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l’analisi chimica (2° parte): 5 strategie di base

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Dall’intervento precedente:

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 precedente (l’analisi chimica (1°parte): finalità, approcci e limiti) erano stati descritti i primi due approcci, mentre i rimanenti sono affrontati nella trattazione che segue:
RICERCA DI SINGOLI COMPONENTI
Forse ritenuta dai più l’analisi chimica per antonomasia, la ricerca di singoli componenti è quella che risponde alla domanda fra tutte più mirata: “è presente o è assente questa precisa specie chimica? e se è presente, a che concentrazione si trova?”.

strumentazione utilizzata per analisi spettrofotometrica, insieme ad uno spettro di assorbimento e di fluorescenza

strumentazione utilizzata per analisi spettrofotometrica, insieme ad uno spettro di assorbimento e di fluorescenza

Sembra una cosa da niente, ma dietro ad un quesito posto in questi termini ci sono parecchie “condizioni” che devono essere valutate e rispettate, ed altrettanti segnali di allerta che dovrebbero mettere in guardia il chimico analitico, ma da un punto di vista pratico soprattutto il non chimico che richiede l’analisi o che ne utilizza i risultati, a guardarsi bene dal trattare queste metodiche ed i risultati che esse possono fornire, al di fuori delle loro spesso ristrette condizioni di validità.
A partire dal contesto di questo approccio analitico hanno preso piede i concetti di “analita” e “matrice” riferiti ad un campione. Analita è sostanzialmente la specie chimica (o più di una) che dev’essere ricercata, ovvero confermata dal punto di vista qualitativo (presente/assente) ed eventualmente quantificata (determinazione della sua concentrazione, ad esempio in % in peso o in mg/l o in molarità M, ecc). La matrice è invece tutto cosa fa tipicamente parte di quella tipologia del campione ma che non costituisce oggetto di esame analitico, con particolare riferimento non tanto alle singole specie chimiche co-presenti, magari a concentrazioni sullo stesso ordine di grandezza dell’analita, ma al “materiale” di base di cui è costituito il campione e nel quale gli analiti risultano disciolti o dispersi.
Per fare degli esempi, se ricerco la presenza dello ione cromato nelle falde acquifere, il cromato è l’analita, l’acqua è la mia matrice; se ricerco tre diversi composti aromatici alogenati nel terreno, i tre composti aromatici alogenati rappresentano gli analiti, mentre la matrice sarà costituita da terreno.
La maggior parte dei metodi “ufficiali”, i cui rapporti di analisi, prodotti da un laboratorio chimico accreditato, possono assumere valore legale, partono da una ben precisa descrizione oltre che degli analiti ricercati (ovvio) anche della matrice sulla quale il metodo in questione è stato testato (in linguaggio tecnico “validato”), e quindi della tipologia di campione e quindi di campo applicativo.
La matrice infatti può condizionare, talvolta anche in modo marcato, il risultato di un’analisi, tramite interazioni di natura chimica e chimico-fisica con gli analiti, ad esempio mascherandone una parte, assorbendolo superficialmente su eventuali particelle o addirittura legandolo chimicamente: ogni differente tipologia di matrice richiederebbe pertanto la messa a punto e la verifica di un metodo di pre-trattamento specifico (detto “preparazione del campione”), che per esempio “liberi” in modo completo o per lo meno riproducibile l’analita rendendolo disponibile al successivo test analitico. Inutile dire che i casi più semplici da affrontare sono quelli costituiti da campioni la cui matrice è semplicemente acqua o solventi organici facilmente evaporabili.
La definizione del campo di applicazione di una certa metodica di analisi fermo restando la scelta dell’analita (es. all’acqua, al latte, al terreno, alla carne, a frutta ed ortaggi, ecc), oltre che per le suddette ragioni dipendenti dalla matrice, porta con sé anche valutazioni importanti relative alla presenza “tipica” di eventuali specie chimiche interferenti, altri analiti tipicamente co-presenti nella stessa tipologia di campione, oltre ad informazioni basilari riguardanti il range di variabilità della concentrazione dell’analita.
Dal momento che ogni metodo di analisi riesce a quantificare un analita solo all’interno di una “finestra” di concentrazioni, da un valore massimo ad un valore minimo, nel caso di campioni che già a priori, per la conoscenza che ne abbiamo, supera questo intervallo dovranno essere preventivamente diluiti, mentre campioni che stanno di sotto al valore minimo indagabile dovranno essere preventivamente concentrati, e se il metodo non dovesse contemplare quest’ultima operazione, non potendo rilevare neppure tracce dell’analita sul rapporto di analisi comparirà il valore di zero, che tuttavia avrà semplicemente il valore di “inferiore al LOD” (limit of detection) o “inferiore al LOQ” (limit of quantification, nel caso in cui sia visibile una semplce traccia ma fuori dal range utile per la quantificazione).

Troppo spesso tuttavia si prova ad approcciare l’indagine su campioni non sufficientemente conosciuti tramite metodi di ricerca di singoli componenti come quelli descritti. Oltre che per la suddetta specificità in relazione alla tipologia di matrice e di campo applicativo, la scelta di questi metodi non rappresenta di solito l’approccio adeguato per questo genere di esigenza. Essi infatti sono sempre mirati e focalizzati su specifiche specie chimiche, gli analiti appunto, risultando sostanzialmente ciechi nei confronti di tutto il resto. Quando ci viene sottoposto un campione di un alimento o di un’acqua, non dovremmo accettare un quesito generico, espresso di solito in buona fede, del tipo “mi dica se dentro c’è qualcosa che fa male”, e se mai dovessimo accettare un incarico del genere non dovremmo cercare risposte dalla ricerca di singoli analitici nocivi. Se anche tutta la serie dei più comuni contaminanti tossici dovesse risultare assente o al di sotto dei limiti di legge, questo non ci garantirebbe affatto l’assenza di qualche altra sostanza magari tanto tossica quanto “esotica”, che nessuno si sarebbe mai sognato di andare a ricercare in quella specifica categoria di prodotti. Il richiedente dovrebbe invece citare, o comunque accettare se proposte dal chimico, normative di riferimento che indicano un elenco di parametri analitici di natura chimica, chimico-fisica ed eventualmente anche biologica, un vero e proprio protocollo di controllo per verificare ad esempio la salubrità di quel genere di prodotto: anche se probabilmente questo non cautelerà al 100% dall’assenza di contaminazioni pericolose imprevedibili, almeno si sarà fatto il possibile per seguire un criterio razionale e condiviso, oltre che legalmente ineccepibile, per arrivare ad un eventuale dichiarazione di idoneità del prodotto per gli usi ai quali è destinato.
MISURAZIONE PROPRIETA’
Spesso sotto la denominazione generica di “analisi chimica” si includono anche test analitici che, a differenza dell’analisi chimica propriamente detta, non forniscono informazioni sulla composizione del prodotto in termini di singole specie chimiche o classi di molecole, bensì misure di alcune proprietà delle stesse, nel più del casi di natura fisica o chimico-fisica.

reometro, pHmetro, rifrattometro - strumentazione per comuni misure di proprietà fisiche e chimico-fisiche

strumentazione per comuni misure di proprietà fisiche e chimico-fisiche

La misura del pH, della conduttività elettrica, dell’angolo rifrattometrico (grado brix) sono esempi elementari di misure di proprietà fisiche o chimico-fisiche che possono essere eseguite su soluzioni contenenti una o più specie chimiche in miscela, e quindi anche su prodotti naturali indipendentemente dal loro grado di complessità. Proprio sulla misura di queste tre proprietà anche in ambiente “casalingo” e sul loro impiego per approdare ad una prima rudimentale descrizione di prodotti del tutto incogniti si rimanda all’intervento: “conduttività, pH e grado brix: 3 misure quasi casalinghe per iniziare ad affrontare l’incognito“. Relativamente alla specifica valutazione della concentrazione di un generica soluzione mediante misura del grado rifrattometrico secondo la scala brix si rimanda invece all’intervento: “la rifrattometria – l’approccio più speditivo per misurare una concentrazione“.
Da un punto di vista commerciale, ad esempio nella compilazione delle schede tecniche che accompagnano molti prodotti di interesse tecnologico, specie quelli di origine naturale, non è necessaria un’analisi chimica di grande dettaglio, ma al contrario abbondano i risultati di test fisici e chimico fisici, come il punto di fusione, la solubilità in acqua a varie temperature o in altri solventi, la densità in kg/l, lo spettro di assorbimento nel campo del visibile e dell’ultravioletto, il pH, il grado rifrattometrico, la viscosità, la perdita in peso in seguito ad essiccamento, il punto d’ebollizione, fino a dati un po’ più complessi da ottenenere ma anche da interpretare, eppure di grande utilità tecnologica, come i dati dei profili DSC, termogravimetrici e proprietà reologiche specifiche.
Spesso queste analisi fisiche, specie quelle più esotiche, vengono scelte “ad hoc” in funzione delle applicazioni previste per quel determinato prodotto: se ad esempio voglio confrontare fra loro materie prime da utilizzare in una crema per il corpo destinata a schermare la pelle dall’effetto dei raggi UV vorrò conoscere il profilo di assorbimento UV-visibile del prodotto, ma anche il suo pH per verificare se è compatibile con quello della pelle ed eventualmente la sua viscosità.
Nel caso dei prodotti complessi in miscela, le analisi fisiche e chimico-fisiche si riferiscono non alle singole specie o alle classi chimiche presenti nel prodotto ma alla miscela nel suo insieme.

D’altra parte quello che i nostri sensi possono percepire di una realtà tangibile come una miscela o una singola sostanza chimica sono essenzialmente le sue manifestazioni fisiche, valutabili in modo diretto tramite i nostri organi di senso (colore, consistenza, densità, ecc) o indirettamente tramite strumentazione specifica dedicata, che a volte arriva a livelli di complessità realizzativa veramente notevole. Come descritto nel post “la chimica nella fisica: considerazioni sparse sul rapporto fra due scienze pure” d’altra parte, anche gli strumenti utilizzati per l’analisi “chimica” propriamente detta, ad esempio i già citati gascromatografi, ma in realtà anche tutti gli altri, consentono di indagare la composizione chimica di un materiale solo a patto che questa si possa tradurre in qualche tipo di effetto fisico misurabile. Da un punto di vista pratico si potrebbe dire che ogni analisi chimica è in realtà un’analisi fisica complessa in grado di fornirci informazioni riguardo alla composizione chimica del campione.
STRUTTURISTICA
Quando il campione è costituito da una sostanza chimica pura, oppure si tratta di una miscela complessa ma dalla quale con opportune tecnici di separazione (dalle estrazioni selettive alla stessa cromatografia) può comunque essere isolata una specie chimica pura, il quesito analitico potrebbe consistere nella richiesta della determinazione della esatta struttura molecolare della stessa sostanza. In pratica tutto il set completo di informazioni relative alla massa molecolare, al riconoscimento degli elementi chimici costituenti ed al loro rapporto reciproco, fino alla definizione corretta delle modalità di legame reciproco fra questi elementi ed all’orientamento spaziale di questi legami.

rappresentazione tridimensionale della struttura dell'alfa-glucopiranosio nella sua conformazione a sedia

rappresentazione tridimensionale della struttura dell'alfa-glucopiranosio nella sua conformazione a sedia

Lo scopo di tutto questo è in prima battuta quello di pervenire ad una rappresentazione univoca della struttura bi- ed eventualmente tridimensionale della molecola in questione; in seconda battuta il chimico potrà riconoscere in questa struttura una molecola già nota, eventualmente ricercandola in database contenenti parecchie migliaia di strutture molecolari associate alla nomenclatura (nome comune e secondo le regole IUPAC, codice CAS) ed eventualmente alle più importanti proprietà chimico-fisiche e tossicologiche.
Approfondimenti strutturistici possono essere richiesti quando si vuole approfondire lo studio di un nuovo prodotto di origine naturale: per ricollegarsi al caso dell’olio essenziale di origine vegetale o ad un estratto botanico in genere, dopo la realizzazione di un primo profilo composizionale potrebbero risultare alcune specie chimiche non facilmente identificabili, magari una minima parte, eventualmente una soltanto fra le centinaia presenti nel prodotto complesso. L’approfondimento strutturistico su questa molecola potrà consentire di classificarla magari come una molecole già ben conosciuta dalla comunità scientifica ma in un ambito completamente diverso, ad esempio in un tipo di pianta molto distante dal punto di vista tassonomico, oppure solo in ambiente animale o microbico, o ancora la molecola potrebbe risultare un prodotto di sintesi “xenobiotica”, quindi non prodotto dalla pianta medesima ma entrato in essa dall’esterno, ad esempio in seguito a trattamenti fitosanitari o per inquinamento del sito di coltivazione.
Nel caso in cui la struttura molecolare ritrovata non dovesse coincidere perfettamente con nessuna di quelle recensite dalla comunità scientifica fino a quel momento, si avrà la certezza di trovarsi al cospetto di una specie chimica nuova: in questo caso lo studio strutturistico effettuato costituirà materiale informativo fondamentale per poter proporre per la pubblicazione la propria scoperta.
Gli esami strutturistica tuttavia sono tipici della ricerca e non fanno solitamente parte della prasi lavorativa dei laboratori chimico-analitici di controllo, sia per questioni logistiche legate all’elevato investimento di tempo e di competenze che richiedono che per via di ragioni economiche essendo particolarmente onerosi gli strumenti ed i relativi software interpretativi richiesti per condurre studi di questo genere.

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