Dispersione della luce attraverso un prisma. Imagecredit: Wikimedia Commons
Lo spettrofotometro è uno strumento che misura lo spettro ricevuto da una sorgente luminosa, e può essere utilizzato per stabilire la concentrazione di una sostanza chimica in soluzione, per determinare le coordinate tricromatiche di una superficie colorata, o per scoprire la composizione chimica degli oggetti astronomici.
Non potevo essere più sintetico di così per un dispositivo che affonda le sue origini nelle leggi ottiche di Lambert, Beer e Bouguer, i quali dal 1729 iniziano a descrivere le basi ottiche teoriche, e da allora le sue applicazioni non accennano a sfiorire, emancipandosi in tecnologie sempre più avveniristiche.
Non è lo scopo di questo articolo entrare nei meandri delle implicazioni teoriche, quello che invece andremo a scoprire, è come costruire un economico dispositivo spettroscopico ad uso didattico, con una batteria, un led, un cellulare con fotocamera e un software gratuito per l’analisi dello spettro che può essere impiegato in una semplice analisi chimica.
Led (diametro 5 mm) assemblato con una batteria a pastiglia.
Dunque, iniziate a connettere un led, di quelli bianchi ad alta intensità, con una batteria a pastiglia, come nella figura a lato.
Eventualmente si può costruire un piccolo circuito con tanto di interruttore, altrimenti si può banalmente fissare il tutto con un pezzetto di nastro isolante.
A questo punto vi occorre un contenitore per il campione liquido da analizzare. I chimici usano delle piccole vaschette chiamate cuvette, con un cammino ottico variabile da un millimetro a 10 cm, ma di solito si adoperano quelle da 1 cm. In alternativa è possibile usare una piccola provetta o una fialetta per profumi, a fondo piatto. L’importante è che non sia sporca o colorata, bensì perfettamente trasparente.
Reticolo di diffrazione
Arriva il difficile, se il led lo potete trovare in qualsiasi negozio di elettronica, lo stesso non si può dire per il prossimo componente: il misterioso reticolo di diffrazione. Senza di esso non potete proseguire, il reticolo è il cuore dello strumento, quello che scinde un raggio di luce policromatica nelle sue singole lunghezze d’onda, in pratica è un creatore di arcobaleni. Non è molto difficile da trovare se abitate negli Stati Uniti, qui in Italia potreste affidarvi a e-Bay, o a siti di e-commerce specializzati come questo, che dovrebbe spedire anche qui da noi. L’articolo in questione è un reticolo di diffrazione olografico da 500 linee per mm. Purtroppo qui bisogna ordinarne almeno 50 pezzi, ma considerato che costano solo 0,40 $ ciascuno, non dovrebbe essere un grosso problema. Tra l’altro guardatevi il favoloso catalogo disponibile, Science & Education, una strabiliante rassegna di apparecchi a levitazione magnetica, occhialini a diffrazione, luci nere, radiometri solari, plasma balls, giroscopi e molto altro. Cose fantascientifiche per ragazzini prodigio, che qui da noi possono solo sognarsele.
Bene, se siete arrivati fino a qui, significa che siete determinati a proseguire, pertanto ecco il seguito.
Preparate una serie di soluzioni colorate, ad esempio potreste usare una bevanda come il ginger, o la cedrata, o qualunque altro colore che vi venga in mente, a patto che sia limpida. Bisognerà inoltre provvedere a sgasarla, con una prolungata agitazione, o con un riposo preventivo esposta all’aria senza tappo. Le bollicine potrebbero disturbare le nostre misure.
La prima di questa serie di soluzioni, che chiameremo bianco, sarà semplicemente acqua, ovvero con zero contenuto di colorante. Seguono, ad esempio, 3 soluzioni preparate diluendo in acqua rispettivamente un quarto, metà e tre quarti di soluzione colorata, completando eventualmente la serie con la soluzione pura.
Avremo quindi 5 flaconi in tutto con le seguenti concentrazioni grossolane (ma voi potete anche decidere di esagerare, pesando ad es. quantità precise di un colorante qualsiasi con un bilancino):
- Bianco: 0% colorante
- 1° standard: 25% colorante
- 2°standard: 50% colorante
- 3° standard: 75% colorante
- Madre: 100% colorante
Il nostro spettrofotometro didattico
Iniziamo l’esperienza, accendendo il led, il cui fascio luminoso attraverserà il contenitore trasparente che contiene il bianco. A circa 30 cm dal campione, in linea con il raggio luminoso, ponete il reticolo di diffrazione, come in figura, e acquisite la foto dello spettro risultante con una fotocamera digitale, come quelle di cui la maggior parte dei cellulari odierni sono provvisti.
Ripetete la procedura per ciascuno dei quattro flaconi rimanenti, preparati in precedenza, e immortalate per ognuno di essi lo spettro risultante.
Procedete trasferendo le immagini su un personal computer, scaricate il programma CellPhone Spectrophotometer, che avrete provveduto a istallare, e iniziate con le analisi delle immagini. Qui dovete metterci un minimo di intraprendenza, in base al colore che avete scelto dovreste operare in una precisa regione dello spettro che avete acquisito. Naturalmente potete anche limitarvi all’osservazione del cambiamento che subisce il colore che viene assorbito dalla soluzione, e quantificarne l’effetto in base alle concentrazioni progressive se confrontate con il bianco.
Spettro del bianco vs. blu di metilene (20 µM)
Un esempio pratico potete osservarlo nell’immagine sopra: questi sono i due risultati spettrali di un bianco (a sinistra), confrontato con una soluzione a 20 µM di blu di metilene (a destra). Notare le differenze nella parte gialla dello spettro, il colore assorbito dal blu.
Se invece volete prodigarvi nell’approfondimento per misurare effettivamente le intensità delle lunghezze d’onda con il software proposto, seguite i link in fondo, altrimenti fatevene un’idea con la prossima schermata catturata.
Il software CellPhone Spectrometer
Segue una serie di link per l’approfondimento, rigorosamente in inglese, e per chi vuole convertire l’applicazione descritta adattandola ad un impiego adatto alla spettroscopia applicata all’osservazione astronomica, provi a dare un occhiata sul sito astrosurf, dove è anche disponibile un’altro software open source per le analisi delle immagini dedicato all’astronomia amatoriale.
Questa esperienza è il frutto del lavoro del professor Alexander Scheeline della University of Illinois, che ha compilato il codice del software che trasforma un cellulare in uno spettrofotometro, uno degli strumenti di largo impiego utilizzato per identificare e quantificare i materiali in diversi ambiti, dalla biologia alle scienze fisiche.
Altro che piccoli chimici…
Approfondimenti:
Il chimico impertinente 
Molto interessante….
di sicuro proverò a realizzarlo!
:-))
L’idea è interessante, c’è solo un piccolo problema: Qunado l’immagine viene acquisita dal cellulare oppure da una qualsivoglia fotocamera RGB, l’informazione dello spettro viene a essere nuovamente filtrata attraverso i tre filtri del bayer pattern della fotocamera, non dando quindi esattamente la corretta informazione di intensità spettrale. A questo va aggiunto che nemmeno il LED ha una distribuzione spettrale uniforme.
Ciao Stefano,
in effetti l’immagine acquisita dipende molto dalla qualità del sensore CCD del dispositivo fotografico, questo limite tuttavia può essere agilmente compensato curando l’accuratezza della preparazione degli standard di taratura per la costruzione della curva, e probabilmente diventa un problema solo a lunghezze d’onda un po’ “estreme” o in presenza di picchi di assorbimento molto stretti da parte delle sostanze analizzate. Stesso discorso per il LED, attualmente l’illuminante più in voga per gli spettrofotometri odierni è una lampada allo Xeno con una distribuzione spettrale ottimale, anche se forse troppo carica di UV, tuttavia emergono sempre più strumenti che si avvalgono di array di LED, con discreti, se non ottimi risultati, e anche strumenti a LED singolo che uniscono praticità ed economicità, per usi di routine e che risultano decisamente migliori dei classici fotometri a filtri, tieni anche conto che fino a qualche anno fa si utilizzavano le comunissime lampade al tungsteno per analisi nel visibile. Vedi anche questo studio comparativo sulle performance, con esiti molto positivi. Infine tieni conto che questa descrizione ha uno scopo puramente didattico, e non vuole assolutamente competere con strumenti commerciali costruiti sulle fatiche di anni di ricerche per un’ottimizzazione allo stato dell’arte. 🙂
Grazie per il bellissimo articolo! … Sono un vecchio,… giovane ancora ed appassionato di scienza,… che continuo a studiare dopo la pensione … Con questo articolo Internet si è rivalutato ai miei occhi.. .. Molti dovrebbero seguire il tuo esempio…per insegnare ai giovani ad elevare il proprio patrimonio cerebrale che deve essere considerato dall’ UNESCO come….” Patrimonio dell’Umanità” ( Mia originale proposta) ! Un preziosissimo “Patrimonio cerebrale umano” che spesso anche Internet turba emotivamente ( vedi la Curva gaussiana di popolazione di persone preparate alla cultura etica ed alla scienza e di persone non preparate ad accettare un “evento”) …Soprattutto sono più sensibili “giovani menti” ovviamente curiose, ma che senza guida o controllo etico e/o didattico … e quindi a “spese proprie” spesso irreversibili …. si fanno in tal modo facilmente “modificare i propri circuiti cerebrali” ( vedi il : N.G.F. della Levi Montalcini ed altri …) da articoli orrendi e macabri o di poco raziocinio collaborativo.
.Il problema “generazionale mondiale futuro” è il seguente: … “è stato scientificamente dimostrato” che le modificazioni comportamentali dei circuiti cerebrali ( vedi anche: Chronobiology di Franz Halberg) …. producono una modificazione della propria Biochimica endogena (Vedi con Google: The peptide Triangle di Vittorio Erspamer).
Questa personalissima “biochimica endogena” ( geneticamente ereditata ma “migliorabile o peggiorabile” da comportamenti giusti od errati….vedi anche in Internet la: P.N.E.I.M.)… può produrre modificazioni dell’espressione genica del DNA riproduttivo sia di maschi che di femmine e quindi produrre una Prole con Behavioral teratogenesis ( vedi anche con Google: Pantaleoni Behavioral teratogenesis).
Articoli come il tuo debbono essere letti da tutti …ma meglio se “preparate anche scolasticamente”… alla “curiosità scientifica” delle meraviglie della Natura …come ad esempio l’Armonia collaborativa del Regno Eucariotico (Piante, animali ed esseri Umani) che sto studiando senza fondi da parte dello Stato !!!
Molto interessante, unico nel suo genere, fantastico
Un grazie generale per l’articolo.
Anche se un poco anzianotto, ho 65 anni, vedrò di realizzarlo.
Ho anche un problema, sono interessato a studiare gli inchiostri (quelli presenti sulla carta) ovvero le scritture essendo un consulente nei tribunali.
Posso trovare qualche cosa che mi permetta un tale studio.
In ogni caso ancora grazie.
Maurizio
abbiamo provato con i miei studenti,per le determinazioni di DNA abbiamo utilizzato led all’ultravioletto(al posto della lampada a mercurio)