Analisi Aerosol Belgrado: Spettrometria di Massa

Lo studio si basa sull'utilizzo di tecniche avanzate di spettrometria di massa ad alta risoluzione, nello specifico FT-ICR-MS e Orbitrap-MS, entrambe impiegate con ionizzazione ESI e nanoESI in infusione diretta. Queste tecniche permettono l'individuazione delle formule brute degli analiti presenti nella frazione organica dell'aerosol. L'impiego di strumenti chemiometrici e matematici facilita la semplificazione e l'analisi dei dati complessi, fornendo informazioni sulle specie chimiche presenti, inclusi eteroatomi, gruppi funzionali e grado di ossidazione. Le referenze citate (Kourtchev et al. 2013, Kim et al. 2003, Mazzoleni et al. 2012) sottolineano l'importanza di questi approcci analitici nello studio qualitativo della componente organica dell'aerosol. La possibilità di ottenere informazioni sul grado di ossidazione è cruciale per comprendere le reazioni chimiche a cui le specie sono sottoposte nella matrice di analisi.

Le particelle atmosferiche presentano una grande variabilità di dimensioni e forme, influenzando la loro velocità di sedimentazione. Per una classificazione più oggettiva, viene utilizzato il parametro del diametro medio equivalente (dae). Questo parametro rappresenta il diametro di una particella sferica con densità unitaria (1 g cm⁻³) che mostra lo stesso comportamento aerodinamico (ad esempio, la stessa velocità di sedimentazione) della particella reale nelle stesse condizioni di temperatura, pressione e umidità relativa (Smith et al. 2009b). L'utilizzo del dae standardizza l'analisi, consentendo un confronto più accurato tra particelle di diversa morfologia e semplificando la caratterizzazione del particolato atmosferico in termini di comportamento fisico.

La combustione di legno in stufe e generatori è una significativa sorgente di emissioni di carbonio organico (OC), contribuendo in modo rilevante all'inquinamento atmosferico, come evidenziato dall'esempio di Zurigo, dove in inverno l'OC emesso dalle stufe rappresenta il 45% del totale (Fuzzi et al. 2015). Il fenomeno del ‘biomass burning’, ovvero la combustione di biomassa da residui boschivi, agricoli e vinicoli, è un'ulteriore fonte rilevante di emissioni di OC, con una percentuale stimata tra il 30 e il 75% in Europa (Kocbach Bølling et al.). Si stima che giornalmente vengano emesse circa 10 milioni di tonnellate di particolato in atmosfera (Van Dingenen et al. 2004), con una preponderanza di sorgenti naturali (94%), mentre le sorgenti antropiche, seppur in minor quantità (6%), possono contenere sostanze pericolose per la salute e l'ambiente, concentrandosi in aree ad alta densità abitativa o industriale. La deposizione delle particelle avviene sia per via secca (gravità) sia umida (pioggia, neve, nebbia).

L'aerosol atmosferico può influenzare il clima terrestre, sia con un effetto di raffreddamento (fungendo da nuclei di condensazione per le nuvole), sia di riscaldamento (aumentando la nuvolosità e bloccando la dispersione del calore) (Brunekreef 2005, Lutgens et al. 2005). Contribuisce all'effetto 'isola di calore' nelle città (Smith et al. 2009). Il particolato può causare eutrofizzazione (eccesso di nitrati, fosfati e solfati) e danneggiare i materiali per annerimento e corrosione (Lutgens et al. 2005). Per la salute umana, le frazioni PM10 e PM2.5 sono particolarmente rilevanti, con le particelle più piccole che penetrano più in profondità nell'apparato respiratorio, causando danni maggiori a seconda della composizione e del punto di deposizione (Curtis L. 2002). L'Unione Europea, con le direttive 2008/50/EC, ha stabilito valori limite per le PM10 (<28 μg/m³), mentre per le PM2.5 si richiede un monitoraggio continuo (Ce et al. 2008).

L'analisi dei campioni avviene mediante HPLC (High-Performance Liquid Chromatography), utilizzando sia la tecnica HILIC (Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography) che la cromatografia in fase inversa. Le colonne cromatografiche, elemento centrale del processo di separazione, sono oggi molto più piccole (25-30 cm) rispetto al passato, garantendo maggiore efficienza. L'analisi è effettuata con uno spettrometro di massa ibrido LTQ Orbitrap XL, che combina trappola ionica, HCD e Orbitrap, permettendo acquisizioni sia a bassa che ad alta risoluzione (modalità Full scan e SIM). L'utilizzo di autocampionatori in HPLC permette l'analisi di un elevato numero di campioni in sequenza. La descrizione dettagliata del funzionamento dell'elettrospray, del cone-jet, dell'ion swipe cone, dell'ion transfer capillary, e della modalità SIM (Select Ion Monitoring) completa la descrizione delle tecnologie impiegate. Il manuale tecnico LTQ series fornisce ulteriori dettagli sull'hardware.

L'identificazione dei composti organici presenti nell'aerosol atmosferico si basa sull'analisi dei dati ottenuti tramite spettrometria di massa ad alta risoluzione (HRMS) accoppiata alla cromatografia liquida (HPLC). Il software Sieve+, distribuito da Thermo Fisher Scientific, gioca un ruolo fondamentale nell'elaborazione dei dati. Sieve+ permette il confronto simultaneo di numerosi cromatogrammi, facilitando l'identificazione di piccole molecole e consentendo il confronto tra i campioni e i bianchi di campo (Control Compare Trend), eliminando così il rumore di fondo e evidenziando solo gli ioni significativi. Il software offre anche funzionalità di confronto tra gruppi di campioni (Two Sample Differential Analysis), una potente risorsa per analisi statistiche comparative. L'analisi dei dati ottenuti si concentra sull'estrazione di informazioni come massa, rapporto m/z, errore (espresso in ppm), intensità di segnale, deviazione standard e tempo di ritenzione degli ioni, creando tabelle dettagliate con associazione a picchi cromatografici.

L'identificazione dei composti si basa su diversi parametri. L'accuratezza della massa esatta, ottenuta tramite HRMS, è fondamentale, con l'errore di massa (Δppm) che indica la discrepanza tra la massa misurata e quella teorica. Un parametro “mass tolerance” viene impostato per scartare formule brute con errori superiori ad un certo valore (generalmente <5 ppm). Il parametro RDB (Ring Double Bond equivalent) indica il grado di insaturazione della molecola, dato dalla somma degli anelli, doppi e tripli legami. L'utilizzo del Kendrick mass defect, che considera la massa esatta e la formula molecolare, permette di identificare serie omologhe di composti che differiscono per un multiplo di CH2. La distribuzione degli ioni nel plot Kendrick mass defect vs Kendrick mass fornisce informazioni sulla composizione molecolare, indicando la presenza di eteroatomi o cicli carboniosi.

In assenza di standard di riferimento, l'identificazione dei composti avviene confrontando gli spettri di massa con quelli presenti in banche dati e letteratura (Sumner et al. 2007, Dunn et al. 2013). L'accuratezza del rapporto m/z ottenuta con HPLC-HRMS rende sufficienti le informazioni di frammentazione e tempo di ritenzione per il confronto. L'analisi considera le modalità di ionizzazione positiva e negativa. In modalità positiva ([M+H]+, [M+Na]+), si osservano composti organo-ossigenati (da fonti naturali o antropiche come combustioni di lignina o cellulosa – Oros & Simoneit 2001a) e organo-azotati (attribuibili a reazioni atmosferiche con NOx – Mazzoleni et al. 2010, Docherty & Ziemann 2006). In modalità negativa ([M-H]−), sono presenti composti organosolfati, associati a particelle biogeniche primarie o a reazioni di VOCs in fase acquosa (Surratt et al. 2008, Altieri et al. 2009), oltre a specie contenenti C, H, O, N e S, definite come nitro-ossi-organosolfati.

Campioni raccolti a Belgrado nell'autunno-inverno 2008 sono stati analizzati con tecniche HPLC in fase inversa e HILIC. I dati sono stati elaborati usando il software Sieve+ per identificare le piccole molecole. Sieve+ ha permesso un confronto tra i campioni e i bianchi di campo, eliminando le specie presenti nel background e evidenziando gli ioni significativi presenti nei campioni. L'analisi si è concentrata sull'individuazione di differenze nella composizione del particolato in relazione al periodo di campionamento (settembre, ottobre, dicembre), rappresentativi di diverse stagioni (estiva, autunnale, invernale). Il software Sieve+, nello specifico la funzione Two Sample Differential Analysis, è stato utilizzato per confrontare i gruppi di campioni raccolti in periodi diversi, permettendo l'eliminazione contemporanea delle specie ioniche presenti nel bianco di campo. Questo approccio è fondamentale per evidenziare le variazioni temporali nella composizione del particolato atmosferico.

Il parametro Ratio, con valori tra 0 e 99999.99, indica la presenza relativa di uno ione in periodi diversi. Un Ratio di 0 indica presenza solo in un periodo, 99999.99 in un altro, mentre un Ratio di 1 indica intensità di segnale simile in tutti i campioni. L'analisi si concentra su Ratio <1 e >1 per differenziare i campioni. Il confronto tra settembre e dicembre evidenzia molecole biogeniche in settembre (clima estivo) e composti da biomass burning in dicembre. Ottobre si differenzia per un numero maggiore di analiti e molecole più ridotte in modalità positiva, con OSc tra -1 e -2. Queste differenze sono probabilmente dovute a diverse sorgenti di emissioni tipiche di ciascun periodo: degradazione di foglie, marcescenza di materiale biologico, piogge, e combustioni agricole in autunno.

Un confronto tra campioni di dicembre (campionati ogni 12 ore) non ha mostrato differenze significative nella composizione tra giorno e notte, ma variazioni nell'intensità del segnale. L'analisi dei fattori evidenzia correlazioni tra specifici composti e periodi dell'anno. Il fattore 3, ad esempio, presenta alti loadings per l'acido levulinico (biomasse), acetovanillone e acido omovanillico (biomass burning), 1,4:3,6-dianidro-β-D-glucopiranosio (combustione di lignina) e nicotina. L'alto valore dei factor scores per ottobre è in accordo con la presenza di incendi in campi aperti per eliminare scarti agricoli (Zangrando et al., 2015). Altri fattori (1, 2, 4) mostrano correlazioni con composti derivati dalla combustione di lignina (acido cinnamico, acido caffeico, coniferil aldeide, acido nitrosalicidico) e biomass burning (nitrofenolo, metilnitrocatecolo). Il fattore 5 non ha trovato una chiara interpretazione.