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1 Analitica 1 16/17
Chimica Analitica
http://www.sepsci.unime.it
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2 Analitica 1 16/17
INTRODUZIONE
Obiettivi formativi
Il corso di Chimica Analitica fornisce allo Studente le nozioni fondamentali di chimica analitica utili all'espletamento ed alla valutazione dei controlli dei
medicamenti ed alla comprensione degli studi di validazione dei farmaci.
• Si propone di dare una visione globale del processo analitico, a partire dalla
scelta del metodo di analisi fino all'elaborazione dei risultati, e delle tipologie di
metodiche classiche e strumentali di analisi.
• Fornire gli strumenti per poter valutare criticamente (anche per via statistica e
chemiometrica) sia i risultati sperimentali ottenuti che quelli riportati negli studi
di applicazione dei farmaci e nel controllo di qualità dei medicinali e prodotti per
la salute.
• Consentire l’acquisizione di conoscenze culturali necessarie per affrontare i corsi degli anni seguenti, in particolare quelli di analisi dei medicinali
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3 Analitica 1 16/17
CONTENUTI DEL CORSO
Introduzione alla Chimica Analitica
Riepilogo di alcuni concetti basilari
Gli errori nell'analisi chimica
Definizione dei termini. Errori causali. Il trattamento statistico dell'errore. La
deviazione standard di risultati calcolati. Metodi per riportare i dati analitici.
Valutazione dei dati analitici
Errori sistematici. Applicazione della statistica alla valutazione dei dati
Introduzione ai metodi spettroscopici di analisi.
Proprietà della radiazione elettromagnetica. Lo spettro elettromagnetico.
Componenti degli strumenti per spettroscopia ottica.
Teoria della spettroscopia di assorbimento molecolare
Termini impiegati in spettroscopia di assorbimento. La legge di Beer. Teoria
dell'assorbimento molecolare.
Applicazioni della spettroscopia di assorbimento molecolare
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CONTENUTI DEL CORSO
Strumenti per misure di assorbimento ottico. Spettrometria e fotometria
nell'ultravioletto/visibile Applicazioni della spettroscopia di assorbimento
nell'infrarosso. Errori nelle analisi spettrofotometriche.
Spettroscopia di fluorescenza molecolare
Teoria della fluorescenza molecolare. Effetto della concentrazione sull'intensità
di fluorescenza. Strumenti per la misura della fluorescenza.
Spettroscopia atomica
Origine degli spettri atomici. Spettroscopia basata sull'atomizzazione con fiamma. Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici. Metodi di
emissione atomica basati su sorgenti a plasma.
Separazioni analitiche per estrazione e scambio ionico
Separazione per estrazione. Separazione per scambio ionico.
Introduzione ai metodi cromatografici
Descrizione generale della cromatografia. Velocità di migrazione dei soluti.
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CONTENUTI DEL CORSO
Efficienza delle colonne cromatografiche. Risoluzione di una colonna.
Applicazioni della cromatografia.
Applicazioni della cromatografia
Cromatografia gas-liquido. Cromatografia liquida ad alta efficienza. Confronto tra la cromatografia liquida ad alta prestazione e la cromatografia gas-liquido
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Chimica Analitica
E’ costituita da due sezioni:
Chimica analitica qualitativa
che si occupa della determinazione di quale costituente o
costituenti esistono in un campione
Chimica analitica quantitativa
che si occupa della determinazione di quanto di una data sostanza
è presente nel campione
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8 Analitica 1 16/17
Chimica Analitica
I metodi quantitativi si possono suddividere in diversi
gruppi, in funzione della misura finale che si ottiene
nell’analisi, la grandezza della quale è proporzionale alla
quantità di analita presente nel campione.
Esistono pertanto :
- analisi gravimetrica
- analisi volumetrica
- metodi elettroanalitici
- metodi spettroscopici (Strumentali)
Metodiche Analitiche
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§ definizione del problema
§ campionamento
§ preparazione del campione
§ trattamento del campione
§ separazione di potenziali interferenze
§ completamento dell’analisi
Procedimento analitico
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10 Analitica 1 16/17
§ La scelta del metodo e l’attenzione con cui esso
viene eseguito sono strettamente dipendenti
dall’accuratezza che viene richiesta. L’ aumento
dell’attendibilità di una analisi richiede con ogni
probabilità un aumento esponenziale del tempo
di analisi. Un’analisi che non riuscirà a fornire
l’attendibilità richiesta sarà ovviamente uno
spreco di tempo
Scelta del Metodo di analisi
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11 Analitica 1 16/17
Campionamento
§ E’ fondamentale, in qualsiasi analisi chimica,
essere in possesso di un campione la cui
composizione sia rappresentativa di una vasta
quantità di sostanza. Quanto più il materiale
iniziale è omogeneo, tanto più facile sarà
ottenere un campione rappresentativo.
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12 Analitica 1 16/17
Preparazione del campione
§ Per quanto riguarda le sostanze solide il
campione deve essere macinato per ridurre la
grandezza delle particelle ed assicurarne
quindi l’omogeneità.
§ Per quanto riguarda le analisi che si effettuano
su soluzioni del campione il solvente dovrebbe
s c i o g l i e r e c o m p l e t a m e n t e l ’ a n a l i t a ,
rapidamente, stabilmente e nelle condizioni più
blande possibili.
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13 Analitica 1 16/17
Trattamento del campione
§ Il campione come tale viene sottoposto ad una serie di trattamenti
atti a renderlo idoneo al tipo di analisi che si intende effettuare. Le
operazioni più comuni che si effettuano sono:
Macinazione (Solido), miscelazione, essiccamento, calcinazione,
filtrazione e solubilizzazione.
Spesso la determinazione sia qualitativa che quantititativa di un
analita è preceduta da operazioni di estrazione o separazione di
quest’ultimo dagli altri componenti presenti nel campione
§ Es. misurazione del pH diretta. Nella maggiorparte dei casi è
necessario trattare il campione
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14 Analitica 1 16/17
Definizione dei campioni replicati
§ La maggior parte delle analisi chimiche viene eseguita su campioni replicati le cui
masse o volumi sono stati determinati da
misure accurate con una bilancia analitica o
con uno strumento volumetrico preciso. La
replicazione accresce la qualità dei risultati e
fornisce una misura della loro attendibilità.
Solitamente, le misure quantitative sui
replicati vengono mediate e sui risultati
vengono eseguiti i vari test statistici per
stabilirne l'attendibilità.
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15 Analitica 1 16/17
Separazione di potenziali interferenze
§ Le sostanze che ostacolano la misura diretta
della concentrazione di analita vengono dette
interferenze; la loro eliminazione prima della
misura finale è uno stadio importante nella
maggior parte delle analisi. Non esistono
regole assolute e veloci per eliminare le
interferenze; questa difficoltà spesso
rappresenta l’aspetto più problematico
dell’analisi.
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16 Analitica 1 16/17
Calibrazione e misura della concentrazione
Tutti i risultati analitici dipendono dalla misura finale X di una
proprietà fisica o chimica dell'analita.
Questa proprietà deve variare in modo noto e riproducibile con la
concentrazione cA dell'analita. Idealmente, la misura della proprietà è
direttamente proporzionale alla concentrazione. Cioè,
cA = kX
dove k è una costante di proporzionalità. Con poche eccezioni, i metodi analitici richiedono la determinazione empirica di k con
standard chimici per i quali cA sia noto.
Il processo di determinazione di k costituisce perciò una fase importante nella maggior parte delle analisi; questa fase è chiamata
calibrazione.
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17 Analitica 1 16/17
Completamento dell’analisi
§ Questo generalmente è lo stadio più veloce e
facile di tutti, ma può essere attendibile solo se le
fasi precedenti sono state effettuate in maniera
corretta. Una necessità fondamentale è che sia
nota la proporzionalità tra la grandezza misurata e
la quantità di analita presente.
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18 Analitica 1 16/17
UN RUOLO INTEGRALE PER L'ANALISI CHIMICA: SISTEMI DI CONTROLLO A RETROAZIONE
§ Si determina lo stato desiderato, si misura lo stato attuale del sistema e si confrontano i due stati. La differenza tra i due stati viene usata per variare una quantità controllabile che conduce ad una variazione dello stato del sistema. Sul sistema vengono nuovamente eseguite le misure quantitative e viene ripetuto il confronto. La nuova differenza tra lo stato desiderato e lo stato attuale viene ancora usata, se necessario, per cambiare lo stato del sistema. Il processo fornisce un continuo monitoraggio e feedback per mantenere la quantità controllabile, e quindi lo stato attuale, ad un livello appropriato. I l testo descrive i l monitoraggio e il controllo della concentrazione di glucosio nel sangue come esempio di un sistema di controllo retroattivo.
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19 Analitica 1 16/17
MISURAZIONE DEL GLUCOSIO NEL SANGUE
Caratteristiche tecniche: • Dimensioni: 53 x 30 x 96 mm (2.1’’x1.2’’x 0.38’’) • Metodo di misurazione: tecnologia amperometrica con glucosio ossidasi • Gamma di risultati: 20 mg/dL ~ 600 mg/dL (1.1 mmol/L ~ 33.3 mmol/L) • Alimentazione: CA 3,0 V, CR1620 • Campione di sangue: sangue capillare completo • Volume di sangue: min. 0.7 µL
Quantificazione della reazione Enzimatica di ossidazione del glucosio, prporzionale alla sua concentrazione nel sangue ed operata dall’enzima glucosio ossidasi. Nel metodo impedenziomentrico viene misurata la conduttività elettrica del sangue stesso, indotta dalla corrente generata dalla reazione di ossidoriduzione stessa.
La glucosio ossidasi è un enzima ossidoredutatsi che catalizza: Β-D-glucosio + O2 àD-glucono-1,5-lattone + H2O2
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20 Analitica 1 16/17
Un esempio pratico
Nel parco statale di “Land between the lakes” nel
Kentucky si verificò una moria di cervi nei pressi di
uno stagno. Venne sospettato l’utilizzo di un erbicida a
base di Arsenico. La preparazione dei campioni di reni
prelevati dagli animali morti vennero preparati per
incenerimento a secco in crogiuolo. Allo stesso modo
vennero preparati i campioni di erba.
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21 Analitica 1 16/17
Il solido essiccato in ciascuno dei crogiuoli fu
sciolto in HCl diluito, che trasformò l’As2O5 in
H3AsO4. L’Arsenico può essere separato da altre
sostanze che potrebbero interferire nell’analisi,
mediante trasformazione in Arsina, AsH3, un gas
tossico incolore che si sviluppa quando una
soluzione di H3AsO4 viene trattata con Zinco.
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22 Analitica 1 16/17
Le soluzioni risultanti dai campioni di cervo e di erba furono
combinate con Sn2+ e fu aggiunta una piccola quantità di di ioni
ioduro per catalizzare la riduzione di H3AsO4 in H3AsO3 :
H3AsO4+ SnCl2+2HCl H3AsO3+ SnCl4+H2O
L’ H3AsO3 fu poi trasformato in AsH3 per aggiunta di Zn metallico
H3AsO3+ 3Zn+6HCl AsH3+ 3ZnCl2+3H2O
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23 Analitica 1 16/17
L’intera reazione venne eseguita in beute munite di tappo e di
un tubo di trasferimento in modo tale che il gas di arsina
potesse essere raccolto nella soluzione assorbente
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24 Analitica 1 16/17
L’ arsina viene raccolta in speciali contenitori trasparenti detti cuvette.
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25 Analitica 1 16/17
Non appena l’arsina gorgoglia nella soluzione
contenuta ne l la cuvet ta reagisce con i l
ditiocarbammato di argento per formare un complesso
colorato secondo la seguente reazione.
AsH3+ 6Ag++ 3
C2H5
C2H5
NS
S-
AsC2H5
C2H5
NS
S-6Ag+ + 3H+
rosso
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26 Analitica 1 16/17
Oltre alle beute contenenti i campioni di cervo e di erba, ne furono
preparate diverse altre contenenti concentrazioni note di arsenico ed
anche una beuta contenente solo i reagenti ma non l’arsenico. Tale
campione viene chiamato bianco. Il complesso di arsenico
intensamente colorato che si formò non appena l’arsina gorgogliò nella
soluzione piridinica di dietilcarbammato, assorbiva luce alla lunghezza
d’onda di 535 nm.
Il grado di assorbimento della luce poteva essere usato per misurare la
concentrazione della specie assorbente utilizzando uno strumento
chiamato spettrofotometro. Come si può vedere, l’intensità di colore
delle soluzioni è proporzionale alla quantità di arsenico nei campioni. I
valori di assorbanza di soluzioni standard a concentrazione nota
registrati dallo spettrofotometro vennero utilizzati per tracciare una
curva di calibrazione.
