Introduzione ai metodi strumentali di analisi. Francesco Nobili

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1 Introduzione ai metodi strumentali di analisi Francesco Nobili

2 Le TECNICHE STRUMENTALI prevedono l acquisizione di un SEGNALE ANALITICO di solito di natura elettrica o meccanica che è espressione di una INFORMAZIONE CHIMICA qualitativa (natura e composizione) e/o quantitativa SEPARAZIONI - DETERMINAZIONI QUALITATIVE - DETERMINAZIONI QUANTITATIVE INDAGINI STRUTTURALI INDAGINI MORFOLOGICHE

3 1) controllo qualità (QC) Scopi ed applicazioni delle Tecniche Strumentali di Analisi - analisi materie prime e prodotti finiti nell industria manifatturiera - analisi impurezze e contaminanti in cibo, acqua e prodotti farmaceutici - analisi al livello di ppb nell industria elettronica - analisi automatizzate durante i processi industriali 2) monitoraggio e controllo di agenti inquinanti o pericolosi - metalli pesanti, composti organici, gas di scarico 3) studi clinici e biologici - analisi chimico-cliniche - raggi X, TAC, risonanza magnetica 4) saggi geologici - inquinamento dei suoli - purezze dei minerali 5) ricerca fondamentale ed applicata

4 Tecniche analitiche e metodi analitici Tecniche analitiche Una TECNICA ANALITICA è un processo chimico o chimico-fisico che può essere usato per fornire informazioni analitiche. Esempi: le TECNICHE SPETTROMETRICHE che prevedono l assorbimento o l emissione di RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA possono fornire INFORMAZIONI QUALITATIVE, QUANTITATIVE e STRUTTURALI, le TECNICHE CROMATOGRAFICHE che sono usate per SEPARARE COMPONENTI DI UNA MISCELA in base alle loro PROPRIETA CHIMICHE e CHIMICO-FISICHE Metodi analitici Un METODO ANALITICO è un insieme dettagliato di istruzioni da seguire passo per passo nell analisi qualitativa, quantitativa o strutturale di un campione usando una specifica tecnica. La descrizione comprende tutti gli aspetti che è necessario definire affinché si possano avere RISULTATI SIGNIFICATIVI, come ad esempio il tipo e la purezza dei reagenti usati, le caratteristiche richieste dallo strumento, la sequenza delle operazioni da effettuare, il tipo di analisi dei dati, ecc Molti metodi sono pubblicati come METODI ANALITICI STANDARD e devono essere adottati affinché determinate analisi abbiano VALORE UFFICIALE

5 Definizione del problema Prelievo e preparazione del campione Esecuzione del saggio analitico Calcolo del risultato Soluzione del problema Il processo analitico Definizione dell informazione desiderata Scelta della tecnica e del metodo Campionamento Preparazione del campione Solido omogeneizzazione Liquido solubilizzazione Gas vaporizzazione Eliminazione degli interferenti Analisi chimica -standard di calibrazione -campione Conversione dati risultati Analisi statistica Interpretazione dati e risultati Presentazione risultati Strumentazione

6 1. Definizione del problema tipo di INFORMAZIONE richiesta livello di ACCURATEZZA e PRECISIONE richiesto problemi PRATICI: costo, tempo, personale, strumentazione, ecc. 2. Scelta della tecnica e del metodo Alcuni aspetti da tenere in considerazione: normative vigenti adeguatezza della tecnica (precisione ed accuratezza ottenibili) sensibilità selettività velocità e costi semplicità del metodo disponibilità della strumentazione

7 3. Campionamento Processo di raccolta di un campione SIGNIFICATIVO per l analisi - Omogeneo se è a composizione costante - Eterogeneo se la composizione varia di punto in punto e voglio un informazione PUNTUALE un campione eterogeneo può essere reso omogeneo se ho bisogno di un informazione MEDIA

8 4. Preparazione del campione - Conversione del campione in una forma adatta all analisi - Separazione dagli altri componenti (MATRICE) Gli step comunemente utilizzati sono: -Dissoluzione o altri cambiamenti di fase -Eliminazione di matrici o interferenti (es. materia organica o acidi) -TECNICHE DI SEPARAZIONE ANALITICA Le tecniche di separazione analitica sono applicate per migliorare due proprietà analitiche fondamentali -SENSIBILITÀ = capacità di rilevare quantità minime di analita tramite preconcentrazione -SELETTIVITÀ= capacità di distinguere due o più analiti tramite eliminazione di interferenti Spesso le tecniche di separazione sono direttamente accoppiate con le tecniche di analisi (es.: cromatografia-massa GC-MS, HPLC-MS)

9 STOCCAGGIO DEL CAMPIONE A meno che l analisi non sia eseguita in-situ, dalla raccolta di un campione alla sua analisi può trascorrere del tempo necessità di un opportuno stoccaggio del campione scelta di un opportuno contenitore e delle appropriate condizioni ambientali Alcuni possibili problemi derivanti da uno stoccaggio non appropriato: 1) Aumento della temperatura perdita di componenti volatili, degradazione chimica o biologica, incremento della cinetica delle reazioni chimiche 2) Diminuzione della temperatura formazione di depositi e precipitati in soluzione separazione delle fasi e perdita di omogeneità 3) Cambiamento di umidità variazione della composizione di campioni igroscopici o liquidi, possibile comparsa di prodotti di idrolisi 4) Esposizione a radiazione UV reazioni fotochimiche, fotodecomposizione, polimerizzazione 5) Contatto con aria ossidazione, aumento dell umidità 1) Tempo prolungato separazione fisica di componenti a diversa densità 1) Contenitori non sigillati perdite di campione, contatto con aria ed umidità 1) Contenitori di materiale non appropriato scambio contenitore-campione (vetro), dissoluzione del contenitore (plastica)

10 5. Esecuzione del saggio analitico analisi QUALITATIVA: determinazione dell IDENTITÀ di un campione o di una delle sue componenti - test sul campione - test su campioni di riferimento - confronto dei risultati - interpretazione dei risultati analisi QUANTITATIVA: determinazione della QUANTITÀ di una o più sostanze - preparazione di standard a composizione nota - CALIBRAZIONE della strumentazione - MISURA del campione - calcolo dei risultati ed eventuale analisi STATISTICA

11 6. Elaborazione e presentazione dei dati, valutazione del metodo Analisi statistica per - calcolare il risultato - calcolare l indeterminazione Stesura di un report - tabella - grafico valore min valore MAX mg /porzione

12 Schema di uno strumento Alimentazione Generatore di segnale segnale analitico Detector / Trasduttore segnale elettrico o meccanico Trattamento dati segnale in uscita Registratore Risultato Esempio: Assorbimento Atomico Fiamma + campione Luce Tubo fotomoltiplicatore corrente 1. Amplificatore 2. Filtro 3. Convertitore corrente voltaggio voltaggio DC 1. Registratore su carta 2. Integratore 3. PC Concentrazione

13 Generatore di Segnale E il campione da analizzare In generale è accompagnato da un sistema che interagisce con il campione mettendolo nelle condizioni di fornire un segnale Ad esempio nella spettroscopia ottica è accompagnato da una sorgente di radiazione elettromagnetica che interagisce con il campione

14 Segnali analitici Tecnica e metodi Segnale osservato Strumento Spettroscopia/ spettrometria Analisi radiochimica Spettroscopia di massa Radiazione elettromagnetica assorbimento emissione diffrazone Decadimento radioattivo alfa beta gamma raggi X Flame Atomic Absorption Spectrometer (FAAS) Graphite Furnace AAS (GFAAS) Atomic Emission Spectrometer (AES) Atomic Fluorescence Spectrometer (AFS) UV-visible Spectrometer X-Ray Difraction IR Spectrometer Scintillation counter Gamma ray spectroscopy Geiger counter Rapporto massa/carica Mass Spectrometer (MS) dei frammenti Microscopia elettronica Elettroni Scanning Electron Microscopy (SEM) Transmission Electron Microscopy (TEM)

15 Segnali analitici - II Tecnica e metodi Segnale osservato Strumento Cromatografia Conducibilità termica dei gas Corrente ionica prodotta bruciando l analita in una fiamma Corrente prodotta dal gas ionizzato Assorbimento di radiazione UV Conducibilità Gas Chromatograph (GC) High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Ion Chromatography (IC) Elettroanalisi Voltammetria Conduttometria Potenziometria Corrente elettrica (da una reazione redox) Corrente elettrica (dagli ioni) in soluzione Attività ionica Hanging Mercury Drop Electrode Dissolved Oxygen Sensor Conductivity Meter/CTD ph Meter and ion selective electrode

16 Detector e Trasdutttori Il Detector rivela il segnale prodotto dall analita Il Trasduttore è un dispositivo che all interno di uno strumento converte un segnale di un tipo in un segnale di un altro tipo Esempi Termocoppia: differenza di temperatura voltaggio Tubo fotomoltiplicaore: luce corrente

17 Dispositivi di lettura e registrazione Spesso comprendono alcune unità di elaborazione del segnale, come Filtraggio Integrazione Dispositivi comunemente usati Registratore di diagrammi (segnale di voltaggio vs. tempo) Integratore (es. area sotto il picco vs. tempo di ritenzione nella cromatografia) Personal computer (segnale mostrato direttamente sul monitor, spesso in real-time, e contemporaneamente registrato su hard-disk)

18 Esempi di componenti strumentali Strumento (Instrument) Fotometro Generatore di Segnale (Signal Generator) Lampada di W, filtro di vetro, campione Segnale analitico (Anlytical Signal) Raggio luminoso attenuato Trasduttore (Input Transducer) Segnale trasdotto (Transduced Signal) Elaboratore del segnale (Signal Processor) Lettura finale (Readout) Fotocellula Corrente elettrica Nessuno Misuratore di corrente Spettrometria di Fiamma, emissione atomica monocromatore, chopper, campione Radiazione UV o visibile Tubo Potenziale fotomoltiplica-tore elettrico Amplificatore, demodulatore Registratore di diagrammi phmetro Campione Attività degli ioni Elettrodi a vetro Potenziale H + elettrico Amplificatore, Display digitale convertitore analogico-digitale Diffrattometro di raggi X Tubo di raggi X, campione Radiazione diffratta Film fotografico Immagine latente Processo di sviluppo Immagini di diffrazione Apparato visivo Luce, oggetti Colore Occhio Segnale elettrico per il nervo ottico Cervello Risposta in colori e forme

19 Introduzione ai metodi strumentali di analisi Francesco Nobili 1

20 Le TECNICHE STRUMENTALI prevedono l acquisizione di un SEGNALE ANALITICO di solito di natura elettrica o meccanica che è espressione di una INFORMAZIONE CHIMICA qualitativa (natura e composizione) e/o quantitativa SEPARAZIONI - DETERMINAZIONI QUALITATIVE - DETERMINAZIONI QUANTITATIVE INDAGINI STRUTTURALI 2 INDAGINI MORFOLOGICHE Le tecniche strumentali di analisi sono tecniche in cui una informazione chimica, di tipo qualitativo o quantitativo, è espressa mediante la variazione di una grandezza fisica o chimico-fisica (es. intensità di una radiazione emessa o assorbita). Questa è infine tradotta in un segnale facilmente monitorabile, di solito un potenziale elettrico, che è registrato da uno strumento che fornisce il risultato. Le tecniche strumentali posso essere applicate a separazioni di miscele complesse (es. gas-cromatografia), a determinazioni quantitative (concentrazione di un analita), qualitative (identificazione di un analita), strutturali (determinazione della disposizione nello spazio di atomi e gruppi funzionali), morfologiche (mappatura di una superficie, stima della granulometria di un campione) 2

21 1) controllo qualità (QC) Scopi ed applicazioni delle Tecniche Strumentali di Analisi - analisi materie prime e prodotti finiti nell industria manifatturiera - analisi impurezze e contaminanti in cibo, acqua e prodotti farmaceutici - analisi al livello di ppb nell industria elettronica - analisi automatizzate durante i processi industriali 2) monitoraggio e controllo di agenti inquinanti o pericolosi - metalli pesanti, composti organici, gas di scarico 3) studi clinici e biologici - analisi chimico-cliniche - raggi X, TAC, risonanza magnetica 4) saggi geologici - inquinamento dei suoli - purezze dei minerali 5) ricerca fondamentale ed applicata 3 Le tecniche strumentali di analisi possono essere applicate ad una grande varietà di problemi, che vanno dalla ricerca di base a controlli, manuali o automatizzati, sulla qualità di materie prime o prodotti finiti nell industria. Inoltre, se opportunamente applicate possono avere valenza legale per l emissione di certificati o per la valutazione della conformità a normative ufficiali. 3

22 Tecniche analitiche e metodi analitici Tecniche analitiche Una TECNICA ANALITICA è un processo chimico o chimico-fisico che può essere usato per fornire informazioni analitiche. Esempi: le TECNICHE SPETTROMETRICHE che prevedono l assorbimento o l emissione di RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA possono fornire INFORMAZIONI QUALITATIVE, QUANTITATIVE e STRUTTURALI, le TECNICHE CROMATOGRAFICHE che sono usate per SEPARARE COMPONENTI DI UNA MISCELA in base alle loro PROPRIETA CHIMICHE e CHIMICO-FISICHE Metodi analitici Un METODO ANALITICO è un insieme dettagliato di istruzioni da seguire passo per passo nell analisi qualitativa, quantitativa o strutturale di un campione usando una specifica tecnica. La descrizione comprende tutti gli aspetti che è necessario definire affinché si possano avere RISULTATI SIGNIFICATIVI, come ad esempio il tipo e la purezza dei reagenti usati, le caratteristiche richieste dallo strumento, la sequenza delle operazioni da effettuare, il tipo di analisi dei dati, ecc Molti metodi sono pubblicati come METODI ANALITICI STANDARD e devono essere adottati affinché determinate analisi abbiano VALORE UFFICIALE 4 Una prima distinzione da fare è la differenza tra tecniche analitiche e metodi analitici. Una tecnica è un processo chimico o chimico-fisico sfruttato per ottenere l informazione analitica. Ad esempio le tecniche spettrometriche sfruttano l interazione tra radiazione e materia per ottenere informazioni circa la composizione e la struttura di un campione. Un metodo invece è un insieme dettagliato di istruzioni che devono essere eseguite per applicare una tecnica alla soluzione di un determinato problema. Ad esempio, la determinazione mediante assorbimento atomico della concentrazione di Ca in un acqua. In questo caso l assorbimento atomico è la tecnica, mentre la specifica determinazione costituisce il metodo. Un metodo analitico può quindi essere definito come una intersezione tra un problema da risolvere e una tecnica da utilizzare. Affinché un risultato sia significativo, e quindi abbia una valenza ufficiale, è necessario che un determinato metodo, riportato in atti ufficiali, sia seguito passo passo. 4

23 Definizione del problema Prelievo e preparazione del campione Esecuzione del saggio analitico Calcolo del risultato Il processo analitico Definizione dell informazione desiderata Scelta della tecnica e del metodo Campionamento Preparazione del campione Solido omogeneizzazione Liquido solubilizzazione Gas vaporizzazione Eliminazione degli interferenti Analisi chimica -standard di calibrazione -campione Conversione dati risultati Analisi statistica Strumentazione Soluzione del problema Interpretazione dati e risultati Presentazione risultati 5 L applicazione di un metodo comprende quindi tutti i passaggi dell esecuzione di un processo analitico, non solo l esecuzione dell analisi strumentale. Si parte quindi dalla definizione del problema, per passare alle fasi del prelievo e della preparazione del campione in una forma adatta all analisi, all esecuzione del saggio analitico per finire all analisi dei dati e all interpretazione e presentazione dei risultati. Un errata esecuzione di uno solo dei passaggi potrebbe portare ad un risultato affetto da errore sistematico. In particolare, la raccolta e la preparazione del campione, così come la calibrazione della strumentazione, sono step spesso più importanti della mera esecuzione del saggio analitico. Infatti, se un campione non è preparato opportunamente, nessuna strumentazione, per quanto accurata, potrà fornire un risultato attendibile. 5

24 1. Definizione del problema tipo di INFORMAZIONE richiesta livello di ACCURATEZZA e PRECISIONE richiesto problemi PRATICI: costo, tempo, personale, strumentazione, ecc. 2. Scelta della tecnica e del metodo Alcuni aspetti da tenere in considerazione: normative vigenti adeguatezza della tecnica (precisione ed accuratezza ottenibili) sensibilità selettività velocità e costi semplicità del metodo disponibilità della strumentazione 6 Definito il problema (stabilito cioè il tipo di informazione da ricercare e il livello di accuratezza e precisione richiesto) e verificate le risorse a disposizione, si sceglie il metodo più adeguato alla risoluzione dello stesso. Tra gli aspetti da tenere in considerazione, rivestono particolare importanza la sensibilità e la selettività di un metodo verso un dato analita, che ne descrivono le prestazioni. Metodi appropriati alla risoluzione di determinati problemi sono spesso forniti dalla normativa o dai produttori di strumentazioni. 6

25 3. Campionamento Processo di raccolta di un campione SIGNIFICATIVO per l analisi - Omogeneo se è a composizione costante - Eterogeneo se la composizione varia di punto in punto e voglio un informazione PUNTUALE un campione eterogeneo può essere reso omogeneo se ho bisogno di un informazione MEDIA 7 La raccolta del campione è un processo fondamentale per l ottenimento di un risultato significativo. Un campione può essere omogeneo o eterogeneo. Nel primo caso, qualsiasi sia la porzione di campione utilizzata per l analisi, si avrà lo stesso risultato. Se invece il campione è eterogeneo, la sua composizione varierà al suo interno. In questo caso, ci sono due vie: (i) omogenizzare il campione per avere un informazione media; (ii) prelevare diverse porzioni (in maniera casuale o seguendo uno schema di raccolta sistematico) per avere informazioni puntuali. 7

26 4. Preparazione del campione - Conversione del campione in una forma adatta all analisi - Separazione dagli altri componenti (MATRICE) Gli step comunemente utilizzati sono: -Dissoluzione o altri cambiamenti di fase -Eliminazione di matrici o interferenti (es. materia organica o acidi) -TECNICHE DI SEPARAZIONE ANALITICA Le tecniche di separazione analitica sono applicate per migliorare due proprietà analitiche fondamentali -SENSIBILITÀ = capacità di rilevare quantità minime di analita tramite preconcentrazione -SELETTIVITÀ= capacità di distinguere due o più analiti tramite eliminazione di interferenti Spesso le tecniche di separazione sono direttamente accoppiate con le tecniche di analisi (es.: cromatografia-massa GC-MS, HPLC-MS) 8 Spesso il campione deve essere pre-trattato prima di effettuare l analisi (es. cambiamento dello stato fisico in una forma compatibile con la strumentazione, derivatizzazione per modificare le proprietà chimico-fisiche, separazione dalla matrice). Ricordiamo che un CAMPIONE è costituito dall ANALITA, cioè la specie chimica che si sta determinando e dalla MATRICE, cioè tutto quello che non è analita (e può creare interferenze nella misura). CAMPIONE = ANALITA + MATRICE. Le tecniche di separazione analitica permettono di isolare l analita di interesse dalla matrice. Questo permette di concentrarlo e di eliminare specie che potrebbero interferire nell analisi. Di conseguenza, si migliorano sia la SENSIBILITÀ, cioè la quantità minima di analita che può essere rilevata al di sopra del rumore di fondo sperimentale, sia la SELETTIVITÀ, cioè la capacità da parte del metodo analitico di distinguere il segnale dell analita da quello della matrice. 8

27 STOCCAGGIO DEL CAMPIONE A meno che l analisi non sia eseguita in-situ, dalla raccolta di un campione alla sua analisi può trascorrere del tempo necessità di un opportuno stoccaggio del campione scelta di un opportuno contenitore e delle appropriate condizioni ambientali Alcuni possibili problemi derivanti da uno stoccaggio non appropriato: 1) Aumento della temperatura perdita di componenti volatili, degradazione chimica o biologica, incremento della cinetica delle reazioni chimiche 2) Diminuzione della temperatura formazione di depositi e precipitati in soluzione separazione delle fasi e perdita di omogeneità 3) Cambiamento di umidità variazione della composizione di campioni igroscopici o liquidi, possibile comparsa di prodotti di idrolisi 4) Esposizione a radiazione UV reazioni fotochimiche, fotodecomposizione, polimerizzazione 5) Contatto con aria ossidazione, aumento dell umidità 1) Tempo prolungato separazione fisica di componenti a diversa densità 1) Contenitori non sigillati perdite di campione, contatto con aria ed umidità 1) Contenitori di materiale non appropriato scambio contenitore-campione (vetro), dissoluzione del contenitore (plastica) 9 La conservazione del campione è un altro step che va eseguito accuratamente per evitare il deterioramento del campione, che può avvenire per molteplici cause, quali un aumento o una diminuzione della temperatura che possono spostare gli equilibri o degradare il campione, o l esposizione a radiazione UV o aria che possono indurre reazioni indesiderate.

28 5. Esecuzione del saggio analitico analisi QUALITATIVA: determinazione dell IDENTITÀ di un campione o di una delle sue componenti - test sul campione - test su campioni di riferimento - confronto dei risultati - interpretazione dei risultati analisi QUANTITATIVA: determinazione della QUANTITÀ di una o più sostanze - preparazione di standard a composizione nota - CALIBRAZIONE della strumentazione - MISURA del campione - calcolo dei risultati ed eventuale analisi STATISTICA 10 Il saggio analitico è eseguito a fini qualitativi o quantitativi. Nel primo caso si determina l identità del campione, o di una delle sue componenti (analiti), o di alcuni gruppi funzionali di un analita. Nel secondo caso, si determina la quantità di uno o più analiti. In entrambi i casi, vanno effettuate analisi preliminari con campioni di riferimento. Nell analisi qualitativa, si confronta il tipo di risposta (es. lunghezza d onda di assorbimento o forma di uno spettro) del campione incognito con una libreria di risposte di campioni noti, per procedere poi all identificazione per confronto. Nell analisi quantitativa, si effettua una calibrazione preliminare misurando la risposta del metodo a standard a concentrazione nota. Si determina così la RELAZIONE RISPOSTA vs. CONCENTRAZIONE. 10

29 6. Elaborazione e presentazione dei dati, valutazione del metodo Analisi statistica per - calcolare il risultato - calcolare l indeterminazione Stesura di un report - tabella - grafico valore min valore MAX mg /porzione Dopo l elaborazione dei dati, e l eventuale analisi statistica (per determinazioni quantitative) si prepara un report dei risultati sotto forma di tabella, se si vuole dare un informazione completa e precisa ma di interpretazione non immediata, o di grafico, se si vuole privilegiare l immediatezza con cui il risultato è presentato, ma a scapito della precisione. 11

30 Schema di uno strumento Alimentazione Generatore di segnale segnale analitico Detector / Trasduttore segnale elettrico o meccanico Trattamento dati segnale in uscita Registratore Risultato Esempio: Assorbimento Atomico Fiamma + campione Luce Tubo fotomoltiplicatore corrente 1. Amplificatore 2. Filtro 3. Convertitore corrente voltaggio voltaggio DC 1. Registratore su carta 2. Integratore 3. PC Concentrazione 12 Tutte le strumentazioni analitiche presentano lo stesso layout, con componenti che possono variare la loro natura ma che svolgono sempre le stesse precise funzioni. Tra questi, i più importanti sono il GENERATORE DI SEGNALE (cioè il campione, che può interagire con un sistema esterno che lo stimola) e il DETECTOR, che registra il segnale e lo converte in una forma opportuna (di solito un potenziale). L output finale di una qualsiasi strumentazione è il RISULTATO 12

31 Generatore di Segnale E il campione da analizzare In generale è accompagnato da un sistema che interagisce con il campione mettendolo nelle condizioni di fornire un segnale Ad esempio nella spettroscopia ottica è accompagnato da una sorgente di radiazione elettromagnetica che interagisce con il campione 13 Il campione genera un segnale, dovuto ad una variazione di proprietà chimicofisiche. Ad esempio, l attenuazione di bande di radiazione nella spettroscopia infrarossa o l emissione di una particolare radiazione nella spettrometria di emissione atomica. Chiariremo in seguito la differenza tra i termini spettroscopia e spettrometria. 13

32 Segnali analitici Tecnica e metodi Segnale osservato Strumento Spettroscopia/ spettrometria Analisi radiochimica Spettroscopia di massa Radiazione elettromagnetica assorbimento emissione diffrazone Decadimento radioattivo alfa beta gamma raggi X Flame Atomic Absorption Spectrometer (FAAS) Graphite Furnace AAS (GFAAS) Atomic Emission Spectrometer (AES) Atomic Fluorescence Spectrometer (AFS) UV-visible Spectrometer X-Ray Difraction IR Spectrometer Scintillation counter Gamma ray spectroscopy Geiger counter Rapporto massa/carica Mass Spectrometer (MS) dei frammenti Microscopia elettronica Elettroni Scanning Electron Microscopy (SEM) Transmission Electron Microscopy (TEM) 14 A seconda delle proprietà osservate, si possono definire tecniche, metodi e strumentazioni. 14

33 Segnali analitici - II Tecnica e metodi Segnale osservato Strumento Cromatografia Conducibilità termica dei gas Corrente ionica prodotta bruciando l analita in una fiamma Gas Chromatograph (GC) Corrente prodotta dal gas ionizzato High Performance Liquid Chromatography Assorbimento di radiazione UV (HPLC) Conducibilità Ion Chromatography (IC) Elettroanalisi Voltammetria Conduttometria Potenziometria Corrente elettrica (da una reazione redox) Hanging Mercury Drop Electrode Dissolved Oxygen Sensor Corrente elettrica (dagli ioni) in Conductivity Meter/CTD soluzione ph Meter and ion selective electrode Attività ionica 15 Anche i metodi di separazione, come quelli cromatografici, rientrano tra le tecniche strumentali di analisi. 15

34 Detector e Trasdutttori Il Detector rivela il segnale prodotto dall analita Il Trasduttore è un dispositivo che all interno di uno strumento converte un segnale di un tipo in un segnale di un altro tipo Esempi Termocoppia: differenza di temperatura voltaggio Tubo fotomoltiplicaore: luce corrente 16 Il detector raccoglie il segnale proveniente dall analita e, mediante il trasduttore, lo converte in una forma monitorabile e registrabile. Ad esempio, l intensità di un fascio di fotoni può essere convertita in una corrente elettrica da un tubo fotomoltiplicatore, la corrente è poi trasformata in una differenza di potenziale prelevata ai capi di una resistenza. Questo perché i moderni sistemi di elaborazione dati sono equipaggiati di norma con schede di acquisizione dati che registrano segnali sotto forma di potenziale. 16

35 Dispositivi di lettura e registrazione Spesso comprendono alcune unità di elaborazione del segnale, come Filtraggio Integrazione Dispositivi comunemente usati Registratore di diagrammi (segnale di voltaggio vs. tempo) Integratore (es. area sotto il picco vs. tempo di ritenzione nella cromatografia) Personal computer (segnale mostrato direttamente sul monitor, spesso in real-time, e contemporaneamente registrato su hard-disk) 17 I dispositivi di lettura permettono di registrare e rielaborare il segnale. I moderni personal computer consentono, oltre ad un filtraggio hardware o software che migliora la qualità del segnale, di confrontare i risultati ottenuti dal campione incognito con librerie di risultati ottenuti con campioni noti, ai fini dell identificazione. 17

36 Esempi di componenti strumentali Strumento (Instrument) Fotometro Generatore di Segnale (Signal Generator) Lampada di W, filtro di vetro, campione Segnale analitico (Anlytical Signal) Trasduttore (Input Transducer) Segnale trasdotto (Transduced Signal) Elaboratore del Lettura finale segnale (Signal (Readout) Processor) Raggio luminoso Fotocellula Corrente elettrica Nessuno Misuratore di attenuato corrente Spettrometria di Fiamma, emissione atomica monocromatore, chopper, campione Radiazione UV o Tubo visibile Potenziale fotomoltiplica-tore elettrico Amplificatore, demodulatore Registratore di diagrammi phmetro Campione Attività degli ioni Elettrodi a vetro Potenziale H + elettrico Amplificatore, Display digitale convertitore analogico-digitale Diffrattometro di raggi X Tubo di raggi X, campione Radiazione diffratta Film fotografico Immagine latente Processo di sviluppo Immagini di diffrazione Apparato visivo Luce, oggetti Colore Occhio Segnale elettrico Cervello per il nervo ottico Risposta in colori e forme 18 Sono qui riportati i componenti delle strumentazioni più comuni, tutte basate sul layout comune Generatore di segnale Detector/Trasduttore/Eleboratore. Lo stesso tipo di layout può essere applicato allo strumento più sofisticato, l apparato visivo umano. 18