METODI DI ANALISI PER SUOLI CONTAMINATI

 

INDICE

1.         LA SPETTROFOTOMETRIA UV-VISIBILE

2.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO A FIAMMA (FAAS)

3.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO A FORNETTO DI GRAFITE (GFAAS)

4.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO CON GENERAZIONE DI IDRURI (HG-AAS)

5.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO A VAPORI FREDDI (CV-AAS)

6.         LA SPETTROMETRIA DI EMISSIONE ATOMICA A PLASMA AD ACCOPPIAMENTO INDUTTIVO (ICP-AES)

7.         LA SPETTROMETRIA DI MASSA CON SORGENTE A PLASMA (ICP-MS)

8.         LA GASCROMATOGRAFIA (GC)

9.         LA GASCROMATOGRAFIA – SPETTROMETRIA DI MASSA (GC-MS)

10.       LA CROMATOGRAFIA LIQUIDA (HPLC)

11.       LA CROMATOGRAFIA IONICA (IC)

12.       LA POLAROGRAFIA A IMPULSI DIFFERENZIALE (DPP)

13.       LA POTENZIOMETRIA

14.       LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO NELL’INFRAROSSO (IR e FT-IR)

15.       BIBLIOGRAFIA


 

INTRODUZIONE

In questa sezione vengono illustrati il principio di funzionamento e le caratteristiche delle tecniche analitiche strumentali utilizzate per l’esecuzione delle analisi con i metodi nazionali, EPA, ISO e IRSA riportati in questa raccolta di metodiche.

Le tecniche descritte sono:

- la spettrofotometria UV-visibile;

- la spettrometria di assorbimento atomico a fiamma (FAAS);

- la spettrometria di assorbimento atomico a fornetto di grafite (GFAAS);

- la spettrometria di assorbimento atomico con generazione di idruri (HG-AAS);

- la spettrometria di assorbimento atomico a vapori freddi (CV-AAS);

- la spettrometria di emissione atomica a plasma ad accoppiamento induttivo (ICP-AES);

- la spettrometria di massa con sorgente a plasma (ICP-MS);

- la gascromatografia (GC);

- la gascromatografia – spettrometria di massa (GC-MS);

- la cromatografia liquida (HPLC);

- la cromatografia ionica (IC);

- la polarografia a impulsi differenziale (DPP);

- la potenziometria.

- la spettrometria di assorbimento nell’infrarosso (IR e FT-IR).

Per ciascuna tecnica si prendono in considerazione i seguenti parametri:

- principio di funzionamento;

- componenti della strumentazione;

- interferenze generali;

- applicazioni all’analisi;

- vantaggi;

- svantaggi;

- valutazione comparata rispetto a tecniche applicabili alla determinazione dei medesimi analiti;

- costo di acquisizione;

- costi di gestione;

- tempo di analisi.

Indicazioni pratiche sull’utilizzo delle strumentazioni e sulla loro manutenzione sono riportate nella sezione dedicata alla qualità del dato analitico.

Per alcuni dei parametri indicati sono stati individuati intervalli di variabilità così definiti:

- per il costo di acquisizione:

- basso: fino a 5.000 euro;

- moderato: da 5.000 a 25.000 euro;

- medio: da 25.000 a 50.000 euro;

- medio-alto: da 50.000 a 100.000 euro;

- elevato: da 100.000 a 150.000 euro;

- molto elevato: maggiore di 150.000 euro;

- per il tempo di stabilizzazione dello strumento:

- breve: 1 – 10 minuti;

- moderato: 11 – 30 minuti

- lungo: 31 - 60 minuti;

- molto lungo: maggiore di 60 minuti;

- per il tempo di misura (come “misura” si intende la registrazione di un segnale da una soluzione, che può essere uno standard per la calibrazione, oppure un campione incognito da analizzare)

- breve: minore di 2 minuti;

- moderato: 2- 5 minuti;

- medio: 5 – 10 minuti;

- medio – lungo: 10 – 20 minuti;

- lungo: maggiore di 20 minuti.

Va sottolineato che i costi di acquisizione riportati rappresentano delle stime, riferite all’anno 2002, per fornire all’utilizzatore un’indicazione sull’investimento necessario per l’acquisto dei vari strumenti: il prezzo effettivo di vendita varierà a seconda della casa produttrice, del modello, della presenza di accessori e del grado di automazione.

Analogamente i tempi di stabilizzazione e di analisi riportati rappresentano delle indicazioni generali; i tempi effettivi dipenderanno dalle procedure di controllo di qualità adottate nei singoli laboratori e dalle condizioni di misura impostate (ad esempio il programma di temperatura per l’atomizzazione nella tecnica GFAAS).

I costi di gestione sono difficilmente quantificabili, perché dipendono dal tipo di strumento, dalla frequenza di utilizzo, dall’organizzazione e dalle caratteristiche del laboratorio. Per ogni strumento sono state quindi elencate le voci che concorrono a determinarne i costi di gestione. Inoltre è stata individuata una scala relativa di onerosità, definendo “bassi” i costi di gestione per strumenti molto semplici (ad esempio i potenziometri), “elevati” i costi per strumenti che richiedono molti materiali di consumo e/o frequenti interventi di manutenzione (ad esempio l’ICP-MS) e “intermedi” quelli per strumenti con caratteristiche intermedie.

Questa sezione non intende certamente sostituirsi ad un testo di analisi chimica strumentale, ma vuole richiamare agli utilizzatori i concetti fondamentali sul principio di funzionamento delle tecniche analitiche e sulla struttura delle strumentazioni. Le indicazioni riportate possono essere di ausilio nella scelta della tecnica da adottare tenendo conto degli obiettivi dell’analisi e delle esigenze di sensibilità, di tempo e di costi.

La sezione si chiude con alcuni riferimenti bibliografici utili per approfondire i temi trattati.

E’ inoltre disponibile una tabella riassuntiva delle principali caratteristiche delle tecniche analitiche considerate.

 


 

1.         LA SPETTROFOTOMETRIA UV-VISIBILE

1.1.      Principio della tecnica

La tecnica si basa sulla capacità dell’analita di assorbire radiazioni nel campo del visibile e/o dell’ultravioletto. Una lampada emette uno spettro continuo. La radiazione collimata, prima o dopo essere dispersa da un monocromatore, attraversa il campione, dove viene parzialmente assorbita; la frazione non assorbita viene progressivamente focalizzata sul rivelatore. L’entità dell’assorbimento ad una lunghezza d’onda tipica dell’analita è proporzionale alla sua concentrazione.

 

1.2       Componenti della strumentazione

- Sorgente di radiazioni. E’ costituita generalmente da una lampada a filamento di tungsteno per il visibile e a deuterio per l’ultravioletto. Entrambe le lampade emettono uno spettro continuo: da 160 a 390 nm per la lampada a deuterio e da 350 a 2500 nm per quella a tungsteno.

- Sistema monocromatore. Serve a disperdere una radiazione policromatica nelle lunghezze d’onda che la costituiscono. E’ composto da una fenditura di ingresso, una fenditura di uscita, un elemento disperdente, uno o più specchi di focalizzazione. Negli strumenti più semplici il monocromatore è un filtro o un reticolo. Nel reticolo la radiazione viene separata nelle varie lunghezze d’onda. In alcuni strumenti invece la monocromatizzazione viene raggiunta con l’uso di prismi di struttura diversa.

- Cella per il campione. Il campione è introdotto in una cella in vetro (per l’assorbimento nel visibile) o in quarzo (per l’assorbimento nel visibile e nell’UV) posta sul cammino ottico della radiazione. Le celle più comunemente usate sono rettangolari a base quadrata 1,00 ´ 1,00 cm. Per gli strumenti a doppio raggio c’è una seconda cella che contiene la soluzione di riferimento.

- Rivelatore. Converte l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale. Il rivelatore di uso più comune è il fotomoltiplicatore, nel quale un fotocatodo, colpito dalla radiazione, emette elettroni. Gli elettroni vengono accelerati e colpiscono un dinodo, espellendo un numero di elettroni circa 10 volte maggiore. Il fascio di elettroni così generati viene nuovamente accelerato verso un secondo dinodo e così via fino ad ottenere un numero circa 106 volte maggiore di elettroni rispetto a quelli emessi dal fotocatodo. Il risultato ultimo è che il segnale è amplificato e trasformato in una corrente.

- Sistema di registrazione del segnale. Il segnale ottenuto può essere inviato ad un registratore o un calcolatore. Si può in tal modo visualizzare sia lo spettro, cioè un diagramma che riporta l’intensità di assorbimento in funzione della lunghezza d’onda, oppure l’entità dell’assorbimento (espressa come assorbanza) ad una lunghezza d’onda definita.

- Gli spettrometri (o spettrofotometri) possono essere a singolo o doppio raggio, a seconda che la radiazione sia inviata unicamente attraverso il campione o sia divisa in due porzioni, di cui una viene inviata alla cella del campione e l’altra attraverso una cella contenente il bianco; quest’ultima è utilizzata come riferimento per determinare l’entità dell’attenuazione di intensità della radiazione non dovuta all’assorbimento da parte dell’analita.

- Negli strumenti diode array il rivelatore è costituito da numerosi fotodiodi (ad esempio 1024) posti in serie. La radiazione policromatica emessa dalla sorgente attraversa simultaneamente il campione e la frazione non assorbita viene dispersa dal monocromatore, posto a valle della cella del campione. Le singole componenti della radiazione raggiungono contemporaneamente la striscia di fotodiodi; l’intensità corrispondente a ciascuna lunghezza d’onda viene misurata simultaneamente, in quanto ciascun diodo misura una porzione dello spettro. La dispersione delle lunghezze d’onda viene quindi effettuata nello spazio e non nel tempo, e si ottiene lo spettro di assorbimento del campione in maniera istantanea. Questo è particolarmente vantaggioso in tutti i sistemi in cui la rivelazione viene effettuata in flusso, perché è possibile registrare l’intero spettro di assorbimento di un analita senza fermare il flusso stesso. In generale gli strumenti diode array, relativamente recenti, sono caratterizzati da buona sensibilità e precisione e maggiore rapidità rispetto agli strumenti convenzionali.

Per quanto riguarda in particolare il meccanismo di rivelazione, ciascun fotodiodo è costituito da un semiconduttore collegato ad un condensatore. Quando una radiazione luminosa colpisce il semiconduttore, si genera un flusso di elettroni e di conseguenza la carica del condensatore diminuisce. L’intensità della radiazione è proporzionale alla carica necessaria per ricaricare il condensatore.

 

Schema 1  –     Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrofotometria UV Vis.

 

1.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze spettrali. Si verificano quando il campione contiene più sostanze che assorbono alla medesima lunghezza d’onda. In alcuni casi si può ovviare a questo tipo di interferenza con metodi matematici, qualora l’analita e l’interferente assorbano anche ad altre lunghezze d’onda. Altrimenti è necessaria una separazione preliminare tra i due composti o la scelta di una lunghezza d’onda alternativa che offra una minore sensibilità ma sia specifica per l’analita.

- Se il campione è torbido si hanno fenomeni di diffusione della radiazione che inficiano l’accuratezza della misura.

 

1.4.      Applicazioni

La tecnica è applicabile alla determinazione di composti colorati (che assorbono quindi radiazioni visibili) o composti, prevalentemente organici, che assorbono radiazioni nell’ultravioletto.

Per quanto riguarda la presente raccolta di metodiche, la spettrofotometria UV-visibile trova applicazione nella determinazione di Cr(VI) dopo reazione con la difenilcarbazide e dei cianuri dopo conversione in cloruro di cianogeno e sviluppo del colore per reazione con piridina e acido barbiturico.

 

1.5.      Vantaggi

- Applicabilità ad un vasto numero di analiti.

- Bassi costi di acquisto e di gestione.

- Tecnica relativamente semplice da utilizzare.

 

1.6.      Svantaggi

- Bassa selettività.

- Bassa sensibilità.

- Fornisce scarse informazioni di tipo qualitativo.

 

1.7.      Valutazione comparata

Si parlerà solo degli svantaggi e vantaggi della tecnica rispetto alle altre procedure di determinazione del cromo esavalente e dei cianuri riportate in questa raccolta di metodiche.

 

Vantaggi rispetto alla spettroscopia atomica (per la determinazione del cromo esavalente, preceduta da precipitazione o chelazione/estrazione)

- Minori costi di acquisto e di gestione dell’apparecchiatura.

- Preparazione del campione più veloce e meno complessa (rispetto al metodo per precipitazione).

- Maggiore semplicità di misura.

 

Vantaggi rispetto alla cromatografia ionica (per la determinazione del cromo esavalente e degli ioni cianuro)

- Minori costi di acquisto e di gestione.

- Maggiore semplicità di misura.

 

Vantaggi rispetto alle titolazioni volumetriche (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiore sensibilità

 

Vantaggi rispetto alla potenziometria con elettrodo ionoselettivo (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Minori interferenze

 

Vantaggi rispetto alla polarografia ad impulsi differenziale (per la determinazione del cromo esavalente)

- Minori costi di acquisto e di gestione.

- Maggiore semplicità di misura.

 

Svantaggi rispetto alla spettroscopia atomica (per la determinazione del cromo esavalente, preceduta da precipitazione o chelazione/estrazione)

- Minore sensibilità.

 

Svantaggi rispetto alla cromatografia ionica (per la determinazione del cromo esavalente e degli ioni cianuro)

- Minore sensibilità.

 

Svantaggi rispetto alle titolazioni volumetriche (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiori costi della strumentazione

 

Svantaggi rispetto alla potenziometria con elettrodo ionoselettivo (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiori costi della strumentazione

 

Svantaggi rispetto alla polarografia ad impulsi differenziale (per la determinazione del cromo esavalente)

- Minore sensibilità.

 

1.8.      Costo di acquisizione

Moderato (stima per l’anno 2002: approssimativamente 7.000 – 11.000 euro).

 

1.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

- lampade UV e visibile.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti bassi.

 

1. 10.   Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato.

- Tempo per l’esecuzione di una misura: breve (1 minuto circa, compresa l’introduzione del campione nella cella).

- Possibilità di analisi multielementare: solo in alcuni casi, quando gli analiti non interagiscono dando luogo ad equilibri e lo spettro della miscela presenta una serie di bande ciascuna delle quali sia dovuta prevalentemente ad uno dei componenti. Le concentrazioni vengono valutate impostando una serie di equazioni che tengono conto del contributo di ciascuna specie all’assorbanza totale misurata alle opportune lunghezze d’onda (tipicamente corrispondenti ai massimi di assorbimento della miscela).

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

2.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO A FIAMMA (FAAS)

2.1.      Principio della tecnica

L’elemento da determinare è portato in forma atomica in fase gassosa, mediante riscaldamento con una fiamma. Una radiazione monocromatica di lunghezza d’onda caratteristica dell’elemento è fatta passare attraverso il vapore atomico. Una parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell’analita. La frazione assorbita è proporzionale alla sua concentrazione.

 

2.2.      Componenti della strumentazione

- Sorgente di radiazioni monocromatiche: lampada a catodo cavo (HCL) oppure (per alcuni elementi, come As, Hg, Sb, Sn) lampada EDL (electrodeless discharge lamp).

- Dispositivo di atomizzazione: fiamma, solitamente ottenuta con aria e acetilene (2100 - 2400 °C). Per temperature elevate si usa anche protossido di azoto - acetilene (2500 – 2700 °C). Il campione viene aspirato attraverso un nebulizzatore, che lo disperde in forma di aerosol, passa in una camera di miscelazione, nella quale si miscela con il combustibile e l’ossidante, e raggiunge il bruciatore nel quale ha luogo la combustione e l’atomizzazione.

- Monocromatore (quasi sempre a reticolo) per separare la radiazione di interesse.

- Rivelatore (comunemente un fotomoltiplicatore) per convertire l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale.

- Sistema di registrazione del segnale (computer o registratore).

- Dispositivo per la correzione del fondo (comunemente lampada a deuterio).

Gli spettrometri (o spettrofotometri) possono essere a singolo o doppio raggio, a seconda che la radiazione sia inviata unicamente attraverso la nuvola atomica dell’analita o sia divisa in due porzioni di cui una attraversa l’analita atomizzato e l’altra viene utilizzata come riferimento per determinare l’attenuazione di intensità della prima, compensando il decremento dovuto al cammino ottico ed all’ambiente di misura.

 

Schema 2   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a fiamma.


 

 

 

 

2.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze spettrali. Si verificano quando linee o bande di assorbimento di altri componenti del campione si sovrappongono alla riga dell’analita. La sovrapposizione di linee è generalmente trascurabile perché la radiazione dell’analita emessa dalla lampada è molto stretta. Però le bande molecolari causate dalle specie presenti nella fiamma (ossidi, radicali OH, frammenti di molecole di solvente…) e la luce diffusa possono generare sovrapposizioni. Si ovvia con la correzione del segnale di fondo.

- Interferenze di distribuzione spaziale. Sono causate da una variazione nella distribuzione spaziale del trasporto di massa dell’analita nell’atomizzatore, causata ad esempio da alterazioni nella quantità di prodotti di combustione e quindi da cambiamenti di volume della fiamma, o da cambiamenti nella velocità o direzione di flusso dell’analita nella fiamma. Alterazioni nella distribuzione spaziale degli atomi possono causare una variazione della sensibilità. Questo tipo di interferenza è normalmente trascurabile, tranne che in pochi casi, ad esempio in presenza di un elevato contenuto di composti refrattari.

- Interferenze chimiche. Si verificano quando la temperatura della fiamma non è sufficiente a dissociare composti molecolari dell’analita che possono essersi formati nella fiamma stessa (ad esempio gli ioni fosfato interferiscono nella determinazione del calcio). Si ovvia aumentando la temperatura della fiamma o aggiungendo al campione un elemento che si leghi preferenzialmente all’interferente (ad esempio il lantanio sopprime l’interferenza del fosfato).

- Interferenze di ionizzazione. Se la fiamma è troppo calda l’analita può essere ionizzato in misura significativa e la concentrazione di ioni liberi (responsabili dell’assorbimento della radiazione) diminuisce. Si ovvia usando una fiamma più fredda o aggiungendo al campione un elemento facilmente ionizzabile (ad esempio sodio o potassio) che reprime la ionizzazione dell’analita.

- Interferenze di trasporto. Dipendono dalla velocità di aspirazione e di nebulizzazione, che sono influenzate dalla viscosità, densità e tensione superficiale della soluzione in esame. Quando campioni e standard differiscono per qualcuno di questi parametri, ad esempio in presenza di un componente organico nel campione, si ha una diversa resa di nebulizzazione tra campioni e standard, ed una conseguente variazione nella porzione di analita che raggiunge la fiamma.. Si ovvia a questo inconveniente preparando gli standard in una matrice il più vicino possibile a quella dei campioni o utilizzando il metodo delle aggiunte standard.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

2.4.      Applicazioni

La tecnica è applicabile alla determinazione della maggior parte dei metalli e di alcuni metalloidi.

 

2.5.      Vantaggi

- Buona sensibilità: limiti di rivelabilità a livello di µg/l.

- Applicabilità ad un vasto numero di analiti.

- Conveniente, affidabile, lunga durata, facilità delle operazioni.

- Costi di acquisto e di gestione moderati.

 

2.6.      Svantaggi

- Necessità di utilizzare bombole di gas reattivi.

- Consumo relativamente elevato di campione (alcuni ml per ogni misura).

 

2.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a GFAAS

- Maggiore precisione.

- Maggiore rapidità di analisi.

- Minori costi di acquisto e gestione.

 

Vantaggi rispetto a ICP-AES

- Minori costi di acquisto e gestione.

 

Svantaggi rispetto a GFAAS

- Uso di gas reattivi.

- Limiti di rivelabilità più alti.

- Maggiori interferenze.

 

Svantaggi rispetto a ICP-AES

- Uso di gas reattivi.

- Non si possono effettuare determinazioni multielementari.

- Risente maggiormente di interferenze.

 

2.8.      Costo di acquisizione

Moderato (stima per l’anno 2002: approssimativamente 12.000 – 18.000 euro).

 

2.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per l’alimentazione della fiamma. Una bombola di acetilene dura circa 2 settimane (ipotizzando un utilizzo per 5 giorni la settimana). Una bombola di aria dura circa un giorno e può essere sostituita da un compressore.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti intermedi.

 

2.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 15 minuti per ogni elemento).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: da breve a moderato (meno di 5 minuti).

- Possibilità di analisi multielementare: no (richiede il cambio della lampada e una nuova calibrazione).

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

3.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO A FORNETTO DI GRAFITE (GFAAS)

3.1.      Principio della tecnica

L’elemento da determinare è portato in forma atomica in fase gassosa, mediante riscaldamento in  fornetto portato ad alta temperatura. Una radiazione monocromatica di lunghezza d’onda caratteristica dell’elemento è fatta passare attraverso il vapore atomico. Una parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell’analita. La frazione assorbita è proporzionale alla sua concentrazione.

 

3.2.      Componenti della strumentazione

- Sorgente di radiazioni monocromatiche: lampada a catodo cavo (HCL) o (per alcuni elementi, come As, Hg, Sb, Sn) lampada EDL (electrodeless discharge lamp).

- Dispositivo di atomizzazione: fornetto di grafite riscaldato mediante il passaggio di una corrente elettrica. Il volume depositato nel fornetto (di solito mediante un autocampionatore) è usualmente di 10 – 50 µl. La temperatura del fornetto viene incrementata in stadi successivi, nei quali hanno luogo i seguenti fenomeni: evaporazione del solvente; decomposizione e volatilizzazione della maggior parte della matrice (arrostimento); atomizzazione dell’analita; pulizia finale del fornetto. Il fornetto può contenere una piattaforma (piattaforma di L’vov) che rende più uniforme la temperatura all’interno del tubo e migliora le prestazioni e i limiti di rivelabilità.

- Monocromatore (quasi sempre a reticolo) per isolare la radiazione di interesse.

- Rivelatore (comunemente un fotomoltiplicatore) per convertire l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale.

- Sistema di registrazione del segnale (computer o registratore).

- Dispositivo per la correzione del fondo (lampada a deuterio o effetto Zeeman).

Gli spettrometri (o spettrofotometri) possono essere a singolo o doppio raggio, a seconda che la radiazione sia inviata unicamente attraverso la nuvola atomica dell’analita o sia divisa in due porzioni di cui una attraversa l’analita atomizzato e l’altra viene utilizzata come riferimento per determinare l’attenuazione di intensità della prima, compensando il decremento dovuto al cammino ottico ed all’ambiente di misura.

 


Schema 3   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a fornetto di grafite.

 

 

 

 

 

 

3.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze spettrali. Si verificano quando linee o bande di assorbimento di altri componenti del campione si sovrappongono alla riga dell’analita. La sovrapposizione di linee è generalmente trascurabile perché la radiazione dell’analita emessa dalla lampada è molto stretta.

Le bande di assorbimento dei componenti della matrice (non completamente volatilizzati prima dell’atomizzazione dell’analita, o ricondensati sulle pareti del fornetto) e la diffusione della luce generano un segnale di fondo. Per ovviare a questo problema si deve effettuare una correzione del segnale di fondo mediante lampada a Deuterio o sfruttando l’effetto Zeeman. Il segnale di fondo con la tecnica a fornetto di grafite è molto più basso di quello esistente nel caso di atomizzazione a fiamma.

- Interferenze chimiche Si verificano quando altri componenti della matrice inibiscono la formazione di atomi liberi dell’analita. Si possono formare composti volatili dell’analita che vengono vaporizzati prima dello stadio di atomizzazione: ad esempio il piombo in presenza di cloruri viene parzialmente perso per volatilizzazione come PbCl2 (in assenza di modificatore di matrice). Alcuni elementi invece (es. Zr, o W) tendono a formare carburi non volatili con la grafite del fornetto. La tendenza è ridotta se si utilizzano fornetti in grafite pirolitica. Si ovvia a queste interferenze, in alcuni casi, con l’aggiunta di un modificatore di matrice oppure con il metodo delle aggiunte standard. I modificatori di matrice hanno la funzione di permettere una migliore separazione tra gli stadi di rimozione della matrice e di atomizzazione, rendendo più volatile la prima oppure diminuendo la volatilità dell’analita.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

3.4.      Applicazioni

La tecnica è applicabile alla determinazione della maggior parte dei metalli e di alcuni metalloidi.

 

3.5.      Vantaggi

- Elevata sensibilità: limiti di rivelabilità inferiori o pari a pochi µg/l.

- Applicabilità ad un vasto numero di analiti.

- Sicurezza nel funzionamento (assenza di fiamme, gas esplosivi, prodotti di combustione tossici).

- Bassi volumi di campione richiesti per l’analisi.

 

3.6.      Svantaggi

- Elettronica sofisticata per la misura dell’assorbanza che risulta transiente.

- Condizioni critiche nel riscaldamento per l’essiccazione, l’arrostimento e l’atomizzazione.

- Necessità di un frequente controllo della pulizia del fornetto.

 

3.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a FAAS

- Maggiore sensibilità.

- Minor numero di interferenze.

- Non si usano gas reattivi.

 

Vantaggi rispetto a ICP-AES

- Limiti di rivelabilità inferiori.

 

Svantaggi rispetto a FAAS

- Minore precisione.

- Minore rapidità di analisi.

- Maggiori costi di acquisto e gestione.

 

Svantaggi rispetto a ICP-AES

- Tempi di analisi più lunghi.

- Non si possono effettuare determinazioni multielementari.

 

3.8.      Costo di acquisizione

Da medio a medio-alto (stima per l’anno 2002: approssimativamente 40.000 – 60.000 euro).

 

3.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per la creazione di un ambiente inerte nel fornetto e per l’allontanamento dei vapori del campione. Una bombola di argon dura circa 2 settimane (ipotizzando un utilizzo di 6 ore per 5 giorni la settimana);

fornetti. Un fornetto dura approssimativamente per 200 misure (a seconda del tipo di matrice: matrici più acide o saline diminuiscono la durata dei fornetti);

coni di grafite in cui si inserisce il fornetto;

tubo di iniezione dell’autocampionatore.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti elevati.

 

3.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 15 minuti per elemento).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: moderato (tipicamente 2 - 4 minuti).

- Possibilità di analisi multielementare: generalmente no (richiede il cambio della lampada e una nuova calibrazione), tranne che con alcuni modelli recenti.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

4.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO CON GENERAZIONE DI IDRURI (HG-AAS)

4.1.      Principio della tecnica

Elementi che formano idruri covalenti volatili possono essere convertiti in questa forma per reazione con un riducente (quasi sempre sodio boroidruro in ambiente di acido cloridrico). Gli idruri vengono immessi in una cella di quarzo riscaldata con una fiamma o con un apposito forno (o, meno comunemente, direttamente nella fiamma stessa) dove si decompongono liberando idrogeno e il vapore atomico dell’analita. Una radiazione monocromatica di lunghezza d’onda caratteristica dell’elemento è fatta passare attraverso il vapore atomico. Una parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell’analita. La frazione assorbita è proporzionale alla sua concentrazione.

 

4.2.      Componenti della strumentazione

- Sorgente di radiazioni monocromatiche: lampada a catodo cavo (HCL) o, più comunemente, lampada EDL (electrodeless discharge lamp).

- Apparato per la generazione di idruri. Può avere diverse configurazioni, di cui qui si forniranno alcuni esempi. Nei sistemi in batch il campione è contenuto in un reattore nel quale si introduce il riducente (quasi sempre sodio boroidruro); l’idruro generato nella reazione è trasportato all’atomizzatore da un flusso di gas inerte. Nei sistemi a flusso continuo il campione, il riducente ed eventualmente altri reagenti sono trasportati con l’ausilio di pompe alla cella di reazione e miscelati. Le fasi sono separate in un separatore gas-liquido e trasportate all’atomizzatore da un flusso di gas inerte. I sistemi flow injection differiscono da quelli a flusso continuo soprattutto perché invece della soluzione del campione si ha una soluzione di carrier (acqua o acido diluito) nella quale viene iniettato un piccolo volume di campione a intervalli regolari.

- Dispositivo di atomizzazione. E’ possibile inviare l’idruro direttamente in una fiamma (argon - idrogeno o aria - idrogeno), ma più comunemente si utilizzano celle in quarzo riscaldate da una fiamma o elettricamente. Un’ulteriore possibilità è atomizzare l’idruro in un fornetto di grafite.

- Monocromatore (quasi sempre a reticolo) per isolare la radiazione di interesse.

- Rivelatore (comunemente un fotomoltiplicatore) per convertire l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale.

- Sistema di registrazione del segnale (computer o registratore).

- Dispositivo per la correzione del fondo (lampada a deuterio o effetto Zeeman).

Gli spettrometri (o spettrofotometri) possono essere a singolo o doppio raggio, a seconda che la radiazione sia inviata unicamente attraverso la nuvola atomica dell’analita o sia divisa in due porzioni di cui una attraversa l’analita atomizzato e l’altra viene utilizzata come riferimento per determinare l’attenuazione di intensità della prima, compensando il decremento dovuto al cammino ottico ed all’ambiente di misura.

 

Schema 4   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico con generazione di idruri.


 

 

 

 

 

 

4.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze durante la generazione degli idruri. Se l’analita nel campione e negli standard non è nella stessa forma, la formazione di idruri può avvenire con velocità o rese diverse. Lo stato di ossidazione dell’elemento influenza la reazione. Selenio (VI) e tellurio (VI) devono essere ridotti allo stato tetravalente, mentre per As(V) e Se(V) la riduzione in forma trivalente è fortemente raccomandata. Anche le forme organiche degli elementi possono non reagire con il boroidruro, pertanto è necessaria la mineralizzazione preventiva del campione.

Alcuni metalli (es. Cu e Ni) interferiscono, probabilmente a causa della reazione dell’idruro con la forma ridotta dell’interferente. Per ridurre questo tipo di interferenza sono state suggerite diverse misure: aggiunta di acido, aggiunta di ferro trivalente, uso di agenti complessanti.

Cobalto, ferro, mercurio, nichel e rame in elevate concentrazioni precipitano come metalli ridotti causando ostruzioni nei condotti.

Se un interferente dà luogo alla formazione di un precipitato, e questo non è completamente rimosso, si verificheranno effetti memoria nelle determinazioni successive.

Tracce di ossidanti interferiscono. Se nella digestione è stato usato perossido, questo va rimosso evaporando cautamente il campione fino a circa 5 ml ed aggiungendo urea.

- Interferenze nell’atomizzatore. E’ stato osservato che la presenza di idruri di altri elementi può influire negativamente sull’atomizzazione dell’analita di interesse nella cella in quarzo. Le misure proposte per ovviare all’inconveniente sono l’aumento della velocità di flusso del gas e l’aggiunta di ossigeno. Questo tipo di interferenze sembra meno importante usando un fornetto di grafite come atomizzatore. Tuttavia in questo caso si ha una minore sensibilità.

- Interferenze spettrali. Le interferenze spettrali sono molto ridotte. Il segnale di fondo nelle celle di quarzo è molto basso, tranne con celle aperte alle estremità, dove l’idrogeno può bruciare. Usando il fornetto di grafite come atomizzatore si ha un elevato segnale di fondo quando l’idrogeno generato nella reazione raggiunge il fornetto insieme all’idruro. Per evitare questo inconveniente è necessario separare l’idrogeno dall’idruro prima dell’atomizzazione.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

4.4.      Applicazioni

La tecnica è applicabile alla determinazione di elementi che formano idruri covalenti volatili: As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se, Sn, Te.

 

4.5.      Vantaggi

- Buona sensibilità: limiti di rilevabilità a livello di pochi µg/l.

- Minori interferenze rispetto all’atomizzazione diretta in fiamma o fornetto.

 

4.6.      Svantaggi

- Apparecchiatura relativamente complessa per la presenza dell’apparato di generazione di idruri.

 

4.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a FAAS, GFAAS, ICP-AES

- Maggiore sensibilità.

- Minori interferenze.

 

Svantaggi rispetto a FAAS, GFAAS, ICP-AES

- Apparecchiatura più complicata per la presenza del generatore di idruri.

 

4.8.      Costo di acquisizione

La strumentazione è un’implementazione degli strumenti per assorbimento atomico; il costo dell’apparato è basso o moderato (stima per l’anno 2002: approssimativamente 5.000 – 12.000 euro a seconda del grado di automazione del sistema di generazione di idruri).

 

4.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per il trasporto degli idruri e per l’alimentazione della fiamma o la creazione di un ambiente inerte nel fornetto;

boroidruro;

fornetto di grafite e coni nel caso di atomizzazione elettrotermica;

tubi delle pompe peristaltiche se queste fanno parte della configurazione del sistema.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti elevati.

 

4.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 15 minuti per ogni elemento).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: moderato (inferiore a 5 minuti).

- Possibilità di analisi multielementare: no (richiede il cambio della lampada e una nuova calibrazione).

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

5.         LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO A VAPORI FREDDI (CV-AAS)

5.1.      Principio della tecnica

E’ una tecnica utilizzata per la determinazione del mercurio. L’analita viene convertito in forma metallica per riduzione con cloruro stannoso o boroidruro di sodio. Il mercurio viene volatilizzato da una corrente di gas inerte e trasportato in una cella ottica. Una radiazione monocromatica di lunghezza d’onda caratteristica dell’elemento è fatta passare attraverso il vapore atomico. Una parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell’analita. La frazione assorbita è proporzionale alla sua concentrazione.

 

5.2.      Componenti della strumentazione

- Si possono usare apparecchi appositamente dedicati alla determinazione del mercurio oppure inserire alcuni componenti (il generatore di vapori e la cella di misura) in un comune spettrometro di assorbimento atomico. In entrambi i casi i componenti che differenziano lo strumento da un comune spettrometro sono:

- apparato per la generazione di vapori di mercurio. E’ analogo a quello per la generazione di idruri. Nei sistemi in batch si ha un reattore contenente il campione in cui si introduce il riducente (sodio boroidruro, cloruro o solfato stannoso); i vapori di mercurio sono trasportati alla cella di misura da un flusso di gas inerte. Nei sistemi a flusso continuo il campione, il riducente ed eventualmente altri reagenti sono trasportati con l’ausilio di pompe alla cella di reazione e miscelati. Le fasi sono separate in un separatore gas-liquido e trasportate alla cella da un flusso di gas inerte. I sistemi flow injection differiscono da quelli a flusso continuo soprattutto perché invece della soluzione del campione si ha una soluzione di carrier (acqua o acido diluito) nella quale viene iniettato un piccolo volume di campione a intervalli regolari;

- cella di misura. In questo caso non è necessaria un’atomizzazione perché il mercurio è già allo stato atomico. Per la misura di assorbanza si usa una cella in quarzo a temperatura ambiente o riscaldata a 50 °C. Alternativamente si può usare un sistema costituito da un cilindro di materiale inerte (di lunghezza circa 40-50 cm) all’interno del quale sono stati realizzati due fori passanti che costituiscono la cella di misura e quella di riferimento;

- un modulo opzionale costituito da una trappola in oro che permette una preconcentrazione dell’analita. Gli atomi di mercurio trasportati dal gas inerte attraversano la trappola e formano amalgama con l’oro. La durata dello stadio di arricchimento è inversamente proporzionale alla concentrazione da determinare. Successivamente la trappola viene riscaldata e rilascia il mercurio che viene trasportato alla cella ottica.

- Gli altri componenti degli strumenti specifici per la determinazione del mercurio sono:

- lampada a mercurio. Poiché le lampade a mercurio emettono un numero limitato di radiazioni, e nelle condizioni operative virtualmente solo il mercurio è presente in fase gassosa, è possibile fare a meno del monocromatore;

- rivelatore per convertire l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale;

- sistema di registrazione del segnale (computer o registratore).

- Gli altri componenti dei comuni spettrometri di assorbimento atomico sono:

- sorgente di radiazioni monocromatiche: lampada a mercurio;

- monocromatore (quasi sempre a reticolo) per separare la radiazione di interesse;

- rivelatore (comunemente un fotomoltiplicatore) per convertire l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale;

- sistema di registrazione del segnale (computer o registratore);

- dispositivo per la correzione del fondo (lampada a deuterio o effetto Zeeman).

Gli spettrometri (o spettrofotometri) possono essere a singolo o doppio raggio, a seconda che la radiazione sia inviata unicamente attraverso la nuvola atomica dell’analita o sia divisa in due porzioni di cui una attraversa l’analita atomizzato e l’altra viene utilizzata come riferimento per determinare l’attenuazione di intensità della prima, compensando il decremento dovuto al cammino ottico ed all’ambiente di misura.

 


 

Schema 5   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a vapori freddi.


 

 

 

 

 

 

5.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze durante la riduzione. E’ necessaria la mineralizzazione del campione prima dello stadio di riduzione perché non tutti i composti del mercurio sono ridotti quantitativamente.

Quando si usa Sn(II) come riducente, gli ioni ioduro e il Se(IV) interferiscono.

Con il boroidruro di sodio si ha l’interferenza di molti metalli pesanti, che possono essere ridotti dal reagente e successivamente reagire con il mercurio. I metalli nobili ridotti possono reagire con il mercurio formando amalgama. Per minimizzare questo tipo di interferenza sono state suggerite diverse procedure: aggiunta di acido, aggiunta di ferro trivalente, uso di agenti complessanti.

- L’interferenza del solfuro viene eliminata con l’aggiunta di permanganato, il cui eccesso è rimosso con solfato di idrossilamina. Un eccesso di cloruri interferisce perché durante l’ossidazione si sviluppa cloro gassoso, che assorbe a una lunghezza d’onda molto vicina a quella del mercurio. Si ovvia aggiungendo un eccesso di solfato di idrossilamina.

- Alcune sostanze organiche volatili assorbono alla medesima lunghezza d’onda del mercurio. Tali sostanze non dovrebbero essere presenti nei campioni, che hanno subito digestione. Si può controllarne l’assenza facendo un’analisi in assenza di riducente.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

5.4.      Applicazioni

La tecnica è applicabile solo alla determinazione del mercurio.

 

5.5.      Vantaggi

- Buona sensibilità: limiti di rilevabilità inferiori ai µg/l.

- Minori interferenze rispetto all’atomizzazione diretta in fiamma o fornetto.

 

5.6.      Svantaggi

- Apparecchiatura relativamente complessa per la presenza dell’apparato di generazione dei vapori di mercurio.

 

5.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a FAAS, GFAAS, ICP-AES

- Maggiore sensibilità.

- Minori interferenze.

 

Svantaggi rispetto a FAAS, GFAAS, ICP-AES

- Apparecchiatura più complicata per la presenza dell’apparato di generazione dei vapori di mercurio.

 

5.8.      Costo di acquisizione

Pochi strumenti autonomi sono disponibili sul mercato; in genere sono sistemi accessori allo spettrometro di assorbimento atomico. Il costo di tali accessori è molto basso o moderato (stima per l’anno 2002: approssimativamente 5.000 – 12.000 euro a seconda del grado di automazione del sistema. Aggiungendo il dispositivo in oro per la preconcentrazione il prezzo aumenta di circa 2.500 euro).

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5.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per il trasporto del mercurio e per l’alimentazione della fiamma o la creazione di un ambiente inerte nel fornetto;

agente riducente;

fornetto di grafite e coni nel caso di atomizzazione elettrotermica;

tubi delle pompe peristaltiche se queste fanno parte della configurazione del sistema.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti elevati.

 

5.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 15 minuti).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: moderato (inferiore a 5 minuti).

- Possibilità di analisi multielementare: no. E’ una tecnica applicabile solo alla determinazione del mercurio.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

6.         LA SPETTROMETRIA DI EMISSIONE ATOMICA A PLASMA AD ACCOPPIAMENTO INDUTTIVO (ICP-AES)

6.1.      Principio della tecnica

L’elemento da determinare è portato in forma atomica in fase gassosa mediante riscaldamento in un plasma. Nella maggior parte degli strumenti si fa uso di plasma ad accoppiamento induttivo (ICP, Inductively Coupled Plasma). Il plasma fornisce anche l’energia per portare gli atomi dallo stato elementare a stati eccitati. Gli atomi eccitati tendono a tornare a stati con energia inferiore con concomitante emissione di energia radiante. L’intensità della radiazione emessa ad un’opportuna lunghezza d’onda è proporzionale alla concentrazione dell’analita.

 

6.2.      Componenti della strumentazione

- Sistema di introduzione del campione. In genere il campione viene aspirato da una pompa peristaltica e introdotto nella torcia per azione di un nebulizzatore. I nebulizzatori possono essere di tipo pneumatico (concentrico, cross-flow, Babington e V-groove), a ultrasuoni, elettrotermico. I nebulizzatori più comuni sono quelli pneumatici, nei quali il campione incontra un flusso di argon che dà luogo alla formazione di un aerosol. L’aerosol entra in una camera di nebulizzazione, nella quale vengono rimosse le gocce più grandi, in modo che alla torcia arrivino solo le gocce più piccole; contemporaneamente si smorzano gli impulsi che si generano durante la nebulizzazione, dovuti all’azione della pompa.

- Torcia. E’ un insieme di tre tubi concentrici, normalmente di quarzo. Un avvolgimento di rame è posto all’estremità superiore della torcia ed è connesso ad un generatore di radiofrequenza. Nella torcia un flusso di argon viene portato in forma di plasma che raggiunge temperature di 8000 – 9000 K (si rimanda alla letteratura specializzata per il meccanismo di formazione e sostentamento del plasma). L’argon fluisce nei tre tubi concentrici con funzioni diverse: nella parte più esterna si ha un’elevata velocità di flusso per raffreddare la parte esterna del plasma ed evitare la fusione del quarzo; la corrente intermedia alimenta il plasma; nel tubo più interno viene trasportato il campione nebulizzato.

- Monocromatore (quasi sempre a reticolo) per isolare la radiazione di interesse, emessa dall’analita all’interno del plasma.

- Rivelatore (comunemente un fotomoltiplicatore) per convertire l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale.

- Sistema di registrazione del segnale (computer o registratore). La correzione del segnale di fondo viene eseguita misurando l’intensità di emissione ai lati della riga di emissione dell’analita e sottraendola dal segnale di quest’ultimo.

 

Schema 6   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di emissione atomica a plasma ad accoppiamento induttivo.

 

 

6.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze spettrali. Si possono avere sovrapposizioni (totali o parziali) delle linee di emissione dell’analita con quelle di altre specie presenti nel campione; esiste inoltre un segnale di fondo continuo.

Si ovvia alla sovrapposizione di linee di emissione cambiando la lunghezza d’onda di misura oppure con correzioni matematiche. Il segnale di fondo invece viene corretto misurando l’intensità di emissione ai lati del picco dell’analita e sottraendola dal segnale di quest’ultimo.

- Interferenze di trasporto. Differenze nella viscosità o tensione superficiale tra campioni e standard portano a cambiamenti nelle velocità di aspirazione e nebulizzazione.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

6.4.      Applicazioni

La maggior parte dei metalli e alcuni metalloidi.

 

6.5.      Vantaggi

- Buona sensibilità: limiti di rivelabilità a livello di unità o decine di µg/l.

- Applicabilità ad un vasto numero di analiti.

- Possibilità di determinazioni multielementari.

- Ampio intervallo dinamico lineare (tipicamente 4-5 ordini di grandezza).

- Effetti matrice limitati grazie all’elevata temperatura del plasma ed all’atmosfera inerte creata dall’argon.

- Assenza di effetti da processi di volatilizzazione incompleta e interazioni in fase vapore.

 

6.6.      Svantaggi

- Costi di gestione relativamente elevati a causa del consumo di argon.

- Consumo di campione relativamente elevato (alcuni ml).

 

6.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a FAAS

- Possibilità di analisi multielementari.

- Minori interferenze ed effetti matrice.

- Non si utilizzano gas reattivi.

 

Vantaggi rispetto a GFAAS

- Possibilità di analisi multielementari.

- Tempi di analisi più brevi.

- Segnale continuo e non transiente.

 

Svantaggi rispetto a FAAS

- Maggiori costi di acquisto e di gestione.

- Minore stabilità del segnale di emissione con necessità di controllo più frequente del segnale di soluzioni standard.

 

Svantaggi rispetto a GFAAS

- Limiti di rivelabilità superiori.

- Minore stabilità del segnale di emissione con necessità di controllo più frequente del segnale di soluzioni standard.

 

6.8.      Costo di acquisizione

Da medio a medio-alto (stima per l’anno 2002: approssimativamente 40.000 – 85.000 euro).

 

6.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per l’alimentazione del plasma ed il trasporto del campione. Una bombola di argon dura circa 8 ore;

tubi della pompa peristaltica. Un tubo dura almeno un mese (ipotizzando un uso di 6 ore per 5 giorni la settimana).

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti elevati.

 

6.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 15 minuti).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: breve.

- Possibilità di analisi multielementare: si. In questo caso il tempo di misura per ciascun analita si riduce. Si possono ad esempio determinare 10 elementi in 10 minuti.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

7.         LA SPETTROMETRIA DI MASSA CON SORGENTE A PLASMA (ICP-MS)

7.1.      Principio della tecnica

Il campione è introdotto in una torcia in cui è presente un plasma ICP e viene vaporizzato, atomizzato e ionizzato. Una porzione del gas ionizzato viene introdotta, attraverso un’interfaccia, in uno spettrometro di massa. Dopo essere passati attraverso camere a vuoto successive, gli ioni raggiungono l’analizzatore di massa (solitamente un quadrupolo) e danno luogo ad un segnale dipendente dal loro rapporto massa/carica.

 

7.2.      Componenti della strumentazione

- Sistema di introduzione del campione. E’ analogo a quello utilizzato per la tecnica ICP-AES. In genere il campione viene aspirato da una pompa peristaltica e introdotto nella torcia per azione di un nebulizzatore. I nebulizzatori possono essere di tipo pneumatico (concentrico, cross-flow, Babington e V-groove), a ultrasuoni, elettrotermico. I nebulizzatori più comuni sono quelli pneumatici, nei quali il campione incontra un flusso di argon che dà luogo alla formazione di un aerosol. L’aerosol entra in una camera di nebulizzazione, nella quale vengono rimosse le gocce più grandi, in modo che alla torcia arrivi un aerosol uniforme; contemporaneamente si smorzano gli impulsi che si formano durante la nebulizzazione, dovuti all’azione della pompa.

- Torcia. E’ analoga a quella utilizzata per l’ICP-AES, ma è posta in posizione orizzontale, mentre negli spettrometri ad emissione atomica può essere orizzontale o verticale. La torcia è costituita da un insieme di tre tubi di quarzo concentrici. Un avvolgimento di rame è posto all’estremità superiore della torcia ed è connesso ad un generatore di radiofrequenza. Nella torcia un flusso di argon viene portato in forma di plasma che raggiunge temperature di 8000 – 9000 K (si rimanda alla letteratura specializzata per il meccanismo di formazione e sostentamento del plasma). L’argon fluisce nei tre tubi concentrici con funzioni diverse: nella parte più esterna si ha un’elevata velocità di flusso per raffreddare la parte esterna del plasma ed evitare la fusione del quarzo; la corrente intermedia alimenta il plasma; nel tubo più interno viene trasportato il campione nebulizzato.

- Interfaccia. E’ costituita da un cono (sampler) avente una piccola apertura attraverso cui fluisce il campione, che entra in una zona a bassa pressione (1 torr), dalla quale, attraverso un’altra apertura conica (skimmer) passa in una seconda camera a vuoto. Le basse pressioni sono ottenute con l’ausilio di pompe.

- Nella camera a vuoto la pressione è sufficientemente bassa (5 ´ 10-4 torr) da permettere alle lenti ioniche di selezionare le specie cariche (distinguendole da specie neutre e fotoni) e di trasmetterle all’analizzatore di massa.

- Analizzatore di massa. Di solito è un quadrupolo. Vengono separate le specie con diverso rapporto massa/carica m/z: variando opportunamente i potenziali applicati alle coppie di barre del quadrupolo, gli ioni con diverso rapporto m/z raggiungono progressivamente il rivelatore. Si ricava così lo spettro di massa. Strumenti ad alta risoluzione sfruttano analizzatori di massa elettrostatici/magnetici; questi strumenti, di costo molto elevato, vengono utilizzati nel caso della determinazione di specie che possano dare interferenze isobariche (sovrapposizioni di righe con rapporto massa/carica molto simile) difficili da risolvere.

- Rivelatore. Di solito si usano moltiplicatori di elettroni. Trasformano l’energia che ricevono dagli ioni in un segnale elettrico che viene amplificato.

- Calcolatore che gestisce il funzionamento dello strumento ed elabora i segnali. Un tipico spettro ICP-MS riporta l’intensità (ioni/s) in funzione della massa di ciascuno ione. L’intensità è proporzionale alla concentrazione di analita.

- La concentrazione può anche essere valutata con il metodo per diluizione isotopica. Si misura il rapporto tra le intensità di due isotopi dell’analita (in assenza di interferenze) nel campione tal quale e dopo l’aggiunta di una quantità nota di uno degli isotopi. La concentrazione (µg/g) è calcolata dalla seguente equazione:

 

dove Ms = massa del’isotopo stabile aggiunto (µg); W = massa del campione (in g); K = Rapporto tra il peso atomico dell’elemento e dell’isotopo addizionato; R = rapporto isotopico misurato dopo l’aggiunta; A = abbondanza isotopica naturale dell’isotopo a cui si fa riferimento; B = abbondanza isotopica naturale dell’isotopo addizionato; As = abbondanza isotopica dell’isotopo a cui si fa riferimento nel campione dopo l’aggiunta; Bs = abbondanza dell’isotopo addizionato nel campione dopo l’aggiunta.

 

Schema 7   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per ICP / Spettrometria di massa.

 

 

7.3.      Interferenze generali della tecnica

- Interferenze isobariche. Sono dovute alla presenza di isotopi di elementi di natura diversa che formano ioni con il medesimo rapporto m/z (ad esempio 48Ti e 48Ca, 204Pb e 204Hg). Si evitano scegliendo isotopi non interessati dall’interferenza o con metodi di correzione. A questo scopo si misura il segnale di un altro isotopo dell’interferente e, tenendo conto dei rapporti isotopici, si calcola il contributo dell’interferente stesso al segnale dell’analita.

- Interferenze molecolari. Sono dovute alla sovrapposizione del segnale di ioni con quello di specie molecolari formate nel plasma (ad esempio 39K+ e 38ArH+, 56Fe+ e 40Ar16O+). Le specie principali presenti nel plasma sono argon, idrogeno e ossigeno e gli elementi derivanti dagli acidi o solventi presenti nei campioni (ad esempio N, S, Cl). Le specie molecolari sono generate da combinazioni tra questi elementi o degli stessi con altri componenti del campione (si possono ad esempio formare ossidi refrattari di ioni metallici). Si ovvia a questo tipo di interferenza scegliendo isotopi alternativi o con metodi di correzione analoghi a quelli sopra descritti. Si può inoltre minimizzare la formazione della specie molecolare interferente agendo sulle condizioni operative. Ad esempio la potenza di alimentazione della torcia e la velocità di flusso del nebulizzatore influenzano la formazione delle specie ArO+, ClO+, ArAr+. Recentemente è stata introdotta la possibilità di utilizzare una cella di collisione, nella quale un gas di reazione (ad esempio He, H2 o NH3) collide con gli ioni poliatomici causandone la decomposizione, senza esercitare un’apprezzabile influenza sugli ioni degli analiti. La maggior parte delle interferenze molecolari è stata identificata e descritta in letteratura.

- Formazione di ioni a doppia carica. La maggior parte degli ioni formati nel plasma hanno carica singola, ma possono formarsi in piccole percentuali specie a doppia carica. Il loro segnale può sovrapporsi a quello degli analiti di interesse.

- Interferenze non spettrali. Una differenza nella tensione di vapore o viscosità tra standard e campioni causa una differenza nell’efficienza di trasporto e nebulizzazione e quindi nella sensibilità di risposta. Si ovvia a questo tipo di interferenza con il metodo delle aggiunte standard o dello standard interno.

In presenza di matrici con un alto contenuto di solidi disciolti si ha deposizione di particelle nel sampler e nello skimmer, causandone la parziale ostruzione. Per ovviare a questo tipo di interferenza solitamente si limita l’analisi a soluzioni con un livello di solidi disciolti inferiore a 2 mg/l.

Ioni presenti in eccesso nella matrice possono causare un aumento od una depressione nel segnale dell’analita. Le cause del fenomeno non sono state ancora chiarite: si è notato comunque che esso ha entità limitata ed è spesso trascurabile. Se necessario, si può ovviare a questa interferenza con il metodo delle aggiunte standard.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

7.4.      Applicazioni

La maggior parte degli elementi della tavola periodica.

 

7.5.      Vantaggi

- Ottima sensibilità e limiti di rivelabilità inferiori ai µg/l (spesso a livello di ng/l).

- Possibilità di determinazioni multielementari simultanee.

- Ampio intervallo dinamico lineare (5 ordini di grandezza).

- Possibilità di effettuare analisi basate sul principio della diluizione isotopica.

 

7.6.      Svantaggi

- Costi elevati.

- Analisi di matrici saline problematica.

 

7.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a ICP-AES

- Limiti di rivelabilità più bassi.

- Analisi multielementari più veloci.

 

Vantaggi rispetto a GFAAS e FAAS

- Limiti di rivelabilità più bassi.

- Possibilità di analisi multielementari.

 

Svantaggi rispetto a ICP-AES, FAAS, GFAAS

- Costi elevati.

- Analisi problematica di matrici saline.

 

7.8.      Costo di acquisizione

Elevato (stima per l’anno 2002 per uno strumento con analizzatore di massa a quadrupolo: approssimativamente 130.000 – 150.000 euro).

 

7.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per l’alimentazione del plasma e l’introduzione del campione;

tubi della pompa peristaltica;

coni dell’interfaccia;

olio delle pompe da vuoto.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti elevati.

 

7.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 15 minuti).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: breve.

- Possibilità di analisi multielementare: si. In questo caso il tempo di misura per ciascun analita si riduce.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

8.         LA GASCROMATOGRAFIA (GC)

8.1.      Principio della tecnica

Gli analiti in miscela sono portati ad una temperatura sufficientemente elevata da renderli gassosi o comunque allo stato di vapore, e trasportati da una fase mobile gassosa su una fase stazionaria solida o liquida (supportata su solido), contenuta in una colonna. Gli analiti sono successivamente separati per ripartizione tra fase mobile e fase stazionaria. I soluti in uscita dalla colonna fluiscono attraverso un rivelatore che dà luogo ad un segnale proporzionale alla loro concentrazione. Si ottiene un cromatogramma, cioè un grafico che riporta il segnale del rivelatore in funzione del tempo. Ad ognuna delle specie separate corrisponde un picco, caratterizzato dalla sua area o altezza e dal tempo di ritenzione, che rappresenta il ritardo con cui il soluto esce rispetto alla fase mobile. L’identificazione dell’analita è basata, almeno in parte, sul tempo di ritenzione, mentre la sua concentrazione è proporzionale all’area o altezza del picco.

 

8.2.      Componenti della strumentazione

- Bombola di gas.

- Regolatore di flusso.

- Flussimetro.

- Iniettore. L’iniettore standard per colonne impaccate è costituito da un setto in gomma siliconica autosigillante attraverso il quale il campione è iniettato con una siringa e passa in una zona cilindrica in vetro (liner) inclusa in un blocco di metallo, dove è riscaldato e trasportato in colonna. Quando si lavora con colonne capillari si usa un iniettore split-splitless, nel quale una parte di soluto (tipicamente 1/10 o 1/20, ma si può raggiungere 1/1000) viene inviata in colonna mentre l’altra viene eliminata.

Nella tecnica dello spazio di testa (headspace) il campione liquido è posto in una fiala, chiusa con un setto forabile e riempita parzialmente, che viene riscaldata. I componenti volatili si raccolgono nella parte superiore della fiala, vengono prelevati con una siringa e iniettati in colonna.

Nella tecnica purge and trap si fa gorgogliare un gas inerte nel campione per volatilizzare i soluti che vengono trattenuti su una colonna adsorbente. La colonna viene poi riscaldata e attraversata da un flusso di gas inerte per ottenere il desorbimento dei soluti ed il loro trasferimento alla colonna gascromatografica.

Un ulteriore metodo di introduzione del campione, che ne consente la contemporanea preconcentrazione, è la microestrazione in fase solida (SPME). Una fibra coperta con una fase stazionaria e fissata su un ago di acciaio viene introdotta, attraverso il setto, nella fiala in cui è contenuto il campione. La fibra può essere immersa nel campione oppure tenuta nello spazio di testa sopra il campione stesso. Gli analiti organici si adsorbono sulla fase stazionaria fino al raggiungimento di una situazione di equilibrio, solitamente in un periodo variabile da 2 a 30 minuti. Successivamente l’ago viene rimosso dalla fiala e introdotto nell’iniettore del gascromatografo, dove gli analiti vengono desorbiti termicamente.

- Colonna. Nella cromatografia di ripartizione gas-liquido si usano due tipi di colonne:

- colonne impaccate, costituite da tubi di vetro, acciaio o rame del diametro interno di 2 - 4 mm e solitamente lunghe 1,5 - 3 metri. Le colonne sono impaccate con un supporto inerte (di solito a base di silicati, derivanti da terra di diatomee) su cui è immobilizzata la fase liquida (costituita ad esempio da idrocarburi alifatici oppure gomme od oli siliconici). Una famiglia di supporti molto usati è denominata “Chromosorb”;

- colonne capillari o open tubular, costituite da vetro o silice, aventi diametro interno inferiore a 1 mm e lunghezza tipicamente di 10 – 30 m (ma si possono raggiungere anche 100 m). Nelle colonne capillari la fase liquida viene distribuita sulle pareti interne.

Nella cromatografia di adsorbimento gas-solido (tecnica poco usata) si usano materiali impaccanti con proprietà adsorbenti o setacci molecolari che permettono separazioni sulla base dei pesi molecolari.

- Forno. Le colonne avvolte a spirale sono collocate in un forno in grado di essere rapidamente riscaldato e raffreddato per permettere di impostare gradienti di temperatura.

- Rivelatore. Si elencheranno in questa sede i rivelatori per gascromatografia ed il loro principio di funzionamento, rimandando per approfondimenti alla letteratura specializzata. Sono disponibili le seguenti tipologie di rivelatori:

- a termoconducibilità (TCD): basato sulla variazione di conducibilità della fase mobile in presenza di specie eluite dalla colonna e sulla conseguente variazione di temperatura;

- a ionizzazione di fiamma (FID): in presenza di soluti organici, in seguito ad una serie di reazioni, nella fiamma si produce un flusso di ioni positivi ed elettroni e quindi un segnale elettrico;

- a cattura di elettroni (ECD): un materiale radioattivo produce una ionizzazione del gas di trasporto e quindi una corrente. Un soluto organico contenente sostituenti elettronattrattori assorbe una frazione di elettroni e causa una diminuzione di corrente;

- ad elio metastabile (HeId); una cella ECD produce l’eccitazione di elio ad uno stato metastabile. L’elio a sua volta ionizza i composti con potenziale di ionizzazione inferiore a 19,8 eV, con produzione di corrente elettrica;

- ad argon. E’ analogo al precedente ma la specie attivata ha minore potere ionizzante (11,6 eV);

- ad emissione termoionica (TED o NPD). In una fiamma viene vaporizzato un sale di rubidio o di cesio (contenuto in un deposito vicino alla fiamma stessa) con formazione di corrente elettrica. Composti contenenti azoto o fosforo si decompongono e formano specie radicaliche che reagiscono con gli ioni positivi, spostando l’equilibrio e provocando un’ulteriore vaporizzazione e ionizzazione e formazione di nuovi elettroni che aumentano la corrente elettrica;

- a fotoionizzazione (PID). Una lampada produce radiazioni UV che causano la ionizzazione dei soluti e quindi la creazione di una corrente;

- a fotometria di fiamma (FPD). Il campione viene pirolizzato. Le sostanze che contengono fosforo o zolfo producono per pirolisi specie che vengono eccitate dalla fiamma ed emettono radiazioni caratteristiche;

- a bilanciamento di densità di gas (GDBD): basato sulla differenza di densità tra il gas di trasporto e le specie separate, che causa variazioni di flusso e quindi di temperatura;

- a conducibilità elettrolitica (HECD): i soluti vengono miscelati con una gas reagente (H2 per la riduzione, O2 per l’ossidazione) con formazione di prodotti ionizzabili che vengono sciolti in fase liquida. Si misura la conducibilità della fase liquida. Si possono rimuovere alcuni dei prodotti di reazione usando soluzioni assorbenti in modo da scegliere quale prodotto rivelare e rendere il rivelatore più selettivo.

Si può inoltre utilizzare uno spettrometro di massa come rivelatore (GC-MS). Vista la sua utilità e diffusione la tecnica GC-MS è descritta in una sezione separata.

- Sistema di acquisizione del segnale (integratore o computer).

 

Schema 8   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per gascromatografia.

 

8.3.      Interferenze generali della tecnica

- Sovrapposizione di picchi. La principale interferenza è costituita da specie che coeluiscono, perché si ripartiscono allo stesso modo tra fase fissa e fase mobile. In molti casi si può ovviare all’inconveniente cambiando le condizioni operative, ad esempio il tipo di colonna, il gradiente di temperatura, la velocità di flusso della fase mobile.

Per confermare la presenza di una specie in un campione si può ripetere l’analisi con un altro rivelatore, oppure con una colonna con caratteristiche diverse, o con la tecnica GC-MS.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

- La matrice del campione può causare una linea di base elevata. Si può ovviare con misure di clean-up, con la diluizione dell’estratto, l’uso di precolonne o di rivelatori selettivi. Una linea di base elevata durante l’analisi del bianco o degli standard indica la presenza di contaminazioni nel sistema: fase mobile impura, rilasci da parte del setto, usura della colonna, presenza di prodotti di pirolisi nel setto e/o nella colonna.

 

8.4.      Applicazioni

Composti volatili e semivolatili, quasi sempre organici, termicamente stabili (idrocarburi, alcoli, fenoli, amine, composti organoclorurati, steroidi, estrogeni, aminoacidi, pesticidi…).

 

8.5.      Vantaggi

- Applicabilità ad un elevato numero di analiti.

- Possibilità di analisi multielementare.

- Possibilità di separare e identificare composti simili.

 

8.6.      Svantaggi

- Possibilità di coeluizione di analiti.

- La tecnica non è applicabile a composti poco volatili o termolabili.

 

8.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a GC-MS

- Minori costi.

 

Svantaggi rispetto a GC-MS

- Minori possibilità di identificazione di sostanze.

 

8.8       Costo di acquisizione

Moderato. Il costo è più basso con un rivelatore FID, più elevato con ECD o NPD (stima per l’anno 2002: approssimativamente 10.000 –20.000 euro).

 

8.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas;

colonne;

setti;

liner;

ferrule;

trappola per ossigeno (se presente).

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti intermedi.

 

8.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: da moderato a lungo. Supponendo di tenere lo strumento sempre acceso, conviene iniziare con una corsa in assenza di campione con le stesse impostazioni di temperatura usate per le analisi.

- Tempo per l’esecuzione di una misura: dipende dal tempo di ritenzione dell’analita. Tipicamente, si può andare da 3 a 50 minuti. Bisogna inoltre tener conto del tempo necessario per il ricondizionamento termico della colonna tra una misura e quella successiva.

- Possibilità di analisi multielementare: si. In un solo cromatogramma è possibile determinare più specie: pertanto il tempo medio di misura di ogni specie diminuisce.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

9.         LA GASCROMATOGRAFIA – SPETTROMETRIA DI MASSA (GC-MS)

9.1.      Principio della tecnica

Gli analiti in miscela sono separati in un gascromatografo e rivelati con uno spettrometro di massa. Qui i soluti vengono ionizzati, con formazione dello ione molecolare e di altri frammenti carichi del composto originario; gli ioni vengono separati in un analizzatore di massa in base al loro rapporto massa/carica e tramite un rivelatore danno luogo ad un segnale di intensità proporzionale alla loro abbondanza relativa.

Si registra un cromatogramma, misurando la corrente ionica totale in funzione del tempo di eluizione. La corrente ionica totale è la somma delle correnti generate dai vari ioni, con rapporto carica/massa diverso, che raggiungono il rivelatore di ioni. Inoltre per ogni picco di corrente ionica totale si registra lo spettro di massa, cioè la corrente ionica per ogni valore del rapporto carica/massa. Dallo spettro di massa, per confronto con una libreria di spettri (oppure registrando lo spettro di uno standard puro) si identifica l’analita. Anche il suo tempo di ritenzione fornisce informazioni di tipo qualitativo.

In alternativa si può misurare solo l’intensità di uno o più ioni predefiniti (Single o Multiple Ion Monitoring), caratteristici delle sostanze di interesse, in funzione del tempo di eluizione. Con questa funzione si ottiene una sensibilità maggiore.

 

9.2.      Componenti della strumentazione

- Bombola di gas.

- Regolatore di flusso.

- Flussimetro.

- Iniettore. L’iniettore standard per colonne impaccate è costituito da un setto in gomma siliconica autosigillante attraverso il quale il campione è iniettato con una siringa e passa in una zona cilindrica in vetro (liner) inclusa in un blocco di metallo, dove è riscaldato e trasportato in colonna. Quando si lavora con colonne capillari si usa un iniettore split-splitless, nel quale una parte di soluto (tipicamente 1/10 o 1/20, ma si può raggiungere 1/1000) viene inviata in colonna mentre l’altra viene eliminata.

Nella tecnica dello spazio di testa (headspace) il campione liquido è posto in una fiala, chiusa con un setto forabile e riempita parzialmente, che viene riscaldata. I componenti volatili si raccolgono nella parte superiore della fiala, vengono prelevati con una siringa e iniettati in colonna.

Nella tecnica purge and trap si fa gorgogliare un gas inerte nel campione per volatilizzare i soluti che vengono trattenuti su una colonna adsorbente. La colonna viene poi riscaldata e attraversata da un flusso di gas inerte per ottenere il desorbimento dei soluti ed il loro trasferimento alla colonna gascromatografica.

Un ulteriore metodo di introduzione del campione, che ne consente la contemporanea preconcentrazione, è la microestrazione in fase solida (SPME). Una fibra coperta con una fase stazionaria e fissata su un ago di acciaio viene introdotta, attraverso il setto, nella fiala in cui è contenuto il campione. La fibra può essere immersa nel campione oppure tenuta nello spazio di testa sopra il campione stesso. Gli analiti organici si adsorbono sulla fase stazionaria fino al raggiungimento di una situazione di equilibrio, solitamente in un periodo variabile da 2 a 30 minuti. Successivamente l’ago viene rimosso dalla fiala e introdotto nell’iniettore del gascromatografo, dove gli analiti vengono desorbiti termicamente.

- Colonna. Nella cromatografia di ripartizione gas-liquido si usano due tipi di colonne:

- colonne impaccate, costituite da tubi di vetro, acciaio o rame del diametro interno di 2 - 4 mm e solitamente lunghe 1,5 - 3 metri. Le colonne sono impaccate con un supporto inerte (di solito a base di silicati, derivanti da terra di diatomee) su cui è immobilizzata la fase liquida (costituita ad esempio da idrocarburi alifatici oppure gomme od oli siliconici). Una famiglia di supporti molto usati è denominata “Chromosorb”;

- colonne capillari o open tubular, costituite da vetro o silice, aventi diametro interno inferiore a 1 mm e lunghezza tipicamente di 10 – 30 m (ma si possono raggiungere anche 100 m). Nelle colonne capillari la fase liquida viene distribuita sulle pareti interne,

Nella cromatografia di adsorbimento gas-solido (tecnica poco usata) si usano materiali impaccanti con proprietà adsorbenti o setacci molecolari che permettono separazioni sulla base dei pesi molecolari.

- Forno. Le colonne avvolte a spirale sono collocate in un forno in grado di essere rapidamente riscaldato e raffreddato per permettere di impostare gradienti di temperatura.

- Interfaccia tra il gascromatografo e lo spettrometro di massa, per ridurre la pressione della fase mobile ad un valore compatibile con lo spettrometro stesso (10-4 – 10-5 torr). Ci sono svariate modalità di interfacciamento, a seconda delle case costruttrici, quale ad esempio l’interfaccia atmospheric pressure interface (API).

- Camera di ionizzazione. Qui le molecole dei singoli componenti vengono ionizzate. Ci sono due modalità:

- impatto elettronico (EI), nella quale un filamento di tungsteno riscaldato emette elettroni che per impatto ionizzano le molecole. E’ un trattamento energico in seguito al quale si producono numerosi frammenti dell’analita;

- ionizzazione chimica (CI), nella quale si aggiunge al gas una sostanza organica (es. metano) facilmente ionizzabile da un fascio di elettroni a bassa energia senza provocare una elevata frammentazione dell’analita. Le specie ioniche formatesi reagiscono con il soluto dando origine a specie cariche. In questo caso il grado di frammentazione del soluto è meno spinto, e porta ad uno spettro di massa più semplice e più riproducibile.

- Analizzatore di massa. Qui gli ioni sono separati a seconda del rapporto massa/carica. I tipi più comuni sono:

- spettrometro a quadrupolo. Variando opportunamente i potenziali applicati alle coppie di barre del quadrupolo, gli ioni con diverso rapporto m/z raggiungono progressivamente il rivelatore;

-spettrometro a tempo di volo, in cui gli ioni, accelerati da un campo elettrico, si muovono a velocità dipendente da m/z e vengono quindi separati in base al tempo impiegato per raggiungere il rivelatore;

L’analizzatore di massa negli strumenti GC-MS è quasi sempre un quadrupolo.

- Rivelatore. Il più comune è il moltiplicatore di elettroni. Gli ioni in ingresso espellono dalla superficie un fascio di elettroni, che viene moltiplicato attraverso urti successivi con una serie di dinodi oppure con un’unica superficie (moltiplicatore a dinodo continuo) foggiata a forma di corno. Si ottiene quindi una corrente elettrica.

- Calcolatore. Il segnale generato viene inviato al calcolatore. Come sopra indicato, si registra un cromatogramma, misurando la corrente ionica totale in funzione del tempo di eluizione. Il calcolatore fornisce inoltre per ogni picco lo spettro di massa e lo confronta con la libreria di spettri memorizzata allo scopo di individuare l’identità della sostanza. In alternativa si può misurare solo l’intensità di uno o più ioni predefiniti (Single o Multiple Ion Monitoring), caratteristici delle sostanze di interesse, in funzione del tempo di eluizione. Con questa modalità di misura si ottiene una maggiore sensibilità di misura.

- Pompe per mantenere la camera di ionizzazione, l’analizzatore di massa ed il rivelatore sotto vuoto.

 

9.2.1.   Spettrometro a trappola ionica

In questo strumento la ionizzazione e la selezione delle masse hanno luogo nella stessa area.

La zona di confinamento è una camera delimitata da un elettrodo ad anello e da due elettrodi iperboloidi sopra e sotto l’anello. Il campione gassoso entra nella trappola e viene ionizzato da un fascio di elettroni direttamente (EI) o indirettamente per il tramite di un gas inerte (CI). L’elettrodo anulare è alimentato con un generatore di voltaggio ad alta frequenza. Portando il voltaggio ad una frequenza appropriata gli ioni prodotti si accumulano percorrendo orbite stabili. Variando il voltaggio applicato all’elettrodo gli ioni percorrono un cammino che li fa sfuggire progressivamente dalla cavità e li porta al rivelatore seguendo l’ordine crescente del rapporto m/z.

Con lo spettrometro a trappola ionica si ottiene una sensibilità maggiore rispetto agli strumenti a quadrupolo

 

Schema 9   –    Schema a blocchi di un’apparecchiatura per gascromatografia / spettrometria di massa.


 

 

 

 

 

 

 

 

9.3.      Interferenze generali della tecnica

- Sovrapposizione di picchi. La separazione tra due sostanze può non essere completa. La tecnica GC-MS è meno soggetta a problemi di risoluzione di composti rispetto alle altre forme di GC, perché segnali sovrapposti possono essere distinti per separazione delle masse. Tuttavia anche in questo modo non è possibile risolvere alcuni isomeri, come m-xilene e p-xilene, se i due composti coeluiscono.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano campioni a basse concentrazioni dopo campioni ad elevata concentrazione. Inoltre l’analisi di campioni ad elevata concentrazione può portare alla contaminazione dello strumento stesso. Per questo motivo è opportuno, prima di iniettare il campione, effettuare una valutazione preliminare delle concentrazioni con un’altra tecnica, ad esempio la gas cromatografia accoppiata ad un altro tipo di rivelatore (FID o ECD). Dai risultati si deduce l’eventuale necessità di diluire il campione prima dell’analisi GC-MS.

- La matrice del campione può generare una linea di base elevata. Si può ovviare con tecniche di clean-up, con la diluizione dell’estratto, l’uso di precolonne o di rivelatori selettivi. Una linea di base elevata durante l’analisi del bianco o degli standard indica la presenza di contaminazioni nel sistema: fase mobile impura, rilasci da parte del setto, usura della colonna, presenza di prodotti di pirolisi nel setto e/o nella colonna.

 

9.4.      Applicazioni

Composti volatili e semivolatili, quasi sempre organici, termicamente stabili (idrocarburi, amine, fenoli, alcoli, composti organoalogenati...).

 

9.5.      Vantaggi

- Applicabilità ad un elevato numero di analiti.

- Possibilità di analisi multielementare.

- Possibilità di separare e identificare composti simili in base al confronto degli spettri di massa dei componenti del campione con quelli presenti in una banca dati residente sul PC con cui viene gestito lo strumento.

 

9.6.      Svantaggi

- Possibilità di coeluizione di analiti.

 

9.7.      Valutazione comparata

Vantaggi rispetto a GC

- Maggiore possibilità di identificazione di sostanze.

 

Svantaggi rispetto a GC

- Maggiori costi.

- Strumento più complicato da utilizzare.

 

9.8.      Costo di acquisizione

- Da medio a medio alto (stima per l’anno 2002: approssimativamente 50.000 euro).

 

9.9.      Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas;

colonne;

setti;

liner

ferrule;

olio per le pompe (nel caso di utilizzo di pompe ad olio;

perfluoro-t-butilamina (PFTBA) per l’autotuning;

trappola per ossigeno (se presente);

filamento della sorgente.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti elevati.

 

9.10.    Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: quando si accende lo strumento si stabilisce il vuoto. Occorrono almeno 4 ore prima di iniziare le analisi. Normalmente lo strumento viene lasciato acceso per lunghi periodi. In queste condizioni conviene iniziare con una corsa in assenza di campione con le stesse impostazioni di temperatura usate per le analisi: il corrispondente tempo di stabilizzazione è da moderato a lungo.

- Tempo per l’esecuzione di una misura: dipende dal tempo di ritenzione dell’analita. Ad esempio, si può andare da 3 a 50 minuti.

- Possibilità di analisi multielementare: si. In un solo cromatogramma è possibile determinare più specie: pertanto il tempo medio di misura di ogni specie diminuisce.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

10.       LA CROMATOGRAFIA LIQUIDA (HPLC)

10.1.    Principio della tecnica

Gli analiti in miscela sono iniettati in un sistema eluente (fase mobile) che li trasporta alla colonna analitica impaccata con un opportuno materiale (fase stazionaria: scambiatore ionico, adsorbente…) dove sono separati per ripartizione tra fase mobile e fase stazionaria. I soluti in uscita dalla colonna fluiscono attraverso un rivelatore che dà luogo ad un segnale proporzionale alla loro concentrazione. Il grafico che riporta il segnale del rivelatore in funzione del tempo costituisce il cromatogramma. Ad ognuna delle specie separate corrisponde un picco, caratterizzato dalla sua area o altezza e dal tempo di ritenzione, che rappresenta il ritardo con cui il soluto esce rispetto alla fase mobile. L’identificazione dell’analita è basata, almeno in parte, sul tempo di ritenzione, mentre la sua concentrazione è proporzionale all’area o altezza del picco.

 

10.2.    Componenti della strumentazione

- Pompa per l’invio dell’eluente nella colonna ad una pressione tale da creare il flusso desiderato. Esistono quattro tipi principali di pompe: pneumatiche, a siringa, reciprocanti, ad amplificazione idraulica. Prima della pompa si dispone un filtro in acciaio sinterizzato con pori della dimensione di 1 µm per evitare che eventuali particelle presenti nell’eluente entrino nella colonna.

- Misuratore e regolatore di pressione.

- Iniettore per introdurre il campione. Normalmente si usano iniettori a valvola.

E’ possibile accoppiare la microestrazione in fase solida (SPME), che consente la preconcentrazione dell’analita, alla tecnica HPLC. Nella SPME una fibra coperta con una fase stazionaria e fissata su un ago di acciaio viene introdotta, attraverso il setto, nella fiala in cui è contenuto il campione. La fibra può essere immersa nel campione oppure tenuta nello spazio di testa sopra il campione stesso. Gli analiti organici si adsorbono sulla fase stazionaria fino al raggiungimento di una situazione di equilibrio, solitamente in un periodo variabile da 2 a 30 minuti. Successivamente l’ago viene rimosso dalla fiala e introdotto in un’interfaccia SPME/HPLC in cui la fibra è sottoposta ad un flusso di fase mobile (desorbimento dinamico) oppure è immersa in un volume fisso di quest’ultima (desorbimento statico).

- Precolonna. E’ una colonna lunga pochi cm dello stesso materiale usato per il riempimento della colonna. La precolonna, chiamata anche colonna di guardia, ha la funzione di evitare contaminazioni della colonna analitica.

- Colonna. Le colonne per HPLC hanno tipicamente lunghezza 10-25 cm, diametro interno 2-4 mm, e sono impaccate con particelle di diametro 3-10 µm. Il tipo di colonna, associato alla composizione dell’eluente, varia a seconda della natura degli analiti e della tipologia di tecnica cromatografica adottata:

- nella cromatografia di adsorbimento liquido-solido la fase stazionaria è un adsorbente, come l’allumina o la silice attivata;

- nella cromatografia di ripartizione liquido-liquido la fase stazionaria è un liquido (immiscibile con la fase mobile) che impregna un supporto solido inerte. Il meccanismo di separazione si basa sulla ripartizione dei soluti tra le due fasi liquide. Nelle tecniche moderne (BPC, Bonded Phase Chromatography) la fase stazionaria è legata strutturalmente al supporto inerte. Uno dei materiali più utilizzati è la silice funzionalizzata con catene ottadeciliche (silice C18);

- nella cromatografia a scambio ionico la fase stazionaria è uno scambiatore anionico, cationico o misto (v. anche “cromatografia ionica” più avanti);

- nella cromatografia per esclusione la fase stazionaria è un materiale poroso che permette di separare i soluti a seconda delle dimensioni.

- Rivelatore. Si elencheranno in questa sede i rivelatori per HPLC ed il loro principio di funzionamento, rimandando per approfondimenti alla letteratura specializzata. Sono disponibili le seguenti tipologie di rivelatori:

- spettrofotometrico o fotometrico: basato sulla variazione di assorbanza della fase mobile in presenza di un soluto che assorbe radiazioni visibili o UV. Nei sistemi diode array (DAD) il rivelatore è costituito da un insieme di fotodiodi (centinaia) disposti in serie. L’eluato viene attraversato da una radiazione policromatica e la frazione non assorbita viene dispersa da un monocromatore e inviata simultaneamente alla striscia di fotodiodi. Ciascun fotodiodo misura l’intensità di una porzione dello spettro. Si registra così lo spettro di assorbimento dell’eluato in maniera istantanea, senza fermare il flusso.

Si ottengono i seguenti vantaggi: è possibile scegliere la lunghezza d’onda ottimale per la rivelazione di ciascun analita; si può valutare la purezza del picco cromatografico, identificando fenomeni di coeluizione; dallo spettro si ottengono ulteriori informazioni qualitative oltre al tempo di ritenzione. Infatti il rivelatore consente il confronto tra lo spettro registrato con quelli memorizzati in una banca dati, disponibile nel software di gestione dello strumento stesso, per l’individuazione qualitativa dei componenti presenti nella miscela in studio;

- ad indice di rifrazione: basato sulla differenza di indice di rifrazione tra eluente puro e fase mobile in uscita dalla colonna;

- fluorimetrico: basato sulla misura della fluorescenza emessa dal soluto eccitato con una radiazione UV di opportuna lunghezza d’onda;

- elettrochimico: basato sulla misura della corrente di riduzione o di ossidazione di un soluto elettroattivo;

- conduttimetrico: basato sulla variazione di conducibilità tra eluente puro e fase mobile in uscita dalla colonna. E’ molto utilizzato in cromatografia ionica (v. più avanti) in associazione con un soppressore;

- spettrometro di massa: facendo uso di un’apposita interfaccia, si può collegare un cromatografo liquido con uno spettrometro di massa. La tecnica risultante (LC-MS) è molto potente perché combina le capacità separative della cromatografia con le capacità di identificazione della spettrometria di massa.

- Sistema di acquisizione del segnale (integratore o computer).

 

Schema 10   –  Schema a blocchi di un’apparecchiatura per cromatografia liquida HPLC.

 

10.3.    Interferenze generali della tecnica

- Sovrapposizione di picchi. La principale interferenza è costituita da specie che coeluiscono, perché si ripartiscono allo stesso modo tra fase fissa e fase mobile. In molti casi si può ovviare a tale inconveniente modificando le condizioni operative, ad esempio il tipo di colonna, la velocità di flusso e la composizione della fase mobile.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano campioni a basse concentrazioni dopo campioni ad elevata concentrazione, o se il potere eluente della fase mobile non è sufficiente ad eluire tutti gli analiti nel tempo imposto per l’analisi.

- La matrice del campione può causare una linea di base elevata. Si può ovviare con tecniche di clean-up, con la diluizione dell’estratto, l’uso di precolonne o di rivelatori selettivi.

 

10.4.    Applicazioni

Composti organici, inorganici ed organometallici di varia natura (metalli, amine, fenoli, zuccheri, acidi carbossilici…). La tecnica trova inoltre applicazione in studi di speciazione. Per quanto riguarda la presente raccolta di metodiche, la cromatografia HPLC trova applicazione nella determinazione di idrocarburi policiclici aromatici, composti nitroaromatici, fenoli e clorofenoli.

 

10.5.    Vantaggi

- Applicabilità ad un vasto numero di analiti.

- Possibilità di analisi multielementare.

- Possibilità di separare e identificare composti simili.

 

10.6.    Svantaggi

- Possibilità di coeluizione di analiti.

 

10.7.    Valutazione comparata

Si parlerà solo degli svantaggi e vantaggi della tecnica rispetto alle altre procedure di determinazione degli idrocarburi policiclici aromatici, derivati nitroaromatici, fenoli e clorofenoli riportate in questa raccolta di metodiche (tecniche GC e GC-MS).

 

Vantaggi rispetto a GC

- La tecnica è applicabile a composti poco volatili e termolabili.

 

Vantaggi rispetto a GC-MS

- La tecnica è applicabile a composti poco volatili e termolabili.

- Minori costi.

 

Svantaggi rispetto a GC

- Non ci sono particolari svantaggi rispetto a questa tecnica per la determinazione degli analiti di interesse.

 

Svantaggi rispetto a GC-MS

- Minori possibilità di identificazione di sostanze.

 

10.8.    Costo di acquisizione

Da moderato a medio. I costi sono più elevati per strumenti a doppia pompa oppure con rivelatore fluorimetrico o DAD o autocampionatore (stima per l’anno 2002: approssimativamente 10.000 – 15.000 euro per strumenti a pompa singola, 20.000-25.000 euro per strumenti a doppia pompa. Si arriva fino a 45.000 euro con DAD e autocampionatore).

 

10.9.    Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

prodotti chimici per la preparazione degli eluenti (solventi, sali…);

colonne e precolonne;

filtri;

ferrule;

lampada del rivelatore spettrofotometrico.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti intermedi.

 

10.10.  Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 30 minuti con un metodo ottimizzato).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: dipende dal tempo di ritenzione dell’analita. Ad esempio, si può andare da 3 a 50 minuti. A questo, quando richiesto, si deve aggiungere il tempo di lavaggio e/o condizionamento della colonna.

- Possibilità di analisi multielementare: si. In un solo cromatogramma è possibile determinare più specie: pertanto il tempo medio di misura di ogni specie diminuisce.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

11.       LA CROMATOGRAFIA IONICA (IC)

11.1.    Principio della tecnica

Gli analiti in miscela sono iniettati in un sistema eluente (fase mobile) ed inviati ad una colonna analitica (fase stazionaria) impaccata con uno scambiatore ionico (cationico, anionico o misto) e sono separati per ripartizione tra fase mobile e fase stazionaria. I soluti in uscita dalla colonna fluiscono attraverso un rivelatore che dà luogo ad un segnale proporzionale alla loro concentrazione. Si ottiene un cromatogramma, cioè un grafico che riporta il segnale del rivelatore in funzione del tempo. Ad ognuna delle specie separate corrisponde un picco, caratterizzato dalla sua area o altezza e dal tempo di ritenzione, che rappresenta il ritardo con cui il soluto esce rispetto alla fase mobile. L’identificazione dell’analita è basata, almeno in parte, sul tempo di ritenzione, mentre la sua concentrazione è proporzionale all’area o altezza del picco.

 

11.2.    Componenti della strumentazione

- Pompa per l’invio dell’eluente nella colonna ad una pressione tale da creare il flusso desiderato. Esistono quattro tipi principali di pompe: pneumatiche, a siringa, reciprocanti, ad amplificazione idraulica. Prima della pompa si dispone un filtro, in acciaio sinterizzato o materiale polimerico inerte, con pori della dimensione di 1 µm per evitare che eventuali particelle presenti nell’eluente entrino nella colonna.

- Misuratore e regolatore di pressione.

- Iniettore per introdurre il campione nel sistema cromatografico. Normalmente si usano iniettori a valvola.

- Precolonna. E’ una colonna lunga pochi mm dello stesso materiale usato per il riempimento della colonna, ma con particelle più grandi. La precolonna, chiamata anche colonna di guardia, ha la funzione di evitare contaminazioni della colonna analitica.

- Colonna. Nella cromatografia ionica si utilizzano colonne a scambio cationico, anionico od a letto misto. Il trattenimento è basato sull’attrazione elettrostatica tra i gruppi funzionali della fase stazionaria e gli ioni di carica opposta presenti in soluzione. Per ogni ione trattenuto sulla fase fissa vengono rilasciati uno o più controioni della stessa carica con bilanciamento del numero di cariche.

- Soppressore. E’ un dispositivo, utilizzato quando si ricorre alla rivelazione conduttimetrica, per sopprimere la conducibilità della fase mobile. Tipici eluenti per la separazione di anioni sono NaOH, Na2CO3, NaHCO3, da soli o in miscela. Nel soppressore gli ioni Na+ si scambiano con il controione H+ che passa in soluzione e reagisce con OH-, CO32- o HCO3- formando H2O e CO2. Se la specie da rivelare è un anione X-, si forma H+X-, una specie completamente dissociata poiché gli anioni da separare sono basi di acidi forti (es. NO3-, Cl-…). Per la separazione di cationi si usava generalmente come eluente una soluzione diluita di un acido forte, come HCl. Nel soppressore gli ioni Cl- si scambiano con il controione OH- che passa in soluzione e reagendo con H+ forma H2O. I cationi Y+ formano la specie dissociata Y+OH- (i metalli di transizione che possono formare idrossidi non dissociati o insolubili vengono rivelati con altri meccanismi, come sotto descritto). La conducibilità della fase mobile viene quindi drasticamente ridotta mentre quella dei soluti risulterà aumentata. I soppressori più comuni sono a membrana od elettrochimici.

- Rivelatore. Il rivelatore classico per la cromatografia ionica è quello conduttimetrico, che dà un segnale proporzionale alla conducibilità dell’eluato. Per i metalli di transizione si utilizzano rivelattori spettrofotometrici abbinati a una reazione colorimetrica post-colonna.

- Sistema di acquisizione del segnale (integratore o computer).

 

Schema 11   –  Schema a blocchi di un’apparecchiatura per cromatografia ionica. Tra la colonna di separazione ed il rivelatore è posto un sistema (che può avere configurazioni diverse) per la soppressione della conducibilità della fase mobile.


 

 

 

 

 

 

 

 

11.3.    Interferenze generali della tecnica

- Sovrapposizione di picchi. La principale interferenza è costituita da specie che coeluiscono, perché si ripartiscono allo stesso modo tra fase fissa e fase mobile. In molti casi si può ovviare a tale inconveniente modificando le condizioni operative, ad esempio il tipo di colonna, la composizione dell’eluente, la velocità di flusso della fase mobile.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano campioni a basse concentrazioni dopo campioni ad elevata concentrazione, o se il potere eluente della fase mobile non è sufficiente ad eluire tutti gli analiti nel tempo imposto per l’analisi.

 

11.4.    Applicazioni

Specie anioniche e cationiche inorganiche, organiche e organometalliche.

La tecnica trova inoltre applicazione in studi di speciazione.

Per quanto riguarda la presente raccolta di metodiche, la cromatografia ionica trova applicazione nella determinazione di Cr(VI) e degli ioni cianuro e fluoruro.

 

11.5.    Vantaggi

- Possibilità di analisi multielementare.

- Elevata sensibilità.

- Applicabilità a studi di speciazione.

 

11.6.    Svantaggi

- Possibilità di coeluizione di analiti.

 

11.7.    Valutazione comparata

Si parlerà solo degli svantaggi e vantaggi della tecnica rispetto alle altre procedure di determinazione del cromo esavalente e degli ioni cianuro e fluoruro riportate in questa raccolta di metodiche.

 

Vantaggi rispetto alla spettrofotometria UV-visibile (per la determinazione del cromo esavalente e degli ioni fluoruro)

- Maggiore sensibilità.

 

Vantaggi rispetto alla spettroscopia atomica (per la determinazione del cromo esavalente con accoppiamento a precipitazione o chelazione/estrazione)

- Minori costi di acquisto e di gestione.

- Maggiore sensibilità (per quanto riguarda la determinazione del cromo esavalente).

 

Vantaggi rispetto alla polarografia (per la determinazione del cromo esavalente)

- Maggiore sensibilità (per quanto riguarda la determinazione del cromo esavalente).

 

Vantaggi rispetto alla potenziometria (per la determinazione degli ioni cianuro e fluoruro)

- Minori interferenze

- Maggiore sensibilità

 

Vantaggi rispetto alle titolazioni volumetriche (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiore sensibilità

 

Svantaggi rispetto alla spettrofotometria UV-visibile (per la determinazione del cromo esavalente e degli ioni fluoruro)

- Maggiori costi di acquisto e gestione.

- Minore semplicità di misura.

 

Svantaggi rispetto alla spettroscopia atomica (per la determinazione del cromo esavalente con accoppiamento a precipitazione o chelazione/estrazione)

- Non ci sono particolari svantaggi rispetto a questa tecnica per la determinazione del cromo esavalente.

 

Svantaggi rispetto alla polarografia  (per la determinazione del cromo esavalente)

- Non ci sono particolari svantaggi rispetto a questa tecnica per la determinazione del cromo esavalente.

 

Svantaggi rispetto alla potenziometria (per la determinazione degli ioni cianuro e fluoruro)

- Maggiori costi di acquisto e gestione.

- Minore semplicità di misura.

 

Svantaggi rispetto alle titolazioni volumetriche (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiori costi della strumentazione.

 

11.8.    Costo di acquisizione

Da moderato a medio (stima per l’anno 2002: approssimativamente 10.000-15.000 euro per i modelli più semplici e 20.000-25.000 euro per strumenti evoluti. In alcuni casi si può arrivare a 50.000 euro. Il costo dipende anche dal tipo di rivelatore).

 

11.9.    Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

prodotti chimici per la preparazione degli eluenti (solventi, sali…) e per il reattore post-colonna;

colonne e precolonne;

gas inerte per soppressore a membrana, iniezione pneumatica, reattore post-colonna;

filtri;

ferrule;

lampada del rivelatore spettrofotometrico.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti intermedi.

 

11.10.  Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: moderato (circa 30 minuti con un metodo ottimizzato).

- Tempo per l’esecuzione di una misura: dipende dal tempo di ritenzione dell’analita. Ad esempio, si può andare da 3 a 50 minuti. A questo, quando richiesto, si deve aggiungere il tempo di lavaggio e/o condizionamento della colonna.

- Possibilità di analisi multielementare: si. In un solo cromatogramma è possibile determinare più specie: pertanto il tempo medio di misura di ogni specie diminuisce.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

12.       LA POLAROGRAFIA A IMPULSI DIFFERENZIALE (DPP)

12.1.    Principio della tecnica

La polarografia è basata sull’applicazione di un potenziale variabile ad un elettrodo a goccia cadente di mercurio ed alla misura della corrente risultante. Nella versione differenziale a impulsi, si applica una rampa di potenziale lineare alla quale sono sovrapposti impulsi di valore costante e si misura la differenza tra la corrente prima dell’impulso e verso la fine dell’impulso stesso. Si registra una curva intensità potenziale, caratterizzata dalla presenza di un picco in corrispondenza della riduzione od ossidazione di ciascun analita. L’altezza del picco è proporzionale alla concentrazione dell’analita stesso.

Attualmente si utilizzano molto anche tecniche voltammetriche, nelle quali l’elettrodo di lavoro è a goccia fissa di mercurio oppure solido (platino, carbone vetroso ecc.).

Quando si desidera ottenere una elevata sensibilità si applicano le tecniche di stripping, che consistono di due stadi: a) preconcentrazione dell’analita per deposizione sulla superficie dell’elettrodo con meccanismi di riduzione, adsorbimento o formazione di un precipitato; b) scansione del potenziale in senso anodico o catodico con conseguente ossidazione o riduzione della specie depositata e comparsa di un picco, nella curva intensità potenziale, di altezza proporzionale alla concentrazione di analita.

 

12.2.    Componenti della strumentazione

- Elettrodi. Le strumentazioni moderne sono dotate di tre elettrodi:

- elettrodo di lavoro, che nella polarografia è un elettrodo a goccia cadente di mercurio. Su questo elettrodo avviene la reazione elettrochimica di interesse. Per la registrazione dei polarogrammi si fa variare il suo potenziale e si misura la corrente risultante;

- elettrodo di riferimento, generalmente a calomelano saturo o Ag/AgCl. E’ un elettrodo a potenziale costante, rispetto al quale viene impostato il potenziale dell’elettrodo di lavoro;

- elettrodo ausiliario o controelettrodo, costituito in genere da un filamento di platino o da una bacchetta di grafite o carbone vetroso. La corrente è misurata tra l’elettrodo di lavoro e il controelettrodo.

- Cella di misura. E’ il contenitore nel quale si introduce il campione. Nella cella si immergono, attraverso fori praticati nel coperchio, i tre elettrodi, un tubo per l’immissione di azoto per la deossigenazione del campione e un tubo per la fuoriuscita dell’azoto stesso.

- Sistema di componenti elettronici per l’impostazione del potenziale e la misura della corrente.

- Sistema di registrazione del segnale. Può essere un registratore o un calcolatore.

 

Schema 12   –  Schema a blocchi di un’apparecchiatura per polarografia ad impulsi differenziale.

 

12.3.    Interferenze generali della tecnica

- Si osserva un’interferenza positiva in presenza di più specie che si ossidano o riducono al medesimo potenziale. In alcuni casi si può ovviare all’interferenza cambiando l’elettrolita di supporto o aggiungendo un complessante per ottenere lo spostamento del segnale di riduzione di ioni metallici interferenti. Il segnale dovuto ad una sostanza organica può essere eliminato mediante irraggiamento UV o mineralizzazione del campione, tramite digestione acida, prima dell’analisi. L’interferenza dell’ossigeno disciolto, che si riduce a perossido di idrogeno e acqua, viene facilmente eliminata insufflando un gas inerte (di solito azoto) nella cella prima della misura.

- Sostanze organiche con proprietà tensioattive si adsorbono sulla superficie dell’elettrodo impedendo o alterando i processi di ossidoriduzione. Anche in questo caso si può operare con un irraggiamento UV oppure con la mineralizzazione del campione.

- Effetti memoria. Si possono avere contaminazioni per effetto memoria se si analizzano soluzioni a basse concentrazioni dopo soluzioni ad elevata concentrazione.

 

12.4.    Applicazioni

La tecnica è applicabile ad elementi e composti in grado di ossidarsi o di ridursi: ioni metallici, anioni, composti organici.

Viene inoltre utilizzata in studi di speciazione.

Per quanto riguarda la presente raccolta di metodiche, la polarografia trova applicazione nella determinazione di Cr(VI).

 

12.5.    Vantaggi

- Possibilità di analisi multielementare.

- Elevata sensibilità (soprattutto nelle tecniche di stripping).

- Applicabilità a studi di speciazione.

- Costi di acquisto e di gestione moderati.

 

12.6.    Svantaggi

- Scarsa selettività.

 

12.7.    Valutazione comparata

Si parlerà solo degli svantaggi e vantaggi della tecnica rispetto alle altre procedure di determinazione del cromo esavalente riportate in questa raccolta di metodiche.

 

Vantaggi rispetto alla spettroscopia UV-visibile

- Maggiore sensibilità.

 

Vantaggi rispetto alla spettroscopia atomica (preceduta da precipitazione o chelazione/estrazione)

- Minori costi di acquisto e di gestione.

- Maggiore semplicità di misura.

 

Vantaggi rispetto alla cromatografia ionica

- Non ci sono vantaggi particolari rispetto a questa tecnica per quanto riguarda la determinazione del cromo esavalente.

 

Svantaggi rispetto alla spettroscopia UV-visibile

- Maggiori costi di acquisto e gestione.

- Minore semplicità di misura.

 

Svantaggi rispetto alla spettroscopia atomica (preceduta da precipitazione o chelazione/estrazione)

- Minore sensibilità (per quanto riguarda la determinazione del cromo esavalente).

 

Svantaggi rispetto alla cromatografia ionica

- Minore sensibilità (per quanto riguarda la determinazione del cromo esavalente).

 

12.8.    Costo di acquisizione

Moderato (stima per l’anno 2002: approssimativamente 12.000-20.000 euro).

 

12.9.    Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

gas per la deossigenazione;

reagenti per la preparazione dell’elettrolita di supporto;

elettrolita per l’elettrodo di riferimento ed eventualmente setto poroso;

capillare e mercurio per l’elettrodo di mercurio;

allumina per gli elettrodi solidi.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti intermedi.

 

12.10.  Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: nessuno.

- Tempo per l’esecuzione di una misura: breve. Per la prima misura in ogni cella occorrono però 300 s circa di deossigenazione.

- Possibilità di analisi multielementare: si.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

13.       LA POTENZIOMETRIA

13.1.    Principio della tecnica

La tecnica si basa sulla misura della forza elettromotrice di una cella galvanica in condizioni di equilibrio (intensità di corrente nulla). La forza elettromotrice è correlata all’attività delle specie in soluzione tramite la legge di Nernst. Nella pratica si opera in condizioni tali che il potenziale misurato ad un elettrodo sia correlabile alla concentrazione dell’analita di interesse.

 

13.2.    Componenti della strumentazione

- Elettrodi. Si utilizzano due elettrodi:

- un elettrodo indicatore, il cui potenziale dipende dalla concentrazione dell’analita di interesse. I più utilizzati sono l’elettrodo a vetro, per la misura del pH, e gli elettrodi ionoselettivi, dotati di sensibilità ad un particolare ione; tra le specie determinabili con questo tipo di elettrodi si possono citare: tra gli anioni: fluoruri, cloruri e solfuri; tra i cationi: calcio, argento e rame. In alcuni casi si impiega un elettrodo in platino, che assume un potenziale che è funzione della concentrazione di una coppia redox presente in soluzione. Questo tipo di elettrodo trova applicazione nelle titolazioni redox, ad esempio per la determinazione di Fe(II) con Ce(IV);

- un elettrodo di riferimento, il cui potenziale è costante: pertanto qualunque variazione nella differenza di potenziale tra i due elettrodi è dovuta alla variazione del potenziale dell’elettrodo indicatore. Gli elettrodi di riferimento più usati sono a calomelano o ad Ag/AgCl. Esistono anche elettrodi combinati vetro/calomelano.

- Cella di misura. E’ il contenitore nel quale si introduce il campione. Nella cella si immergono gli elettrodi indicatori e di riferimento.

- Sonda per misurare la temperatura.

- Sistema di componenti elettronici per la misura del potenziale.

 

Schema 13   –  Schema a blocchi di un’apparecchiatura per potenziometria.

 

13.3.    Interferenze generali della tecnica

- Quando nel campione sono presenti altre specie, in aggiunta all’analita, alle quali l’elettrodo è in grado di rispondere, si hanno fenomeni di interferenza positiva. Ad esempio elevate concentrazioni di ioni sodio, alle quali l’elettrodo a vetro è sensibile, causano il cosiddetto errore alcalino nella misura del pH. Questo tipo di interferenza viene espresso con un coefficiente di selettività kj, che esprime l’attitudine dello ione interferente a comportarsi in modo simile all’analita nei confronti dell’elettrodo. Se kj fosse uguale a 1, uno ione interferente con la stessa carica dell’analita sarebbe rivelato dall’elettrodo con la stessa sensibilità dell’analita stesso. Nel caso dell’elettrodo a membrana di vetro il coefficiente kNa è dell’ordine di 10-12.

- Specie che alterano la forma chimica dell’analita possono causare una depressione del segnale. Ad esempio l’elettrodo sensibile agli ioni fluoruro non risponde alla specie bifluoruro HF2- presente a bassi valori di pH.

- Variazioni di temperatura influenzano il valore di potenziale misurato e l’esatto pH delle soluzioni tampone utilizzate per la calibrazione. Per ovviare a questo tipo di interferenza, si rimanda al capitolo sulla qualità del dato.

 

13.4.    Applicazioni

- Misura del pH, determinazione di anioni e cationi.

- La tecnica è applicabile a studi di speciazione.

- Per quanto riguarda la presente raccolta di metodiche, la potenziometria trova applicazione nella determinazione degli ioni cianuro e fluoruro.

 

13.5.    Vantaggi

- Bassi costi di acquisto e di gestione.

- Applicabilità a studi di speciazione.

 

13.6.    Svantaggi

- Scarsa selettività (per molti elettrodi).

 

13.7.    Valutazione comparata

Si parlerà solo degli svantaggi e vantaggi della tecnica rispetto alle altre procedure di determinazione degli ioni fluoruro e cianuro riportate in questa raccolta di metodiche.

 

Vantaggi rispetto alla cromatografia ionica (per la determinazione degli ioni fluoruro)

- Minori costi di acquisto e di gestione.

 

Vantaggi rispetto ai metodi volumetrici (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiore sensibilità.

 

Vantaggi rispetto alla spettrofotometria UV-visibile (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Minori costi di acquisto.

 

Svantaggi rispetto alla cromatografia ionica (per la determinazione degli ioni fluoruro)

- Maggiori interferenze.

- Minore sensibilità.

 

Svantaggi rispetto ai metodi volumetrici (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Maggiori interferenze.

- Maggiori costi di acquisto.

 

Svantaggi rispetto alla spettrofotometria UV-visibile (per la determinazione degli ioni cianuro)

- Minore sensibilità.

 

13.8.    Costo di acquisizione

Basso (stima per l’anno 2002: approssimativamente 700 – 2.500 euro. Il costo degli elettrodi va da 100 a 500 euro circa).

 

13.9.    Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

elettrolita per il riempimento dell’elettrodo indicatore e dell’elettrodo di riferimento;

elettrodi. Se utilizzato e conservato correttamente, un elettrodo può durare anche alcuni anni.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti bassi.

 

13.10.  Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: dipende dal tipo di elettrodo. Per gli elettrodi a ioni fluoruro e cianuro: breve (< 5 minuti). I metodi EPA inoltre consigliano di tenere gli elettrodi ionoselettivi immersi in una soluzione standard del corrispondente analita (24 ore per gli ioni fluoruro ed almeno 1 ora per gli ioni cianuro) prima dell’uso.

- Tempo di misura: breve. Dopo la stabilizzazione, la misura del potenziale è immediata.

- Possibilità di analisi multielementare: no.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione

 

 

14.       LA SPETTROMETRIA DI ASSORBIMENTO NELL’INFRAROSSO (IR e FT-IR)

14.1.    Principio della tecnica

La tecnica si basa sull’assorbimento da parte dell’analita di radiazioni nel campo dell’infrarosso, in seguito a transizioni vibrazionali (associate a transizioni rotazionali) dallo stato vibrazionale fondamentale (in cui si trovano le molecole a temperatura ambiente in assenza di radiazioni) a stati eccitati. Il settore dell’IR di interesse va comunemente da 2,5 a 25 µm (4000 – 400 cm-1). L’entità dell’assorbimento ad una lunghezza d’onda tipica dell’analita è proporzionale alla sua concentrazione. La tecnica viene ampiamente utilizzata per il riconoscimento di sostanze, principalmente organiche. Ogni gruppo funzionale dà infatti origine a una o più bande di assorbimento caratteristiche. Il composto inoltre può essere identificato dalla sua impronta digitale, cioè dall’andamento caratteristico dello spettro nella zona 1200-700 cm-1.

Esistono due tipologie di spettrometri operanti nell’IR: quelli dispersivi “tradizionali” e quelli basati sulla trasformata di Fourier (FT-IR), che attualmente sono sempre più diffusi. Nei primi una opportuna sorgente emette uno spettro continuo e, dopo aver attraversato il campione, viene dispersa da un monocromatore. La frazione non assorbita dal campione viene progressivamente focalizzata sul rivelatore. Negli spettrometri FT-IR si utilizza un interferometro di Michelson. La radiazione incidente, modulata dall’interferometro, è un insieme complesso di frequenze che, dopo aver attraversato il campione, raggiunge il rivelatore. Il segnale del rivelatore è denominato interferogramma e contiene tutte le informazioni richieste per ricostruire lo spettro attraverso un processo matematico noto come trasformata di Fourier. Per un approfondimento sugli aspetti matematici della spettrometria FT-IR si rimanda alla letteratura specializzata.

 

14.2.    Componenti della strumentazione

14.2.1. Spettrometri dispersivi

- Sorgente di radiazioni. E’ costituita generalmente da bacchette di ossidi di terre rare refrattari (lampade di Nernst) o bacchette di carburo di silicio (lampade di Globar) che emettono uno spettro continuo nell’IR.

- Sistema monocromatore. Serve a disperdere una radiazione policromatica nelle lunghezze d’onda che le costituiscono. E’ costituito da una fenditura di ingresso, una fenditura di uscita, un elemento disperdente (prisma o reticolo), uno o più specchi di focalizzazione. Nel reticolo la radiazione viene separata per interferenza nelle varie lunghezze d’onda, mentre nel prisma la dispersione avviene in seguito a fenomeni di rifrazione. I componenti ottici sono in materiali trasparenti all’IR, come NaCl, KBr, CaF2, CsI.

- Cella per il campione. I campioni gassosi sono introdotti in celle di grande volume, o in celle percorse più volte dal raggio mediante riflessioni. Le pareti attraversate dalle radiazioni sono costituite da lastrine di alogenuri alcalini. I campioni liquidi sono posti in celle smontabili (sempre in materiale trasparente all’IR) con spessore inferiore a 1 mm o, se sufficientemente viscosi, supportati su pastiglie di un alogenuro alcalino, ad esempio KBr. I solventi sufficientemente trasparenti all’IR sono CS2, CCl4, CHCl3, cicloesano, diossano. I campioni solidi sono macinati finemente e mescolati con una massa circa 100 volte maggiore di KBr. La miscela viene compressa in modo da ottenere un disco trasparente (pastiglia) che viene esposto al fascio su un apposito supporto.

- Rivelatore. Converte l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale. Si elencheranno in questa sede i principali rivelatori ed il loro principio di funzionamento, rimandando per approfondimenti alla letteratura specializzata. Sono disponibili le seguenti tipologie di rivelatori:

- termocoppie e bolometri: basati sulla variazione di temperatura causata dalla radiazione;

- termoelettrici: basati sulla variazione di capacità di un sistema che funge da condensatore in funzione della temperatura;

- celle pneumatiche di Golay: basate sulla variazione di pressione di un gas quando viene riscaldato da un fascio IR;

- piroelettrici: basati sulla variazione della polarizzazione elettrica di un cristallo piroelettrico per effetto del calore di una radiazione IR. Applicando degli elettrodi alle opportune superfici del cristallo si genera una corrente elettrica in un circuito esterno; i materiali piroelettrici più usati sono LiTaO3, LiNbO3 il solfato di triglicina deuterata (DTGS), il solfato di triglicina e l-alanina deuterata (DLATGS);

- a fotoconduttività o fotovoltaici: basati sull’interazione tra i fotoni incidenti ed un semiconduttore, in seguito alla quale si producono elettroni e lacune e di conseguenza si genera una corrente o un potenziale. I rivelatori più comuni sono a antimoniuro di indio, tellururo di piombo e stagno e tellururo di mercurio e cadmio (MCT).

- Sistema di registrazione del segnale. Il segnale ottenuto può essere inviato ad un registratore o un calcolatore. Si può in tal modo visualizzare lo spettro, cioè un diagramma che riporta l’intensità di assorbimento in funzione della lunghezza d’onda. L’interfacciamento con un calcolatore è molto utile per identificare un composto per confronto del suo spettro con quelli memorizzati nella libreria del calcolatore stesso.

- Gli strumenti sono solitamente a doppio raggio e l’assorbimento della radiazione viene misurato con riferimento alla potenza del fascio che non ha attraversato il campione.

 

14.2.2. Spettrometri FT-IR

- Sorgente di radiazioni. E’ costituita generalmente da bacchette di ossidi di terre rare refrattari (lampade di Nernst) o bacchette di carburo di silicio (lampade di Globar) che emettono uno spettro continuo nell’IR.

- Interferometro di Michelson. E’ costituito da uno specchio collimatore, uno specchio mobile, uno specchio fisso ed una lastra semiriflettente (beamsplitter). La radiazione emessa dalla sorgente è collimata e scomposta, per azione del beamsplitter, in due raggi, diretti l’uno verso uno specchio fisso e l’altro verso uno specchio mobile. Dopo essere riflessi i due raggi si ricompongono sul beamsplitter e, per ogni lunghezza d’onda, danno luogo a interferenze negative o positive, a seconda delle differenza del cammino ottico. L’intensità della radiazione emergente ad ogni lunghezza d’onda è modulata in forma sinusoidale. Se la radiazione incidente è policromatica il raggio emergente è una miscela complessa costituita da un insieme di frequenze modulate che, dopo aver attraversato il campione, raggiungono il rivelatore.

- Cella per il campione. I campioni gassosi sono introdotti in celle di grande volume, o in celle percorse più volte dal raggio mediante riflessioni. Le pareti attraversate dalle radiazioni sono costituite da lastrine di alogenuri alcalini. I campioni liquidi sono posti in celle smontabili (sempre in materiale trasparente all’IR) con spessore inferiore a 1 mm o, se sufficientemente viscosi, supportati su pastiglie di un alogenuro alcalino, ad esempio KBr. I solventi sufficientemente trasparenti all’IR sono CS2, CCl4, CHCl3, cicloesano, diossano. I campioni solidi sono macinati finemente e mescolati con una massa circa 100 volte maggiore di KBr. La miscela viene compressa in modo da ottenere un disco trasparente (pastiglia) che viene esposto al fascio su un apposito supporto.

- Rivelatore. Il segnale del rivelatore è denominato interferogramma e contiene tutte le informazioni per ricostruire lo spettro. Tra i rivelatori più utilizzati negli strumenti FT-IR ci sono il DTGS, il DLATGS e l’MCT raffreddato ad azoto liquido.

- Calcolatore. Per ogni campione si effettuano più scansioni e se ne calcola la media, al fine di migliorare il rapporto segnale/rumore. Il calcolatore tramite la trasformata di Fourier converte l’interferogramma mediato, espresso in funzione del tempo, nel consueto spettro in funzione della frequenza.


 

 

Schema 14   –  Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento nell’infrarosso.

 

14.3.    Interferenze generali della tecnica

- Interferenze spettrali. Sono dovute alla presenza di due o più specie che assorbono alla medesima lunghezza d’onda. Se è noto il numero e l’identità di tali specie, è possibile risalire alle loro concentrazioni. Se i componenti sono n, occorre eseguire le misure in corrispondenza a n valori di numeri d’onda e risolvere il sistema di equazioni che ne risulta, in base alle assorbanze, avendo per ogni componente determinato l’assorbività molare con standard.

Nei casi in cui il campione non è solubile in un solvente non assorbente, come CCl4 o CS2, bisogna tener conto dell’assorbimento del solvente stesso.

- Interferenze da parte dell’ambiente esterno: in particolare l’umidità e la CO2 presente nell’atmosfera assorbono radiazioni IR. Inoltre l’umidità è dannosa per molti componenti dello strumento.

 

14.4.    Applicazioni

- Sostanze organiche di varia natura (idrocarburi alifatici e aromatici, alcoli, aldeidi, amine…).

- Sostanze inorganiche.

- La tecnica è utilizzata sia a scopi quantitativi sia soprattutto per il riconoscimento di sostanze e per la caratterizzazione della loro struttura.

- Per quanto riguarda la presente raccolta di metodiche, la spettrometria IR trova applicazione nella determinazione degli idrocarburi.

 

14.5.    Vantaggi

Per gli spettrometri a dispersione:

- possibilità di individuare l’identità dell’analita;

- possibilità di analisi multielementare;

- possibilità di analizzare campioni in stati fisici diversi (solido, liquido, gassoso).

 

Per gli spettrometri FT-IR:

- possibilità di individuare l’identità dell’analita;

- possibilità di analisi multielementare;

- possibilità di analizzare campioni in stati fisici diversi (solido, liquido, gassoso);

- negli spettrometri a dispersione la banda passante che raggiunge sequenzialmente il rivelatore possiede una potenza che è una frazione molto piccola della potenza della radiazione che ha attraversato il campione. Invece nella spettrometria FT il rivelatore raccoglie simultaneamente tutta la potenza del fascio in uscita dal campione;

- il tempo necessario per registrare uno spettro è molto breve: pertanto è possibile ripetere più volte la misura e calcolare la media dei risultati, migliorando il rapporto segnale rumore (si può dimostrare che accumulando n misure il rapporto segnale/rumore migliora di volte).

 

14.6.    Svantaggi

- Accuratezza dell’analisi quantitativa non sempre alta, a causa dell’assorbimento del solvente, della sovrapposizione dei segnali di più analiti, di deviazioni dalla legge di Lambert-Beer.

- Sensibilità non elevata.

 

14.7.    Valutazione comparata

Si parlerà solo degli svantaggi e vantaggi della tecnica rispetto alle altre procedure di determinazione degli idrocarburi riportate in questa raccolta di metodiche.

 

Vantaggi rispetto a GC-MS

- Minori costi di acquisto e di gestione

 

Svantaggi rispetto a GC-MS

- Maggiori possibilità di interferenze.

- Minore sensibilità.

- Definizione non univoca dell’identità del composto.

 

14.8.    Costo di acquisizione

Medio (stima per l’anno 2002: approssimativamente 25.000- 30.000 euro).

 

14.9.    Costi di gestione

- Materiali di consumo e parti da sostituire periodicamente:

solventi o KBr per preparare il campione, rispettivamente allo stato liquido e solido, per l’analisi;

materiale essiccante;

sorgente.

- Costi di ammortamento dello strumento e costi di riparazione o di un eventuale contratto di manutenzione.

- In aggiunta ai costi per l’esecuzione della misura, ci sono i costi dei reattivi per il trattamento e la preparazione dei campioni, dei bianchi e delle soluzioni standard.

- Infine ci sono i costi del personale, che varieranno da struttura a struttura.

- Complessivamente i costi di gestione possono essere definiti intermedi.

 

14.10.  Tempo di analisi

- Tempo di stabilizzazione: breve (5-10 minuti) supponendo di avere lo strumento già acceso in posizione di stand-by ma con la lampada spenta. Negli strumenti in cui la lampada è tenuta sempre accesa non è necessaria stabilizzazione.

- Tempo per l’esecuzione di una misura: moderato.

- Possibilità di analisi multielementare: si.

 

Indicazioni sull’utilizzo e manutenzione


 

15.       BIBLIOGRAFIA

- E. Mentasti, G. Saini, “Analisi Chimica Cromatografica”, 1990, Piccin, Padova.

- A. Montaser, Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, 1998. Wiley-VCH, New York, USA.

- G. Saini, E. Mentasti, “Fondamenti di Chimica Analitica. Analisi Chimica Strumentale”, 1995, UTET, Torino.

- C. Sarzanini, S. Cavalli, “Cromatografia Ionica. Teoria e applicazioni”, 1998, UTET, Torino.

- B. Welz, M. Sperling, “Atomic Absorption Spectrometry”, 3rd Edition, 1999, Wiley –VCH, Weinheim, Germania.

- H.H. Willard, L.L. Merritt, Jr., J.A. Dean, F.A. Settle, Jr., “Instrumental Methods of Analysis”, 1988, Wadsworth, Belmont, USA.