Il laboratorio ospita uno spettrofotometro a fluorescenza di raggi X a dispersione di energia Xepos Spectro, per la determinazione degli elementi contenuti nei campioni di particolato atmosferico. La tecnica, non distruttiva, viene impiegata all’inizio del processo analitico di determinazione della composizione chimica delle polveri atmosferiche, subito dopo la determinazione della massa raccolta, e consente di svolgere ulteriori analisi sul medesimo campione.

La tecnica ED–XRF permette di identificare e quantificare la composizione elementale di campioni con matrice bulk (campione massivo) o particellare (campione particolato).

Il campione viene bombardato con un fascio di raggi X ad alta energia generati da una sorgente (tubo a raggi X) all’interno dello strumento. Una quota di raggi X viene assorbita dal campione, portando le specie atomiche che lo compongono ad uno stato energetico eccitato. Nel tornare allo stato energetico fondamentale, gli atomi eccitati emettono fotoni ad energia inferiore a quella del fascio incidente, con fluorescenza. Ogni specie atomica emette bande di energia caratteristiche, il che permette di identificare le specie presenti nel campione, e l’intensità della radiazione emessa da ogni specie è proporzionale alla sua concentrazione nel campione stesso. Data l’elevata energia ed intensità del fascio di raggi X incidenti, il processo di eccitazione/emissione in fluorescenza interessa tutta la massa di campione analizzato, consentendo di determinare la sua composizione elementale in maniera quantitativa.

La determinazione di tutte le specie atomiche viene effettuata simultaneamente, mediante un rivelatore semiconduttore a dispersione di energia ed un analizzatore multicanale. La concentrazione di ogni elemento viene poi calcolata mediante curva di calibrazione con standard o campioni a concentrazione nota.

Presso il Laboratorio dei Metalli del CNR-IIA è presente un ED-XRF SPECTRO XEPOS (AMETEK) con tubo a raggi X da 50 W / 60 kV e software per analisi quantitativa dedicato (TurboQuant II, AMETEK).

La spettrometria di massa a plasma induttivamente accoppiato (ICP – MS) è una tecnica per l’analisi multi-elementare veloce, versatile e sensibile che consente la determinazione di metalli presenti in tracce in matrici complesse organiche e inorganiche.
La tecnica analitica sfrutta il calore di una torcia al plasma per ionizzare il campione. Il plasma viene generato a partire da un flusso di gas Argon e può arrivare a una temperatura compresa tra i 6.000 e i 10.000 K.

Lo spettrometro utilizza un analizzatore di massa a quadrupolo. Gli ioni vengono separati in base al loro rapporto massa/carica; il segnale generato è proporzionale alla concentrazione. La concentrazione del singolo elemento è determinata tramite calibrazione con standard a concentrazione nota. Al fine di compensare la variabilità della misura causata dall’ “effetto matrice”, è possibile aggiungere quantità note di uno o più elementi prescelti (standard interni) sia ai campioni sia alle soluzioni usate per la calibrazione.

La preparazione del campione prevede la completa solubilizzazione del campione tramite un processo di mineralizzazione acida con microonde.

L’applicazione della tecnica di ICP – MS all’analisi di campioni in matrice ambientale consente la determinazione di tutti i metalli presenti anche in tracce nei campioni prelevati sia in aria ambiente sia in siti industriali o indoor.

Lo strumento analizza direttamente le polveri aerodisperse campionate su membrana filtrante senza necessità di alcun pretrattamento. Tuttavia, date le estreme condizioni termiche a cui vengono sottoposti i campioni, è necessario l’impiego di specifiche membrane in fibra di quarzo, termicamente resistenti alle temperature di esercizio dello strumento.

Il campione viene infatti sottoposto a due distinti trattamenti termici ad alta temperatura, il primo dei quali prevede la determinazione del carbonio organico per desorbimento termico in atmosfera inerte (elio), seguendo una rampa termica che raggiunge progressivamente la temperatura di 870°C. Successivamente ad una fase di parziale raffreddamento, il campione viene nuovamente sottoposto ad una rampa termica in atmosfera ossidante (10% di ossigeno), fino alla temperatura di 890°C, per la determinazione del carbonio elementare.

Tutte le specie organiche rilasciate dal campione durante l’intero protocollo termico vengono trasportate in un forno catalizzatore contenente biossido di manganese (MnO2) e completamente ossidate ad anidride carbonica (CO2). A seguito di un processo di riduzione, la CO2 viene poi trasformata in metano, il quale viene quantificato mediante un rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID, flame ionization detector).

Durante l’intero processo lo strumento monitora continuamente il valore di trasmittanza di una radiazione laser incidente sulla superficie del campione. Un inconveniente di tale trattamento termico è infatti rappresentato dal cosiddetto charring (o annerimento del filtro), dovuto alla formazione di carbonio pirolitico durante la prima fase di riscaldamento in atmosfera inerte, il quale verrebbe erroneamente quantificato come carbonio elementare. In questa fase il charring provoca la diminuzione del segnale di trasmittanza, mentre durante la fase successiva, in atmosfera ossidante, si registra un progressivo aumento del segnale che raggiunge il suo valore iniziale al termine del processo di pirolisi. È in corrispondenza di questo punto che il sistema effettua la determinazione del materiale pirolizzato, il che consente la corretta attribuzione dei valori di OC ed EC.

L’impiego di tale strumentazione ha come principale vantaggio quello di determinare con un’unica, rapida analisi, e senza alcun pretrattamento del campione, le due frazioni carboniose che nel bilancio di massa totale del PM rappresentano gran parte della massa totale delle particelle campionate.

Lo svantaggio di tale tecnica è invece quello di non poter effettuare alcuna speciazione della frazione organica nelle varie sottoclassi di composti, possibile solamente impiegando metodiche analitiche e strumentazioni costose ed impegnative sia in fase di preparazione del campione che durante l’analisi vera e propria.

La tecnica SEM – EDS permette di ottenere informazioni chimico-fisiche e morfologiche di campioni con matrice bulk (campione massivo) o particellare (campione particolato) di qualsivoglia origine e natura, mediante l’interazione tra un fascio di elettroni di energia adeguata e la matrice stessa del campione.

Il fascio elettronico, generato da una sorgente (gun), viene accelerato lungo la colonna elettronica fino ad una camera da vuoto, dove è inserito il campione, su cui effettua la scansione di diversi punti o aree. Durante la scansione, gli elettroni del fascio (primari) interagiscono con il materiale analizzato. Tale interazione induce l’emissione dal campione di elettroni a diversa energia, e da diversi livelli di profondità del materiale (principalmente elettroni Auger, secondari e retrodiffusi), nonchè di raggi X caratteristici degli elementi chimici presenti nella sua composizione.

Gli elettroni Auger, secondari e retrodiffusi danno informazioni su, rispettivamente, la composizione dello strato superficiale, la morfologia della superficie e il numero atomico medio nel punto di analisi.

I raggi X caratteristici ne descrivono la composizione elementale. Questa viene determinata mediante microanalisi dell’emissione X in spettroscopia a dispersione di energia (EDS), e successiva interpretazione spettrale. Nel caso di campioni particellari, le suddette informazioni morfo-chimiche sono ottenibili anche dalle singole particelle, il che permette di amplificare molto il contenuto informativo della microanalisi SEM-EDS. Nelle applicazioni ambientali ciò consente, ad esempio, di risalire alle sorgenti e ai fattori responsabili della composizione del campione. Presso il Laboratorio di Microscopia del CNR-IIA è presente un SEM-EDS COXEM EM-30AX Plus con sorgente elettronica di W ad emissione termionica, combinato con detector SDD per microanalisi EDS (Oxford Instruments).

La microscopia ottica è una tecnica analitica che sfrutta il principio della riflessione della luce mediante un sistema di lenti e specchi, per ingrandire otticamente un corpo solido o liquido quando questo è illuminato da una sorgente.

Il microscopio ottico in uso presso l’Istituto è destinato prevalentemente all’analisi morfologica dei campioni di particolato atmosferico. L’applicazione della tecnica di microscopia ottica allo studio del materiale particolato aerodisperso consente la discriminazione e la caratterizzazione di singole particelle secondo parametri quali dimensioni, forma, colore e rugosità della superficie.

Il microscopio utilizzato presso IIA è inoltre dotato di un sistema a epifluorescenza: la sorgente luminosa emette un fascio che attraversa l’obiettivo e viene assorbito dal campione. Quest’ultimo genera un segnale di fluorescenza dovuto all’emissione di un fascio luminoso di lunghezza d’onda diversa da quella assorbita. Le lunghezze d’onda relative all’assorbimento ed all’emissione sono regolate da un filtro ottico posizionato tra l’obiettivo ed il rivelatore.

Nella ricerca ambientale il microscopio a epifluorescenza consente lo studio di specifiche classi di particelle aerodisperse in grado di generare fluorescenza se trattate con uno specifico marcatore. Nel caso del bioaerosol, ad esempio, il marcatore si lega alle molecole di DNA o RNA presenti nelle particelle che costituiscono il campione, generando un segnale di fluorescenza. L’osservazione del campione mediante microscopia ad epifluorescenza e l’elaborazione delle immagini acquisite tramite un software specifico consentono la stima della concentrazione in massa del materiale biologico aerodisperso.