Analisi e determinazione Due termini che nel linguaggio

Analisi e determinazione Due termini che nel linguaggio comune sono spesso usati come sinonimi, in chimica analitica hanno significati diversi: Analisi: è il processo a cui il campione viene sottoposto per rispondere ad un certo problema analitico (ad es. si fa l’analisi del sangue per il dosaggio del colesterolo) Determinazione: è il processo attraverso il quale viene misurata la quantità o la concentrazione dell’analita (ad es. di determina la quantità di nitriti nell’acqua potabile) Dosaggio: sinonimo di determinazione, usato soprattutto in analisi clinica e farmaceutica.

IL PROCESSO ANALITICO - GENERALITA’ La qualità del risultato di un’analisi dipende dalla accuratezza di tutte le procedure sperimentali che a partire dal materiale grezzo da analizzare portano al risultato finale: gli errori compiuti nei vari stadi della procedura determinano l’errore complessivo del risultato. Procedura sperimentale Possibile origine di errore Campionamento Il campione da laboratorio è rappresentativo del materiale grezzo da analizzare? Materiale grezzo da analizzare Campione da laboratorio L’analita è stato recuperato completamente? Trattamento del campione Campione pronto per l’analisi Analisi Risultato finale Sono stati eliminati tutti i componenti del campione che possono interferire nell’analisi? Il metodo analitico è accurato?

Buona pratica di campionamento. si richiede: - ispezione del lotto prima di campionare - uso di strumenti campionatori adatti al particolare tipo di merce o sostanza e al tipo di campione richiesto - uso di contenitori adatti al campione - mantenimento dell’integrita` del campione e dei rapporti allegati -

Buona pratica di campionamento. si richiede: - uso di precauzioni adeguate per conservare, imballare, spedire e e non inquinare o rovinare il campione - provvedere alle appropriate condizioni di stoccaggio per il campione sia prima che dopo l’analisi - predisporre un piano di campionamento preciso basato sulla necessita` che il campione raccolto sia rappresentativo dell’intero lotto o corpo campionato

Tipologie di materiali L’oggetto che deve essere analizzato si chiama lotto o campione lordo. La maggior parte dei materiali che interessano sono eterogenei, termine che significa che la loro composizione varia da un punto all’altro. All’opposto, un materiale omogeneo è invece uniforme in ogni sua parte. Eterogeneo: la composizione varia da un punto all’altro del materiale Omogeneo: il materiale ha composizione costante in ogni sua parte

Campionamento Spesso il campione è troppo grande per potere essere analizzato completamente, oppure la procedura analitica è inserita in un processo produttivo ed ha la funzione di controllare le caratteristiche di una materia prima o del prodotto finito. In entrambi i casi è necessario prelevare una parte del campione per l’analisi mediante un campionamento. Il risultato finale del campionamento è il campione da laboratorio, dal quale vengono ottenute le aliquote per effettuare le analisi in replicato. In generale, un’operazione di campionamento può essere divisa in due fasi distinte: Materiale grezzo da analizzare Prelievo di una serie di porzioni (che potrebbero avere composizione differente) selezionate in modo da ottenere un campione grossolano di dimensione adeguata e rappresentativo del materiale da analizzare. Campione grossolano Trattamento del campione grossolano per ottenere un campione da laboratorio tale che ogni sua aliquota abbia la stessa composizione (campione omogeneo). Campione da laboratorio

Il campionamento Lotto campionamento Campione rappresentativo composito Preparazione del campione Campione omogeneo da laboratorio Aliquota Prima di poter effettuare un’analisi chimica significativa bisogna ottenere un campione rappresentativo più piccolo, la cui composizione rispecchi quella del lotto di partenza. Questo processo è chiamato campionamento. Il campione rappresentativo è poi convertito in in un campione da laboratorio omogeneo, dal quale si prelevano piccole porzioni, chiamate aliquote, per effettuare analisi chimiche ripetute. Questo allo scopo di ottenere una stima dell’incertezza del risultato.

Campione grossolano La procedura comune per ottenere un campione grossolano è quella di prelevare un certo numero di aliquote del campione da analizzare (elementi di campionamento) selezionate in modo tale da garantire che il campione grossolano sia rappresentativo del materiale da analizzare nel suo complesso. Le procedure di campionamento vengono stabilite in funzione di: Quantità del materiale da analizzare Stato fisico del materiale da analizzare (solido, liquido, gassoso…) Eterogeneità del materiale da analizzare (solido particolato, sospensione, soluzione…) Composizione chimica del materiale da analizzare (la procedura di campionamento non deve distruggere od alterare l’analita: ad esempio, il campionamento più richiedere operazioni di tipo meccanico nel caso in cui il campione da analizzare abbia una natura compatta). I problemi maggiori si incontrano ovviamente nel caso di materiali da analizzare solidi e di grandi dimensioni, caratterizzati da un elevato grado di eterogeneità.

Lotto campionamento Campione rappresentativo composito Preparazione del campione Campione omogeneo da laboratorio Aliquota La preparazione del campione si riferisce alla conversione del campione rappresentativo eterogeneo nel. campione da laboratorio omogeneo. La preparazione del campione si riferisce anche ai processi in cui un campione molto diluito viene concentrato oppure nei quali vengono eliminate specie che interferiscono con l’analisi dell’analita che interessa. Si ha un’interferenza quando una specie diversa dall’analita (detta interferente) provoca un aumento o una diminuzione della risposta del metodo analitico, facendo apparire che ci sia più o meno analita di quello di fatto presente. Con il termine mascheramento si indica la trasformazione di una specie che interferisce in una specie che non è rilevata dal metodo analitico.

La maggior parte delle analisi chimiche sono caratterizzate dai seguenti stadi: Campionamento 1. 2. 3. Preparazione del campione 4. 5. Analisi 6. Interpretazione Ottenimento di un campione rappresentativo dal lotto Estrazione di un campione da laboratorio omogeneo dal campione rappresentativo Conversione del campione da laboratorio in una forma adatta per l’analisi, processo che di solito implica la dissoluzione del campione. Campioni a bassa concentrazione di analita possono dover essere concentrati prima dell’analisi Rimozione o mascheramento delle specie che interferiscono con l’analisi chimica Misura della concentrazione di analita in varie aliquote. In alcuni casi vengono usati metodi analitici differenti su campioni simili per assicurarsi che ciascun metodo dia lo stesso risultato Interpretazione dei risultati e presentazione delle conclusioni che possono essere tratte

Il metodo di campionamento e la preparazione del campione per la misurazione successiva sono, di conseguenza, inevitabilmente legati al metodo o ai metodi che potrebbero essere usati per la determinazione analitica. Il metodo di campionamento è, dunque, parte integrante del processo di analisi chimica. Il progredire di una reazione chimica, sia che avvenga in un contenitore in laboratorio, in un reattore in un impianto di processo, in un fiume o in uno spazio aperto, può essere seguito mediante campionamenti successivi oppure in continuo.

Campioni rappresentativi Il risultato di un'analisi non può riflettere accuratamente la composizione in analita di un materiale, quando il campione non è rappresentativo di quest'ultimo. Quasi tutti i materiali comunemente campionati, a parte piccoli volumi di liquidi o gas, sono eterogenei. Un solido eterogeneo, ad esempio, potrebbe essere composto da una miscela contenente particelle di diverse dimensioni. In ogni singola particella, potrebbero essere presenti zone a composizione diversa. Una pietra è un solido eterogeneo: è, infatti, un agglomerato di piccoli cristalli di diverso tipo. Un altro materiale eterogeneo potrebbe essere, ad esempio, un prato in cui si vogliano quantificare dei nutrienti naturali come il fosforo, oppure si desideri individuare la presenza di composti inquinanti. La miscela di composti chimici, presente in ogni campione, dovrebbe replicare, in miniatura, la composizione dell'intero da cui è stato prelevato il campione stesso. Si dovrebbero prelevare più campioni, mescolarli accuratamente e ridurli ad una frazione omogenea che rappresenti esattamente il materiale di partenza.

La regola generale da applicare nel caso si campioni da nastro trasportatore (o qualsiasi flusso continuo di materiale) è: il campionamento deve essere effettuato ad intervalli regolari e la forma del campione o il metodo seguiti dovrebbero essere definiti preventivamente. Si ricordi che ogni campione dovrebbe essere formato dall'intera sezione trasversale.

Metodi di campionamento La scelta del metodo di campionamento dipende fortemente dalla chimica delle sostanze che devono essere determinate e dagli altri elementi e composti che sono presenti nel campione. La procedura da seguire per ottenere un campione da sottoporre ad analisi dipende: 1. dalla dimensione della massa da campionare, che può andare dal carico di minerale grezzo trasportato da una nave fino alle dimensioni degli organelli subcellulari aventi diametro di una frazione di micrometro; 2. dallo stato fisico del materiale da analizzare, che potrà essere, ad esempio, un solido cristallino, un solido vetroso, un liquido o un gas; 3. dalla composizione chimica del materiale che deve essere esaminato. Se si sta cercando una determinata specie chimica non si dovrebbe fare nulla che possa distruggerne o alterarne l'identità o la quantità prima che l'analisi stessa venga eseguita.

IL PROCESSO ANALITICO CAMPIONAMENTO DI SOLIDI Terreno di tipo “A” (80% dell’area totale) Terreno di tipo “B” (20% dell’area totale) Griglia di campionamento “Randomizzazione” I punti di prelievo dei campioni vengono selezionati casualmente sulla griglia, in modo che l’ 80% cada nel terreno di tipo “A” ed il 20% nel terreno di tipo “B”.

La quartatura campionamento di un cumulo di materiale. Uno dei metodi seguiti è il procedimento di disposizione in cumuli conici e suddivisione in quarti (quartatura), il cumulo di materiale è suddiviso in quarti. Da ognuna delle quattro suddivisioni (Nord, Sud, Est ed Ovest) si preleva un campione. Tali campioni sono quindi macinati e disposti in un cumulo a forma di cono di dimensioni più piccole che viene poi spianato e suddiviso in quattro parti uguali. Due quarti opposti sono scelti a caso (ad esempio secondo il lancio di una moneta), e sono ulteriormente macinati, accuratamente mescolati e ridisposti a formare un nuovo cumulo conico.

suddivisione, scelta casuale di due quarti opposti, mescolamento e macinazione e, infine, formazione di un nuovo cumulo di forma conica è ripetuto fino a quando non si ottiene un campione per il laboratorio delle dimensioni necessarie per analisi replicate. Questa prassi minimizza l'errore sistematico del campionamento. Se la dimensione originale del cumulo è tanto grande che il campionamento non può essere eseguito sul totale - ci si potrebbe aspettare che il campionamento ad intervalli regolari effettuato sul nastro trasportatore, dove tutto il materiale è progressivamente accessibile, produca un campione più rappresentativo rispetto al metodo appena descritto.

se l'area da cui devono essere prelevati i campioni è molto vasta , i punti di campionamento dovrebbero essere individuati a distanze regolari. Posizionare i punti sulla superficie come se questa fosse ricoperta da una struttura immaginaria di esagoni regolari, identici, del tipo a nido d'ape I campioni vengono prelevati al centro di ogni esagono. La dimensione degli esagoni è definita a seconda del numero di campioni che si desidera ottenere dall'area.

IL PROCESSO ANALITICO CAMPIONAMENTO DI LIQUIDI E GAS Il campionamento dei liquidi presenta minori problemi, anche se su grande scala l’approccio è simile a quello utilizzato per i solidi. La situazione è più complessa per le sospensioni, se nel campione devono venire inclusi anche i solidi: se le particelle della sospensione sono presenti in piccolo numero, è difficile ottenere un’aliquota rappresentativa del campione nel suo complesso. I campioni gassosi tendono ad essere relativamente omogenei, e quindi il prelievo è relativamente semplice. Le specie gassose che si vogliono analizzare possono però essere concentrate in piccoli volumi (preconcentrazione) durante il prelievo mediante una delle seguenti procedure: Condensazione: prelievo mediante passaggio allo stato liquido o solido per raffreddamento Intrappolamento: durante il prelievo l’analita viene legato chimicamente in una soluzione o su un solido mediante una opportuna reazione chimica (es. CO 2(g) + Na. OH Na 2 CO 3) Adsorbimento: l’analita viene legato fisicamente sulla superficie di un adeguato materiale solido adsorbente (es. carbone attivo)

Ovviamente, se è stato prelevato un solo campione nella zona ad alta concentrazione, l'incertezza sul contenuto è elevata. Inoltre non si potrà avere alcun'idea di quanto estesa sia la contaminazione. Concentrando il campionamento nell'area a contenuto elevato si otterranno, contemporaneamente, sia una migliore stima della concentrazione analitica, legata al numero maggiore di campionamenti effettuati, sia una migliore definizione della distribuzione dell'analita nella zona. La conoscenza dell'area esaminata e la precisione delle misurazioni è, in questo modo, molto superiore. Saranno necessari, inoltre, un numero inferiore di campioni se lo studio si limita alla zona che presenta un'alta concentrazione di analita

Quando la quantità di analita può avere un valore qualsiasi - non solo «alto» e nullo - molti campioni, regolarmente distanziati, prelevati da un'area o da un volume molto grandi, con basso contenuto di analita, contribuiscono poco al totale. Questi campionamenti e le relative analisi forniscono poca informazione e, inoltre, la precisione dei campioni diviene meno importante al diminuire della concentrazione. Nelle aree a basso contenuto di analita si può, di conseguenza, usare un metodo di analisi più semplice o più economico riservando i metodi analitici più complessi, costosi e precisi per le zone ad alta concentrazione.

Se la griglia secondo cui si esegue il campionamento è larga rispetto alle zone ad alta concentrazione è possibile che alcune di queste aree non vengano individuate. Se però la zona che si sta campionando è un campo di frumento, sarà forse possibile, esaminando visivamente il grano, identificare zone in cui le piante crescono in maniera irregolare o hanno un colore diverso rispetto a quelle che le circondano. Tale osservazione può portare ad una raccolta di campioni più frequente nella zona in cui il frumento mostra queste irregolarità. L'osservazione è, effettivamente, un primo stadio di campionamento anche se, come misurazione, fornisce risultati alquanto imprecisi. L'aspetto del cereale corrisponde, effettivamente, ad un campionamento fatto ogni pochi centimetri.

I campionamenti che dipendono da stadi precedenti di campionamento e relative analisi, sono chiamati campionamenti doppi e campionamenti per serie ordinata. Questi due termini indicano procedure che differiscono nella pratica e nel metodo statistico secondo cui vengono trattati i campioni. Entrambi i metodi si basano però sulla scelta di un sottoinsieme di campioni da analizzare con maggiore attenzione. Queste procedure possono servire a minimizzare l'impegno necessario nei confronti del campionamento completo e regolare descritto in precedenza. Quest'ultimo è definito, in linguaggio statistico campionamento casuale (randomizzato) semplice. Trovare un giusto equilibrio tra precisione e localizzazione richiesta e il numero di campioni prelevati ed analizzati, in un'area concentrazione e distribuzione sconosciuta dell'analita, è un compito assai difficile.

Campioni omogenei Uno dei trattamenti usualmente applicati ai campioni solidi consiste nella frantumazione, triturazione, macinazione o, comunque, nella loro trasformazione in una polvere accuratamente mescolata. I metodi usati per ottenere la riduzione delle dimensioni delle particelle del campione, vista l'enorme varietà dei materiali analizzabili, sono svariati. La suddivisione ed il mescolamento del materiale hanno lo scopo di aumentare l'omogeneità del campione. Infatti, più è piccola la dimensione delle particelle, minore è l'errore che si commette quando se ne analizza solo una certa quantità. Si considerino, ad esempio, delle particelle sferiche aventi dimensione e densità uniforme. Alcune delle particelle contengono una certa sostanza, il resto non ne contiene affatto. Le particelle sono ben mescolate e dunque la loro distribuzione è casuale. A questo punto si possono considerare due metodi di campionamento estremi. Da un lato si potrebbe prelevare tutto il campione ed usarlo per l'analisi nella sua interezza. In questo caso, naturalmente, il campione risulterà perfettamente rappresentativo e l'analisi darà, come risultato, esattamente il valore di tale sostanza.

Particelle piccole permettono di massimizzare il numero di particelle in ogni campione contenendo le sue dimensioni entro limiti ragionevoli e consentendo, allo stesso tempo, un accurato mescolamento. Quest'ultima caratteristica, a sua volta, porta a minimizzare la differenza nella composizione tra campioni diversi. Con particelle piccole, in generale, si ottengono campioni migliori.

Ci si potrebbe a questo punto chiedere perché non si macinino le particelle il più finemente possibile. Questo tipo di macinazione presenta in realtà delle controindicazioni come, ad esempio, il fatto che polveri molto fini possono risultare più facilmente contaminate a causa dei lunghi processi di lavorazione. Poiché, inoltre, si comportano come polveri, il loro trattamento e trasporto può risultare difficoltoso. Per riassumere: i campioni dovrebbero contenere un grande numero di particelle per due ragioni: 1. la variazione della composizione tra campioni diversi è minimizzata; 2. la rappresentatività di ciascun campione dovrebbe essere migliore.

Costruzione di un campione rappresentativo Per costruire un campione composito rappresentativo da un lotto eterogeneo, bisogna innanzitutto dividere in modo visivo il materiale in segmenti. Un campione casuale si ottiene prendendo porzioni da un numero prestabilito di segmenti scelti casualmente. Ad esempio, se si vuole misurare il contenuto in magnesio nella facciata di una chiesa di 10 m x 20 m rappresentato nella parte (a) della figura, si potrebbe dividere il muro in 20000 piccoli quadrati di 10 cm di lato. Dopo aver assegnato un numero a ciascun quadrato, si usa un programma di calcolo per scegliere 100 numeri presi a caso tra 1 e 20000. La porzione di muro presente in ciascuno dei 100 quadrati selezionati viene quindi raccolta e mescolata per costruire un campione composito rappresentativo per l’analisi.

Errori di campionamento Sono dovuti in termini generali a fattori quali: 1) Forma delle particelle: particelle rotonde fluiscono nei comparti del campionatore piu` rapidamente di quelle spigolose della stessa dimensione. 2) Adesivita` superficiale: particelle igroscopiche possono avere maggiore o minore facilita` ad entrare nel campionatore, rispetto a particelle non igroscopiche, anche di diverse dimensioni. 3) Movimento differenziale verso il basso: di particelle di diversa dimensione durante il campionamento (es. effetto setaccio); cio` puo` portare ad una diversa composizione di sezioni verticali ed orizzontali del lotto.

Errori di campionamento Altra fonte di errori e` il CAMBIAMENTO DI COMPOSIZIONE del campione, durante o dop il campionamento. Tra i principali fenomeni che si possono verificare: - Guadagno o perdita di acqua - perdita di componenti volatili - inclusione fisica di gas - reazione col materiale del contenitore o con materiali estranei in esso contenuti - danno meccanico del campione (es. frutta o vegetali, conseguente rapida degradazione enzimatica e/o chimica)

Altra importante fonte di errore, comune a molte tipologie di campionamento, e` la MACROETEROGENEITA` tra le varie unita` del lotto e/o la MICROETEROGENEITA`tra le parti di una singola unita`. Quest’ultima puo` essere determinante nella determinazione di alcuni componenti minori che possono essere presenti solo in certe parti (es. Inquinamento puntiforme e non disperso di un suolo, presenza di stratificazioni di colonne d’acqua o presenza di solidi sospesi).

Campionamento di GAS Come raccogliere ed immagazzinare un gas: Aspirazione per mezzo di recipienti di vetro Espansione in recipienti sotto vuoto Spostamento di liquidi e conservazione sopra il liquido Pompa campionatrice Come ottenere il campione per l’analisi: siringhe a tenuta di gas loop a volume fisso

Aspetti operativi: Massa del gas campionato presente nel volume V=f(T, P). Variando temp. e press. rispetto al campionamento si puo` avere condensazione dei composti meno volatili (es. acqua). Tipologia di attrezzatura per il campionamento atmosferico puo` variare in funzione di: - Aree molto ristrette (es. pozzo, camino); - Vaste aree delimitate (es. fabbriche); - Atmosfera aperta. .

Aspetti operativi: Per rendere il campionamento piu` rappresentativo (spazio, tempo, fenomeni atmosferici) si usa: - camp. simultaneo in posizioni diverse dell’area, ad intervalli di tempo fissi o casuali; - campionamento continuo per un tempo lungo (12 -24 ore) in una singola posizione (es. personal monitors); - camp. discontinuo per un tempo lungo per produrre un campione composito. Nel caso di camp. protratti nel tempo, per non dover maneggiare volumi troppo grandi si usano trappole: - trappole chimiche (es. precipit. , compless. ) - trappole fisiche: adsorbim. su appositi materiali (es. carbone attivo o polimeri. . . ). I composti adsorbiti sono poi rimossi per estrazione o desadsorbimento per riscaldamento.

Campionamento di LIQUIDI I liquidi presentano solitamente meno problemi di camp. dei solidi, purche`: - la quantita` di liquido da prelevare sia piccola e possa essere resa omogenea per agitazione - il liquido sia composto da una sola fase Occorre distinguere tra: - liquidi che fluiscono in sistemi aperti (es. fiumi. . . ) - liquidi che fluiscono in sistemi chiusi (es. condutture. . . ) vedi figura sotto - liquidi conservati in contenitori chiusi - liquidi in luoghi aperti (es. pozzi, cisterne, vasche. . . ) turbolenza punto di camp. to

Lisimetri Gas nei suoli campionano liquidi nei suoli

Campionamento di SOLIDI 1) materiale particolato in movimento: La dimensione dello strumento campionatore dev’essere almeno 3 volte il diametro della particella piu` grande. 2) materiale solido statico: divisione di una singola unita` di campionamento in sottounita`. - camp. to semplice casuale - camp. to casuale stratificato - camp. to sistematico - camp. to a giudizio dell’operatore

La preparazione del campione determina l’accuratezza dei risultati dell’analisi. Gli errori associati alla procedura analitica posso essere in gran parte ridotti durante la fase di preparazione del campione, piuttosto che durante le fasi successive. Gli errori causati da strumentazioni analitiche sono generalmente molto inferiori di quelli causati dalla preparazione del campione. Uno dei punti piu` importanti e` l’uniformita` del campione. O comunque sottoporlo a trattamenti di preparazione che consentono la disponibilita` chimica di cio` che si vuole analizzare in modo omogeneo nel campione.

Affidabilita` di un’analisi. - Specificita`: - esistenza di sostanze interferenti (dovrebbero essere assenti o in conc. nota) - controllo additivita` degli effetti interferenti - Accuratezza: bonta` di approsimazione del valore sperimentale (media campionaria) al valore vero (media della popolazione). L’accuratezza di una procedura analitica viene stabilita attraverso: - metodo assoluto: analisi campioni noti; analisi di standard. - metodo comparativo: confronto con altre tecniche; metodo del recupero - Precisione: ripetibilita` del metodo analitico. La precisione deve essere fornita insieme al risultato dell’analisi ed e` valutata per mezzo di parametri statistici:

deviazione standard CV%=s/quantita` *100 La precisione ottenuta dipende da quella di tutti gli strumenti impiegati per l’analisi - Sensibilita`: rapporto tra risposta strumentale e quantita` dell’analita. concetti collegati sono: - rapporto segnale/rumore (S/N) - minima quantita` rivelabile (LOD) - minima differenza rivelabile