Preparazione di campioni alimentari mediante omogeneizzazione e digestione acida umida assistita da microonde per la determinazione di più elementi con ICP-MS

L’analisi elementare è un processo analitico per determinare la composizione elementare di vari campioni. Può essere utilizzato per controllare l’assunzione di metalli nel corpo umano (in particolare metalli pesanti¹) poiché le loro alte concentrazioni possono causare problemi di salute indesiderati. I metalli pesanti sono anche uno dei principali contaminanti ambientali, pertanto è necessario controllare la loro presenza nell’ambiente². Inoltre, l’analisi elementare può essere impiegata per determinare l’origine geografica dei prodotti alimentari³ e per controllare la qualità delle risorse alimentari e idriche⁴. Inoltre, viene utilizzato per la determinazione di micro e macronutrienti nei suoli⁵ e per ottenere informazioni sui processi geologici nel corso della storia esaminando la composizione chimica di minerali e sedimenti⁶. Sono stati inoltre condotti studi per determinare la presenza di metalli rari nei rifiuti elettrici ed elettronici per un’ulteriore rigenerazione dei metalli⁷, per valutare il successo dei trattamenti farmacologici⁸ e per verificare la composizione elementare degli impianti metallici⁹.

La spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) e la spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente (ICP-OES) sono tecniche comunemente utilizzate per l’analisi elementare di vari campioni¹⁰. Consentono la determinazione simultanea di più elementi con limiti di rilevazione (LOD) e limiti di quantificazione (LOQ) fino a ng/L. In generale, l’ICP-MS ha valori di LOD^{più bassi 11} e un intervallo di concentrazione lineare più ampio rispetto all’ICP-OES¹². Altre tecniche per determinare la composizione elementare sono la spettrometria di emissione ottica al plasma indotta da microonde¹³ e diverse varianti della spettroscopia di assorbimento atomico (AAS), tra cui la spettroscopia di assorbimento atomico a fiamma, la spettroscopia di assorbimento atomico^{elettrotermico 2}, la spettroscopia di assorbimento atomico a vapore freddo e la spettroscopia di assorbimento atomico di generazione di idruri¹⁴. Inoltre, la determinazione elementare con basso LOD e LOQ è possibile con diversi metodi elettroanalitici, in particolare con la voltammetria di stripping anodico^15,16. Naturalmente, ci sono altri metodi per determinare la composizione elementare dei campioni, ma non sono così frequentemente impiegati come i metodi sopra menzionati.

La determinazione elementare diretta di campioni solidi è fattibile utilizzando la spettroscopia di rottura indotta dal laser e la fluorescenza a raggi X¹⁷. Tuttavia, per la determinazione elementare con ICP-MS, ICP-OES e AAS è necessario convertire i campioni solidi in uno stato liquido. A tale scopo, la digestione acida viene eseguita utilizzando acidi e reagenti ausiliari (nella maggior parte dei casi H₂O₂ ). La digestione acida viene effettuata a temperatura e pressione elevate, convertendo la parte organica del campione in prodotti gassosi e convertendo gli elementi metallici in sali solubili in acqua, sciogliendoli così nella soluzione¹⁸.

Esistono due tipi principali di digestione acida, la digestione a vaso aperto e la digestione a vaso chiuso. La digestione a vaso aperto è economicamente vantaggiosa¹⁴ ma presenta limitazioni, come la temperatura massima di digestione, che coincide con la temperatura di ebollizione degli acidi a pressione atmosferica. Il campione può essere riscaldato su piastre riscaldanti, blocchi riscaldanti, bagni d’acqua, bagni di sabbia² e microonde¹⁹. Riscaldando il campione in questo modo, gran parte del calore generato viene disperso nell’ambiente circostante²⁰, il che prolunga il tempo di digestione¹⁴. Altri svantaggi della digestione a vaso aperto includono un maggiore consumo di prodotti chimici, la maggiore possibilità di contaminazione dall’ambiente circostante e la possibile perdita di analiti a causa della formazione di componenti volatili e della loro evaporazione dalla miscela di reazione²¹.

I sistemi a recipiente chiuso sono più convenienti per la digestione di campioni organici e inorganici rispetto ai sistemi a recipiente aperto. I sistemi a recipiente chiuso utilizzano una varietà di fonti di energia per riscaldare i campioni, come il riscaldamento a conduzione e le microonde²². I metodi di digestione che utilizzano le microonde includono la combustione indotta da microonde²³, i sistemi a camera singola^{di reazione 24} e la digestione acida umida assistita da microonde (MAWD) comunemente usata25,26. MAWD consente la digestione a temperature di esercizio più elevate, comprese tra 220 °C e 260 °C e pressioni massime fino a 200 bar, a seconda delle condizioni di lavoro dello strumento²⁷.

L’efficienza e la velocità di MAWD dipendono da diversi fattori, tra cui la composizione chimica dei campioni, la temperatura massima, il gradiente di temperatura, la pressione nel recipiente di reazione, la quantità di acidi aggiunti e la concentrazione di acidi utilizzati²⁸. Nella MAWD, la digestione acida completa può essere raggiunta in pochi minuti grazie alle elevate condizioni di reazione rispetto alle digestioni più durature nei sistemi a vaso aperto. Nella MAWD sono richiesti volumi e concentrazioni inferiori di acidi, in linea con le attuali linee guida sulla chimica verde²⁹. Nella MAWD, è necessaria una quantità minore di campione rispetto alla digestione a vaso aperto per eseguire la digestione acida, di solito sono sufficienti fino a 500 mg di campione 30,31,32. Possono essere digerite quantità di campione maggiori, ma richiedono una maggiore quantità di sostanze chimiche.

Poiché lo strumento per MAWD controlla automaticamente le condizioni di reazione e la persona non entra in contatto diretto con le sostanze chimiche durante il riscaldamento, MAWD è più sicuro da usare rispetto alle digestioni a vaso aperto. Tuttavia, la persona dovrebbe sempre procedere con cautela quando si aggiungono sostanze chimiche ai vasi di reazione per evitare che entrino in contatto con il corpo e causino danni. Anche i recipienti di reazione devono essere aperti lentamente poiché la pressione si accumula al loro interno durante la digestione acida.

Sebbene la digestione acida sia una tecnica utile per preparare i campioni per la determinazione elementare, la persona che la esegue dovrebbe essere consapevole dei suoi possibili limiti. La digestione acida potrebbe non essere adatta a tutti i campioni, in particolare a quelli con matrici complesse e a quelli altamente reattivi o che potrebbero reagire in modo esplosivo. Pertanto, la composizione del campione deve essere sempre valutata per selezionare le sostanze chimiche e le condizioni di reazione appropriate per una digestione completa che dissolva tutti gli elementi desiderati nella soluzione. Altre preoccupazioni che l’utente deve considerare e affrontare sono le impurità e la perdita di analiti in ogni fase della preparazione del campione. La digestione acida deve essere sempre eseguita secondo regole specifiche o utilizzando protocolli.

Il protocollo descritto di seguito fornisce le istruzioni per l’omogeneizzazione dei campioni alimentari in un miscelatore di dimensioni da laboratorio, una procedura per la pulizia dei componenti del miscelatore, la corretta pesatura del campione, l’aggiunta di sostanze chimiche, l’esecuzione della digestione acida mediante MAWD, la pulizia dei recipienti di reazione al termine della digestione, la preparazione dei campioni per la determinazione elementare e l’esecuzione di una determinazione quantitativa multielemento con ICP-MS. Seguendo le istruzioni riportate di seguito, si dovrebbe essere in grado di preparare un campione adatto alla determinazione elementare ed eseguire le misurazioni dei campioni digeriti.