Equilibri - Chimica analitica

Chimica analitica

La chimica analitica è una branca della chimica che si pone come obiettivo quello di ottenere informazione su un materiale o un sistema chimico fisico o biologico a due livelli. Questi due livelli definiscono due sotto-branche della chimica analitica.

Analisi qualitativa e quantitativa

1. Analisi qualitativa: ci permette di capire quali sono i componenti a livello chimico del sistema oggetto di studio. Ci permette di comprendere la tipologia e l’identità dei componenti.

2. Analisi quantitativa: ci permette di ottenere informazioni sulla quantità delle diverse specie chimiche che compongono il nostro sistema.

La chimica analitica è una disciplina scientifica che si occupa di sviluppare ed applicare metodi, strumenti e strategie per ottenere informazioni sulla composizione e sulla natura della materia nello spazio e nel tempo. Fare un’analisi nello spazio è molto utile soprattutto per campioni non omogenei, ci permette di capire cosa c’è e quanto ce n’è in punti diversi dello spazio. Fare un’analisi nel tempo può servire per esempio per datare delle tracce e magari studiarne l’evoluzione dal punto di vista biochimico.

Un’altra definizione è che la chimica analitica è la chimica dei curiosi perché va a rispondere a quelle domande di indagine sulla composizione di tutto ciò che ci circonda dal punto di vista qualitativo e quantitativo.

Applicazioni della chimica analitica

La chimica analitica viene utilizzata in molti ambiti differenti tra cui l’ematologia e clinica (chimica analitica clinica ed ematologica), ambiente, studio dei materiali, agricoltura, forense, archeologia (sviluppo di metodi non distruttivi), monitoraggio di processi (sonde che permettono di analizzare il processo in tempo reale), alimenti, controllo di qualità (si fa sul prodotto finale che deve corrispondere a determinati requisiti) e farmaceutico.

La chimica analitica gioca un ruolo importante nell’economia perché consente di aumentare l’efficienza dei processi produttivi (controllare in tempo reale l’avanzare di un processo produttivo e bloccarlo se c’è qualcosa che devia dalla corretta linea produttiva salvando una grande quantità di materie prime). Permette anche di aumentare la qualità e la sicurezza dei prodotti che vengono messi in commercio.

Queste tecniche si stanno diffondendo sempre di più.

Interdisciplinarietà della chimica analitica

La chimica analitica è una disciplina chimica che si avvale di strumenti di tipo matematico-statistico. Al giorno d’oggi non si può pensare questa disciplina come un compartimento a sé stante, ci sono interazioni ed integrazioni con molte altre discipline (biologia, fisica, chimica, ingegneria, elettronica, matematica ed informatica).

Archimede di Siracusa

Da un punto di vista storico, si può considerare il primo chimico analitico della storia. Voleva verificare la bontà di una corona d’oro, fece la caratterizzazione del materiale utilizzando il principio di Archimede. Analizzò questa corona grazie alla spinta dal basso verso l’alto che un corpo riceve quando è immerso in un fluido. Per fare questo esperimento utilizzò un blocco d’oro puro della stessa massa della corona. Durante l’immersione, ha verificato sei i due oggetti spostavano pari volumi di liquido (se il materiale è lo stesso, i due corpi hanno la stessa densità quindi a parità di peso deve corrispondere lo stesso volume). In questo caso scoprì che la corona era un falso, era una lega che conteneva anche oro, non era oro puro. Questo esempio rappresenta uno dei primi utilizzi di una proprietà fisica (in questo caso la densità) per effettuare una caratterizzazione chimica.

Misurazione di proprietà fisiche

Molti metodi analitici si basano sulla misurazione di proprietà fisiche. Misurare proprietà fisiche si può fare senza trasformare e distruggere il campione oggetto di studio e quindi consente di sviluppare dei metodi non distruttivi. Al giorno d’oggi molte tecniche analitiche sfruttano la misurazione di principi fisici.

Parlando di caratterizzazione di molecole organiche, i primi tentativi di analisi risalgono al '700, epoca in cui c’è stato l’avvento della chimica moderna. I primi chimici moderni hanno cercato di indagare la natura dei composti organici attraverso dei metodi decompositivi e degradativi. I metodi degradativi sono metodi che danno informazioni sulla struttura della molecola organica ma questa informazione non è così approfondita, inoltre richiedono uno sforzo elevato dal punto di vista sperimentale perché sono metodi lunghi. A questi metodi si accompagnano i metodi di analisi elementare. Sono metodi che distruggono completamente la sostanza organica ma ci permettono di capire la sua composizione (ci permettono di capire da che atomi è composta la sostanza). Con questi metodi non si sa niente sulla struttura molecolare del composto.

Metodi degradativi più avanzati ci permettono di ottenere informazioni a livello strutturale. Per esempio la degradazione di un trigliceride nei suoi componenti base, si fa un’idrolisi dei legami di tipo estereo, a questo punto con metodi specifici si possono identificare i vari frammenti. Si possono usare dei metodi chimici che coinvolgono delle reazioni chimiche che possono portare alla formazione di composti colorati, colorazioni o precipitati, però sono metodi distruttivi. I frammenti possono essere identificati anche mediante metodi fisici come misura del punto di fusione, di ebollizione, densità e altro. Questi metodi fisici sono processi reversibili non distruttivi. Questi procedimenti richiedono grandi quantità di campione, sono lunghi e sono difficili da eseguire.

Avvento delle tecniche strumentali

Questi metodi vennero utilizzati fino all’avvento delle tecniche strumentali (fine '800, inizi '900). Queste tecniche si diffondono soprattutto a partire dagli anni '50 del '900 quando iniziano ad essere disponibili strumenti commerciali. Queste tecniche comprendono i metodi spettroscopici, si basano sull’interazione della radiazione elettromagnetica con la materia. Tra questi abbiamo spettroscopia IR (1882), spettrometria di massa (1918), spettroscopia NMR (1938), spettroscopia UV-VIS (1940). Sono tecniche che consentono di ottenere in tempi rapidi un’elevatissima informazione che caratterizza i nostri campioni. Non ci danno solo informazioni sulla composizione elementare ma ci danno anche informazioni strutturali. Queste tecniche non danneggiano il campione durante l’analisi, dove avviene, come nella spettrometria di massa, viene richiesta una minima quantità di campione, è un metodo micro-distruttivo.

Lo spettro elettromagnetico che interagisce con la materia, va dalle onde radio ai raggi gamma ma noi vediamo solo la parte del visibile. Tutte le regioni dello spettro elettromagnetico hanno applicazione in ambito analitico. In tempi antichi, era già noto che fosse possibile scomporre la radiazione elettromagnetica nelle sue componenti. Isaac Newton fu il primo, nel '600, a descrivere questo fenomeno dal punto di vista fisico (questo fenomeno era già noto agli egizi e ai romani, l’avevano osservato in natura). Nell’800 si scoprì l’esistenza di altre regioni della radiazione elettromagnetica al di fuori del visibile. Questa scoperta va riconosciuta a Frederick William Herschel, un astronomo che studiava le radiazioni provenienti da corpi stellari, in particolare dal sole. Stava decomponendo con un prisma la radiazione visibile nelle sue componenti cromatiche e voleva misurare la temperatura nelle diverse zone cromatiche. Si rese conto che passando dal viola al rosso, gradualmente, la temperatura del termometro aumentava. Capì che il contenuto termico nella zona del rosso era maggiore rispetto a quella del viola. Si rese conto che spostando il termometro ancora oltre il rosso, dove a vista non si percepiva nulla, la temperatura aveva un ulteriore innalzamento. Capì che lì c’era altra radiazione elettromagnetica non visibile ma a cui era associata un’energia percepibile dal punto di vista termico con l’innalzamento della temperatura. Chiamò questa regione infrarossa (al di sotto del rosso). Da questa osservazione nacquero una serie di studi che portarono anche all’utilizzo di questa radiazione per la caratterizzazione di molecole. Ancora oggi la spettroscopia ad infrarosso è uno dei metodi più utilizzati.

Nesso tra metodi spettroscopici e chimica

Qual è il nesso tra i metodi spettroscopici e la chimica? È quello di ottenere un’informazione sfruttando l’interazione tra radiazione elettromagnetica e la materia. Si ottengono informazioni sulla struttura chimica del nostro sistema. Questo si può fare con varie tecniche che sono associate alle diverse lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Alle diverse lunghezze d’onda sono associate energie diverse e queste energie possono interagire con la materia a diversi livelli. Si ha inversione dello spin nucleare se parliamo di onde radio, vibrazioni e rotazione di legami covalenti se parliamo di microonde e infrarosso, interazioni con gli elettroni esterni ed interni e la loro promozione a livelli energetici superiori se parliamo del visibile, ultravioletto e raggi X e infine transizione a livello nucleare se parliamo di raggi gamma (sono quelli più energetici che riescono ad arrivare più in profondità all’interno dell’atomo).

Kolthoff e lo sviluppo della chimica analitica

Kolthoff, uno scienziato americano, fu il più grande chimico analitico del '900. Scrisse un trattato, una sorta di enciclopedia della chimica analitica. Scrisse: “lo sviluppo scientifico della chimica analitica è diventato così ampio e variegato che la grande maggioranza di chimici analitici è diventata altamente specializzata nel settore. La cosiddetta chimica umida (chimica delle reazioni in soluzione fatta con la solita vetreria) è ancora di fondamentale importanza ma le tecniche usate nelle misure stanno diventando sempre più fisiche”. È quello che realmente accaduto negli anni successivi, c’è stata un’evoluzione della chimica analitica che ha portato a muoversi verso misure di tipo fisico.

Processo chimico analitico

Un processo chimico analitico è composto da diverse fasi principali che sono comuni a tutti i processi. Qualunque processo deve partire da un problema da risolvere. Si deve procedere con un’attenta formulazione del problema. Questo punto consente di formulare la strategia analitiche e porta ad eseguire tutte le operazioni che vengono dopo. Si formula la strategia e si parte con il campionamento, un’operazione fondamentale perché consiste nella riduzione del sistema d’interesse per poterlo studiare. Si fanno dei prelievi da delle posizioni opportune e di devono prelevare delle quantità opportune. A questo punto avremo i nostri campioni che vengono portati in laboratorio dove si effettuano le analisi che sono delle misure di proprietà fisiche. Da queste misure ottengo dei dati che nella maggior parte dei casi sono dati numerici complessi. Avere molti dati non vuol dire avere direttamente delle informazioni che caratterizzano il campione del punto di vista qualitativo e quantitativo. Mi servono opportune strategie di elaborazione dei dati (tecniche matematiche-statistiche e programmi di calcolo informatici) che mi consentono di fare la conversione dell’informazione contenuta nel dato all’informazione chimica. A questo punto devo verificare se l’informazione ottenuta risponde al problema originale. Se l’informazione è sufficiente, il processo chimico analitico è concluso. Se non è sufficiente, si deve ripartire ed eventualmente riformulare alcuni punti del problema e della strategia.

Formulazione del problema analitico

In questa fase è fondamentale capire quali sono le informazioni da acquisire quindi le domande a cui si deve rispondere. Capire se ho a che fare con un problema di tipo qualitativo o quantitativo. Devo avere ben chiaro qual è il sistema che devo studiare. A questo punto posso farmi una prima idea sulla pianificazione di quello che avverrà successivamente quindi capire la quantità di campione che mi serve e le caratteristiche che il campione deve avere. Devo capire quali sono le misure più appropriate per rispondere alle richieste del problema. In base alle scelte precedenti cioè in base alla quantità del campione, alle caratteristiche del campione e alle misure da effettuare, devo capire qual è la strategia di elaborazione dei dati che devo utilizzare.

Per chiarire questi aspetti, in particolare i primi che condizionano tutti gli altri, è fondamentale che in questa fase ci sia un’interazione ben strutturata e approfondita tra il chimico analitico e i committenti (gli esperti del problema oggetto di studio). Se questo confronto non avviene in maniera efficiente, fallisce la formulazione del problema e quindi fallisce anche tutto quello che verrà dopo e il problema non verrà risolto. Il confronto deve toccare tutti i possibili punti e tutti i fattori di rischio che ci possono essere.

Campionamento

È un insieme di procedure pratiche che consentono di ridurre il sistema o la popolazione (viene considerato infinito). Si ottiene il campione che è una porzione della popolazione che prelevo dalla popolazione, sul campione si effettueranno le misure. Il campionamento definisce una serie di procedure per la selezione, manipolazione, conservazione, trasporto e la preparazione del campione. In questa procedura di selezione definisco numero di porzioni che devo prelevare dalla popolazione intera e la loro entità.

Il campione deve essere rappresentativo della popolazione. Deve rendere conto della variabilità e dei fattori di variabilità che caratterizzano la mia popolazione. Una volta che si è progettato un campionamento rappresentativo, devo anche considerare la localizzazione e la dimensione delle singole porzioni tenendo conto che il sistema può essere omogeneo o eterogeneo. Se analizzo una soluzione che è un sistema omogeneo, avrò bisogno di un prelievo meno controllato, si può prelevare una piccola parte presa in un punto qualsiasi del sistema. Se il sistema è eterogeneo, sono richiesti più punti di campionamento, in punti diversi e di una certa dimensione.

• Omogeneo: ha la stessa identica composizione in ogni sua parte.
• Eterogeneo: la composizione è diversa in ogni punto. Il campione non è uniforme.
• Composito: è prelevato da un sistema eterogeneo. Se il sistema è composto da regioni distinte, il campione composito è ottenuto prendendo porzioni da ciascuna regione con quantità relative proporzionali alla dimensione della regione stessa. Se decido di analizzare un grande terreno, prendo un quantitativo di campione da punti diversi e assemblo un unico campione miscelando le diverse porzioni. Ho creato un campione artificiale che globalmente sarà rappresentativo di tutto il sistema.

Un campione, una volta prelevato, viene trasportato e conservato in laboratorio fino al momento dell’analisi. Spesso e soprattutto quando utilizzo metodi analitici distruttivi, il campione viene diviso in tante porzioni che si definiscono aliquote. Un’aliquota definisce una porzione fisica di un intero (che è il nostro campione) avente composizione uguale a quella dell’intero. Se il campione di partenza è omogeneo questo sarà vero in senso assoluto. Se il campione non è omogeneo devo mettermi nelle condizioni di renderlo più vero possibile, devo cercare di omogeneizzare il campione per ottenere delle aliquote rappresentative dell’intero di partenza. Le aliquote ci consentono di effettuare misure replicate che servono per valutare l’errore associato all’analisi (ogni analisi è una procedura sperimentale quindi avrà un errore). Se analizzo 5 volte lo stesso campione dovrei avere 5 volte lo stesso risultato ma sperimentalmente non è così quindi abbiamo bisogno di fare delle repliche. Spesso i campioni devono essere conservati nel tempo per poter fare accertamenti in tempi successivi. Non tutti i campioni si possono conservare, dove è possibile la conservazione va effettuata in maniera opportuna in base alle caratteristiche del campione.

Concetti fondamentali: analita e matrice

All’interno del campione abbiamo l’analita che è il nostro composto target che deve essere identificato se stiamo facendo un’analisi qualitativa oppure quantificato se stiamo facendo un’analisi quantitativa. Se devo misurare il ferro nel sangue, il sangue è il campione e il ferro sarà l’analita. Quando faccio un’analisi posso avere più analiti che mi interessano quindi sullo stesso campione posso misurare diversi analiti. Su un campione di sangue posso misurare diversi parametri che saranno i miei analiti. Tutto ciò che non è analita ma è presente nel campione è definito matrice.

Il bianco è un campione che contiene tutti i componenti quindi la matrice ma non contiene l’analita. Quindi il bianco è la matrice stessa. Il bianco può essere la matrice vera e reale ma questo non sempre è possibile. Quando non è possibile si avrà un bianco sintetico, non è la matrice vera e propria ma mima il sistema di mio interesse. Il bianco serve per calibrare molti strumenti analitici.

Fasi del campionamento

• Campionamento primario: consiste nel prelievo, dal sistema totale, della porzione da analizzare cioè del campione.
• Trasporto e immagazzinamento
• Campionamento secondario: consiste nella suddivisione del campione in aliquote.

Metodo analitico

Solitamente non si analizzano le aliquote del campione tali e quali ma si esegue un pretrattamento che prevede varie procedure tra cui dissoluzione, precipitazione, filtrazione, centrifugazione, decantazione, estrazione, liofilizzazione, omogeneizzazione e sonicazione. A questo punto si procede a fare l’analisi che può essere qualitativa e/o quantitativa.