L’acqua è essenziale per la sopravvivenza dell’essere umano ed è fondamentale nell’ambito della sicurezza alimentare, della conservazione dell’ambiente e della salute dell’uomo.
Tuttavia, a causa di diverse attività umane, come l’uso di fertilizzanti agricoli e la produzione di inquinanti industriali, la qualità ne è stata compromessa. Il monitoraggio idrico, pertanto, è diventato fondamentale nell’analisi ambientale e in quella dell’acqua potabile.
Spettroscopia UV-Vis per il monitoraggio in rete dell’acqua
I metodi tradizionali utilizzati per la misurazione dei parametri di qualità dell’acqua si basano su approcci chimici, biologici e fisici. Se da un lato i metodi chimici richiedono attrezzature ingombranti e costose, oltre a un gran numero reagenti, i metodi biologici risentono di una minore accuratezza e sensibilità [1]. L’approccio fisico, invece, utilizza una tecnologia di rilevamento spettrale da remoto nelle lunghezze d’onda UV e visibili come la spettrofotometria UV-Vis; questo tipo di analisi consente di effettuare una valutazione rapida della qualità dell’acqua.
La spettrofotometria UV-Vis si basa sul principio della correlazione tra l’assorbimento di specifiche lunghezze d’onda luminosa di una sostanza e la sua concentrazione [2]. Tale metodo non richiede filtrazioni dei campioni, è privo di reagenti e fornisce in tempo reale misurazioni rapide della qualità dell’acqua. Tra i parametri che possono essere misurati utilizzando spettrofotometri UV-Vis vi sono: colore, nitrati, Depleted Oxygen Content (DOC), Total Oxygen Content (TOC) e il coefficiente di assorbimento spettrale SAC254 (a volte chiamato anche UV254). Negli ultimi anni sono stati inclusi ulteriori parametri nell’analisi della qualità dell’acqua grazie all’utilizzo di spettrofotometri UV-Vis in linea, come le misurazioni di materiale organico disciolto [3], di chemical oxygen demand (COD) [4] degli specchi d’acqua e della presenza di disinfettante nell’acqua potabile [5].
Rivelatori a lunghezza d’onda singola e multipla
Esistono due tipi di sensori spettrali utilizzati nell’analisi dell’acqua: sensori di singola lunghezza d’onda (single-wavelength sensor – SW) e spettrofotometri. I sensori SW sono generalmente costituiti da un unico fotorivelatore con filtro passabanda e da una sorgente luminosa. Quest’ultima emette alla lunghezza d’onda specifica che viene assorbita dalla sostanza da rilevare. Gli spettrofotometri, invece, utilizzano una sorgente luminosa a banda larga e un reticolo diffrattivo che separa lo spettro luminoso nelle sue varie lunghezze d’onda e le dirige verso un fotorilevatore a matrice lineare. Generalmente, quando si confrontano le prestazioni dei sensori a spettro completo e SW, questi ultimi sono in grado di misurare le variazioni dei parametri durante determinati periodi, ma i risultati in alcuni casi non compensano adeguatamente per la presenza in acqua di corpi particellari, soprattutto se confrontati con le misurazioni standard di laboratorio.
Al contrario, gli spettrofotometri compensano maggiormente per la presenza di particelle e possono essere calibrati rispetto a posizioni specifiche con maggiore precisione, risultando quindi migliori per applicazioni che richiedono rilevamenti accurati, per esempio il monitoraggio in tempo reale dei processi di trattamento delle acque [6].
Sorgenti luminose per spettroscopia UV-Vis
Quando si utilizza un sensore spettrale UV-Vis o a spettro completo, è fondamentale scegliere la sorgente di luce a banda larga più adatta. La fonte luminosa necessita di emissione spettrale, luminosità e affidabilità adeguati all’applicazione, oltre a tempi di warm-up brevi o nulli, lunga durata, basso consumo energetico e compattezza.
Sebbene i LED siano spesso impiegati in varie applicazioni, sono meno adatti alla spettrofotometria UV-Vis a causa della loro emissione a spettro ristretto e disponibilità limitata di lunghezze d’onda. Si preferiscono invece emettitori a banda larga come lampade al deuterio e lampade xenon-flash. Le lampade al deuterio hanno uno spettro di emissione più limitato di una xenon-flash e richiedono lunghi tempi di warm-up, ma vengono preferite per dispositivi da banco nei laboratori per la loro minore variazione picco-picco. Le lampade xenon-flash invece offrono una gamma più ampia di lunghezze d’onda, consentendo, tra le altre cose, la rilevazione in contemporanea di un numero maggiore di parametri nell’acqua.
Le lampade Xenon Flash Hamamatsu per la spettrofotometria portatile
Grazie al know-how unico nella fabbricazione di dispositivi a vuoto e nell’integrazione dell’elettronica, Hamamatsu Photonics ha sviluppato le più avanzate lampade Xenon Flash per la spettrofotometria portatile UV-Vis-NIR e per il monitoraggio in linea dell’acqua.
Questi dispositivi sono disponibili sia come sorgenti stand-alone che come sorgenti modulari complete di trigger e alimentatore, che ne facilitano l’integrazione.
Le lampade Xenon Flash Hamamatsu sono caratterizzate da un elevato output di picco istantaneo, design compatto, bassa generazione di calore e uno spettro di emissione continuo da 160 nm fino al medio infrarosso, rendendole sorgenti luminose ideali per strumenti miniaturizzati.
Le lampade hanno inoltre una durata garantita di 10 miliardi di flash e offrono potenze di uscita da 2 W fino a 60 W.
Per concludere, il monitoraggio della qualità dell’acqua è fondamentale per garantire la salute umana, la sicurezza alimentare e per preservare l’ambiente.
A differenza dei metodi di campionamento tradizionali che analizzano solo parzialmente la qualità, la spettroscopia UV-Vis permette di effettuare misurazioni di più parametri in tempo reale, in modo preciso ed economico. Per queste ragioni, l’utilizzo combinato di spettrofotometri UV-Vis e di sorgenti luminose a larga banda di emissione, sta diventando una soluzione sempre più diffusa nel campo dell’analisi dell’acqua.
Riferimenti
[1] G.V. Pashkova and A.G. Revenko, “A Review of Application of Total Reflection X-ray Fluorescence Spectrometry to Water Analysis,” Applied Spectroscopy Reviews, vol. 50, no. 6, pp. 443-472, 2015. doi: 10.1080/05704928.2015.1010205.
[2] Y. Guo, C. Liu, R. Ye, and Q. Duan, “Advances on Water Quality Detection by UV-Vis Spectroscopy,” Appl. Sci., vol. 10, p. 6874, 2020. doi: 10.3390/app10196874.
[3] P. Li and J. Hur, “Utilization of UV-Vis spectroscopy and related data analyses for dissolved organic matter (DOM) studies: A review,” Crit. Rev. Environ. Sci. Technol., vol. 47, pp. 131-154, 2017. doi: 10.1080/10643389.2016.1224573.
[4] F. Liu, P. Zheng, B. Huang, X. Zhao, L. Jiao, and D. Dong, “A review on optical measurement method of chemical oxygen demand in water bodies,” in Proceedings of the International Conference on Computer and Computing Technologies in Agriculture, Beijing, China, 27-30 September 2015, pp. 619-636.
[5] S. Hossain, C. W. Chow, G. A. Hewa, D. Cook, and M. Harris, “Spectrophotometric online detection of drinking water disinfectant: A machine learning approach,” Sensors, vol. 20, p. 6671, 2020.
[6] Z. Shi, C.W. Chow, R. Fabris, J. Liu, and B. Jin, “Alternative particle compensation techniques for online water quality monitoring using UV–Vis spectrophotometer,” Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, vol. 204, p. 104074, 2020.
