INTRODUCCIÓN A LAS TÉCNICAS DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL

INTRODUCCIÓN
A LAS TÉCNICAS
DE ANÁLISIS
INSTRUMENTAL
Sergio Figueroa Arroyo
Alberto Valdés Tabernero
Ana Mª García Palomino
INDICE
INTRODUCCIÓN
3
INSTRUMENTOS PARA EL ANÁLISIS
5
COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS
7
SELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALÍTICO
9
- Definición del problema
9
- Características de funcionamiento de los instrumentos:
parámetros de calidad
CALIBRACIÓN DE LOS MÉTODOS INSTRUMENTALES
10
13
- Cuvas de calibración
13
- Método de la adición
14
- Métodos del patrón interno
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BIBLIOGRAFÍA
18
2
INTRODUCCIÓN
La química analítica se ocupa de los métodos de determinación de la
composición química de la materia.
Estos métodos pueden agruparse según sean:
‐
Cuantitativos: informan de la identidad de las especies tratadas.
‐
Cualitativos: informan sobre la cantidad relativa de cada uno de los
componentes.
Además de esta clasificación, los métodos analíticos se pueden clasificar en dos
grandes grupos, atendiendo a la complejidad de los instrumentos utilizados. Se
distinguen:
‐
Métodos clásicos: son los más básicos, y han sido utilizados desde el principio
de la química. Permiten separar de la muestra el elemento que nos interesa. Los
más importantes son:
1) Precipitación: reacciones donde uno o más reactivos, al combinarse, generan
un producto insoluble.
2) Extracción: separación de una elemento disuelto en un disolvente, gracias a
otro disolvente en el que la solubilidad del elemento es mayor.
3) Destilación: separación de dos líquidos en una mezcla, tras aplicarles calor,
gracias a que tienen un punto de ebullición diferente.
Tras esta primera separación, el elemento resultante puede ser tratado para
determinarse cualitativa o cualitativamente:
‐
Cualitativamente: Se mezcla con reactivos que nos permiten identificar lo que
buscamos por olor, color, punto ebullición…
3
‐
Cuantitativamente: Una vez separado, se puede determinar su masa (por
gravimetría), su volumen (por volumetría),…
‐
Métodos instrumentales: se utilizan aparatos más complejos. Estos se empezaron
a utilizar a partir del siglo XX. Se basan en características físicas y químicas de
la materia:
Espectroscopía de emisión (rayos X, UV,
EMISION DE LA RADIACIÓN
visible),
fluorescencia,
fosforescencia
y
luminiscencia.
Espectrofotometría, fotometría (rayos X, UV,
ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN
visible, IR) y resonancia magnética nuclear.
DISPERSIÓN DE LA RADIACIÓN
Espectroscopía de Raman.
REFRACCIÓN DE LA RADIACIÓN
Refractometría, interferometría.
Métodos de difracción de rayos X y de
DIFRACCIÓN DE LA RADIACIÓN
electrones.
ROTACIÓN DE LA RADIACIÓN
Polarimetría, dispersión rotatoria óptica.
POTENCIAL ELÉCTRICO
Potenciometría.
CARGA ELÉCTRICA
Culombimetría.
CORRIENTE ELÉCTRICA
Polarografía, amperometría.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
Conductimetría.
MASA
Gravimetría.
VELOCIDAD DE REACCIÓN
Métodos cinéticos.
PROPIEDADES TÉRMICAS
Gravimetría y volumetría térmica. Calorimetría.
RADIACTIVIDAD
Métodos de activación y de dilución isotópica.
Tabla 1.1
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Todos estos métodos transforman la información relacionada con las propiedades físicas
y químicas del elemento, en información que nosotros podemos interpretar.
INSTRUMENTOS PARA EL ANÁLISIS
Los aparatos (o instrumentos) usados por estos métodos son muy complejos, y
están formados por diversos componentes. Se tratará más adelante.
Entre el elemento a estudiar y los componentes del instrumento, hay un flujo de
información, al igual que entre los componentes del instrumento.
Esta información está codificada en dominios de datos. Estos dominios pueden
ser eléctricos (cuando la codificación se realiza a través de señales eléctricas), o no
eléctricos (cuando no se requiere ninguna codificación eléctrica al comienzo o
terminación de un proceso)
Los dominios no eléctricos son los más utilizados por los métodos clásicos. Las
propiedades físicas y químicas analizadas por estos instrumentos son la longitud, la
densidad, la intensidad de la luz…
Por ejemplo, una balanza romana, en la que sabemos el peso al equilibrar los dos
brazos, una regla para medir, un matraz para saber el volumen, etc.
Aunque hay casos en los que un método instrumental también codifica su
información en dominios no eléctricos. Son aquellos en los que el comienzo y el fin
pertenecen a dominios no eléctricos, pero entre medias se dan procesos codificados por
dominios eléctricos. Esto es lo que ocurre con las balanzas electrónicas, ya que la masa
no está codificada eléctricamente, y el resultado obtenido en la pantalla, tampoco lo está.
Los dominios eléctricos, como su nombre indica, son aquellos codificados a
través de señales eléctricas, y dependiendo del almacenamiento de la información,
podemos distinguir:
5
‐
Dominios analógicos:
La información se codifica como una magnitud de una cantidad eléctrica
(tensión, intensidad, carga o potencia). Estas cantidades son continuas en amplitud y
tiempo, y se pueden registrar como funciones de ciertas variables (longitud de onda,
temperatura, campo magnético)
En estos dominios, la técnica más utilizada es la comparación de varias señales.
‐
Dominios del tiempo:
La información también se codifica como una magnitud de una cantidad
eléctrica, pero en este caso, la información se almacena como variación de la señal
con respecto al tiempo (en vez de la amplitud).
Lo que interesa es el tiempo que se tarda en hacer algo (período) o las veces que
se hace algo por unidad de tiempo (frecuencia).
‐
Dominios digitales:
La información se codifica en un esquema de dos niveles, pudiendo haber dos
estados en esta codificación: abierto o cerrado.
Estos dos estados son relativos, ya que dependen del límite que se establezca
entre ambos.
Así, cada dato analizado será un bit, que podrá estar abierto o cerrado.
Para mejorar este sistema se usan los números binarios. A cada intervalo de
tiempo se le asigna un 2x, siendo x intervalo. Si el bit está abierto, se multiplica el
intervalo 2x por 1, mientras que si está cerrado, por 0.
La mayoría de la información digital está codificada, transferida, procesada y
descodificada en sistema binario, dada su eficacia.
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COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS
Los más importantes son:
Generador de señales: Es de los más importantes, ya que proporcionan al elemento un
estímulo en forma de energía. Esta energía interacciona con el elemento a estudiar y
genera una respuesta.
En la tabla 1.1 se representan varias propiedades físicas y químicas de la materia.
Muchas de ellas necesitan de la energía de los generadores para poder ser estudiadas
(electromagnética, eléctrica, mecánica, nuclear,…), pero hay algunas que generan una
respuesta sin tener que ser tratadas (emisión de radiación, masa, carga eléctrica…)
Detector: es un dispositivo que identifica, registra o indica un cambio en las variables
del entorno (presión, temperatura, radiación…).
Transductor: es un dispositivo que convierte la información de dominios no eléctricos
en dominios eléctricos, y o viceversa.
Sensor: dispositivo que es capaz de diferenciar entre dos especies químicas.
Procesador de señales: dispositivo que recoge la información del transductor y la
adapta al dispositivo de lectura, ya sea amplificándola, filtrándola, etc.
Dispositivo de lectura: junto con el generador de señales, es el más importante.
Transforma las señales procesadas de dominios eléctricos, en señales inteligibles para el
observador.
Generador
de señales
Detector
Transductor
Sensor
Procesador
de señales
Dispositivo
de lectura
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COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS
INSTRUMENTO
FUENTE
ENERGIA
Fotómetro
Lámpara de Haz de
Wolframio
atenuado
Espectrómetro de
Llama
emisión atómica
SEÑAL
ANALÍTICA
luz
TRANSDUCTOR
DE ENTRADA
DOMINIO
DE DATOS
PROCESADOR
DE LA SEÑAL
LECTURA
Fotocélula
Corriente
eléctrica
Escala de medida
Ordenador
Amplificador,
monocromador
Ordenador
Corriente
eléctrica
Amplificador
Ordenador
Electrodos de vidrio
Potencial
eléctrico
Amplificador,
digitalizador
Ordenador
Película fotográfica
Imagen
latente
Revelador químico Ordenador
Ojo humano
Señal
del
Cerebro humano
nervio óptico
Radiación UV o Tubo
foto- Potencial
visible
multiplicador
eléctrico
Culombímetro
Fuente
de
Corriente de la
corriente
Electrodos
celda
continua
pH metro
Muestra
Actividad
protones
Difractómetro
rayos X
de
Tubos
rayos
muestra
de
Radiación
X,
difractada
Comparador
color
de
Luz solar
Color
de
Respuesta visual
al color
Tabla 1.2
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SELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALÍTICO
En este apartado vamos a ver como se realiza la elección de un método analítico
y sus correspondientes herramientas.
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Necesitamos definir con claridad la naturaleza del problema analítico y para ello
hay que responder las siguientes preguntas:
1. ¿Qué exactitud requiere?
2. ¿De cuanta muestra se dispone?
3. ¿En qué intervalo de concentraciones está el analito?
4. ¿Qué componentes de la muestra interfieren?
5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la matriz de la muestra?
6. ¿Cuántas muestras hay que analizar?
La respuesta a la primera pregunta nos definirá el tiempo y el esmero que hay
que dedicar. Las dos siguientes determinan lo sensible que debe ser el método y al
intervalo de concentraciones que debe adaptarse. La cuarta nos dice la selectividad que
se requiere, la quinta es importante ya que según el estado del analito (sólido, liquido o
gaseoso ) se aplicara el método más apropiado. Respecto a la sexta pregunta, sí hay que
analizar pocas muestras solemos usar un método largo y que requiera poco o ningún
tratamiento, por el contrario si el número de muestras es elevado invertimos más dinero
y tiempo en la instrumentación.
Con las respuestas a estas preguntas y conociendo las características de los
instrumentos podemos escoger un método frente a otro.
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CARACTERÍSTICAS
DE
FUNCIONAMIENTO
DE
LOS
INSTRUMENTOS;
PARÁMETROS DE CALIDAD
A continuación vamos a definir los criterios cuantitativos que se utilizan para
definir si un determinado método instrumental es o no adecuado para resolver un
problema analítico. Estas características se conocen con el nombre de parámetros de
calidad y se expresan en términos numéricos. Estos parámetros permiten reducir la
elección de los instrumentos a tan sólo unos pocos y entonces la selección entre ellos ya
se hace con los criterios cualitativos de funcionamiento que se enumeran a continuación:
1. Velocidad
2. Facilidad y comodidad
3. Habilidad del operador
4. Coste y disponibilidad del equipo
5. Coste por muestra
Precisión
Es el grado de concordancia mutua entre los datos que se han obtenido de una
misma forma. La precisión nos va a indicar la medida del error aleatorio o
indeterminado de un análisis. En la siguiente tabla vemos los parámetros de calidad de
la precisión:
Sesgo
Mide el error sistemático de un método analítico.
Sesgo = μ – x1
Para determinar la exactitud hay que analizar uno o varios materiales de
referencia cuya concentración de analito es conocida. Los resultados de dichos análisis
tendrán tanto errores aleatorios como sistemáticos pero con un número suficiente de
determinaciones, se puede determinar la media (para un nivel de confianza dado). La
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diferencia entre la media y la concentración del analito indicada en el material de
referencia se puede atribuir al sesgo.
En un método analítico, se intenta identificar las causas del sesgo y su
eliminación mediante el uso de blancos y el calibrado del instrumento.
Sensibilidad
Capacidad de un método de diferenciar pequeñas variaciones en la
concentración del analito. Está limitada por dos factores: la pendiente de la curva de
calibrado y la reproducibilidad o precisión del sistema de medida. Entre dos métodos
que tengan igual precisión, será más sensible aquel cuya curva de calibrado tenga
mayor pendiente.
Otra definición de sensibilidad, es la pendiente de la curva de calibrado, a la
concentración objeto de estudio (suelen ser lineales).
S = mc + S (blanco)
La sensibilidad de calibrado como parámetro de calidad, tiene el inconveniente
de no tener en cuenta la precisión de las medidas individuales. La sensibilidad analítica
(γ = m/Ss), tiene la ventaja de ser relativamente insensible a los factores de
amplificación (ej: al aumentar la ganancia de un instrumento por un factor de cinco, el
valor de m se incrementará en cinco veces. Esto vendrá acompañado de un aumento en
Ss, y por tanto la sensibilidad analítica, se mantendrá prácticamente constante. Es
independiente de las unidades de medida de S. Una desventaja es que depende de la
concentración.
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Límite de detección
Es la mínima o máxima concentración del analito que se puede detectar para un
nivel de confianza dado. El límite depende de la relación entre la magnitud de la señal
analítica y el valor de las fluctuaciones estadísticas de la señal del blanco. Por tanto, a
no ser que la señal analítica sea mayor que la del blanco, no será posible detectar con
certeza esta señal.
Sm = S(blanco) +ks(blanco)
Experimentalmente, Sm se puede determinar realizando veinte o treinta medidas
del blanco, durante un amplio periodo de tiempo.
Intervalo lineal
Este parámetro va desde la concentración mas pequeña a la que se puede realizar
en medidas cuantitativas hasta la concentración a la que la curva de calibrado se desvía
de la linealidad. Para las medidas cuantitativas se toma como límite inferior la que
corresponde a diez veces la desviación estándar de las medidas repetidas en un blanco.
Para que un método analítico sea útil, debe tener un intervalo lineal de, al menos,
dos órdenes de magnitud.
Selectividad
Indica el grado de ausencia de interferencias con otras especies que contiene la
matriz de la muestra. Lamentablemente ningún método analítico está totalmente libre
de esas interferencias y se suele realizar diversas etapas para minimizar sus efectos.
La selectividad viene definida por los “coeficientes de selectividad”, que pueden
variar desde cero (no hay interferencia) hasta valores bastante superiores a uno. Cuando
el coeficiente es negativo la interferencia causa una reducción en la intensidad de la
señal del analito.
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Los coeficientes de selectividad son parámetros de calidad útiles para informar
sobre la selectividad de los métodos analíticos. Desafortunadamente no se usan mucho
excepto para caracterizar el funcionamiento de los electrodos selectivos de iones.
CALIBRACIÓN DE LOS MÉTODOS INSTRUMENTALES.
Todos los métodos instrumentales, excepto el método gravimétrico y el
culombimétrico, necesitan una calibración, proceso en el que se va a relacionar la señal
analítica medida con la concentración del analito.
Los tres métodos más frecuentes son:
- Curvas de calibrado.
- Método de la adición estándar.
- Método del patrón interno.
Curvas de calibrado
También llamadas curvas de patrón externo o curvas analíticas.
Para aplicar este método, se introducen en el instrumento varios patrones con
concentraciones conocidas del analito y registramos la señal instrumental.
Normalmente la señal se corrige con la señal obtenida con el blanco. Dicho
blanco contiene todos los componentes de la muestra original excepto el analito.
Los datos obtenidos se representan en una gráfica en la que tendremos la señal
del instrumento corregida frente a la concentración de analito.
En determinadas ocasiones, tenemos representaciones lineales en un amplio
intervalo de concentraciones (intervalo útil) y contienen menos error que las no lineales.
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Éstas precisan de un elevado número de datos de calibrado para establecer con mayor
precisión la relación entre la respuesta del instrumento y la concentración.
La ecuación de la curva de calibrado la obtendremos por el método de los
mínimos cuadrados y nos permitirá calcular directamente la concentración de las
muestras.
El éxito del método dependerá de la exactitud que tengan las concentraciones de
los patrones y de lo que se parezca la matriz (conjunto de los diferentes componentes
que constituyen una muestra analítica) de los patrones a la de las muestras que se
analizan.
Método de la adición estándar.
Método muy útil para analizar muestras complejas en las que la probabilidad de
que se produzcan efectos debidos a la matriz es considerable.
Puede aplicarse de diferentes maneras. Una de las más habituales es la adición
de distintos volúmenes de una disolución patrón a varias alícuotas de la muestra del
mismo tamaño. Este proceso se llama adición de muestra. Después, cada disolución se
diluye a un volumen fijo antes de realizar la medida.
Cuando la cantidad de la muestra es limitada, las adiciones estándar pueden
hacerse por adiciones sucesivas de volúmenes del patrón a un único volumen del
problema exactamente medido. Las medidas se van haciendo en la muestra original y
después de cada adición del patrón en la muestra.
La matriz de la muestra será casi idéntica después de cada adición y la única
diferencia será la concentración de analito o la concentración de reactivo, en el caso de
que se haya añadido un exceso de reactivo analítico.
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En este método tenemos varias alícuotas Vx de la disolución problema con una
concentración cx que se transfieren a matraces aforados de Vt. A cada una de ellos se
añade un volumen variable (Vs, mL) de una disolución patrón del analito que tiene una
concentración conocida cs. Se añaden los reactivos adecuados y se diluyen hasta un
volumen determinado. Se realizan las medidas y obtenemos una señal S en el
instrumento.
La representación de S en función de Vs es una línea recta de la forma,
S = m · Vs + b
Para determinar m y b utilizamos el método de los mínimos cuadrados y cx la
obtenemos de la siguiente expresión,
cx = b · cs/ m · Vx
La gráfica de los datos también la podemos realizar manualmente y la parte recta
de la misma se extrapola hasta el origen. La diferencia entre el volumen añadido de
patrón en el origen y el valor del volumen en el punto de intersección de la línea recta
con el eje de las x (Vx)0 es el volumen del patrón que equivale a la cantidad de analito
en la muestra.
La intersección con el eje de las x corresponde a la señal cero del instrumento,
por lo que,
S = kVscs/ Vt + kVxcx/ Vt = 0
Despejando tenemos que,
cx = - (Vs)0 cs/ Vx
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Método de la adición estándar
S, absorbancia
1,2
0,9
0,6
0,3
0
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Vs, mL
Método del patrón interno.
En un análisis, el patrón interno es la sustancia que se añade a todas las
muestras, blancos y patrones de calibrado en una cantidad fija. También puede ser un
componente mayoritario de las muestras y los patrones que está en una concentración lo
suficientemente elevada como para que se pueda considerar que es la misma en todos
los casos.
El calibrado es una representación gráfica del cociente entre la señal del analito
y la señal del patrón frente a la concentración de analito de los patrones. En las muestras,
este cociente lo usaremos para calcular la concentración de analito a partir de la curva
de calibrado.
Si elegimos y usamos adecuadamente un patrón interno, compensaremos
algunos errores aleatorios o sistemáticos. Si las señales del analito y del patrón interno
tienen una respuesta proporcional al error aleatorio instrumental y a las fluctuaciones
del método, la relación entre las señales será independiente de las fluctuaciones. Si
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ambas señales se modifican de la misma manera por el efecto de la matriz, también
compensaremos en ambas dichos efectos.
Cuando el patrón interno es el componente mayoritario de las muestras y de los
patrones, también compensaremos los errores que se producen en la preparación de la
muestra, disolución y filtrado.
El mayor problema al aplicar el método del patrón interno es encontrar una
sustancia adecuada e incorporarla a las muestras y a los patrones de forma reproducible.
Además deberá tener una señal similar a la del analito en la mayoría de los casos pero
suficientemente diferente como para que ambas señales sean diferenciables por el
instrumento. Nos debemos asegurar la ausencia del patrón interno en la matriz y que la
única procedencia del patrón sea la cantidad añadida.
Un ejemplo muy usado, es el litio como patrón interno en las determinaciones de
sodio o potasio en suero sanguíneo, ya que su comportamiento químico es similar al de
ambos analitos y no aparece de forma natural en la sangre.
El método del patrón interno se usa con frecuencia, para determinar los
elementos traza en metales por espectroscopia de emisión.
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BIBLIOGRAFÍA
‐
“Principios de análisis instrumental” 5ª edición. D. A. Skoog, F. J. Holler, T. A.
Nieman. Editorial: McGraw Hill (2000).
‐
“Introducción al análisis instrumental”. L. Hernández, C. González. Editorial
Ariel Ciencia (2002).
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