Tema 13 - OCW Usal

Métodos automáticos de análisis
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Tema 13
METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS
Durante la últimas décadas han aparecido en el comercio sistemas analíticos
automáticos capaces de efectuar toda una serie de operaciones químicas y
manipulaciones físicas con la mínima intervención humana. Se han desarrollado
ingeniosos aparatos que pueden medir cantidades determinadas de muestra y
reactivos, mezclarlos, llevarlos a la temperatura deseada, efectuar separaciones,
introducir la muestra tratada en espectrofotómetros, cromatógrafos u otros
instrumentos, así como finalmente registrar la señal correspondiente, todo ello, de
forma automática.
Los sistemas automáticos se diseñaron inicialmente para satisfacer las
necesidades de los laboratorios de análisis clínicos, donde era necesaria una gran
cantidad de determinaciones analíticas, con fines diagnósticos, preventivos, o como
control de la evolución de pacientes sometidos a algún tipo de tratamiento.
Actualmente, estos sistemas automáticos se aplican extensamente en los más diversos
campos. En muchas industrias, el laboratorio de control es, en cierto modo, la pieza
clave de su funcionamiento, debido a la necesidad de realizar análisis puntuales a lo
largo del proceso de fabricación para controlar los materiales de entrada, los
productos parcialmente tratados y las especies finales.
Por otra parte, cada vez es más frecuente la incorporación de algún sistema
automático para llevar a cabo alguna operación específica dentro de los métodos
instrumentales, automatizando parcialmente la operación. Así, por ejemplo, el sistema
de muestreo automático es casi imprescindible en absorción atómica cuando se utiliza
el horno de grafito para la atomización de la muestra, pues solo así se consigue buena
reproducibilidad.
Los sistemas automatizados presentan las siguientes ventajas:
* La velocidad con que se realizan los análisis suele ser significativamente más
alta que cuando se utilizan dispositivos manuales.
* Un analizador bien diseñado proporciona mayor precisión durante largos
periodos de tiempo de lo que lo haría un operador usando un instrumento manual.
Esto se debe, fundamentalmente, a la gran reproducibilidad de las secuencias de
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tiempo que se consigue con los instrumentos automatizados y a que las máquinas
no se fatigan.
* Menores costos laborales, ya que, el personal encargado de un instrumento
automatizado puede tener menor grado de cualificación, y, por tanto, ser menos
costoso, que el necesario para desarrollar un método no automático.
Entre los inconvenientes, pueden citarse:
* Menor versatilidad que los sistemas no automáticos.
* La inversión inicial suele ser elevada, lo cual requiere que el volumen de
trabajo sea lo bastante grande para amortizar aquella inversión.
Sistemas automáticos y automatizados
La IUPAC distingue entre dispositivos automáticos y automatizados.
efectúan unas acciones
previamente programadas para realizarse en unos puntos del proceso sin intervención
humana. Así, por ejemplo, un valorador automático registra una curva de valoración o
Los
dispositivos
automáticos
son
aquellos
que
simplemente interrumpe la valoración en un punto por medio de un dispositivo
mecánico o eléctrico, en lugar de hacerlo manualmente. El sistema no toma decisiones,
y la secuencia de operaciones es siempre la misma.
Por otra parte, un dispositivo automatizado, se diseña para que un sistema de
realimentación* le permita tomar decisiones sin intervención humana. El control de un
proceso automatizado se lleva a cabo por medio de un dispositivo que consta, al menos,
de tres componentes: un elemento de percepción sensible a la variable a controlar, un
sistema que compare la variable medida con un valor de referencia y produzca una
señal proporcional a esa diferencia, y, finalmente, un dispositivo que actúe sobre algún
mecanismo para reducir la diferencia medida (figura 13.1.)
Un valorador automatizado puede programarse para mantener una muestra a un
determinado valor de pH — por ejemplo, 7 —, para lo cual mide el pH y lo compara con
el valor de 7, originando una señal proporcional a la diferencia, que actúa sobre un
mecanismo mediante el cual se añada ácido o base a la muestra para mantenerla al pH
deseado. También, por ejemplo, puede programarse de forma que compare el potencial
de un electrodo de vidrio con el potencial teórico en el punto de equivalencia, usando
* Tambien se utiliza el término "retroalimentación".
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Métodos automáticos de análisis
esa diferencia para controlar la velocidad de adición del reactivo valorante.
.
PROCESO
variable controlada
variable manipulada
Instrumento
de medida
Mecanismo
(p.ej. válvula)
señal
de salida
Comparación
.
Figura 13.1. Control de procesos automatizados.
Es preciso señalar que, aunque la diferencia entre sistemas automáticos y
automatizados es clara, no es seguida por la mayoría de los autores, incluyéndose en el
término "AUTOMATICO" ambos tipos de metodologías.
CLASIFICACION
Los métodos automáticos para el análisis de muestras en disolución suelen
clasificarse según el siguiente esquema*
Discontinuos
Métodos
automáticos
Continuos
Flujo segmentado
Flujo no segmentado (FIA)
Robotizados
En los métodos discontinuos, las muestras individuales se mantienen como
entidades separadas en recipientes individuales, donde tienen lugar las diferentes
etapas del proceso analítico: dilución, adición de los reactivos, mezcla, etc. Por último,
las muestras se llevan al detector, donde se obtiene la señal correspondiente (figura
13.2.)
En estos sistemas discontinuos, la contaminación entre muestras no se produce,
al utilizarse recipientes separados para cada una de ellas. Por otra parte, cuando en un
análisis hay que utilizar materiales sólidos, o cuando es necesario llevar a cabo
operaciones como pesar, triturar, calcinar, etc., solo es posible con este tipo de
sistemas, ya que los métodos continuos requieren muestras en disolución. Sin embargo,
los sistemas discontinuos son, generalmente, más caros que los continuos.
* M. Valcarcel y M.D. Luque de Castro. "Análisis por Inyección en Flujo". Universidad de Córdoba (1984).
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.
Muestreador
R1
R2
mezcla, etc.
tra. etc.
Detector
Registro
Transporte mecánico
Desecho
Figura 13.2. Esquema de analizador automático discontinuo.
En los sistemas continuos, la muestra se incorpora a un flujo de líquido o gas,
donde es sometida a una serie de procesos desde que se inyecta hasta que se hace
llegar al detector.
En los métodos continuos segmentados, las muestras son introducidas de forma
secuencial, y entre ellas se sitúan burbujas de aire para separarlas entre sí. Dichas
burbujas, generalmente se eliminan antes de que las muestras alcancen el detector.
Por su parte, en los métodos no segmentados, la muestra es inyectada
directamente en el flujo, sin utilizar burbujas de aire para la separación. En estos
métodos, puede no alcanzarse el equilibrio físico ni químico en el momento de la
detección, y su instrumentación suele ser más sencilla y barata que en los anteriores.
Los métodos robotizados consisten en la utilización de un mini-robot que
mimetiza las operaciones llevadas a cabo por una persona para desarrollar un método
analítico. Desde un punto de vista general, estos métodos pueden considerarse como
una modalidad de los métodos analíticos discontinuos, si bien, hasta el momento no se
han utilizado demasiado en la práctica analítica ordinaria.
De todos los métodos automáticos de análisis, el más representativo es el
denominado Análisis por Inyección en Flujo (FIA)*, que se tratará seguidamente.
* La abreviatura FIA corresponde a las siglas de la versión anglosajona "Flow Injection Analysis".
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Métodos automáticos de análisis
ANALISIS POR INYECCION EN FLUJO
Durante la década de los sesenta, en muchos laboratorios clínicos se llevaba a
cabo la determinación rutinaria de distintas especies en muestras de sangre y orina
utilizando procedimientos de flujo segmentado, en los que las muestras se
transportaban hasta el detector en flujo acuoso conteniendo burbujas de aire. La
misión de estas burbujas es evitar la dispersión excesiva de la muestra y limpiar las
paredes, para evitar la contaminación entre muestras sucesivas. Sin embargo, hacia
mediados de la década de los setenta, se observó que inyectando directamente en un
sistema sin burbujas de aire, la mezcla de muestras y reactivos se realizaba de forma
sencilla y se eliminaba casi por completo la dispersión excesiva, así como la
contaminación mutua.
Cuando se opera en ausencia de burbujas de aire, se incrementa notablemente la
velocidad de los análisis, pudiéndose llegar hasta las 300 muestras por hora. Por otra
parte, los componentes de un sistema FIA son más sencillos y versátiles que los
necesarios para operar con flujo segmentado, lo cual es importante, al posibilitar las
medidas automáticas para grupos de muestras relativamente pequeñas de tipo no
rutinario.
INSTRUMENTACION
Los componentes básicos de un sistema FIA están representados en la figura
13.3., si bien, para que tenga la categoría de automático, es preciso incorporar un
muestreador, un sistema de aspiración de la muestra y un sistema de inyección
controlado electrónicamente y que funcione de forma coordinada con el muestreador.
.
Muestra–
(Ej. Cl )
Registro
Tubo
de reacción
reactivo
o carrier
Sistema
de propulsión
(Ej. Hg(SCN) 2 +Fe 3+ )
Sistema
de
inyección
Detector
(Ej. FeSCN 2+ , rojo)
Desecho
Figura 13.3. Componentes básicos de un sistema FIA.
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Sistemas de propulsión
En la mayor parte de las aplicaciones, se opera con tubos de 0.5 a 1 mm de
diámetro, y velocidades de flujo comprendidas entre 0.5 y 5 mL/min.
La unidad de propulsión tiene como misión establecer un flujo de caudal lo más
constante posible, ausente de impulsos y perfectamente reproducible. Esto puede
conseguirse por la simple acción de la gravedad, mediante un sistema de presión
gaseosa, o con una bomba peristáltica.
La forma más sencilla de obtener un flujo no pulsante de reactivo o “carrier”,
consiste en colocar el depósito a mayor altura que el resto del sistema FIA. El mayor
inconveniente reside en mantener un flujo constante, lo cual puede conseguirse usando
depósitos de gran superficie, para que el nivel del líquido se mantenga esencialmente
constante.
Otra forma de obtener un flujo libre de impulsos es utilizar la presión de un gas
sobre la superficie del líquido portador (figura 13.4.a.)
.
Gas
inerte
.
Reactivo
a
b
Figura 13.4. Sistemas de propulsión.
El mayor inconveniente de este método se encuentra cuando se trata de
suministrar flujos iguales a través de 2 ó más tubos. Por otra parte, existe la
posibilidad de formación de burbujas según sea la solubilidad del gas utilizado.
La forma más generalizada de propulsión se basa en la utilización de bombas
peristálticas. Consisten básicamente en un tambor conteniendo una serie de rodillos,
los cuales comprimen un tubo flexible por el que circula el reactivo o el carrier (figura
10.4.b.). Este sistema de impulsión proporciona un flujo pulsante, aunque es posible
evitarlo mediante la introducción de un sistema amortiguador consistente en un tubo
largo situado entre la bomba y el sistema de inyección de la muestra.
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Métodos automáticos de análisis
Sistemas de inyección
Este componente del sistema FIA tiene como misión situar una cantidad
perfectamente definida de muestra en la corriente del carrier. Es importante que el
volumen de muestra insertada sea exacto, perfectamente reproducible y variable
dentro de un margen amplio.
Los primitivos sistemas FIA utilizaban para insertar la muestra jeringas, sin o
con aguja. En la figura 13.5.a. se muestra esquemáticamente uno de los dispositivos de
inyección consistente en dos bloques que comprimen un disco de silicona que actúa de
“septum”. Este puede recambiarse fácilmente cuando se deteriore, si bien, es posible
efectuar varios cientos de inyecciones antes de que eso suceda.
La utilización de jeringas para introducir la muestra tiene únicamente interés
histórico, ya que la inyección propiamente dicha produce un cambio transitorio en el
flujo, lo que produce un pico agudo e irreproducible.
Actualmente, casi todos los sistemas FIA utilizan válvulas rotatorias para
insertar la muestra en el flujo. En la figura 13.5.b. se ha representado una válvula
rotatoria sencilla. La muestra, contenida en un tubo de volumen conocido, se introduce
en la corriente de fluido portador mediante un giro de 90º. Generalmente, la muestra
está contenida en un bucle de volumen variable. Con este sistema, se consigue una
buena reproducibilidad de los volúmenes suministrados, rapidez y facilidad de manejo,
así como una aceptable capacidad de automatización.
muestra
extremo de la aguja
septum
a
tubo de plástico
b
Figura 13.5. Sistemas de inyección de la muestra.
Sistemas de detección
Un detector, para que resulte adecuado en FIA, deberá poseer las siguientes
características: pequeño volumen, bajo nivel de ruido, señal independiente del caudal,
respuesta rápida y lineal en un amplio margen de concentración y alta sensibilidad.
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Claudio González Pérez
Los sistemas de detección usados en FIA comprenden una gran variedad de
métodos
analíticos:
electroquímicos
(potenciométricos,
conductimétricos,
amperométricos, etc), ópticos (espectrofotométricos, fluorimétricos, etc.) y otros
(termoquímicos). La elección de una u otra técnica depende del problema a resolver,
del volumen de muestra y de su concentración.
Detectores electroquímicos. El mayor problema de los detectores
electroquímicos lo constituye el electrodo de trabajo o indicador, por la posibilidad de
que se contamine su superficie por adsorción, con la correspondiente pérdida de
estabilidad. Prácticamente el único electrodo que no presenta estos problemas es el
de gotas de mercurio, pero el crecimiento y caída de la gota origina unas oscilaciones
que se traducen como ruido de fondo en la línea base.
La detección potenciométrica puede llevarse a cabo en un dispositivo
experimental como el representado en la figura 13.6.
flujo
electrodo
de trabajo
electrodo
de referencia
Figura 13.6. Detección potenciométrica.
Se han utilizado electrodos selectivos de iones para la determinación por FIA de
un cierto número de sustancias. En estos casos, se han diseñado diferentes
dispositivos que tienden a minimizar el espesor de la capa de fluido sobre la superficie
del electrodo. Asimismo, es posible usar series de electrodos para obtener la señal de
diferentes especies sobre la misma muestra.
La detección amperométrica, en sus diversas modalidades (DC, impulsos,
diferencial, etc.) se ha usado con cierta extensión en determinaciones por FIA. El
electrodo de trabajo más usado es el de carbón vitrificado, si bien, también se han
utilizado el de gotas de mercurio y otros para determinadas aplicaciones puntuales.
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Métodos automáticos de análisis
Así, por ejemplo, se ha utilizado un electrodo de plata para la detección
amperométrica de cianuro, según el diseño representado en la figura 13.7.
electrodo
de referencia
Ag
(electrodo de trabajo)
flujo
tubo de acero
(electrodo auxiliar)
Figura 13.7. Detección amperométrica de cianuro.
La limpieza y reactivación de los electrodos sólidos se consigue mediante la
aplicación de series de impulsos de corriente.
Dentro de los detectores basados en técnicas electroquímicas, pueden citarse
también los culombimétricos y los conductimétricos, si bien, su uso está menos
extendido que los anteriores.
Detectores ópticos. Los detectores basados en métodos ópticos son, con gran
diferencia, los sistemas más utilizados en FIA. Dentro de ellos, los detectores
espectrofotométricos pueden considerarse como los de mayor importancia, debido a
la gran cantidad de especies capaces de absorber radiación de forma selectiva en las
regiones ultravioleta y visible.
Las típicas células de flujo comerciales suelen aplicarse con buenos resultados a
la detección fotométrica en FIA, si bien, también se utilizan células en forma de Z
(figura 13.8.) y otras construidas con alguna finalidad concreta.
paredes de cuarzo
radiación
radiación
flujo
Figura 13.8. Célula de flujo en forma de Z.
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Claudio González Pérez
En orden decreciente, en cuanto al número de aplicaciones, está la detección
fluorimétrica. Este sistema de detección tiene el inconveniente derivado del limitado
número de compuestos fluorescentes, si bien, presenta una serie de ventajas
inherentes a la técnica fluorimétrica en orden a su selectividad, bajos límites de
detección y coste relativamente bajo.
La detección de elementos metálicos en un sistema FIA puede llevarse a cabo
utilizando técnicas atómicas con o sin llama. Una característica importante de estos
sistemas de detección es que no precisan células de flujo, pues el portador se aspira
continuamente hasta el nebulizador del instrumento de absorción atómica, fotometría
de llama o unidad ICP.
Señal analítica obtenida
Por analogía con los términos, polarograma, cromatograma, etc., la señal analítica
obtenida en un sistema FIA se denomina por algunos autores, fiagrama. Se trata de
una representación de la señal medida (absorbancia, fluorescencia, diferencia de
potencial, etc.) frente al tiempo (figura 13.9.)
.
.
.
h
ta
T
∆t
T'
inyección
Figura 13.9. Fiagrama.
Para la caracterización del fiagrama pueden utilizarse los siguientes parámetros:
altura de pico, h, que se relaciona con la concentración del analito, tiempo de
residencia, T, que es el tiempo transcurrido desde la inyección hasta que se alcanza la
señal máxima, tiempo de retorno, T', que es el comprendido desde que se alcanza la
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Métodos automáticos de análisis
señal máxima hasta que vuelve de nuevo a la base, tiempo de arranque o de aparición,
ta, (el transcurrido entre la inyección y el inicio del fiagrama) y tiempo durante el cual
aparece la señal, ∆t.
Para que un fiagrama quede definido, hay que conocer el tiempo de arranque, las
coordenadas del máximo (T, h) y ∆t.
SEPARACIONES EN FIA
La versatilidad del análisis por inyección en flujo se pone de manifiesto al poder
incorporar sistemas continuos de separaciones por diálisis, difusión de gases y
extracción líquido-líquido en los montajes ordinarios.
Diálisis y difusión de gases. La determinación de iones inorgánicos (Cl–, Na+,
PO43–, etc) y moléculas orgánicas de bajo peso molecular (glucosa, urea, etc) en
muestras biológicas requiere la separación previa de especies de peso molecular
elevado, como las proteínas. Estos procesos pueden llevarse a cabo en un montaje FIA
utilizando membranas hidrofílicas de acetato de celulosa con dispositivos como el
representado esquemáticamente en la figura 13.10.
reactivo
membrana
muestra
detector
.
desecho
Figura 13.10. Separaciones por diálisis.
Los iones y las moléculas pequeñas pasan a través de la membrana, mientras que
las moléculas grandes no lo hacen.
La determinación de amoniaco en sangre puede llevarse a cabo en un sistema FIA
en el cual la muestra se inyecta en una disolución de NaOH, con lo que se libera NH3,
el cual difunde a través de una membrana de teflón, y por reacción posterior con un
indicador puede determinarse su concentración fotométricamente.
Un procedimiento análogo se utiliza para la determinación de CO2 en plasma. La
muestra se inyecta en una disolución de H2SO4, con lo que se libera CO2, el cual
atraviesa una membrana de dimetil-silicona y posteriormente se pone en contacto con
una disolución reguladora de CO32–/HCO3– conteniendo rojo cresol, midiendo
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finalmente la absorbancia a 410 nm.
Extracción. La extracción líquido-líquido es una técnica de separación utilizada
en un cierto número de procedimientos analíticos. Esta técnica puede adaptarse con
relativa facilidad al análisis por inyección en flujo, para lo cual se requieren los
componentes básicos que se representan en la figura 13.11.
La misión del segmentador es la obtención de segmentos alternados y regulares
de los líquidos inmiscibles correspondientes a las fases 1 y 2. En el serpentín de
extracción (reactor) tiene lugar la transferencia de materia entre los segmentos de
ambas fases, y, finalmente, en el separador de fases se produce la separación del
fluido segmentado que entra, en dos flujos, cada uno con una de las fases.
reactor
muestra
fase 1
fase 1
fase 2
Segmentador
Separador
1
1
2
Detector
fase 2
2
Figura 13.11. Extracción líquido-líquido en FIA.
Es importante indicar que ninguno de los métodos de separación de los sistemas
de flujo llega a ser completo. De todas formas, esto no tiene consecuencias, debido a
que las secuencias de tiempo son lo suficientemente reproducibles para que no se
produzcan pérdidas de precisión y exactitud,y, por otra parte, las muestras y los
patrones se tratan de la misma manera.
FUNDAMENTO DEL FIA
Los fundamentos teóricos del FIA están relacionados con la dispersión, que
puede definirse como la dilución que sufre un volumen de muestra inyectada en el
flujo en un sistema determinado. Se caracteriza por el perfil de concentraciones que
en un momento dado adquiere el "trozo" o "bolo" intercalado en un lugar determinado
sin interrumpir el flujo.
A la dispersión contribuyen tanto una serie de factores de tipo físico, como de
tipo químico, cuando ocurre una reacción química entre algunos componentes del flujo
y la muestra.
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Métodos automáticos de análisis
FACTORES FISICOS
Una muestra introducida, con una válvula rotatoria, en un sistema de flujo
presenta un perfil, en el momento de la inserción, como el representado en la figura
13.12.a. Si el perfil se mantuviera, por no existir dispersión, la señal producida en el
detector (fiagrama) sería la indicada en la misma figura 13.12.a.
.
t
a
C
C
C
C
b
t
c
t
d
t
Figura 13.12. Perfiles de concentración y señales detectadas.
En realidad, el perfil de la muestra insertada se modifica debido al flujo laminar
y a causa de la difusión.
El transporte de materia en los sistemas FIA se produce en régimen laminar, lo
cual origina un perfil parabólico de velocidades (figura 13.13.a.) ya que las partículas
materiales del fluido que circulan por el centro del tubo lo hacen más rápidamente que
las partículas próximas a las paredes.
El transporte por difusión se debe a la existencia de gradientes de
concentración, pudiéndose distinguir dos tipos: difusión axial (figura 13.13.b.), debida
a gradientes horizontales de concentración, y difusión radial (figura 13.13.c.), debida a
diferencias de concentración entre puntos situados perpendicularmente a la dirección
del flujo. Mientras que la dispersión axial no es significativa en tubos estrechos, la
radial es siempre importante en cualquier circunstancia.
.
a. Flujo laminar
b. Difusión axial
c . Difusión radial
Figura 13.13. Transporte de fluidos en tubos.
Por otra parte, el perfil de la muestra insertada depende del tiempo transcurrido
Claudio González Pérez
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desde la inserción. En los primeros momentos predomina el transporte por convección
y el perfil es típicamente parabólico (figura 13.12.b.). El fiagrama teórico estaría
constituido por un tramo vertical inicial, correspondiente a la salida del extremo de la
parábola y una cola de caída de la señal.
Al cabo de algún tiempo, la contribución de la difusión radial comienza a ser
significativa, por lo que se frena el avance por el centro y se redondean las colas
finales (figura 13.12.c.). El fiagrama presenta un crecimiento casi vertical y una cola
de retorno a la línea base.
Si el transporte se realiza durante bastante tiempo, la difusión radial puede
colaborar en mayor medida que el transporte por convección. El perfil del bolo es más
redondeado, y la forma del fiagrama es una gaussiana casi perfecta (figura 13.12.d.).
Este tipo no se da casi nunca, ya que debe transcurrir mucho tiempo o trabajar con
caudales muy bajos, lo cual no suele ser habitual.
Para caracterizar la dispersión suele utilizarse el parámetro propuesto por
Ruzicka en 1977, denominado dispersión práctica, y definido por la expresión:
D=
Co
C
siendo Co la concentración del analito de la muestra inyectada, y C la concentración del
pico en el detector después de que haya tenido lugar el proceso de transporte en un
determinado sistema FIA.
El coeficiente de dispersión de un determinado sistema FIA puede determinarse
fácilmente inyectando una muestra de un colorante y obteniendo la altura del pico, h,
que será proporcional a la concentración, C. (figura 13.14.a.). Seguidamente, se
sustituye el portador por el colorante, llenando completamente el sistema, con lo que
se obtiene la señal ho, proporcional a Co.
El coeficiente de dispersión siempre es un número superior a la unidad. Cuanto
mayor sea D, menor es la señal obtenida (menor sensibilidad) y más ancho es el
fiagrama obtenido, con lo que disminuye la capacidad de muestreo (menor número de
bandas por unidad de tiempo).
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Métodos automáticos de análisis
s
colorante
portador
h
Detector
t
a
s
colorante
ho
Detector
b
t
Figura 13.14. Determinación del coeficiente de dispersión.
Factores que afectan a la dispersión
La dispersión está influida por las siguientes variables: volumen de muestra,
longitud y características del reactor y por la velocidad de bombeo.
La influencia del volumen de muestra sobre la dispersión se indica en la figura
13.15.a., observando que D disminuye al aumentar aquél.
Por otra parte, el tiempo de residencia y el ancho de banda, ∆t, aumentan al
hacerlo el volumen, mientras que el tiempo de arranque, ta, permanece inafectado.
Por lo que respecta al caudal, al aumentar éste, disminuye la dispersión, así como
también el tiempo de arranque y la anchura de pico, como se muestra en la figura
13.15.b.
.
D
V4
s
1
V3
V2
s
Q
1
Q
V 4>V 3>V >V
2
1
V1
Q > Q >Q3
1
2
2
Q3
2
.
4
a
t
t
b
Figura 13.15. Influencia del volumen de muestra y del caudal sobre la dispersión.
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Claudio González Pérez
La influencia de la longitud del tubo sobre la dispersión se muestra en la figura
13.16., donde se han representado diversos fiagramas superpuestos realizados con
tubos de las longitudes que se indican en la figura, y manteniendo constante la
velocidad de bombeo y el tamaño de muestra.
.
s
20 cm
2
50 cm
D
4
100 cm
200 cm
8
t
Figura 13.16. Influencia de la longitud del tubo.
Se observa que tanto D, como ta e ∆t aumentan con la longitud del tubo.
Hay que mencionar que, además de la longitud del tubo, influyen su forma (recto,
serpentín, etc.) y, por supuesto, el relleno que eventualmente pueda contener.
FACTORES QUIMICOS
Las conclusiones expuestas anteriormente respecto a la influencia de diferentes
parámetros sobre la dispersión, pueden no ser totalmente válidas si existe una
reacción química adicional. En este caso, es imprescindible conocer la contribución de
la cinética a la dispersión, toda vez que las medidas en FIA se efectúan en condiciones
de no equilibrio.
Si entrar en demasiados detalles, de forma general, si se produce una reacción
química en el sistema FIA y se mide una propiedad de algún producto de la reacción, la
contribución química hace disminuir el valor del coeficiente de dispersión. Por el
contrario, cuando se mide alguna propiedad de uno de los reactivos, el coeficiente de
dispersión aumenta, como consecuencia de la reacción química.
Métodos automáticos de análisis
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CARACTERISTICAS DEL FIA
Las principales características diferenciales del FIA con respecto a los métodos
analíticos, en orden a la sensibilidad, selectividad, precisión, rapidez, coste y
versatilidad pueden resumirse en los siguientes:
Sensibilidad. Los métodos FIA son menos sensibles que los manuales, debido a la
existencia de la dispersión o dilución del analito en el portador, y a que, cuando tiene
lugar algún proceso químico, se obtienen rendimientos parciales, como consecuencia de
tiempos de reacción pequeños.
Una forma de aumentar la sensibilidad consiste en utilizar la técnica de parada
de flujo. En esta modalidad, el flujo se detiene, con lo que la dispersión cesa casi por
completo y se permite que la reacción transcurra hasta completarse. Para utilizar esta
técnica es necesario un dispositivo de control del tiempo que detenga la bomba en
momentos precisos.
Selectividad. Generalmente, los métodos FIA suelen estar sometidos a un menor
número de especies interferentes. Este mayor nivel de selectividad puede atribuirse a
que en muchos casos, las reacciones paralelas indeseables no se desarrollan en el
corto espacio de tiempo que transcurre entre la inyección y la medida.
Precisión. La precisión conseguida con la metodología FIA es comparable a la que
se obtiene con métodos manuales, a pesar de intervenir aspectos físicos, químicos y
cinéticos. El factor más crítico en orden a la precisión en los métodos FIA es la
constancia en el caudal, para lo cual se requiere un tipo de bomba que proporcione
caudales constantes, así como la sustitución frecuente de los tubos de la bomba.
Rapidez. Es, sin duda alguna, la característica más sobresaliente de estos
métodos, ya que superan claramente a los métodos manuales y a otros métodos
automáticos. La gran velocidad de muestreo que presenta el FIA se debe a la
existencia de la difusión radial, merced a la cual es posible realizar un lavado eficaz
entre dos muestras consecutivas que evite su contaminación.
Coste. La técnica FIA se caracteriza por ser más barata que cualquier otra
técnica automática que permita obtener resultados análogos. El bajo coste, no solo se
refiere a la instrumentación, sino al consumo de reactivos. En este último aspecto
supera claramente a las técnicas manuales.
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Claudio González Pérez
Versatilidad. La sustitución de cualquiera de los componentes de un sistema FIA
y la incorporación de otros es una operación sencilla, lo cual permite la adaptación
según las necesidades. Por otra parte, es posible incorporar a sistemas FIA
instrumentos de uso normal en los laboratorios, como pH-metros, espectrofotómetros,
fluorímetros, etc. mediante células de flujo convencionales. Cuando se utilizan
técnicas espectroscópicas atómicas como sistemas de detección, incluso no es
necesario utilizar esas células.
APLICACIONES
Un gran número de determinaciones por FIA se llevan a cabo en relación con
problemas de contaminación ambiental y en el campo de la química clínica.
En la figura 13.17. se muestra un esquema del sistema FIA usado para la
determinación de NH4+ mediante la reacción de Nessler, así como las señales de tres
patrones y una muestra, inyectados por triplicado, lo cual es práctica habitual en FIA.
Muestra
NaOH 2M
Detector
NaOH 2M
λ = 410 nm
R. Nessler
Bomba
Calibrado
Muestra
.
Figura 13.17. Montaje FIA para la determinación de NH4+.
En la tabla 13.1. se indican algunas determinaciones de contaminantes catiónicos y
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Métodos automáticos de análisis
aniónicos en aguas
Tabla 13.1.
Determinación de contaminantes en aguas por FIA.
Especie
Reacción
Detección
Sensibilidad
Muestras/hora
NH4+
Nessler
—
—
fotométrica
fot. llama
abs. atómica
200 g/L
0.2–2.4 mg/L
40
500
80
rojo de pirogalol y
n-tetradeciltrimetilamonio
fotométrica
0–0.3 p.p.m.
20
—
Griess
precipitación
molibdato
electr. selectivo
10–5–10–2 M
80–800 mg/mL
5–200 g/mL
3x10–7 M
90
70
60
Na+, K+
Ca2+, Mg2+
Al3+
NO3–
NO2–
SO42–
PO43–
fotométrica
turbidimétrica
fotométrica
Las determinaciones por FIA en el área clínica suelen clasificarse en enzimáticas
y no enzimáticas, en función de la utilización de enzimas como reactivos analíticos.
Cuando se utilizan enzimas poco caros y relativamente estables, pueden usarse en
sistemas cerrados y directamente en disolución, mientras que si son relativamente
caros, suelen utilizarse inmovilizados. En la tabla 13.2. se muestran algunos ejemplos
de aplicaciones del FIA a la determinación de especies de interés clínico.
Tabla 13.2.
Aplicaciones del FIA en Química Clínica
Especie
Reacción
Detección
Tipo de muestras
Muestras/hora
NH3
acido-base
—
—
enzimática
enzimática
enzimática
enzimática
fotométrica
abs. atómica
pot.(elec. selec.)
fotométrica
sangre, plasma
60
100
90
60-300
60
100
Ca2+
Na+, K+
glucosa
urea
ac. úrico
ac. ascórbico
potenciométrica
amperométrica
amperométrica
suero, orina
suero
sangre
suero
fluid. biolog.
suero