Come trasformare un cellulare in uno spettrofotometro

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: