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l’analisi chimica (1° parte): finalità, approcci e limiti

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Nell’immaginario collettivo l’analisi chimica è un processo dato troppo spesso per scontato.    Come una freccia ben direzionata, univoca ed inequivocabile, quanto accade fra le mura pulite di un laboratorio chimico-analitico è considerato spesso né più ne meno di uno step meccanicistico ed essenzialmente puntuale fra il quesito posto e la risposta fornita, sottoforma di un documento virtualmente inopinabile, impugnabile per ogni necessità in quanto è risaputo che, diversamente dalle argomentazioni verbali, per loro natura manipolabili, almeno la carta …“canta”!
chimicare - l'analisi chimica: finalità, approcci e metodiche Metodi utilizzati, criteri di scelta degli stessi, limiti di validità e via discorrendo tutto quello che “sta prima” del risultato non interessa poi a molti: con uno slancio di fiducia di stampo un po’ positivista ma ahimè talvolta discretamente irresponsabile si da come per scontato che tutto questo processo sia implicitamente sempre oggettivo ed inattaccabile, del tutto estraneo agli ambiti dell’opinione e del giudizio, mentre l’attenzione dei singoli come quella dei media resta invece saldamente puntata sui risultati finali che l’analisi chimica di volta in volta fornisce.

In realtà dietro ad ogni risultato fornito vi sta, oltre ad un campione, anche un metodo di analisi, e dietro al metodo vi sta la persona che l’ha applicato ma soprattutto quella (o meglio, “quelle”, spesso una vera squadra) che l’ha messo a punto.    E questa persona fra mille dubbi, opzioni ed alternative possibili, magari tutte valide sul piano razionale, ha dovuto fare delle scelte ben precise, valutandone le conseguenze, considerando i contesti, organizzando un gran numero di test e di verifiche di validità.  Paradossalmente e non senza una dose di simpatica provocazione, dietro ad un risultato analitico affidabile vi sta sempre un chimico analitico pieno di dubbi, bisognoso di conferme, un Woody Allen con la paranoia della ripetizione e della verifica, ossessionato soprattutto dal peccato originale che ogni approccio analitico porta sempre implicitamente con sé: quello delle premesse, o meglio, del rischio del tradimento delle stesse.

Perché è proprio nelle premesse che si gioca il grosso della partita.    Le premesse sono le motivazioni, gli intenti, gli interessi per i quali viene effettuata una certa analisi, in pratica cosa vogliamo ottenere da essa e perché; vista dal punto di vista del campione, il tutto può tradursi in: cosa sappiamo già e cosa vorremmo invece conoscere in più del campione.   Oltre naturalmente il perché.
Questa esigenza di conoscere i perchè, oltre a quella di sapere quanto più possibile dei materiali da analizzare, potrebbe apparire a qualcuno come un’indebita ingerenza del chimico analitico in faccende che non lo riguardano: nel caso in cui per ragioni di segretezza o “politiche” egli dovesse essere tenuto all’oscuro di una serie di informazioni che egli dovesse ritenere essenziali per certificare la validità dei risultati delle sua analisi relativamente al contesto nel quale esse si collocano, egli deontologicamente dovrebbe evidenziare nei rapporti di prova i limiti di validità degli stessi relativamente alle condizioni sperimentali utilizzate nell’analisi, che saranno in questo caso da descrivere nel dettaglio.    Il rischio ovviamente è quello di fornire un risultato inservibile, un bel numero il cui significato va a collocarsi più nel mondo delle idee astratte (i modelli chimici ideali) che non in quello che ha per le mani il richiedente.

la figure del chimico analitico e dell'analista chimico Giusto per chiarire meglio i termini, il chimico analitico (solitamente e preferibilmente un dottore in chimica, eventualmente con indirizzo analitico-strumentale, disponibile nei piani formativi del corso di laure in Chimica in molti atenei) è colui che seleziona, eventualmente mette a punto ed infine verifica (in linguaggio tecnico “valida”) il metodo di analisi; l’analista chimico invece è colui che esegue materialmente l’analisi a fronte di un metodo già sviluppato e validato.     Le due figure possono coincidere come possono essere diversificate: nel contesto dei metodi analitici ancora nuovi, di nicchia e per certi versi sotto osservazione accade di frequente che il chimico analitico esegua egli stesso le analisi e poi ne esamini personalmente i risultati in chiave critica; nei laboratori che effettuano analisi più di routine, con il ricorso a metodi ampiamente consolidati, a volte addirittura “prescritti” da normative specifiche, l’analista chimico (di solito un perito chimico, un tecnico di laboratorio chimico-biologico o una figura dotata di analogo indirizzo di studi con laurea di primo livello) si limiterà ad applicare quanto prescritto dalla metodica, valorizzando la sua professionalità in termini di rigore, trasmettendo successivamente i risultati al proprio responsabile per una conferma di validità… e di responsabilità.

In funzione del grado di conoscenza pregressa che il richiedente (o per forza di cose anche soltanto il chimico) ha già del materiale in oggetto, ed in funzione anche del livello di dettaglio delle nuove informazioni che egli desidera ottenere, si possono grosso modo individuare 5 differenti approcci metodologici alla problematica chimico-analitica caratterizzati ciascuno, prima ancora che da procedure e strumenti operativi, da una sua particolare filosofia epistemologica:

SCREENING
PROFILO COMPOSIZIONALE
RICERCA DI SINGOLI COMPONENTI
MISURAZIONE PROPRIETA’
STRUTTURISTICA

Nell’intervento che segue saranno descritti i primi due approcci, mentre per i rimanenti tre si rimanda all’intervento successivo:        l’analisi chimica (2° parte): 5 strategie di base.

SCREENING

Il caso in assoluto peggiore, anche se per certi aspetti affascinante, è quello dove non si sa veramente nulla su cosa sia il campione che abbiamo a disposizione.    Magari la polizia ho trovato dei fusti sospetti, senza etichetta e senza bolla di accompagnamento su una nave sequestrata e non vi sono indizi circa l’identità del prodotto in questione. il caso dell'analisi chimica "al buio": screening di materiali completamente incogniti I fusti contengono una polvere bianca incognita: potrebbe essere zucchero come sale come cianuro di potassio, ma potrebbe anche non trattarsi di una sostanza pura bensì di una miscela di diverse, magari di decine o centinaia di differenti sostanze chimiche miscelate volontariamente da qualcuno; o ancora, sempre considerando il caso della miscela complessa, questa potrebbe essere non di tipo “artefatto” ma al contrario potrebbe trattarsi di un prodotto di origine naturale, ottenuto per semplice estrazione a partire da una fonte naturale (es. una pianta medicinale, una droga, un prodotto alimentare, ecc).
In questo caso lo studio di screening di pone semplicemente la domanda: “che cos’è?”
Gli screening preliminari spesso si orientano dapprima con la misura di alcune proprietà chimiche e chimico-fisiche generaliste del materiale in esame attraverso test spesso molto semplici come la misura della solubilità in acqua, in solventi apolari, del punto di fusione ed ebollizione, del pH in soluzione, del grado brix nel caso di un prodotto già in soluzione, del contenuto di acqua, della conduttività elettrica e così via (vedasi il punto successivo “misurazione di proprietà”.   Successivamente, o parallelamente a questi test, si cerca di capire da quali classi chimiche risulta costituito il materiale.    Nel caso più fortunato, quello in cui il materiale incognito è costituito da una singola sostanza chimica basterà un test analitico di tipo altamente descrittivo, di solito di tipo spettroscopico o spettrometrico, quale una spettrometria di massa, un NMR protonico e/o del C13 o addirittura una spettroscopia nel medio infrarosso, o meglio ancora un paio di questi test concordanti fra loro, per poter assegnare “nome e cognome” al prodotto incognito, per confronto fra i dati spettrali del campione e quelli raccolti in enormi database informatici che catalogano le stesse proprietà spettrali per una larga parte delle molecole conosciute.
Nel caso in cui questa ricerca non dovesse sortire alcun esito, ci si può domandare se si tratta comunque di una sostanza pura o di una miscela, e sono numerosi i metodi che possono essere utilizzati in questo senso. Nel caso di un prodotto complesso si può procedere alla separazione delle classi chimiche che lo compongono attraverso processi di estrazione selettivi, ad esempio isolando una frazione solubile in acqua (contenente ad esempio alcoli ed acidi a corta catena, carboidrati, sali di metalli alcalini, ecc) da una frazione solubile in solventi apolari (contenenti classi chimiche quali lipidi, idrocarburi, cere, composti aromatici apolari, alogenati e non, ecc), andando magari a suddividere quest’ultima in una frazione fissa (ad esempio composta da lipidi, cere e steroli) da una distillabile sotto vuoto o in corrente di vapore (contenente ad esempio mono- e diterpeni, alcoli, aldeidi ed acidi a media catena, idrocarburi, ecc).   Ciascuna classe chimica separata potrà essere sottoposta ad ulteriori test conoscitivi, ancora una volta orientativi, con i quali si potrà cercare qualche informazione in più sulla natura chimica dei suoi costituenti (ad esempio la spettroscopia nel medio infrarosso per verificare la presenza e l’abbondanza di determinati gruppi funzionali o altri elementi strutturali tipici di alcune molecole).   Su queste miscele eventualmente ancora complesse di diverse specie chimiche ma accomunate da alcune caratteristiche chimico-fisiche comuni (ad esempio il fatto di essere risultate tutte distillabili insieme in corrente di vapore) potranno essere applicati studi per la definizione del profilo composizionale di dettaglio, come meglio descritto nel seguente paragrafo dedicato appunto al profilo composizionale.

apparecchiatura per cromatografia liquida flash con finalità preparative

apparecchiatura per cromatografia liquida flash con finalità preparative

Volendo invece operare in direzione dell’isolamento fisico dei singoli componenti chimici della miscela, ovvero spinti dal desiderio di poter disporre di un set ideale di provette contenenti ciascuna una diversa specie chimica separata di quelle inizialmente presenti nel prodotto incognito, si potrà procedere ad ulteriori e più sofisticate tecniche di separazione da applicare a ciascuna classe chimica pre-saperata.    Le tecniche d’elezione sono a questo punto di natura cromatografica-preparativa: dapprima una cromatografia liquida di tipo flash, seguita eventualmente da un HPLC preparativo sulle singole frazioni ottenute; solo nel caso di prodotti che presentano una certa volatilità, e presumibilmente su miscele non eccessivamente complesse, si potrà pensare di procedere con una distillazione frazionata.
E per l’identificazione delle singole specie isolate vale ancora una volta il già citato approccio spettroscopico o spettrometrico con ricerca nei database di eventuali dati spettrali coincidenti con quelli sperimentali, e solo nel caso di ricerca infruttuosa si potrà procedere ad un ben più impegnativo studio volto alla determinazione della struttura molecolare della sostanza in questione (vedi il paragrafo dedicato alla strutturistica).

PROFILO COMPOSIZIONALE

Nel caso in cui si conoscano grosso modo la (o le) classi di specie chimiche sicuramente contenute nei nostri campioni, potrebbe essere utile definire qualitativamente ed eventualmente anche quantitativamente le singole specie chimiche appartenenti a questa/e classe, magari per poter definire le caratteristiche specifiche, anche di tipo funzionale, del prodotto in esame.
Per fare un esempio, si immagini di dover confrontare fra loro vari tipi di oli essenziali, provenienti da piante diverse, utilizzati per la profumazione degli ambienti.   Chi ha già lavorato sull’argomento sa che, per quanto le singole specie chimiche volatili contenute negli oli essenziali vegetali possano essere di migliaia di tipi diversi, esse possono essere raggruppate in un numero piuttosto ristretto di classi chimiche: in primo luogo terpeni (che a loro volta contengono molecole più o meno grandi, cicliche o aperte, ossigenate o meno, ecc), in seconda battuta molecole alifatiche a media catena (es. aldeidi, alcoli ed acidi da 4 a 12 atomi di carbonio), e poi ancora molecole solforate, molecole eterocicliche, e poche altre.
Il quesito fondamentale per poter valutare il singolo olio essenziale e per poterne confrontare diversi fra loro diventa a questo punto: “quali specie chimiche esattamente sono contenute? e in che rapporti relativi di concentrazione si trovano?”.   Questo è anche, più in generale, il quesito che si pone chi fornisce un campione per un’analisi chimica finalizzata ad uno screening composizionale.

Uno screening veramente totale, esaustivo di tutte le possibili classi di molecole potenzialmente presenti nel materiale esaminato, è un obiettivo solitamente utopistico, almeno quando si tratta di prodotti di origine naturale (che quasi per antonomasia hanno una composizione particolarmente complessa), e spesso neanche così indispensabile a fini pratici. A questo proposito si veda anche il post: “la materia oscura nell’analisi della composizione degli alimenti”).
Nel caso dell’esempio relativo agli oli essenziali per applicazioni nei profumatori per ambiente, ad esempio, sarà più che sufficiente restringere lo screening alle molecole volatili, in quanto quelle “fisse”, che non tendono ad evaporare e a diffondersi nell’ambiente (es. eventuali proteine, carotenoidi, carboidrati, cere, ecc) non contribuiscono comunque alla qualità e all’intensità della profumazione.
La tecnica analitica da privilegiare dovrà pertanto essere in grado:
a) di consentire l’identificazione ed eventualmente la quantificazione della singola specie chimica;
b) di poter “vedere” quante più specie chimiche fra quelle d’interesse, in un’unica analisi.
c) (specifico per l’esempio citato) di essere applicabile su molecole volatili, delle classi chimiche ed ai livelli di concentrazione tipici dei campioni che dovranno essere esaminati.

profilo composizionale della frazione volatile (di natura principalmente terpenica) dell'olio essenziale di menta piperita

profilo composizionale della frazione volatile (di natura principalmente terpenica) dell'olio essenziale di menta piperita

Nell’esempio degli oli essenziali la tecnica d’elezione che risponde ad entrambe i requisiti è la gascromatografia.
In quanto tecnica cromatografica la gascromatografia è in grado di separare miscele costituite da molte specie chimiche diverse fra loro per struttura molecolare, consentendo in un’unica esecuzione di osservare, ed eventualmente identificare e quantificare un gran numero, potenzialmente “tutte” le molecole appartenenti alla stessa classe chimica, e spesso anche a più classi chimiche contemporaneamente.    E con questo si sono soddisfatti i requisiti a) e b).   Circa il punto c) abbiamo piena conferma dell’utilizzabilità di queste tecnica analitica in quanto questa è in grado di operare specificamente sulle molecole volatili o facilmente volatilizzabili in condizioni opportune.

Per approfondire l’impiego della gascromatografia, specie in abbinamento alla spettrometria di massa (GC-MS) ed a sistemi software di calcolo, per lo studio di profumi ed altre miscele aromatiche, si rimanda al post: “come si può trasformare un profumo in una matrice numerica (e viceversa)”.

[ Segue nel prossimo post ]

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