Le tecniche per l’analisi di metalli in tracce si sono sviluppate rapidamente in risposta alla crescente necessità di misurazioni accurate con quantità estremamente basse di contenuti in diverse matrici. Secondo la I.U.P.A.C. un elemento è in traccia se ha una concentrazione media inferiore a circa 100 ppm.
L’analisi di metalli in tracce per rilevare elementi presenti in una varietà di matrici a livelli sufficientemente bassi da non poter essere rilevati secondo i metodi tradizionali è stata resa possibile quando i metodi analitici strumentali furono sviluppati per la prima volta nel diciannovesimo secolo.
Esistono molte aree della scienza e dell’industria in cui la presenza di elementi a livelli estremamente bassi, in specie metalli pesanti, può avere un impatto significativo sulla salute umana, sull’ambiente o sull’industria e pertanto si rende necessaria la quantificazione della loro presenza tramite l’analisi dei metalli in tracce.
L’analisi di metalli in tracce viene utilizzata per garantire la conformità ai requisiti legali e alle normative. Nelle industrie farmaceutiche, chimiche e petrolchimiche, l’analisi di metalli in tracce viene utilizzata nel controllo qualità per identificare e misurare i contaminanti metallici in prodotti quali farmaci, fertilizzanti, cosmetici, imballaggi, dispositivi medici, lubrificanti e catalizzatori.
A causa dell’influenza che i metalli possono avere sulle diverse reazioni chimiche, l’analisi di metalli in tracce viene utilizzata anche nella ricerca sulla formulazione chimica e per migliorare i processi di produzione.
Tecniche analitiche per l’analisi di metalli in tracce
La determinazione di quantità molto piccole di impurità di elementi potenzialmente tossici come piombo (Pb), mercurio (Hg), arsenico (As), cadmio (Cd), rame (Cu), nichel (Ni), zinco (Zn) richiede un’elevata sensibilità nelle apparecchiature analitiche.
I metodi analitici comuni utilizzati per l’analisi di metalli in tracce vengono effettuati mediante spettrometria di emissione atomica al plasma accoppiato induttivamente (ICPAES), spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS), spettrometria di assorbimento atomico elettrotermico (ETAAS) e spettrometria di assorbimento atomico di fiamma (FAAS).
Tuttavia, la matrice di molti campioni è complessa e in essa sono presenti elevate quantità di sostanze solide solubili e grandi quantità di composti inorganici come, ad esempio, sali di Ca, K, Na, Mg, cloruri, fosfati e solfati. L’analisi diretta di questo tipo di campioni dà molte difficoltà a causa di interferenze. Pertanto, i campioni devono essere preventivamente trattati prima dell’analisi per eliminare queste specie.
Spettrometria di assorbimento atomico
La spettrometria di assorbimento atomico, sviluppata nel 1950 dal chimico australiano Sir Alan Walsh, è una delle tecniche più convenzionali per la determinazione di metalli in tracce a livello di ppb o ppm a causa della relativa semplicità ed economicità delle apparecchiature.
Nella spettrometria di assorbimento atomico di fiamma (FAAS), un campione viene introdotto in una fiamma dove viene dissociato negli atomi costituenti mediante nebulizzazione con fiamma a temperature elevate. In un tipico strumento FAAS, il campione viene atomizzato, transitando quindi dallo stato fondamentale a livelli energetici più elevati. Nello stato eccitato ogni elemento possiede uno spettro unico che lo distingue dagli altri elementi.
Le linee spettrali sono molto nette in modo tale che raramente si verificano sovrapposizioni e la FAAS sfrutta questo fenomeno per identificare e quantificare questi elementi.
La radiazione elettromagnetica nella parte UV/Vis dello spettro viene diretta attraverso la fiamma e parzialmente assorbita dagli atomi e un rilevatore misura le lunghezze d’onda della luce trasmesse dal campione. La concentrazione viene calcolata in base alla legge di Lambert-Beer. L’assorbanza è direttamente proporzionale alla concentrazione dell’analita che è solitamente determinata da una curva di calibrazione, ottenuta utilizzando standard di concentrazione nota.
La spettrometria di assorbimento atomico elettrotermico (ETAAS) si basa sullo stesso principio della spettrometria di assorbimento atomico di fiamma (FAAS) ma differisce da quest’ultima per l’uso di temperature di atomizzazione molto più elevate, che raggiungono fino a 3000 K.
L’ETAAS è oggi una tecnica consolidata nel vasto campo di applicazione per monitorare la salute sul lavoro e l’inquinamento ambientale. Finora sono stati determinati molti elementi in matrici biologiche come fluidi e tessuti corporei, alimenti e campioni correlati con l’obiettivo di valutare l’esposizione professionale e ambientale.
Spettrometria di emissione atomica al plasma accoppiato induttivamente
La spettrometria di emissione atomica al plasma accoppiato induttivamente (ICPAES), è un metodo eccellente per l’analisi di metalli in tracce a causa della sua elevata sensibilità. Ciò è dovuto alle temperature molto elevate (fino a 10000 K) del plasma utilizzato per l’atomizzazione dell’analita presente in un campione. È un tipo di spettroscopia di emissione che utilizza il plasma accoppiato induttivamente per produrre atomi e ioni eccitati che emettono radiazioni elettromagnetiche alle lunghezze d’onda caratteristiche di un particolare elemento.
In questa tecnica il campione, solitamente allo stato liquido, viene convertito in un aerosol e ionizzato dal plasma costituito da un gas ionizzato, costituito da ioni caricati positivamente ed elettroni liberi. Di conseguenza gli ioni raggiungono gli stati eccitati e poi emettono fotoni ritornando allo stato fondamentale.
Ogni elemento è definito da uno spettro di emissione caratteristico ad una lunghezza d’onda specifica che viene utilizzata per identificarlo, e il numero di fotoni è correlato alla concentrazione dell’elemento nel campione. Tramite questa tecnica è possibile, oltre che l’analisi di metalli in tracce, anche l’analisi di tutti gli elementi, ad eccezione degli alogeni e dei gas inerti
Spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente
La spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS), presenta il vantaggio di avere una capacità multi-elemento, che consente di misurare più elementi contemporaneamente in un’unica analisi. Grazie all’eccellente sensibilità, ai bassi limiti di rilevamento, alla possibilità di determinazione isotopica e al volume ridotto del campione l’ICP-MS, è ampiamente utilizzata in ambito clinico e biologico, alimentare, ambientale, geologico e industriale.
L’analita presente in soluzione è introdotto in un nebulizzatore dove è convertito in un aerosol. Questo è trasportato al plasma in cui gli elettroni a causa dell’energia termica passano dallo stato fondamentale a quello eccitato.
Quando da quest’ultimo stato ricade nello stato fondamentale emette una radiazione caratteristica effettuando un salto quantico da un livello energetico discreto a un altro. La radiazione è rilevata e convertita in un segnale elettrico che è utilizzato per risalire al tipo di analita che ha emesso tale radiazione e dopo la costruzione di una curva di calibrazione alla sua concentrazione.
L’ICP-MS è simile alla spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente ma utilizza uno spettrometro ottico per misurare la luce emessa dagli elementi mentre passano attraverso il plasma fornendo limiti di rilevamento molto più bassi ed è quindi una scelta migliore per l’analisi di metalli in traccia.