Gianfranco Blasi Arpalazio Rieti Formazione sulle tecniche di estrazione e preparazione del campione...

Gianfranco Blasi Arpalazio Rieti

Formazione sulle tecniche di estrazione e preparazione del campione su matrici ambientali e alimentari

Rieti 26 - 27 Novembre 2009

Formazione sulle tecniche di estrazione e preparazione del

campione su matrici ambientali e alimentari

Gianfranco Blasi - Arpalazio RietiGianfranco Blasi - Arpalazio Rieti 2

SPETTROFOTOMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO

Gianfranco Blasi - Arpalazio Rieti 2


Assorbimento Atomico


La spettrofotometria di assorbimento atomico (Atomic Absorption Spectrophotometry, AAS) è una delle tecniche maggiormente usate nell’analisi degli elementi in tracce (soprattutto metalli) in matrici di ogni genere, da quelle di interesse ambientale, come acque e terreni, fino agli alimenti e le leghe metalliche. E’ una tecnica spettroscopica basata sullo scambio di energia tra radiazione (luce) e sostanza (particelle assorbenti).


Assorbimento atomico


Questa tecnica si presta, in linea di principio, all’analisi sia qualitativa che quantitativa degli elementi, ma, di fatto, viene usata quasi esclusivamente per l’analisi quantitativa.


Assorbimento atomico

In pratica, l’elemento in esame viene atomizzato e bersagliato con radiazioni di lunghezza d’onda opportuna, per effetto dell’assorbimento atomico, l’intensità del raggio diminuisce e l’attenuazione può essere correlata alla concentrazione dell’elemento nel campione mediante un’equazione matematica.


Assorbimento atomicoL’assorbimento atomico sia pure in un intervallo di linearità abbastanza ristretto segue una legge analoga alla legge di Beer, che si può rappresentare:

A = xbN dove x è il coefficiente spettrale di assorbimento atomico; b lo spessore dello strato assorbente (il cammino ottico); N il n° totale di atomi liberi.



Schema GFAAS - fornetto



Schema FAA - FIAMMA

1)lampada a catodo cavo -2)chopper - 3) lampada deuterio – 4) sistema di specchi - 5)bruciatore fiamma o fornetto di grafite – 6)monocromatore 7)detector



Sorgente La più usata è la lampada a catodo cavo: è costituita

da un bulbo in vetro, con finestra di quarzo in cui al suo interno contiene un catodo e un anodo; l’ambiente interno e riempito di gas (Ar o Ne). Il catodo e costituito da una capsulina, la quale nel fondo contiene l’elemento caratterizzante della lampada.

9Gianfranco Blasi - Arpalazio Rieti


Chopper


La luce dalla sorgente viene modulata

(pulsata) mediante un chopper, in modo da

distinguere la luce emessa dalla lampada

dalla luce emessa dall’atomo eccitato.


Monocromatori e sistema otticoIl monocromatore è un sistema che permette di selezionare una sola lunghezza d'onda (o un range ristretto di lunghezze d'onda) di interesse per l'analisi che si vuole effettuare. Si basa sui fenomeni di diffrazione della luce, grazie a una serie di dati che imposta l'operatore il monocromatore, tramite una serie di specchi e lenti mobili, può isolare una sola componente cromatica (ovvero lunghezza d'onda) per poi utilizzarla.


http://it.wikipedia.org/wiki/Lunghezza_d%27onda


Rivelatori e sistema di letturaIl rilevatore è "l'organo sensoriale" dello strumento. Questo è quasi sempre un fotomoltiplicatore, ma può essere anche sostituito da fotodiodi o fotocellule nei casi in cui l'intensità della radiazione elettromagnetica sia molto forte (vedi Laser) o quando non si richiede una particolare accuratezza analitica. Il fotomoltiplicatore ha, il compito di trasformare il segnale luminoso dato dalla radiazione elettromagnetica in un segnale elettrico utilizzabile dal sistema di elaborazione.


http://it.wikipedia.org/wiki/Fotomoltiplicatore

http://it.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo

http://it.wikipedia.org/wiki/Fotocellula

http://it.wikipedia.org/wiki/Laser

Gianfranco Blasi - Arpalazio Rieti

Il sistema di elaborazione

Il sistema di elaborazione è generalmente un PC interfacciato con appositi hardware allo strumento. Un software permette all’operatore di comunicare e quindi gestire le varie fasi , dall’impostazione della metodica analitica all’elaborazione dei dati.



Vari tipi di atomizzatore

Esistono vari tipi di sistemi di atomizzazione: Atomizzazione mediante fiamma; Atomizzazione

mediante fornetto di grafite; Atomizzazione mediante vapori freddi.

Il fornetto di grafite fornisce una maggiore sensibilità rispetto alla fiamma, consente di abbassare notevolmente (1000 volte) i limiti di rivelabilità, inoltre consente di lavorare su aliquote molto piccole di campione ma ha tempi di analisi molto più lunghi. Il metodo vapori freddi è molto utilizzato nell'analisi del mercurio.


http://it.wikipedia.org/wiki/Mercurio_(elemento)


Atomizzazione a fiamma


Nel dispositivo di atomizzazione a fiamma, una soluzione di campione, viene aspirata nel nebulizzatore (dove si trasforma in aerosol), trasportata da un gas comburente (aria o protossido d'azoto) all'interno di una camera di premiscelazione (dove trova un dispositivo di abbattimento gocce), e mescolata con il gas combustibile. Nella testata del bruciatore si avranno infine, la combustione e l'atomizzazione


Tipi di Fiamma


Fiamma aria-acetilene – generalmente sufficiente per atomizzare la maggior parte degli elementi, utilizza una testata da 10 cm, con singola o tripla fenditura, raggiunge una temperatura pari a circa 2300°C.

– Fiamma protossido di azoto – acetilene – utilizzata per gli elementi che formano composti molto stabili alle alte temperature e quindi difficile da atomizzare (Al, Ba, V, Ti, Si, Zr). La testata è di 5 cm e la temperatura raggiunge i 2800°C.


Fornetto di grafiteLa misura di assorbimento viene fatta sui vapori atomici che si liberano rapidamente nello stadio finale del riscaldamento. Il segnale che si ottiene è un picco la cui area (altezza) è direttamente proporzionale alla massa dell’analita.



Fornetto di grafite


Il riscaldamento del tubo di grafite è programmato con una sequenza di riscaldamento a step successivi: uno primo step per disidratare il campione (100-120°C), un secondo di pirolisi per incenerire il campione ed allontanare la matrice organica (200-600°C) ed un terzo step di atomizzazione a temperature elevatissime. Il programma di riscaldamento è specifico per il tipo di analita e l’atomizzazione è ottenuta in presenza di un flusso di argon per prevenire l’ossidazione della grafite e la formazione di composti refrattari.

Fornetto di grafite Il segnale che si ottiene è un picco la cui area (o altezza) è

direttamente proporzionale alla massa dell’analita presente allo stato atomico nel tubo di grafite; l’intervallo di linearità, è in genere più ampio di quello della classica spettrofotometria in fiamma. L’area del picco fornisce migliori risultati perché rappresenta l’intera popolazione di atomi del campione prelevato per analisi e quindi non dipende dal tempo necessario per la completa atomizzazione di quest’ultimo. L’altezza del picco, invece, dipende dalla concentrazione massima di atomi presenti nel fornetto durante lo stadio di atomizzazione, che risente in modo significativo dalla matrice.



Atomizzazione a vapori freddiDeterminazione del mercurio

Facendo reagire il campione con una soluzione di Sodio Boro Idruro (o cloruro stannoso) si riduce allo stato elementare il metallo. I vapori di Hg sono quindi trasportati da un flusso di gas inerte in una cuvetta alloggiata nel banco ottico dello spettrometro. Dalla misura del segnale di assorbanza a 253,7 nm si ricava la concentrazione mediante confronto con una curva di calibrazione ottenuta con soluzioni a concentrazioni note comprese nel campo di indagine analitica. il sistema permette di valutare concentrazioni dell'ordine dei decimi di microgrammi litro.



MERCURIO



Assorbimento di fondo• Le interferenze derivanti dall'assorbimento di radiazioni da

parte di molecole e radicali presenti nella fiamma sono dette anche non specifiche. Questo assorbimento si somma a quello specifico del solo analita ed è detto assorbimento del fondo.

• L'assorbimento di fondo abbassa l’intensità della radiazione emessa dalla lampada a catodo cavo e per eliminarlo si utilizza: – la lampada al deuterio nel caso che la lunghezza d'onda

dell'analisi sia nell'UV– l’effetto Zeeman nel caso che si lavori con il fornetto di

grafite munito dell'apposito dispositivo, o più semplicemente con il metodo delle aggiunte.

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Sorgente continua lampada D2• Per superare il problema deve essere disponibile uno

strumento doppio raggio nel quale affiancare una sorgente continua al deuterio (banda passante 0,2 nm) alla normale sorgente a catodo cavo (banda passante 0,002 nm).

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La correzione dell’assorbimento dovuto a speci non-atomiche (background) viene eseguita con lampada al deuterio attraverso comparazione elettronica dei due segnali:

Lampada HCL ABS totale

Lampada D2 ABS Bakground

ABS Corretta = ABS totale - ABS Bakground

ABS Corretta = ABS lampada HCL - ABS lampada D2

Correzione rumore di fondo



Correzione del rumore di fondo


Sistema Zeeman – Il sistema fa un confronto tra l'analisi effettuata normalmente, e l'analisi effettuata con l'applicazione di un campo magnetico. Applicando un campo magnetico infatti, le righe di assorbimento risentono dell'effetto Zeeman e si suddividono in tre compenti, solo quella centrale però ha lunghezza adatta per indurre l'assorbimento. Questa riga però è polarizzata in direzione perpendicolare alla riga emessa dalla lampada e quindi quest'ultima subisce solo l'assorbimento di fondo (non polarizzato).

Effetto ZEEMAN• Questo sistema presenta numerosi vantaggi: • si possono correggere assorbanze specifiche

maggiori di due unità; • la correzione dell’assorbimento di fondo viene

effettuata alla stessa lunghezza d’onda della riga di risonanza, eliminando qualsiasi errore di misura;

• la correzione non risente di assorbimenti di fondo a struttura fine;

• si possono correggere anche le interferenze spettrali, se cadono a una distanza maggiore di 0,02 nm.



Esempio fasi atomizzazione



Risposta strumentale

standard Cd 2µg/L



Curva taratura strumentale



Suolo La Comunicazione della CE - COM(2002)179 - afferma che

“l’introduzione di contaminanti nel suolo può danneggiare o distruggere alcune o diverse funzioni del suolo e provocare una contaminazione indiretta dell’acqua. La presenza di contaminanti nel suolo oltre certi livelli comporta una serie di conseguenze negative per la catena alimentare e quindi per la salute umana e per tutti i tipi di ecosistemi e di risorse naturali. Per valutare l’impatto potenziale dei contaminanti del suolo, è necessario non solo valutarne la concentrazione, ma anche il relativo comportamento ambientale e il meccanismo di esposizione per la salute umana e degli ecosistemi”.


SuoloLe metodologie di analisi dei metalli pesanti nel suolo, normate dal DM 13/09/99 n. 185 GU N. 248 del 21/10/1999-Metodi ufficiali di analisi chimica dei suoli, sono di fondamentale importanza per controllare l’inquinamento ambientale provocato dall’accumulo di questi elementi chimici e per definire gli interventi da attuare per ridurre gli effetti tossici negli ecosistemi naturali ed agrari.Per i campioni di suolo la determinazione di tutti gli analiti deve essere effettuata sulla frazione granulometrica passante al vaglio di 2 mm, ed i risultati ottenuti vanno riferiti al peso secco del suolo passato a tale vaglio.


TERRE E ROCCE DA SCAVO

L’art 186 del D.Lgs 152/06 disciplina le terre e rocce da scavo e all'effettivo utilizzo per reinterri, riempimenti, rilevati e macinati che possono costituire rifiuti se provenienti da sito potenzialmente inquinato (un’area sottoposta a bonifica e/o a caratterizzazione) e quindi soggette ai controlli Arpa.



I LICHENI


I licheni, sono strutture vegetali che originano dalla simbiosi di un fungo ed un alga, da ciò derivano caratteristiche uniche che determinano una particolarmente sensibilità all’inquinamento.


I LICHENI


dipendono quasi esclusivamente dall’atmosfera per il proprio nutrimento (si possono infatti veder crescere anche su rocce), e, a differenza delle piante, non hanno meccanismi di difesa come cuticola o stomi per proteggersi da eventuali sostanze tossiche presenti.


I LICHENI


Agiscono come spugne, assorbendo dall’atmosfera, insieme all’umidità, anche tutte le sostanze presenti. Alga e fungo vivono in un equilibrio che la presenza delle sostanze inquinanti perturba, condizionando sopravvivenza e crescita del lichene.


I LICHENI


Per questa ragione i licheni sono sempre più studiati ed utilizzati come preziosi bioindicatori, cioè come indicatori viventi dei livelli di inquinamento atmosferico


I LICHENI


I licheni agiscono anche come bioaccumulatori, infatti, non potendole utilizzare, accumulano notevoli quantità di sostanze tossiche, l’analisi chimica di quello che si trova nei licheni fornisce molte indicazioni su ciò che c’è o che c’era nell’aria, e quando le concentrazioni sono troppo elevate il lichene muore.


I LICHENI


Da quanto detto appare chiaro che i licheni assumono ciò che di buono o cattivo capita a loro portata, sono sensibili a tutti i contaminanti più comuni e più tristemente famosi quando si parla di inquinamento: anidride solforosa, ossidi di azoto, e poi i metalli pesanti come piombo, rame, nichel, cadmio, zinco.


MITILI

La caratteristica più importante, che la specie scelta come bioindicatore deve presentare, è la mancanza di meccanismi biochimici o fisiologici in grado di regolare le concentrazioni tissutali dei contaminanti. In questo modo, infatti, l’organismo concentra queste sostanze nei propri tessuti in maniera proporzionale al loro livello ambientale



MITILI I principali vantaggi offerti da un programma di

monitoraggio condotto mediante l’utilizzo di bioindicatori si possono riassumere nei seguenti punti:

- valutazione del grado di contaminazione dell’area costiera secondo una misura “integrata nel tempo” e non riferibile, quindi, al solo momento in cui è stato effettuato il prelievo;

- possibilità di evidenziare facilmente gradienti di inquinamento sia in senso spaziale che temporale, nonché di effettuare confronti tra aree geograficamente distanti



MITILI

- stima della “biodisponibilità” delle sostanze tossiche presenti nell’ambiente marino e valutazione del rischio legato al trasferimento di questi elementi attraverso le catene alimentari.



MITILI

La specie sicuramente più utilizzata a livello mondiale per questo tipo di studi è il mitilo comune (Mytilus galloprovincialis), per il quale la letteratura internazionale offre numerosi dati di riferimento ed indicazioni sulle principali variabili biologiche da considerare nella interpretazione dei dati.



MITILI

dopo il prelievo, i campioni destinati allo studio del bioaccumulo possono essere mantenuti refrigerati a circa 4°C, in ambiente umido ma non immersi in acqua, fino a un massimo di 24 ore dal momento del prelievo; oppure possono essere congelati a -20°C per tempi di analisi più lunghi.



Analisi del contenuto di metalli pesanti in Mytilus galloprovincialis

Il metodo prevede la digestione dei campioni con opportune soluzioni acide mediante sistema chiuso, a microonde. Il contenuto dei metalli è determinato per spettrofotometria ad assorbimento atomico con atomizzazione a fiamma o termoelettrica. Per il mercurio si utilizza la tecnica dello strippaggio a vapori freddi previa riduzione del mercurio con cloruro stannoso o sodio boridruro.



Esempio di preparazione della soluzione per la mineralizzazione con forno a microonde

Indipendentemente dalle metodologie ed apparecchiature utilizzate per la mineralizzazione dei campioni e la determinazione degli elementi, nel rapporto di analisi devono essere specificati il limite di rilevabilità della metodica utilizzata e le percentuali di recupero dei singoli elementi (accuratezza) rispetto a matrici organiche certificate.



Esempio di preparazione della soluzione per la mineralizzazione con forno a microonde

• Trasferire circa 0,3 g di campione (sostanza secca) nell’apposito contenitore.

• Addizionare 7 ml di HNO3 e 1 ml di H2O2.• Lasciare riposare dopo l’aggiunta dei reattivi per 15/20

minuti.• Impostare il ciclo operativo appositamente

predisposto.• Dopo raffreddamento travasare in un matraccio tarato

e portare a volume (100ml) con acqua ultrapura.• La prova in bianco viene effettuata con le stesse

modalità operative e con le stesse quantità di reagenti



RIFIUTI La normativa di riferimento a livello nazionale in

materia di rifiuti è rappresentata dal Decreto legislativo n. 152 del 3 aprile 2006, emanato in attuazione della Legge 308/2004 “delega ambientale” e recante “norme in materia ambientale”. Tale Decreto dedica la parte IV alle “Norme in materia di gestione dei rifiuti e di bonifica dei siti inquinati” (articoli 177 – 266) ed ha abrogato una serie di provvedimenti precedenti tra cui il Decreto legislativo n. 22 del 5 febbraio 1997, cosiddetto Decreto “Ronchi”.


http://www.arpa.fvg.it/index.php?id=272


RIFIUTI

• La classificazione dei rifiuti presente nel D.lgs. 152/06 distingue i rifiuti secondo l’origine in: Rifiuti urbani e Rifiuti speciali,

• secondo le caratteristiche di pericolosità in: Rifiuti pericolosi e non pericolosi.

• L’art. 184, comma 5), stabilisce che sono rifiuti pericolosi quelli contrassegnati da apposito asterisco nell’elenco CER2002.


http://www.arpa.fvg.it/index.php?id=421


RIFIUTI

• In tale elenco alcune tipologie di rifiuti sono classificate come pericolose o non pericolose fin dall’origine, mentre per altre la pericolosità dipende dalla concentrazione di sostanze pericolose e/o metalli pesanti presenti nel rifiuto. I "metalli pesanti" sono antimonio, arsenico, cadmio, cromo (VI), rame, piombo, mercurio, nichel, selenio, tellurio, tallio e stagno: possono essere presenti sia puri che, combinati con altri alementi, in composti chimici.



RIFIUTI

Già con il Dlgs 22/97 in Italia incominciò il "nuovo corso dei rifiuti" emanato con l'intento e con la necessità di avvicinarsi alle Direttive europee in materia.

Ma è con l'introduzione del D.Lgs. 36/03 e del Decreto Ministeriale del 13 marzo 2003 che lo scenario dello smaltimento e della classificazione dei rifiuti in Italia è cambiato.


NORMATIVA CONTAMINANTI NEGLI ALIMENTI


Quadro legislativo Regolamento (CEE) n. 315/93 del Consiglio, dell’8 febbraio 1993, che stabilisce procedure comunitarie relative ai contaminanti nei prodotti alimentari (G.U. Serie L n. 37 del 13 febbraio 1993)

Tenori massimi Regolamento (CE) n. 1881/2006 della Commissione del 19 dicembre 2006 che definisce i tenori massimi di alcuni contaminanti nei prodotti alimentari (G.U.U.E. Serie L n. 364 del 20 dicembre 2006) Regolamento (CE) n. 1126/2007 della Commissione del 28 settembre 2007 che modifica il regolamento (CE) n. 1881/2006 che definisce i tenori massimi di alcuni contaminanti nei prodotti alimentari per quanto riguarda le Fusarium-tossine nel granoturco e nei prodotti a base di granoturco (G.U.U.E. Serie L n. 255 del 29 settembre 2007)




Regolamento (CE) n. 565/2008 della Commissione del 18 giugno 2008 recante modifica del regolamento (CE) n. 1881/2006, che definisce i tenori massimi di alcuni contaminanti nei prodotti alimentari per quanto riguarda la definizione del tenore massimo di diossine e PCB nel fegato di pesce. Regolamento (CE) n. 629/2008 della Commissione del 2 luglio 2008 che modifica il regolamento (CE) n. 1881/2006 che definisce i tenori massimi di alcuni contaminanti nei prodotti alimentari.

Campionamento ed analisi Regolamento (CE) n. 1882/2006 della Commissione del 19 dicembre 2006 che stabilisce metodi di campionamento ed analisi per il controllo ufficiale del tenore di nitrati in alcuni prodotti alimentari (G.U.U.E. Serie L n. 364 del 20 dicembre 2006)



Campionamento e analisiRegolamento (CE) n. 401/2006 della Commissione del 23 febbraio 2006 relativo ai metodi di campionamento e di analisi per il controllo ufficiale dei tenori di micotossine nei prodotti alimentari (G.U.U.E. Serie L n. 70 del 9 marzo 2006) Regolamento (CE) n. 333/2007 della Commissione del 28 marzo 2007 relativo ai metodi di campionamento e di analisi per il controllo ufficiale dei tenori di piombo, cadmio, mercurio, stagno inorganico, 3-MCPD e benzo(a)pirene nei prodotti alimentari (G.U.U.E. Serie L n. 88 del 29 marzo 2007) Regolamento (CE) n. 1883/2006 della Commissione del 19 dicembre 2006 che stabilisce metodi di campionamento d’analisi per il controllo ufficiale dei livelli di diossine e di PCB diossina-simili in alcuni prodotti alimentari (G.U.U.E. Serie L n. 364 del 20 dicembre 2006)


Campionamento e analisi Alimenti

Quelli che ha noi interessano maggiormente, visto che

trattano degli unici metalli (Pb, Cd, Hg e Sn) per i quali è

previsto un limite massimo negli alimenti, sono:

Regolamento (CE) n. 1881/2006 che definisce i tenori

massimi di alcuni contaminanti nei prodotti alimentari in

particolare Pb, Cd, Hg e Sn

Regolamento (CE) n. 333/2007 relativo ai metodi di

campionamento e di analisi per il controllo ufficiale dei tenori

di piombo, cadmio, mercurio, stagno inorganico,



In fase di campionamento occorre adottare precauzioni per evitare qualsiasi alterazione che possa incidere sul tenore dei contaminanti, compromettere la determinazione analitica o la rappresentatività dei campioni globali. I campioni devono essere prelevati per quanto possibile in vari punti distribuiti nell'insieme della partita o della sottopartita. Qualsiasi deroga a tale procedura va segnalata nell’apposito verbale


Campionamento e analisi AlimentiL'analista deve garantire che i campioni non subiscano alcuna contaminazione durante la loro preparazione. Se possibile, le apparecchiature e le attrezzature che vengono a contatto con il campione non devono contenere i metalli da determinare e devono essere realizzate con materiali inerti, ad esempio materie plastiche come il polipropilene, il politetrafluoroetilene (PTFE), ecc. La pulizia dovrebbe essere effettuata con acidi per ridurre al minimo il rischio di contaminazione. Per le lame è consentito l'impiego di acciaio inossidabile di elevata qualità.



L’analisi va effettuata su un campione più possibilmente omogeneo e rappresentativo, una cui porzione (±0.5g) viene mineralizzata con acidi altamente ossidanti, in genere HNO3 ed in presenza di H2O2 per garantire la

completa distruzione della sostanza organica. Ottenuta la dissoluzione si porta il liquido ad un volume noto (100 ml) e si procede alla lettura in assorbimento atomico. Vista la complessità delle matrici in esame è opportuno utilizzare i modificatori di matrice.



Il ricorso ad un idoneo modificatore consente di rendere la matrice più volatile o di formare composti più stabili con l’elemento in esame; mediante un opportuno ciclo elettrotermico è possibile allontanare la matrice senza perdere l’analita di interesse. Permettono di ottimizzare le condizioni analitiche consentendo agli strumenti di raggiungere migliori limiti di rilevabilità e di dare una migliore risposta durante l’analisi.


Estrazione e preparazione

La determinazione dei metalli nelle matrici ambientali, solide in particolare, è una combinazione di procedure di digestione con lo scopo di dissolvere il campione per la successiva analisi.




Nel campo nazionale ed internazionale vengono usate diverse tipologie di tecniche di digestione anche in funzione delle diverse matrici. Le tipologie di digestioni variano dalla determinazione totale ottenuta usando la dissoluzione completa della matrice fino alla digestione parziale (con presenza di una frazione residua).




La digestione è quindi una combinazione di un processo di ossidazione della materia organica e dissoluzione/estrazione della parte minerale dove vengono portati in soluzione gli elementi di interesse per la successiva determinazione strumentale.




Le tecniche di digestione nell' analisi di matrici ambientali sono essenzialmente rivolte al trattamento mediante acidi forti o miscele di essi. Vi sono metodi che prevedono l'uso di acidi diluiti e tecniche cosiddette di "fusione" usando acidi e basi concentrate a temperature maggiori di 300°C.




L'acido nitrico concentrato (68%, 16M), è il più comunemente usato per la digestione acida. E’ un forte ossidante usato per la dissoluzione di leghe e campioni biologici, sebbene spesso risulta necessaria l'aggiunta di HCl o HF per completare la dissoluzione di molti metalli e minerali, che formano specie complesse.




In generale l'acido nitrico forma un azeotropo con l'acqua al 68%; HNO3, ha punto d'ebollizione a 122°C. Il punto d'ebollizione relativamente basso fa si che spesso si rende necessaria l'aggiunta di altri forti ossidanti come H202 o HCl04. Le proprietà ossidanti dell' HNO3 vengono a mancare sotto la concentrazione 2 M.




L'acido cloridrico concentrato (36%, 12 M) è un ottimo solvente per molti ossidi di metalli, ma viene raramente usato da solo per la digestione acida. Viene comunemente usato con HNO3 in rapporto 3:1(acqua regia).




L’acido fluoridrico risulta essere l'unico acido capace di dissolvere completamente i materiali a base di silice, come sedimenti, terreni ecc. Solitamente a livello commerciale è disponibile alla concentrazione del 48% corrispondente a 29M




L'acido fluoridrico corrode il vetro, pertanto le mineralizzazioni devono essere condotte in contenitori di plastica, preferibilmente di teflon; è un acido tossico e corrosivo, risulta essere uno dei più pericolosi che si possono usare in laboratorio.




Le ragioni che conducono all'uso delle miscele di acidi possono essere:

- Sfruttare le proprietà di ogni singolo acido che compone la miscela (ad esempio il potere ossidante insieme al potere complessante).

- Due o più acidi hanno un potere reattivo elevato.- Moderare la proprietà di un singolo acido con la

presenza di un altro acido.



TIPI DI MINERALIZZAZIONE

Tra le più comuni procedure di digestione acida (mineralizzazione) vi è la cosiddetta mineralizzazione a ricadere. Questa procedura che ha anche problemi di riproducibilità dovuta alla presenza di metalli volatili che vengono persi durante la mineralizzazione è stata completamente soppiantata dal sistema chiuso in forno a microonde.



MICROONDE-MINERALIZZAZIONE Il più grosso vantaggio della digestione a

microonde è la possibilità di scaldare rapidamente il campione e poter controllare nel migliore dei modi la temperatura e la pressione di reazione; inoltre il sistema chiuso minimizza la perdita di metalli volatili come ad esempio As e Se.



MICROONDE-MINERALIZZAZIONE

Altri vantaggi consistono nell'impiego di un minor volume di acidi e nella notevole riduzione dei tempi. Generalmente si fanno reagire da 0.5g-2g di campione in 6-8ml di acido o miscela acida per 10÷15 minuti.




Il sistema è costituito da più contenitori (max 12), generalmente in teflon (Vessel),nei quali si inserisce il campione e gli acidi necessari alla digestione, la chiusura è ermetica mediante tappo munito di valvola di sicurezza. Il tutto, assemblato nell’apposto rotore viene introdotto all'interno del un forno a microonde e dopo aver collegato i sensori di temperatura e pressione si procede alla mineralizzazione attivando il programma appositamente predisposto.




Finito il ciclo si lascia raffreddare e si procede al recupero del campione portando ad un volume noto (100ml) con acqua ultrapura avendo cura di lavare accuratamente il contenitore. Eventuale presenza di residui insolubili viene rimossa per centrifugazione. La soluzione limpida ottenuta viene portata alla lettura strumentale per determinare la concentrazione dei metalli, confrontando le varie assorbanze ottenute con una retta di calibrazione creata per ogni singolo elemento avendo cura della linearità della stessa nel range in esame. Per concentrazioni che non rientrano nel range di calibrazione si procede alla diluizione dei campioni o all’utilizzo di una lunghezza d’onda meno sensibile


Esempio di mineralizzazione per i sedimentiTrasferire circa 0,5 g del campione di sedimento tal quale nell’apposito contenitore, tolti manualmente eventuali corpi grossolani superiori a 0,5 centimetri. Addizionare 3 ml di HCl e 9 ml di HNO3 e lasciare riposare 15-20 minuti. Eseguire il ciclo operativo appositamente programmato, lasciare raffreddare,addizionare 2 ml di HF, lasciar riposare 15-20 minuti e ripetere il ciclo di mineralizzazione. Dopo raffreddamento aggiungere 30 ml di soluzione satura di H3BO3, trasferire la soluzione in contenitore tarato e portare a volume (100 ml) con acqua ultrapura.La procedura dovrà essere eseguita in doppio per ogni campione.La prova in bianco viene effettuata con le stesse modalità operative sulla soluzione composta da 3 ml di HCl e 9 ml di HNO3 e 2 ml di HF.


Esempio di mineralizzazione per i sedimenti

Tutte le procedure di digestione ed analisi dovranno essere ripetute su campioni certificati. I risultati finali vanno espressi in mg/kg peso secco.I risultati cosi ottenuti sono riferiti ad 1 kg di sostanza secca a 105°C, previa determinazione gravimetrica del contenuto di umidità residua, come indicato dal D.M. 185 del 13/09/99 “Approvazione dei metodi ufficiali per l’analisi chimica del suolo” (Metodo II.2). Le pesate per ottenere il valore di umidità (almeno in doppio) vanno eseguite contemporaneamente a quella per la determinazione dei metalli.


Forno a microonde


Forno a microonde 1)Contenitore in teflon (vessel); 2) Tappo con valvola di sicurezza; 3) Camicia; 4) sensore

pressione; 5) sensore temperatura



Forno a microonde


MICROONDE-MINERALIZZAZIONE Il riscaldamento è ottenuto con un sistema generatore

di microonde ad elevata frequenza 2450 MHZ. Le microonde sono onde elettromagnetiche con una frequenza (al disopra del IR e al disotto delle onde radio) particolare che determina un forte movimento convettivo delle molecole di acqua che si traduce in un riscaldamento rapido e molto efficiente (sono sufficienti pochi minuti di irradiazione con microonde per portare alla temperatura di ebollizione una soluzione)





Generalmente la temperatura massima utilizzata in questa apparecchiatura per evitare la deformazione e la rottura dei contenitori di Teflon è di 240°C ed una pressione limite di 8,3 MPa.


MICROONDE-MINERALIZZAZIONE La determinazione quantitativa degli elementi nelle

soluzioni ottenute con i diversi metodi di mineralizzazione può essere soggetta a diversi errori che sono indipendenti dalla metodologia utilizzata per l’analisi dei metalli pesanti. Gli errori più frequenti sono la presenza di impurezze o contaminazioni provenienti da reagenti o da acidi casualmente contaminati o di bassa purezza, utilizzazione di vetreria non perfettamente pulita, solubilizzazione di elementi dai contenitori di vetro o speciali durante l’attacco acido.




Altre fonti di errore possono essere causate dalla metodologia utilizzata per la digestione del campione: incompleta dissoluzione, perdite di alcuni elementi per volatilizzazione, formazione di complessi refrattari (monossidi) come Al, Ti, Mo e V. Questi errori comportano, generalmente, una sovrastima della concentrazione di alcuni elementi comparati con i contenuti dei CRM (Certified Reference Materials)



Per l'analisi di Campioni reali, sono disponibili Matrici di Riferimento Certificate (CRM-Certified Reference Materials) per la quantificazione ed il monitoraggio di microcontaminanti organici, elementi in tracce (metalli pesanti) e altri composti organici (VOC, COV, TPH, Clorurati, TOC), in Suoli, Sedimenti, Ceneri, Acque di Scarico, Ambiente Marino e Lacustre, Piante, Alimenti etc.


MICROONDE-MINERALIZZAZIONE L’utilizzo di materiali di riferimento certificati

nelle prove di laboratorio assicura che i risultati siano riferibili, ovvero che il risultato finale possa essere messo in relazione con un riferimento riconosciuto (unità di misura primaria); consente inoltre di verificare se la procedura utilizzata è più o meno adeguata allo scopo prefisso.E’ quindi importante per la validazione di un metodo.



L'uso appropriato dei materiali di riferimento certificati ci da la possibilità di valutare la qualità del metodo e del dato analitico, quali la linearità di risposta, l'esattezza, la precisione, l’accuratezza, i limiti di rivelazione e di quantificazione, la selettività e la specificità.


TEST DI CESSIONE PER IL TEST DI CONFORMITÀ

• EN 12457-1:2004 one stage batch test at a liquid to solid ratio of 21/Kg with particle size below 4 mm (without or with size reduction).

• EN 12457-2:2004 one stage batch test at a liquid to solid ratio of lO 1/Kg with particle size below 4 mm (without or with size reduction).

• EN 12457-3:2004 one stage batch test at a liquid to solid ratio of 2 l/Kg anf S1/Kg with particle size below 4 mm (without or with size reduction).

• EN 12457-4 :2004 one stage batch test at a liquid to solid ratio of lO 1/Kg with particle size below lO mm (without or with size reduction).



l quattro test di cessione prevedono l'uso dell'acqua deionizzata e sono molto simili tra di loro. Le differenze riguardano il rapporto liscivante / solido (L / S) che è pari a 2 nel primo test e a 1O nel secondo e nel quarto, ed è costituito da due stadi sequenziali nel terzo. In questa sede tratteremo solo il 2 che è quello più utilizzato.



La NORMA UNI EN 12457-2 Pezzatura del rifiuto

Il materiale viene esaminato nello stato in cui è utilizzato o smaltito e comunque a pezzatura inferiore a 4 mm. La parte di campione con granulometria maggiore di 4 mm se è superiore a14 % viene macinata in un mulino a mascella o a martelli, dopo eventuale essicamento all'aria a temperatura non superiore a 40°C; in nessun caso il materiale deve essere finemente macinato



Condizioni di prova e fase di liscivazione Durante l'esecuzione della prova, la temperatura deve

essere intorno ai 20-25 cc. 100±5 g di campione (rispetto alla massa secca)

vengono posti in un recipiente di dimensioni tale da avere il minimo spazio morto possibile (es. bottiglie da 1l di polietilene) e si aggiunge acqua in modo tale da ottenere un rapporto liquido I solido pari a 1O ± 2% I/Kg. Si agita per 24 ±0.5 ore utilizzando dispositivi che prevedono la rotazione della bottiglia sull'asse verticale



Fase di separazione liquido /solido Si lascia decantare la sospensione per 15 ± 5 min e si filtra

l'eluato su una membrana filtrante da 0.45 µm di 47 mm di diametro sotto vuoto o a pressione, senza risciacquare il filtro. Se la filtrazione non risulta possibile in meno di un' ora con una velocità di flusso di almeno 30 ml/ cm2

ora, si deve adottare una procedura di separazione liquido-solido alternativa che andrà poi descritta nel rapporto di prova. Se per le caratterizzazioni analitiche serve una quantità di eluato inferiore al totale filtrabile, è possibile evitare di separare tutto l'eluato.


DETERMINAZIONE DEGLI ANALITI NEGLI ELUATI

Gli eluati vengono determinati per il loro contenuto totale utilizzando, per i metalli, la tecnica della spettrofometria per assorbimento atomico. Dalla misura del segnale di assorbanza, alla specifica lunghezza d’onda, si ricava la concentrazione mediante confronto con una curva di calibrazione ottenuta con soluzioni a concentrazioni note comprese nel campo di indagine analitica.


DETERMINAZIONE DEGLI ANALITI NEGLI ELUATI

Tabella metodi di prova unificati

Gianfranco Blasi Arpalazio Rieti Formazione sulle tecniche di estrazione e preparazione del campione...

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