Occhio allo Stronzio! L’Idrogel che Cambia Colore per Salvare la Nostra Acqua (e le Ossa!)

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona molto e che, credetemi, riguarda da vicino la nostra salute e l’ambiente: il rilevamento dello stronzio (Sr(II)) nell’acqua. Magari vi state chiedendo: “Stronzio? E perché dovrebbe interessarmi?”. Beh, lasciate che vi spieghi.

Perché lo Stronzio è un Problema Serio?

Lo stronzio, di per sé, non è il cattivo della storia, ma alcuni suoi “parenti” radioattivi, come lo stronzio-90 (Sr-90), possono essere davvero pericolosi. Questo isotopo è un prodotto della fissione nucleare e, se finisce nelle acque che beviamo o usiamo, può accumularsi nelle nostre ossa. Il problema è che il nostro corpo lo scambia per calcio, e a lungo andare può causare brutte malattie, come tumori ossei e leucemie. Capite bene che monitorare la sua presenza, specialmente in aree a rischio, è fondamentale.

I metodi tradizionali per scovare lo stronzio, come la spettroscopia di assorbimento atomico (AAS) o la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS), sono super precisi, non c’è dubbio. Però, costano un occhio della testa, richiedono laboratori attrezzatissimi e personale specializzato. Insomma, non sono proprio l’ideale se devi fare un controllo rapido sul campo, magari vicino a un fiume o a una sorgente. C’era bisogno di qualcosa di più smart, economico e portatile. Ed è qui che entra in gioco la nostra idea!

La Nostra Idea: Un Idrogel “Intelligente” che Cambia Colore

Abbiamo pensato: e se potessimo creare un sensore semplice, che cambi colore in presenza di stronzio, e che si possa “leggere” anche solo con uno smartphone? Sembra fantascienza? No, è chimica e ingegneria dei materiali al lavoro!

Abbiamo deciso di puntare sugli idrogel. Immaginateli come delle spugnette gelatinose super assorbenti, fatte di polimeri. Noi abbiamo scelto l’alginato di sodio, una sostanza naturale estratta dalle alghe marine, quindi totalmente biocompatibile e amica dell’ambiente. L’alginato ha una particolare affinità proprio con lo stronzio, quasi se lo “abbracciasse” volentieri.

Ma come fare a “vedere” questa interazione? Qui entra in scena il nostro secondo protagonista: il blu di metiltimolo (MTB). Si tratta di un indicatore metallo-cromico, una sostanza che ha la fantastica proprietà di cambiare colore quando incontra specifici ioni metallici, tra cui il nostro stronzio. Il problema dell’MTB è che, da solo in soluzione acquosa, tende a degradarsi in fretta. La soluzione? Intrappolarlo dentro la nostra “spugnetta” di alginato!

Abbiamo creato delle piccole perle di idrogel (le abbiamo chiamate MAB – Methyl thymol blue-loaded Alginate hydrogel Beads) caricandole con l’MTB. Il processo è affascinante: abbiamo mescolato la soluzione di alginato e MTB e l’abbiamo fatta gocciolare in una soluzione di cloruro di calcio. Il calcio fa “reticolare” l’alginato, creando una struttura tridimensionale stabile (un po’ come in un modello chiamato “egg-box”, scatola delle uova) che ingloba l’MTB. Et voilà! Le nostre perline sensore erano pronte.

Come Funziona? Basta uno Smartphone!

Il bello di queste perline MAB è la loro semplicità d’uso. Quando vengono immerse in acqua contenente ioni stronzio (Sr(II)), l’MTB intrappolato reagisce e cambia colore, virando verso il blu. Più stronzio c’è, più intenso diventa il blu (almeno fino a un certo punto).

E come misuriamo questo cambiamento di colore in modo quantitativo? Qui arriva il tocco tech-low-cost: basta uno smartphone! Abbiamo scattato delle foto alle perline dopo l’interazione con campioni d’acqua a diverse concentrazioni di stronzio. Poi, usando un software di analisi d’immagine (come ImageJ®, ma vanno bene anche app dedicate), abbiamo analizzato i valori RGB (Red-Green-Blue) del colore.

Abbiamo scoperto che, in un intervallo di concentrazione specifico (da 1 a 10 milligrammi per litro), l’intensità del canale Blu (il valore ‘B’ dell’RGB) aumentava in modo lineare con la quantità di stronzio. Questo significa che possiamo creare una curva di calibrazione e determinare la concentrazione di stronzio sconosciuta semplicemente analizzando il colore della perlina con il telefono! Geniale, vero?

Ovviamente, abbiamo ottimizzato tutto: il pH dell’acqua (abbiamo visto che funziona al meglio intorno a pH 8, tipico di molte acque naturali), la temperatura e il tempo di interazione (bastano 10 minuti). Abbiamo anche notato che la reazione è rapidissima, a volte bastano pochi secondi per vedere il cambiamento di colore, specialmente a pH più alti.

Per essere sicuri che tutto funzionasse a dovere, abbiamo fatto anche delle analisi più “classiche” con uno spettrofotometro UV-Vis. Questo strumento misura come la luce viene assorbita dalla soluzione. Abbiamo confermato che le nostre perline, dopo aver interagito con lo stronzio, mostravano picchi di assorbimento a specifiche lunghezze d’onda (440 nm e 600 nm) che corrispondevano proprio al cambiamento di colore osservato. I risultati dell’analisi RGB e della spettrofotometria andavano perfettamente d’accordo, soprattutto nel range 1-10 mg/L.

Sotto la Lente: Cosa Ci Dicono le Analisi Strutturali?

Non ci siamo fermati alla funzionalità. Volevamo capire esattamente come fossero fatte le nostre perline MAB e cosa succedesse a livello microscopico quando incontravano lo stronzio. Per questo, abbiamo usato tecniche di caratterizzazione avanzate:

• SEM (Microscopia Elettronica a Scansione): Ci ha permesso di vedere la superficie delle perline con ingrandimenti pazzeschi. Prima dell’incontro con lo stronzio, la superficie era porosa ed eterogenea, perfetta per ospitare l’MTB e interagire con l’acqua. Dopo il contatto con Sr(II), la superficie diventava più liscia e densa. Questo suggerisce che lo stronzio rafforza la struttura dell’idrogel, rendendola più compatta.
• EDX (Spettroscopia a Raggi X a Dispersione di Energia): Associata al SEM, questa tecnica ci dice quali elementi chimici sono presenti sulla superficie. Abbiamo visto che, nelle perline “vergini”, c’erano sodio (Na) e cloro (Cl) (residui della preparazione) e calcio (Ca) (dalla reticolazione). Dopo l’esposizione allo stronzio, i segnali di Na e Cl sparivano (indicando uno scambio ionico: lo stronzio prende il loro posto) e aumentava il segnale del calcio, confermando i cambiamenti strutturali. Non siamo riusciti a “vedere” direttamente lo stronzio con l’EDX a basse concentrazioni, ma i cambiamenti negli altri elementi erano una prova indiretta della sua cattura.
• FTIR (Spettroscopia Infrarossa a Trasformata di Fourier): Questa analisi “ascolta” le vibrazioni delle molecole e ci dice quali gruppi funzionali sono presenti e come interagiscono. Abbiamo confermato che l’MTB era stato incapsulato con successo senza rovinare la struttura dell’alginato. Abbiamo anche visto dei piccoli spostamenti nei segnali dei gruppi carbossilici (–COO⁻) dell’alginato dopo l’interazione con lo stronzio, indicando che si erano formati legami specifici.

Tutte queste analisi ci hanno dato la conferma che il nostro sistema era ben costruito, stabile e che l’interazione con lo stronzio avveniva proprio come avevamo ipotizzato.

I Risultati: Promettente, Pratico ed Economico!

Quindi, cosa abbiamo ottenuto alla fine? Un metodo per rilevare lo stronzio (Sr(II)) in acqua che è:

• Sensibile: Rileva concentrazioni basse, a partire da 1 mg/L.
• Quantitativo (in un certo range): Fornisce una misura precisa tra 1 e 10 mg/L usando l’analisi RGB.
• Rapido: Il cambiamento di colore avviene in pochi minuti, a volte secondi.
• Economico: Utilizza materiali a basso costo (alginato, MTB) e strumenti comuni (uno smartphone).
• Portatile: Le perline sono facili da trasportare e utilizzare direttamente sul campo.
• Visivo: Il cambiamento di colore è visibile anche a occhio nudo per una stima preliminare.

Certo, c’è ancora lavoro da fare. Ad esempio, vorremmo estendere il range di linearità per poter misurare con precisione anche concentrazioni più alte di stronzio, o magari migliorare ulteriormente la sensibilità. Potremmo pensare di integrare nanomateriali per potenziare le prestazioni.

Conclusioni e Prossimi Passi

In conclusione, abbiamo sviluppato e caratterizzato queste perline di idrogel MAB che rappresentano uno strumento davvero promettente per il monitoraggio ambientale dello stronzio. La combinazione della selettività dell’alginato, della risposta colorimetrica dell’MTB e della praticità dell’analisi RGB con smartphone apre la strada a controlli più frequenti, diffusi ed economici della qualità dell’acqua.

È stato un viaggio affascinante nel mondo dei materiali intelligenti e della chimica analitica, e siamo convinti che questo piccolo sensore colorato possa dare un contributo concreto per proteggere la nostra salute e l’ambiente da contaminanti insidiosi come lo stronzio. Continueremo a lavorarci!

Fonte: Springer