La Chimica Analitica “La chimica analitica è l’arte di separare, riconoscere sostanze differenti e determinare i costituenti di un campione” (Whilelm Ostwald,

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1 La Chimica Analitica “La chimica analitica è l’arte di separare, riconoscere sostanze differenti e determinare i costituenti di un campione” (Whilelm Ostwald, 1894) Da allora la Chimica Analitica da arte si è evoluta in scienza non fine a se stessa, ma che invece trova applicazione non solo nella ricerca chimica di base, ma è importante per le sue applicazioni pratiche nell’industria, nella medicina ed i tutte le applicazioni scientifiche che si fondano sullo studio della materia in generale.

2 IL RUOLO CENTRALE DELLA CHIMICA ANALITICA CHIMICA ANALITICA Medicina Chimica clinica Chimica farmaceutica Farmacologia Tossicologia Archeologia Antropologia Legale Geologia Geofisica Geochimica Paleontologia Paleologia Agraria Agronomia Zootecnica Scienza dei materiali Polimeri Metallurgia Stato solido Fisica Astrofisica Astronomia Biofisica Scienze ambientali Ecologia Meteorologia Oceanografia Ingegneria Elettrotecnica Meccanica Biologia Botanica Genetica Microbiologia Biologia molecolare Zoologia Chimica Biochimica Chimica inorganica Chimica fisica

3 Campi applicativi L’efficacia dei sistemi di controllo dello smog installati su autoveicoli è determinata misurando parti per milione di idrocarburi, ossidi di azoto, e monossido di carbonio nei gas di scarico (Chimica Analitica Ambientale); Le misure quantitative di diversi tipi di analiti (elettroliti ematici, glucosio ematico, etc) aiuta nel diagnosticare possibili malattie o verificare l’evolversi della stessa (Chimica Analitica Clinica); La determinazione quantitativa del contenuto di azoto nei cibi serve a valutarne il contenuto proteico (Chimica Analitica Alimentare); Gli archeologi identificano le sorgenti dei vetri vulcanici (ossidiana) dalle concentrazioni degli elementi minori in campioni estratti da vari siti (Chimica Analitica Geologica); Gli ingegneri civili determinano l’efficacia dei processi ossidativi in reflui monitorando la degradazione di farmaci quali amoxicillina, diclofenac e DMZ (Chimica Analitica Ambientale); Nell’ambito di ricerche biologiche è necessario sequenziare il DNA e le proteine (Chimica Analitica Biologica); L’ingegneria dei materiali prevede lo studio a livello molecolare di composti e sostanze che vengono impiegati nei più svariati settori delle applicazioni ingegneristiche (Chimica Analitica dei Materiali). Questi pochi esempi pratici e applicativi ci aiutano a meglio individuare il ruolo centrale della Chimica Analitica

4 Chimica analitica (Wikipedia) 1 La chimica analitica è la branca della chimica che copre le attività volte all'identificazione, alla caratterizzazione chimico-fisica e alla determinazione qualitativa e quantitativa dei componenti di un determinato campione. Tra i termini più frequentemente impiegati in chimica analitica si annoverano i seguenti: campione: l'oggetto della procedura analitica (esempio: campione di sangue) analita: la sostanza d'interesse nella determinazione analitica (esempio: quantità di emoglobina nel sangue) matrice: i costituenti del campione diversi dall'analita (esempio: i costitutenti del sangue diversi dall'emoglobina) metodo: la procedura analitica di determinazione, può essere standard o non ufficiale analisi qualitativa: rivela la presenza e l'identità chimica dell'analita in un campione analisi quantitativa: stabilisce in termini numerici la quantità di uno o più analiti in un campione limite di rivelabilità: è la minima quantità di analita determinabile per mezzo di una tecnica analitica sensibilità: è la variazione di quantità di analita apprezzabile in funzione della tecnica analitica impiegata Spesso la realizzazione di un'analisi richiede delle operazioni preliminari (trattamento del campione) per mezzo delle quali si trasformano o eliminano i costituenti del campione che non interessano (matrice) in modo da evitare interferenze.

5 Chimica analitica (Wikipedia) 2 Sia l'analisi chimica qualitativa sia quella quantitativa possono essere basate su reazioni chimiche tra reagenti per dare prodotti e/o sulla determinazione di parametri chimico-fisici riconducibili all'analita. Oggi la chimica analitica può essere identificata quasi interamente con la chimica analitica quantitativa: l'analisi qualitativa è una procedura che viene utilizata solo a scopo esplorativo macroscopico e mesoscopico (oltre che didattico). Essa è, però, del tutto insufficiente per fornire indicazioni su quantità di analita presente in quantità microscopiche, per le quali si ricorre a procedure quasi esclusivamente strumentali.

6 La Chimica Analitica come “forma mentis” del ricercatore scientifico In base alle informazioni finora esposte è possibile individuare gli obiettivi della Chimica Analitica attuali: Acquisire le problematiche provenienti da altre discipline e fornire delle risposte; Dare risposte in termini qualitativi e quantitativi alle problematiche poste da altri comparti della ricerca scientifica; Dare una valutazione dell’attendibilità delle risposte fornite; Valutare la bontà e la validità delle risposte analitiche nel tempo e nello spazio mediante il confronto tra diversi laboratori e ripetendo le procedure analitiche nel tempo.

7 Chimica Analitica: un corso tutto di pratica di laboratorio Questo corso si prefigge di far acquisire allo studente la forma mentis del chimico analitico e di trasferire le conoscenze minime affinchè egli possa affrontare e risolvere una problematica della Chimica Analitica principalmente nel campo alimentare, ma consapevole che le stesse conoscenze e operazioni acquisite in questo ambito possono essere vantaggiosamente applicate anche in altri ambiti della ricerca. Proprio perché esso è un corso pratico e di applicazione si esortano gli studenti a seguire la parte di laboratorio che prevede un discreto numero di esercitazioni pratiche.

8 La chimica analitica in campo tecnologico- alimentare Il conseguimento di un elevato livello di protezione della vita e della salute umana è uno degli obiettivi fondamentali della legislazione alimentare. Tale obiettivo può essere raggiunto applicando in maniera efficace il sistema HACCP (hazard analysis critical control point). I principi di questo sistema sono i seguenti: identificazione di ogni pericolo che deve essere prevenuto, eliminato o ridotto a livelli accettabili; identificazione dei punti chimici di controllo nelle fasi in cui il controllo stesso si rivela essenziale per prevenire o eliminare un rischio o per ridurlo a livelli accettabili; fissazione dei puti critici di controllo, i limiti critici che differenziano l’accettabilità, e l’inaccettabilità ai fini della prevenzione, eliminazione o riduzione dei rischi identificati; applicazione delle procedure di sorveglianza efficaci nei punti critici di controllo; scelta delle azioni correttive da intraprendere nel caso in cui dalla sorveglianza risulti che un determinato punto critico non è più sotto controllo.

9 I limiti critici di controllo I molti casi i limiti critici di controllo sono stabiliti dalla legislazione vigente oppure possono essere stabiliti in maniera arbitraria:  l’acidità di un olio destinato al consumo alimentare viene determinata mediante titolazione acido/base;  il numero di perossidi di un olio destinato al consumo alimentare è determinato mediante titolazione iodometrica;  la determinazione dell’umidità in pasta, pane ed altre matrici alimentari è determinata mediante metodo gravimetrico;  la quantificazione della sostanza grassa nei formaggi si basa sull’estrazione con solvente e sua successiva pesata. È IN QUESTO CONTESTO CHE SI INSERISCE LA CHIMICA ANALITICA NEL SETTORE ALIMENTARE

10 La chimica analitica risponde a due fondamentali domande: 1.Che tipo di analita è presente nel campione? 2.A che concentrazioni l’analita è presente nel campione? SI INDIVIDUANO DUE LIVELLI DI ANALISI: Analisi qualitativa Analisi quantitativa È il processo di identificazione delle specie presenti nel campione È il processo che serve a stabilire in termini numerici la quantità di uno o più componenti presenti in un campione.

11 ANALISI QUALITATIVA INORGANICA Analisi per via umida: ricerca sistematica dei cationi ricerca sistematica degli anioni Analisi diretta per via secca: emissione alla fiamma analisi delle perle

12 ANALISI QUANTITATIVA Tecniche analitiche tradizionali: Gravimetria Titrimetria (Volumetria) Analisi quantitativa inorganica Tecniche strumentali di analisi: Tecniche elettrochimiche Tecniche spettroscopiche Tecniche cromatografiche Spettrometria di massa Cristallografia Analisi termiche Tecniche ibride Il corso tratterà soprattutto delle tecniche analitiche tradizionali

13 TECNICHE ANALITICHE TRADIZIONALI TECNICHE ANALITICHE STRUMENTALI I metodi gravimetrici e titrimetrici sono utili soprattutto per la determinazione di componenti principali, presenti cioè fino a 10 -3 10 -4 M. È utile per la determinazione di sostanze presenti in traccia (meno di 10 -5 10 -6 M) e si esegue misurando un segnale fisico ottenuto o direttamente dall’analita oppure da un suo derivato sintetizzato tramite reazione chimica. Chimica Analitica Classica (Sfrutta il materiale da banco tradizionale: vetreria, bilancia, etc.) Chimica Analitica Strumentale (Si impiegano strumenti alimentati dalla corrente elettrica)

14 Conoscenze teoriche alla base della Chimica Analitica La Chimica analitica sfrutta tutte le conoscenza acquisite nel campo della chimica Generale e inorganica e le applica per conseguire i suoi obiettivi. Conoscenze fondamentali: Teoria delle soluzioni: soluto, solvente, soluzione Soluzioni omogenee e soluzioni eterogenee Proprietà colligative Reazioni acido-base Reazioni di precipitazione Reazioni di complessazione Reazioni redox Equilibrio chimico Curve di titolazione Indicatori di fine titolazione pH delle soluzioni acquose Soluzioni tampone Concetto di massa e di peso Bilance

15 Principio del metodo titrimetrico L’analita reagisce con un reattivo in soluzione, che si chiama titolante, utilizzando una qualsiasi reazione chimica, per la quale sia possibile individuare il punto finale, cioè il volume di reattivo necessario a far reagire completamente l’analita. Sono utilizzabili diversi tipi di reazione: neutralizzazione (acido/base) H + + OH - → H 2 O H + + A - → HA B + + OH - → BOH redox complessazione Hg ++ + 2 Cl - →HgCl 2 Ag + + 2Cl - → Ag(Cl) 2 - precipitazione Ag + + + Cl - → AgCl Il punto finale deve essere rilevato opportunamente, spesso con indicatori visuali, o con metodi strumentali.

16 Principio del metodo gravimetrico Il metodo gravimetrico consiste nella determinazione delle quantità di un analita presente in un campione prima e/o dopo la derivatizzazione. Lo strumento richiesto è quindi una bilancia. Una tipica analisi gravimetrica è la misurazione dell’umidità presente in un campione; la quantità di acqua calcolata come differenza di peso del campione iniziale e dopo essere stato sottoposto ad un processo di essiccamento. UMIDITA’ % = gr campione essiccato gr campione iniziale %

17 Principio dell’analisi quantitativa inorganica L’analisi qualitativa inorganica generalmente si riferisce ad uno schema sistematico seguito per confermare la presenza di ioni o altri elementi mediante l’impiego di diverse reazioni chimiche che possono essere:  selettive: applicate solo per pochi analiti;  specifiche: reazioni che sono applicabili per la ricerca di un solo analita.

18 Principio dell’analisi strumentale Si basa sulla misura di proprietà fisiche (es assorbimento della luce) e chimiche (es ossidabilità) dell’analita o di suoi derivati, ottenuti con trasformazioni chimico- fisiche. Lo strumento misura tali proprietà e dà un segnale che dipende dalla concentrazione dell’analita. L’elettronica e l’informatica hanno favorito lo sviluppo dei metodi strumentali tanto da: abbassare i limiti di investigazione lavorare con campioni più piccoli trattare livelli di concentrazione più bassi La quantificazione avviene tramite una curva dose-risposta, o curva di standardizzazione

19 Variazione del progresso tecnico della Scienza Analitica dalla II guerra mondiale a oggi.

20 Confronto tra metodi tradizionali e metodi strumentali METODOVELOCITA’COSTO RELATIVOINTERVALLO DI CONCENTRAZIONI GRAVIMETRIALB1-2 VOLUMETRIAMB1-4 SPETTROFOTOME TRIA M-RB-M3-6 SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO RM-A3-9 CROMATOGRAFIA (GLC, HPLC) RM-A3-9 Intervallo di concentrazione pC=log10 (1/C), dove C = molarità A = alto; B = basso; L = lento; M = medio; R = rapido.

21 Scelta di un metodo di analisi È la fase essenziale di una analisi qualitativa e quantitativa, richiede esperienza innanzitutto ed intuizione. Sono indispensabili: 1.La definizione del problema 2.L’esame della letteratura scientifica per verificare se già è stato affrontato 3.Capacità di applicare pedissequamente un metodo 4.Capacità di introdurre delle varianti al metodo dimostrandone la validità 5.Valutare la attendibilità dei risultati delle analisi in termini di precisione e accuratezza

22 DEFINIZIONE DEL PROBLEMA CARATTERISTICHE CHIMICO/FISICHE DELL’ANALITA DA RICERCARE NUMERO DI CAMPIONI DA ANALIZZARE NUMERO DI CAMPIONI LIMITATO: BISOGNA SCEGLIERE UN METODO CHE EVITI O RIDUCA AL MINIMO LE OPERAZIONI PRELIMINARI NUMERO DI CAMPIONI ELEVATO: è POSSIBILE SPENDERE BUONA PARTE DEL TEMPO IN OPERAZIONI PRELIMINARI (ASSEMBLAGGIO, CALIBRAZIONE DEGLI STRUMENTI) CONSULTAZIONE DEI DATI PRESENTI IN LETTERATURA SCELTA DEL METODO DI ANALISI DETERMINAZIONE DELL’INTERVALLO DI CONCENTRAZIONE DA ANALIZZARE ED IDENTIFICAZIONE DEI POSSIBILI INTERFERENTI NEL CAMPIONE

23 Caratteristiche del metodo scientifico (1) La Chimica Analitica si muove nell’ambito dei metodi scientifici è per questo essa è una scienza vera e propria e di conseguenza deve soddisfare dei requisiti di riproducibilità e di universalità potendo dare la possibilità a tutti coloro che ne vogliano verificare i risultati la possibilità di farlo: essa è una scienza alla portata di tutti. limite di detezione o di rivelazione: limite minimo di analita che rispetto allo zero comincia ad avere una attendibilità; sensibilità: variazione del segnale strumentale alla variazione di una unità di concentrazione (pendenza della curva dose-risposta); intervallo di linearità: intervallo di concentrazione di analita per il quale la risposta strumentale è direttamente proporzionale alla concnetrazione; specificità: mancanza di interferenze nella determinazione.

24 Si debbono anche considerare la precisione e l’accuratezza del metodo. Precisione: ripetibilità di un risultato in prove ripetute. Dipende dagli errori casuali ed è rappresentata dalla misura della deviazione standard. Accuratezza: concordanza del risultato ottenuto con il valore vero. Dipende tanto dagli errori casuali che dagli errori sistematici. Caratteristiche del metodo scientifico (2) Un livello elevato di accuratezza e precisione richiede largo impiego di tempo e denaro; per cui il metodo scelto è molto spesso frutto di un compromesso tra l’accuratezza e l’economicità.

25 Bibliografia e sitografia Douglas A. Skoog, Donald M. West F. James Holler; Chimica analitica una introduzione; edizioni EdiSes Regolamento (CE) n. 852/2004 www.wikipedia.it http://www.disat.unimib.it/cfa/didattica/scienze_tecnologie_ambiente/laboratorio_c himica_analitica_ambientale/Lezione1_lezione.pdfhttp://www.disat.unimib.it/cfa/didattica/scienze_tecnologie_ambiente/laboratorio_c himica_analitica_ambientale/Lezione1_lezione.pdf http://www.farmaciaunina.it/download/Severino%2008-09/Severino%201.pdf