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Fondamenti di spettroscopia
Spettrofotometria UV/Vis(Tecnica analitica)
SpettroscopiaDefinizione: Lo studio della struttura e della dinamica della
materia (in biologia delle molecole) attraverso l’analisi
dell’interazione con la radiazione elettromagnetica
Serve per :
•Identificare molecole
•Quantificare molecole
•Analizzare cambiamenti dinamici nella composizione o
nella struttura delle molecole (cinetica di reazioni …)
Principio : La lunghezza d’onda della luce (la sua energia)
determina il modo in cui questa interagisce con la
materia
Principio : quando la luce incontra la materia parte di
essa verrà modificata a seguito dell’interazione
La Radiazione Elettromagnetica
Secondo la meccanica quantistica la
radiazione elettromagnetica ha una
doppia natura. Essa possiede le proprietà
di un’onda e di un corpuscolo
NATURA ONDULATORIA
lunghezza d’onda ()frequenza ()
= c /
A
Z
X
YParametri di un’onda:Lunghezza d’onda (): distanza tra due massimi
Frequenza (): numero di oscillazioni in 1 secondo
(Hz = 1 ciclo/s)
nel vuoto c 3x108 m/s.
Frequenza e lunghezza d'onda sono
INVERSAMENTE PROPORZIONALI
Una radiazione elettromagnetica consiste in“pacchetti discreti” di energia, chiamati FOTONI,la cui energia dipende dalla frequenza, secondol'equazione:
E = h .
h indica la costante di Planck: h = 6.63 . 10-34 J. s
ENERGIA E FREQUENZA SONO DIRETTAMENTE
PROPORZIONALI
Questa relazione ci indica l'energia associata aciascun fotone per ogni onda di frequenza .
NATURA CORPUSCOLARE
• Una transizione avviene quando l’energia di una molecola cambia da uno stato all’altro
• L’assorbimento avviene
quando la radiazione
causa un aumento di
energia nel sistema con
cui interagisce.
• L’emissione avviene
quando la radiazione è
prodotta da un sistema
durante una transizione da
un alto livello energetico a
uno più basso.
Quando una radiazione passa attraverso uno strato disostanza solida, liquida o gassosa, alcune frequenzepossono essere rimosse selettivamente medianteassorbimento, cioè un processo in cui l ’ energiaelettromagnetica viene trasferita agli atomi, ioni omolecole che costituiscono il campione.
L’assorbimento di radiazione promuove queste particelledal loro stato normale (fondamentale) a uno o più statieccitati ad energia più alta.
Principio:
Stato fondamentale (E0)
Stato eccitato (E1)
DE = h
Secondo la teoria quantistica, gli atomi, le molecole ogli ioni possiedono soltanto un numero limitato di livellienergetici discreti; perché si abbia assorbimento dellaradiazione, l’energia del fotone eccitante deve essereesattamente uguale alla differenza di energia fra lostato fondamentale ed uno degli stati eccitati dellaspecie assorbente.
Che accade quando una radiazione luminosa
colpisce una molecola ?
• L’energia di una sorgente luminosa interagisce con lemolecole in diversi modi.
• A livello atomico vediamo la promozione di elettroni a piùalti livelli energetici.
• A livello molecolare si verificano transizioni elettronichema anche una varietà di sottolivelli energetici.
• Le transizioni tra livelli energetici non sono limitate aglielettroni. I legami chimici possono andare incontro a unavarietà di livelli energetici vibrazionali e atomi connessi dalegami covalenti possono ruotare l’uno rispetto all’altro.
1
103
102
10
105
104
microonde
Infrarosso
visibile
ultravioletto
Raggi-X
Transizioni rotazionali
Transizioni
vibrazionali
Transizioni elettroniche
(strati esterni)
Au
men
to d
ell’
ener
gia
Diffrazione/Ionizzazione
Transizioni elettroniche
(strati interni)
• spettroscopia di ASSORBIMENTO: quando atomi omolecole vengono eccitati e passano a statienergetici maggiori. Si ottiene uno spettro diassorbimento quando si analizza un fascio di lucedopo che ha attraversato una sostanza.
• spettroscopia di EMISSIONE: dagli stati eccitati,ritornando allo stato fondamentale, le particelleriemettono energia sotto forma di radiazionielettromagnetiche. Si ottiene uno spettro diassorbimento quando si analizza un fascio di lucedopo che ha attraversato una sostanza.
Tecniche spettroscopiche
Regione dei raggi g
(transizioni nucleari)
Mossbauer-assorbimento
Regione dei raggi X
(transizioni elettroniche
interne)
Diffrazione ai raggi X
Regione UV-vis
(transizioni elettroniche
esterne)
-Spettrofotometria
(assorbimento)
-Dicroismo circolare
(assorbimento)
-Fluorescenza (emissione)
Regione dell’infrarosso
(transizioni vibrazionali)
Assorbimento IR
Spettro di assorbimento
• Quando la luce colpisce un
campione, le le lunghezze d’onda con
energia idonea a promuovere il salto
degli elettroni dallo stato basale a
quello eccitato sono rimosse dallospettro trasmesso
Nella tecnica della spettrofotometria uv-vis siimpiegano radiazioni nell’intervallo 200-800 nm, lacui energia è sufficiente ad attivare transizionielettroniche, che causano il passaggio di elettronidegli strati esterni a stati eccitati
UV (Ultravioletto) 200 - 400 nm
Visibile 400 - 800 nm
Energia
Attraverso l’analisi dello spettro di assorbimento di una
sostanza possiamo ricavare diverse informazioni su di essa
Gli spettri di assorbimento sono misurati tramite
spettrofotometri
selezione di una radiazione monocromatica(a singola lunghezza d’onda, i cui fotoni hanno tutti la stessa energia)
Vis: Lampada a incandescenza
(filamento di tungsteno)
UV: Lampada a scarica
(ampolla con idrogeno/deuterio)
spettrofotometro a doppio raggio
Spettro di assorbimento
CUVETTE
VIS 400-800 nm
UV 200-400 nm
Trasmittanza = T=I/I0
Assorbanza = A=log1/T = log I0/I
Assorbanza = A = cd(legge di Lambert-Beer)
Il coefficiente di estinzione molare () è
caratteristico di una determinata molecola ad
una determinata lunghezza d’onda.
Poiché è definito come
A = cd
= A / cd
si esprime in L·mol-1·cm-1
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla profondità, d
0.22
Sorgente di luce
Rivelatore
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla profondità, d
0.42
Sorgente luminosa
Rivelatore
b
Campione
Assorbimento
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla profondità, d
Assorbimento0.62
Sorgente
Rivelatore campioni
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla profondità, d
0.82
Sorgente
Rivelatore Campioni
Assorbimento
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla concentrazione, c
0.22
Sorgente
Rivelatore
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla concentrazione, c
0.42
Sorgente
Rivelatore
b
Campione
Assorbimento
La legge di Lambert-Beer
A = cd
Dipendenza dalla concentrazione, c
0.62
Sorgente
Rivelatore
b
campione
Assorbimento
Spettro di assorbimento
Applicazioni degli spettri di assorbimento
• Misure Quantitative – determinazione di concentrazioni
• Calcoli di velocità di reazioni
• Studi strutturali – folding, assemblaggio, denaturazione,
cambiamenti di struttura, legame di ligandi
• Enzimatici - Ad es. analisi degli intermedi delle reazioni
• Identificazione di composti (vitamine, ormoni). Utile per
identificare proteine con cromofori particolari
• Studi immunologici – (ELISA)
I cromofori nelle proteine
The peptide bond
Molte sostanze (molecole) sono intrinsecamente colorate
(assorbono la luce) a causa della presenza di
gruppi cromofori
Gli aminoacidi aromatici assorbono nell’UV
I gruppi cromofori nelle proteine
max (nm) (M-1cm-1)
legame peptidico: 215 100
200 7000
triptofano: 280 5600
219 47000
tirosina: 274 1400
222 8000
193 48000
fenilalanina: 257 200
206 9300
188 60000
Cosa determina l’assorbanza di un cromoforo?
• I cromofori sono di solito caratterizzati da doppi legami
e sistemi di risonanza
• Lo spettro di assorbimento di un cromoforo è solo
parzialmente determinato dalla sua natura chimica
• L’ambiente del cromoforo influenza le proprietà dello
spettro
- pH
- polarità del solvente
- effetti di orientamento
• I cromofori possono agire da molecole reporter che possono
dare informazioni circa il loro ambiente.
• Effetti di protonazione/deprotonazione dovuti a cambiamenti
di pH o effetti di ossidazione/riduzione influenzano la
distribuzione elettronica dei cromofori
• Polarità del solvente. Gli spettri cambiano in differenti solventi.
• Effetti di orientamento derivano da molecole di cromofori
vicini. Ad es. ipercromia degli acidi nucleici.
Spettro di assorbimento dell’emoglobina
Però…• NADH libero o legato ha
assorbimenti () diversi
• Si può “titolare” il sito dell’enzima misurando DA
Un’estesa coniugazione ha un grande effetto sulla max; lo spostamento sarà verso lunghezze d’onda maggiori
C C
H
H H
max 170 nm
H H
C C
H
H
max 217 nm
C C
H
HH
1,3-butadiene
max 217 nm
(diene coniugato)
H
C C
H
H C C
H
HH
C C
H CH3
H
H
C C
H3C
H C C
H
H
max 263 nm
triene coniugato
I pigmenti fotosinteticiassorbono la luceperché hanno sistemi didoppi legami coniugati
Spettri differenziali e perturbazioni del solvente
Cambiamenti nella lunghezza d’onda della banda di
assorbimento possono essere indicativi di cambiamenti
nella struttura.
L’uso di denaturanti o diversi solventi può essere utile per
ottenere informazioni sulla struttura della proteina, e
studiare i suoi cambiamenti conformazionali
Spettroscopia differenziale
λ
A o
rE
nativa
Urea
A29
2
temp30 40 50 60
• Spettri di proteine native o
denaturate possono essere
usati per studiare le cinetiche
di denaturazione/rinaturazione
• La stabilità delle proteine in
diversi tamponi può essere
studiata in diversi tamponi
misurando il suo unfolding in
funzione della temperaturatemp
A2
92
30 40 50 60
0.1M
NaCl
0.01M
NaCl
λ
A
250 270 290 310 330
pH 6
OH
CH2
CH NH3+
pH 13
O-
CH2
CH NH2
• Effetti di protonazione deprotonazione
Fe
12 3
4
5
67
8
ba
c
d
N
OO
N
OO
N
Cm
N
• Effetti di ossidazione e riduzione
tempo
A
• Se il prodotto di una reazione è un cromoforo,è possibile usare la spettroscopia di assorbimentoelettronico per studiare la cinetica enzimatica
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