METODOLOGIE CHIMICHE
APPENDICE 2 STRUMENTAZIONE
A2.1 Gli spettrometri di massa e analizzatori elementari
Le analisi isotopiche sono state eseguite presso il Laboratorio di Geochimica Isotopica del dipartimento di Fisica e Scienze della Terra “Macedonio Melloni” dell’Università degli Studi di Parma.
A2.1.1 Lo spettrometro di massa per elementi leggeri - PRINCIPI -
Gli spettrometri nel campo della geochimica degli isotopi stabili vengono usati per misurare i rapporti di abbondanza tra gli isotopi di elementi leggeri di un campione trasformato precedentemente in un gas. Uno spettrometro di massa non misura direttamente l’abbondanza di un isotopo ma dà il rapporto di due isotopi di un elemento con accurata precisione riportando il valore non come assoluto ma come differenza rispetto ad un composto standard, al quale si riferiscono tutte le misure di quel tipo.
Il funzionamento dello spettrometro dipende dalla capacità di un campo magnetico di deflettere un fascio di ioni. Il raggio di curvatura (r) dipende dalla carica e dalla massa, è direttamente proporzionale alla quantità di moto dello ione (mv) e inversamente proporzionale al campo magnetico di intensità H.
Gli ioni hanno un energia pari a: e·V = ½ m·v2
con: V=voltaggio del campo elettrico, e= carica dello ione; m= massa e v= velocità.
La forza magnetica centripeta esercitata dal campo su ogni ione (HeV) si bilancia con la forza centrifuga mv2/r, derivante dall’accelerazione, secondo la relazione: HeV = mv2/r se si sostituisce v nell’equazione e·V = ½ m·v2 si ottiene il raggio di curvatura r = 𝟏/𝑯√𝟐𝑽𝒎/𝒆 Da questa relazione si ricava che per un dato valore di H e V, solo le particelle con diverso rapporto m/e avranno traiettorie con raggi di curvatura differenti. Nella maggior parte dei casi gli ioni hanno carica unitaria, dunque, la separazione avverrà solamente in base alla loro massa (m).
Lo spettrometro (Fig. 51) è costituito da una sorgente, un filamento di tungsteno incandescente, che emette elettroni che ionizzano il gas. Un tubo in acciaio inox, è la parte che collega tra loro la sorgente e i collettori che raccolgono le masse da rilevare. Il tubo ha una forma ad U con un raggio di curvatura variabile, immerso in un campo magnetico, generato da un magnete permanente o da un elettromagnete, che risulta ortogonale al
139 moto degli ioni, e con una intensità dell’ordine di 5000-7000 Öersted. Il sistema di pompaggio permette di mantenere tutti questi componenti ad un vuoto spinto, 10-8-10-9mmHg, tramite una pompa turbo-molecolare accoppiata ad una pompa meccanica rotativa a doppio stadio che permette di creare un pre-vuoto.
Esistono due tipologie di spettrometri di massa per elementi leggeri: continuous flow e dual inlet (Fig. 51).
Per ovviare alla presenza dell’errore strumentale associato ad ogni misura la determinazione del δ avviene attraverso un confronto contemporaneo tra il campione e lo standard di riferimento.
Figura 51:Schema dello spettrometro di massa per elementi leggeri configurato continuous flow (in alto a sx) e dual inlet (in basso a sx). (Da Clark e Fritz, 1997).
Dual Inlet
L’utilizzo di spettrometri dual inlet permette di introdurre alternativamente il campione e lo standard consentendo vari confronti tra i due gas e ottenendo così un valore medio dei confronti.
La precisione di questo valore è funzione dell’abbondanza relativa dei due isotopi che vengono misurati e della riproducibilità interna dello strumento. Per una buona accuratezza
140 del valore del campione analizzato è necessario l’uso di standard con un rapporto isotopico non troppo dissimile da quello del campione. Nel Laboratorio di Geochimica Isotopica dell’Università degli Studi di Parma, per condurre le analisi di O e C del gruppo carbonato dell’idrossiapatite, viene utilizzato uno standard interno a composizione isotopica nota (Mab 99): 13δ= +2,45 V-Pdb, 18δ= -2,43 V-Pdb, 18δ= +28,33 V-Smow.
Lo spettrometro per elementi leggeri utilizzato per analisi di C e O è del tipo Finnigan Delta S ad espansione di gas.
Continuous flow
Lo spettrometro di massa a flusso continuo si caratterizza per un flusso continuo di elio che scorre alla velocità di 80 ml/min verso la sorgente dello spettrometro trascinando con sé i gas relativi a standard e campione. Si differenziano dagli spettrometri convenzionali per il metodo in cui si ha l’immissione dei campioni, in modo alternato, e per la presenza di vuoto molto spinto 10-8mmHg.
Questa tipologia di spettrometri lavora a una pressione di circa 10-6mmHg.
Nello spettrometro a flusso continuo il confronto tra gas standard e gas del campione viene effettuato solamente una volta e questo va a discapito dell’accuratezza e della precisione della misura. Possiede però il vantaggio di poter ridurre la quantità di gas campione necessaria per una analisi fino a tre ordini di grandezza inferiori rispetto allo spettrometro ad espansione di gas.
L’analisi del collagene è stata effettuata utilizzando uno spettrometro di massa a flusso continuo per elementi leggeri (Delta Plus XP Thermo Finnigan) collegato ad un analizzatore elementare EA/NA-1100 configurato CHN (Thermo Finnigan), mentre l’analisi dell’ossigeno del gruppo fosfato è stata eseguita con lo stesso spettrometro ma utilizzando un analizzatore elementare TC-EA (Thermo).
A2.1.2 Analizzatori elementari
Un analizzatore elementare (EA) è uno strumento che permette la determinazione qualitativa e quantitativa di un dato elemento, rilevandone l’abbondanza isotopica.
CHN
Questa tipologia di analizzatore viene usata per l’analisi di carbonio e azoto, tutti i campioni vengono analizzati in doppio per migliorare l’accuratezza della misura.
141 Il meccanismo di funzionamento è basato su due reazioni che si realizzano all’interno di due diversi tubi in quarzo (18,5x450 mm): la prima reazione è una combustine controllata detta
“flash combustion” (ossidazione catalitica) mentre la seconda è una reazione di riduzione (Fig. 52.a).
Dopo una adeguata preparazione e pesatura il campione, racchiuso in capsule di stagno (3,3x5mm), viene inserito nell’auto-campionatore che lo fa cadere all’interno del primo reattore (ossido di cromo e cobalto di argento) dove subisce la prima reazione (ossidazione) ad una temperatura 1025°C. Questa reazione è resa possibile dalla precedente introduzione di una quantità nota di ossigeno nel tubo, trasportata dal flusso di elio, che determina l’ossidazione completa del campione e la conversione istantanea della sostanza organica in una miscela di gas di combustione (CO2, NOX) e acqua dopo l’aumento della temperatura fino a 1800°C. I prodotti così formati passano all’interno del secondo reattore, mantenuto ad una temperatura di 650°C, dove l’ossidazione del rame presente consente la riduzione degli ossidi di azoto in N2.
L’eccesso di acqua e ossigeno viene bloccato in una trappola contenente magnesio perclorato anidro -Mg(ClO4)2-: questo composto chiamato anidrone è una sostanza igroscopica che trattiene acqua separandola così dalla miscela di gas. Questi gas, grazie al flusso di elio, vengono trasferiti allo spettrometro di massa per mezzo di una colonna gas-cromatografica in cui i singoli gas vengono eluiti in base alla loro massa: prima eluisce N2
standard, poi N2 campione, quindi CO2 campione e infine CO2 standard (Fig. 52.b).
Figura 52: a) Rappresentazione di un analizzatore elementare configurato CHN, al centro : rappresentazione schematica dei tubi di OSSIDAZIONE e RIDUZIONE (QW=Lana di quarzo). (Modificata da manuale operativo CHN Thermo Finnigan, 1998) b) Schema di eluizione dei gas N2 e CO2
142 TC-EA
Il TC-EA (thermal combustion/elemental analyzer) è composto da un unico tubo di carbonio vitreo (glassy carbon) rivestito di allumina (Al2O3), che viene mantenuto ad una temperatura di 1450°C e preceduto da una trappola ad anidrone per imprigionare l’acqua. Il campione, racchiuso in capsule d’argento (3,2x4 mm) contenenti anche glassy carbon e AgCl, utilizzati per catalizzare la reazione, si decompone all’interno del tubo dove si formano CO, H2, e C libero; non si forma CO2 per la presenza di un eccesso di carbonio all’interno del tubo ed inoltre il C libero viene bloccato da apposite trappole. A questo punto si ha il passaggio attraverso una colonna gas-cromatografica che consente l’eluizione dei gas: prima eluisce per due volte lo CO standard poi il campione e quindi nuovamente lo standard. L’ultima tappa del processo è il trasferimento dei singoli gas verso lo spettrometro grazie al flusso continuo di elio (Fig. 53).
Figura 53: Rappresentazione schematica del TC-EA abbinato ad uno spettrometro di massa (IRMS) in configurazione Continuous flow (CF). (Da Boschetti e Iacumin, 2005)
La riproducibilità strumentale del δ13Ccarb è di 0,2‰, δ18Ocarb 0,4‰, δ13Ccoll 0,2‰ e δ15N 0,1‰
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