TOSSICI METALLICI I metalli sono ubiquitari in natura

TOSSICI METALLICI I metalli sono ubiquitari in natura. Ø Alcuni elementi, come gli alcalino-terrosi, sono essenziali per gli organismi viventi: Na, K, Ca, Fe. . Ø Anche altri metalli, in tracce, sono molto importanti come coenzimi, cofattori, catalizzatori: Zn, Mg, Cu, Ni, Mn, Co, Cr, Me (mendelevio), Se (selenio). . . Ø Molti dei restanti metalli non sono necessari all'organismo, anzi sono tossici. Con l'industrializzazione c'è stato un aumento degli avvelenamenti da metalli.

TOSSICITA’ DEI METALLI I metalli più rappresentativi per il rischio ambientale dovuto al loro uso massivo, alla loro tossicità e alla loro ampia distribuzione sono: Ø Piombo (Pb) Ø Mercurio (Hg) Ø Cadmio (Cd) Essi appartengono a quelli che vengono definiti “metalli pesanti”.

I metalli pesanti sono collocati nella parte inferiore della Tavola Periodica e la loro densità risulta elevata, se paragonata a quella di altri materiali comuni.

In Tabella viene riportata la densità dei tre metalli considerati e per confronto quella dell’acqua e di due comuni metalli leggeri. Elemento Densità (g/m 3) Hg 13, 5 Pb 11, 3 Cd 8, 7 H 2 0 1, 0 Mg 1, 7 Al 2, 7

I metalli differiscono dai composti organici in quanto non risultano completamente degradabili dato che la maggior parte degli elementi non possono essere trasformati se non in condizioni veramente eccezionali. Essi, quindi, risultano praticamente indistruttibili e quindi si accumulano nell’ambiente.

L’inquinamento da metalli è strettamente legato alle attività industriali e di combustione che ne causano la movimentazione nell’ambiente. Benchè siano elementi naturalmente presenti nell’ecositema, la loro mobilitazione determinata dalle attività umane ne causa l’accumulo nella biosfera e l’ingresso nella catena alimentare con gravi danni per l’uomo, animali e piante. I metalli pesanti inquinanti dell’acqua e contaminanti degli alimenti, sono per la maggior parte trasportati da un posto all’altro tramite l’aria, in genere come sostanze adsorbite su, o assorbite in, materiale particolato sospeso. Numerosi prodotti di uso comune contengono metalli pesanti. Le fonti più comuni sono vernici e altri prodotti di finitura, combustioni di materiali plastici in PVC; fumo di sigaretta; scarichi di auto; rilascio negli alimenti da vecchie stoviglie e da ceramiche dipinte realizzate senza precauzioni; pile, termometri a mercurio. L’inalazione di polveri o vapori attraverso l’apparato respiratorio (per esempio veicolate dallo smog o durante operazioni di taglio o di sverniciatura), è il più importante veicolo di penetrazione nell’organismo.

Il potere tossico esercitato dai principali metalli pesanti considerati dipende soprattutto dalla struttura chimica di ciascun elemento, vale a dire dalla sua speciazione come ad esempio: Ø Piombo metallico (Pb) Ø Ione Pb (Pb 2+) generato ad esempio dal Pb. S (galena), Pb. CO 3 (cerussite), Pb. SO 4 ( anglesite) Ø Piombo sotto forma di composto covalente (es. piombo tetrametile: Pb(CH 3)4, piombo tetraetile : Pb(C 2 H 5)4 ). Sebbene i vapori di mercurio siano fortemente tossici, i quattro metalli pesanti Hg, Pb, Cd e As non risultano particolarmente tossici come elementi liberi condensati. Tuttavia tutti e quattro sono pericolosi nella loro forma cationica e quando sono legati a brevi catene di atomi di carbonio.

Sotto il profilo biochimico, il meccanismo della loro attività tossica deriva dalla forte affinità dei cationi metallici per lo zolfo. Pertanto i gruppi «sulfidrilici» (SH), normalmente presenti negli enzimi che controllano la velocità delle reazioni metaboliche critiche nel corpo umano, si legano facilmente ai cationi dei metalli pesanti ingeriti o alle molecole che contengono tali metalli.

RICERCA DEI METALLI La loro ricerca solitamente (in funzione della natura del campione) prevede dapprima l'eliminazione del materiale organico. Il materiale organico può essere facilmente distrutto, (trasformato in CO 2, H 2 O, ossidi di azoto) senza che vi sia perdita delle sostanze tossiche metalliche ivi contenute, attraverso: via secca (muffola o forno) via umida (digestione)

Il liquido ottenuto dalla distruzione della sostanza organica, eseguita con uno dei metodi descritti, viene poi impiegato per le ricerche analitiche, condotte sia a livello qualitativo che quantitativo prevalentemente mediante: - Spettroscopia in assorbimento atomico - Spettroscopia in emissione atomica Per il mercurio il metodo più sensibile è quello in assorbimento atomico a “vapori freddi” e per l’arsenico quello in assorbimento atomico con formazione di “idruri volatili”). Frequenti sono anche i SAGGI COLORIMETRICI.

Esempi di SAGGI COLORIMETRICI per la ricerca dei metalli Piombo Il Piombo reagiscono con solfuro di sodio (Na 2 S) formando solfuro di piombo colloidale, di colore brunonerastro, del quale si misura l’assorbanza a 410 nm. Il relativo parametro è espresso in mg/L.

Cadmio Il cadmio reagisce con ditizone (difeniltiocarbazone) formando un composto di colore rosso di cui, previa estrazione con cloroformio, si misura l’assorbanza a 518 nm. Il risultato è espresso in mg/L di cadmio. Cd+2 Cd +

Cromo II cromo esavalente può essere considerato un indice chimico di inquinamento industriale delle acque. La sua determinazione viene effettuata facilmente per via colorimetrica con il metodo alla difenilcarbazide. Il metodo, descritto nel volume: “Metodi Analitici per le Acque; APAT, IRSACNR, 2003”, sfrutta la sensibile reazione di ossidazione della 1, 5 difenilcarbazide a 1, 5 difenilcarbazone da parte del Cr(VI) (che si riduce a Cr (III)) in soluzione acquosa acida. Cr (VI) 1, 5 difenilcarbazide 1, 5 difenilcarbazone Il difenilcarbazone complessa il Cr(III) e la soluzione risultante da incolore o debolmente gialla si colora intensamente in rosso-violetto (assorbanza alla lunghezza d'onda di 540 nm).

SPETTROSCOPIA ATOMICA La spettroscopia atomica è un metodo sensibile utilizzato per la determinazione qualitativa e quantitativa di circa 70 elementi in particolare metalli presenti nei campioni più disparati sia come: Ø componenti principali che secondari; Ø tracce o ultratracce.

Campi di concentrazioni usuali di lavoro per diverse tecniche analitiche

La SPETTROSCOPIA ATOMICA è uno strumento fondamentale nella determinazione di elementi metallici in concentrazioni dell’ordine di ppm o meno particolarmente in laboratori industriali e per analisi ambientali. E’ una tecnica automatizzata a tal punto che permette a uno strumento di effettuare centinaia di analisi al giorno. Principali pregi di questa tecnica sono: Ø Velocità Ø Selettività straordinariamente elevata

I principali impieghi della SPETTROSCOPIA ATOMICA in analisi ambientale sono: v. Determinazione di elementi in diversi tipi di acque (destinate all’alimentazione umana, di mare, reflue civili e industriali). v. Determinazione di metalli tossici nei liquidi biologici umani (sangue, siero, plasma, urine). v. Determinazione di tracce di inquinanti tossici negli alimenti. v. Determinazione dei metalli pesanti nei percolati da discarica. v. Determinazione dei metalli pesanti tossici presenti nel materiale particellare dell’aria e nelle emissioni (Pb, Cd, ecc. ). v. Determinazione metalli pesanti nei prodotti utilizzati in agricoltura. v. Determinazione metalli pesanti nei prodotti cosmetici.

Principi Utilizzando le radiazioni situate nella regione del visibile e UV, tre diverse tecniche, possono essere usate per la determinazione analitica di specie atomiche: 1) Assorbimento Atomico (AAS) -Spettroscopia di assorbimento atomico a vapori freddi CV-AAS) - Sistema idrurizzante (HG-AAS) 2) Emissione Atomica (AES) 3) Fluorescenza Atomica (AFS)

Nella spettroscopia atomica i campioni vengono vaporizzati e decomposti in atomi a temperature comprese tra i 2000 e i 6000 K. Per questo motivo il campione da analizzare, in soluzione (originale o prodotta per dissoluzione chimica di un solido o di una sospensione), è ATOMIZZATO mediante l’utilizzo di: Ø una fiamma Ø un fornetto ad alta temperatura Ø un plasma (miscela gassosa conduttrice, contenente una notevole concentrazione di cationi ed elettroni) La concentrazione degli atomi presenti nella fase gassosa viene determinata misurando l’assorbimento o l’emissione alle loro lunghezze d’onda caratteristiche.

Tecniche atomiche A seconda del tipo di interazione che subisce il vapore atomico, si possono avere le seguenti tecniche di spettroscopia atomica: • il vapore è irraggiato con una radiazione monocromatica assorbibile solo dagli atomi di un determinato elemento. Assorbimento atomico • il vapore subisce un riscaldamento ulteriore e gli atomi emettono il surplus di energia sotto forma di radiazione luminosa. Emissione atomica

Senza legame chimico, non possono esistere fenomeni di assorbimento dovuti a variazioni di livelli energetici di tipo vibrazionale o rotazionale come accade con le molecole, per cui si osservano solo fenomeni di assorbimento di energia dovuti a transizioni elettroniche e quindi gli spettri sono SPETTRI A RIGHE e non a BANDE.

Spettri atomici – a righe, e spettri molecolari - a bande Spettro di assorbimento di atomi di silicio nell’intervallo 250 – 253 nm. Spettro di assorbimento di un’aldeide insatura nell’intervallo 210 – 500 nm.

Per elementi che posseggono diversi elettroni esterni eccitabili, gli spettri di assorbimento (o di emissione) possono risultare più complessi e consistere di centinaia o anche migliaia di righe.

ASSORBIMENTO ATOMICO (AAS) Principi di funzionamento La spettrofotometria di assorbimento atomico si basa su fenomeni di assorbimento di radiazione luminosa (emessa dalla sorgente) da parte degli atomi. § Il campione è trasformato in atomi con metodi vari di riscaldamento; § il vapore atomico subisce un’interazione con la luce emessa da una sorgente luminosa (righe); § la riga viene assorbita solo dagli atomi corrispondenti mediante l’assorbimento di risonanza. La sorgente delle radiazioni è di solito una sorgente a righe che emette radiazioni monocromatiche di lunghezza d'onda caratteristica dell'elemento da determinare che è fatta passare attraverso il vapore atomico.

ØParte della luce è assorbita dagli atomi dell'analita. ØMisurando l’intensità della radiazione luminosa, in uscita dalla zona di assorbimento, si può valutare l’entità dell’assorbimento di energia radiante che è collegata alla quantità e alla natura chimica della materia irradiata. • l’entità di questa interazione fornisce la risposta analitica – qualitativa (quali elementi) • identificazione attraverso le assorbite – quantitativa (qual è la concentrazione) • calibrazione con soluzioni a concentrazione nota • legge di Lambert-Beer (A = b. C)

Per la determinazione quantitativa di un elemento non è importante il suo stato di ossidazione nella soluzione. Ad esempio se in soluzione sono contemporaneamente presenti sia ioni Cr+3 che ioni Cr. O 4 -2, essi verranno dosati come somma (cromo totale) in quanto tutto il cromo si trasforma durante la misura in cromo elementare. Poiché ogni specie atomica ha salti energetici caratteristici, è possibile individuare valori di lunghezza d'onda tipici per ogni elemento ed effettuare misure di assorbimento di luce monocromatica correlabili alla quantità (o alla concentrazione) degli atomi di un certo elemento presenti in una cella di assorbimento.

Strumentazione: P 0 P Sorgente luminosa: di solito una lampada catodica sotto vuoto rivestita con l’elemento da analizzare. Atomizzatore: di solito una fiamma acetilene/aria dove si formerà il vapore atomico in cui i singoli atomi sono ben separati l’uno dall’altro. Monocromatore: si usa per restringere l’ampiezza della banda di radiazione da esaminare e che quindi viene selezionata per monitorare la lunghezza d’onda emessa dalla lampada. Si eliminano così le interferenze dovute alla radiazione emessa dalla fiamma, dal gas di riempimento della lampada e da altri elementi presenti nel campione. Rivelatore: Il rivelatore è una cellula fotosensibile.

LA SORGENTE LUMINOSA Due tipi di lampade sono usate negli strumenti di assorbimento atomico: q le lampade a catodo cavo (lo sviluppo delle lampade a catodo cavo è considerato l’avvenimento più importante nell’evoluzione della spettroscopia di assorbimento atomico). q le lampade a scarica senza elettrodi.

La lampada a catodo cavo consente una elevata specificità analitica. Sono disponibili in commercio lampade a catodo cavo per circa 40 elementi. Per esempio nell’analisi per lo zinco (Zn) si usa un catodo rivestito di Zn; l’eccitazione degli atomi di Zn produce una banda stretta di radiazione a 214 nm, che può essere assorbita efficacemente dagli atomi di Zn nella fiamma.

ØLo svantaggio è che la lampada deve essere cambiata ogni volta che si analizza un elemento diverso; si può perciò analizzare un solo elemento per volta. ØGli strumenti di più recente costruzione montano 12 lampade su un sistema girevole, che può essere ruotato automaticamente mettendolo in linea con la fiamma; in questo modo viene aumentata la velocità di analisi di più elementi. ØAlcune lampade sono munite di un catodo contenente più di un elemento (lampade multi elemento). In queste ultime il catodo cavo contiene sulla superficie strati di più elementi tra loro compatibili nel senso che le rispettive righe di risonanza non devono creare sovrapposizioni spettrali.

L’ ATOMIZZAZIONE Il componente fondamentale di una apparecchiatura per spettroscopia atomica è il sistema di atomizzazione. L'atomizzazione consiste in una serie di operazioni che portano alla dissociazione termica delle singole molecole o dei singoli ioni in atomi isolati (per fenomeni di scissione omolitica). L’atomizzazione è quindi un processo in cui un campione, di solito in soluzione, viene volatilizzato e decomposto per produrre un “vapore atomico”. La produzione dei vapori atomici del campione (in AAS) vengono prodotti fondamentalmente tramite: Ø una fiamma Ø fornetto a grafite riscaldato elettricamente.

Assorbimento atomico a fiamma (FAAS) comparto della fiamma regolazione dei gas introduzione del campione aspirazione in continuo combustibile (acetilene) + comburente (aria) fiamma

Assorbimento atomico a fiamma (FAAS)

Nell'atomizzazione in fiamma, la fiamma è ottenuta in un bruciatore laminare che utilizza una miscela di due gas (un combustibile e un ossidante). Gli atomizzatori a fiamma vengono utilizzati non solo per le misurazioni dell'assorbimento, ma anche dell'emissione, e della fluorescenza atomici. Prima dell’atomizzatore vero e proprio troviamo: Ø un nebulizzatore Ø una camera di premiscelazione Ø testata del bruciatore.

q La soluzione del campione viene aspirata da un rapido flusso dell’ossidante e ridotta in una sottile nebbia quando esce dall’ugello del nebulizzatore e colpisce una pallina di vetro (la formazione di una sospensione di piccole gocce in un mezzo gassoso viene chiamata nebulizzazione) q Il campione, l’ossidante e il combustibile vengono miscelati prima di essere introdotti nella fiamma.

La soluzione così nebulizzata passa poi attraverso una serie di diaframmi che favoriscono un’ulteriore miscelazione e bloccano le gocce di liquido di maggiori dimensioni che vengono eliminate attraverso lo scarico. (tipicamente soltanto il 5% del campione entrato nel nebulizzatore, raggiunge la fiamma).

Quando il campione nebulizzato viene poi trasportato in una fiamma, nella zona di combustione primaria, localizzata appena sopra la punta del bruciatore: Ø il solvente evapora

Le risultanti particelle finemente suddivise vengono convogliate in una regione al centro della fiamma detta regione interzonale. . Ø Qui, nella parte più calda della fiamma, dalle particelle solide si formano atomi gassosi e ioni elementari. ØIn questa regione si verifica anche l’eccitazione degli spettri di emissione atomica.

Infine, gli atomi e gli ioni vengono trasportati nella parte più esterna, o zona di combustione secondaria, Ø dove può avvenire l’ossidazione prima che i prodotti dell’atomizzazione si disperdano nell’atmosfera.

Poiché la velocità della miscela carburante/ossidante attraverso la fiamma è alta, solo una parte del campione va incontro a tutti questi processi; in verità, una fiamma non è un atomizzatore molto efficace. Nella spettroscopia a fiamma il tempo di stazionamento del campione nel cammino ottico è solo di una frazione di secondo.

Le fiamme possono essere ottenute utilizzando diversi componenti che permettono di raggiungere le temperature desiderate, atte all’atomizzazione delle specie atomiche si desiderano analizzare. Le fiamme più comunemente utilizzate, le loro temperatura e i relativi impieghi sono riportati in tabella:

FIAMMA TEMP. (°C) IMPIEGHI Ossidante (comburente) Combustibile Aria Idrogeno 2300 - 2400 E’ una fiamma relativamente più fredda e quindi è più adatta per i metalli alcalini per i quali ci sono rischi di ionizzazione Aria Acetilene 2400 - 2700 Fiamma di uso quasi generale (dai Fiamma più comune metalli alcalini agli alcalino-terrosi, ad es Ag, Fe, Cu, Zn, Ni, Co, Cr, Mn, Pb, ecc. ) Ossido nitroso (ossido di azoto) Acetilene 2900 - 3100 E’ la fiamma più calda e quindi si usa per elementi capaci di dare in presenza di ossigeno, ossidi refrattari (alti punti di ebollizione) difficilmente atomizzabili (Ba, Al, Sn, Ti)

Per le misurazioni in assorbimento non è conveniente lavorare a temperature troppo elevate altrimenti l’emissione delle sostanze a seguito dell’eccitazione termica non è più trascurabile.

FIAMME PIU’ CALDE quale ad es: N 2 O - ACETILENE (2900 °C) sono necessarie per analizzare: - elementi refrattari (cioè elementi con più alti punti di ebollizione); - elementi che tendono a formare prodotti di ossidazione refrattari che devono essere decomposti. Gli ossidi refrattari possono formarsi a seguito di reazioni ad alta temperatura tra alcuni metalli e atomi di ossigeno atomico provenienti dalla decomposizione termica dell’aria o dei solventi.

Durante il processo di atomizzazione avviene una serie complessa di processi collaterali tra loro che portano ad una miscela di: Ø atomi e di ioni dell'analita, Ø molecole del campione, Ø molecole di ossido dell'analita, Ø varietà di altre specie atomiche e molecolari prodotte dalle reazioni tra il combustibile, l'ossidante e il campione. Alle temperature della fiamma (2000 -3000°C), gli equilibri di dissociazione sono in genere fortemente spostati verso la produzione di atomi.

Correzione del fondo La spettroscopia atomica richiede la correzione del fondo. Il segnale del fondo deriva da: ØAssorbimento, emissione , diffusione ad opera di ogni cosa presente nel campione (matrice) eccetto l’analita. Ø Assorbimento, emissione , diffusione dovuti alla fiamma o al fornetto

Il sistema di modulazione della sorgente luminosa (chopper) Tale sistema può essere meccanico o elettrico e serve a rendere intermittente il fascio luminoso della sorgente regolando, su tale modulazione, anche il sistema di amplificazione del segnale. In questo modo si può scorporare il segnale proveniente dalla sorgente e l'eventuale caduta di intensità del medesimo dovuta all'assorbimento di luce da parte degli atomi dell'elemento da analizzare, da altri fenomeni non modulati, quali l'emissione di fiamma o la fluorescenza di risonanza.

Elementi che si eccitano facilmente, emettono radiazioni così intense che si possono sommare all’emissione del catodo CONTRIBUENDO AD ECCITARE GLI ATOMI ALLO STATO FONDAMENTALE sottraendoli quindi all’eccitazione della sorgente. Si produce dunque simultaneamente un aumento ed una diminuzione della intensità misurata. Per esempio, l’emissione a 422, 6 nm del calcio eccitato dalla fiamma può compensare quasi totalmente il suo assorbimento. Questa interferenza è eliminata utilizzando strumenti che modulano il segnale.

Funzionamento di un chopper usato per sottrarre il segnale dovuto all’emissione di fondo della fiamma. La figura mostra come la luce proveniente dalla lampada sia periodicamente interrotta da un chopper rotante. Il segnale che raggiunge il rivelatore quando il raggio non è bloccato è dovuto sia alla sorgente che alla fiamma. Il segnale che raggiunge il rivelatore mentre il raggio è interrotto è dovuto soltanto all’emissione della fiamma.

Con sorgenti non modulate, infatti, si possono avere apparenti aumenti di intensità del raggio in uscita dallo stato assorbente rispetto all'intensità del raggio incidente. Tali aumenti (quindi riduzioni di segnale) possono derivare dai suddetti fenomeni di fluorescenza e di emissione non solo degli atomi dell'elemento in analisi, ma anche di altri elementi con righe di emissione prossime a quella di lavoro (inferiori alla risoluzione del monocromatore) contenuti nella matrice.

In questo modo si può scorporare il segnale proveniente dalla sorgente e l'eventuale caduta di intensità del medesimo dovuta all'assorbimento di luce da parte degli atomi dell'elemento da analizzare, da altri fenomeni non modulati, quali l'emissione di fiamma o la fluorescenza di risonanza.

ØLa differenza tra questi due segnali è il segnale analitico desiderato. Ø Il chopper, quindi, rendendo modulata la radiazione dalla lampada, permette di di correggere l’emissione della fiamma

Il monocromatore La funzione di questa componente dello strumento consiste nell'isolare la riga di assorbimento dell'elemento di interesse. Si eliminano così le interferenze dovute alla radiazione emessa dalla fiamma, dal gas di riempimento della lampada e da altri elementi presenti nel campione. Il rilevatore Esso trasforma il segnale luminoso in segnale elettrico che viene trasferito ad un indicatore digitale o analogico.

FILMATI

Atomizzazione termoelettrica (Fornetto di grafite GF) • Il fornetto di grafite ha dimensioni di pochi cm. • La tecnica è nota anche come GF-AAS Il fornetto in pratica è costituito da un tubicino di grafite che, inserito in un circuito elettrico, costituisce esso stesso una resistenza. Questa, attraversata da una corrente elettrica, si riscalda a temperatura programmata potendo arrivare fino a 3000 °C.

Questo sistema consente di migliorare di molto i limiti di rivelabilità della tecnica di A. A. rispetto al sistema convenzionale su fiamma (da 1000 volte). Nella tecnica di A. A. su fiamma infatti, durante la fase di assorbimento, ci sono in fiamma anche: Ø il solvente, Ø i componenti della matrice, Ø prodotti di pirolisi della matrice.

Nella tecnica a fornetto di grafite, invece, diverse cause di disturbo vengono eliminate preventivamente con diminuzione delle interferenze poiché la fase di atomizzazione viene preceduta: q dall’evaporazione del solvente, q dall’incenerimento e pirolisi di componenti la matrice attraverso la modulazione della temperatura del fornetto che viene di regola incrementata in una serie successiva di stadi. In questo modo si ottimizza lo stato fisico dell’analita e si riducono le interferenze della matrice.

q Il campione inoltre, nel fornetto di grafite viene atomizzato in un periodo breve ma gli atomi prodotti confinano nel cammino della radiazione di analisi per un tempo di stazionamento più lungo che può arrivare a diversi secondi. q Mentre la tecnica di atomizzazione convenzionale (fiamma) richiede volumi di soluzione molto più alti per ogni analisi (1 - 2 m. L), con il fornetto bastano invece piccoli volumi di campione (tra 0. 5 e 1. 0 m. L).

• il campione (poche decine di µL) viene iniettato attraverso il foro visibile in alto all’interno di un cilindro di grafite detto fornetto, sottoposto poi a cicli di riscaldamento. La luce attraversa il fornetto per tutta la sua lunghezza.

Cicli di riscaldamento Fase di essiccamento In un primo stadio la temperatura viene portata per alcuni secondi a 100 - 200°C così da vaporizzare il solvente ed essiccare il campione;

Fase di carbonizzazione (arrostimento o pirolisi) In un secondo stadio la temperatura viene portata a 500 - 800 °C per produrre la decomposizione e per volatilizzare la maggior parte della matrice organica la quale creerebbe altrimenti fumi che interferirebbero con la misura ottica;

Atomizzazione Infine la temperatura è portata molto rapidamente al valore ottimale (compreso tra 1300 e 2700 °C) e l’analita si atomizza.

L’efficienza della conversione delle molecole in atomi è decisamente più alta che non in fiamma. Gli atomizzatori termoelettrici assicurano una maggiore sensibilità perché tutto il campione viene atomizzato in un periodo breve e confinano gli atomi nel cammino della radiazione di analisi per un tempo di stazionamento che può arrivare a diversi secondi (circa 7). Nella spettroscopia a fiamma invece il tempo di stazionamento del campione nel cammino ottico è solo di una frazione di secondo.

Per ciascun elemento e ciascuna matrice i tempi e le temperature degli stadi successivi di trattamento sono tabulati in letteratura.

ESEMPIO : Per analizzare il ferro contenuto nella ferritina, una proteina che immaganizza il ferro, 10 ml di campione (contenente circa 0. 1 ppm di Fe) vengono iniettati in un fornetto freddo. Ø Il fornetto è programmato per ESSICCARE il campione per 20 s a 125 °C allo scopo di rimuovere il solvente; Ø L’essicamento è seguito da CARBONIZZAZIONE per 60 s a 1400°C per distruggere la materia organica, la quale creerebbe altrimenti fumi che interferirebbero con la misura ottica; Ø Viene poi effettuata l’ATOMIZZAZIONE per 10 s a 2100 °C durante i quali l’assorbanza raggiunge il suo massimo; Ø Infine il fornetto viene riscaldato a 2500 °C per 3 s per vaporizzare ogni residuo.

Confronto fra tecniche Fiamma VANTAGGI SVANTAGGI - Conveniente, affidabile, lunga durata, facilità delle operazioni - Poco effetto memoria - Ampia scelta di fiamme - Consumo elevato di campione - Concentrazione degli atomi diluita dall’espansione della fiamma - Rumore di fondo elevato per assorbimento e emissione dai componenti della fiamma Fornetto VANTAGGI - Elevata sensibilità - Sicurezza nel funzionamento - Bassi volumi di campione - Facile automazione SVANTAGGI - Tempi di analisi più lunghi - Costo della strumentazione - Condizioni critiche nel riscaldamento del fornetto - Manutenzione frequente

Limiti di rilevabilità Per molti elementi, i limiti di rilevabilità nella spettroscopia di assorbimento atomico con: Øatomizzazione in fiamma sono compresi tra 1 e 20 ng/m. L (0. 001 - 0. 020 ppm), Ø atomizzazione termoelettrica, i valori vanno da 0. 002 a 0. 01 ng/m. L (2 x 10 -6 a 1 x 10 -5 ppm).

Si riportano in tabella i principali metalli che vengono determinati mediante tecniche di assorbimento atomico secondo le metodiche definite dall'EPA United States Environmental Protection Agency: principale ente di protezione ambientale degli Stati Uniti. Antimonio Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7040) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7041) Arsenico Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7060 A) Metodo mediante assorbimento atomico e formazione di idruro (EPA 7061 A) Berillio Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7090) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7091) Cadmio Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7130) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7131 A) Cromo Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7190) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7191) Cobalto Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7200) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7201) Mercurio Determinazione mediante tecnica di AA a vapori freddi (EPA 7471 A)

Continua Tabella - Determinazione dei metalli Nichel Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7520) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7521) Piombo Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7420) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7421) Rame Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7210) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7211) Selenio Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7740) Metodo mediante assorbimento atomico e riduzione con boroidruro (EPA 7742) Stagno Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7870) Tallio Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7840) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7841) Vanadio Metodo mediante assorbimento ator 11 ico a fiamma (EPA 7910) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7911) Zinco Metodo mediante assorbimento atomico a fiamma (EPA 7950) Metodo mediante assorbimento atomico con fornetto (EPA 7951)

HR-CS-AAS (HIGH RESOLUTION CONTINUUM SOURCE ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY) Il problema principale delle sorgenti continue è stato per decenni la debole emissione nel lontano UV sotto i 250 nm, ottenibili con lampade commerciali con le lampade ad arco di Xeni. Il problema è stato risolto dallo sviluppo di una lampada di xeno ad arco corto, che, operando in modalità “hot spot” a temperatura di circa 10000 K, ha aumentato l’intensità della radiazione di due/tre volte rendendo possibile l’impiego di monocromatori ad alta risoluzione col risultato di migliorare i limiti di risoluzione di circa 5 volte rispetto all’AAS tradizionale. Ciò ha permesso di introdurre la Spettrofotometria di Assorbimento atomico ad alta risoluzione in spettro continuo(HR-CS-AAS) in uno strumento commerciale combinato con fiamma o fornetto di grafite.

L'apparecchio per AAS in fiamma ad alta risoluzione a sorgente continua (HR-CS) rappresenta la generazione più recente nel campo della spettrometria ad assorbimento atomico, con caratteristiche finora sconosciute di potenza e flessibilità. Grazie alla radiazione ad alta energia della lampada allo xenon ad arco corto, si può sfruttare ai fini dell'analisi tutta la gamma delle lunghezze d'onda utilizzabili nell'AAS. - Analisi multielemento - immediatamente disponibili ogni linea e ogni elemento - Semplicità d'uso e facile sviluppo di metodi (interferenze minime) - Costo d’esercizio ridotto - Limiti di rilevamento migliorati Grazie ai suoi bassi costi d'esercizio, all'ottima capacità analitica, alle informazioni e all'elevata velocità, l’ HR-CS-AAS colma la lacuna tra AAS e ICP. FILMATO

ANALISI QUANTITATIVA Nella spettrometria di assorbimento atomico (AAS), una radiazione monocromatica di lunghezza d'onda caratteristica dell'elemento da determinare è fatta passare attraverso il vapore atomico: Ø parte della luce è assorbita dagli atomi dell'analita. Ø misurando l’intensità della radiazione luminosa, in uscita dalla zona di assorbimento, si può valutare l’entità dell’assorbimento di energia radiante che è collegata alla quantità e alla natura chimica della materia irradiata.

Le grandezze principali che correlano la potenza della radiazione emessa dalla sorgente P 0, e la potenza della radiazione P, misurata dal rivelatore, dopo aver attraversato la nuvola atomica dell’analita creata dal dispositivo di atomizzazione (ad esempio fiamma), sono: P 0 SORGENTE LUMINOSA P CAMPIONE ATOMIZZATO RIVELATORE Trasmittanza: T = P/P 0 Trasmittanza percentuale: T% = P/P 0 Assorbanza: A= log(P 0/P) x 100

L’intensità della luce trasmessa attraverso un vapore atomico di spessore b, segue una legge analoga a quella di Lambert-Beer valida per gli assorbimenti molecolari dei cromofori nello stato di soluzione L’ Assorbanza del vapore atomico è correlata: A = a x b x C Dove: C = concentrazione (data in unità non molari, ad es in ppm) a = coefficiente di assorbimento b = lunghezza del cammino ottico (lo spessore questa volta non si riferisce alla cella bensì alla zona di atomizzazione) cammino ottico

Tecniche quantitative Le tecniche quantitative di assorbimento atomico sono in teoria simili a quelle descritte precedentemente. Molto spesso, cioè le analisi si basano utilizzando i seguenti metodi: Ø metodo della retta di taratura Ø metodo delle aggiunte standard

METODO DELLA RETTA DI TARATURA: ØSi preparano una serie di soluzioni standard dell’analita le cui concentrazioni rientrano nell’intervallo di linearità (di solito tabulati nei manuali d’istruzione degli spettrofotometri) ØSi aspira in fiamma il “bianco” e si azzera la scala delle assorbanze (A= 0, 000); ØSi mandano in fiamma via le diverse soluzioni standard registrando i valori di assorbanza; ØSi costruisce la retta di taratura ottimizzando i punti sperimentali con il metodo matematico dei minimi quadrati; ØSi manda in lettura il campione e si risale alla concentrazione incognita tramite la retta di taratura.

Nelle analisi che si basano su curve di calibrazione si incontrano deviazioni dalla linearità, molto più spesso che nell’assorbimento molecolare, in quanto la produzione di vapori atomici coinvolge variabili non controllabili, tali da richiedere la misura dell’assorbanza di almeno una soluzione standard ogni volta che si esegue una analisi.

METODO DELLE AGGIUNTE STANDARD Questo metodo diventa appropriato specialmente quando la matrice del campione è complessa o completamente sconosciuta oppure quando l’analita è presente in piccole quantità all’interno della matrice complessa. L’ipotesi fondamentale del metodo delle aggiunte standard è che la matrice abbia sullo standard aggiunto lo stesso effetto che ha sull’analita originariamente presente nel campione.

Nel metodo delle aggiunte standard quantità note di analita vengono aggiunte al campione incognito; l'incremento del segnale permette di ricavare la quantità di analita presente nel campione originale. Questo metodo richiede una risposta analitica direttamente proporzionale alla concentrazione della specie da determinare (risposta lineare). Sebbene il metodo delle aggiunte standard venga qui illustrato in un’analisi di spettroscopia atomica, esso trova applicazione nella maggior parte dei tipi di analisi clinica.

Si consideri un'analisi effettuata usando una torcia al plasma ad accoppiamento induttivo, in cui l'intensità di luce emessa dagli atomi di analita presenti nel plasma è proporzionale alle loro concentrazioni nella soluzione incognita. Un campione con una concentrazione iniziale incognita [X]i dà un’emissione di intensità IX. L’aggiunta al campione di una concentrazione nota di standard S (quindi di una concentrazione nota di analita) determina un aumento dell'intensità di emissione osservata che ora è IS + X. Poiché l'emissione è proporzionale alla concentrazione dell’analita, si può affermare che: concentrazione dell’analita nell’incognito segnale dell’incognito = concentrazione dell’analita e dello standard nella miscela segnale della miscela Equazione delle aggiunte standard: dove: [X]i = concentrazione dell’analita nel campione iniziale incognito [X]f = concentrazione dell’analita dopo le aggiunte standard [S]f = concentrazione dello standard dopo l’aggiunta del campione incognito

ARPAC

Determinazione dei metalli nei molluschi eduli lamellibranchi Tra le principali applicazioni dell'assorbimento atomico, abbiamo il dosaggio degli elementi in traccia nei molluschi eduli lamellibranchi, nell'attuazione dei seguenti decreti: DL n. 152 11/05/99 Allegato II - Sezione C. Riporta i criteri e le metodologie per il rilevamento delle caratteristiche qualitative ed il calcolo delle conformità delle acque destinate alla vita dei molluschi. DL 30/12/92 n. 530 Riporta le norme sanitarie applicabili alla produzione e commercializzazione dei molluschi bivalvi vivi. Per i metalli pesanti, fissa i seguenti limiti: mercurio: non oltre 0. 5 ppm nella polpa di mollusco; piombo: non oltre 2 ppm nella polpa di mollusco. Altri parametri chimici da indagare nella polpa dei molluschi sono Ag, As, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn.

Esempio: determinazione Pb Pb - valore imperativo nella polpa del mollusco 2 ppm