Chimica forense/Tecniche analitiche: differenze tra le versioni

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[[Categoria:Chimica forense|Tecniche analitiche]]
 
== Test Preliminaripreliminari ==
 
Una prima operazione da eseguire nel caso di alcune tipologie di prove forensi consiste nell'effettuare una serie di semplici procedure mirate a rilevare la presenza di un composto sospetto. Spesso tali procedure prevedono l'uso di test basati su reazioni chimiche che hanno il vantaggio di necessitare solamente di piccole quantità di campione. SuccessivamenteIn vieneun secondo momento verrà eseguita l'analisi vera èe propria, ma in genere è il risultato dei test preliminari a suggerire il tipo di tecnica analitica più adatta per ottenere le informazioni di interesse circa il campione. L'analisi è preceduta anche dall'ottenimento della documentazione visiva riguardante le prove a disposizione. Questa viene acquisita attraverso tecniche basate su diverse sorgenti di luce che incrementano le informazioni ricavate visivamente dalla prova forense.
 
=== Test Chimicichimici ===
 
VengonoI test chimici vengono utilizzati per identificare determinate sostanze in tempi brevi. La maggior parte dei test è basata su variazioni di colore oppure sul grado di solubilità della sostanza incognita. Il problema principale è rappresentato dal fatto che i test sono distruttivi nei confronti del campione a disposizione, il loro l'utilizzo è perciò consigliato nel momento in cui si dispone di una quantità sufficientemente elevata di campione. Quando possibile, iquesti test sono ampiamente utilizzati in quanto hanno il vantaggio di essere un metodo rapidorapidi e direttodiretti, a differenza di altre tecniche molto più complesse.
 
Nei test basati sui colori si impiega un reagente opportuno che, una volta aggiunto al campione, porta a un cambiamento di colore. Nel momento dell'analisi bisogna tenere conto della possibilità che il test fornisca un falso positivo o un falso negativo. Questo problema viene risolto con un'operazione di "taratura": si analizzano rispettivamente una soluzione contenente l'analita di interesse (controllo della positività) e un bianco in cui siamo certi che l'analita non sia presente (controllo della negatività).
 
Un altro metodo di screening è invece basato sulla solubilità.: Ilil campione viene introdotto in un recipiente, innel seguitoquale si aggiunge un solvente opportuno in quantità proporzionale alla quantità di campione (in genere il campione a disposizione è poco e quindi si utilizza poco solvente).
 
=== Densità ===
[[File:Density column.JPG|100px|thumb|Colonna a gradiente di densità]]
 
Un test preliminare molto semplice che permette di identificare diversi materiali consiste nella determinazione della densità (ρ). Questa è data dal rapporto tra la massa (m) di una sostanza e il suo volume (V) :<ref name=":0"> Stuart, pagp. 32 </ref>
 
::::::::::::::::::: <math>\rho =\frac{m (kg)}{V (L)}</math>
La densità viene misurata sfruttando il principio di Archimede secondo il quale un oggetto immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l'alto uguale per intensità alla massa di fluido spostato.
 
Un campione forense può essere determinato qualitativamente e quantitativamente attraverso diversi metodi. Il "metodo del galleggiamento" è uno di questi e si basa sul fatto che un corpo solido con densità minore del liquido in cui è immerso tende a galleggiare. Viceversa, se è il liquido ad avere densità minore, allora il corpo affonda. Il corpo solido può anche rimanere in sospensione nel caso in cui abbia la stessa densità del liquido. Alternativamente si può impiegare un metodo basato sul "gradiente di densità": si utilizza un tubo riempito con una miscela di vari liquidi in diverse proporzioni (e quindi con densità differenti) che formano una serie di strati. La densità del singolo strato è fornita dalla formula seguente:<ref> Stuart,name=":0" pag.32 </ref>:
 
::::::::::::::::::<math>\rho =\frac{\rho_1 V_1 + \rho_2 V_2}{V_1 + V_2}</math>
 
 
Dove ρ è la densità della miscela, '''ρ<sub>1</sub>''' è la densità del primo liquido, '''ρ<sub>2</sub>''' è la densità del secondo liquido, '''V<sub>1</sub>''' è il volume del primo liquido ed infine '''V<sub>2</sub>''' è il volume del secondo liquido.
 
Dove ρ è la densità della miscela, '''ρ<sub>1</sub>''' è la densità del primo liquido, '''ρ<sub>2</sub>''' è la densità del secondo liquido, '''V<sub>1</sub>''' è il volume del primo liquido ed infine '''V<sub>2</sub>''' è il volume del secondo liquido.
Nel tubo a gradiente viene poi introdotto il materiale solido che tenderà ad affondare fino a quando non raggiungerà lo strato di liquido con la stessa densità. Per stimare la densità del campione incognito è necessario tarare il tubo inserendo al suo interno diversi solidi a densità nota.
 
Nel tubo a gradiente viene poi introdotto il materiale solido, che tenderà ad affondare fino a quando non raggiungerà lo strato di liquido con la stessa densità. Per stimare la densità del campione incognito è necessario tarare il tubo inserendo al suo interno diversi solidi a densità nota.
 
=== Test con radiazioni luminose ===
 
Un campione può essere analizzato anche attraverso metodi che prevedono l'utilizzo di radiazioni luminose, spesso anche con l'ausilio di un ingrandimento. Vengono utilizzate nella maggior parte dei casi radiazioni corrispondenti al visibile, ultravioletto (UV) e nell'intervallo dell'infrarosso (IR). Le informazioni sono registrate attraverso la fotografia che sfrutta la luce visibile e che permette di documentare i campioni forensi. Tuttavia, l'immagine può essere prodotta impiegando altre radiazioni dello spettro elettromagnetico come UV e IR che sono in grado di fornire altre informazioni circa il campione (per esempio la fotografia all'infrarosso permette di identificare sostanze non rilevabili nell'intervallo del visibile e quindi a occhio nudo).
 
Quando necessario è possibile migliorare le immagini sfruttando un particolare fenomeno noto come fotoluminescenza, che si verifica quando il campione si trova esposto a una determinata lunghezza d'onda. Quando una molecola interagisce con una radiazione sufficientemente energicaenergetica, può assorbirla e passare a uno stato eccitato.; Inin seguito la molecola torna nel suo stato fondamentale attraverso una diseccitazione che può avvenire in diversi modi:. L'energia in eccesso può essere dissipata attraverso l'emissione di una radiazione. In questo caso si avrà il fenomeno della fotoluminescenza. La fluorescenza è una forma di fotoluminescenza e coinvolge l'emissione derivante dallo strato meno eccitato di un singoletto allo stato fondamentale. Un altro esempio di fotoluminescenza è dato dalla fosforescenza, che riguarda l'emissione che segue al salto dal più basso stato eccitato di tripletto al più basso stato fondamentale di singoletto.<ref>Stuart, p. 35</ref>
 
== Tecniche Microscopichemicroscopiche ==
L'energia in eccesso può essere dissipata attraverso l'emissione di radiazione. In questo caso si avrà il fenomeno della fotoluminescenza. La fluorescenza è una forma di fotoluminescenza e coinvolge l'emissione derivante dallo strato meno eccitato di un singoletto allo stato fondamentale. Un altro esempio di fotoluminescenza è dato dalla fosforescenza che riguarda l'emissione che segue al salto di un tripletto dal più basso stato eccitato al più basso stato fondamentale di un singoletto.
 
Alcune proprietà del campione non sono osservabili a occhio nudo e in questo caso è opportuno utilizzare le cosiddette "tecniche microscopiche". Queste permettono di eseguire ingrandimenti di diversa entità sull'oggetto in esame, trovando la massima espressione con la microscopia elettronica, in grado di indagare a fondo la struttura del campione grazie all'elevatissimo grado di ingrandimento che la contraddistingue.
== Tecniche Microscopiche ==
 
=== Microscopia Otticaottica ===
Alcune proprietà del campione non sono osservabili a occhio nudo e in questo caso è opportuno utilizzare le cosiddette "tecniche microscopiche". Queste permettono di eseguire ingrandimenti di diversa entità sull'oggetto in esame trovando la massima espressione con la microscopia elettronica in grado di indagare a fondo la struttura del campione grazie all'elevatissimo grado di ingrandimento che la contraddistingue.
 
[[File:Microscopio Leitz.jpg|thumb|left|Microscopio ottico Leitz. 1) tuboTubo verticale per fotografia; 2) oculare; 3) stativo; 4) revolver porta obbiettivi; 5) tavolino portaoggetti; 6) condensatore; 7) manopole di messa a fuoco; 8) sorgente di luce.]]
=== Microscopia Ottica ===
 
Una della caratteristiche più vantaggiose del microscopio è la sua versatilità, in quanto si presta all'analisi di un'ampia gamma di campioni. Il microscopio ottico, sfrutta il fenomeno di rifrazione della luce e permette vari ingrandimenti del campione utilizzando lenti differenti. L'analisi attraverso questo strumento fornisce informazioni di tipo chimico e allo stesso tempo permetto di osservare la struttura del campione. Esistono molte varianti del microscopio ottico:, perad esempio i microscopi a comparazione, il microscopio stereoscopico, il microscopio a luce polarizzata e il microscopio a fluorescenza.
[[File:Microscopio Leitz.jpg|thumb|left|Microscopio ottico Leitz. 1) tubo verticale per fotografia; 2) oculare; 3) stativo; 4) revolver porta obbiettivi; 5) tavolino portaoggetti; 6) condensatore; 7) manopole di messa a fuoco; 8) sorgente di luce.]]
 
Le componenti principali di un microscopio ottico sono una sorgente luminosa, un condensatore, un obiettivo e da un oculare. La radiazione luminosa proveniente dalla sorgente viene collimata dal condensatore e indirizzata verso campione. L'obiettivo è in grado di ingrandire l'immagine che arriva poi all'oculare con il quale è possibile regolare la messa a fuoco e ingrandire ulteriormente l'immagine. Per garantire una messa a fuoco efficiente e quindi una migliore immagine si utilizza un processo di allineamento, conosciuto come illuminazione di Köhler.<ref name=":1"> Stuart, pagp. 42 </ref>.
Una della caratteristiche più vantaggiose del microscopio è la sua versatilità in quanto si presta all'analisi di un'ampia gamma di campioni. Il microscopio ottico, sfrutta il fenomeno di rifrazione della luce e permette vari ingrandimenti del campione utilizzando lenti differenti. L'analisi attraverso questo strumento fornisce informazioni di tipo chimico e allo stesso tempo permetto di osservare la struttura del campione. Esistono molte varianti del microscopio ottico: per esempio i microscopi a comparazione, il microscopio stereoscopico, il microscopio a luce polarizzata e il microscopio a fluorescenza.
 
Con il microscopio comparatore, due campioni posti l'uno di fianco l'altro, vengono posti a confronto. Lo strumento è costituito dalla combinazione di due microscopi e attraverso un unico oculare è possibile osservare l'immagine fornita da entrambi i microscopi.
Le componenti principali di un microscopio ottico sono una sorgente luminosa, un condensatore, un obiettivo e da un oculare. La radiazione luminosa proveniente dalla sorgente viene collimata dal condensatore e indirizzata verso campione. L'obiettivo è in grado di ingrandire l'immagine che arriva poi all'oculare con il quale è possibile regolare la messa a fuoco e ingrandire ulteriormente l'immagine. Per garantire una messa a fuoco efficiente e quindi una migliore immagine si utilizza un processo di allineamento, conosciuto come illuminazione di Köhler<ref> Stuart, pag.42 </ref>.
 
Il microscopio stereoscopico è in grado di offrire un'immagine tridimensionale del campione utilizzando la luce riflessa, e anch'esso si basa sull'accoppiamento di due microscopi. Trova la sua maggior applicazione nei test preliminari, in particolare quando è necessario un ingrandimento tra x2 e x100. <ref> Stuart,name=":1" pag.42 </ref>
Con il microscopio comparatore, due campioni posti l'uno di fianco l'altro, vengono posti a confronto. Lo strumento è costituito dalla combinazione di due microscopi e attraverso un unico oculare è possibile osservare l'immagine fornita da entrambi i microscopi.
 
Quando si analizzano campioni come fibre o minerali possono essere necessarie informazioni relative all'orientazione del campione,: a tale scopo si impiega il microscopio a luce polarizzata (PLM, dall'inglese "polarizing light microscope"). Questo si compone di due filtri polarizzanti, di un polarizzatore posizionato sotto il ripiano porta campione e di un analizzatore posto sopra l'obiettivo (orientato perpendicolarmente rispetto al resto). Il PLM risulta essere molto utile quando si osservano materiali anisotropi (materialiovvero che presentano comportamenti diversi in funzione della direzione di osservazione).
Il microscopio stereoscopico è in grado di offrire un'immagine tridimensionale del campione utilizzando la luce riflessa e anch'esso si basa sull'accoppiamento di due microscopi. Trova la sua maggior applicazione nei test preliminari, in particolare quando è necessario un ingrandimento tra x2 e x100. <ref> Stuart, pag.42 </ref>
 
Quando si vogliono studiare campioni interessati dal fenomeno della fluorescenza, la scelta migliore ricade sul microscopio a fluorescenza. Durante l'osservazione si utilizza una sorgente luminosa che emette nell'intervallo dell'ultravioletto. Il contributo della luce emessa per eccitazione viene corretto con filtri opportuni presenti nello strumento.
Quando si analizzano campioni come fibre o minerali possono essere necessarie informazioni relative all'orientazione del campione, a tale scopo si impiega il microscopio a luce polarizzata (PLM). Questo si compone di due filtri polarizzanti, di un polarizzatore posizionato sotto il ripiano porta campione e di un analizzatore posto sopra l'obiettivo (orientato perpendicolarmente rispetto al resto). Il PLM risulta essere molto utile quando si osservano materiali anisotropi (materiali che presentano comportamenti diversi in funzione della direzione di osservazione).
 
La preparazione del campione per l'analisi al microscopio dipende dalla natura del materiale e dal tipo di informazione che si vuole ottenere. Nel caso si usi un microscopio stereoscopiostereoscopico si possono evitare manipolazioni del campione. In alternativa si pone il campione su un vetrino e lo si ricopre con una pellicola oppure, nel caso si voglia osservare una sezione trasversale, lo si incorpora in una resina. Quando è necessario un ambiente umido si aggiunge al campione una goccia di glicerina. Può essere interessante conoscere l'indice di rifrazione di un determinato materiale e a tale scopo il campione viene immerso in un liquido con indice di rifrazione simile.
Quando si vogliono studiare campioni interessati dal fenomeno della fluorescenza la scelta migliore ricade sul microscopio a fluorescenza. Durante l'osservazione si utilizza una sorgente luminosa che emette nell'intervallo dell'ultravioletto. Il contributo della luce emessa per eccitazione viene corretto con filtri opportuni presenti nello strumento.
 
La preparazione del campione per l'analisi al microscopio dipende dalla natura del materiale e dal tipo di informazione che si vuole ottenere. Nel caso si usi un microscopio stereoscopio si possono evitare manipolazioni del campione. In alternativa si pone il campione su un vetrino e lo si ricopre con una pellicola oppure, nel caso si voglia osservare una sezione trasversale, lo si incorpora in una resina. Quando è necessario un ambiente umido si aggiunge al campione una goccia di glicerina. Può essere interessante conoscere l'indice di rifrazione di un determinato materiale e a tale scopo il campione viene immerso in un liquido con indice di rifrazione simile.
 
=== Microscopia elettronico a scansione elettronica ===
 
[[File:SEM togopic.png|thumb|ApparecchiaturaIllustrazione di un'apparecchiatura SEM]]
=== Microscopia a scansione elettronica ===
 
Attraverso il microscopio elettronico a scansione (SEM) la superficie del campione viene bombardata con un fascio di elettroni energetici, e l'immagine superficiale viene generata grazie all'interazione del fascio con la superficie e ai vari effetti che ne derivano: produzione di elettroni secondari, elettroni "backscattered" e la produzione di raggi X caratteristici. Per poter effettuare analisi elementari il SEM viene solitamente accoppiato con un rivelatore EDX ("energy-dispersive X-ray").
[[File:SEM togopic.png|thumb|Apparecchiatura SEM]]
 
Il fascio di elettroni viene prodotto nel vuoto grazie a un cannone elettronico e, successivamente, convogliato in un unico punto tramite particolari lenti elettromagnetiche. Il fascio viene indirizzato sul campione e spostato lungo la superficie del campione, facendo in questo modo che gli elettroni superficiali vengono estratti per poi essere rivelati, amplificati e visualizzati.
Attraverso il microscopio elettronico a scansione (SEM) la superficie del campione viene bombardata con un fascio di elettroni energetici, l'immagine superficiale viene generata grazie all'interazione del fascio con la superficie e ai vari effetti che ne derivano: produzione di elettroni secondari, elettroni "backscattered" e la produzione di raggi X caratteristici. Per poter effettuare analisi elementari il SEM viene solitamente accoppiato con un rivelatore EDX
 
Una fase molto delicata è rappresentata dalla preparazione del campione prima dell'analisi al SEM. Normalmente è necessario montare i campioni sopra un apposito disco metallico ("stub") utilizzando poi del nastro adesivo per far aderire correttamente il campione al disco. Questo metodo risulta problematico nel caso di campioni stratificati, quando è richiesta l'analisi di una superficie piana nel caso di campioni stratificati. In questo caso il campione viene tagliato longitudinalmente, e la sezione trasversale viene poi levigata mediante l'uso di un abrasivo adatto come la pasta di diamante. Infine, il materiale viene incorporato in una resina per poi essere analizzato. Nel caso si voglia recuperare il campione è preferibile montarlo sopra lo stub per poi esporre la sezione trasversale al fascio di elettroni. Un metodo alternativo, definito "a scalini", prevede l'utilizzo di uno scalpello per esporre i diversi strati del campione.
Il fascio di elettroni viene prodotto nel vuoto grazie a un cannone elettronico e, successivamente, convogliato in un unico punto tramite particolari lenti elettromagnetiche. Il fascio viene indirizzato sul campione e spostato lungo la superficie del campione, in questo modo gli elettroni superficiali vengono estratti per poi essere rivelati, amplificati e visualizzati
 
Nel caso si voglia analizzare un materiale non-conduttore è necessario ricoprire la superficie con un film di materiale conduttore,; in caso contrario, gli elettroni secondari prodotti dall'interazione con il fascio elettronico generanogenererebbero un eccesso di cariche positive e l'immagine ottenuta dal microscopio risulterebbe sfocata. Il film superficiale è costituito da oro e carbone e viene applicato tramite un evaporatore sotto vuoto. Il materiale ricoprente non deve interferire con l'analisi elementare, per questo motivo deve essere selezionato opportunamente nel caso di un'analisi EDX. Per evitare di ricoprire il campione si può utilizzare un microscopio elettronico a scansione ambientale (ESEM, dall'inglese "environmental scanning electron microscopy"), il quale può essere utile anche nel caso di campioni instabili nel vuoto. L'ESEM rimuove gli eccessi di carica impiegando una pressione moderata di vapore acqueo (o in alternativa di un gas adeguato) nella camera contenente il campione.
Una fase molto delicata è rappresentata dalla preparazione del campione prima dell'analisi al SEM. Normalmente è necessario montare i campioni sopra un apposito disco metallico (stub) utilizzando poi del nastro adesivo per far aderire correttamente il campione al disco. Questo metodo risulta problematico quando è richiesta l'analisi di una superficie piana nel caso di campioni stratificati. In questo caso il campione viene tagliato longitudinalmente, la sezione trasversale viene poi levigata mediante l'uso di un abrasivo adatto come la pasta di diamante. Infine il materiale viene incorporato in una resina per poi essere analizzato. Nel caso si voglia recuperare il campione è preferibile montarlo sopra lo stub per poi esporre la sezione trasversale al fascio di elettroni. Un metodo alternativo, definito "a scalini" prevede l'utilizzo di uno scalpello per esporre i diversi strati del campione.
 
Nel caso si voglia analizzare un materiale non-conduttore è necessario ricoprire la superficie con un film di materiale conduttore, in caso contrario, gli elettroni secondari prodotti dall'interazione con il fascio elettronico generano un eccesso di cariche positive e l'immagine ottenuta dal microscopio risulterebbe sfocata. Il film superficiale è costituito da oro e carbone e viene applicato tramite un evaporatore sotto vuoto. Il materiale ricoprente non deve interferire con l'analisi elementare, per questo motivo deve essere selezionato opportunamente nel caso di un'analisi EDX. Per evitare di ricoprire il campione si può utilizzare un microscopio elettronico a scansione ambientale (ESEM) il quale può essere utile anche nel caso di campioni instabili nel vuoto. L'ESEM rimuove gli eccessi di carica impiegando una pressione moderata di vapore acqueo (o in alternativa di un gas adeguato) nella camera contenente il campione.
 
Quando il campione interagisce con il fascio elettronico incidente vengono emessi gli elettroni secondari (SE). Questi forniscono informazioni relative alla topografia della superficie del campione. Quando gli elettroni vengono dispersi (diffusi) in modo elastico dagli atomi del campione in seguito all'interazione fascio-superficie si ottengono gli elettroni "backscattered" (BSE). L'immagine prodotta dai BSE è caratterizzata da una risoluzione peggiore rispetto a quella prodotta dagli SE ma ha il vantaggio di fornire informazioni circa la composizione del campione: le immagini corrispondenti a regioni contenenti atomi con numero atomico più elevato risultano essere più luminose. Il rivelatore usato per l'analisi di elementi costituenti è l'EDX in quanto fornisce uno spettro che indica la composizione relativa alle diverse regioni del campione.
 
 
=== Diffrazione di raggi X ===
[[File:Analyse wdx.It.svg|sinistra|miniatura|Schema del principio della tecnica XRD]]
 
La tecnica XRD (dall'inglese "X-ray diffraction") risulta molto utile per identificare gli atomi che compongono un campione solido e la loro disposizione nel reticolo cristallino. Si utilizza una radiazione (dellnell'intervallo dei raggi X) che sia quanto più simile alla distanza tra i piani del reticolo. In seguito all'interazione tra i raggi X e il reticolo verranno prodotti dei picchi di diffrazione di varia intensità. Si immaginino due radiazioni con angolo di incidenza θ che vengono diffratte mantenendo lo stesso angolo. Nel momento in cui la prima onda interagisce con il primo strato e la seconda con lo strato successivo del reticolo, le onde si definiscono in fase: si verifica un'interferenza costruttiva ad un angolo θ se la differenza di lunghezza del percorso è uguale ad un numero intero di lunghezze d'onda, nλ (dove n è un numero intero e λ è la lunghezza d'onda). Nella diffrazione di raggi X la relazione fondamentale è l'equazione di Bragg:<ref> Stuart, pagp. 62 </ref>:
[[File:Analyse wdx.svg|thumb|left|RDX]]
 
La tecnica XRD risulta molto utile per identificare gli atomi che compongono un campione solido e la loro disposizione nel reticolo cristallino. Si utilizza una radiazione (dell'intervallo dei raggi X) che sia quanto più simile alla distanza tra i piani del reticolo. In seguito all'interazione tra i raggi X e il reticolo verranno prodotti dei picchi di diffrazione di varia intensità. Si immaginino due radiazioni con angolo di incidenza θ vengono diffratte mantenendo lo stesso angolo. Nel momento in cui la prima onda interagisce con il primo strato e la seconda con lo strato successivo del reticolo, le onde si definiscono in fase: si verifica un'interferenza costruttiva ad un angolo θ se la differenza di lunghezza del percorso è uguale ad un numero intero di lunghezze d'onda, nλ (dove n è un numero intero e λ è la lunghezza d'onda). Nella diffrazione di raggi X la relazione fondamentale è l'equazione di Bragg<ref> Stuart, pag.62 </ref>:
 
::::::::::::::::::<math> n\lambda = 2d sen (\Theta) </math>
dove d è è la distanza tra i piani atomici.
 
La tecnica XRD impiega una sorgente a raggi X corrispondente a un materiale in grado di emettere in questo intervallo e da un anodo che può essere costituito da Crcromo, Feferro, Curame o Momolibdeno. Il campione viene omogeneizzato per ottimizzare i risultati e introdotto come polvere. La quantità di campione necessaria è di pochi mgmilligrammi, rendendo la tecnica risulta perciò essere molto interessante in ambito forense dove solitamente si ha a che fare condisposizione pochissimo campione. Il portacampione è progettato in modo da poter ruotare. Durante l'analisi sul campione viene indirizzato un fascio di raggi X e si registra l'intensità dei raggi diffratti attraverso un detector montato su di un carrello mobile, anch'esso in grado di ruotare. La posizione angolare è misurata come 2θ (ovvero l'angolo di diffrazione). Il rivelatore si muove con velocità costante e un computer traccia l'intensità del raggio diffratto come funzione di 2θ.
 
Per una determinazione qualitativa del campione si utilizza il grafico ottenuto dall'analisi con XRD. Questo è specifico di ogni materiale: i picchi osservabili in un grafico XRD possono essere associati a una fase cristallina caratterizzata da una struttura specifica. Confrontando il grafico corrispondente all'analisi con altri conservati in un database è possibile determinare la tipologia del materiale in questione. Nel caso dell'analisi di una miscela vi sono alcune difficoltà di cui tenere conto, infatti i picchi risultano spostati e devono essere interpretati con cura. Oltre a fornire informazioni di tipo qualitativo, quest'analisi, se eseguita con le dovute precauzioni, può anche permettere una quantificazione degli elementi. Uno svantaggio dell'XRD sta nel fatto che l'analisi qualitativa di miscele può essere complessa in quanto i picchi dei costituenti risultano spostati e tendono a sovrapporsi,; ilquesto problema può essere risolto attraverso il raffinamento di Rietveld, che permette di separare i singoli componenti di un grafico XRD.
 
== Spettroscopia molecolare ==
 
Le tecniche spettroscopiche si basano sull'analisi della radiazione elettromagnetica assorbita, emessa o diffratta dalle molecole o dagli atomi quando subiscono delle transizioni tra i livelli energetici. Le molecole e gli atomi esistono in stati discreti denominati livelli di energia. La frequenza ν della radiazione elettromagnetica associata ad una transizione tra due stati di energia ΔE è data dalla relazione:<ref> Stuart, pagp. 70 </ref> :
 
::::::::::::::::::<math> \Delta E = h \nu </math>
 
Dovedove h è la costante di PlankPlanck.
 
Esistono diverse tecniche spettroscopiche che fanno riferimento alle radiazioni provenienti da diverse regioni dello spettro elettromagnetico per investigare la separazione dei livelli di energia delle molecole. Ad esempio, per ottenere informazioni inerenti alla struttura di un atomo si utilizza la spettroscopia atomica. La spettroscopia molecolare invece coinvolge anche transizioni rotazionali, vibrazionali e elettroniche. La spettroscopia molecolare può quindi essere utilizzata per caratterizzare un campione grazie alla frequenza spettrale associata ad ogni molecola.
 
=== Spettroscopia infrarossa ===
[[File:IR spectrometer.jpg|thumb|Spettrometro IR]]
 
[[File:Aparato de espectroscopia IV versao2.png|thumb|Schema di funzionamento di un IR]]
 
La tecnica della spettroscopia infrarossa è basata sulla vibrazione interna delle molecole. Dall'Lo spettro infrarosso viene ottenuto dall'interazione tra una radiazione infrarossa e il campione (o con la sua superficie) sie ottienela losuccessiva spettrodeterminazione infrarosso, successivamente viene determinata ladella frazione di radiazione incidente assorbita ad una determinata energia. Alla frequenza della vibrazione di una parte della molecola corrisponde una banda in uno spettro di assorbimento . Per far si che una una molecola possa assorbire nell'infrarosso deve possedere una caratteristica specifica: un momento di dipolo elettrico variabile durante la vibrazione. Questa caratteristica è conosciuta come regola di selezione per la spettroscopia infrarossa.
 
Lo spettrometro infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR) è uno dei principali strumenti per la registrazione dello spettro infrarosso. La maggior parte degli strumenti vengonoviene settatiimpostata per registrare tra i 4000 e i 400 cm <sup>-1</sup> ,<ref> Stuart, pag.73 </ref>, ovvero la regione di principale interesse. La radiazione uscente dalla sorgente attraversa un interferometro, producendo un segnale che può essere matematicamente trasformato per fornire rapidamente lo spettro richiesto. Prima di raggiungere il detector la radiazione interagisce col campione. Spesso la spettroscopia IR viene accoppiata con una tecnica di microscopia così da poter studiare dei campioni estremamentedi dimensioni piccoliridotte. La spettroscopia infrarossa ha il vantaggio di essere applicabile a un gran numero di campioni diversi. La spettroscopia a trasmissione, nella quale si misura l'assorbimento della radiazione dopo che questa attraversa campione, è il metodo tradizionale. Questa tecnica permette lo studio di solidi, liquidi e gas.
 
L'uso di tale tecnica è molto comune in ambito forense in quanto non è distruttiva nei confronti del campione ed è eseguibile anche fuori dal laboratorio. Nella spettroscopia a riflettanza totale attenuata (ATR) un cristallo viene fatto aderire alla superficie del campione. Nell'ATR la profondità della penetrazione della radiazione incidente sulla superficie del campione è una funzione della lunghezza d'onda, dell'indice di rifrazione del cristallo e dell'angolo della radiazione incidente. Il cristallo utilizzato in tale tecnica è fatto di un materiale che presenta un elevatissimo indice di rifrazione e scarsa solubilità in acqua. Fanno parte di questi materiali ZnSe, Gegermanio e una miscela di bromuro e ioduro di tallio. Per analizzare campioni in polvere si utilizza la spettroscopia a riflettanza diffusa. La riflettanza diffusa è data dall'energia che penetra una o più particelle e viene riflessa in ogni direzione. I campioni possono essere analizzati tali e quali oppure miscelati con del KBr <ref> Stuart, pag.74 </ref> in polvere per aumentare la quantità di campione presente e quindi permettere l'analisi.<ref> Stuart, p. 74 </ref>
 
Le informazioni presenti suin uno spettro prodotto dalla spettroscopia IR sono la percentuale di trasmittanza, quella di assorbanza o quella di riflettanza come funzione della lunghezza d'onda. Ai modi in cui vibra il campione in oggetto è possibile associare le diverse bande dello spettro IR. La condizione per cui una molecola presenti assorbimento IR è che il momento di dipolo elettrico presente al suo interno cambi durante la vibrazione. La vibrazione può coinvolgere anche la lunghezza del legame o l'angolo di legame. Alcuni legami possono stirarsi in fase (stretching simmetrico) oppure fuori fase (stretching asimmetrico). Si individuano 3tre regioni principali di uno spettro IR: il lontano infrarosso (<400 cm <sup>-1</sup>)<ref> Stuart, pag.73 </ref>, il medio infrarosso (4000- 400 cm <sup>-1</sup>)<ref> Stuart, pag.73il </ref>più utilizzato in ambito forense) ed il vicino infrarosso (13000 - 4000 cm <sup>-1</sup>).<ref> Stuart, pagp.73 </ref>. Il più utilizzato nell'ambito forense è il medio infrarosso<ref> Stuart, pag.73 </ref>. Tale regione può essere divisa in varie sotto zone.
 
=== Spettroscopia Raman ===
 
[[File:Setup Raman Spectroscopy adapted from Thomas Schmid and Petra Dariz in Heritage 2(2) (2019) 1662-1683.png|thumb|200px|left|Schema della tecnica di spettroscopia Raman]]
 
Si tratta di un tipo di spettroscopia molto simile all'IR, solitamente viene utilizzata come sua complementare. La tecnica indaga il modo in cui vengono disperse le radiazioni da parte di un campione. Molte delle radiazioni disperse mantengono invariata la loro lunghezza d'onda (scattering di Rayleigh),<ref> Stuart, pag.90 </ref>, una piccola parte invece subisce un leggero incremento o decremento. Quando si registra un aumento delle lunghezze d'onda il processo è conosciuto come diffusione Stokes Raman Stokes, viceversa il processo prende il nome di diffusione Raman anti-Stokes Raman. Lo scattering Raman delle molecole coinvolge le transizioni tra stati rotazionali o vibrazionali. Si deve avere un cambiamento in termini di polarizzabilità di un componente della molecola perché si verifichi la rotazione o la vibrazione molecolare.
 
La spettrometria Raman usa una sorgente di radiazioni che possono trovarsi nella regione del vicino ultravioletto, nel visibile o nel vicino infrarosso. Per minimizzare il fenomeno indesiderato della fluorescenza occorre particolare attenzione nella scelta della sorgente: risulta conveniente una sorgente di radiazioni a più alta lunghezza d'onda (nel vicino infrarosso). La radiazione luminosa dispersa proveniente dal campione attraversa una serie di lenti ottiche focalizzatrici e di raccolta. Si utilizza un filtro ottico per respingere le luce Rayleigh dispersa. La radiazione rimanente viene indirizzata verso il detector.
 
La microscopia Raman è una tecnica molto utile in chimica forense in quanto fornisce spettri con un'ottima risoluzione spaziale (dell'ordine di pochi micron). Solitamente si combina un microscopio con uno spettrometro. Il campione dopo essere stato posizionato nel porta-campione, viene illuminato da una luce bianca e, attraverso l'obiettivo, viene messo a fuoco. In seguito la lampada viene spenta e la radiazione proveniente dalla sorgente viene direzionata verso un separatore di lunghezze d'onda. La radiazione dispersa dal campione viene raccolta dall'obiettivo e inviata allo spettrofotometro. Esistono diverse tecniche di risonanza Raman, ad esempioquali la spettroscopia Raman di Risonanzarisonanza (RRS) o la spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS).
 
Il vantaggio di questa tecnica consiste nel poter analizzare diversi tipologie di campioni con un pre-trattamento minimo. Per evitare di surriscaldare il campione con il laser della sorgente, lo si può raffreddare o lo si può porre in un'apposita cella rotante.
[[File:Componentes de un espectofotometro.jpg|thumb|Schema fotometro]]
 
La tecnica si basa sulle transizioni elettroniche associate all'assorbimento nell'UV (180 - 390 nm)<ref> Stuart, pag.95 </ref> e nel visibile (390 - 780 nm).<ref> Stuart, pagp. 95 </ref>. L'energia della radiazione associata a queste regioni è sufficiente a promuovere un elettrone esterno di una molecola presente in un dato livello di energia ad un livello energetico più alto. La transizione elettronica coinvolge una parte della molecola denominata cromofora. Il tipo di transizione risultante da un assorbimento UV-vis consiste nell'eccitazione di un elettrone dall'orbitale molecolare occupato più alto all'orbitale molecolare non occupato più basso.
 
Le componenti principali di uno spettrofotometro UV-vis sono: una sorgente di radiazioni, una cella contenente il campione, un elemento disperdente e un detector. Spesso si utilizzano due sorgenti luminose: una lampada a deuterio per la luce UV e una lampada a tungsteno per il visibile. Lo spettrometro a singolo raggio UV-vis è settatoimpostato in modo tale che il primo spettro a essere misurato sia quello della soluzione di riferimento, seguito poi dalla misura del campione di interesse. Nello spettrometro a doppio raggio le radiazioni vengono separate in due fasci paralleli, indirizzati attraverso due celle differenti;: la prima contiene il solvente di riferimento, mentre la seconda il campione da analizzare. Tali celle sono solitamente fatte in quarzo o vetro, solitamente di lunghezza pari a 1 cm. Dal momento che in chimica forense ci si trova spesso a dover maneggiare campioni in quantità molto limitatalimitate di campione, questi vengono esaminati utilizzando un microspettrofotometro UV-vis (MSP).
 
N ellaNella spettroscopia UV-vis solitamente si esaminano soluzioni diluite e l'intensità della radiazione trasmessa è funzione della concentrazione della molecola assorbente secondo la legge di Lambert-Beer:<ref> Stuart, pagp. 97 </ref>:
 
::::::::::::::::<math> A = \varepsilon c l </math>
=== Spettroscopia di fluorescenza ===
 
[[File:Fluorescence spectrophotometer layout.png|thumb|250px|left|Schema di uno spettrofotometro a fluorescenza]]
 
Il fenomeno della fluorescenza viene utilizzato in ambito forense in determinate tecniche spettroscopiche note con il nome di spettroscopia di fluorescenza, fluorimetria o spettrofluorimetria. Quando si ha fluorescenza, le collisioni molecolari fanno si che la molecola eccitata perda energia vibrazionale fino a raggiungere il livello vibrazionale più basso. Successivamente la molecola tende a rilasciare un fotone con energia pari alla differenza tra il livello vibrazionale più basso e lo stato fondamentale. La tecnica permette di analizzare molecole aromatiche o caratterizzate da atomi di carbonio coniugati. Nel fluorimetro l'angolo di emissione è di 90° rispetto alla direzione dell'eccitazione. La radiazione incidente sul campione viene selezionata mediante un monocromatore, mentre un secondo monocromatore è poi utilizzato per controllare la radiazione emessa dal campione. Questo lavora nel range che va dalla lunghezza d'onda di eccitazione fino alle lunghezze d'onda più elevate.
 
Lo spettro di emissione fornisce informazioni circa l'intensità di radiazione emessa in funzione delle varie lunghezze d'onda. La lunghezza d'onda di massima intensità è spesso utilizzata per scopi identificativi. Le molecole in grado di dare fluorescenza sono molte poche, ciò può rivelarsi contemporaneamente un vantaggio e uno svantaggio: da unaun lato parteè possopossibile analizzare matrici più o meno complesse sapendo che solo poche molecole saranno rilevabili limitando così eventuali interferenze, di contro la tecnica avrà un range di applicabilità piuttosto limitato.
 
== Analisi elementare ==