Uso delle HFF-QCMs per l'analisi di composti di interesse ambientale e forense

This thesis work aimed to use the fundamental resonance frequency variation of a type of Quartz Crystal Microbalance (QCM) for the detection of analytes of environmental and forensic interest in their gaseous form in a controlled environment. A QCM is an acoustic wave resonator in which the acoustic wave propagates through the crystal. This makes the quartz crystals very sensitive to the variation of adsorbed mass on their surface and therefore perfect for their use in the study of gas adsorption. In both analyses, the QCMs sensor used have undergone passivation with 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctanephosphonic acid (PFOPA) and coating process with likely affinity materials to the analytes of interest through Electro-Spray Ionization. Concerning the analysis of potential pollutants, we tried to understand how the variation of sulphur hexafluoride (SF6) concentration, within a nitrogen flux, could be detected by a QCM within a controlled environment (p and T constant), with a coating of affinity material that causes a shift of the fundamental frequency of the QCM of 50kHz. By modifying the instrumental parameters such as SF6 concentration and injection time, a fit of the frequency variations, obtained with Langmuir's isotherm, was performed to determine whether it would be possible to obtain the affinity constants of our materials for SF6 and compare them. For forensic analysis, a sensoristic analysis was tried. In this case, we did not want to determine the affinity constant of the affinity materials in relation to a series of forensic analytes, but we wanted to measure the differences in resonance frequency variation that each QCM – affinity material shows during the adsorption process of the different analytes present in the form of vapour within a stream of nitrogen. At first, we carried out a series of measurements in a controlled environment to observe the behaviour of the various QCMs coated by the different affinity materials in response to the presence of some substances in vapour phase. Then, using a home-made sensor, we planned to move to perform some measurements in an uncontrolled environment in the presence of possible interferents. Unfortunately, due to the lack of time, only laboratory measurements in a controlled environment could be carried out (p and T constant) with the absence of interferents, a constant percentage of analyte and an initial coating of affinity materials equal to 100 KHz shift of the fundamental frequency of the QCMs.

Questo lavoro di tesi mira ad utilizzare la variazione di frequenza fondamentale di risonanza di un tipo di microbilancia a cristalli di quarzo (QCM) per la rilevazione di analiti di interesse ambientale e forense nella loro forma gassosa presenti all’interno di un ambiente controllato. La QCM è un risonatore di onde acustiche in cui l'onda acustica si propaga attraverso il cristallo. Questo rende i cristalli di quarzo molto sensibili alla variazione della massa adsorbita sulla loro superficie e quindi perfetti per il loro utilizzo nello studio dell'adsorbimento dei gas. In entrambe le analisi, le microbilance utilizzate hanno subito una passivazione con acido 1H,1H,2H,2H-Perfluoroottanfosfonico (PFOPA) e un processo di rivestimento con materiali, presunti di affinità, agli analiti di interesse attraverso ionizzazione elettrospray. Per quanto riguarda l'analisi dei potenziali inquinanti, abbiamo cercato di capire come la variazione della concentrazione di esafluoruro di zolfo (SF6), all'interno di un flusso di azoto, possa essere rilevata da un QCM all'interno di un ambiente controllato (costante p e T), con un rivestimento di materiale di affinità che provoca uno spostamento della frequenza fondamentale della QCM di 50kHz. Tramite la modifica dei parametri strumentali come la concentrazione di SF6 e il tempo di iniezione, usando l’isoterma di adsorbimento Langmuir (Equazione R1), abbiamo eseguiti un fit del plot delle variazioni di frequenza ottenute vs la concentrazione di SF6 applicata. Tramite fit abbiamo provato a determinare le costanti di affinità dei nostri materiali in riferimento all'SF6. La pendenza della parte lineare del fit, se presente, è il prodotto tra la variazione di frequenza massima e la costante di legame presenti nell’equazione. Poiché il valore risultante fornisce un’informazione generale sull’affinità di un film o di un materiale poroso rispetto all’analita target, deltaFmax ∙ K (Hz ∙ ppm^-1) sarà utilizzato come affinità in questo studio. Per l'analisi forense, è stata provata un'analisi sensoristica. In questo caso, non volevamo determinare la costante di affinità dei materiali in relazione ad una serie di analiti forensi, ma volevamo misurare le differenze nella variazione di frequenza di risonanza che ogni QCM-materiali di affinità mostra durante il processo di adsorbimento dei diversi analiti presenti sotto forma di vapore all'interno di un flusso di azoto. Inizialmente l'idea è stata quella di effettuare, nella prima fase, una serie di misure in ambiente controllato per osservare il comportamento delle varie QCM rivestiti dai diversi materiali di affinità in risposta alla presenza di alcune sostanze in fase di vapore. Mentre, nella seconda fase, svolgere delle misure in un ambiente non controllato, utilizzando un sensore creato in laboratorio. Purtroppo, per mancanza di tempo, si sono potute effettuare solo misurazioni in ambiente controllato (p e T costanti), in assenza di interferenti, con una percentuale costante di analita e un rivestimento iniziale delle QCM con materiali di affinità pari ad uno shift di frequenza fondamentale di 100 KHz.