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Questa nuova serie di post sul blog copre una gamma di nuovi sensori adatti per il determinazione dei «metalli pesanti» con metodi voltammetrici.
La quantificazione degli ioni di metalli pesanti svolge un ruolo importante in molte applicazioni, tra cui il monitoraggio ambientale, la gestione dei rifiuti, gli studi di ricerca o anche nei test clinici. I metalli pesanti si trovano naturalmente, ma l'aumento dell'industrializzazione e dell'urbanizzazione negli ultimi due secoli è responsabile dell'aumento dei livelli nel nostro ambiente. Questi elementi pericolosi vengono rilasciati e si accumulano nel suolo e nelle acque sotterranee o superficiali. Entrano nella catena alimentare direttamente dall'acqua potabile o attraverso il bioaccumulo in piante e animali. È per questo motivo che alle donne in gravidanza è sconsigliato mangiare frutti di mare, sulla base dell'accumulo di mercurio (Hg) attraverso la catena alimentare.
Il grado di tossicità dipende dal tipo di metallo, dal suo ruolo biologico e, soprattutto, dalla sua concentrazione. L'aumento delle concentrazioni di piombo, ferro, cadmio, rame, arsenico, cromo o nichel nell'acqua potabile è il più delle volte responsabile dell'avvelenamento umano. Per evidenziare la tossicità di alcuni metalli pesanti nell'acqua potabile e per proteggere la salute umana, sono stati fissati valori guida o valori limite per la concentrazione di metalli pesanti nell'acqua potabile da organizzazioni internazionali come l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) o da autorità come l' Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) o la Commissione europea.
In passato sono state sviluppate diverse tecniche per l'analisi degli ioni di metalli pesanti. Le tecniche comunemente utilizzate includono la spettrometria di assorbimento atomico (AAS), il plasma accoppiato induttivamente (ICP) o la spettrometria di fluorescenza. Tuttavia, queste tecniche richiedono apparecchiature costose combinate con elevati costi di manutenzione e personale addestrato. Pertanto, è altamente auspicabile un metodo conveniente, semplice e sensibile che consenta il rilevamento di ioni metallici nei campioni di acqua.
La voltammetria di stripping è la soluzione giusta per queste sfide, fornendo un'alternativa semplice, rapida ed economica per le tecniche di cui sopra, adatta anche a personale non addestrato. Inoltre, i limiti di rilevamento nell'intervallo ng/L e la possibilità di determinare i livelli di tracce di metalli pesanti sul campo lo rendono così interessante e prezioso.
Il principio della voltammetria di stripping
La determinazione voltammetrica dei metalli pesanti consiste in due fasi. Nella prima fase, l'analita viene preconcentrato sulla superficie dell'elettrodo di lavoro come mostrato nell'esempio di determinazione voltammetrica di stripping anodico del piombo (Pb) in Figura 1.
Nella successiva fase di strippaggio (figura 2), l'analita viene rilasciato. Ciò può essere ottenuto mediante ossidazione o riduzione a seconda del metodo utilizzato per la determinazione. Questo passaggio genera il segnale analitico, che deve essere proporzionale alla quantità di analita depositata.
Oltre alla voltammetria di stripping anodico, è possibile utilizzare e lavorare in modo simile anche con la voltammetria di stripping catodico o con la voltammetria di stripping adsorbente. Tutti questi metodi hanno qualcosa in comune: ogni determinazione voltammetrica è buona quanto il sensore utilizzato per la misura. Pertanto, in questa serie di post vogliamo presentare i nostri potenti sensori e dimostrare le prestazioni eccezionali con alcune applicazioni tipiche.
Necessità di nuovi sensori
La necessità di determinazioni di ioni di metalli pesanti sul campo, i costi dei sensori e le questioni ambientali sono i principali fattori scatenanti per la ricerca su nuovi sensori in voltammetria. Per i nuovi sensori sono preferiti materiali non tossici ed economici. Le proprietà di questi materiali, tuttavia, possono portare ad alcune restrizioni. Il primo è il numero limitato di elementi che possono essere rilevati su un particolare materiale dell'elettrodo (ad esempio, oro, carbonio o bismuto). Inoltre, è difficile determinare più elementi contemporaneamente sullo stesso sensore privo di mercurio. La scelta del materiale dell'elettrodo più adatto in combinazione con il design ottimale del sensore aiuta a superare questi problemi.
Bismuto come materiale alternativo per elettrodi
In passato, ci sono stati molti tentativi di trovare materiali per elettrodi meno tossici del mercurio per la determinazione degli ioni di metalli pesanti, ma nessuno ha raggiunto prestazioni elettroanalitiche eccezionali. Vent'anni fa (2000), un ricercatore americano di nome Joseph Wang ha riportato per la prima volta un elettrodo a pellicola di bismuto (Joseph Wang, 2000).
Dopo questo rapporto rivoluzionario iniziale, gli elettrodi a base di bismuto preparati come film in situ ed ex situ su elettrodi a stato solido come il carbonio, stanno diventando sempre più popolari. L'ampia finestra elettrochimica e la bassa tossicità del bismuto erano fattori chiave. Inoltre, il bismuto è in grado di formare leghe con un numero piuttosto elevato di metalli pesanti e mostra un alto sovrapotenziale di idrogeno, simile al mercurio. Queste proprietà sono particolarmente interessanti per lo stripping della voltammetria. L'evoluzione dell'idrogeno viene soppressa in modo molto efficiente con la conseguenza che possono essere eseguite misurazioni prive di rumore a potenziali negativi. Gli elettrodi di bismuto basati su pellicole di bismuto sono una buona opzione. Tuttavia, la deposizione del film è un passaggio aggiuntivo che richiede tempo.
Nuovo sensore in VA: l'elettrodo a goccia Bi
Con l'elettrodo a goccia Bi, è ora disponibile un nuovo elettrodo a stato solido per la determinazione degli ioni di metalli pesanti nell'acqua potabile. Una goccia di bismuto di circa 2 mm di diametro funge da elettrodo di lavoro all'interno della misurazione voltammetrica.
L'elettrodo funziona senza bisogno di lucidatura o deposizione di pellicola—è richiesta solo l'attivazione elettrochimica. Ciò riduce notevolmente l'intero tempo di analisi. Una volta attivate, sono possibili serie di determinazioni di metalli pesanti con elevata ripetibilità nell'intervallo basso μg/L e persino ng/L.
L'elettrodo a goccia Bi consente il monitoraggio senza mercurio dei valori limite dei metalli pesanti cadmio, condurre, nichel, cobalto, e ferro nell'acqua potabile. Poiché l'elettrodo non richiede un trattamento meccanico, è particolarmente adatto per applicazioni online. Un altro vantaggio dell'elettrodo a goccia Bi è il fatto che è possibile determinare simultaneamente cadmio e piombo, nonché nichel e cobalto.
Il sensore è economico, stabile, estremamente sensibile ed è in grado di fornire risultati più riproducibili rispetto ad altri elettrodi a base di bismuto precedentemente esaminati. Per dimostrare le ampie possibilità e la flessibilità dell'elettrodo a goccia Bi, verranno presentati e discussi esempi di voltammetria di stripping anodico, voltammetria di stripping adsorbimento e determinazione voltammetrica diretta.
Applicazioni
Determinazione voltammetrica di stripping anodico di cadmio e piombo
Per ridurre gli effetti tossici del cadmio sui reni, lo scheletro e il sistema respiratorio, nonché gli effetti neurotossici del piombo, i valori guida provvisori «Linee guida per la qualità dell'acqua potabile» dell'Organizzazione mondiale della sanità sono fissati a una concentrazione massima di 3 µg/L per il cadmio e 10 µg/L per il piombo.
Un sensore completamente privo di mercurio, l'elettrodo a goccia Bi consente la determinazione simultanea di cadmio e piombo nell'acqua potabile senza alcuna fase aggiuntiva di placcatura del film. Con un tempo di deposizione di 60 s, è possibile raggiungere un limite di rilevamento (LOD) di 0.1 µg/L per il cadmio e 0,5 µg/L per piombo. Questa eccezionale sensibilità è più che sufficiente per monitorare i valori provvisori delle linee guida dell'OMS.
Non solo la sensibilità è impressionante, ma anche la riproducibilità e l'accuratezza. La deviazione standard relativa per 10 misurazioni in una soluzione standard di controllo (β(Cd) = 1 µg/L e β(Pb) = 5 µg/L) è 5% e 3% e il tasso di recupero è 90% e 100% rispettivamente per cadmio e piombo.
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Cd e Pb in acqua potabile utilizzando un elettrodo a goccia Bi
Determinazione diretta del ferro
La presenza di ferro nell'acqua potabile può portare a un sapore metallico sgradevole, aspro o a macchie bruno-rossastre. Inoltre, i «batteri del ferro» che possono crescere in acque contenenti ferro fino a 100 µg/L, creano una melma bruno-rossastra che può ostruire le tubature e causare un odore sgradevole. Per un periodo più lungo, la formazione di depositi di ferro insolubili è problematica in molte applicazioni industriali e agricole, come l'approvvigionamento idrico, il raffreddamento del sistema o l'irrigazione dei campi. Per evitare questi problemi, l'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti (EPA) definisce il livello massimo di contaminanti secondari (SMCL) per gli impianti di trattamento delle acque come 300 µg/L di ferro nell'acqua potabile.
La determinazione voltammetrica del complesso ferro trietanolammina sull'elettrodo a goccia Bi non tossico non richiede arricchimento. Il sistema utilizza il potenziamento del segnale catalitico, consentendo sia la rilevazione a livelli molto bassi con un limite di rilevazione di 5 µg/L che misurazioni in un ampio range di concentrazioni fino a 500 µg/L.
Questo metodo è più adatto per sistemi automatizzati o analizzatori di processo, consentendo la determinazione completamente automatica del ferro in un'ampia serie di campioni e fornendo risultati stabili. La deviazione standard relativa per 10 misurazioni in una soluzione standard di controllo (β(Fe) = 50 µg/L) è del 3% e il tasso di recupero è del 111%.
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Determinazione voltammetrica di stripping adsorbente di nichel e cobalto
Le principali fonti di inquinamento da nichel provengono da processi di galvanica, operazioni metallurgiche o lisciviazione da tubi e raccordi. I catalizzatori utilizzati nell'industria petrolifera e chimica sono i principali campi di applicazione del cobalto. In entrambi i casi, il metallo viene rilasciato direttamente o attraverso il percorso delle acque reflue-fiume nel sistema di acqua potabile. Pertanto nell'UE, la normativa specifica 20 µg/L come valore limite per la concentrazione di nichel nell'acqua potabile.
Si basa sulla determinazione simultanea e diretta di nichel e cobalto sulla voltammetria di stripping adsorbente (AdSV). Le proprietà uniche dell'elettrodo a goccia Bi non tossico combinato con AdSV si traducono in un ottime prestazioni in termini di sensibilità. Il limite di rilevamento per un tempo di deposizione di 30 s è di circa 0,2 µg/L per nichel e 0,1 µg/L per il cobalto, e può essere ulteriormente abbassato aumentando il tempo di deposizione.
Questo metodo è più adatto per sistemi automatizzati o analizzatori di processo, consentendo la determinazione completamente automatica di questi metalli in grandi serie di campioni e fornendo risultati stabili e accurati. La deviazione standard relativa per 10 misurazioni successive in una soluzione standard di controllo (β(Ni) = 1 µg/L β(Co) = 1 µg/L) è 4% e 5% e il tasso di recupero è 106% per nichel e 88 % per il cobalto.
Per ulteriori informazioni su questa applicazione, scarica la nostra nota applicativa gratuita:
Ni e Co in acqua potabile: Determinazione simultanea nell'intervallo ng/L sull'elettrodo a goccia Bi
Caratteristiche principali
dell'elettrodo a goccia Bi:
- Non tossica, completamente priva di mercurio per la determinazione dei metalli in tracce
- Determinazione simultanea di Ni e Co, nonché Cd e Pb
- Limite di rilevamento nel range basso di μg/L e persino ng/L
- Adatto per sistemi automatizzati e online
Altre puntate di questa serie
Questo articolo del blog è stato dedicato all'argomento dell'elettrodo a goccia Bi e a come può essere utilizzato per la determinazione degli ioni di metalli pesanti nell'acqua potabile. Altre puntate sono dedicate all'analisi dei metalli in tracce con questi elettrodi a stato solido:
