La tecnica SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) per la determinazione di contaminanti alimentari e confronto con le tecniche di spettrometria di massa.

Nowadays, the evaluation of human exposure to harmful substances is an important priority for every government and food safety is one of the mayor concern. Since food contamination can occur in every step of food production and distribution, research is moving forward new techniques that should be able to detect contaminants and other food hazards in a simple and rapid way, maintaining a good accuracy and sensibility. In this project, implemented at the Food Metrology laboratory of the National Institute of Metrological Research (INRiM) in Torino, the potential advantages of spectroscopic techniques (in particular Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) applied in food safety is investigated. Spectroscopy techniques guarantee an efficient approach in food safety, especially because it provides rapid procedures and extremely specific analysis with minimal sample pre-processing. Besides, a metrological approach is needed in this area of study: Food Metrology is an emerging area of metrology, which aims at developing standardized and validated analytical procedures, with a whole uncertainty budget declaration, for the reliable detection of food constituents and contaminants in food matrices. Two families of contaminants have been considered in this thesis: pesticides, with a focus on glyphosate, and chemicals which can migrate into food from packaging, represented in this work by organotin compounds (OTCs), typically present in PVC. My research activity started at INRiM, where the study has been focused on UV-Vis (for glyphosate), Raman and SERS (for glyphosate and OTCs) detection of the food contaminants. For both UV-Vis spectroscopy and SERS the interaction of analytes with colloidal silver nanoparticles (average size 30 nm) was exploited. A complementary part of the project has been implemented at the University of Zaragoza (Spain), in the frame of an Erasmus stage at the Group of Analytical Chemistry (GUIA) of such University, carrying out research activities devoted to the contamination of food by the packaging. This collaboration gave me the possibility of studying food contaminants with mass spectrometry (MS) techniques, a classical approach to be compared with SERS results. , In particular, the Inductively Coupled Plasma-MS analyses of organotin compounds solutions have been performed accordingly to European procedures (CoE ¿ Resolution AP (92)2). In summary, glyphosate interaction with silver nanoparticles was studied monitoring the absorbance of plasmonic peaks by UV-Vis absorption spectroscopy. At the same time SERS detection was tested and a quantification analysis was carried out in parallel with UPLC-MS investigation. Two organotin compounds, trimethyl tin and maleate tin, were tested for chemical migration from PVC cling film into two food simulants, ethanol 10% v/w and acetic acid 3% v/w. Extracts were analyzed both with ICP-MS and SERS measurement with silver colloidal suspension and in both case results suggest that it could be preferable to use PVC packaging for acid food, such as fruits, instead that for fat food.

In questo progetto di tesi viene trattato il tema della sicurezza alimentare e della valutazione dell'esposizione a sostanze nocive da parte dei consumatori. La contaminazione delle risorse alimentari può verificarsi sia nelle prime fasi di produzione ma anche in quelle di trasporto e consumo dei beni alimentari. Da qualche decennio, la ricerca scientifica si sta concentrando nello sviluppo di tecniche che siano in grado di determinare la presenza di composti pericolosi in matrici alimentari in modo semplice e rapido, pur mantenendo buoni valori di accuratezza e sensibilità. Il lavoro di tesi è stato svolto presso i laboratori metrologici dell'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) a Torino, dove è stato possibile valutare i vantaggi che le tecniche spettroscopiche possono portare nell'ambito della sicurezza alimentare: queste tecniche garantiscono lo sviluppo di procedure d'analisi rapide ma anche estremamente specifiche, senza richiedere una complessa preparazione del campione. La metrologia applicata all'ambito della sicurezza alimentare è attualmente in ampia crescita e si prefigge di elaborare procedure di analisi che siano standardizzate, validate e con un livello di incertezza dichiarato per l'identificazione di componenti e contaminanti in matrici alimentari. Parte del progetto è stata svolta presso l'istituto INRiM a Torino, dove la ricerca si è concentrata sull'utilizzo della spettroscopia Raman e delle sue applicazioni, in particolare l'utilizzo di substrati SERS in grado di aumentare il segnale Raman dei composti analizzati. Ho avuto la possibilità di trascorrere tre mesi a Saragozza in Spagna, godendo dell'ospitalità del gruppo di chimica analitica dell'università (GUIA). Il gruppo di ricerca si occupa della determinazione di composti chimici in grado di migrare dagli imballaggi alimentari verso il prodotto e causarne quindi una contaminazione pericolosa per il consumatore (MOCA). Questa collaborazione mi ha consentito di comparare i risultati ottenuti con tecniche innovative, come il SERS, con tecniche più tradizionali di spettrometria di massa. Il glifosato è stato analizzato poiché appartiene ad una famiglia di pesticidi che possono contaminare le risorse alimentari nelle prime fasi di produzione, mentre sono stati scelti due composti dello stagno, che sono usati come stabilizzanti termici dei film di PVC per imballaggi, come esempio di composti pericolosi provenienti da una contaminazione da contatto di materiali esterni. Come substrato SERS sono state utilizzate sospensioni colloidali di nanoparticelle d'argento e la loro interazione con la molecola di glifosato è stata monitorata con misure UV-Vis e SERS. In parallelo è stata condotta un'analisi quantitativa in spettrometria di massa (UPLC-MS/MS, Waters). I composti dello stagno sono stati sottoposti a test di migrazione con due simulanti alimentari e gli estratti sono stati analizzati al Raman con la tecnica SERS e all'ICP-MS. In entrambi i casi i risultati hanno dimostrato che la tipologia di imballaggi contenenti questi composti sono più adatti alla conservazione di cibi acidi.