Che cos'è il processo di preparazione del campione?

La preparazione del campione si riferisce alla serie di azioni intraprese per trasformare un campione dal suo stato originale a una forma adatta all'analisi in laboratorio. The exact process can vary widely depending on the type of sample and the analysis to be performed. However, the main goal of sample preparation is to isolate the desired analytes (the components of interest) from the sample matrix (the bulk of the material), remove any contaminants or interfering substances, and convert the analytes into a form that is compatible with the analytical technique to be used.

Generally, different steps are involved in a sample preparation:

Sampling / sample division: The first step involves collecting a representative portion of the material or substance to be analyzed. This is crucial for ensuring that the results are reflective of the whole sample.
Drying / embrittlement: Size reduction and homogenization of sticky, moist, elastic or tough samples can be challenging. Drying makes the sample more brittle and facilitates the grinding process. Embrittling elastic or tough samples, which cannot be pulverized at room temperature, has the same effect.
Cleanup / sieving: This step is necessary to remove any substances that might interfere with the analysis. Techniques like chromatography or the use of selective adsorbents can be employed to purify the sample.
Size Reduction / homogenization: For solid samples, this might involve grinding or crushing to reduce the particle size, making the analytes more accessible for further processing.
Extraction: This step involves separating the analytes from the sample matrix. Various extraction methods can be used, including solvent extraction, solid-phase extraction (SPE), and solid-phase microextraction (SPME), depending on the nature of the sample and analytes.
Concentration / compaction: Often, the analytes need to be concentrated to be detectable by the analytical instrument. This can involve evaporating solvents, centrifugation, or filtration to reduce the volume of the sample and increase the concentration of the analytes.
Derivatization: In some cases, especially for gas chromatography (GC) or certain types of spectroscopy, the analytes may need to be chemically modified to make them more volatile, detectable, or analytically stable. This process is known as derivatization.
Transfer to Analysis Vessel: Finally, the prepared sample is transferred to a vessel or container suitable for the analytical instrument, such as a chromatography vial, an autosampler container, or a specimen cup for spectroscopic analysis.

Le tecniche e le attrezzature specifiche utilizzate per la preparazione dei campioni dipendono dal tipo di campione (ad esempio, solido, liquido, gassoso), dalla complessità della matrice, dagli analiti di interesse e dalla tecnica di analisi (ad esempio, cromatografia, spettroscopia, spettrometria di massa). Una corretta preparazione del campione è fondamentale per ottenere risultati analitici accurati, affidabili e riproducibili. Retsch offre strumenti per le diverse fasi del processo di preparazione del campione: Campionamento e divisione del campione, essiccazione o infragilimento, pulizia e setacciatura, riduzione dimensionale e omogeneizzazione, estrazione, concentrazione e compattazione. Ogni parte del processo di preparazione del campione è descritta nelle sezioni seguenti.

1. Sampling and sample division

Per garantire la riproducibilità della preparazione del campione, è essenziale estrarre un sotto-campione che rappresenti realmente il materiale originario. Ciò significa che il sotto-campione deve avere le stesse proprietà della massa. Poiché la maggior parte dei campioni è costituita da miscele disomogenee, occorre fare attenzione a evitare la segregazione dovuta alle diverse dimensioni delle particelle, soprattutto durante la movimentazione. Se non viene processato l'intero campione, è necessario prelevare una porzione rappresentativa. La quantità del campione è fondamentale: deve essere sufficiente per l'analisi e proporzionata alla dimensione totale del campione e alla granulometria. Questi fattori determinano la quantità minima necessaria affinché il sotto-campione rifletta accuratamente la massa. È necessario chiarire in anticipo alcune questioni importanti:

Quale quantità è necessaria per garantire la rappresentatività del campione originale?
Da quale parte del materiale originale deve essere prelevato il campione?

Ripartitori di Campione

A. 1. Which quantity is required?

Some industry-specific standards provide guidelines and directions on the correct sampling process, for example DIN 51701-2:1985 in the coal industry. It contains, for example, the formula

G [kg] = 0.07 [kg/mm] x z [mm]

which indicates how much sample “G” must be extracted from a bulk sample with maximum particle size “z” to obtain a representative quantity. Taking a coal sample with a maximum particle size of 5 cm as an example, the following calculation applies:

G [kg] = 0.07 kg/mm x 50 mm
G = 3.5 kg

Consequently, the extracted sample amount for a sample with max. 50 mm particles should be at least 3.5 kg to make sure it is representative. For other materials than coal a different density should be taken into account.

B. 2. From which part is the sample taken?

The sub-sample taken from the original sample must accurately represent the entire bulk, which requires careful consideration of the sampling location (middle, top, bottom, inner, or outer part of the heap). Factors such as moisture content can vary within the heap, potentially affecting analytical results. For example, the inner parts may be moister than the outer parts. Additionally, particle composition may differ between the top and bottom due to segregation. Sampling large volumes, like ship or train loads, poses challenges. To achieve a representative sub-sample, it's necessary to collect samples from multiple locations and combine them. Alternatively, samples can be drawn directly from the material flow in a production unit.

1.1. Ripartitori di Campione

Una volta che il campione è arrivato in laboratorio, la quantità di campione può essere troppo grande per le fasi successive del processo di preparazione del campione. Pertanto, può essere necessaria un'ulteriore divisione del campione. La scelta del metodo di divisione e dello strumento dipende dal materiale e dalla quantità del campione. I campioni secchi e scorrevoli possono essere alimentati tramite alimentatori vibranti, divisori rotanti o divisori di campioni con testa divisoria rotante.

Ripartitore di campioni PT 100

Ripartitore a tubo rotante PT 200

Ripartitore Rotante PT 300

1.2. Divisori di campione

Sample splitters are used for materials with a low flowability. Manual random sampling is only acceptable if the sample is homogeneous with regards to material and grain size. However, without preliminary examination, this is difficult to ascertain.

Divisori di campione RT 6.5 - RT 75

Divisori di campione RT 100

The importance of sampling is demonstrated in the figure: Even if the analysis is carried out correctly, random sampling (e.g. with a scoop) leads to varying results which are not reproducible although the samples come from the same initial material. As shown, three different samples taken from the same initial material show variations of up to 20 % for the fraction below 2 mm. Therefore, it is essential that sampling is carried out with utmost care.

Random sampling with scoop; three correct sieve analyses lead to three different results

Professional sample dividers with a marginal standard deviation should be used for the extraction of representative sub-samples. The figure shows the qualitative sampling errors of the different methods. It can clearly be seen that rotary tube sample dividers produce the smallest qualitative variation (A). They achieve the highest degree of reproducibility and are clearly superior to all other methods.

Qualitative sampling errors (standards deviations) of the different sampling methods

The standard deviation e.g. in a plastic sample analyzed for its moisture content can be decreased drastically by correct sample division using a sample divider

2. Why does drying or embrittlement help in sample preparation?

La macinazione di campioni umidi o bagnati può provocare effetti collaterali indesiderati. Tali materiali sono inclini a intasare i setacci anulari e inferiori del mulino, causando potenzialmente un blocco della macchina. Ciò comporta una perdita di materiale durante il processo di preparazione del campione e richiede tempo e sforzi significativi per la pulizia. Esistono tuttavia delle eccezioni, come le macinazioni colloidali nei mulini a sfere che richiedono l'aggiunta di un liquido. La frutta e la verdura fresche possono essere lavorate in mulini a coltelli senza perdere materiale. In genere, i campioni umidi devono essere essiccati (come le foglie) prima della riduzione dimensionale. Il metodo e la temperatura di essiccazione scelti non devono alterare le proprietà del campione, in particolare i componenti volatili. Questi campioni vengono solitamente essiccati a temperatura ambiente. L'essiccatore TG 200 di RETSCH è progettato per un'essiccazione rapida e delicata, utilizzando l'essiccazione a letto fluido, simile agli essiccatori industriali, e può essiccare molti prodotti in soli 5-20 minuti.

Essiccatore a letto fluido TG 200

Drying ovens from Carbolite Gero

The ideal solution for removing moisture from material.

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Embrittlement (with liquid nitrogen or dry ice) helps to improve the sample´s breaking behavior, which is beneficial for sample preparation. Therefore, temperature-sensitive materials, such as some types of plastics, have to be cooled directly before they can be subjected to preliminary or fine size reduction. One way is to embrittle the sample in liquid nitrogen before grinding. At a temperature of -196°C even soft rubber becomes so hard and brittle that it can be ground without problems. Another possibility is to mix the sample with dry ice. However, materials which must not become moist should not directly be treated with cooling agents. The reason for this is that the steam in the air is frozen and is precipitated as water when it unfreezes. Cooling agents should not be used in closed grinding tools as evaporation causes overpressure.

Cooling a jar in liquid nitrogen

3. Metal Separation and Sieving

Samples such as industrial waste, recyclable waste and secondary fuels often contain metallic components which cannot be pulverized with laboratory mills. On the contrary, metallic objects such as steel nails or iron screws can damage the grinding tools which can lead to a considerable deterioration of the mill's performance. Therefore, it is necessary to separate the metal components before switching to the next step in sample preparation: grinding. If required, the fractions have to be evaluated separately. Undesired particles like metal parts can also be removed by sieving, if their sizes differ from the particles which need to be analyzed. Here, Retsch sieving machines are the devices of choice. RETSCH sieve shakers and sieving machines not only cover a wide measuring range. Thanks to different sieving motions and sieve sizes, the RETSCH sieve shaker range is suitable for almost any bulk material. Our sieve shakers and sieving machines produce exact and reproducible results and comply with the requirements for the test materials monitoring according to DIN EN ISO 9000 ff.

Vibrosetacciatori

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Principio di funzionamento

4. Size reduction and homogenization

Un mulino da laboratorio è progettato per polverizzare o macinare piccoli campioni di materiale per l'analisi della composizione, delle proprietà fisiche o per altri test. Sono in grado di preparare campioni di dimensioni o consistenza uniformi, garantendo la coerenza per valutazioni precise. Esistono diversi modelli di mulini per campioni, ognuno dei quali è adatto a materiali diversi e a usi particolari. La scelta di un mulino per campioni appropriato dipende dalle caratteristiche del materiale e dal risultato che si intende ottenere con l'elaborazione del campione. Per le tecniche analitiche come AAS, NIR, ICP o XRF, è fondamentale che il campione sia accuratamente omogeneizzato fino a raggiungere un livello adeguato di finezza analitica. Solo una preparazione coerente del campione garantisce analisi affidabili e accurate. RETSCH fornisce un'ampia selezione di mulini e frantumatori per la riduzione grossolana, fine e ultrafine di qualsiasi sostanza. L'ampia gamma di strumenti e accessori di macinazione garantisce che i nostri dispositivi facilitino una preparazione del campione affidabile e senza contaminazioni per le successive analisi di laboratorio.

Mulini RETSCH

Retsch offre un'ampia gamma di mulini progettati per soddisfare un'ampia varietà applicativa.

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5. Retsch benefit for the extraction step

The chemical extraction of analytes from ground samples is a pivotal sample preparation step in analytical chemistry, environmental science, and biochemistry, aimed at isolating specific compounds for detailed analysis. This process is essential for monitoring environmental pollution e.g. with pesticides, assessing nutrient levels in soils, detecting hazardous substances, and conducting research in various scientific fields.

The choice of extraction solvent and technique is critical and is determined based on the nature of the analytes of interest and the matrix of the ground sample. Common techniques include solid-phase extraction (SPE), liquid-liquid extraction (LLE), solid-phase microextraction (SPME), and supercritical fluid extraction (SFE), among others.

The extraction process typically involves the solubilization of the target analytes into a suitable solvent, separating them from the solid matrix and other non-target components. Following extraction, the analytes may undergo further purification and concentration steps before analysis using techniques such as gas chromatography (GC), liquid chromatography (LC), or mass spectrometry (MS) to quantify and identify the compounds of interest.

Vibromulino MM 400

The QuEChERS method, an acronym for "quick, easy, cheap, effective, rugged and safe," streamlines sample preparation for pesticide residue analysis. Testing has shown that results from the QuEChERS method are comparable to those from other methods. During homogenization, it's important to keep the sample from overheating, as some pesticides are volatile. Cooling the sample not only prevents this but also enhances the material's breaking behavior, leading to better fineness and homogeneity. The extraction process involves taking 10 g of the food or soil sample and extracting it with 10 ml of acetonitrile. To eliminate ghost peaks in chromatograms, the extraction is performed with a salt mixture, typically sodium chloride and magnesium sulphate in a 1:2 ratio. To transfer pesticides into the organic phase, the sample is shaken with the acetonitrile and salt for 1 to 3 minutes. A laboratory mill, like RETSCH’s Mixer Mill MM 400, can be used to agitate the mixture in a 50 mL Falcon tube at up to 30 Hz, ensuring thorough and reproducible mixing, which is beneficial for the extraction process.

6. Concentration and compaction

In questa fase cruciale della preparazione del campione, Retsch vi supporta con la Pressa Pastigliatrice PP40. La pressa compatta la polvere in compresse con superfici lisce, spesso necessarie per le analisi XRF. L'accuratezza dell'analisi XRF dipende dall'interazione dei raggi X con la superficie del campione e diversi fattori legati alle condizioni della superficie possono influire sulla qualità dei dati ottenuti:

Una superficie liscia garantisce che i raggi X interagiscano uniformemente con il campione. Superfici ruvide o irregolari possono causare la diffusione e l'assorbimento dei raggi X in modo non uniforme, portando a risultati imprecisi o incoerenti.
Le superfici lisce aiutano a ottenere risultati riproducibili su più misure o campioni. La variabilità della struttura della superficie può introdurre incongruenze nella misurazione, rendendo difficile il confronto dei risultati.
Nei campioni sfusi, una superficie liscia e finemente levigata riduce al minimo gli effetti della variazione delle dimensioni delle particelle. Le particelle più grandi su una superficie ruvida potrebbero non essere completamente penetrate dal fascio di raggi X, con conseguente sottorappresentazione della loro composizione elementare nell'analisi.
Per i campioni solidi, è fondamentale un buon contatto superficiale tra il campione e la finestra del rivelatore. Una superficie liscia garantisce un contatto più ravvicinato, particolarmente importante per gli elementi leggeri che hanno emissioni di raggi X a bassa energia, in quanto tali emissioni sono facilmente assorbite da intercapedini o incongruenze nel contatto con la superficie.
Su una superficie ruvida, i punti elevati possono creare regioni d'ombra che non sono adeguatamente esposte al fascio di raggi X, con conseguente analisi incompleta della composizione elementare del campione.

Pressa Pastigliatrice PP 40

Gli strumenti RETSCH sono utilizzati nella scienza e nell'industria per la preparazione dei campioni per un'ampia gamma di metodi analitici diversi, così come per l'analisi granulometrica nel contesto del controllo della produzione e del monitoraggio della qualità.

RETSCH risponde alle sempre crescenti richieste in questi settori con una chiara filosofia di prodotto: "L'intero è maggiore della somma delle sue parti"

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Grazie alla sua fitta rete internazionale composta da filiali, agenzie locali e società satellite, RETSCH è presente in più di 80 paesi garantendo elevati standard qualitativi e di competenza tecnica. Nei nostri laboratori applicativi, utilizzatori e potenziali clienti possono processare GRATUITAMENTE i propri campioni, in modo da poter valutare l'idoneità di sistemi proposti, prima di un eventuale acquisto. Le prove effettuate saranno inoltre accompagnate da un report di macinazione, riportante tutte le informazioni inerenti la prova (setting strumentali, strumenti ed accessori utilizzati)

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Processo di preparazione del campione - FAQ

Why is sample preparation important?

Before samples can be analyzed using advanced scientific equipment and instruments, they must be properly treated and prepared. This preliminary step is an important stage of the overall analysis process as it helps to prevent contamination, improve accuracy and minimize the risk of result distortion.

What is the first step in sample preparation?

The first step of sample preparation is collection. In simple terms, this is the extraction of a representative sample from a larger source. That could be anything from a cell suspension sample to a food sample. It is important to minimize sample loss, avoid contamination and ensure consistency.