L’attività di sintesi del chemosensore tallio selettivo a base di calix[4]arene ha portato alla produzione di un solido, trasparente, di natura fluorescente, che si vuole utilizzare per il riconoscimento del tallio nella matrice eterogenea costituente il sedimento dopositatosi sulla superficie interna delle condotte idriche, di cui si possiedono i campioni 37 e 41.
Tale tracciante è un sensore a quenching di fluorescenza che per natura, se eccitato da un fascio a 330 nm emette una radiazione a circa 541 nm la cui intensità si riduce quando si lega al metallo per cui è selettivo: il tallio.
Tale fenomeno ha un’ampia variabilità e risente principalmente di due effetti: • il pH della soluzione in cui è solubilizzato il tracciante
• il rapporto tra la concentrazione di tallio e di tracciante
In letteratura[45] si riporta che diluendo il tracciante in una miscela di H2O-CH3CN
(1:1) la banda di emissione presenta un aumento complessivo di 46 nm all’aumentare del pH da 1 a 8. A tale variazione, inoltre, corrisponde anche una diminuzione dell’intensità, anche questa decrescente all’aumentare del pH. Si individua come punto operativo ottimale nello spettro di emissione del chemosensore la lunghezza d’onda di 541 nm corrispondente ad un pH della soluzione molto acido.
Lo spettro di emissione ha bassa dipendenza dal pH in soluzioni con pH inferiori a 3,5 mentre la differenza di lunghezza d’onda emessa aumenta con l’incremento del pH a partire da 3,5 in poi.
Questo fenomeno potrebbe comportare un falso positivo al metodo di individuazione del contaminante quando ad esempio la soluzione presenta un pH maggiore di 3,5 e l’aggiunta della soluzione di nitrato di tallio va a ridurre il pH finale essendo quest’ultima acida. L’aggiunta prova di per sé una riduzione dell’intensità della radiazione che prescinde dall’interazione del tracciante con il metallo.
Attività sperimentali Capitolo 4 Lavorando in condizioni molto acide, quindi, si potrebbe mitigare l’effetto del pH della soluzione sulla variazione di intensità del picco in quanto la successiva aggiunta non dovrebbe corrispondere ad un apprezzabile shift della banda di emissione.
In Figura 4.41 si rappresenta lo shift della banda di emissione del chemosensore in funzione del pH.
Figura 4.41 Spettro di emissione del tracciante al variare di pH della soluzione
Per quanto riguarda l’influenza della concentrazione del contaminante metallico, in letteratura si riporta una certa linearità nella riduzione dell’intensità all’aumentare della concentrazione di tallio, per soluzioni a bassa contaminazione: rapporto tra la concentrazione di tallio e la concentrazione del tracciante inferiore a 1. All’aumentare di tale rapporto la linearità viene meno e si intensifica lo shift della banda di emissione verso lunghezze d’onda sempre inferiori, come si può vedere in Figura 4.42.
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Figura 4.42 Spettro di emissione del tracciante legatosi al tallio al variare del rapporto di concentrazione
Per mitigare questo ulteriore elemento di variabilità del processo bisognerebbe lavorare con soluzioni a basse concentrazioni di tallio e adattare la concentrazione del tracciante mantenendo il rapporto tra i due tra 0 e 1.
Alla luce di queste considerazioni l’applicazione del chemosensore a fluorescenza può essere distinta in due fasi:
I. Verifica dell’interazione tra il chemosensore sintetizzato e una soluzione di tallio utilizzata come standard
II. Applicazione del chemosensore sul sedimento contenente Tallio
La verifica della funzionalità del tracciante è stata messa a punto fissando due specifiche, ovvero il pH e la concentrazione di tracciante nella soluzione identificata come soluzione madre. Per rispettare la condizione di mantenere il rapporto tra la concentrazione del tracciante e la concentrazione del metallo si è scelto di preparare cinque soluzioni a concentrazione di tallio crescente e minore di quella della soluzione madre da specifica.
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Tabella 4.13 Condizioni operative per la prova di applicazione
pH della soluzione 3,5
Concentrazione di Tracciante della soluzione
𝐶𝑡𝑟 = 15 ∙ 10−6 𝑀
Concetrazioni di Tallio delle cinque soluzioni 𝐶𝑇𝑙+ = 10−6 𝐶𝑇𝑙+ = 2 ∙ 10−6 𝐶𝑇𝑙+ = 4 ∙ 10−6 𝑀 𝐶𝑇𝑙+ = 8 ∙ 10−6 𝑀 𝐶𝑇𝑙+ = 12 ∙ 10−6 𝑀
In queste condizioni ci si aspetta che la scelta del pH acido consenta di limitare lo shift di lunghezza d’onda d’emissione e la scelta di limitare il rapporto tra le concentrazioni garantisca la linearità tra l’intensità dell’emissione e la concentrazione di tallio. La preparazione della soluzione di tracciante è stata effettuata recuperando una parte di solido e solubilizzandola in un matraccio da 10 mL con una soluzione di H2O-
CH3CN (1:1) e diluita con una soluzione H2O-CH3CN acidificata con HNO3 fino al
pH di 3,5. Si considera la purezza del tracciante, cautelativamente del 50% rispetto al 60% emerso dall’analisi NMR
Per la preparazione delle soluzioni di nitrato di tallio da utilizzare come standard si è utilizzata una soluzione di nitrato di tallio al 2% in peso di acido nitrico avente un pH di circa 1,5. Da tale soluzione sono state ricavate le cinque soluzioni a concentrazioni desiderate diluendole con la soluzione acidificata a pH 3,5.
Lo strumento utilizzato per l’analisi è il fluorimetro FLUOROLOG – Horiba Jobin Yvon che consente di effettuare misure di fluorescenza di campioni in cuvette da 3 mL. La prova si è svolta prima sulla soluzione di tracciante, non legata al metallo, registrando un’emissione elevatissima e in seguito prelevando 1 mL di tracciante e 1 mL di soluzione standard di nitrato di Tallio, per ciascuna prova, diluite con la miscela a pH 3,5. In Tabella 4.13 la sintesi delle prove effettuate.
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Tabella 4.14 Prove effettuate al variare della concentrazione di tracciante
𝐶𝑇𝑙+ = 15 ∙ 10−6 𝜁𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 50% 𝜁𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 60% 𝐶𝑡𝑟 = 10−6 𝐶𝑇𝑙+ 𝐶𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ⁄ 0,067 0,08 𝐶𝑡𝑟 = 2 ∙ 10−6 𝐶 𝑇𝑙+ 𝐶𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ⁄ 0,133 0,16 𝐶𝑡𝑟 = 4 ∙ 10−6 𝐶 𝑇𝑙+ 𝐶𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ⁄ 0,267 0,32 𝐶𝑡𝑟 = 8 ∙ 10−6 𝐶 𝑇𝑙+ 𝐶𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ⁄ 0,533 0,64 𝐶𝑡𝑟 = 12 ∙ 10−6 𝐶𝑇𝑙+ 𝐶𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ⁄ 0,800 0,96
Gli spettri d’emissione risultanti dalle prove effettuate sono rappresentati in Figura 4.43.
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Durante l’analisi il tracciante a pH 3,5 ha mostrato un picco intenso a 541 nm come da letteratura e all’aumentare della concentrazione del tallio l’intensità dei picchi è risultata effettivamente decrescente. Questo fenomeno sembra fornire evidenza dell’effettiva funzionalità del chemosensore di cui si rimanda alla Figura 4.45 per identificare la sua funzione di sensore ON-OFF.
Figura 4.45 Effetto ON-OFF del chemosensore Tallio selettivo
Confrontando gli spettri ottenuti con gli andamenti riportati in letteratra sembrerebbe che il tracciante legandosi al Tallio, anche in rapporti molto bassi, mostri effettivamente un quenching della sua natura fluorescente riducendo sempre più l’intensità della radiazione emessa all’aumentare della concentrazione del metallo.
La seconda fase di tale analisi ha previsto una prima prova “di perlustrazione” sul sedimento. Durante tale prova il confronto è stato fatto depositando il tracciante su un pezzetto di carta d’alluminio utilizzata per simulare una superficie metallica priva di
Attività sperimentali Capitolo 4 tallio e depositando il tracciante su un po’ di sedimento. Lo spettro risultante è raffigurato in Figura 4.46.
Figura 4.46 Effetto quenching del chemosensore applicato al sedimento
Dal confronto dei due spettri di emissione si può notare una minore intensità del picco relativo al campione sul quale è stato posto a contatto il tracciante, rispetto al singolo tracciante stesso. Naturalmente si tratta di una singola prova, ma questo primo risultato potrebbe indirizzare su una nuova sfera di applicazione del chemosensore su campione solido.
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