle risonanze G e D, comuni a tutti i composti
carboniosi, nelle regioni intorno a 1560 e 1360 cm -1 , rispettivamente. Il picco G è dovuto
prevalentemente alla vibrazione di stretching di atomi sp2 disposti in catene, mentre il picco D è
dovuto alla vibrazione breathing di atomi sp2 in anelli aromatici; ne deriva che, dal confronto
dell’intensità relativa dei picchi G e D, diviene possibile quantificare la componenti alifatica e/o
aromatica del campione in esame.
Risulterà particolarmente interessante effettuare tale analisi su campioni provenienti da una fiamma
di tipo laminare, in cui la dinamica temporale della formazione di particolato corrisponde alle
diverse altezze di prelevamento del campione. Da un’analisi di questo tipo, sarà possibile verificare
modelli teorici inerenti la formazione di particolato nanometrico in sistemi di combustione, che
prevedono una progressiva aromatizzazione del particolato stesso, senza che ciò sia accompagnato
ad una crescita dimensionale delle particelle costituenti. Al fine di studiare le proprietà
spettroscopiche delle singole particelle si procederà alla messa a punto di un sistema di
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Spettroscopia Raman amplificata da superfice (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS).
Infatti, negli ultimi anni è stato dimostrato che le sezioni d’urto di processi Raman possono essere
enormemente aumentate se il campione da investigare viene posto in prossimità di superfici
ricoperte da colloidi metallici per effetto dell’interazione delle risonanze plasmoniche dei colloidi
con la radiazione laser usata nell’analisi Raman. L’incremento tipico delle sezione d’urto Raman
che si ottiene con tecniche SERS può raggiungere 10-12 ordini di grandezza, il che, aumentando
enormemente la sensibilità, rende possibile lo studio di singole particelle. L’applicazione di questa
tecnica al NOC (Nano Organic Carbon) costituirà un aspetto esplorativo di questo progetto. In
particolare, l’eventuale individuazione di risonanze fononiche in tali strutture, che
dimensionalmente si trovano nella regione di transizione tra cluster molecolari e particelle,
risulterebbe di estremo interesse per lo studio delle loro proprietà strutturali. Lo studio di singola
particella, rispetto a quello di ensemble, permetterà di evidenziare aspetti di eterogeneità, ovvero di
mettere in correlazione lo spettro Raman delle singole particelle con le dimensioni delle particelle
stesse e, da questo, comprendere l’ordine presente nelle strutture da investigare.
Tecniche sperimentali di tipo Raman saranno altresì applicate per affrontare tematiche inerenti
l’interazione del particolato nanometrico con tessuti biologici. Tale attività sarà condotta in
collaborazione con l’unità 1 (Professor Sannolo, Università “SUN”, Caserta), che possiede
competenze in ambito medico-biologico. In particolare, si intende indagare la capacità di
penetrazione del particolato da combustione nelle cellule, utilizzando ancora la tecnica Raman
combinata all’uso di una pinzetta ottica (Optica Tweezers). Tale sistema permette l’intrappolamento
e la manipolazione di particelle nell’intervallo compreso tra 200 nm e 50 micron mediante l’uso di
fasci laser fortemente focalizzati. Per questo tipo di misure sarà implementato uno schema
sperimentale in parte già operativo presso i nostri laboratori. Esso prevede l’utilizzo di due sorgenti
laser infrarosse: la prima, costituita da un laser Nd-YAG con una potenza di emissione di 0.5 Watt,
sarà utilizzata per mettere a punto la trappola ottica; la seconda, un laser Ti:Sa in continua, servirà
da sonda per l’investigazione Raman. L’utilizzo di sorgenti infrarosse minimizzerà il riscaldamento,
e quindi il danneggiamento, del campione in analisi. Focalizzando il laser Nd-YAG con un obiettivo
da microscopio 40X in condizioni di overfilling, sarà creata una trappola ottica di dimensioni di
qualche micron, atta a bloccare le cellule in analisi, in modo da evitare contatto con le superfici e, al
tempo stesso, eliminare l’agitazione dovuta al moto Browniano. Sarà in particolare investigato il
passaggio di nanoparticelle attraverso la membrana di cellule epiteliali, incubate con diverse
concentrazioni di nanoparticelle nel mezzo di coltura. Tale analisi sarà condotta focalizzando il
laser di eccitazione Raman (Ti:Sa a 830 nm) all’interno della cellula mediante un obiettivo da
microscopio di elevata apertura numerica (100X) in modo da ottenere nel piano focale uno spot di
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dimensioni confrontabili con la lunghezza d’onda utilizzata. I segnali Raman registrati al variare del
punto di irraggiamento saranno utilizzati per ricostruire l’immagine della cellula in termini della
concentrazione di nanoparticelle (Raman imaging). Questo lavoro si propone di studiare i tempi di
penetrazione delle particelle nanometriche all’interno della singola cellula ed, eventualmente,
individuare le regioni cellulari particolarmente interessate a questo fenomeno. In particolare, la
possibilità di indagare il comportamento della singola cellula permetterà di evidenziare eventuali
disuniformità nella risposta di organelli intracellulari.
RICADUTE TECNOLOGICHE E SCIENTIFICHE
Utilizzare tecniche ottiche per lo studio di tali particelle, come già più volte accennato, permette di
fare luce sia sulla loro struttura chimica che sui meccanismi di formazione delle particelle più
grandi note in letteratura come soot. La possibilità di marcare le nanoparticelle, mediante, per
esempio, la loro risposta spettrale nell IR getta le fondamenta per la realizzazione di sensori atti a
rivelare i PM ultrafini al momento inesistenti. A tal fine ricordiamo che la normativa attualmente
vigente in Italia detta legge solo sul controllo in atmosfera dei PM10
In più è evidente che conoscere i meccanismi di formazione del soot è il primo passo necessario al
fine di individuare il sistema di limitare tale processo che come si è detto è nocivo sia alla salute
umana che all’ambiente. Recenti studi infatti mettono in evidenza come il fabbisogno energetico
dell’intera comunità mondiale dipenda e dipenderà sempre più massicciamente da risorse naturali
come il carbon fossile, il petrolio e i gas naturali che bruciando generano proprio le nanoparticelle
oggetto della mia ricerca.
Lo studio che s’intende portare avanti, infine, ci permetterà di far luce sui meccanismi di
interazione tra nanoparticelle e cellule, informazioni preziose, tra l’altro, per la diagnosi precoce di
particolari malattie dovute proprio a tali processi.
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COLLABORAZIONI
E’ il caso di sottolineare che le nostre collaborazioni sia col gruppo del Professor D’Alessio
(Università “Federico II”, Napoli), per il campionamento del particolato, che col Dott. Camerlingo
(CNR, Pozzuoli (Na)), per misure di spettri Raman, che col Professor Cannistraro (Università della
Tuscia, Viterbo), che col dottor Musto afferente all’ICTP per la preparazione delle pasticche di KBr
saranno portate avanti e sicuramente affiancate da nuove collaborazioni che si intendono attivare
(Professor Sannolo, Seconda Università di Napoli).
ACQUISIZIONE DELLE COMPETENZE ORANIZZATIVO-
MANAGERIALI
La mia attività di laboratorio mi ha permesso di acquisire nuove competenze sia sul piano teorico
(teoria dello scattering anelastico Raman, teoria dell’assorbimento della regione dell’infrarosso,
chimica delle sostanze utlizzate e studiate ...) che sul piano pratico (utilizzo di lock in, laser in
continua, spettrofotometri FTIR, preparazione di pasticche di KBr ...) e di accrescere dunque il mio
bagaglio di conoscenze spendibili sul mercato. Contemporaneamnete a questo, l’AMRA mi ha dato
la possibilità, mediante i corsi svoltisi a Sant’Angelo dei Lombardi ed all’Università Federiciana,
nonchè mediante seminari ed incontri vari, di avere informazioni di carattere generale sulle altre
attività del centro nonchè sulle caratteristiche proprie del centro. Tali informazioni spaziavano
dall’ambito legale a quello scientifico a quello economico, utili per avere una visione d’insieme del
progetto e del mio lavoro all’interno del centro e per acquisire elementi anche organizzativi e
manageriali che diversamente sarebbe stato difficile ottenere e che sono così importanti
nell’ambiente lavorativo interno ed esterno al centro.
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