Appunti Chimica analitica completi

Lezione 03/10: introduzione alla chimica analitica

La chimica analitica è la scienza della informazione chimica; è uno dei tre grandi settori della chimica, L’informazione chimica consiste nella conoscenza della insieme alla chimica teorica e alla chimica di sintesi. qualità e delle quantità delle specie chimiche. Le analisi chimiche strumentali servono a determinare quale o quali sostanze sono e la loro quantità, a seconda dell’obbiettivo che abbiamo. Questa conoscenza è necessaria per diversi obbiettivi: verifiche di qualità, origine tossicità, diagnosi e analisi chimiche, valutazione di rendimento, controlli ambientali, preparazione delle analisi agricole, indagini varie, come la chimica analitica forense, che serve per fare le indagini di polizia. La chimica analitica è andata via via progredendo, entrando sempre più in dettaglio; gli strumenti per raggiungere dettagli sempre più elevati al giorno d’oggi sono disponibili.

L’informazione chimica non può essere ottenuta direttamente, ma c’è sempre un’intermediazione di uno strumento, che fornisce dei segnali di tipo fisico; quindi, tutta la chiave di lettura della chimica analitica è questo passaggio: l’ottenimento del segnale fisico e la sua comprensione all’indietro per capire gli aspetti che hanno generato quei segnali → c’è continua chimici, struttura chimica, le molecole, la sostanza relazione tra chimica e fisica, tra composizione/concentrazione chimica e il segnale fisico. Sono importanti anche la matematica e la statistica, perché se vogliamo arrivare a determinare le quantità chimiche, che sono quelle che a noi interessano, partendo dalle quantità fisiche che siamo in grado di misurare, ad esempio la luce assorbita o emessa dal campione, dobbiamo per forza utilizzare la matematica, cioè calcolare quella interesse → relazione funzionale tra le quantità fisiche misurate e le quantità chimiche di nostro funzione lineare.

La chimica analitica si occupa di sviluppare applicazioni, metodi, strumenti e strategie per ottenere informazioni sulla composizione della materia, sulla identificazione e quantificazione delle diverse specie, attraverso la relazione con i segnali fisici che misuriamo. Da tutto ciò si può dire che la chimica è intrinsecamente interdisciplinare, cioè richiede conoscenze provenienti da diversi campi scientifici, statistica, matematica, chimica, fisica…

Tecnica, metodo, procedura e protocollo

Quando facciamo un’analisi chimica si può utilizzare:

• Tecnica: termine utilizzato per indicare in generale i principi fisici su cui si basa una tecnica analitica
• Metodo: viene utilizzato quando si entra più nello specifico, quindi si danno delle informazioni aggiuntive sulla tecnica che si sta utilizzando
• Procedura: termine utilizzato per indicare la descrizione dettagliata del lavoro che deve essere eseguito in laboratorio; si definiscono i reagenti che devono essere utilizzati, l’attrezzatura di laboratorio e si dà la ricetta di come si prepara una soluzione, come si tratta il campione, come si effettua la misurazione del segnale con un determinato strumento
• Protocollo: termine utilizzato per indicare sempre la procedura quando questa viene utilizzata per degli scopi precisi, ad esempio quelli legali; affinché il risultato analitico possa avere una certa validità, ad esempio in ambito legale, deve essere seguito il protocollo; se un reagente indicato nel protocollo non era disponibile e ne è stato utilizzato un altro, il protocollo non ha più la sua validità e di conseguenza anche il risultato ottenuto può essere messo in discussione

Misura, misurazione e obiettivi dell’analisi chimica

Distinzione tra misura e misurazione: la misurazione è l’azione che viene fatta nel misurare una determinata quantità, mentre la misura è il risultato della misurazione, è il valore numerico che viene determinato per la grandezza misurata. L’analisi qualitativa è la determinazione della presenza di una o più specie chimiche, se ci sono o non ci sono; nell’analisi quantitativa, invece, vogliamo misurare la quantità presente delle varie specie chimiche → questi sono i due grandi obbiettivi dell’analisi chimica; quando si fa l’analisi qualitativa l’obbiettivo è essenzialmente determinare le specie chimiche non note presenti all’interno del campione; quando, invece, si fa un’analisi quantitativa la specie chimica è nota e ciò che si deve determinare è la sua quantità all’interno del campione, che il più delle volte è una concentrazione.

La calibrazione è il processo di quantificazione di una specie chimica che si basa sulla ricerca di una relazione quantitativa tra segnale e specie chimica. Il segnale è costituito da due contributi: il primo è generato dall’analita che risponde al segnale, altrimenti stiamo usando una tecnica sbagliata, mentre il secondo è generato da altri componenti presenti nel campione da analizzare, che spesso si chiamano interferenti, appunto perché interferiscono sul segnale che dovrebbe essere dedicato solo all’analita. Uno dei problemi è intercettare questi interferenti ed eliminare queste informazioni.

Quindi chiamiamo con il termine segnale la quantità fisica che andiamo a misurare, ad esempio la quantità di luce assorbita da un campione, e questo segnale che misuriamo non che sia prodotto dall’analita; con il termine sappiamo da cosa sia generato, ma ipotizziamo analita indichiamo la sostanza che vogliamo determinare, la specie chimica d’interesse; alcune volte si è interessati ad un solo analita, altre volte a più analiti. Il termine analita non va confuso con il termine campione, con il quale si intende tutta la porzione di materiale che vogliamo determinare, ad esempio, un certo volume di acqua prelevato in un fiume; tutte le sostanze contenute nel campione, escluso l’analita, vengono definite con il termine di matrice del campione.

Tra queste sostanze presenti nella matrice vi possono essere quelle che chiamiamo interferenti o interferenze, perché sono quelle sostanze che generano anche loro un segnale che va a disturbare il segnale dell’analita, cioè si sovrappone. Questa parte di segnale che non ci interessa perché non proviene dall’analita viene definita rumore, perché porta confusione alla lettura di ciò che riguarda l’analita nello specifico. Le tecniche ifenate sono tecniche combinate insieme. Misure sperimentali ripetute per uno stesso valore della variabile/fattore, come la temperatura, si chiamano repliche; le repliche sono un sottoinsieme degli esperimenti.

Esempio di letteratura sui cervi del Kentucky

Esempio di letteratura sui cervi del Kentucky, vedi libro da pagina 10 a 13. Un ranger trova dei cervi dalla coda bianca morti e chiama un esperto chimico veterinario, che porta i cervi nell’ospedale veterinario per analizzare i corpi. Nel parco trovano dell’erba ingiallita e ne raccolgono alcuni campioni; facendo un’analisi di questi campioni trovano che c’è arsenico con vari suoi derivati, l’arsenico è un tipico pesticida, come il metan-arsenato monosodico, o il bisodico, il triossido di arsenico.

Scelta del metodo: una volta capito il problema, si deve decidere con che metodo effettuare l’analisi; ipotizzata la presenza di arsenico e quindi ipotizzato l’utilizzo di qualche erbicida, si è andato a scegliere, tra tutti i metodi validati disponibili, un metodo analitico adatto per la determinazione dell’arsenico in un campione biologico. Quindi, una volta definito il problema, definito l’analita, definito il campione che si va a trattare, non bisogna necessariamente inventarsi il metodo analitico, basta prenderne uno di quelli che sono già stati definito e validati; in alcuni casi il metodo analitico non è ancora stato definito e di conseguenza bisogna inventarselo; in alcuni casi si deve anche mettere a punto un nuovo strumento analitico e questo richiede l’intervento di fisici, ingegneri, cioè di una equipe specializzata per la messa a punto di un nuovo strumento.

Trovato il metodo analitico, quindi, il veterinario prende il rene del cervo numero 2 e 3, perché il primo era troppo decomposto, e fa la preparazione del campione in laboratorio; il campione in questo caso viene reso omogeneo, perché di per sé il campione biologico è di natura eterogenea, ossia la composizione chimica varia nelle sue parti; quindi se voglio ottenere un campione omogeneo lo devo omogeneizzare, perché il campione analizzato deve essere rappresentativo di tutto il materiale, in questo caso facendo una centrifuga del campione; ne estrae una piccola porzione, che sarà quella che verrà analizzata chimicamente.

Vi sono diversi derivati dell’arsenico, in particolare l’acido arsenioso e l’acido arsenico, che tramite due reazioni distinte arrivano a dare l’arsina, AsH₃, che è un gas incolore e inodore estremamente tossico. Si utilizza una tecnica spettrofotometrica, quindi dobbiamo colorare l’arsina usando del dietilditiocarbammato di argento. A questo punto, per entrambi i cervi, misuriamo la quantità di arsina attraverso questa tecnica analitica; gli eventuali interferenti, acido arsenioso e acido arsenico, vengono eliminati grazie al fatto che vengono trasformati in arsina. A questo punto, grazie all’analisi spettrofotometrica, otteniamo le due quantità in ppm presenti nel cervo 2 e nel cervo 3: 16 ppm e 22 ppm.

Dalla letteratura, il veterinario sa che l’arsenico nel tessuto animale è tossico per livelli superiori a circa 10 ppm, quindi è probabile che i cervi fossero morti per ingestione di un composto dell’arsenico, visto che è stato rilevato in quantità maggiori a 10 ppm in entrambi i cervi. Per arrivare a questi due risultati si è fatta una procedura di calibrazione, cioè passare dal segnale fisico misurato, cioè l’assorbanza in questo caso, e la quantità di sostanza presente, l’arsina.

Per costruire la retta, che è quella che consente di fare la determinazione finale, cioè calcolare la concentrazione di analita nel campione analizzato, si devono preparare quelli che si chiamano standard, che sono quantità accuratamente note di analita: in laboratorio si preparano delle soluzioni che contengono concentrazioni accuratamente note di analita, in questo caso arsenico, si prepara il bianco, che è quello che non contiene l’analita; si utilizzano le informazioni sulle concentrazioni note delle soluzioni standard e i segnali misurati per queste vengono riportati nel grafico; per le soluzioni standard conosciamo sia la concentrazione sull’asse delle ascisse e il segnale misurato sull’asse delle ordinate; utilizzando il metodo dei minimi quadrati è possibile calcolare questa retta; nota la retta, attraverso quell’operazione che si chiama predizione inversa, partiamo dal segnale misurato per il campione, lo si proietta sul grafico e si intercetta la concentrazione che corrisponde a questo segnale misurato, utilizzando l’equazione della retta, noto y si calcola x.

Questo è il processo di calibrazione; quindi, dobbiamo conoscere le concentrazioni degli standard per poter costruire la retta; data la retta, andiamo a proiettare in questa retta i segnali dei campioni incogniti e l’intercetta sul modello ci fornisce le concentrazioni. Un’altra parte fondamentale nella chimica analitica è la stima dell’attendibilità dei dati; non è sufficiente soltanto arrivare a calcolare la concentrazione di analita nel campione incognito, ma è importante associare anche a questo risultato analitico una stima della sua affidabilità, che si dà in termini di incertezza della misura, in questo caso l’incertezza associata alla concentrazione calcolata.

Per calcolare questa incertezza del risultato analitico, abbiamo bisogno necessariamente di quelle che sono state definite prima e che sono le repliche, o campioni replicati; inizialmente, infatti, per ciascuno dei cervi analizzati, l’analista ha analizzato tre diversi campioni della stessa quantità, 10 g di tessuto; campioni indipendenti perché ciascuno di questi avrà fornito un risultato, i tre risultati potrebbero essere in accordo tra di loro e quindi dirci che la loro media è un risultato affidabile, oppure potrebbero essere in disaccordo e quindi sappiamo che l’analisi chimica ha restituito un risultato poco affidabile.

Se non si preparano dei campioni replicati non si ha modo di stimare l’incertezza del risultato finale e quindi l’affidabilità del risultato → il 16 e il 22 sono il risultato della media delle tre repliche, se l’incertezza fosse stimata ± 15, la misura non sarebbe più affidabile; se invece fosse ± 2 la decisione che prendiamo è comunque corretta perché entrambi sarebbero superiori a 10 ppm. In chimica analitica ad ogni misura deve essere associata la sua incertezza.

Problema analitico, campionamento e sistema chimico-analitico

Il problema analitico è, ad esempio, quello di capire di cosa fossero morti i cervi dalla coda bianca, quindi abbiamo un problema da risolvere e si deve pensare a quali sono le tecniche disponibili; prima di fare questo si devono avere dei campioni: il campionamento deve essere sufficientemente rappresentativo di ciò che vogliamo misurare, in campo ambientale non è facile, perché se voglio misurare, ad esempio, l’inquinamento di un lago, bisogna campionare in punti diversi. Dopo di che, abbiamo la tecnica analitica opportuna per raggiungere il nostro obbiettivo ed effettuiamo le misurazioni, dalle quali poi otteniamo le misure, cioè i nostri dati. Da qui parte l’elaborazione dei dati, dal risultato della quale si ha l’interpretazione e la decisione finale rispetto al problema che ci era stato posto.

Definire il problema analitico significa definire il sistema chimico-analitico e l’obbiettivo dell’analisi e quindi definire quali sono le specie chimiche che si devono determinare, quali sono i livelli di concentrazione entro cui ha interesse effettuare l’analisi e il grado di accuratezza che si vuole raggiungere. Non necessariamente tutte le misure devono essere accurate e precise; se non c’è questa richiesta bisogna privilegiare la minimizzazione del tempo di analisi, i costi… Tutti questi aspetti vanno valutati all’inizio, in quello che si definisce definizione del problema nell’ambito di questo processo.

Per sistema chimico-analitico si intende la porzione di materia sulla quale si desiderano ottenere delle informazioni, che sono determinare le specie chimiche in essa presente e eventualmente le quantità di queste specie chimiche. Un sistema chimico può essere o chiuso o aperto, a seconda che ci siano o meno scambi di materia con l’esterno; bisogna anche vedere se è omogeneo o eterogeneo e che questo aspetto fa riferimento alla sua composizione: se la composizione è costante, cioè uguale in tutte le sue parti, viene definito omogeneo; se invece varia è definito eterogeneo, la variabilità può essere sia spaziale sia temporale.

Riuscire a caratterizzare bene il sistema chimico-analitico è fondamentale per la fase successiva, che è quella del campionamento. La fase del campionamento è una delle più critiche in questo processo chimico-analitico, perché se sbagli a procurarti il campione ottieni dei risultati che non hanno senso. Il campione deve essere ottenuto in modo ragionato e adeguato per il sistema che si sta analizzando; le tecniche della metodologia e della ricerca sperimentale possono aiutare per pianificare un campionamento adeguato per il fattore/sistema che si vuole analizzare. Se ci sono dei fattori che determinano la variabilità spaziale e/o temporale del sistema dovranno essere presi in considerazione. Quindi, il campionamento è definito come il processo attraverso il quale si ottiene un campione rappresentativo del sistema da studiare.

La misurazione è: la selezione del modello analitico che ci serve per produrre un segnale fisico da cui poi si deve convertire l’informazione chimica; il pretrattamento o preparazione del campione; la misura vera e propria e, laddove occorre, la calibrazione, che ci consente di tornare indietro dal segnale alla concentrazione dell’analita. La fase del trattamento del campione in alcuni casi può essere estremamente laboriosa, perché bisogna trasformare il campione prelevato in una forma adatta all’analisi e questo in alcuni casi si realizza attraverso un meccanismo complesso di operazioni chimiche.

Lezione 05/10: fondamenti di statistica

Gli indici statistici sono di diversa natura, spiegano diversi aspetti di una variabile; vi sono i quantili, i momenti, gli indici di tendenza centrale, è l’insieme delle medie, gli indici di dispersione, e altri.

I quantili si indicano con la lettera Q possono essere di diverso tipo: i quartili, cioè dividiamo i dati in quattro parti; i decili, cioè dividiamo i dati in dieci parti; i percentili, cioè dividiamo i dati in cento parti… I quartili ad esempio saranno 25%, 50%, 75%. Un quantile Q è il valore compreso nell’intervallo di una variabile che divide i dati ordinati, cioè dal più piccolo al più grande, in due gruppi, in modo tale che la frazione specificata dal quantile cada al di sotto e al di sopra cadrà la frazione complementare.

Ad esempio, il primo quartile, ossia 0,25, indica che il 25% dei dati cade al di sotto del valore di quel quartile, mentre il 75% cade al di sopra; nel secondo quartile, ossia 0,5, il 50% cadrà a sinistra e il 50% cadrà a destra, il cinquantesimo percentile farà la stessa cosa, 50% da una parte e 50% dall’altra. È importante ricordarsi di ordinare i campioni dal più piccolo al 25% 50% 75% più grande. La mediana è il valore centrale di dati ordinati, che non è la medi