Esistono tecniche strumentali in grado di acquisire il dato analitico in maniera diretta, spesso senza ricorrere alle estrazioni: la più diffusa di esse è il Purge-and-Trap. Questo sistema è particolarmente utile per composti volatili solubilizzati in matrici liquide come ad esempio i trialometani nelle acque o gli aromi negli alimenti; per poter trattare sia i composti volatili che i non voltatili, invece, si stanno recentemente affermando le membrane semipermeabili. Le membrane in realtà sono ampiamente studiate da vari decenni e da oltre 35 anni
vengono usate per il monitoraggio in tempo reale di composti volatili.
Il punto di forza delle membrane è la permeoselettività ossia la loro capacità di permettere il passaggio di determinati analiti e, selettivamente, di impedirlo ad altri (37). Posizionando un materiale con queste caratteristiche come parte di un capillare esposta al campione da un lato, e ad un flusso di fluido affine agli analiti, chiamato fase accettrice (acceptor phase, AP), dall’altro, è possibile estrarre solo le molecole con le determinate caratteristiche con anche un’elevata pre-concentrazione. Le membrane cave di questo tipo sono definite come Hollow
Fiber Membrane (HFM) (38). La fase accettrice può essere sia un solvente liquido che un gas,
in base alle caratteristiche dei composti investigati e del detector utilizzato. Il flusso
arricchito degli analiti viene quindi direzionato al detector per una misurazione del segnale in tempo reale. Ottimi detector da accoppiare a strumenti basati sulle membrane
semipermeabili sono quelli basati sulla spettrometria di massa; la configurazione che ne consegue, conosciuta col nome di MIMS (Membrane Introduction Mass Spectrometry), riesce a dare la necessaria selettività analitica ad analisi in continuo dove gli analiti non sono
separati tramite cromatografia e quindi privi di un’informazione caratterizzante come il tempo di ritenzione. Alcuni dei possibili accoppiamenti tra membrane e spettrometri di massa sono riportate in Figura 11. Le membrane attuali possono esser scelte tra diverse varianti di materiali e selettività sterica e permettono l’analisi su matrici gassose, liquide e solide (39).
Figura 11. Alcune configurazioni nell’interfacciamento MIMS per campionamenti su gas e su liquidi (40).
Le membrane maggiormente utilizzate in configurazione MIMS sono realizzate in materiali polimerici di sintesi come il polidimetilsilossano (PDMS). Questo materiale è stato
ampiamente utilizzato sin dai primi prototipi di membrane, in quanto già ampiamente studiato e conosciuto per la sua stabilità, robustezza e capacità di trasferire selettivamente solo composti idrofobici (41). Il PDMS da i migliori risultati con composti volatili
(storicamente i primi studiati in configurazione MIMS) mentre spesso necessita di
modificazioni con i meno volatili. Considerando che uno dei punti di forza delle membrane è la misurazione in tempo reale, risulta evidente che il trasferimento di materia deve avvenire fino al raggiungimento dell’equilibrio termodinamico durante il tempo di contatto; per questo motivo i composti altobollenti, ad elevato peso molecolare nonché
abbondantemente funzionalizzati da gruppi polari, sono più ostili ad allontanarsi dalla matrice acquosa e richiedono accorgimenti particolari (42). In questi casi una strategia utilizzata con composti volatili e AP gassosa è l’incremento della temperatura; con composti altobollenti e AP temperature troppo elevate possono dare problemi quali la formazione di bolle, il trasferimento di vapore acqueo e la degradazione del materiale. Altri materiali usati per la realizzazione delle membrane sono il Naflon® (38), il Polivinilidenfloruro (44) e tutte le
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varianti ottenute andando a modificare il rapporto tra i monomeri costituenti il polimero ed altri parametri strutturali. Un’altra strategia per la misurazione di composti di natura
biologica è la possibilità di immobilizzare degli enzimi sulle superficie esterna della membrana in modo da trasformare analiti non permeabili in prodotti permeabili e quindi rilevabili (45).
Figura 12. Comparazione tra una tecnica di campionamento/preparativa discontinua come il Purge and Trap ed una in tempo reale come l’accoppiata membrane-spettrometria di massa nel monitoraggio di toluene in tracce nell’atmosfera. Emerge chiaramente come con le membrane sia possibile registrare tutte le informazioni e dare
una caratterizzazione molto più accurata (40).
Oggi le membrane sono una delle migliori tecniche per l’analisi di composti target in grado di soddisfare i requisiti della GAC in quanto permettono di evitare i due step tipici di molti protocolli a più elevato impatto ambientale, preparativa e cromatografia (40). La capacità di misurare il segnale analitico in maniera diretta e continua garantisce un’incrementata risoluzione temporale rispetto alle tecniche a monitoraggio discreto e quindi riesce a dare maggiori informazioni (Figura 12). Strumenti basati sulle MIMS sono ottimi per monitoraggi
ambientali in situ, riducendo drasticamente il tempo di maneggiamento del campione e la possibilità di errori; la loro diffusione in questo senso è stata ostacolata dalle dimensioni (e costo) dell’apparecchiatura completa. Oggi, la riduzione delle quantità impiegate nel processo analitico richieste dalla GAC ha determinato una miniaturizzazione anche delle strumentazioni, le quali hanno dimensioni compatibili a quelle di un device portatile.
Figura 13. Caratterizzazione della quantità di metano superficiale in un fiume sotterraneo nel canale di Santa Barbara (California, USA) misurata con un sistema MIMS-EI (40).
Utilizzando sistemi MIMS è possibile caratterizzare nel dettaglio varie matrici ambientali di qualsiasi tipo come aria, mare, corsi d’acqua e falde sotterranee (Figura 13). Le loro
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in itinere delle condizioni operative. Vari tentativi sono stati fatti su sistemi biologici e su reazioni organiche ma i risultati ottenuti sono limitati a composti volatili (per accoppiamenti con AP gassose) o prodotti di idrolisi enzimatica. Per il monitoraggio on-line di reazioni chimiche di composti non volatili sono necessarie tecniche di ionizzazione in fase liquida efficienti e prive di effetto matrice come la spettrometria di massa a ionizzazione elettronica (EI-MS). Questa sorgente, per quanto altamente prestazionale per un’applicazione di questo tipo, non viene impiegata in quanto operante in condizioni di alto vuoto e con molecole gassose. Per poterla impiegare con AP liquide è necessario l’impiego di apposite interfacce EI-MS, tematica di ricerca che verrà approfondita in seguito.