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Misura degli ossidi di azoto e chemiluminescenza


Cenni sulla misura degli ossidi di azoto

Il biossido di azoto viene determinato previa trasformazione in monossido di azoto, basandosi sulla misura della radiazione caratteristica emessa per chemiluminescenza dalla reazione in fase gassosa tra monossido di azoto e ozono:
NO + O3 -> NO•2 + O2
NO•2 -> NO2 + hv
L'emissione di luce avviene quando le molecole di NO2 eccitate elettronicamente decadono a stati energetici inferiori. Il biossido di azoto deve essere trasformato in monossido in quanto la reazione precedente implica solo quest'ultimo, attraverso un convertitore al molibdeno a 375 °C:
3 NO2 + Mo = 3 NO + MoO3

Aspetti generali della chemiluminescenza

La luminescenza consiste fondamentalmente nell’emissione di radiazioni luminose nel visibile o nel vicino visibile (lunghezza d’onda compresa nell’intervallo 300-800 nm) dopo che elettroni eccitati mediante una qualche fonte di energia, ritornano dallo stato eccitato a quello fondamentale. L’energia potenziale delle transizioni elettroniche all’interno degli atomi o delle molecole viene così liberata sotto forma di luce. Sono stati identificati molti tipi di luminescenza che differiscono tra loro per la fonte energetica responsabile della produzione o dell’immissione luminosa.

Tra queste, per affinità di applicazione in campo scientifico, si trovano:
-la chemiluminescenza, nella quale lo stato elettronicamente eccitato è generato da una reazione chimica esoergonica;
-la bioluminescenza, nella quale la reazione chemiluminescente che ha luogo in sistemi biologici, coinvolge un componente proteico, in generale un enzima o una fotoproteina;
-l’elettrochemiluminescenza in cui la reazione chemiluminescente avviene in soluzione come risultante di reazioni di trasferimento di elettroni ad alta energia da una molecola ad alta energia;
-la chemiluminescenza ultra debole, in cui l’emissione spontanea ed estremamente debole di fotoni origina dal rilassamento di stati eccitati che derivano da numerosi processi cellulari.
Si conoscono due tipi fondamentali di reazioni chemiluminescenti, diretta ed indiretta, definite anche di tipo I e tipo II. Nelle reazioni di tipo I la reazione genera la molecola primaria eccitata che è poi la responsabile della reazione luminosa. Nelle reazioni chemiluminescenti indirette il prodotto di reazione eccitato non è il reale emettitore di luce, ma trasferisce l’energia di attivazione ad un accettore che successivamente emette luce.
Entrambi i tipi di reazioni chemiluminescenti sono caratterizzati da intensità, colore, velocità di inizio e di decadimento dell’emissione luminosa ed infine dalla polarizzazione, se presente.
In generale, il segnale analitico prodotto dalle reazioni luminescenti ha un andamento che è funzione del tempo come riportato nella figura sottostante, dove è rappresentato l’andamento dell’emissione luminosa in funzione del tempo per una reazione con emissione costante (Raz. A) e per una reazione con rapido decadimento del segnale (Reaz. B). (mV= millivolts; RLU= unità di luce relative):
L’efficienza quantica di una reazione chemiluminescente (F CL), ossia il rapporto fra il numero di fotoni prodotti e le molecole che hanno reagito, è determinato dal rapporto di vari fattori:

Efficienza quantica = F CL = F Ch F SE F Em dove:
F Ch = frazione di molecole che seguono la corretta via chimica.
F SE = frazione di molecole che dopo aver percorso la corretta via chimica passano allo stato eccitato.
F Em = frazione di molecole che, tornando allo stato fondamentale, trasforma fotoni l’energia chimica assorbita.
Da un punto di vista teorico una molecola di reagente può formare una molecola allo stato eccitato in grado di emettere un fotone, ma in realtà l’efficienza di emissione F CL varia da 0.1 a 0.9 nel caso di reazioni bioluminesenti e normalmente F CL non supera 0.1 nel caso della chemiluminescenza.
Una caratteristica importante della chemiluminescenza è costituita dal tipo di segnale prodotto. Di norma, sia nel caso della fluorescenza che in radioluminescenza, il segnale da misurare si mantiene relativamente costante nel tempo.
L’intensità di emissione luminosa è invece, nel caso della chemiluminescenza, una funzione della cinetica di reazione; di conseguenza una emissione fotonica costante può aver luogo solo in caso di cinetica di ordine zero cioè nel caso di una reazione a velocità costante.
Questo si verifica solo in particolari condizioni [ad esempio nel sistema 1,2-diossetani-fosfatasi alcalina), e quando si verifica, la misura del segnale analitico risulta notevolmente semplificata, essendo direttamente correlata all’ampiezza del segnale.
In altre casi la cinetica delle reazioni chemiluminescenti è temporalmente variabile nel senso che il segnale analogico è correlato in ogni istante al numero di fotoni prodotti in quell’istante; di conseguenza la curva di emissione è un’immagine dell’andamento della velocità di reazione in funzione del tempo. Il massimo di emissione luminosa è raggiunto al tempo tMAX , valore estremamente variabile, dipendentemente dal tipo di reazione e/o dai parametri analitici prescelti dalla reazione (pH, temperatura). L’emissione luminosa, una volta raggiunto il massimo, decade generalmente secondo una funzione di tipo esponenziale.
La relativa semplicità strumentale ma soprattutto l’elevata sensibilità analitica e l’ampia disponibilità di reazioni chemiluminescenti dotate di elevata specificità, ha portato ad un notevole aumento delle applicazioni di questa tecnologia in numerosi campi, tra i quali il campo biomedico, alimentare, ambientale, etc.

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