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Applications

In questa sezione non vengono discusse le applicazioni relative all’acqua potabile e all’acqua minerale in quanto generalmente non pongono problemi particolari e tali campioni possono essere trattati allo stesso modo come soluzioni modello.

Le determinazioni di sodio, potassio, calcio, ammonio, fluoruro, cloruro e nitrato e la misura del pH sono tra le applicazioni di ISE nell’analisi degli alimenti. Le determinazioni di sodio e potassio sono due dei saggi più facilmente eseguiti utilizzando ISEs.

Il sodio è solitamente presente nella forma ionizzata e di conseguenza nelle soluzioni da misurare come ione idrato libero, spesso in alte concentrazioni. In queste condizioni, il metodo di aggiunta dell’analita è il più preferito. Per esempio, una quantità di campione analizzato contenente da 2 a 200 mg di sodio deve essere sciolto o lisciviato con 100 ml di acqua distillata. Gli elettrodi vengono posti in un volume misurato (10-50 ml) di una soluzione di fondo a pH 10,2, contenente una concentrazione nota di 0,1-10 mmol l-1 di cloruro di sodio e 0,5 mol l-1 di trietanolamina. Dopo che il potenziale si stabilizza, viene aggiunto un piccolo volume, 0,1-1,0 ml, del campione. Le condizioni sono adatte alle misurazioni quando il cambiamento di potenziale dopo l’aggiunta del campione è nell’intervallo 6-20 mV. La concentrazione di sodio nella soluzione campione viene calcolata dall’aumento di potenziale e dalla pendenza della curva di calibrazione dell’elettrodo di sodio. A bassi livelli di sodio i risultati possono essere errati a causa dell’inevitabile contaminazione con il sodio.

Quando i livelli di sodio e potassio sono inferiori, il metodo dell’aggiunta multipla nota è preferito. Un esempio è nella determinazione del sodio e del potassio nel vino. La presenza di etanolo a un livello del 10% può influenzare le prestazioni dell’elettrodo a membrana polimerica solvente e cambiare in qualche misura la selettività di ogni tipo di elettrodo. Pertanto, si raccomanda una diluizione decuplicata dei campioni di vino o un’aggiunta di una quantità comparabile di alcol agli standard. I campioni possono essere diluiti con una soluzione di trietanolamina che fornisce un adeguato tamponamento del pH. Un campione di vino può anche essere mescolato con una soluzione di regolazione della forza ionica. Vengono fatte diverse aggiunte di soluzione standard e i risultati vengono calcolati utilizzando il metodo di Gran. Nel caso della determinazione del potassio, i risultati possono essere seriamente distorti quando la diffusione degli ioni di potassio dall’elettrodo di riferimento non viene impedita utilizzando un ponte a doppia giunzione contenente acetato di litio.

La determinazione del calcio è solitamente basata sul contenuto totale di calcio, poiché la differenziazione tra calcio libero e legato è possibile solo quando il campione liquido iniziale viene misurato direttamente e non è stato modificato dalla regolazione del pH. L’intervallo di pH ottimale è solitamente compreso tra 5 e 9. Il calcio viene spesso determinato nel latte e nei prodotti lattiero-caseari. Di solito si aggiunge al campione una soluzione di KCl 4 mol l-1 come soluzione di regolazione della forza ionica. Le letture del potenziale vengono confrontate con una curva di calibrazione. Per la determinazione del contenuto di calcio totale il campione viene incenerito e il residuo viene dissolto in un piccolo volume di acido cloridrico diluito e fatto passare attraverso una colonna di scambio ionico per rimuovere i pirofosfati e i silicati idratati. Poi la soluzione risultante viene diluita per avere la concentrazione di calcio nell’intervallo di concentrazione ottimale, regolata per il valore del pH e la forza ionica. Il potenziale viene misurato e confrontato con una curva di calibrazione. In alternativa, il metodo di addizione standard può essere usato per entrambe le determinazioni.

Il fluoruro è importante per la salute dei denti, ma in quantità eccessive è noto per essere tossico. L’unico ione interferente per un elettrodo di fluoruro è lo ione idrossido. La determinazione dello ione fluoruro non è disturbata dalla presenza della maggior parte degli ioni di accompagnamento tranne quelli che complessano gli ioni fluoruro, come l’alluminio o il ferro. Per eliminare tali interferenze, la soluzione di regolazione della forza ionica di solito contiene una soluzione tampone di acido acetico a pH ∼4.5 e un ligando, come il poliamminopoliacetato o il citrato, che dovrebbe complessare gli ioni metallici interferenti. Poiché il livello di fluoruro negli alimenti è solitamente basso, l’unico problema è la preparazione del campione per far coincidere la concentrazione nella soluzione finale con l’intervallo di determinazione ottimale. Il contenuto totale di fluoruro viene misurato dopo la digestione del campione. Ciò può includere incenerimento, fusione, combustione in pallone di ossigeno e digestione acida a caldo. Le migliori procedure prevedono l’uso di sistemi chiusi in cui il campione viene decomposto con acido nitrico concentrato a 100-120°C. In queste condizioni si evita la perdita di fluoruro dal campione. Le migliori procedure utilizzano il metodo dell’aggiunta multipla standard per la determinazione del fluoro. Nell’analisi della farina o del latte, il trattamento dei campioni con acido perclorico permette di determinare il fluoruro a un livello inferiore a 0,4 μg per g. Il contenuto di fluoruro libero può essere determinato con una manipolazione e un trattamento minimo del campione in un campione liquido, ad esempio, il vino.

Il contenuto di cloruro nei prodotti alimentari può essere determinato mediante titolazione con nitrato d’argento utilizzando un ISE di cloruro (cristallino o una membrana di sito positivamente caricata) o un elettrodo di argento come indicatore. La determinazione diretta con ISE è conveniente per bassi contenuti di cloruro; tuttavia, entrambe le procedure sono influenzate dalla presenza di bromuro o ioduro quando le loro concentrazioni sono significativamente maggiori di quelle del cloruro. In campioni ricchi di proteine si osservano spesso alcune irregolarità di funzionamento dell’elettrodo. L’interferenza del bromuro e dello ioduro e dell’assorbimento delle proteine può essere evitata facendo bollire il campione miscelato con acido nitrico 0,1 mol l-1 . Per matrici alimentari complicate è stata utilizzata una tecnica di cella di microdiffusione per semplificare il campione. Il campione alimentare viene digerito con acido solforico concentrato freddo e il processo di diffusione viene lasciato procedere per ∼24 ore. In questo modo il cloruro viene convertito in acido cloridrico, che viene trasportato nella cella di diffusione nel reagente ricevente. Poi il contenuto di cloruro viene determinato direttamente nel reagente ricevente per confronto di un potenziale ISE del cloruro con la curva di calibrazione.

La determinazione del nitrato è in linea di principio semplice; tuttavia, ci sono diverse interferenze, le principali sono cloruri e idrogenocarbonati. Essi possono essere eliminati con l’aggiunta di una soluzione di regolazione della forza ionica che è composta da 0,01 mol l-1 di solfato d’argento, 0,06 mol l-1 di solfato di potassio e acido solforico per acidificare la soluzione a un valore di pH inferiore a 4. La determinazione in patate richiede solo la miscelazione del campione e l’estrazione con acqua distillata e l’aggiunta della soluzione di regolazione della forza ionica. Alcune perturbazioni possono verificarsi quando non si impedisce la fuoriuscita di cloruro dall’elettrodo di riferimento.

Un esempio piuttosto raro che indica la possibilità dell’analisi di speciazione è la determinazione del rame ionico, nell’intervallo da 20 a 90 μg l-1 usando un elettrodo rame-selettivo in un campione di vino quando il contenuto totale di rame è nell’intervallo da 0,10 a 1 mg l-1. Il campione è modificato molto poco dall’aggiunta di un volume del 10% di 1 mol l-1 KNO3, come dovrebbe essere fatto con le soluzioni standard.

Gli SISE sono stati utilizzati per la determinazione di additivi alimentari come la saccarina e il ciclamato. Il sensore utilizzato si basa su una membrana in poli(cloruro di vinile) che contiene il sale dell’analita in una forma ionica adatta come sito caricato positivamente, ad esempio, con un catione di ammonio o un colorante basico. Tali sensori non sono disponibili in commercio ma possono essere realizzati facilmente in laboratorio.

Gli elettrodi enzimatici, che hanno un enzima immobilizzato o una coltura microbica contenente un enzima, funzionano sulla base dell’attività catalitica con successiva rilevazione del prodotto della reazione enzimatica. Il risultato, a seconda della reazione, è ad esempio un prodotto come l’ammoniaca o un cambiamento di pH nel mezzo, che viene rilevato da un elemento di rilevamento corrispondente.

I sensori utilizzati per la determinazione dei residui di pesticidi (propoxur, paraoxon) nei vegetali sono dispositivi multimembrana enzimatici il cui funzionamento si basa sul principio dell’inibizione dell’attività di un enzima come l’acetilcolina esterasi. Questa reazione è monitorata da un sensore di pH. La risposta di tali biosensori agli erbicidi e ai pesticidi apre una nuova area di possibilità di test nell’analisi degli alimenti.

Un altro esempio nell’analisi alimentare è l’uso di elettrodi di rame e argento allo stato solido per la valutazione della freschezza della carne. Ciò è dovuto al cambiamento della putrescina e del solfuro di dimetile, la cui concentrazione cambia durante la putrefazione della carne. Tali applicazioni indicano la varietà di applicazioni degli ISE nel controllo e nell’analisi degli alimenti.