Aspectos prácticos en la producción de materiales de

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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

11

Etapas de preparación

Medición instrumental

Materiales de referencia de alta pureza*

Materiales de referencia en matriz

Materiales de referencia

* Materiales “calibrantes”

12

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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

14

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8

Trazabilidad metrológica en Mediciones químicas

15

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


Espectrofotometría

Muestra de rutina

Resultado

Material


Procedimiento por conveniointernacional

Traz

abili

dad

met

roló

gica

HbA1c

Caso 2https://www.rcsb.org/structure/3B75


20

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Unidad SI

Método para Nitrogéno protéico: Kjeldahl

MRCN en leche

Resultado



Traz

abili

dad

met

roló

gica

INM

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

22

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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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CaracterizaciónMÉTODOS PRIMARIOS

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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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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 de rutina del laboratorio

Muestra de rutina

Resultado

Material


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)


31

32

Unidad SI

Procedimiento de medición de referencia

primarioMaterial de referencia primario



Procedimiento de medición de rutina del

laboratorioMuestra de rutina

Resultado

Material


Procedimiento

Traz

abili

dad

met

roló

gica

¿ Qué pasa si no aplican los métodos primarios?

32

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CaracterizaciónDIFERENTES MÉTODOS

33

Diferentes caminos…

34

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35

Unidad SI

Procedimiento de medición 1

Material de referencia



Procedimiento de medición de rutina del

laboratorioMuestra de rutina

Resultado

¿ Qué pasa si no aplican los métodos primarios?



Soportados en comparaciones claves

35

Ejemplos

36

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CaracterizaciónMATERIAL DE REFERENCIA

POR CONCENSO

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Unidad SI

Método para Nitrogéno protéico: Kjeldahl

MRCN en leche

Resultado



Traz

abili

dad

met

roló

gica

INM

Laboratorio


Muestra de leche

Cadena de trazabilidad N

38

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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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22

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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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…

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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

54

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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

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Medición de la propiedad:DIFERENTES MÉTODOS

57

DIFERENTES MÉTODOS

58

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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


independientes



Campaña 2

Tomamos una botella


independientes



Campaña 3

150- 450 datos de medición

¡X cada

método!

59

Combinación del valor

60

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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

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Adquisición

Tratamiento

Fortificación

Eliminación de agua

Evaluación.

Metodología(Desarrollo y evaluación del MR)

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Preparación MR

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• 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

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Tamizado (500 µm)

Preparación MR: secado en horno

67

Tamizado (500 µm)

PREPARACÍÓN DEL MR

68

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35

ANTES DESPUÉS!!!

PREPARACÍÓN DEL MR

69

Envasado y empaque

70

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¡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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¿Es adecuado para el propósito?

u= 10-20%

0.6% a 4%

73

ESTAMOS TRABAJANDO…

74

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Material de referencia de mercurio en pescado

75

Solución de Aflatoxina B1

enAcetonitrilo

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39

Residuos de plaguicidas enaguacate Hass

77

Material de referenciade Leche en polvopara análisis de elementos y proximales

78

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40

Material de referencia de Harina de trigo

79

Materiales de referenciacertificados: pureza para Zn, Pb y Cd

80

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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

Documents

Aspectos prácticos en la producción de materiales de