ANALISI CHIMICA E DETERMINAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DEGLI ELEMENTI

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1 3 ANALISI CHIMICA E DETERMINAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DEGLI ELEMENTI 3.1 Analisi chimica Il materiale, preparato secondo le metodiche descritte, è stato seccato a 45 C per 48 ore. Si è seccato un sottocampione a 105 C per valutare la perdita d acqua e poter in seguito riferire le concentrazioni degli elementi in traccia al peso secco. I tessuti seccati a 45 C sono stati poi macinati in un mulino con corpo in agata (granulometria inferiore a 125 µm). Circa 500 mg del campione così macinato si sono accuratamente pesati con una bilancia analitica. Al campione macinato sono stati aggiunti 7 ml HNO 3 e 3 ml H 2 O 2. Si è proceduto successivamente alla mineralizzazione in forno a microonde secondo la procedura indicata in tab. 3.1 Tabella Condizioni operative di funzionamento del forno a microonde Potenza (w) Tempo (minuti) Ventilazione 29

2 Al termine del trattamento di mineralizzazione il campione, raffreddato in bagno ad acqua, è stato aperto con cautela per evitare il rilascio di vapori acidi. Si è portata la soluzione a volume finale di 50 ml con acqua deionizzata. Gli elementi in traccia nella soluzione così ottenuta possono essere determinati con le seguenti tecniche: AAS fiamma AAS con fornetto in grafite AAS solido/liquido per la determinazione di Hg FRX ICP-MS Principio di funzionamento dello strumento In questo lavoro è stata utilizzata la spettrofotometria di assorbimento atomico: una delle tecniche più usate per l analisi degli elementi in tracce (soprattutto metalli) in matrici di ogni genere, da quelle ambientali, come acque e terreni, fino agli alimenti e alle leghe metalliche. Questa tecnica si presta ad analisi di tipo sia qualitativo che quantitativo degli elementi, ma di fatto è usata quasi esclusivamente per quella quantitativa. 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. L assorbimento atomico sia pure in un intervallo di linearità abbastanza ristretto segue una legge analoga alla legge di Beer, descritta per l assorbimento molecolare. Per un generico elemento eccitato da una radiazione monocromatica i cui atomi siano dispersi in fase gassosa. 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. Per quanto riguarda gli elementi determinabili, i limiti sono essenzialmente strumentali e derivano dall assorbimento dell ossigeno dell aria e, soprattutto, dal fatto 30

3 che, con il sistema di atomizzazione a fiamma, i gas caldi assorbono le radiazioni in determinate regioni spettrali. Ogni elemento ha un determinato n di elettroni, che lo caratterizza. Poiché nello stato fondamentale gli elettroni occupano gli orbitali disponibili secondo una specifica configurazione (quella di minima energia), l insieme delle possibili transizioni elettroniche verso orbitali più esterni è caratteristico di ciascun elemento. Ogni transizione corrisponde all assorbimento di una precisa energia e produce una riga spettrale con una caratteristica lunghezza d onda. La spettrofotometria di assorbimento atomico (A.A.S.) è una tecnica spettroscopica basata sullo scambio di energia tra radiazione (luce) e sostanza (particelle assorbenti). Lo strumento, il cui funzionamento viene rappresentato in fig. 3.1, è costituito da: S (sorgente): è una lampada a catodo cavo (HCL) con bulbo di vetro in cui è inserito argon (o qualsiasi altro gas nobile), contiene una lamina curva dell elemento che si intende analizzare. Con una scarica elettrica si determina la ionizzazione dell argon che, a sua volta, porta la lamina metallica alla sublimazione. Gli ioni eccitati prodotti dalla lamina, per tornare allo stato fondamentale, emettono fotoni. Tutte le sorgenti per assorbimento atomico si basano sul principio di eccitare gli atomi dell elemento da analizzare in modo che emettano radiazioni alle caratteristiche lunghezze d onda queste vengono poi assorbite poi dal campione allo stato di gas atomico. A (atomizzatore): trasforma le specie in esame da ioni metallici in soluzione a metalli allo stato elementare (gassoso). L analita è costituito da metalli in soluzione, estratti dalla matrice muscinale, che per essere analizzati devono essere portati allo stato atomico. Una volta allo stato fondamentale, il metallo riceve un fotone dalla sorgente che lo porta allo stato eccitato, da qui torna allo stato precedente consumando il fotone come energia cinetica (urti). L'atomizzazione è la prima fase della tecnica di assorbimento atomico e consiste in una serie di reazioni che portano alla dissociazione termica delle singole molecole o dei singoli ioni in atomi isolati. L'atomizzazione può avvenire nella fiamma, o nel fornetto di grafite. La fiamma in genere è ottenuta in un bruciatore laminare che utilizza una miscela di due gas, comunemente aria/acetilene. La miscela da analizzare nella forma di soluzione è aspirata nel bruciatore dopo essere stata preventivamente nebulizzata, ed alle temperature della fiamma (fra i 2000 e i 3000 C), 31

4 gli equilibri di dissociazione sono in genere fortemente spostati verso la produzione di atomi. Non è raro il caso di sostanze relativamente resistenti per le quali la dissociazione avviene solo parzialmente. Il fornetto di grafite fornisce una maggiore sensibilità rispetto alla fiamma (vedi descrizione di seguito). M (monocromatore): elimina le radiazione che non interessano nella fase di analisi, consente cioè di effettuare una modulazione al fine di distinguere la radiazione emessa dalla sorgente da quella che, inevitabilmente, si genera nel sistema di atomizzazione: la sorgente, infatti, dopo la modulazione genera un segnale pulsato, mentre il monocromatore genera un segnale continuo. Il sistema di rielaborazione dei segnali infine separa i due segnali ed elabora solo quello di interesse analitico (pulsato), eliminando così l interferenza. R (rilevatore): la radiazione monocromatica passa poi al rivelatore che produce una corrente proporzionale all intensità del raggio. Il rivelatore o detector è costituito da un fotomoltiplicatore a banda larga con finestra di trasmissione per i raggi UV. Il voltaggio operativo del fotomoltiplicatore è regolato automaticamente a seconda dell energia della radiazione incidente ed è mantenuto costante sempre in modo automatico utilizzando un AGC (Automatic Gain Contrai). S A M R Figura schema di funzionamento dello strumento In fig. 3.2a e in fig. 3.2b è riportato lo schema del percorso ottico del fascio di luce all interno dello strumento secondo due analoghe rapprentazioni. Nella prima figura si osserva una seconda lampada a fianco della sorgente: a differenza di altre tecniche nelle quali è possibile ottenere con un unica misurazione la concentrazione di tutti gli elementi (ad esempio la Spettrometria di massa), qui è necessario ruotare le lampade, ognuna delle quali solitamente contiene 4 lamine curve degli elementi che si intende analizzare. Nel fornetto di grafite (graphite furnace, fig. 3.2a) la sostanza da analizzare è introdotta, allo stato solido o in soluzione, in un piccolo tubo di grafite che viene riscaldato tramite una resistenza a temperature regolabili per effettuare le tre fasi di essiccamento, incenerimento ed atomizzazione. Il tubo di grafite è attraversato da un flusso di gas inerte che allontana eventuali fumi di combustione che potrebbero 32

5 interagire con la radiazione della sorgente che investe il tubo in direzione longitudinali. Il fornetto di grafite fornisce una maggiore sensibilità rispetto alla fiamma. a) b) Figura Percorso ottico all interno dello strumento La soluzione campione è dispersa nel tubo di grafite (o nella fiamma) dove si formano gli atomi (5), che assorbono la luce proveniente dalla lampada a catodo cavo (1). La radiazione emessa passa attraverso un chopper (2) e, grazie ad un sistema di specchi (4), si scinde in due raggi. Il primo raggio attraversa il fornetto/fiamma e si riunisce al raggio di riferimento, quindi vengono entrambi mandati al monocromatore (6) che seleziona la lunghezza d'onda da analizzare e li rimanda al detector (7) che produce un'intensità di corrente proporzionale all'intensità del raggio incidente. Il doppio raggio serve per prevenire le variazioni di intensità nell'emissione della lampada, mentre il chopper, rendendo modulata la radiazione uscente dalla lampada, permette al detector di distinguerla dalle radiazioni che emette la fiamma e che farebbero aumentare il segnale di intensità che arriva al detector provocando un errore nell'analisi. In fig. 3.3 si riportano le fotografie dello strumento e del laboratorio di analisi ARPA sezione di Parma. 33

6 a) b) Figura 3.3 a) Fotografia dello Spettrofotometro di Assorbimento Atomico; b) Laboratorio ARPA sez. Parma nel quale sono state effettuate le analisi dei campioni Concentrazione degli elementi considerati nei campioni Gli elementi analizzati tra cui i metalli pesanti sono componenti intrinseci della crosta terrestre e quindi possono essere naturalmente presenti nell'aria, nell'acqua e nel suolo, in quantità molto basse. Quantità minime vengono sopportate bene dalla parte biotica dell'ecosistema senza determinare considerevoli modificazioni o danni, ma il progressivo aumento delle attività umane che utilizzano metalli, ha incrementato la concentrazione di questi elementi negli ecosistemi naturali. In rapporto ai possibili effetti sugli esseri viventi, i metalli pesanti si possono distinguere in: metalli ad azione esclusivamente tossica (Pb, Cr, Cd, Sn, Sb, Hg) e metalli essenziali (Foà e Monaco, 1986). Questi ultimi sono caratterizzati, in generale, dalla proprietà di svolgere funzioni essenziali per la vita animale e vegetale, finché la loro concentrazione negli organismi viventi è molto ridotta e quindi non tossica (oligoelementi: Fe, Cu, Zn, Co, Mn, Ni, Al). Dal punto di vista chimico, i metalli pesanti comprendono la maggior parte degli elementi metallici con peso atomico elevato di cui solo alcuni, come il piombo e il mercurio hanno anche massa atomica elevata. In più solitamente troviamo in questa categoria l'arsenico e il selenio che metalli non sono. A livello locale (Pianura Padana) sono considerati molto importanti metalli come rame, zinco, cadmio, cromo e piombo. I primi due hanno come fonte d'origine le 34

7 industrie metallurgiche, industrie galvaniche ed elettrochimiche, sono anticrittogamici largamente utilizzati in vinicoltura e nella coltivazione del pomodoro. Il cadmio è altamente tossico e cancerogeno; causa insufficienza renale e polmonare e riduce lo sviluppo. Viene rilasciato da industrie chimiche ed elettrochimiche (pile Ni-Cd), ceramiche, lavorazioni delle materie plastiche, impianti di cromatura e zincatura e impianti di incenerimento e smaltimento dei fanghi di depurazione. Anche il cromo è fortemente tossico, agisce a livello renale e sui globuli rossi. Ha come fonti principali gli impianti di cromatura. Infine il piombo ha elevata tossicità e si accumula, nei mammiferi, in fegato, rene, midollo osseo, sistema nervoso. Il piombo è stato utilizzato fino alle soglie del 2002 per produrre antidetonanti nelle benzine e ha come fonti principali l'industria della ceramica, delle batterie, della gomma e gli impianti di incenerimento. Nelle schede inserite in Allegato 1 sono indicate per ogni campione le concentrazioni ottenute dall analisi chimica dei 21 elementi presi in considerazione, con le specifiche delle stazioni di campionamento: località della stazione coordinate UTM del campione altitudine sul livello del mare della stazione uso del suolo prevalente E' noto in letteratura che il tessuto delle briofite è uno scambiatore di ioni (Anschütz & Gessner, 1954; Puustjärvi, 1955), come già sottolineato in precedenza. L efficienza di ritenzione decresce nell'ordine: Fe3+> Mg2+, Ca2+> K+, Na+ a concentrazione ambiente come dimostrato per lo Sphagnum da Bell (1959). Per gli ioni dei metalli pesanti invece l'efficienza di ritenzione varia nell'ordine: Cu2+, Pb2+> Ni2+> Co2+> Zn2+, Mn2+ in base agli studi condotti da Rühling & Tyler (1970). L'ordine è valido per un grande intervallo di concentrazioni, sia per gli ioni singoli che in soluzione mista. Il rifornimento dei nutrienti minerali e dei metalli pesanti alle briofite può avvenire nei modi seguenti: 1) Specie che hanno una dipendenza quasi completa dalle deposizioni atmosferiche. Ciò è dovuto alla grande capacità di scambio, l'assenza di cuticola e la semplice organizzazione del tessuto che rendono le briofite incapaci di evitare l'assorbimento e l adsorbimento di metalli pesanti dalle deposizioni atmosferiche. 35

8 Presentano inoltre alto rapporto superficie/volume, o peso, che favorisce l'intrappolamento di particelle, sebbene la velocità del vento o altre caratteristiche del sito ne influenzano l'efficienza. 2) Specie di muschi che dipendono per il rifornimento di nutrienti oltre che dall'atmosfera anche dal substrato. In alcuni muschi viventi su terreni con alte concentrazioni di solubili, avviene un assorbimento di sali metallici dal substrato (Shimwell & Lauria,1972). I sali sono apparentemente trasportati verso l'alto dalla risalita capillare di acqua, attraverso la biomassa. Essendo però in genere nei suoli il contenuto di metalli pesanti in soluzione molto basso, questo meccanismo può divenire irrilevante. L assorbimento di minerali in Hypnum cupressiforme è stato studiato da Rasmussen & Johnsen (1976), i quali hanno concluso che la maggior parte del contenuto di metalli deriva dall'atmosfera e solo una piccola parte dal substrato su cui il muschio vive. 36