Scientifica Acta 3, Special issue, 70 – 80 (2009)
Chimica
Chimica Analitica
Dipartimento di Chimica Generale, Università di Pavia, Viale Taramelli 12, 27100 Pavia, Italy
Presenta: Antonella Profumo, [email protected]
Il gruppo di ricerca di Chimica Analitica è composto da Maria Pesavento, Antonella Profumo, Giovanni
Spini, Raffaela Biesuz, Giancarla Alberti, Michela Sturini, Lucia Cucca, e da giovani assegnisti e dottorandi: Girolamo D’Agostino, Daniele Merli, Federica Maraschi, Francesca Zavarise, Maria Giovanna
Guiso, Andrea Speltini.
Le principali tematiche affrontate del gruppo di Chimica Analitica dell’Università di Pavia sono: i) Conoscenza, controllo e protezione dell’ambiente: determinazione di sostanze e inquinanti in traccia in matrici
ambientali, in particolare, i metallo-ioni, la loro distribuzione tra fasi, la mobilità, la biodisponibilità e la
tossicità in acque naturali a diversa salinità, in aria, suoli/sedimenti e ambienti di lavoro. Sono anche messi
a punto metodi per la determinazione ambientale di composti organici xenobiotici e loro prodotti di degradazione. ii) Sviluppo di metodi per la determinazione di elementi e loro specie chimiche in acque naturali,
alimenti e bevande. Lo studio della complessazione in soluzione è affrontato con un metodo per competizione attraverso l’adsorbimento di metalli su materiali solidi con proprietà chelanti note e determinate
indipendentemente. iii) Caratterizzazioni di materiali adsorbenti solidi/scambiatori ionici: sintetici (resine a
scambio ionico), parzialmente sintetici (carboni attivi) e naturali (biomasse) e loro modellazione iv) Sensori
- elettrodi a superficie modificata e a recettore. Sono sviluppati sensori con metodi di trasduzione del segnale
di tipo elettrochimico. La selettività è ottenuta tramite modifica della superficie elettrodica per via chimica,
con strati mono o plurimolecolari, con nano strutture quali nanotubi di carbonio, o per deposizione fisica
di film e membrane (drop coating, spin coating e polimerizzazione in situ) e polimeri a stampo molecolare
(MIP: molecularly imprinted polymers).
The main topics of the Unity of Analytical Chemistry are briefly summarized. i) Knowledge, control and
protection of the environment. The research mostly focuses on metal ions, considering their distribution,
bioavailability and toxicity, in natural waters with different salinity, but also in air, soils/sediments and
working area. Analytical methods for organic xenobiotic compounds and their degradation products in
the environment are also developed. ii) Speciation of metals in natural waters and beverages. The study
of metals complexation is faced on the basis of a competition method, by sorbing the metals onto solid
materials with defined sorbing properties. iii) Characterisation of sorbent materials and modelling of the
sorption equilibria. Different solid materials (synthetic products, coals and biomasses) have been characterised determining their thermodynamic and kinetic properties, in order to predict the sorption under different
conditions. iv) Sensors-Electrodes with modified surface. This is a recent topic of our research employing
mainly electrochemical signal transductions (such as potentiometry, voltammetry, crono-amperometry). A
noticeable improvement of the electrochemical response is obtained by chemical modification of the electrodic surface with self assembled monolayers of different substances such as thioderivatized carbon nanotubes
and cyclodestrins, or by coating the surface with highly selective sorbent materials, i.e. molecularly imprinted polymers (MIP) containing sites for a selective recognition.
1 Introduzione
La chimica analitica è la scienza e l’arte della misura delle sostanze chimiche. La rilevanza sociale di questa
disciplina è continuamente aumentata in questi ultimi anni, basti pensare al monitoraggio di processo, alla
tracciabilità dei prodotti e ai controlli di qualità e dei cicli produttivi.
In campo ambientale e territoriale sono richiesti numerosi controlli di un elevato numero di contaminanti tanto in analisi di routine quanto, sempre più frequentemente, per eventi eccezionali quali contaminazioni
accidentali o fraudolente. In campo clinico, il numero di analiti da ricercare in campioni biologici è in continuo aumento. Risposte di tipo chimico analitico sono richieste anche in ambito forense, con esposizioni
mediatiche nuove per questa disciplina. Sempre più spesso si devono conciliare le esigenze di precisione e
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accuratezza con la necessità di fornire risposte rapide, spesso in tempo reale. Si è assistito, di conseguenza,
allo sviluppo di nuove tecniche e metodologie sempre più sofisticate che permettono di risolvere stringenti
problemi di selettività e bassi limiti di determinazione. Questo significa non solo poter disporre di laboratori con costose e raffinate apparecchiature, ma anche di sensori, microchips e strumentazioni per utilizzo
in situ, rapidi, efficienti e a costo contenuto.
Le tematiche sono quindi numerose e tutte di estrema rilevanza, non solo scientifica ma anche con
notevoli ricadute nel sociale: di seguito sono riassunte quelle in cui è impegnato il Gruppo di Chimica
Analitica. Un ambito di ricerca riguarda la chimica ambientale, nel quale da tempo il nostro Gruppo sta
lavorando, sulla determinazione dei metalli e delle specie metalliche nell’ambiente. Su questa ricerca il
Gruppo partecipa al PNRA 2006 (Piano Nazionale Ricerche sull’Antartide) con un programma incentrato
sulla valutazione della speciazione dei metalli in matrici antartiche e sulle interazioni dei metalli tossici
con materiale organico disciolto di origine naturale, quale gli acidi umici e fulvici.
Nel settore delle analisi in situ, rilevanti in campi diversi quali la produzione, il controllo di qualità, la
sicurezza, la chimica clinica, la chimica forense, aderisce al gruppo divisionale “Sensori” della Divisione
di Chimica Analitica della SCI. Costituisce inoltre una Unità di Ricerca del Consorzio Interuniversitario
Nazionale “la Chimica per l’Ambiente” (INCA) e partecipa al gruppo divisionale di Chimica Analitica
dell’Ambiente e degli Alimenti della Divisione di Chimica Analitica della SCI.
2 Tematiche di ricerca
2.1 Conoscenza, controllo e protezione dell’ambiente
L’attività di ricerca è rivolta alla determinazione di sostanze e di inquinanti in traccia in matrici ambientali
con moderni metodi strumentali. Le tematiche di ricerca sono qui di seguito descritte.
• Determinazione dei metallo-ioni in traccia e della loro speciazione, in campioni di interesse ambientale, quali acque naturali, trattate o inquinate.
Allo scopo di meglio valutare gli effetti dei metalli sulla salute dell’ecosistema in generale e della sfera
antropica in particolare, si sviluppano metodi per la determinazione del metallo totale, ma anche della sua
distribuzione tra specie chimiche e tra fasi. In Fig 1 è rappresentata la distribuzione degli ioni metallici
tra varie forme chimico-fisiche in un’acqua naturale. La concentrazione totale dei metalli non è da sola un
parametro sufficiente per una corretta valutazione di caratteristiche quali la mobilità, la biodisponibilità e
la tossicità, ma è fondamentale conoscere anche la distribuzione del metallo fra le varie specie chimiche.
Queste infatti determinano a livello biologico la tossicità e la biodisponibilità e regolano l’ingresso degli
ioni metallici nella catena alimentare. Ad esempio è ben noto che il cromo esavalente è cancerogeno
mentre non lo sono il cromo metallo e il cromo trivalente. Quest’ultimo inoltre, in un corso d’acqua, ha
un destino ben diverso se è presente come ione libero o se complessato da leganti. Anche nel caso di altri
metalli essenziali, come il ferro, l’assorbimento a livello gastroenterico è fortemente legato alla sua forma
chimica, tanto intesa come stato di ossidazione quanto come combinazione con leganti.
Lo studio della speciazione chimica, cioè la distribuzione di un metallo presente in un determinato
campione tra diverse specie [1], ha come obiettivo la distinzione e quantificazione delle diverse forme in cui
si può trovare il metallo nei campioni di interesse, cioè come metallo libero, complessato e nei diversi stati
di ossidazione. La concentrazione totale è data dalla somma di tutte le specie in cui il metallo è presente
in soluzione. Il nostro approccio allo studio della speciazione dei metalli in acque di interesse ambientale
consiste nella separazione delle varie specie su fase solida, soprattutto resine chelanti per quanto riguarda
il metallo libero e complessato in speci labili, e verrà brevemente presentato nel capitolo sulla speciazione
dei metalli in matrici complesse.
Il metodo da noi sviluppato per tali indagini consente di determinare la concentrazione dei metallo-ioni
liberi (non complessati da legante): è questo un parametro molto importante e non semplice da misurare per
le concentrazioni molto basse, dell’ordine di 10−18 - 10−20 M, alle quali questi metallo-ioni sono presenti
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Fig. 1: Distribuzione degli ioni metallici tra varie forme chimico-fisiche in un’acqua naturale.
ad esempio nel caso di Al(III), Cu(II), U(VI) [2, 3, 4]. Questi bassi livelli di concentrazione di metallo
libero rispetto a quello complessato provano la presenza nelle acque naturali di leganti molto forti che
hanno notevoli implicazioni, ad es. nei processi di solubilizzazione e di bioaccumulo degli ioni metallici.
Leganti così forti non erano stati mai prima rilevati in acque naturali, anche perché sono a concentrazione
molto bassa. Con lo stesso metodo, ma utilizzando resine adsorbenti più deboli [3,5], sono stati titolati
anche altri leganti di ioni metallici, molto più deboli, analoghi a quelli precedentemente determinati in
numerose altre ricerche su questo argomento ad es. per Cu e Pb [6,7]. Ulteriori ricerche sono in corso per
approfondire questi argomenti.
In collaborazione con un gruppo di ricerca dell’Università di Lleida è stato anche sviluppato un metodo
elettrochimico (AGNES: Absence of Gradients and Nerstian Equilibrium Stripping) per la determinazione
della concentrazione di metallo libero a concentrazioni molto basse (circa 10 -100 nM), minori di quelle
che si possono misurare con i classici elettrodi iono selettivi (ISE), che potrebbe essere utilmente impiegato
per analisi in acque naturali e soprattutto acque inquinate da metalli [8].
Metodi elettrochimici sono messi a punto per la determinazione di ioni presenti in stati di ossidazione
diversi, tra questi As(III), la specie più tossica tra i vari stati di ossidazione dell’arsenico, è stata determinata
in acque ambientali con un metodo voltammetrico.[9]
-Speciazione di metalli in campioni ambientali solidi: particolato atmosferico e terreni.
Sono state sviluppate metodologie di speciazione di elementi nel particolato atmosferico di ambienti di
lavoro e/o di emissioni. La determinazione delle diverse specie inorganiche in cui un metallo è presente
e alle quali l’uomo può essere esposto, in particolare negli ambienti di lavoro dove questi metalli sono
prodotti o lavorati, è molto importante per una corretta valutazione dell’effetto sulla salute. Per questo
tipo di matrici si sono messi a punto e applicati metodi di dissoluzione sequenziale selettiva. Scegliendo
opportunamente gli estraenti è possibile ottenere soluzioni contenenti, ciascuna, il metallo presente nella
matrice solida in particolari stati di ossidazione e/o specie chimiche. Nelle soluzioni estratte i metalli
sono determinati con tecniche spettroscopiche (FAAS, ETAAS OES-ICP) e/o voltammetriche. I risultati di
queste separazioni portano ad avere informazioni sulla tossicità della matrice, particolarmente importanti
nel caso di emissioni e ambienti di lavoro, dove le concentrazioni dei metalli sono maggiori di quelle nel
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Pre-impattatore (oltre 9.0 µm)
Stadio 1 (6,0 – 9,0 µm)
Stadio 2 (4,6 – 6,0 µm)
Stadio 3 (3,3 – 4,6 µm)
Stadio 4 (2,15 – 3,3 µm)
Stadio 5 (1,08 – 2,15 µm)
Stadio 6 (0,70 – 1,08 µm)
Stadio 7 (0,41 – 0,70 µm)
Stadio 8 (0 – 0,41 µm)
Fig. 2: Distribuzione granulometrica del particolato atmosferico e respirazione.
particolato urbano. Si sono studiati vari metalli, tra i quali il cromo [10], il cobalto [11] , il cadmio [12], il
selenio [13], il berillio [14] , il nichel [15], l’indio [16] , il tallio [17] e attualmente è in studio il vanadio.
La metodica è applicata a materiali di riferimento certificati, per quanto al momento certificati solo per il
contenuto totale di metallo, e a matrici reali.
Applicando analoghi metodi di dissoluzione sequenziale sono analizzati molti elementi e loro specie
chimiche in terreni agricoli e nei prodotti alimentari ivi coltivati, al fine di valutare le ricadute delle emissioni degli impianti industriali, per confronto con analoghi campioni provenienti da terreni non interessati
alle ricadute (bianchi). I risultati sono analizzati con tecniche statistiche multivariate per stabilire la correlazione con le emissioni delle attività industriali che insistono sul territorio. Indagini di questo tipo possono
dare indicazioni del reale impatto ambientale dell’insediamento produttivo rispetto alle caratteristiche litologiche e pedologiche dei suoli. Anche in questo caso, la determinazione delle diverse specie in cui i
metalli sono presenti riveste particolare importanza per valutare bioaccumulo e magnificazione. Estrazioni
sequenziali del terreno in esame consentono di determinare le diverse frazioni, da quella scambiabile a
quella residua più insolubile e sono correlate alle frazioni trovate nei terreni coltivati. L’attività di ricerca
in questo campo è finanziata con contributi di enti e amministrazioni locali.
-Distribuzione nell’ambiente di metalli in traccia provenienti dall’inquinamento atmosferico.
Un altro argomento di indagine in campo ambientale del Gruppo di chimica analitica riguarda la determinazione di elementi in traccia nel particolato atmosferico totale e nelle frazioni granulometriche, importanti nei processi di respirazione dell’uomo. Sono anche considerati particolari bio-indicatori, i licheni,
per lo studio della distribuzione nell’ambiente di metalli provenienti dall’inquinamento atmosferico e la
valutazione della qualità dell’aria in zone remote ad alta quota.
Di grande rilevanza per la valutazione dell’effetto dell’inquinamento atmosferico sulla salute dell’uomo
è la determinazione dei metalli in traccia nelle diverse frazioni granulometriche del particolato atmosferico
(Fig.2) e in particolare del particolato atmosferico più fine, (diametro areodinamico equivalente inferiore a
2,5 µm) che è quello più profondamente coinvolto nella respirazione. [18-22]. Questi lavori costituiscono
una prima banca dati sulla concentrazione di più di 20 elementi in licheni raccolti in zone remote. I valori
dei fattori di arricchimento per elementi quali Pb, Cu, Zn, Cd, As, Sb e Br, suggeriscono che questi elementi
derivano non solo dai suoli locali ma anche da fenomeni di trasporto a lunga distanza e siano di origine sia
naturale sia antropica.
-Determinazione di sostanze organiche di origine antropica.
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Fig. 3: Separazione cromatografica di Fluorochinoloni e loro prodotti di fotodegradazione.
Tra gli inquinanti ambientali sono studiati non solo metalli ma anche sostanze organiche. I farmaci
sono definiti contaminanti emergenti nelle acque a causa della loro incompleta rimozione negli impianti di
purificazione e della loro persistenza nell’ambiente. In particolare gli antibiotici, sia ad uso umano che veterinario, destano preoccupazione perché in grado di indurre resistenza ambientale nei batteri, dare prodotti
di fotodegradazione e di interazione con altri farmaci. Antibiotici ad uso veterinario sono largamente impiegati negli allevamenti bovini e suini (in Lombardia per esempio i fluorochinoloni). I primi risultati sono
riportati in una tesi di laurea e in una presentazione in un convegno internazionale. Sull’argomento è stato
anche presentato un progetto a Expo 2015 in collaborazione con i colleghi del Dipartimento di Chimica
Organica e di Microbiologia che verte sullo studio della localizzazione di farmaci veterinari ad alta persistenza (fluorochinoloni) in Lombardia, in particolare nella zona di alta concentrazione zootecnica e umana
come l’area MI-PV. La ricerca riguarda in particolare lo studio dei principali cammini di degradazione
(Fig 3), gli effetti sulle acque e sulla catena alimentare, sull’attività antimicrobica residua nelle acque e il
relativo impatto sull’ecosistema microbico, con particolare riferimento all’effetto di selezione/induzione
delle resistenze in microorganismi di interesse in patologia veterinaria e umana.
2.2 Speciazione di metalli da soluzioni complesse
I metalli sono generalmente presenti nei campioni complessi in più forme chimiche e in diversi stati di
ossidazione, e questo non soltanto in matrici ambientali, come precedentemente descritto, ma anche ad
esempio nei liquidi biologici o nelle bevande. E’ molto difficile, se non praticamente impossibile, poter
individuare tutte le forme chimiche di un elemento e, a volte, può essere addirittura inutile. Dal punto di
vista tossicologico, ad esempio, le forme chimiche in cui i metalli sono più debolmente legati risultano di
maggiore interesse in quanto sono quelle che più facilmente si dissociano dando il metallo-ione libero, che
è la specie che più facilmente attraversa le membrane biologiche. La scelta del metodo col quale ottenere
informazioni su tale frazione è particolarmente delicata. È necessario, infatti, che la tecnica utilizzata alteri
il meno possibile gli equilibri dei complessi coinvolti e che abbia un limite di rivelabilità adeguato alle
concentrazioni di interesse, che possono essere anche molto basse. Oltre alla stabilità termodinamica è
rilevante anche l’inerzia cinetica delle specie. Specie termodinamicamente labili ma cineticamente inerti
possono non essere importanti per quanto riguarda i possibili effetti tossici del metallo.
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Le tecniche analitiche di indagine che meno influenzano gli equilibri del sistema sono la spettrofotometria e la potenziometria. Il grosso svantaggio di questi metodi è l’elevato limite di rivelabilità che non
consente il loro utilizzo per analisi in tracce, come spesso è necessario nei casi di metalli tossici. Una
valida alternativa consiste nell’uso di metodiche che permettono di separare le varie specie presenti nella
matrice ed è questo l’approccio da noi applicato. In questo caso bisogna tenere ben presente che il sistema
risulta in qualche modo perturbato. Il metodo da noi applicato è basato sull’impiego di resine chelanti per
l’adsorbimento competitivo del metallo-ione libero sui siti complessanti della resina (che possono essere
scambiatori anionici o cationici, forti o deboli) rispetto ai complessanti presenti nel campione reale oggetto
dell’analisi.
Dalla frazione di metallo ione adsorbita dalla resina in condizioni di equilibrio si risale alla concentrazione del metallo libero presente in soluzione e da questa si calcola il coefficiente di reazione collaterale
αM , cioè il rapporto tra la concentrazione di metallo totale e quella di metallo libero in soluzione, che è
una buona misura della stabilità del complesso. [23]
Un punto importante della procedura è la scelta del materiale adsorbente. Questo potrebbe adsorbire
troppo debolmente o troppo fortemente il metallo, tanto da non competere col legante presente nel campione. Tuttavia, attualmente sono commercializzate o si possono sintetizzare vari tipi di resine con proprietà
adsorbenti definite, in modo da poter selezionare quella più adatta al singolo caso.
Interessanti informazioni sui leganti presenti in un campione incognito, cioè la loro concentrazione e la
costante di stabilità del complesso, possono essere ottenute per titolazione, utilizzando il metodo dell’adsorbimento su resina per monitorare la titolazione e calcolando in ogni punto la concentrazione del metallo
ione libero. Il nostro gruppo ha messo a punto un metodo di titolazione in cui invece di aggiungere metalloione alla soluzione, questo viene sottratto tramite adsorbimento su resina. Questo approccio permette di
investigare concentrazioni di metallo ione molto piccole. Il metodo, chiamato “Titolazione con resina”
(Resin Titration, RT) [24,25], consiste nel misurare la quantità di metallo-ione adsorbito (c) al variare del
rapporto V /w, con V = volume della soluzione e w = grammi di resina. La concentrazione di metallo
adsorbito in fase resina dipende dalla stabilità delle specie in soluzione acquosa, determinata dal coefficiente di reazione collaterale αM , e dalle proprietà adsorbenti della resina. Queste ultime sono misurate
dal coefficiente di ripartizione K ∗ [24,25] che è il rapporto tra la concentrazione del metallo in fase resina
e il metallo ione libero in soluzione. K ∗ può essere valutato per ogni particolare insieme di condizioni sperimentali, quando sono noti gli equilibri di adsorbimento dello ione metallico investigato sull’adsorbente
scelto, in base al modello di Gibbs-Donnan per le resine a scambio ionico. La concentrazione del metallo
adsorbito per ogni punto della titolazione (V /w) è infatti data da [26,27]: ctot è la concentrazione totale
di metallo che si adsorbe sulla resina quando αM. V /K*. w è trascurabile rispetto a 1, cioè a valori di V /w
che tendono a 0. Applicando l’equazione precedente è possibile determinare c tot per estrapolazione della
funzione sperimentalec vs. V /w. Per determinare αM, e quindi la concentrazione di metallo libero, deve
essere noto K*. Questo vale anche per il calcolo della concentrazione del metallo-ione libero, che può
essere eseguito in base alla seguente relazione [28], misurando la concentrazione del metallo-ione adsorbito nella resina (c) Attraverso il procedimento di adsorbimento su resina è possibile determinare il valore
di αM solo quando esso cade in un ben preciso intervallo di valori, che dipende strettamente dalla natura
della resina e dalle condizioni sperimentali.
Il metodo RT consente di valutare la concentrazione di metallo totale anche in matrici estremamente
complesse o per campioni non inquinati, dove la concentrazione dei metalli è molto bassa, grazie alla
possibilità, caratteristica delle resine, di separare e preconcentrare i metallo-ioni. Inoltre con una sola
titolazione è possibile effettuare lo studio della speciazione di molti metalli, ossia di tutti quelli per i quali
sono noti gli equilibri di adsorbimento sulla resina scelta per l’indagine.
Questa procedura è stata sviluppata dal nostro gruppo per la determinazione della distribuzione delle
specie di vari ioni metallici (Cu(II), Pb(II), Cd(II), Mn(II), Ni(II), Al(III), U(VI)) in acque naturali [2-4] e
matrici alimentari , tra cui Al(III) nel tè [29] e Cu(II) nel vino [30]. Ad es. in Fig 4 è riportata la curva
ottenuta tramite RT del rame in due campioni di vino bianco dell’Oltrepò pavese a due stadi di lavorazione,
contenenti differenti concentrazioni di Cu(II).
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Fig. 4: Titolazione con resina Chelex 100 di due campioni di vino bianco dell’Oltrepò pavese (pH 3.2).
L’indagine è stata fatta per valutare la possibilità di determinare la concentrazione di Cu(II) libero nel
vino e la sua correlazione con alcune caratteristiche critiche per la conservabilità del vino stesso. Si vede
che immediatamente prima dell’imbottigliamento (campione B) non solo la concentrazione totale di rame
è notevolmente diminuita, ma soprattutto quella del metallo-ione libero è molto bassa.
L’affidabilità del metodo è stata verificata applicandolo a svariate soluzioni sintetiche contenenti leganti
modello[4,30] e per confronto con altre tecniche di speciazione [8].
La nostra ricerca nel campo della speciazione si è recentemente focalizzata sul miglioramento del metodo sperimentale. Ad esempio, si sono considerati adsorbenti che presentano gli stessi gruppi attivi delle
resine, ma immobilizzati su un supporto polimerico inerte in forma di membrana, che verrà ulteriormente
descritta nel paragrafo dedicato alla caratterizzazione dei polimeri. Tali materiali permettono di effettuare
analisi di speciazione con ridotti volumi di campione, quindi adattabili anche ad applicazioni in ambito
biologico, e potrebbero essere utilizzati come “sensori” per determinazioni di metallo-ioni liberi in situ.
Rispetto ai metodi attualmente in uso, di solito di tipo elettrochimico, permetterebbero la determinazione
anche di metallo ioni liberi non elettroattivi, e a bassa concentrazione, in alcuni casi fino a 10−20 M.
2.3 Caratterizzazione di materiali adsorbenti solidi/scambiatori ionici e modellazione
I materiali adsorbenti trovano ampia applicazione in processi di separazione, recupero e depurazione, oltre
che in campo prettamente analitico. Le proprietà adsorbenti di solidi sintetici (resine a scambio ionico), parzialmente sintetici (carboni attivi) e naturali (biomasse) devono essere caratterizzate per gli aspetti
termodinamici e cinetici con lo scopo di ottimizzarne l’utilizzo in diverse condizioni.
Si tratta di sviluppare un modello che caratterizzi in modo univoco la reazione di adsorbimento e che
permetta di prevederla in varie condizioni. Diversi e rigorosi modelli sono stati di volta in volta proposti, e
in particolare molto utile si è dimostrato il modello di Gibbs Donnan per gli equilibri su resine a scambio
ionico. L’idea alla base di tale modello, proposto da Jacob Marinsky [31,32] per descrivere gli equilibri
acido- base fra resine di varia natura e soluzione acquosa, è quella di considerare la fase resina come
una fase acquosa concentrata, separata da un’interfaccia attraverso cui tutti gli ioni possono diffondere ad
eccezione di quelli fissati sullo scheletro della resina. Per ogni coppia di ioni in grado di diffondere da una
fase all’altra si può creare una differenza di potenziale all’interfaccia, detto potenziale di Donnan, dovuto
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alla loro differente mobilità. Ne deriva una rigorosa trattazione termodinamica dell’equilibrio di scambio
ionico anche nel caso di resine complessanti.
Una descrizione dettagliata è reperibile in svariati lavori pubblicati dal Gruppo di chimica analitica
[26,27,33,34] e anche in diverse tesi di laurea. Oltre alla termodinamica della reazione di adsorbimento
sui materiali solidi, che prevede lo studio in situazioni di equilibrio, un altro aspetto che completa la
descrizione dell’adsorbimento di ioni metallici in resina è quello cinetico. La cinetica chimica studia
la velocità delle reazioni allo scopo di individuare i fattori che determinano il tempo di raggiungimento
dell’equilibrio e di svelare il meccanismo di reazione. Esistono diversi modelli cinetici per descrivere
l’adsorbimento di metallo ioni su solidi adsorbenti. Nelle ricerche sviluppate dal nostro gruppo se ne
considerano soprattutto due. Uno è chiamato Homogeneous Particle Diffusion Model (HPDM) e si basa
sull’equazione di Nernst-Planck [35]. Secondo questo modello, sono due i processi che possono limitare la
velocità globale della reazione. Il primo è la diffusione dello ione dalla massa di soluzione (film diffusion)
allo strato di soluzione che circonda la parte esterna dello scambiatore e il secondo consiste nella diffusione
delle specie all’interno dello scambiatore (particle diffusion). Un secondo modello per interpretare le
cinetiche di scambio metallo/resina è [36] chiamato Sharing Core (Shell Progressive) Model (SCM) e
considera l’avanzamento progressivo del fronte dell’analita all’interno della particella di scambiatore.
I solidi adsorbenti maggiormente investigati dal nostro gruppo di ricerca sono senz’altro le resine a
scambio ionico e chelanti in forma di granuli. Per questi materiali sono stati investigati gli equilibri di
adsorbimento di molti cationi metallici tanto in batch che in colonna, procedura quest’ultima molto pratica
per una buona separazione delle fasi [37]. A titolo d’esempio, riportiamo in bibliografia alcuni tra i più
recenti lavori sull’argomento riguardanti gli equilibri di adsorbimento di uranio [4], piombo [38] e metalli
bivalenti [27,34].
Attualmente si sta studiando una nuova tipologia di resine chelanti, cioè membrane (EmporeT M commercializzate dalla ditta 3M) costituite da una resina polimerica (poli[stirene-divinilbenzene]) funzionalizzata con gruppi imminodiacetici e supportata su teflon. Essendo il teflon un materiale estremamente inerte,
ci si aspetta che il comportamento chimico della membrana sia del tutto simile a quello della resina Chelex
100, cioè una resina imminiodiacetica a base stirenica. Il vantaggio pratico derivante dall’utilizzazione
della membrana consiste nella maggiore praticità della separazione delle fasi, con un ridotto rischio di
perdite e di contaminazioni. Alcuni studi preliminari ci hanno permesso di verificare che gli equilibri di
scambio di vari ioni metallici con i gruppi attivi della membrana sono molto simili a quelli precedentemente caratterizzati sulla resina in granuli Chelex 100. Una sostanziale differenza riguarda invece la cinetica
di adsorbimento che risulta molto più lenta rispetto a quella della Chelex 100. Sono stati anche caratterizzati gli equilibri di adsorbimento di metallo-ioni su altri tipi di solidi adsorbenti quali le argille, i carboni
attivi [39] e alcune fasi liquide immiscibili supportate su polimero inerte. Questa indagine è stata svolta
in collaborazione con un gruppo di ricerca dell’Università Politecnica di Catalogna (Barcellona) [40]. E’
stato dimostrato che per adsorbenti fortemente idrofobi, quali le resine impregnate con solventi apolari e i
carboni attivi, il modello di Gibbs-Donnan non è utile.
Attualmente abbiamo spostato l’attenzione anche su altre categorie di biomateriali quali scarti industriali
di aziende locali. In particolare stiamo esaminando pula e lolla di riso, caratterizzando l’adsorbimento
principalmente di metalli, ma valuteremo anche le caratteristiche di adsorbimento di analiti organici, quali
prodotti farmaceutici e molecole inquinanti di interesse ambientale.
2.4 Sensori – elettrodi a superficie modificata e a recettore.
I sensori sono strumenti analitici estremamente efficaci per ottenere informazioni sulla composizione chimica di un sistema, anche molto complesso, e per determinare sostanze in traccia senza necessità di difficili
e lunghe operazioni di separazione e preconcentrazione. La nostra ricerca si è recentemente indirizzata in
questo campo, sviluppando sensori con metodi elettrochimici di trasduzione del segnale (potenziometria,
voltammetria, cronoamperonometria). La selettività è ottenuta tramite modifica della superficie elettrodica
per via chimica, con strati mono o plurimolecolari, con nano strutture quali nanotubi di carbonio, o per
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a
b
Fig. 5: Microscopia di forza atomica (AFM) di a) MWCNT, b) SWCNT.
deposizione fisica di film e membrane (drop coating, spin coating e polimerizzazione in situ). La modificazione della superficie ne migliora la prestazione riducendo le interferenze, poiché porta a una permeabilità
più selettiva, migliora la riproducibilità riducendo l’avvelenamento (fouling) dell’elettrodo e migliora i limiti di rilevabilità e di quantificazione. Di seguito sono riportati i principali tipi di elettrodi chimicamente
modificati (CME) di cui si è occupato il nostro gruppo.
- Monostrati autoassemblati (Self Assembled Monolayer, SAM) di derivati tiolici su superficie d’oro.
Rappresentano uno dei sistemi tra i più semplici e rapidi per preparare elettrodi modificati tramite chemisorbimento di un derivato tiolico, contenente gruppi funzionali o cavità in grado di interagire con l’analita
target. Un elettrodo SAM a cisteamina è stato preparato, caratterizzato e utilizzato per la determinazione
di Cu in campioni di acque naturali [41] mentre la modificazione dell’elettrodo con acidi umici si è rivelata
utile per la determinazione di As(III) [42]. Nitroderivati aromatici sono determinati a concentrazioni di
pochi ppb in campioni ambientali, su un CME con alfa ciclodestrina
- Elettrodi modificati con nanotubi al carbonio. I CNT, scoperti nel 1991 tra i prodotti secondari della
produzione di fullereni, possono essere a parete singola SWCNT o a parete multipla MWCNT. Sono caratterizzati da un elevato rapporto lunghezza/diametro (aspect ratio), che nel caso dei SWCNT arriva a 105 . I
MWCNT hanno spesso un certo numero di imperfezioni nella struttura e diverse forme nella zona terminale. La presenza di questi difetti strutturali rende più facile la funzionalizzazione perché proprio su questi
difetti ci sono i siti particolarmente reattivi. I CNT si prestano alla modificazione degli elettrodi perché
oltre ad essere facilmente derivatizzabili, hanno una elevata azione catalitica che estende la possibilità di
un loro utilizzo per molte sostanze con potenziali redox non facilmente accessibili con gli elettrodi classici.
I SWCNT per la disposizione a foresta si prestano di più per favorire il trasferimento elettronico, mentre
i MWCNT possono essere funzionalizzati in modo da esporre gruppi funzionali selettivi per gli analiti
presenti. (vedi Fig. 5)
Un CME modificato con MWCNT è stato preparato e utilizzato per la determinazione a livelli di ppb di
As(III), As totale inorganico e Bi in acque naturali anche a elevata salinità [43].
Elettrodi modificati con nanotubi di carbonio, illuminati con luce visibile e in presenza di una specie
elettroattiva (acido ascorbico), danno luogo a una fotocorrente persistente, dato che il trasferimento di
elettroni a stati eccitati, promosso dalla luce, favorisce processi redox di sostanze altrimenti difficilmente
riducibili.
Primi screening su elettrodi d’oro modificati con SWCNT, irraggiati da luce visibile e a opportuni
potenziali, hanno dimostrato che l’elettrodo così modificato si comporta da fotodiodo [44]. I risultati sono
interessanti per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici da utilizzare con luce solare, sensori e per ulteriori
applicazioni nelle scienze dei materiali.
- Sensori a recettore chimico e biologico.
Un altro approccio per la modifica di superfici elettrodiche considerato dal nostro Gruppo consiste
nell’uso di membrane sulle quali è bloccato un recettore specifico, ad esempio un anticorpo. [45] Più
recentemente sono state preparate membrane costituite da polimeri a stampo molecolare (MIP, Molecularly
Imprinted Polymers) che funzionano quali recettori biomimetici specifici per l’analita. Contrariamente ai
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Fig. 6: Schema di preparazione di un polimero a imprinting molecolare (MIP).
sensori a biorecettore (enzimi, anticorpi, aptameri) i MIP sono più resistenti, riproducibili e adatti anche
per analiti in fase gassosa. Si è dimostrato come queste membrane si prestino molto bene per la modifica
di superfici elettrodiche, producendo sensori elettrochimici ad elevata selettività.
Oltre allo sviluppo di nuovi sensori, la nostra ricerca è rivolta alla loro implementazione in strumentazione per analisi in situ e all’applicazione nell’ambito della chimica forense.
L’attività in questo campo è finanziata con fondi ministeriali.
La sintesi dei MIP è basata sulla coordinazione della molecola stampo da parte di gruppi funzionali che
vengono bloccati in posizione tramite polimerizzazione in presenza di reticolante come rappresentato in
Fig.6 .
Dopo estrazione della molecola stampo i polimeri sono in grado di adsorbire reversibilmente la molecola
stampo stessa. I MIP possono essere usati sia come fasi adsorbenti (beads, fasi stazionarie per SPE) per
metodi in colonna o batch, sia come sistemi di riconoscimento molecolare in sensori.
La ricerca attuale del Gruppo di chimica analitica si svolge prevalentemente nel campo dei sensori
elettrochimici, ma si possono utilizzare anche altri metodi di trasduzione del segnale. E’ stata preparata una
membrana MIP, piuttosto spessa e rigida, per la determinazione potenziometrica di atrazina, sviluppando
un sensore di tipo ISE (Ion Selective Electrode) [46]. Per misure cronoamperometriche e voltammetriche
sono state preparate anche membrane direttamente su superfici elettrodiche di varia natura, quali elettrodi
di grafite [47], elettrodi di grafite screen printed monouso ed elettrodi di Cu fotoincisi su vetronite con uno
strato omogeneo di MIP specifico per trinitroluene. In ogni caso si è avuta un’ottima selettività unita a
limiti di rivelabilità interessanti per applicazioni ambientali e forensi.
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