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Analisi del piombo nel suolo mediante spettroscopia di assorbimento atomico
 
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Analisi del piombo nel suolo mediante spettroscopia di assorbimento atomico

Overview

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

Il piombo si trova naturalmente nel suolo, in livelli che vanno da 10-50 ppm. Tuttavia, con l'uso diffuso di piombo nelle vernici e nella benzina oltre alla contaminazione da parte dell'industria, i suoli urbani hanno spesso concentrazioni di piombo significativamente superiori ai livelli di fondo - fino a 10.000 ppm in alcuni luoghi. I problemi in corso derivano dal fatto che il piombo non si biodegrada e rimane invece nel terreno.

Gravi rischi per la salute sono associati all'avvelenamento da piombo, dove i bambini sono particolarmente a rischio. Milioni di bambini negli Stati Uniti sono esposti a terreni contenenti piombo. Questa esposizione può causare problemi di sviluppo e comportamentali nei bambini. Questi problemi includono difficoltà di apprendimento, disattenzione, crescita ritardata e danni cerebrali. L'Agenzia per la protezione dell'ambiente ha fissato uno standard per il piombo nel suolo a 400 ppm per le aree di gioco e 1.200 ppm per le aree non di gioco.

Il piombo è anche di preoccupazione nel suolo, quando viene utilizzato per il giardinaggio. Le piante prendono il piombo dal terreno. Pertanto, verdure o erbe coltivate in terreni contaminati possono portare ad avvelenamento da piombo. Inoltre, le particelle di terreno contaminate possono essere respirate durante il giardinaggio o portate in casa su vestiti e calzature. Si raccomanda che i terreni con livelli di piombo superiori a 400 ppm non debbano essere utilizzati per il giardinaggio. Si raccomanda inoltre che il terreno con livelli di piombo compresi tra 100 e 400 ppm non venga utilizzato per verdure a foglia o erbe, perché il piombo può essere immagazzinato nelle foglie. Su una nota simile, gli ortaggi a radice non dovrebbero essere coltivati in questo terreno, perché il piombo può anche accumularsi nelle radici delle piante.

Principles

La spettrometria di assorbimento atomico, o AAS, è una tecnica di analisi elementare che fornisce informazioni quantitative su oltre 50 elementi diversi. Concentrazioni basse come parti per miliardo (ppb) possono essere determinate per alcuni elementi, con parti per milione (ppm) più comuni per vari metalli. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri. Ad esempio, questa tecnica misura la concentrazione totale di un elemento, indipendentemente dalla sua forma. Inoltre, la lunghezza d'onda utilizzata è specifica per l'elemento da testare, quindi non vi è alcuna interferenza da parte di altri elementi nel campione, rendendolo una tecnica facile e veloce.

L'AAS si basa sull'assorbimento di lunghezze d'onda discrete della luce da parte di atomi di fase gassosa allo stato suolo. Una lampada a catodo cavo viene utilizzata per emettere luce con la frequenza specifica. Atomi di elementi diversi assorbono lunghezze d'onda caratteristiche della luce. L'energia assorbita eccita gli elettroni nell'elemento bersaglio dal loro stato base a uno stato energetico superiore. La quantità di luce assorbita è proporzionale alla concentrazione dell'elemento nel campione. Utilizzando una curva standard, è quindi possibile determinare la concentrazione dell'elemento nel campione.

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Procedure

1. Raccolta e preparazione del suolo

  1. Nelle aree indisturbate, raccogliere il terreno dagli 1-2 pollici superiori del terreno. Se si campionano orti, raccogliere campioni profondi 6 pollici. Utilizzare una coclea del terreno per raccogliere un nucleo di terreno di 1 pollice di diametro dall'area del campione.
  2. Mescolare accuratamente il campione agitando per 2 minuti e setacciare utilizzando un setaccio USS #10.
  3. Asciugare il terreno in forno a 40 °C per 24 ore.

2. Digestione del campione

  1. Utilizzando una bilancia analitica, pesare 1 g del campione di terreno e metterlo in un tubo di digestione. Registrare il peso del campione con quattro cifre decimali.
  2. In una cappa, aggiungere 5 ml di acqua al tubo di digestione.
  3. Aggiungere 5 ml di HNO3 concentrato al tubo di digestione.
  4. Mescolare il liquame con un'asta di agitazione. Coprire il tubo di digestione con un tappo di vetro a goccia.
  5. Mettere il tubo di digestione nel digestore a blocchi e riscaldare il campione a 95 °C e il reflusso per 10 minuti senza bollire (Figura 1). Ricorda che questo contiene acido concentrato.
  6. Lasciare raffreddare i tubi. Aggiungere 5 ml di HNO3 concentrato al tubo di digestione, sostituire il vetro a goccia e il reflusso per altri 30 minuti. Se vengono generati fumi marroni, ripetere questo passaggio più e più volte fino a quando il campione non emette fumi marroni.
  7. Evaporare la soluzione a un volume di 5 ml senza bollire.
  8. Lasciare raffreddare i tubi, quindi aggiungere 2 ml di acqua distillata e 3 ml di 30% H2O2. Coprire con il tappo di vetro e riscaldare per iniziare la reazione del perossido. Assicurati che la soluzione non bolle. Riscaldare fino a quando il gorgogliamento si ferma e lasciare raffreddare.
  9. Continuare ad aggiungere il 30% H2O2 con incrementi di 1 ml, riscaldando fino a quando il gorgogliamento è minimo. Non aggiungere più di un totale di 10 ml del 30% H2O2.
  10. Coprire il campione con i tappi a goccia di vetro e riscaldare fino a quando il volume non viene ridotto a 5 ml senza bollire.
  11. Aggiungere 10 ml di HCl concentrato al campione e coprire con il tappo a goccia di vetro. Riscaldare a 95 °C e reflusso per 15 min.
  12. Lasciare raffreddare i tubi. Se ci sono particelle, filtrare il campione usando un filtro in fibra di vetro e raccogliere il filtrato in un matraccio volumetrico da 100 ml. Diluire il volume del campione a 100 ml con acqua distillata.

Figure 1
Figura 1. Tubi di digestione in un digestore a blocchi.

3. Analisi di campioni con uno spettrometro di assorbimento atomico

  1. Accendere il computer e lo spettrometro.
  2. Impostare i parametri sullo strumento. (I parametri e le procedure possono variare a seconda della marca dello strumento utilizzato.) Impostare la pressione dell'acetilene su >700 kPa (~100 psi), la valvola dell'acetilene impostata su 11 psi e la valvola dell'aria su 45 psi.
  3. Aprire il software SpectraAA
  4. Aprire un nuovo foglio di lavoro.
  5. Scegli "Aggiungi metodo" e fai clic su Pb per eseguire un'analisi dei lead.
  6. Impostare i parametri Type/Mode come segue:
    1. Tipo = Fiamma
    2. Elemento = Pb
    3. Modalità di campionamento = Manuale
    4. Modalità strumento = Assorbanza
    5. Tipo di fiamma = Aria/Acetilene
    6. Flusso d'aria = 13,5
    7. Flusso di acetilene = 2.0
    8. Tipo di diluitore online = SIPS
  7. Impostare i parametri di misurazione come segue:
    1. Modalità di misurazione = PROMT
    2. Modalità di calibrazione = Concentrazione
    3. Tempi: Misura = 10
    4. Tempi: Ritardo di lettura = 10
    5. Repliche: Standard = 3
    6. Repliche: Campione = 3
    7. Precisione (%): Standard = 1.0
    8. Precisione (%): Campione = 1,0
  8. Impostare i parametri ottici come segue:
    1. Posizione della lampada = #4
    2. Corrente lampada (mA) = 10,0 mA
    3. Lunghezza d'onda = 217.0 nm
    4. Fessura = 1,0 nm
    5. Sfondo = BC Off
  9. Impostare i parametri SIPS come segue:
    1. Tasso di assorbimento del nebulizzatore = 5,0 ml/min
    2. Pompa destra = nessuna
    3. Aggiunte standard = Deseleziona
    4. Modalità di calibrazione = Impostare automaticamente le concentrazioni std
    5. Calibrazione doppia pompa = Deseleziona
  10. Nella scheda Standard, un elenco di standard viene popolato automaticamente per il test specifico. Uno standard Pb di 1.000 ppm per la spettrometria di assorbimento atomico acquistato da una società di fornitura chimica viene utilizzato e diluito automaticamente dallo strumento. Una nuova curva di calibrazione viene generata ogni volta che viene eseguito un nuovo set di campioni.
  11. Esci dal menu Modifica metodo e fai clic sulla scheda "Etichette". Inserire informazioni relative ai nomi dei campioni e al numero di campioni.
  12. Utilizzando la scheda "Analisi", utilizzare il pulsante "Seleziona" per evidenziare i campioni da analizzare.
  13. Accendere la fiamma premendo il pulsante di accensione sullo strumento.
  14. Azzerare lo strumento aspirando uno spazio vuoto e premendo contemporaneamente i tasti "Alt" e "Leggi".
  15. Posizionare il tubo della pompa nella soluzione vuota e premere "Start". Una volta eseguita la calibrazione, posizionare il tubo della pompa nel campione e premere il tasto "Leggi". Continua per tutti i campioni.
  16. Spegnere lo strumento premendo il pulsante rosso di spegnimento sullo strumento. Spegnere tutti i serbatoi di gas e rimuovere tutti i campioni.

L'uso diffuso di vernice e benzina, insieme alla contaminazione industriale, hanno causato livelli elevati di piombo nel suolo urbano, che possono portare a problemi di salute.

Il piombo si trova naturalmente nei terreni, in livelli che vanno da 10 a 50 parti per milione, o ppm. Tuttavia, i suoli urbani contaminati hanno spesso livelli concentrati di piombo, che sono significativamente maggiori di questo livello di fondo, fino a 10.000 ppm in alcune aree. Questi elevati livelli di piombo sono una preoccupazione in quanto il piombo non si biodegrada e rimane invece nel terreno.

Gravi rischi per la salute sono associati all'avvelenamento da piombo, in particolare negli alimenti coltivati in terreni contaminati e per i bambini che entrano in contatto con la contaminazione. Di conseguenza, l'Agenzia per la protezione dell'ambiente ha fissato un limite di 400 ppm nelle aree di giardinaggio e gioco e di 1.200 ppm in altre aree.

La concentrazione di piombo nel suolo può essere determinata utilizzando varie tecniche di analisi elementare, come la spettroscopia di assorbimento atomico. Questo video introdurrà i principi della raccolta del suolo e l'analisi della contaminazione da piombo nel suolo utilizzando la spettroscopia di assorbimento atomico.

La spettroscopia di assorbimento atomico, o AAS, è una tecnica di analisi elementare basata sull'assorbimento di lunghezze d'onda discrete della luce da parte di atomi in fase gassosa. Per questo, una lampada a catodo cavo viene utilizzata per emettere luce con una lunghezza d'onda specifica. La lampada è costituita da un catodo cavo, contenente l'elemento di interesse, e da un anodo. Quando l'elemento di interesse è ionizzato da un'alta tensione, emette luce a una lunghezza d'onda specifica per quella sostanza.

Il campione, che come è stato precedentemente digerito in acido concentrato, viene quindi introdotto nello strumento in forma gassosa, tramite un atomizzatore di fiamma. Gli atomi dell'elemento di interesse assorbono la luce emessa dalla lampada a catodo cavo. L'energia assorbita eccita gli elettroni nell'elemento bersaglio ad uno stato energetico più elevato. La quantità di luce assorbita è proporzionale alla concentrazione dell'elemento nel campione.

Una curva standard, creata da campioni con concentrazioni note dell'elemento, viene utilizzata per determinare la concentrazione sconosciuta dell'elemento nel campione. AAS fornisce informazioni quantitative su almeno 50 elementi diversi. Concentrazioni basse come parti per miliardo possono essere determinate per alcuni elementi, anche se gli intervalli di misurazione di parti per milione sono più comuni per i metalli. Questa tecnica ha molti vantaggi nell'analisi del piombo nel suolo, in quanto misura la concentrazione totale di piombo, indipendentemente dalla sua forma.

Ora che le basi dell'analisi del piombo sono state spiegate, la tecnica sarà dimostrata in laboratorio.

Per raccogliere campioni da terreni coltivati come orti, utilizzare una coclea di terreno. Raccogliere il campione e riportarlo in laboratorio. Per preparare il campione di terreno per la digestione, mescolarlo accuratamente agitando per 2 minuti e passarlo attraverso un setaccio USS #10 per rimuovere pezzi più grandi. Asciugare il campione in un forno a 40 °C per 24 ore.

Una volta essiccato, pesare 1 g del campione utilizzando una bilancia analitica, registrando il suo peso a quattro cifre decimali. Metti il terreno in un tubo di digestione. In una cappa chimica, aggiungere 5 ml di acqua al tubo di digestione, seguiti da 5 ml di acido nitrico concentrato. Mescolare il liquame usando un'asta di agitazione e coprire il tubo con un tappo a goccia. Posizionare il tubo di digestione nel digestore a blocchi, riscaldarlo a 95 °C e reflusso per 10 minuti senza bollire.

Rimuovere il rack dal blocco di calore e lasciare raffreddare il tubo. Quindi, aggiungere altri 5 ml di acido nitrico concentrato, sostituire il tappo e reflusso per altri 30 minuti. Se vengono generati fumi marroni, ripetere l'aggiunta di acido e il reflusso.

Rimuovere il tappo e lasciare evaporare la soluzione a un volume di 5 ml, senza bollire. Lasciare raffreddare il tubo, quindi aggiungere 2 ml di acqua distillata e 3 ml di perossido di idrogeno al 30%. Sostituire il tappo e riscaldare a 95 °C fino a quando il gorgogliamento non si ferma, assicurandosi che la soluzione non bolle. Lasciare raffreddare il tubo. Ripetere questo ciclo di riscaldamento-raffreddamento, utilizzando 1 mL di perossido di idrogeno al 30% ciascuno, fino a quando il gorgogliamento diventa minimo.

Una volta raffreddato il tubo, tappare liberamente il tubo con il tappo e riscaldare la soluzione senza bollire fino a quando il volume non viene nuovamente ridotto a 5 ml. Aggiungere 10 ml di acido cloridrico concentrato, riscaldare a 95 °C e reflusso per 15 minuti, quindi lasciare raffreddare il tubo.

Per rimuovere eventuali particelle dalla soluzione, filtrare la soluzione utilizzando un filtro in fibra di vetro in una configurazione a imbuto Büchner. Quindi aggiungere acqua distillata al filtrato per diluirne il volume a 100 ml.

Una volta che il campione è stato preparato per l'analisi, accendere lo strumento e il software AAS. Fare riferimento al testo per i dettagli dei parametri sperimentali. In questa dimostrazione, viene utilizzata una fiamma aria/acetilene con il protocollo di piombo, con una lampada a catodo cavo che emette a 217 nm.

Preparare una soluzione in bianco di acido nitrico, la soluzione campione e un campione standard di piombo di 10 ppm. Accendi la fiamma e inizia ad analizzare i campioni. Iniziare inserendo il tubo della pompa nella soluzione vuota per "azzerare" lo strumento. Continua per tutti i campioni.

Lo strumento diluisce automaticamente lo standard di piombo per produrre una curva di calibrazione e quindi determina automaticamente la concentrazione di piombo in ciascun campione misurato. In questa dimostrazione, il campione da 100 ml è risultato avere una concentrazione di 6 mg / L, o 0,6 mg totali. Utilizzando la massa del campione di terreno iniziale prima della digestione, la concentrazione di piombo nel suolo è risultata essere di 479 ppm. Questo è al di sopra del livello raccomandato dall'EPA per le colture in crescita.

L'analisi del piombo e di altri elementi con AAS può essere utilizzata per rispondere a una varietà di domande nelle scienze ambientali. Il destino di altri composti pericolosi che vengono applicati ai terreni, come fertilizzanti o pesticidi, non è ben compreso. Tuttavia, questi composti possono rappresentare un pericolo se raggiungono le fonti d'acqua attraverso il deflusso del suolo. In questo esperimento, i ricercatori hanno analizzato strati di terreno estratti da un prato trattato con pesticidi utilizzando AAS.

I risultati hanno mostrato che il pesticida monosodico metil arseniato lisciviato attraverso strati di terreno a profondità di 40 cm. Le tossine sono rimaste all'interno del terreno per oltre un anno, specialmente nei sistemi del suolo con radici stabilite dall'erba del tappeto erboso.

Un'altra importante fonte di contaminazione da metalli pesanti nell'ambiente è il mercurio, che si accumula in pesci e crostacei. Varie agenzie di regolamentazione hanno emanato linee guida o avvisi per ridurre al minimo l'assunzione umana di mercurio. I campioni ottenuti da frutti di mare possono essere analizzati con AAS per determinare se i loro livelli di mercurio superano le raccomandazioni legali.

Infine, gli organismi di regolamentazione, come l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti o l'EPA, hanno pubblicato avvisi per metalli tra cui piombo, zinco, rame, nichel, cadmio e manganese nell'acqua. AAS può essere utilizzato per analizzare il livello di elementi metallici nell'acqua potabile, che possono avere effetti pericolosi sulla salute umana. I campioni di acqua potabile vengono preparati per l'analisi mediante digestione acida e ebollizione.

I campioni sono stati quindi analizzati per la contaminazione da metalli utilizzando AAS. I risultati hanno mostrato che l'acqua potabile conteneva meno di 2 ppb di piombo, ben al di sotto del limite EPA di 15 ppb.

Hai appena visto il video di JoVE sull'analisi dei lead del suolo utilizzando AAS. Ora dovresti capire i principi alla base di questo metodo di analisi; come eseguirlo; e alcune delle sue applicazioni nelle scienze ambientali. Come sempre, grazie per aver guardato!

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Results

Il software crea la curva di calibrazione e determina automaticamente la concentrazione del Pb nei campioni (Figura 2).

Figure 2
Figura 2. La curva di calibrazione e la concentrazione del Pb nei campioni determinata automaticamente dal software.

I valori indicati nel foglio di lavoro sono mg/L di Pb nella soluzione campione. Ulteriori calcoli devono essere fatti per convertire questo numero nel ppm di Pb nel campione di terreno.

Esempio:

Per un campione di terreno che pesava 1,2523 g prima della digestione è stato misurato dall'AAS per avere 6,0 mg/L di Pb nel campione di soluzione da 100 ml (Tabella 1).

Equation 1

Livello di piombo nel suolo (ppm) Livello di contaminazione
Meno di 150 Da nessuno a molto basso
150-400 Basso
400-1,000 Medio
1,000-2,000 Alto
Superiore a 2.000 Molto alto

Tabella 1. Livelli di piombo nel suolo misurati in ppm e i corrispondenti livelli di contaminazione.

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Applications and Summary

La spettrometria di assorbimento atomico è una tecnica utile per analizzare una vasta gamma di campioni ambientali(ad esempioacqua, suolo, fanghi e sedimenti) per un gran numero di elementi(ad esempio,metalli pesanti). Questo esperimento evidenzia l'uso di AAS di fiamma per determinare il contenuto di Pb nel suolo. Tuttavia, potrebbe anche essere usato per misurare le concentrazioni di Cu, Fe, Mn, K, Na, Mg e Zn nei suoli.

Lo zinco è un importante micronutriente ed è necessario per la sintesi proteica. Zn aiuta a regolare l'espressione dei geni necessari per proteggere le cellule in condizioni di stress ambientale. La carenza di zinco è un grosso problema nelle colture e nelle piante da pascolo in tutto il mondo, con conseguente diminuzione delle rese. Si stima che la metà di tutti i terreni utilizzati per la produzione cerealicola abbia una carenza di zinco. Questo porta ad una carenza di zinco nel grano. Di conseguenza, la carenza di zinco negli esseri umani è un grave problema nutrizionale in tutto il mondo, che colpisce 1/3 della popolazione mondiale. Una gamma tipica di zinco nei terreni è 10 – 300 mg / kg con una media di 55 mg / kg.

Il ferro è il quarto elemento più abbondante sulla Terra. Tuttavia, si trova principalmente in forme non disponibili per le piante, come nei minerali silicati o negli ossidi di ferro. Il ferro è coinvolto nella fotosintesi, nella formazione di clorofilla, nella fissazione dell'azoto e in molte reazioni enzimatiche nelle piante. La carenza di ferro nel suolo è rara, ma può diventare non disponibile in terreni eccessivamente alcalini. I sintomi della carenza di ferro nel terreno includono foglie che ingialliscono e una diminuzione della resa. Una gamma tipica di ferro nei terreni è di 100 – 100.000 ppm con una media di 26.000 ppm.

Il rame è un micronutriente essenziale per le piante. Il rame promuove la produzione di semi, svolge un ruolo nella formazione della clorofilla ed è essenziale per l'attività enzimatica. La carenza di rame può essere vista da foglie da verde chiaro a giallo. Le punte delle foglie muoiono e si attorcigliano. Se la carenza è abbastanza grave, la crescita del grano può fermarsi e le piante muoiono. Il rame disponibile nei terreni può variare da 1 a 200 ppm. La disponibilità di rame è correlata al pH del suolo: all'aumentare del pH, la disponibilità di rame diminuisce.

La spettrometria di assorbimento atomico può essere utilizzata anche su campioni non ambientali, tra cui:

Analisi dell'acqua (Ca, Mg, Fe, Al, Ba, Cr)

Analisi degli alimenti (Cd, Pb, Al, Cu, Fe)

Additivi negli oli (Ba, Ca, Na, Li, Zn, Mg, V, Pb, Sb)

Fertilizzanti (K, B, Mo)

Campioni clinici (sangue, siero, plasma, urina, Ca, Mg, Li, Na, K, Fe, Cu, Zn, Au, Pb)

Cosmetici (Pb)

Miniere (Au)

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References

  1. Robinson, J.W., Skelly Frame, E.M., Frame II, G.M. Undergraduate Instrumental Analysis. 6th Ed. Marcel Dekker, New York (2005).
  2. United States Environmental Protection Agency. “Lead based paint poisoning prevention in certain residential structures.” CFR 40 Part 745. http://www.ecfr.gov. (2015).

Transcript

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