Experimentación en Química Analítica

Calidad

Procedimiento AnalíticoPodemos representarlo mediante el siguiente esquema:

Aunque aquí constan casi todas las etapas posibles, no siempre tenemos que hacerlas, el hacer unas u otras va a depender del analito y de la matriz que tengamos.

1. Pre-tratamientoLas operaciones previas son todos los procesos físicos y químicos que se hacen sobre la muestra desde que se toma hasta que se prepara para un determinado análisis y tienen las siguientes características:

- Poseen una gran variabilidad (son muy diversas)o Proceso de gran complejidado Existe riesgo de explosión

- Requieren una gran participación humanao Se trata de un proceso lentoo Es un proceso de difícil automatización

- Son una fuente importante de erroro Es muy fácil que existan pérdidas o contaminacióno Existe una gran dificultad para hacer un control riguroso

Las operaciones de pre-tratamiento van a influir muchísimo tanto en el análisis como en la anterior conservación y almacenamiento de las muestras, en caso de que no podamos hacer un análisis inmediato de las mismas; y por tanto son muy relevantes aunque no formen parte del análisis. Estos procesos son los siguientes:

- Lavado: Consiste en la eliminación superficial de contaminantes mediante el empleo de agua, tensoactivos, ácidos o agentes complejantes o también disolventes orgánicos. No todas las muestras se lavan sistemáticamente.

- Secado: Consiste en la eliminación del agua de la muestra; y el método que empleemos depende de la matriz y del analito, ya que provoca un cambio de peso en la muestra. También conseguimos eliminar la disolución parcial de la matriz en la muestra. Podemos hacerlo de las siguientes formas:

o En estufa, pesando la muestra en un vidiro de reloj y calentando entre 60 y 100 ºC, para poder eliminar el agua pero no descomponer la matriz. Tenemos que controlar la temperatura, ser conscientes de la naturaleza del analito, de la matriz y el tamaño de partícula. Es muy fácil que existan pérdidas

o Liofilización. Se trata de un secado en fío, en el que congelamos la muestra y la sometemos a vacío (10 Pa), con lo que provocamos la sublimación del agua. Este procedimiento va muy bien con muestras termolábiles, que se descompongan con la temperatura, y así evitamos pérdidas.

- Triturado y homogeneización: El objetivo es que nuestra muestra sea representativa. Para ello en función de si son duras o blandas, trituramos o molemos.

o Muestras duras: Triturador de mandíbulas, de rodillo, de cono, de bolas de anillos, de disco vertical. (Usamos golpeo y fricción)

o Muestras blandas: Molinillo y picadora. En estos casos se suelen congelar la muestra previamente.

La contaminación puede ser por dos vías, por desgaste del material con el que trituramos o cruzada debido a que lavamos mal entre muestras. La pérdida de volátiles se minimiza, ya que intentamos trabajar con refrigeración.

- Tamizado: Consiste en pasar la muestra por unos tamices para que las partículas tengan todas un tamaño similar, para eso se emplean tamices con distinta luz de malla.

- División y submuestreo: Es la toma de la muestra que será sometida a tratamiento después de haber hecho el pre-tratamiento. En función de su estado de agregación se hará de una manera u otra.

o Sólido: Puede ser manual, por el sistema del cuarteo, en el que hacemos un montón, lo dividimos en cuatro partes iguales y nos quedamos con dos de las partes que se encuentran enfrentadas. También lo podemos hacer automáticamente mediante un divisor mecánico.

o Líquido: Simplemente agitamos, calentamos y filtramos repetidas veces.

- Almacenaje y transporte: Aunque no es una operación previa, es básico para el análisis. Siempre tenemos que guardar muestra suficiente para posibles repeticiones o contraanálisis de nuestra muestra.

Hay que tener en cuenta una serie de factores: la temperatura, la humedad, la luz y la contaminación; tanto la cruzada por estar almacenada cerca de otras muestras, como la contaminación debido a los envases contenedores. La primera se evita refrigerando, congelando y liofilizando o adicionando algunos aditivos. La segunda depende solamente de la correcta elección del material contenedor, para lo que recurrimos a tablas.

2. Métodos de preparación de muestras para la determinación de analitos inorgánicos

La preparación de las muestras va a depender del estado de agregación en que se encuentren, ya sea líquido, gas o sólido.

a) Muestras Líquidas: Tenemos dos situaciones:a. Soluciones acuosas- Generalmente no requieren tratamiento previo- Según la concentración del analito en la muestra y la técnica, tendremos

que diluir o concentrar- En espectrofotometría UV es necesario adicionar tampones para reducir

interferentes- Los tratamientos utilizados para separar sólidos en muestras acuosas son:

o Filtración a gravedad o a vacíoo Centrifugación (o ultracentrifugación)o Flotación (mediante una corriente de gas que pasa a través del

líquido)o Adición de tensoactivos o co-precipitantes.o Desgasificación (para bebidas carbonatadas)

Como consecuencia de los filtrados ahora tenemos dos muestras, lo que hemos filtrado, y lo que ha quedado retenido en el filtro; esto último no podemos dejarlo atrás, y por tanto lo trataremos como si de una muestra sólida se tratara.

A la hora de hacer un filtrado tenemos que analizar dos parámetros:- La naturaleza del filtro: de qué material está formado, por ejemplo:

celulosa, lana de vidrio, policarbonato, membranas…- El tamaño del poro: nos indica la capacidad que tiene el filtro para

retener partículas, generalmente se emplea de 0,45 μm.

También tenemos que cumplir los siguientes requisitos:- Hay que filtrar lo más pronto posible, justo después de tomar la muestra

si fuera posible.- Hay que tener cuidado con la contaminación, debida a la naturaleza del

filtro.- Existen ciertas algas que se pueden romper y liberar metales que retenían

y que eran parte de nuestro analito, por lo que nos introduciría mucho error.

- Tenemos que evitar pérdidas de analito por adsorción, tanto a los filtros como a las paredes de los recipientes.

En cuanto al material particulado del filtro:- Podemos aplicarle un tratamiento ácido adecuado, en el caso de que sean

metales.- Podemos hacer una extracción con disolventes semejantes, para todo tipo

de sustancias orgánicas.

b. Soluciones no acuosas: tenemos dos tipos- Aquellas muestras que vienen en disolventes orgánicos, o que son

solubles en los mismos, por ejemplo en EAA con llama o con atomización electrotérmica.

- Aceites minerales, petróleos, pinturas, aceites vegetales, que no son analizables, y a las que vamos hacer un tratamiento análogo al de las muestras sólidas.

b) Muestras GaseosasSegún su procedencia pueden ser muestras de aire o efluentes industriales, por ejemplo medidos en chimenea para los cuáles tenemos las siguientes alternativas:

- Para el material particulado hacemos una filtración, puesto que tenemos sustancias sólidas en suspensión (el aire no deja de ser un fluido)

- Para los gases tenemos dos posibilidades:o Adsorción sobre sólidoso Absorción en disoluciones, mediante borboteadotes.

c) Muestras Sólidas: Dentro de la cuantificación de analitos inorgánicos, estos pueden venir tanto en matrices de tipo orgánico, como por ejemplo, tejidos, plantas, alimentos o fármacos; como en matrices de tipo inorgánico como metales y aleaciones, minerales o cerámicas. En función de la naturaleza de la matriz, tenemos las siguientes técnicas:

- Naturaleza Inorgánicao Fusióno Oxidación húmeda o digestión ácida.

- Naturaleza Orgánicao Oxidación seca o calcinacióno Oxidación húmeda o digestión ácida.

Oxidación seca o calcinaciónConsiste en la eliminación de la materia orgánica por calentamiento, que al quemarse nos da dióxido de carbono y agua, siendo destruidos todos los compuestos orgánicos, mientras que los inorgánicos quedan sin alterar; por ejemplo en el caso de un compuesto organometálico sólo el metal quedaría sin alterar. Para hacer este proceso podemos recurrir a las siguientes técnicas o métodos:

- Mineralización en mufla: Consta de cuatro etapaso Pesada de la muestrao Calentamiento de la muestra gradualo Disolución en un ácido mineral diluidoo Adición de un agente oxidante

Las ventajas e inconvenientes de este método son: que es muy simple y podemos tratar un gran número de muestras y una gran cantidad de la misma. Además el riesgo de contaminación es bajo. En contra tenemos que no es aplicable a elementos volátiles.

- Combustión Schöniger: El proceso consta de las siguientes etapas:o Colocamos la muestra en un papel de filtro, y dejamos una parte

de este para que actúe como mecha.o Colocamos una disolución colectora en un matraz, por ejemplo

peróxido de hidrógeno o un absorbente.o Borboteamos oxígeno para favorecer la oxidación de la muestra.o Introducimos el papel y le prendemos fuego, cerramos y dejamos

que se produzca la combustión.o Se agita vigorosamente el matraz para que todo lo que existe en el

matraz se absorba en el líquido.

- Combustión con oxígeno a presión elevada

- Mineralización con plasma de oxígeno a baja temperatura: Se trabaja a temperaturas entorno a 120 ºC. Es muy adecuada para elementos volátiles

Oxidación húmeda o digestión ácidaEste método es válido tanto para matrices orgánicas como inorgánicas. Consiste en el tratamiento con ácidos, ya sea en un medio abierto o a presión; y al que le podemos aplicar agitación, ultrasonidos (otra forma de agitar) y microondas (para calentar).

Siempre que hablemos de digestión estaremos considerando que se destruye la matriz; algo muy corriente con matrices inorgánicas. En cambio si hablamos de extracción no se destruye la matriz sino que se “arranca” el analito de la matriz, es algo más corriente en matrices orgánicas.

Para escoger qué ácido usar, siempre empezas por ácidos diluidos, siempre que tengamos metales más electropositivos que el hidrógeno funciona. Si no es así, usamos ácidos concentrados y en caliente, o una mezcla de ácidos, que nos permite combinar características de ambos, se suele hacer con las condiciones ya comentadas (agitación o calentamiento). En caso de que no funcione se usan ácidos y otros agentes oxidantes.

Podemos citar los siguientes ejemplos de ácidos:- Clorhídrico: Es fuerte, reductor y complejante.- Nítrico: Es fuerte, oxidante y no complejante, destruye muy bien la

materia orgánica.- Perclórico: Es muy fuerte, y ataca mucho a la materia orgánica, no forma

complejos.- Fosfórico: Débil y complejante.- Fluorhídrico: Es débil y muy complejante.- Sulfúrico: Es fuerte y muy oxidante

El calentamiento se puede producir mediante radiación de microondas, cuya longitud de onda oscila entre 1 mm y 100 cm, y no es ionizante, por lo que no cambia la estructura atómica.

Existen distintos tipos de materiales en función de su interacción con las microondas; los conductores, que reflejan la radiación (no se usan), los transparentes, que dejan pasar la radiación y los diélectricos, con momento dipolar que son los que absorben la radiación y se calientan, porque la radiación afecta a su momento dipolar.

La digestión en horno microondas consta de las siguientes etapas:1. Pesada de la muestra2. Adición de los ácidos correspondientes3. Calentamiento4. Filtración

Este proceso tiene las siguientes ventajas:- La temperatura de calentamiento es baja, aunque hay que superar la

temperatura de ebullición de los ácidos.- El tiempo de digestión es corto.- La cantidad de ácido que tenemos que añadir es pequeña- Las pérdidas de volátiles son mínimas- Existe un bajo riesgo de contaminación.- Las condiciones de digestión son enérgicas.

Extracción secuencial: Es una manera de conocer además de la concentración total de un analito su especiación, ya que podemos tener distintas especies en variados estados de oxidación, ya que todas las especies no tienen las mismas propiedades (la toxicidad por ejemplo). Lo que hacemos es someter a la muestra a distintos procesos de extracción, desde reactivos y condiciones muy suaves hasta las más enérgicas; y todo sobre la misma muestra.

FusiónConsiste en la eliminación de la matriz inorgánica con reactivos fundentes en caliente, entre 800 y 1000 ºC. Pudiendo ser ácida o básica, oxidante o reductora. El proceso consta de las siguientes etapas:

- Pesada de la muestra (ojo que el crisol no contamine)- Adición del fundente- Calentamiento en el horno mufla- Disolución en un ácido mineral

La ventaja de este método es que se disuelven materiales muy resistentes, sin embargo existe una gran pérdida de volátiles y es muy fácil que exista contaminación, ya sea por las pares de la mufla, el crisol o el fundente.

Según el tipo de fusión usamos los siguientes reactivos:- Alcalinas: carbonatos, hidróxidos y boratos- Ácidas: bisulfatos, fluoruros y óxidos de boro- Oxidantes: alcalinos + oxidantes y peróxidos- Reductoras: alcalinos + reductores y sulfuros + álcalis.

Además de estas operaciones podemos hacer otras para separar, preconcentrar y conseguir una buena especiación. Son procesos químicos y físicos, principalmente, bastane simples y son:

- Extracción líquido-líquido: lo que hacemos es una complejación selectiva del metal, extrayéndolo a un pequeño volumen de disolvente. Esta complejación puede ser por formación de un quelato, un par iónico, una sal solvatada o incluso una molécula covalente.

- Extracción en fase sólida: Consiste en una reconcentración más o menos selectiva del analito en soporte sólido de diferente naturaleza, posteriormente se hace una elución con ácido diluido. Para ello se pueden usar distintos soportes: resinas de intercambio iónico, soportes quelatantes, o adsorbentes.

- Coprecipitación: Consiste en la adición de agentes precipitantes, posteriormente se filtra y se redisuelve en ácidos diluidos.

- Evaporación de disolventes

- Diálisis- Destilación

3. Métodos de preparación de muestras para la determinación de analitos orgánicos

La preparación de muestras que contengan analitos orgánicos consiste básicamente en extraer el analito, ya sea de forma líquida o sólida, y de forma sucesiva, para enriquecer la muestra; el problema es que es muy difícil que este proceso sea selectivo, por lo que extraemos generalmente familias de compuestos. Además buscamos también una preconcentración de la muestra, ya que eliminamos disolvente y por último conseguimos limpiar la muestra, evitando posibles pérdidas y la contaminación por distintos interferentes.

La extracción consiste en arrancar el analito de la matriz a la que está unido mediante el empleo de agentes extractantes: sólidos, líquidos o fluidos supercríticos que debiliten la interacción matriz analito. Tenemos los siguientes tipos de extracción:

- Sólido-Líquido: Esta a su vez tiene varias posibles metodologías:o Con agitación de ultrasonidoso Extracción Soxhlet: La muestra se coloca en una carcasa poros y

el disolvente se recircula continuamente a través de ella mediante un sistema de destilación-condensación. Hay que tener en cuenta los siguientes parámetros:

La naturaleza del disolvente La temperatura de extracción: ha de ser la adecuada para

que no se evapore el analito y sí lo haga el disolvente. El tiempo, determina el número de ciclos, que es el

número de veces que ser recircula completamente el disolvente.

Las ventajas del proceso son que se trata de un método estándar que no requiere filtración, que es independiente del tipo de matriz, y que su coste es muy bajo. Por el contrario tiene una serie de inconvenientes, y es que requiere un largo tiempo de extracción (12-48 horas), gran cantidad de disolvente (300-500 ml), preconcentración y no es adecuado para compuestos termolábiles, puesto que calentamos.

o Extracción con microondaso Extracción aceleradao Extracción con fluidos supercríticos: Vamos a comentar

simplemente las ventajas e inconvenientes:

Además el uso del CO2 es rentable porque es inerte, no tóxico, no inflamable, el punto crítico es asequible y lo conseguimos de alta pureza.

En cuanto a la instrumentación son necesarios: un tanque de acero, una bomba de alta presión, una cámara extractora, un restrictor y un colector que recoge el extracto.

o Extracción con agua subcrítica: La muestra se pone en contacto con agua a alta temperatura y presión, casi en las condiciones del punto crítico, es decir, entre 50 y 100 bar, y 250 y 350 ºC. Las ventajas son dos: que el extractante no es en absoluto tóxico, y que el proceso es muy eficaz; el inconveniente es que requiere filtración

- Líquido-Líquido: Es obvio que será necesario en el caso de que tengamos muestras líquidas. Conseguiremos preconcentrar y limpiar nuestra muestra. El pH es un factor muy influyente.

- Sólido-Sólido: Consiste básicamente en dispersar un sólido en otro. Para ellos tenemos que homogeneizar con un sorbente y eluir con un disolvente, por ejemplo, la sílice.

- En fase vapor: Se basa en que en equilibrio existe un reparto de la muestra, sólida o líquida y una fase gas. Se determina la cantidad de materia en la fase vapor por el espacio de cabeza, que puede ser estático o dinámico. Además es necesario un sistema de purga, que puede ser cerrado o abierto.

- En fase sólida: El analito se encuentra en un líquido y se retiene en un sólido. Consiste en pasar nuestra muestra a través a través del sólido correspondiente, se produce una retención de los analitos y posteriormente hacemos la elución con un disolvente adecuado.

El proceso tiene las siguientes aplicaciones: eliminamos las interferencias, hacemos una preconcentración del analito, provocamos un cambio de fase y es útil para la conservación y el transporte del analito.

El sólido que usamos puede ser de tipo polar o apolar, puede retener los analitos por exclusión molecular o por afinidad.

El proceso tiene las siguientes ventajas e inconvenientes: tiene una gran eficacia para muestras líquidas, el empleo de disolventes orgánicos, la recuperación para muestras sólidas y que existe la posibilidad de que se bloqueen los puntos activos.

- Microextracción en fase sólida (SPME): Es muy similar a la anterior lo que ocurre es que usamos una fibra especial, y que el proceso es muy útil para hacer una toma de muestra y posteriormente introducirla directamente en el cromatografo.

Los inconvenientes son que la manipulación de la fibra tiene que ser muy cuidadosa y que la contaminación de la fibra es muy fácil. La desorción que hay hacer posteriormente se puede hacer térmicamente o mediante disolventes de HPLC.

Las fibras son fibras largas de sílice fundida recubiertas por un sorbente, que tienen un pistón de acero inoxidable y que poseen una aguja protectora.

PreconcentraciónMencionamos esto como una necesidad, ya que no podemos tratar grandes volúmenes de muestra. Esto es algo que tiene fácil solución con muestras de tipo orgánico, ya que podemos preconcentrar mediante dos técnicas:

- Destilación:o Simpleo Fraccionadao A vacíoo Asistida

- Eliminación del disolvente:o Evaporación a temperatura y presión ambiente.o Evaporación con nitrógenoo Evaporación Kuderna-Danish, a alta temperatura.o Rotavapor: a bajas presiones.

Por último debemos de mencionar los procesos membrana:- Microfiltración: limpieza, purificación y esterilación- Ultrafiltración: Aislamiento de analitos de alto peso molecular (1000-

300.000 dalton)- Ósmosis inversa: Purificación y preconcentración- Diálisis: Extracción- …: Extracción- Membranas líquidas: Extracción selectiva