Determinación de arsénico en agua por espectrometría de absorción atómica con generación de hidruro (HG-AAS) Morand, Enzo E.1 - Giménez, María C.1 - Benitez, Mónica E.1 - Garro, Oscar A.2 1. Cátedra de Química Analítica General - 2. Cátedra de Microbiología de los Alimentos. Facultad de Agroindustrias - UNNE. Comandante Fernández 755 - (3700) Pcia. Roque Sáenz Peña - Chaco - Argentina. Tel./Fax: +54 (03732) 420137 E-mail: [email protected] ANTECEDENTES La Espectrometría de Absorción Atómica de Llama (FAAS) es una técnica sencilla, conocida desde hace mucho tiempo y claramente ¨arsenoselectiva¨, sin embargo, los límites de detección con esta técnica no son lo suficientemente bajos como para llevar a cabo la determinación de arsénico en la mayoría de las muestras reales. El acoplamiento de un generador de hidruros al espectrómetro de absorción atómica (GH-AAS) aporta la sensibilidad requerida. La técnica de Generación de Hidruro, basada en la reacción de Marsh y Gutzeit en la cual se emplea zinc como reductor, se conoce bien desde hace bastantes años (Burguera et al., 1991). Ya en 1969, Holak la utilizó para mejorar la determinación de arsénico, cuya baja longitud de onda (193,7nm) dificulta su análisis por AAS. En la actualidad se usa con éxito para reducir los límites de detección. La técnica de GH-AAS consta de tres etapas fundamentales: la generación y volatilización del hidruro, la transferencia del mismo y su posterior atomización en el espectrómetro de AA. La generación del hidruro, en el presente trabajo se consigue, tratando la muestra que contiene arsénico con una disolución de Borohidruro de sodio (NaBH4) en medio ácido (HCl). NaBH4 + 3H2O + HCl → H3BO3 + NaCl + 8 H* 8H* + Am+ → AHn + (8-n)/2 H2 (exceso) Donde H* es el hidrógeno naciente, ¨A¨ es el elemento formador de hidruro y ¨m¨ su estado de oxidación (que puede o no coincidir con ¨n¨ , el índice de coordinación). Si bien, el reductor utilizado universalmente es el Borohidruro de sodio, la reacción es completa y rápida cuando se trata de la especie inorgánica As (III), en el caso de As(V) y las especies orgánicas Monometilarsénico (MMA) y Dimetilarsénico (DMA), la reacción es muy lenta por lo que es necesaria una reducción previa, para lo cual se utiliza yoduro de potasio o L-cysteína.. Entre los sistemas de generación de hidruros, los que combinan las ventajas de la inyección en flujo, con la posterior detección por espectrometría por absorción atómica, es de los más usadas en la determinación total de arsénico, por que es sensible, rápido y minimiza los efectos de las interferencias, si se lo compara con los métodos tradicionales (Jiménez de Blas et al. 1996), además resulta ser más cómodo de usar y apropiado para el análisis (Anderson et al., 1986). Los métodos continuos de análisis (Flow Injection Análisis) se refieren a aquellos procesos analíticos en los que la concentración del analito es medida sin interrumpir un flujo de líquido o gas. La mezcla del hidruro con el resto de la dilución es bombeada a un separador gas-líquido, donde una corriente de gas inerte (generalmente argón) impulsa el hidruro hacia la llama liberándolo de la disolución (Menéndez Alonso, 1995). La atomización del hidruro se realiza en un tubo de cuarzo en forma de ¨T¨ que, calentado por la llama, aumenta el tiempo de residencia de los átomos y evita la dispersión de los mismos y el ruido de fondo. La señal generada se almacena en un registrador de tipo continuo (Cantle, 1982). Dado el gran número de variables que intervienen en los métodos continuos de análisis, uno de los primeros pasos debe ser la optimización de aquellas variables que influyen en la señal analítica que se obtenga. Este trabajo describe el procedimiento seleccionado para la determinación de arsénico total en muestras de agua y tiene como propósito optimizar las variables más importantes (flujo de gas de arrastre y concentración de reactivos) que permiten una respuesta analítica en forma rápida y con un bajo consumo de reactivo. El presente trabajo forma parte de un proyecto de investigación más amplio que tiene por objeto realizar la especiación del arsénico en diferentes muestra madioambientales. MATERIALES Y METODOS Aparatos y procedimiento analítico: Se trabajó con un Espectrofotómetro UV-Visible METROLAB Mod. 4200 con microcomputador y corrector de fondo incorporado. En este caso fue usado un generdor de hidruro/separador gaslíquido construido en el laboratorio. El equipamiento empleado en el presente trabajo se representa esquemáticamente en la figura 1. Este consiste en una bomba, de cuatro vías, una para el ingreso de la muestra (0,50 ml/min), y tres para los reactivos: la solución pre-reductora de Yoduro de potasio, la solución reductora de Borohidruro de sodio y el ácido clorhídrico (todos con velocidad de flujo de 0,50 ml/min), Se trabajó con un sistema de pre-reducción, seleccionándose para este trabajo solución de KI al 1% para todos los análisis realizados. Reactivos: En todos los casos se emplearon reactivos grado analítico. El agua destilada usada para la preparación de todas las soluciones reactivas y estándar ha sido lo suficientemente pura para nuestro propósito. La solución estándar de 1,0 µg ml–1 de As (III) fue preparada por disolución del correspondiente óxido en solución 0,5% (m/v) de NaOH. Todo el material volumétrico de vidrio utilizado en la preparación de reactivos y disoluciones se mantuvo en un baño de HNO3 al 30% durante 24 hs., el que fue enjuagado con agua destilada y secado previo a su utilización. Diseño analítico: Considerando las limitaciones impuestas por sistema empleado, se estudió la influencia de las concentraciones del reductor y del ácido, así como del flujo del gas de arrastre (Argón) seleccionado para este trabajo. Para la evaluación estadística de la influencia de la concentración del Ácido clorhídrico y del flujo de Argón, y del Bororhidruro de sodio se empleó un diseño factorial con 35 y 37 niveles respectivamente. Curva de calibración: Establecidas las mejoras condiciones experimentales para las variables estudiados se validó el método por medio de una curva de adiciones estándar de una muestra de arsénico (III) a una muestra de agua, en el rango de 25 µg l-1 a 250 µg l-1, con tres repeticiones. (a) (b) Figura 1: a) Representación sistemática del acoplamiento HG-AAS . b) Separador gas-líquido. RESULTADOS Y DISCUSION Optimización del sistema de generación de hidruro: Las influencia de la concentración del agente reductor en la respuesta generada en función de la concentración del reactivo utilizado (NaBH4 ) se muestran en la figura 2. En ella se puede observar que la intensidad de la respuesta se incrementa con el incremento de la concentración del reductor, llega a un máximo cuando alcanza una concentración del 1%, para luego decrecer. (%) Figura 2: Efecto de la concentración de NaBH4 en la respuesta de la señal analítica para la determinación de arsénico. Figura 3: Efecto de la concentración de HCl en la respuesta de la señal analítica para la determinación de arsénico. El efecto de la concentración del Ácido clorhídrico sobre la respuesta generada se puede ver en la figura 3. La intensidad de la respuesta aumenta abruptamente entre las concentraciones de 0,25 y 0,5 (M), para luego hacerlo más lentamente. El análisis de los datos experimentales obtenidos al aplicar el test LSD para un nivel de confianza del 95% muestra que existen diferencias significativas entre las concentraciones de Borohidruro de sodio estudiadas, observándose que la mayor respuesta se alcanza al utilizar una solución al 1% de agente reductor. En cuanto al ácido clorhídrico se puede decir que concentraciones de ácido 2 M son suficientes para generar una respuesta analítica satisfactoria. Para estudiar el efecto del flujo de Argón -gas de arrastre de la arsina producida a la celda de cuarzo- en la respuesta de la señal analítica se probaron diferentes flujos, los mismos se muestran en la figura 4. En la misma se observa, con un nivel de confianza del 95%, que la máxima respuesta se obtuvo al trabajar con un flujo Argón de 70 ml min-1. Figura 4: Efecto del flujo de Argón en la respuesta de la señal analítica para la determinación de arsénico Condiciones instrumentales de operación: Los resultados obtenidos permitieron encontrar las condiciones experimentales que permitan lograr una respuesta analítica óptima, rápida y con bajo consumo de reactivo. Las mismas se vuelcan en la tabla 1. Tabla 2: Condiciones instrumentales de operación para la determinación de HG-AAS Condiciones operativas Generación de Hidruro Agente reductor Solución de HCl Muestra Pre-reductor Gas de arrastre NaBH4 1% (m/v) ( en 0,5 % de NaOH); flujo 0,5 ml min -1 3 M; flujo 0,5 ml min -1 Flujo 0,5 ml min -1 KI 1,5% (m/v) Argón; flujo 100 ml min -1 Espectrómetro de Absorción atómica Longitud de onda Ancho de banda Tiempo de integración Corriente de la lámpara Aire - Acetileno 193,7 nm. 1,5 nm 5 seg. 8,5 mA (2,25 bar- 1,00 bar) Calibración: La regresión de la curva de calibrado obtenida muestra que los resultados experimentales ajusta a un modelo lineal y describe la relación estadísticamente significativa que existe entre absorbancia y concentración en el rango que va de 20 a 200 µg l-1 para un nivel de confianza del 99%, figura 5. El coeficiente de correlación es igual a 0,9983. La curva decrece a concentraciones mayores. La ecuación de calibración que ajusta el modelo, para la matriz estudiada es la siguiente: Y = 0,0289553 + 0,00106455 x Figura 4: Curva de calibración por adiciones estándar de Arsénico (III) en agua. Características analíticas: Las características analíticas del método para la determinación de arsénico por HG-AAS se muestran en la tabla 3. Tabla 3: Características analíticas del método para la determinación de arsénico total por HG-AAS. Parámetros Límite de detección (µg l -1)a Límite de Cuantificación (µg l -1)b Precisión R.S.D. (%)c Recuperación (%)d HG-AAS 7,2 24, 0 3,0 95 a Definido como 3 σ/pendiente. b Definido como 10 σ/pendiente. estándar de 6 réplicas de 100 µg l -1. d Para n=6. a c Definido sobre las desviación CONCLUSION De acuerdo con los resultados obtenidos se podría concluir que los mejores resultados en la determinación de arsénico por HG-AAS en continuo, para el sistema estudiado, se logran cuando se trabaja con concentraciones de Ácido clorhídrico 2 M, Borohidruro de sodio al 1% y con un flujo de gas de arrastre (Argón) de 100 ml min -1 , siempre que se mantengan las condiciones operativas del ensayo. BIBLIOGRAFIA [1] Anderson, R. K.; Thompson,M; Culbard,E. (1986). Selective Reduction of Arsenic by Continuous Hydride Generation. Parte I. Reaction Media. Analyst. Vol. 111: 1143- 1152. [2]. Anderson, R. K.; Thompson M.; Culbard E. (1986). Selective Reduction of Arsenic Species by Continuous Hydrire Generation. Part II . *Validation of Methods for Application to Natural Waters. Analyst. Vol 111: 1152-1158 [3] Benitez, M.E. (2000). Influencia de la Concentración de Reactivo y del Gas Carrier en la Determinación de Arsénico III en Muestras de Agua Utilizando HG-AAS. II Jornada de Divulgación Científicas, Técnicas y de Extensión : 125-128. [4] Burguera, M,; Burguera, J. K.; Brunetto, M. R. (1991) Flow-injestion Atomic Spectrometric Determination of Inorganic Arsenic (III) and Arsenic (V) Species by use of an Aluminium-Column Arsine Generator and ColdTrapping Arsine Collection :105-128. [5] Cantle, J.E. (1982). Atomic Absorption Spectrometry. Techniques instrumentation in Analytical Chemistry..Elsevier Scientific Publishing Company.Amsterdam Vol. 5: 384-390 . [6] Jiménez de Blas et al.; Jornal of AOAC Inernational, (1996) .Determination of Total Arsenic and Selenium in Soils and Plants by Atomic Absorption Spectrometry with Hydride Generation and Flow Injection Analysis Coupled Techniques. Vol. 79, Nº.3: 764-768. [7] Menéndez Alonso,M.E. (1995).Investigación de Nuevos Métodos Enzimático de Extracción para el Análisis de Especies de Arsénico en Alimentos. Tesis de Licenciatura, Universidad de Oviedo. España. [8] Standars Methods. (1992).Continuous Hydride Generation/Atomic Absorption Spectrometric Method (PROPOSED) 18 Th Edition 3 :32-33.