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1
Aspectos prácticos en la producción de materiales de
referencia
2020-09-03
Diego Alejandro Ahumada Forigua@dahumadaf
1
Contenido
2
MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES A CERTIFICAR
CADENAS DE TRAZABILIDAD• Ejemplos
EJEMPLOS DE PRODUCCIÓN DE MR
ACERCA DE LA METROLOGÍA QUÍMICA
4
3
2
1
• Métodos primarios• Varios métodos
• Agua- MRC• Piña – In house
2
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2
METROLOGÍA QUÍMICA
3
Mediciones químicas y biológicas
Muestra TratamientoMedición• Calibración
instrumento
¿Cuántos métodos hay?
4
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3
Posibilidades para la medición
• Diferentes métodos de medición
• Diferentes laboratorios
• Diferentes momentos
5
¿Las mediciones son comparables?
6
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4
¿Cómo hacemos que las mediciones sean comparables en
tiempo y espacio?
7
Metrología QuímicaLa metrología química es un área de la química analítica que investiga y establece las condiciones necesarias para que las mediciones realizadas en un lugar sean válidas en
todo el mundo y en diferentes periodos de tiempo.
PATRONES DE MEDICIÓN
MÉTODOS DE REFERENCIA
8
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5
International vocabulary of metrology – Basic and general concepts and associated terms (VIM). 3 Ed. JGCM, 2012 (Imágenes tomadas de TAM)
Trazabilidad metrológica (2.41):Propiedad de un resultado de medición por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medición
• La trazabilidad ayuda a demostrar la comparabilidad (comparabilidad de resultados de medida, para magnitudes de una naturaleza dada, que son metrológicamente trazables a la misma referencia) de los resultados de medición sobre una base científicamente valida
• La trazabilidad no garantiza que los resultados sean adecuados para el propósito (v.g. medición de una sal en balanzas calibradas de diferente resolución)
9
Sistema internacional de unidades
1,8 ug/kg
Cantidad de sustancia en la fruta
Procedimiento de medición
Material dereferencia certificado
Valor
Valor Valor
Valor
2,1 ug/kg
Cadena ininterrumpida y documentadaà incertidumbre
Referencia
Resultado de medición
10
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6
En la práctica….
Material de referencia para calibrar el
instrumento
Material de referencia para calibrar método
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Etapas de preparación
Medición instrumental
Materiales de referencia de alta pureza*
Materiales de referencia en matriz
Materiales de referencia
* Materiales “calibrantes”
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7
Sistema internacional de unidades
1,8 ug/kg
Cantidad de sustancia en la fruta
Procedimiento de medición
Material dereferencia certificado
Valor
Valor Valor
Valor
2,1 ug/kg
Cadena ininterrumpidaàincertidumbre
13
En conclusión:
Requerimos de - 1 Material de referencia en matriz- 1 Material de referencia para calibración
- Alta pureza- Solución de calibración
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8
Trazabilidad metrológica en Mediciones químicas
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Mediciones Físicas vs Mediciones químicas
Trazabilidad en Mediciones Físicas Trazabilidad en Mediciones Químicas
Patrones Primarios
Patrones secundarios
Patrones de trabajo
Máquinas de prueba
Métodos PrimariosMRC o métodos de referencia
Ensayos colaborativos
Métodos de referencia
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9
INM
Productores de Materiales de
referencia
Laboratorios de la Industria, Academia,
laboratorios de ensayo
1.8 μg/kg
PTB
Productores de Materiales del
referencia*
Laboratorios de la industria, academia,
Laboratorios de ensayo*
2,1 μg/kg
Trazabilidad
Colombia i.e. PanamáIntercomparaciones
SICADENA DE TRAZABILIDAD METROLÓGICA
17
18
Unidad SI
Procedimiento de medición de referencia primario
Material de referencia primario
Procedimiento de medición fabricante
Calibrador del fabricante
Procedimiento de medición de rutina del laboratorio
Muestra de rutina
Resultado
Material
CalibraciónAsignación de valor
Procedimiento
Traz
abili
dad
met
roló
gica
Incertidumbre
Industria – comercio –laboratorios
Fabricantes
Institutos Nacionales de Metrología
BIPM
Trazabilidad metrológica: posibilidad 1
18
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Unidad SI
Método primarioID – ICPMS MRC
Calcio en suero humano congelado
Resultado
MaterialCalibración
Asignación de valor Procedimiento implementación uc (y)
Traz
abili
dad
met
roló
gica
BIPM, INM
INM, LRMA
Laboratorio
Procedimiento de medición de laboratorio
Muestra de suero
Cadena de trazabilidad Ca
19
20
Unidad SI
HPLC /MS-ESI
MR [HbA1c/(HbA1c+HbA0)] (0, 30, 60, 90, 120, 150
mmol/mol)Procedimiento de medición
laboratorio
Calibrador del fabricante
Espectrofotometría
Muestra de rutina
Resultado
Material
CalibraciónAsignación de valor
Procedimiento por conveniointernacional
Traz
abili
dad
met
roló
gica
HbA1c
Caso 2https://www.rcsb.org/structure/3B75
Trazabilidad metrológica: posibilidad 2
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11
Unidad SI
Método para Nitrogéno protéico: Kjeldahl
MRCN en leche
Resultado
MaterialCalibración
Asignación de valor Procedimiento implementación uc (y)
Traz
abili
dad
met
roló
gica
INM
Laboratorio
Procedimiento de medición de laboratorio
Muestra de leche
Cadena de trazabilidad Ca
21
En conclusión:
- Hay materiales de referencia que pueden ser certificados por métodos primarios
- Hay mensurandos para los cuales los métodos primarios no pueden ser aplicados, luego se usan otras alternativas
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Medición de la propiedad acertificar
23
Medición de la
propiedad
Métodos primarios
Diferentes métodos analíticos
Red de laboratorios
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13
CaracterizaciónMÉTODOS PRIMARIOS
25
Método primario de medición
“Un método primario de medición es aquel que presenta una alta jerarquíametrológica, cuyo funcionamiento está completamente descrito y entendido, paraque pueda ser expresado en términos de unidades del Sistema Internacional deUnidades (abreviado SI), y aquellos resultados son aceptados sin necesidad de unpatrón de referencia de la magnitud que se está midiendo”
Mas alta cualidad metrológica
Totalmente descrito y entendido
Resultado
Incertidumbres pequeñas
Ecuación con unidades del SI
No requiere patrón
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Método Directo
Primario
Gravimetría
Coulometría
Propiedades Coligativas
Método de proporción
primario
IDMS ( Doble)
Métodos primarios para determinar cantidad de sustancia
𝑛 =𝑄𝑧𝐹
=∫ 𝐼𝑑𝑡𝑧𝐹
𝑛 =𝑚𝑀
27
Definición mol
Contenido cantidad de
sutancia
Determinación de carga
Cantidad de sustancia
Sstema internacional
de unidades
mol kilogramo
Volt Ohm
Ampere
Contador
de tiempoBalanzaResistencia Voltímetro
Segundo
! = !"#$%
V R
t
m(masademuestra)
# = !"&#%$
Detécción
punto final
Cte de
Faraday,
' = )!*
$ = %&
!+ ='()
96 485.332 12 C mol-1
Ley de Ohm
Ley de Faraday
I
m
Métodos primarios para determinar cantidad de sustancia
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15
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Tipo titulación Reactivo generado Reacción en el electrodo generador Analito determinado
Ácido- BaseBases (OH-) 2H2O + 2e-⇌ 2OH- + H2 Ácidos
Ácidos (H+) 2H2O ⇌ 4H+ + O2 + 4e- Bases
RedoxCl2, Br2, I2 2X-⇌ X2 + 2e- As3+, Sb3+, U4+, S2O32-
Cu+ Cu2+ + e- ⇌ Cu+ Cr2O72-, IO3-
Precipitación Ag+ Ag ⇌ Ag+ + e- Haluros, CN-, SCN-, S2-
Complejométricas Zn2+ Zn2+ + H2Y⇌ H2Y2- + 2H+ Ca2+, Pb2+, Cu2+
Certificación de Materiales de Referencia: métodos primarios
29
30
Certificación de Materiales de Referencia: métodos primarios
MRC
Acidimetría
Alcalimetría
Argentometría
Redox
Oxidimetría
Complejometría
CaCO3, Na2CO3, TRIS, H3BO3
HCl, H2SO4, KHP, C2H2O4, C6H5COOH
KCl, NaCl
As2O3
K2Cr2O7
EDTA
30
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16
31
Unidad SI
Procedimiento de medición de referencia primario
Material de referencia primario
Procedimiento de medición fabricante
Calibrador del fabricante
Procedimiento de medición de rutina del laboratorio
Muestra de rutina
Resultado
Material
CalibraciónAsignación de valor
Procedimiento
Traz
abili
dad
met
roló
gica
Incertidumbre
Industria – comercio –laboratorios
Fabricantes
Institutos Nacionales de Metrología
BIPM
Propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadenaininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida (VIM 2.41)
Trazabilidad metrológica: posibilidad 1
31
32
Unidad SI
Procedimiento de medición de referencia
primarioMaterial de referencia primario
Procedimiento de medición fabricante
Calibrador del fabricante
Procedimiento de medición de rutina del
laboratorioMuestra de rutina
Resultado
Material
CalibraciónAsignación de valor
Procedimiento
Traz
abili
dad
met
roló
gica
¿ Qué pasa si no aplican los métodos primarios?
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CaracterizaciónDIFERENTES MÉTODOS
33
Diferentes caminos…
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Unidad SI
Procedimiento de medición 1
Material de referencia
Procedimiento de medición fabricante
Calibrador del fabricante
Procedimiento de medición de rutina del
laboratorioMuestra de rutina
Resultado
¿ Qué pasa si no aplican los métodos primarios?
Procedimiento de medición 2
Procedimiento de medición 3
Soportados en comparaciones claves
35
Ejemplos
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CaracterizaciónMATERIAL DE REFERENCIA
POR CONCENSO
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Unidad SI
Método para Nitrogéno protéico: Kjeldahl
MRCN en leche
Resultado
MaterialCalibración
Asignación de valor Procedimiento implementación uc (y)
Traz
abili
dad
met
roló
gica
INM
Laboratorio
Procedimiento de medición de laboratorio
Muestra de leche
Cadena de trazabilidad N
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20
MR por concenso
39
Material de referencia por concenso
- Número suficiente de parCcipantes- Muy empleado cuando hay método
dependencia- Cuando no hay MRC caracterizados por
métodos primarios- Cuando no aplican métodos primarios:
especies- Red de laboratorios competente
40
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21
¿ Cómo se hace un material de referencia?
41
Plan
eaci
ón
•Necesidades•Análisis
preliminares
Prep
arac
ión
•Presentación•Limpieza•Secado•Reducción de
tamaño de partícula
•División•Empaque
Cer;
ficac
ión
•Estudios de homogeneidad
•Estudios de estabilidad
•Asignación del valor
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Plan
eaci
ón
• Necesidades• Análisis
preliminares
Control de calidadCalibración
Ensayo de aptitud.Validación
Uso
CualitaOvoCuanOtaOvoAn
álisi
s
Necesidades en incertidumbre
u
TrazasComponentes principales
Conc
entr
ació
nDisolución?
matriz?Puro?
Tipo
DisponibilidadMediciones previas
Cand
idat
o
43
ELEMENTOS EN AGUA POTABLE
Uso previsto:validación de
métodos
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23
MR agua potable
Proceso
45
Material de referencia de agua potable
Pesado agua Fortificación Acidificación (pH 1,6) H2SO4
Una semana de Estabilidad, con
AgitaciónFiltración 0,45 µm
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Material de referencia de agua potable
Toma de muestras para estudiosHomogeneidad
Estabilidad y Cuantificación preliminar
1 día Agitación
Envase (PEAD) Empaque al vacío
Detalles…
47
Homogeneidad
Estabilidad condiciones aceleradas
Estabilidad Largo plazo
Lote de material de referencia
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Cert
ifica
ción
• Estudios de homogeneidad
• Estudios de estabilidad
• Asignación del valor
Dentro de botellasEntre botellas
Física / Química
Corto plazoLargo plazo
Medición de propiedad(es) a certificar
49
Certificación
u!"# % = u$%&' + u()* +,-.%' + u()* /%-*%' + u&(0'
10 mg/L +/- 0.1 mg/L ( k= 1.96, Distr normal)Valor válido hasta 2022
50
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26
¿Por qué homogeneidad?
51
80.0%
85.0%
90.0%
95.0%
100.0%
105.0%
110.0%
115.0%
120.0%
0 2 4 6 8 10 12 14
% R
espu
esta
Número de medición
Variación de la respuesta (%) en función del orden de medición
80.0%
85.0%
90.0%
95.0%
100.0%
105.0%
110.0%
115.0%
120.0%
0 20 40 60 80 100
% R
espu
esta
Número de botella
Variación de la respuesta (%) en función del orden del llenado
AsHomogeneidad: As
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Resultados de Homogeneidad
Elemento u relativa Elemento u relativa
Na 0.97 % Se 2.04 %Mg 0.92 % Mo 0.50 %Al 1.03 % Ag 0.96 %Ca 0.96 % Cd 0.68 %Fe 0.76 % Pb 0.50 %As 1.34 % Cr 1.56 %Zn 0.33 % Co 0.69 %Ni 0.92 % Cl- 0.81 %Cu 2.17 %
53
Estabilidad: ¿Para qué sirve?
El propósito principal es determinar el gradoremanente de inestabilidad del candidato a MRdespués de la preparación, o confirmar laestabilidad del material.Clases de estabilidad
Ø Largo plazoà AlmacenamientoØ Corto plazoà Transporte
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Rev. Colomb. Quim., vol. 48, no. 3, pp. 36-44, 201940
D. A. Ahumada-Forigua, L. L. Soto-Morales, L. V. Morales-Erazo & J. P. Abella-Gamba
La anterior situación se atribuye a posibles residuos del anión nitrato, los cuales pudieron quedar después del proceso de lavado, pues de acuerdo a ODV�JUi¿FDV�GH�WHQGHQFLDV��VH�GHVFDUWD�TXH�OD�YDULDFLyQ�WDQ�DOWD�GHO�LRQ�QLWUDWR�obedezca al procedimiento de envasado y/o al procedimiento de medición.
/D� )LJXUD� �� PXHVWUD� TXH� HO� ORWH� SUHSDUDGR� PHGLDQWH� LQPHUVLyQ� GH�las botellas dentro del material candidato tiene incertidumbres similares o menores a las obtenidas mediante el envase convencional. Es de UHVDOWDU� TXH� HOHPHQWRV� FRPR� 6H�� &U�� &X� \� 1L� SUHVHQWDQ� LQFHUWLGXPEUHV�mucho más bajas a las obtenidas mediante el lote convencional.
Figura 2. $QiOLVLV�GH�WHQGHQFLD�GH�PHGLFLyQ�SDUD�1D��0J��$V��&G��123��\�&O�.
Figura 3. &RH¿FLHQWHV�GH�GHWHUPLQDFLyQ� �52�� ��$QiOLVLV�GH� WHQGHQFLDV�HQYDVDGR�\�medición.
/DV� )LJXUDV� �� \� �� HYLGHQFLDQ� TXH�� SDUD� HO� FDVR� HVSHFt¿FR� GH� 123�
, se presenta un problema de dispersión de los resultados. En ninguna GH� HVWDV� ¿JXUDV� VH� REVHUYD� XQD� WHQGHQFLD� HQ� IXQFLyQ� GH� OD� PHGLFLyQ� R�al envasado de las botellas, sin embargo, se encuentra que hay valores de porcentaje de respuesta superiores al 200%, lo cual indica que para HVDV� ERWHOODV� VH� WXYLHURQ� FRQFHQWUDFLRQHV� GH� 123
� muy por encima GHO� SURPHGLR�� &RPR� VH� REVHUYD� HQ� ODV� ¿JXUDV�� ODV� LQFHUWLGXPEUHV� GH�PHGLFLyQ� �EDUUDV� GH� HUURU�� VRQ� UHODWLYDPHQWH� EDMDV�� SRU� FRQVLJXLHQWH�� QR�VH�WUDWD�GH�XQ�HUURU�GH�PHGLFLyQ��&DEH�UHVDOWDU�TXH�ODV�PHGLFLRQHV�GH�123
�
se realizaron por segunda vez y el resultado fue exactamente el mismo. 3RVWHULRUPHQWH��VH�GLVFXWLUi�DFHUFD�GH�OD�SRVLEOH�FDXVD�GH�HVWRV�UHVXOWDGRV�
Ahora bien, como se mencionó en la sección experimental, se estimó la incertidumbre ubb� PHGLDQWH� XQ�$129$�� /D� )LJXUD� �� PXHVWUD�las incertidumbres por homogeneidad para cada uno de los lotes SUHSDUDGRV� �SUHSDUDFLyQ� FRQYHQFLRQDO� \� SUHSDUDFLyQ� SRU� LQPHUVLyQ��
De acuerdo con la experiencia de otros institutos [21, 22], la incertidumbre objetivo o máxima esperada de los elementos mayores HV�FHUFDQD�DO����� OD�GH� ORV�HOHPHQWRV�PHQRUHV�HV�FHUFDQD�DO�����3DUD�HO�caso de los aniones, en la actualidad, no existen materiales de referencia FHUWL¿FDGRV� HQ� DJXD�� 3RU� OR� WDQWR�� VH� HQFXHQWUD� TXH� SDUD� OD� PD\RUtD� GH�los analitos se tiene una incertidumbre aceptable, concluyéndose así que HO� SURFHVR� GH� HQYDVDGR� HV� DGHFXDGR� �H[FHSFLyQ� GHO� FDVR� GH� ORV� 123
�����
'H�DFXHUGR�FRQ�OD�JXtD�,62����>��@��OD�LQFHUWLGXPEUH�SRU�LQHVWDELOLGDG�GHO�PDWHULDO�VH�HQFXHQWUD�FRPSXHVWD�SRU�GRV�FRPSRQHQWHV��L��HVWDELOLGDG�D�FRUWR�SOD]R�\�LL��HVWDELOLGDG�D�ODUJR�SOD]R��(VWD�JXtD�HVWDEOHFH�TXH�VH�GHEH�evaluar si el modelo de cinética de orden 0 se ajusta a los resultados del estudio de estabilidad, posterior a esto, a través de una prueba t student, se debe evaluar si la pendiente, la cual representa la constante cinética, es VLJQL¿FDWLYD��(Q�HO�SUHVHQWH�HVWXGLR�VH�HYDOXDURQ�ODV�FLQpWLFDV�RUGHQ���������y 3 y se encontró que para todos los casos el modelo y la pendiente no son VLJQL¿FDWLYRV� �Į ������� OR� FXDO� LQGLFD�TXH� HO�PDWHULDO� FDQGLGDWR�SUHVHQWD�XQD�HVWDELOLGDG�DGHFXDGD��/D�)LJXUD���PXHVWUD�ORV�UHVXOWDGRV�REWHQLGRV�SDUD�los estudios de estabilidad a corto plazo de algunos analitos.
Evaluación de estabilidad
Figura 4. ,QFHUWLGXPEUHV�HVWiQGDU�����REWHQLGDV�SDUD�ORV�GRV�PpWRGRV�GH�HQYDVDGR�
Figura 5. (VWXGLR�GH�HVWDELOLGDG�D�ODUJR�SOD]R�SDUD�1D��&X��6Q�\�3E�Rev. colomb. quim., Volumen 48, Número 3, p. 36-44, 2019. ISSN electrónico 2357-3791. ISSN impreso 0120-2804.
55
Incertidumbre por homogeneidad y estabilidad
Elemento u homogeneidad (%) u esta corto plazo (%) u esta largo plazo (%)
Na 0.966% 0.031% 0.11%Mg 0.921% 0.033% 0.07%Al 1.034% 0.032% 0.06%Ca 0.956% 0.084% 0.13%Fe 0.764% 0.148% 0.05%As 1.343% 0.204% 0.07%Zn 0.327% 0.043% 0.04%Ni 0.922% 0.052% 0.05%
56
4/09/20
29
Medición de la propiedad:DIFERENTES MÉTODOS
57
DIFERENTES MÉTODOS
58
4/09/20
30
En la práctica
Tomamos una botella
Se hacen 10 diluciones
independientes
Se calibra el instrumento
Se mide 5-15 réplicas 50-150 datos de medición
Campaña 1
Tomamos una botella
Se hacen 10 diluciones
independientes
Se calibra el instrumento
Se mide 5-15 réplicas 50-150 datos de medición
Campaña 2
Tomamos una botella
Se hacen 10 diluciones
independientes
Se calibra el instrumento
Se mide 5-15 réplicas 50-150 datos de medición
Campaña 3
150- 450 datos de medición
¡X cada
método!
59
Combinación del valor
60
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31
MATERIALES DE REFERENCIA “ IN HOUSE”
61
Elaboración de un MR “In-house”
Garzón, D. A., Ahumada, D. A., Gamba, J. P. A., Ágreda, J., & Castillo, E. (2020). Quantification of Arsenic, Cadmium, Mercury and Lead in Pineapple: Method Development, Validation and Evaluation of In-House Reference Materials. Journal of the Brazilian Chemical Society, 31(6), 1296-1305.
à Control de calidad
62
4/09/20
32
Adquisición
Tratamiento
Fortificación
Eliminación de agua
Evaluación.
Metodología(Desarrollo y evaluación del MR)
63
Preparación MR
64
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33
• Lavados con 20% de agua tipo I• Filtrado• Fortificación a límite
Preparación MR
65
~300 g
~300 g
En tres bandejas
En dos bandejas
Preparación MR: etapa de secado
66
4/09/20
34
Tamizado (500 µm)
Preparación MR: secado en horno
67
Tamizado (500 µm)
PREPARACÍÓN DEL MR
68
4/09/20
35
ANTES DESPUÉS!!!
PREPARACÍÓN DEL MR
69
Envasado y empaque
70
4/09/20
36
¡Ahora a medir!¿Pero qué debemos medir?– Homogeneidad– Estabilidad
¡Control de calidad!
71
1.78
7
1.89
4
4.02
9
2.83
2
1.83
3
0.88
9
1.56
9
1.69
5
3.39
4
2.54
7
0.66
0
1.32
2
1.06
0 1.44
7
1.18
0
2.59
8
1.25
2
0.97
3
As Cd Hg Pb Cu Fe
%u
Incertidumbre de homogeneidad
Fresca liofilizada Secado al horno
El material de referencia AOKE 01450 de manzana tiene un 20% de incertidumbre
72
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37
¿Es adecuado para el propósito?
u= 10-20%
0.6% a 4%
73
ESTAMOS TRABAJANDO…
74
4/09/20
38
Material de referencia de mercurio en pescado
75
Solución de Aflatoxina B1
enAcetonitrilo
76
4/09/20
39
Residuos de plaguicidas enaguacate Hass
77
Material de referenciade Leche en polvopara análisis de elementos y proximales
78
4/09/20
40
Material de referencia de Harina de trigo
79
Materiales de referenciacertificados: pureza para Zn, Pb y Cd
80
4/09/20
41
Material de referenciaMigración en plásticos
81
Material de referenciaElementos trazas en productos cosmeticos
82
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42
Materiales de referencia
certificados enpureza a travésde coulometria
EDTA
Biftalato de Potasio
Cloruro de Potasio
83
Diego Alejandro Ahumada ForiguaSubdirección de metrología química y biomedicina
2020@dahumada
84
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