Questo insieme di laboratori ospita strumenti utilizzati per la caratterizzazione chimica e morfologica del particolato atmosferico che viene raccolto durante studi e campagne di misura della qualità dell’aria indoor e outdoor, effettuate in aree remote, rurali, industriali ed urbane. L’insieme della strumentazione consente di effettuare una valutazione completa della composizione chimica del particolato che, a sua volta, permette di individuare e stimare la forza delle sue sorgenti principali.

STRUMENTAZIONI

Sala Bilance

Nel laboratorio sono presenti 2 bilance analitiche Crystal Gibertini con sensibilità di 0.1 milligrammi,  ed una bilancia automatizzata Sartorius ME5, con sensibilità di 1 microgrammo. Tutte le bilance sono alloggiate in camere condizionate a temperatura e umidità costanti. La bilancia automatizzata, dotata di sistema robotizzato comandato da computer, è utilizzata per la misura della massa delle polveri atmosferiche raccolte sulle membrane filtranti.

Laboratorio XRF

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.

Descrizione

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).

Laboratorio di preparativa inquinanti inorganici

Il laboratorio è dotato di sistema di produzione di acqua deionizzata MilliQ/Elix3 Merck, bagni ad ultrasuoni ed attrezzature necessarie alla preparazione dei campioni per la successiva analisi strumentale.
Nel caso delle polveri atmosferiche raccolte su membrana filtrante, viene eseguita l’estrazione in soluzione acquosa delle sostanze chimiche idrosolubili mediante immersione del campione nel bagno ad ultrasuoni o l’utilizzo di agitatori meccanici. Sulle soluzioni così ottenute vengono eseguite le successive analisi chimiche.

Laboratorio di cromatografia ionica

Nel laboratorio sono presenti due cromatografi ionici Aquion e Ics1000 Thermo Fisher, dotati di autocampionatore, per l’analisi delle specie ioniche (anioni e cationi) ed un cromatografo ionico 930 Compact Ic Flex Metrohm con rivelatore ad amperometria pulsata, dotato di autocampionatore, per l’analisi degli anidrozuccheri.
Dopo la fase di solubilizzazione, le soluzioni acquose contenenti i campioni di polveri atmosferiche vengono analizzate per determinarne il contenuto in specie idrosolubili tradizionali (anioni, cationi) ed in anidrozuccheri, tra cui il levoglucosano, ottimo tracciante della combustione di biomasse.

Laboratorio ICP 

Nel laboratorio sono presenti uno spettrometro di massa con rivelatore al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) X Series II Thermo per l’analisi del contenuto in micro-elementi ed elementi in tracce, ed un mineralizzatore a microonde Ethos 1_Milestone per la dissoluzione completa di campioni solidi. Le analisi in ICP-MS permettono di determinare simultaneamente un numero molto elevato di elementi presenti in atmosfera anche a bassissima concentrazione, complementando le determinazioni effettuate mediante ED-XRF.

Descrizione

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 prima l’estrazione in un adeguato solvente, successivamente la filtrazione su membrana per separare la frazione solubile da quella non solubile. Quest’ultima viene sottoposta a un processo di mineralizzazione mediante microonde e, insieme alla frazione solubile, analizzata.

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. La tecnica analitica ICP-MS è particolarmente utile nella determinazione dei traccianti di specifiche sorgenti emissive di sostanze inquinanti aerodisperse e nello studio della biodisponibilità dei metalli presenti nelle frazioni solubili e non solubili del particolato atmosferico.

Laboratorio di analisi termo-ottica

Il laboratorio ospita la strumentazione necessaria per l’analisi del carbonio elementare e dell’insieme delle specie organiche presenti nelle polveri atmosferiche. Include un forno a muffola ad alta temperatura per il pretrattamento delle membrane filtranti impiegate per il campionamento della frazione organica, due analizzatori termo-ottici da banco Lab OC/EC Aerosol Analyser, Sunset Laboratory, ed un analogo analizzatore termo-ottico ad elevata risoluzione temporale (1 ora) per analisi su campo (Model-4 Semi-Continuous OC-EC Field Analyzer, Sunset Laboratory).

Descrizione

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.

Laboratorio di microscopia elettronica

Il laboratorio ospita  un microscopio elettronico a scansione EM-30AX Plus Coxem, accoppiato alla spettroscopia in dispersione di energia (SEM-EDS). Lo strumento permette di effettuare l’analisi morfologica dei campioni di particolato e di generare immagini ad alta risoluzione delle polveri raccolte sulla membrana di campionamento; permette inoltre di effettuare la caratterizzazione chimica quali-quantitativa delle singole particelle

Descrizione

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).

Laboratorio di microscopia ottica

Il laboratorio è dotato di un microscopio ottico Imager M1m Zeiss con ingrandimento da 5x a 100x e telecamera ad alta risoluzione Axiocam Zeiss per l’acquisizione delle immagini. Viene impiegato per effettuare la caratterizzazione morfologica del particolato e per la determinazione del contenuto di bioaerosol mediante una tecnica dedicata che prevede la colorazione selettiva con ioduro propidio e la successiva osservazione in fluorescenza.

Descrizione

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.