Durante i controlli di sicurezza in aeroporto, alcuni passeggeri vengono sottoposti a procedure di verifica più approfondite. In questi casi, un batuffolo di cotone viene passato sul loro corpo e/o sui loro oggetti e poi inserito in un particolare strumento per la ricerca di sostanze chimiche pericolose. La maggior parte di questi macchinari impiega una tecnologia chiamata spettrometria di mobilità ionica.
La spettrometria di mobilità ionica (ion mobility spectrometry o IMS) è una tecnica analitica particolarmente efficace nello screening di sostanze pericolose e di largo impiego per la rapida analisi, sul campo, nei contesti militari, nelle applicazioni dell’ordine pubblico e negli scenari di pronto intervento.
Contraddistinta da elevata specificità e selettività nei confronti delle sostanze bersaglio, la spettrometria di mobilità ionica consente di identificare in maniera precisa, affidabile e con tempi di analisi rapidi – tipicamente in pochi secondi per campione – la presenza di minacce chimiche. Queste caratteristiche ne fanno una tecnica d’elezione per la rilevazione in tracce – fino all’ordine dei picogrammi – di sostanze chimiche quali esplosivi, droghe, agenti di guerra chimica e sostanze tossiche industriali.
La versatilità della spettrometria di mobilità ionica ne consente l’applicazione in contesti diversificati, come tecnica indipendente o come integrazione aggiuntiva ad altri metodi di screening. L’utilizzo della IMS come sistema di controllo complementare è spesso necessario in quei casi che richiedono un elevato rendimento, come appunto lo screening aeroportuale.
Gli spettrometri di mobilità ionica presentano numerosi vantaggi. Primo fra tutti, operando alla pressione ambientale, sono agevolmente miniaturizzabili e facilmente implementabili dal punto di vista dell’architettura portatile. Non meno importante, restituiscono risultati – sonori o visivi – facilmente interpretabili, sul campo, anche da operatori che non hanno competenze specialistiche.
Diverse sono le configurazioni dei sistemi IMS disponibili in commercio. Queste si adattano alle specifiche esigenze applicative e spaziano dai dispositivi portatili con dimensioni ridotte e alimentati a batterie – con tempi di autonomia anche prolungati – ai modelli robusti in accordo con gli standard militari. In generale, l’elemento strumentale discriminante per gli spettrometri di mobilità ionica è il sistema di introduzione del campione. Infatti, gli strumenti IMS si dividono in: sistemi a rilevamento di particelle, che permettono di campionare residui solidi dalle superfici; e sistemi a rilevamento di vapori, che invece raccolgono i vapori dei composti volatili direttamente dall’ambiente. La scelta della configurazione strumentale più adatta dipende dal bersaglio chimico ricercato.
Ma come funziona la tecnica? La spettrometria di mobilità ionica consente il riconoscimento delle sostanze chimiche attraverso la separazione e l’identificazione delle singole componenti che costituiscono i campioni in esame. Il principio su cui si basa la tecnica è quello della separazione per mobilità: gli ioni vengono trasportati da una corrente di gas e discriminati in base alla loro mobilità all’interno di un campo elettrico. La mobilità dipende dalla loro dimensione, forma e carica ed è quindi caratteristica determinante per l’identificazione veloce e specifica delle sostanze chimiche bersaglio.
Dal punto di vista operativo, i sistemi IMS prevedono l’iniziale conversione in fase gassosa delle sostanze di interesse e la loro successiva ionizzazione all’interno di una specifica sezione strumentale – la camera di ionizzazione – attraverso l’utilizzo di un’apposita sorgente di ioni. Gli ioni così formati vengono trasportati, all’interno dello strumento, dal flusso di gas e si muovono per effetto del campo elettrico applicato a una velocità che è determinata dalla loro carica e dalla loro interazione con il gas stesso. Tale velocità è quindi espressione della massa, dimensione e forma degli ioni.
Il nucleo comune a tutti gli spettrometri IMS è rappresentato dal tubo di deriva (o drift tube), la componente strumentale in cui gli ioni vengono introdotti, accelerati e separati in base alla loro mobilità. Gli ioni introdotti nella regione di deriva risentono dell’azione del campo elettrico applicato all’interno del tubo e vengono così accelerati per effetto del gradiente di campo. Gli ioni si trovano quindi a correre lungo il tubo in ragione della loro carica elettrica e con la presenza di un gas di deriva, con il quale inevitabilmente collidono. A seguito di ciascun urto con le molecole del gas, la corsa degli ioni lungo il tubo di deriva viene progressivamente decelerata.
La velocità di deriva dei singoli ioni è quindi caratteristica della loro massa e della loro struttura. Di conseguenza, gli ioni di grandi dimensioni subiscono meno l’accelerazione impartita dal gradiente di campo applicato nel tubo di deriva e viaggiano lungo il tubo con velocità inferiori. Questo comporta una probabilità più elevata di collidere con le molecole del gas di trasporto presente all’interno dello strumento. Infatti, il numero di collisioni effettive aumenta per gli ioni di grandi dimensioni, che tendono a interagire più estensivamente con il gas di trasporto, subendo una decelerazione maggiore e raggiungendo il rivelatore con tempi di deriva più lunghi rispetto agli ioni di dimensioni inferiori.
Nei sistemi IMS si registra quindi un arrivo progressivo degli ioni al rivelatore, ciascuno con un tempo di deriva influenzato dalle sue specifiche caratteristiche strutturali. I tempi di deriva rivestono perciò un ruolo cruciale nell’identificazione degli ioni stessi. Il transito di queste specie attraverso il rivelatore produce, infatti, un segnale di corrente elettrica i cui picchi corrispondono ai segnali generati dal passaggio dei singoli ioni. Di conseguenza, conoscendo i tempi di deriva dei singoli ioni che costituiscono la sostanza chimica ricercata nell’analisi, è possibile dedurre la presenza di questa sostanza nel campione esaminato.
Gli spettrometri IMS sono configurati per generare segnali visivi o allarmi sonori quando le sostanze rilevate eccedono le soglie preimpostate, confermandosi quali strumenti rapidi, affidabili, di facile utilizzo e interpretazione per lo screening sul campo di minacce chimiche di varia natura.
Fonti:
Leary, P. E. and Joshi, M. (2021). Applications of ion mobility spectrometry. In Portable spectroscopy and spectrometry. Editors: Crocombe, R., Leary, P. E. and Kammrath, B.
DeBono, R. F. and Leary, P. E. (2021). Key instrumentation developments that have led to portable ion mobility spectrometer systems. In Portable spectroscopy and spectrometry. Editors: Crocombe, R., Leary, P. E. and Kammrath, B.
Dodds, J. N. and Baker, E. S. (2019). Ion mobility spectrometry: fundamental concepts, instrumentation, applications, and the road ahead. J Am Soc Mass Spectrom. 30(11):2185-2195.
Eiceman, G. A. and Stone, J. A. (2004). Ion mobility spectrometers in national defense. Anal Chem. 76(21):390A-397A.
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