Unidad I metodos AIinstrumentalx
Anuncio
DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Unidad I: INTRODUCCION A LOS METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL Contenido: Definiciones básicas, muestra, muestra analitica, matriz, matriz analitica, analito, mensurado, método instrumental. Clasificación de los metodos de análisis instrumental: según la medicion de una propiedad en la materia. Según el tamaño de muestra analitica, según la fuente cientifica. INTRODUCCIÓN Los ingenieros y los científicos disponen de una serie impresionante de poderosas y selectivas herramientas en el campo de la Biología y de la Física, para obtener información cualitativa y cuantitativa acerca de la composición y estructura de la materia.En los últimos años se han producido diversos instrumentos sensibles que han incrementado considerablemente la capacidad del ingeniero para cuantificar y controlar los materiales contaminantes, cuya complejidad va en aumento. El uso de la instrumentación es una parte atractiva y fascinante del análisis químico que interacciona con todas las áreas de la química y con muchos otros campos de la ciencia pura y aplicada. Los análisis de suelos marcianos, en el monitoreo de rutina de la calidad del aire de los líquidos biológicos de caballos de carreras y de atletas olímpicos, calidad del agua superficial y subterránea, y la contaminación del suelo, como también durante el proceso de tratamiento de agua y agua residual, del aceite para los motores de aeronaves comerciales y militares, y aún del Sudario de Turín, son ejemplos de problemas que requieren técnicas instrumentales. A menudo es necesario usar varias técnicas de esa clase a fin de obtener la información requerida para resolver un problema de análisis. Casi cualquier propiedad física de un elemento o compuesto puede servir como base para una medición instrumental. La capacidad de una solución coloreada para absorber luz, de una solución para transmitir corriente o de un gas para conducir calor puede ser la base de un método analítico para medir la cantidad de un material y para detectar su presencia Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 2 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” La instrumentación analítica juega un papel importante en la producción y en la evaluación de nuevos productos y en la protección de los consumidores y del medio ambiente. Esta instrumentación proporciona los límites de detección más bajos requeridos para asegurar que se disponga de alimentos, medicinas, agua y aire no contaminados. Estos métodos han permitido que las mediciones analíticas se realicen inmediatamente en la fuente, y que el registro se practique a una distancia del sitio donde se realiza la medición. La fabricación de materiales cuya composición debe conocerse con precisión, como las sustancias empleadas en los chips o pastillas de los circuitos integrados, se controla con instrumentos analíticos. La amplia inspección de cantidades de muestra que se ha hecho posible por la instrumentación automatizada, frecuentemente libera al analista de las tediosas tareas relacionadas - en un principio - con el análisis químico. Entonces el analista puede estar libre para examinar los componentes del sistema analítico, como los métodos de muestreo, el procesamiento de datos y la evaluación de los resultados. DESARROLLO Aunque muchas veces es el instrumento el elemento más visible e impresionante del método analítico, sólo es uno de los componentes del análisis total. Antes de enfocar el papel de la instrumentación en un método analítico, el analista debe considerar otras etapas importantes para la determinación. La siguiente descripción señala los pasos comunes a los métodos analíticos y ayuda así a poner en la perspectiva adecuada el papel de la instrumentación. No se pretende hacer una discusión detallada de estos tópicos, que son cubiertos con gran profundidad en las bibliografías y en las referencias. Los temas que se relacionan más con la instrumentación se discuten en los temas posteriores. La primera tarea es definir el problema analítico. Cuando es posible, lo anterior se hace a través de una interacción directa con la(s) persona(s) que desea(n) el análisis. El analista debe determinar la naturaleza de la muestra, el uso final de los resultados analíticos, las especies que deben analizarse y la información requerida. La información cualitativa debe incluir la composición elemental, los estados de Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 3 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” oxidación y la identificación completa de todas las especies presentes en la muestra. Los datos cuantitativos incluyen la exactitud y precisión requerida, el intervalo de concentraciones esperado para el analito (la sustancia que se está analizando) y sus límites de detección. Otras consideraciones son las propiedades físicas y químicas únicas del analito, las propiedades de la matriz de la muestra, la presencia de interferencias probables que eliminan el curso de ciertas propiedades del analito como indicadores de medición y, finalmente, un costo estimado del análisis. Un componente principal en el costo es el tiempo requerido para efectuar el análisis; cuando resulta apropiado, deben compararse los costos de los métodos manuales y de los métodos automatizados. Una vez que el problema se ha definido, la siguiente tarea es seleccionar el(los) método(s) apropiado(s). Algunos factores a considerar son las posibilidades y limitaciones de la técnica, cuando se aplica al problema en consideración, las restricciones impuestas al método por las interferencias presentes en la muestra y la calidad de la información obtenida contra su costo de adquisición. La siguiente área a considerar es el muestreo. A menudo es el paso más importante en todo el análisis. ¿Qué medidas deben tomarse a fin de obtener las muestras requeridas para proporcionar la información deseada? En algunos casos se buscan muestras homogéneas representativas, mientras que en otros la heterogeneidad de la muestra es el interés principal. ¿Los procedimientos de toma de muestras en el campo y en el laboratorio aseguran la integridad de los resultados analíticos? ¿Se han usado procedimientos adecuados para almacenar y preservar las muestras y los estándares? ¿Las muestras se han etiquetado y registrado correctamente? A menudo es necesario realizar algunas operaciones sobre la muestra, físicas o químicas, previas al análisis final. Estas operaciones pueden reducir o eliminar las interferencias, llevar la concentración del analito al intervalo de análisis deseado, o producir -a partir del(de los) analito(s)- especies con propiedades cuantitativamente medibles. Tales operaciones incluyen la disolución, la fusión, la separación, la Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 4 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” dilución, la concentración y la formación de derivados químicos. La instrumentación compleja no elimina la necesidad de las destrezas de laboratorio fundamentales; más bien, aumenta su importancia. La limpieza adecuada, el uso y el conocimiento de las tolerancias de las balanzas analíticas, del material volumétrico y de los aparatos de filtrado siguen siendo destrezas básicas necesarias en los análisis. A veces se requiere el control del ambiente químico para asegurar que las actividades de los analitos permanezcan constantes durante la medición y para disminuir los efectos de las interferencias. Con este propósito se usan métodos como el de control de la atmósfera a la que está expuesta la muestra, el de control de su temperatura, la amortiguación del pH de sus soluciones y la complejificación de sus componentes. Parámetros instrumentales, como la amplitud y la frecuencia de la señal de entrada, la sensibilidad del detector y la rapidez de muestreo, deben coordinarse para medir al analito deseado en condiciones óptimas. Una vez que la medición se ha efectuado, ¿cómo se asegura la precisión deseada para el análisis. El analista debe seleccionar el(los) método(s) de estandarización más adecuado(s) para el análisis de entre los siguientes: gráficas (o curvas) de calibración (o "de trabajo”), adiciones estándares, estándares internos, estándares externos, materiales de referencia como los del National Bureau of Standards (NBS), muestras de prueba ("ciegas") y diagramas de control. Para evaluar la precisión y los resultados de los análisis, el analista debe usar métodos estadísticos, los cuales incluyen límites de confianza, rechazo de puntos aberrantes, análisis de regresión para establecer gráficas de calibración, pruebas de significancia y curvas de distribución gaussianas y no gaussianas. En cada análisis deben reconocerse los parámetros de respuesta críticos y, si es posible, optimizarse. El método simple y otros procedimientos pueden usarse para optimizar las condiciones de una determinación dada. La presentación clara y exacta de los resultados es un requisito importante para cualquier buen método analítico. Esto implica llevar un cuaderno de notas de laboratorio adecuado, presentar los datos -si fuera necesario - en forma gráfica, tener Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 5 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” conocimiento adecuado de las cifras significativas para el trabajo, ser capaz de comunicar y resumir el problema original y los procedimientos a usar para obtener los resultados. El objetivo de cada análisis es obtener la información deseada a partir de la muestra y presentarla en forma útil. La instrumentación es sólo un componente del método en su conjunto. El analista debe seguir el flujo de información a través de todo el proceso, no del instrumento solamente; esto permite identificar más fuentes de error potencial. Una atención inadecuada para cada una de las áreas aquí señaladas puede llevar a resultados sin sentido, a pesar del poder analítico del instrumento utilizado. Es interesante comparar métodos instrumentales y no instrumentales de análisis. Ambos tienen puntos fuertes. Los métodos instrumentales generalmente son más rápidos y más sensibles, después que se han establecido las calibraciones necesarias; no obstante, en muchos casos los métodos gravimétricos y volumétricos clásicos son más exactos, aunque mucho más lentos, que los instrumentales. Muchos métodos instrumentales ofrecen límites de detección mejores que los de métodos no instrumentales. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS ANALÍTICOS: Los métodos analíticos se suelen clasificar en: 1.- CLÁSICOS (MÉTODOS DE QUÍMICA HÚMEDA) Separación de los componentes de interés de una muestra (analitos), mediante: Precipitación Extracción Destilación Análisis Cualitativos: Seguidamente los componentes ya separados se trataban con reactivos dando origen a productos que se podían identificar por su color, punto de Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 6 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” ebullición o de fusión, su solubilidad, su olor, su actividad óptica o su índice de refracción. Análisis Cuantitativos: La cantidad de analito se determinaba mediante medidas gravimétricas o volumétricas 2.- INSTRUMENTALES: Utilizan un instrumento más o menos complejo para evaluar una propiedad física o físico-química del sistema objeto de análisis. Constituyen los métodos modernos que separan identifican y cuantifican diferentes especies químicas (orgánicas, inorgánicas, bioquímicas). Esta definición es un poco ambigua, pues no existe ningún análisis químico gravimetrico o volumétrico que no recurra por una parte al examen de una propiedad física como la precipitación, cambio de volumen, y por otra parte que no emplee algún artificio experimental (buretas). Además actualmente la instrumentación se utiliza también para otros muchos fines, entre los cuales cabe destacar aquellas que conducen a la morfología y estructura de las moléculas. Son métodos modernos de separación cuantificación e identificación de especies químicas. Se basan en fenómenos físicos químicos conocidos, su aplicación ha ido en paralelo con el desarrollo de la electrónica. Para el análisis cuali- cuanti se miden las propiedades de los analitos Señales analíticas, como por ejemplo: Absorción o emisión de la luz, Conductividad o potencial de electrodo, dispersión, rotación, refracción difracción. Tipos de Métodos Instrumentales: Se basa en propiedades físicas que pueden utilizarse como señales analíticas en el análisis cualitativo y cuantitativo Las propiedades físicas Conductividad El potencial del electrodo La absorción o emisión de luz Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 7 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” La relación masa/carga y la Fluorescencia A estos métodos más modernos para la separación y determinación de especies químicas se les conoce, en conjunto como métodos instrumentales de análisis. - Los métodos ópticos de análisis: • Métodos de absorción • Espectrofotometría ultravioleta • Espectrofotometría infrarroja • Métodos de emisión • Fotometría de llama. • Espectofotometría de absorción atómica • Espectroscopía de emisión • Dispersión y difusión • Fluorimetría. - Métodos eléctricos de análisis • Análisis potenciométrico: En este tipo de análisis se utilizan distintos tipos de electrodos, los más importantes son: -Electrodo de metal, -Electrodos de oxidación reducción, -Electrodos de oxidación reducción, Electrodos de metal, en contacto con una sal ligeramente soluble, Electrodo de membrana (muy importante en la medición de la calidad del agua, Electrodo de vidrio, Electrodo de membrana líquida, Electrodo de membrana cristalina. • Análisis polarográfico - Métodos de análisis cromatográfico Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 8 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” -Otros métodos instrumentales de análisis - Espectrometría de masas - Análisis con rayos X - Espectroscopía por resonancia nuclear magnética - Medidas de radiactividad 1.3. Clasificación de las técnicas instrumentales La mayoría de las técnicas instrumentales quedan en una de las tres áreas principales: espectroscopía, electroquímica y cromatografía (Tabla 1.l). Aunque varias técnicas importantes (incluyendo la espectrometría de masas y el análisis térmico) no se ajustan convenientemente a estas clasificaciones, las tres áreas proporcionan la base de un estudio sistemático de la instrumentación química. Los avances en la química y en la tecnología están haciendo posibles nuevas técnicas y extendiendo el uso de las ya existentes. La espectroscopía foto acústica es un ejemplo de técnica analítica en ciernes. Algunas de las técnicas existentes se han combinado para extender la utilidad de los métodos componentes. Ejemplos de métodos acoplados o conjuntados exitosamente (que se indican con siglas unidas con guión) son los de cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) y el de plasma con acoplamiento inductivo espectrometría de masas (ICP-MS) (Tabla 1.2). La aplicación de la capacidad de las computadoras a los instrumentos analíticos ha llevado al uso extenso de métodos como la transformada de Fourier para producir las nuevas técnicas: espectroscopia de infrarrojo según la transformada de Fourier (FTIR), y de resonancia magnética nuclear de pulsos (de carbono 13). El analista debe estar al tanto de las funciones que realiza(n) la(s) computadora(s). En un método analítico dado. Estas funciones pueden ir desde la captura de los datos hasta el control para el manejo de los sistemas de datos de laboratorio. Aunque actualmente pocos químicos analíticos desarrollan programas y Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 9 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” diseñan equipo de computación, deben comprender los conceptos fundamentales tanto del equipo (hardware) como de los programas computacionales (software). Técnicas espectroscópicas Espectrofotometría de visible y ultravioleta Espectrofotometría de fluorescencia y fosforescencia Espectrometría atómica (emisión y absorción) Espectrofotometría de infrarrojo Espectroscopía raman Espectroscopía de rayos X Técnicas radioquímicas, incluyendo el análisis por activación Espectroscopía de resonancia magnética nuclear Espectroscopía de resonancia de espin electrónico (o de resonancia paramagnética electrónica) Técnicas electroquímicas Potenciometría (electrodos de pH y selectivos de iones) Voltamperometría Técnicas voltamperométricas Técnicas de redisolución Técnicas amperométricas Coulombimetría Electrogravimetría Técnicas de conductancia Técnicas cromatográficas Cromatografía de gases Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 10 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Técnicas de cromatografía líquida de alta resolución Técnicas diversas Análisis térmico Espectrometría de masas Técnicas cinéticas Técnicas conjuntadas o acopladas (GC-MS) (Cromatografía de gases -espectrometría de masas) (ICP-NIS) (Plasma con acomplamiento inductivo- espectrometría de masas) (GC-IR) (Cromatografía de gases -espectrometría de infrarrojo) (MS-MS) (Espectrometría de masas- espectrometría de masas) Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 11 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” INSTRUMENTOS ANALITICOS: FUNCIONES BÁSICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN El propósito de la instrumentación química es obtener información de la sustancia que se está analizando. Al pasar de la muestra a la salida del instrumento, la información (una cantidad física o química) se transforma. El número y la calidad de las transformaciones están determinados por la calidad y la cantidad de los datos que se obtienen de la muestra bajo análisis. Todo instrumento analítico puede ser considerado dividido en cuatro componentes básicos: un generador de señales, un transductor de entrada, un modificador de señal y un transductor de salida. Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 12 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 13 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 14 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” La señal es producida por la interacción del analito, directa o indirecta, con alguna forma de energía -como radiación electromagnética, electricidad o energía térmica -. Los transductores de entrada (también conocidos como detectores), son dispositivos que transforman la propiedad del analito, física o química, en una señal eléctrica. Los modificadores de señal son componentes electrónicos que ejecutan operación necesaria y deseable, como amplificación y filtrada, sobre la señal que proviene del transductor de entrada. Por último, el transductor de salida convierte la señal eléctrica modificada en información que puede ser leída, registrada e interpretada por el analista Por ejemplo, en la determinación espectro fotométrica de cobre en solución, usando ditizona como reactivo para formar un complejo rojo -violáceo, se hace pasar la radiación de una lámpara a través de un prisma para obtener luz visible de 525 nm, para generar una señal que puede ser absorbida por el complejo de cobre. La cantidad de radiación absorbida a 525 nm es proporcional a la concentración del analito de cobre. La potencia radiante es convertida en una señal eléctrica por medio de un foto detector (transductor de entrada). Los modificadores de la señal eléctrica convierten la corriente en tensión eléctrica o voltaje y, después de su amplificación y transformación a un voltaje logarítmico, la envían al transductor de salida. Este transductor puede ser un medidor, un monitor de vídeo o un registrador. Generadores de Señales La señal empleada para transferir información del analito a los módulos eléctricos del instrumento se originan en el generador de señales. Se usan dos métodos generales para la generación de las señales: 1) la aplicación de una señal externa a la muestra, con modificación subsecuente de la misma por el analito (como en espectroscopía de absorción) y 2) la creación de un ambiente sobre la muestra, que permite al analito producir una señal, como lo ilustran las mediciones potenciométricas. El generador Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 15 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” de señales es único para cada tipo de instrumento. Su diseño requiere una comprensión de las propiedades físicas de los componentes del instrumento, de las propiedades químicas del analito y de las características de la matriz de la muestra. Transductores de Entrada La mayoría de los transductores de entrada son dispositivos analógicos: esto es, miden propiedades físicas y químicas en forma continua (Tabla 1.2). En muchos casos estos dispositivos producen señales eléctricas analógicas de diferencia de potencial, corriente o resistencia. Si la propiedad medida no es continua, puede diseñarse el detector para que de una salida pulsante, como en los detectores de radiación gama (o gamma) de alta energía. La calidad y las capacidades del transductor de salida son las que finalmente limitan todo el funcionamiento del instrumento. Tabla 1.2 Transductores de entrada Cantidad física medida Concentración electroactivas de Transductor de entrada especies Celda polarográfica Corriente Actividad iónica en solución Electrodo iones Intensidad luminosa Fototubo Corriente Fotodiodo Corriente Termistor Resistencia Termopar Voltaje Temperatura selectivo Salida eléctrica de Voltaje Módulos de Transformación de Señal Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 16 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” El módulo de transformación de la señal recibe la información del detector, la convierte eléctricamente a una forma más significativa y luego la envía al transductor de salida (Tabla 1.3) El detector utilizado y la forma final de la información deseada determinan la composición electrónica de este módulo. Los componentes del mismo van desde un simple resistor, para la conversión simple de corriente a voltaje, hasta un complejo microprocesador, que tiene una gran variedad de posibilidades de procesamiento de señales. Tabla 1.3. Transformaciones de la señal eléctrica Amplificación Conversión digital -analógica Conversión analógica -digital Filtrado Atenuación Integración Comparación Rectificación Conteo Adición Conversión corriente -voltaje Conversión voltaje- corriente Diferenciación (derivación) Conversión voltaje- frecuencia Conversión logarítmica -aritmética Conversión antilogarítmica -aritmética Transductores de Salida El componente final del instrumento, el transductor de salida, convierte la señal eléctrica modificada en información útil para el analista. Esta información puede mostrarse o registrarse por medio de diferentes dispositivos, en forma analógica o digital (Tabla 1.4). La instrumentación actual incluye un número relativamente grande de generadores de señales y de transductores de entrada, algunos modificadores de señales y unas pocas clases de transductores de salida. Una gran gama de propiedades físicas y Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 17 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” químicas puede servir para determinar a los analitos en gran número de ambientes de muestra. Después de que la información del analito se ha convertido en señal eléctrica, se limita el número de posibles operaciones y modificaciones, y hay todavía menos clases de transductores de salida. Transductores de entrada específicos se discuten en los capítulos apropiados de los métodos instrumentales. Tabla 1.4. Transductores de salida Impresoras alfanumérícas Osciloscopios Medidores analógicos Registradores de tira continua (y- t) Medidores digitales Registradores x -y Discos duros (discos) Casetes de cinta Discos flexibles (disquetes) catódica Monitores de video visualizadores de pantalla Entonces el instrumento analítico es: Es un dispositivo de comunicación entre el sistema bajo estudio y el investigador. Un instrumento para el análisis químico debe: Convertir la información almacenada en las características físicas o químicas del analito, en información que pueda ser manipulada e interpretada por el ser humano. PROCESO: Se proporciona un estímulo, generalmente en forma de energía electromagnética, eléctrica, mecánica o nuclear, El estímulo provoca una respuesta del sistema objeto Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 18 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” de estudio, esta respuesta se rige por las leyes naturales de la Física y la Química. La información resultante radica en el fenómeno que surge de la interacción del estímulo con el analito. Ejemplo: Pasar una banda estrecha de longitudes de onda de luz visible a través de una muestra, para medir la capacidad de absorción del analito. Se determina la intensidad de la luz antes y después de su interacción con la muestra y la relación entre ellas proporciona la medida de la concentración del analito. Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 19 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 20 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” En general, los instrumentos para el análisis químico constan solamente de unos cuantos componentes básicos, como se ve en la siguiente tabla CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA EVALUAR UN MÉTODO INSTRUMENTAL CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN LOS METODOS ANALÍTICOS Aunque muchas veces es el instrumento el elemento más visible e impresionante del método analítico, sólo es uno de los componentes del análisis total. Antes de enfocar el papel de la instrumentación en un método analítico, el analista debe considerar otras etapas importantes para la determinación. La siguiente Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 21 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” descripción señala los pasos comunes a los métodos analíticos y ayuda así a poner en la perspectiva adecuada el papel de la instrumentación. No se pretende hacer una discusión detallada de estos tópicos, que son cubiertos con gran profundidad en las bibliografías y en las referencias. Los temas que se relacionan más con la instrumentación se discuten en capítulos posteriores. La primera tarea es definir el problema analítico. Cuando es posible, lo anterior se hace a través de una interacción directa con la(s) persona(s) que desea(n) el análisis. El analista debe determinar la naturaleza de la muestra, el uso final de los resultados analíticos, las especies que deben analizarse y la información requerida. La información cualitativa debe incluir la composición elemental, los estados de oxidación y la identificación completa de todas las especies presentes en la muestra. Los datos cuantitativos incluyen la exactitud y precisión requeridas, el intervalo de concentraciones esperado para el analito (la sustancia que se está analizando) y sus límites de detección. Otras consideraciones son las propiedades físicas y químicas únicas del analito, las propiedades de la matriz de la muestra, la presencia de interferencias probables que eliminan el curso de ciertas propiedades del analito como indicadores de medición y, finalmente, un costo estimado del análisis. Un componente principal en el costo es el tiempo requerido para efectuar el análisis; cuando resulta apropiado, deben compararse los costos de los métodos manuales y de los métodos automatizados. Una vez que el problema se ha definido, la siguiente tarea es seleccionar el(los) método(s) apropiado(s). Algunos factores a considerar son las posibilidades y limitaciones de la técnica, cuando se aplica al problema en consideración, las restricciones impuestas al método por las interferencias presentes en la muestra y la calidad de la información obtenida contra su costo de adquisición. La siguiente área a considerar es el muestreo. A menudo es el paso más importante en todo el análisis. ¿Qué medidas deben tomarse a fin de obtener las muestras requeridas para proporcionar la información deseada? En algunos casos se buscan muestras homogéneas representativas, mientras Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente que en otros la Página 22 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” heterogeneidad de la muestra es el interés principal. ¿Los procedimientos de toma de muestras en el campo y en el laboratorio aseguran la integridad de los resultados analíticos? ¿Se han usado procedimientos adecuados para almacenar y preservar las muestras y los estándares? ¿Las muestras se han etiquetado y registrado correctamente?. A menudo es necesario realizar algunas operaciones sobre la muestra, físicas o químicas, previas al análisis final. Estas operaciones pueden reducir o eliminar las interferencias, llevar la concentración del analito al intervalo de análisis deseado, o producir -a partir del (de los) analito(s)- especies con propiedades cuantitativamente medibles. Tales operaciones incluyen la disolución, la fusión, la separación, la dilución, la concentración y la formación de derivados químicos. La instrumentación compleja no elimina la necesidad de las destrezas de laboratorio fundamentales; más bien, aumenta su importancia. La limpieza adecuada, el uso y el conocimiento de las tolerancias de las balanzas analíticas, del material volumétrico y de los aparatos de filtrado siguen siendo destrezas básicas necesarias en los análisis. A veces se requiere el control del ambiente químico para asegurar que las actividades de los analitos permanezcan constantes durante la medición y para disminuir los efectos de las interferencias. Con este propósito se usan métodos como el de control de la atmósfera a la que está expuesta la muestra, el de control de su temperatura, la amortiguación del pH de sus soluciones y la complejificación de sus componentes. Parámetros instrumentales, como la amplitud y la frecuencia de la señal de entrada, la sensibilidad del detector y la rapidez de muestreo, deben coordinarse para medir al analito deseado en condiciones óptimas. Una vez que la medición se ha efectuado, ¿cómo se asegura la precisión deseada para el análisis?. El analista debe seleccionar el(los) método(s) de estandarización más adecuado(s) para el análisis de entre los siguientes: gráficas (o curvas) de calibración (o "de trabajo”), adiciones estándares, estándares internos, estándares externos, materiales de referencia como los del National Bureau of Standards (NBS), muestras de prueba ("ciegas") y diagramas de control. Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 23 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Para evaluar la precisión y los resultados de los análisis, el analista debe usar métodos estadísticos, los cuales incluyen límites de confianza, rechazo de puntos aberrantes, análisis de regresión para establecer gráficas de calibración, pruebas de significancia y curvas de distribución gaussianas y no gaussianas. En cada análisis deben reconocerse los parámetros de respuesta críticos y, si es posible, optimizarse. El método simple y otros procedimientos pueden usarse para optimizar las condiciones de una determinación dada. La presentación clara y exacta de los resultados es un requisito importante para cualquier buen método analítico. Esto implica llevar un cuaderno de notas de laboratorio adecuado, presentar los datos -si fuera necesario - en forma gráfica, tener conocimiento adecuado de las cifras significativas para el trabajo, ser capaz de comunicar y resumir el problema original y los procedimientos a usar para obtener los resultados. El objetivo de cada análisis es obtener la información deseada a partir de la muestra y presentarla en forma útil. La instrumentación es sólo un componente del método en su conjunto. El analista debe seguir el flujo de información a través de todo el proceso, no del instrumento solamente; esto permite identificar más fuentes de error potencial. Una atención inadecuada para cada una de las áreas aquí señaladas puede llevar a resultados sin sentido, a pesar del poder analítico del instrumento utilizado. Es interesante comparar métodos instrumentales y no instrumentales de análisis. Ambos tienen puntos fuertes. Los métodos instrumentales generalmente son más rápidos y más sensibles, después que se han establecido las calibraciones necesarias; no obstante, en muchos casos los métodos gravimétricos y volumétricos clásicos son más exactos, aunque mucho más lentos, que los instrumentales. Muchos métodos instrumentales ofrecen límites de detección mejores que los de métodos no instrumentales. La siguiente anécdota permite comparar las dos estrategias de análisis. A un joven y recién graduado doctor (Ph. D.) se le pidió efectuar una determinación de Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 24 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” sílice en una sola muestra. Habiendo hecho su investigación de grado sobre fluorescencia de rayos X, preparó cuidadosamente una serie de patrones o estándares y obtuvo una gráfica o curva de calibración. Posteriormente su supervisor y un colaborador le pidieron los resultados del análisis. Lamentablemente, tuvo que admitir que todavía no había llegado a eso; no obstante, su ayudante ya los había obtenido, haciendo uso del método gravimétrico clásico. Por supuesto, el enfoque instrumental del joven doctor habría funcionado bien, finalmente, en especial si se hubieran tenido muchas muestras. ELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALÍTICO: Los métodos analíticos que se apliquen para producir datos de composición cualquier cosa (alimentos por ejemplo) deben ser apropiados, utilizar técnicas analíticas exactas y ser realizados por analistas entrenados. La selección de un método analítico debe ser realizada por el consejero científico del programa de base de datos, pero esta responsabilidad debe ser compartida con el analista. Si se considera que el principal objetivo de la base de datos de composición de alimentos es nutricional, es evidente que el método de análisis seleccionado para un nutriente debe reflejar lo más fielmente posible el valor nutritivo del alimento. En esta elección de un método particular, se debe conocer, en primer lugar la química del nutriente, la naturaleza del sustrato alimenticio a ser analizado, el efecto del procesamiento y la preparación sobre la matriz del alimento y en el nutriente, y el rango esperado de concentración del nutriente. El segundo requisito es comprender las implicaciones nutricionales del nutriente, lo cual incluye su rol, su distribución en los alimentos y su importancia relativa en alimentos individuales en el suministro dietario total del nutriente. El proceso analítico se puede considerar dividido en tres etapas: I) Operaciones previas (muestreo, acondicionamiento, disolución, separaciones, reacciones analíticas y otras); II) Medición y traducción de la señal analítica mediante Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 25 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” el uso de instrumentos y; III) toma y tratamiento de datos. La calidad de los resultados depende de la calidad de las diferentes etapas del proceso analítico. En la ELECCION de un método se debe focalizar la atención en los principios analíticos involucrados, más que en el grado de sofisticación del instrumento. Muchas veces un método con uso de instrumentos modernos puede producir valores menos confiables que el método tradicional que pretende reemplazar y es preferible desarrollar programas que aseguren la calidad de los datos obtenidos. Suele suceder también que las legislaciones de alimentos se basen en un método estandarizado oficial que puede no ser el más adecuado desde el punto de vista nutricional y, por tal motivo, se deben tomar decisiones individuales en cada caso. CRITERIOS PARA LA ELECCION DE UN MÉTODO Basándose en las consideraciones de Egan (matemático australiano), la elección de métodos debe considerar: a. Dar preferencia a métodos cuya calidad y confianza se ha establecido en estudios colaborativos, o similares en varios laboratorios (ISO / REMCO, 1993) b. Preferir métodos documentados o adoptados por organizaciones Internacionales reconocidas. c. Preferir métodos de análisis que se aplican en forma uniforme a varios tipos de alimentos sobre aquellos que se aplican a alimentos específicos. Entre los atributos a considerar en la calidad de un método se deben mencionar aquellas características que son básicas: confiabilidad, aplicabilidad, especificidad, exactitud, precisión, detectabilidad y sensibilidad. Confiabilidad Es un término general cualitativo que expresa el grado de cumplimiento satisfactorio de un método analítico en términos de sus variados atributos técnicos (aplicabilidad, exactitud, precisión, sensibilidad y detectabilidad), siendo por lo tanto, un concepto Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 26 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” compuesto. El objetivo del análisis es determinar cuál de estos atributos es importante y cuál puede estar comprometido. Ejemplo: si se desea analizar un componente mayor no se requiere un bajo límite de detección. Aplicabilidad En la aplicabilidad de un método se debe considerar que esté libre de interferencias producidas por otros materiales presentes en la muestra alimenticia, asimismo influye el rango en que se va a usar el método. Especificidad o selectividad Es la habilidad de un método para responder exclusivamente a la sustancia que se desea analizar. Sin embargo, en algunas ocasiones se aceptan métodos con una pobre especificidad cuando el propósito del análisis es captar compuestos similares dentro de un grupo (Ejemplo: grasa total, cenizas) La especificidad se refiere a la propiedad del método de producir una señal medible debida sólo a la presencia del analito, libre de interferencia de otros componentes en la matriz de la muestra. Exactitud Es la cercanía del valor analítico al "valor verdadero" de concentración del compuesto de interés en el material bajo examen. Es la concordancia entre la mejor estimación de una cantidad y su valor real. La inexactitud es la diferencia numérica entre el valor promedio de un conjunto de repeticiones y el valor verdadero. En la práctica la cercanía a un estándar de algún tipo se toma como medida de exactitud. Matemáticamente se expresa: Desviación: Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 27 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Desviación relativa: Recuperación X = valor promedio X = valor verdadero De todas ellas, sin lugar a dudas, la más utilizada es la recuperación (sobre todo dentro del campo de la tecnología de alimentos). Si bien el valor verdadero de la concentración no se conoce sino que sólo puede estimarse, es posible preparar una muestra por un procedimiento más exacto que el evaluado (por pesada, dilución en peso, etc.) y utilizarla como referencia. La exactitud o mejor dicho la inexactitud debe ser tan pequeña como sea posible para que el valor medido se aproxime al de referencia, o sea, la recuperación debe acercarse al 100%. En el análisis de macrocomponentes, en general se requiere que el valor medido no difiera significativamente del aceptado como referencia. Para determinarlo, se utiliza un ensayo t de Student (prueba usada en estadística y probabilidad, especialmente cuando las muestras son pequeñas) efectuando varias determinaciones de la muestra de concentración conocida y calculando el t experimental (tob) que se compara con tablas t para n-1 grados de libertad en el nivel de confianza escogido, generalmente p=0,05. Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 28 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Si el tob es menor que el valor tabulado el método tiene la exactitud requerida para ese ámbito de confianza. Si el tob resulta mayor que el valor tabulado, el método tiene un error sistemático, del signo resultante, para ese ámbito de confianza. Precisión En términos reales más bien se debe considerar la imprecisión que corresponde, aproximadamente, al término dispersión y variabilidad analítica. La imprecisión se determina haciendo ensayos repetitivos de una misma muestra analítica o de cada conjunto de muestras analíticas y luego se calcula la desviación estándar, siendo muy importante en este caso la homogeneidad del sustrato. La precisión tiene la desventaja que requiere que los valores se distribuyan normalmente, que enfatiza los valores extremos de una serie de mediciones y que en muchos métodos aumenta la desviación estándar cuando aumenta la concentración. Para evaluar datos de un amplio rango de concentración es más útil calcular la desviación estándar relativa (RSD) o bien el coeficiente de variación porcentual (CV%). La precisión está relacionada con la disposición de las medidas alrededor de su valor medio o central y corresponde al grado de concordancia entre ensayos individuales Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 29 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” cuando el método se aplica repetidamente a múltiples alícuotas de una muestra homogénea. La precisión se expresa matemáticamente por "S" o más comúnmente por RSD o CV. Los estimadores desviación estándar y desviación estándar relativa permiten evaluar la incertidumbre en la estimación de la medida (error aleatorio, correspondiente a la dispersión de datos alrededor de la media). La precisión de un método analítico debe estudiarse sobre: a. El sistema, evaluando la dispersión de al menos 6 inyecciones del estándar por ejemplo en técnicas como el HPLC. b. El método, evaluando la dispersión de varias preparaciones de la muestra final homogénea. La evaluación corresponde a todo el procedimiento, desde la preparación de la muestra hasta la medición del analito por parte del instrumento. La imprecisión causada por las diluciones es un factor que con frecuencia se olvida. La precisión se puede medir en condiciones repetitivas (mismo analista, mismo día, mismo instrumento) y en condiciones reproducibles (diferente analista, diferente día, diferente instrumento). En muchos casos debe indicarse el límite o intervalo de confianza de la medida, el cual corresponde al rango en el cual puede definirse la probabilidad de capturar el parámetro con la probabilidad indicada. Cuando el número de muestras es pequeño (menos de 30), las medidas independientes y la distribución normal se calculan de acuerdo a la distribución t de Student Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 30 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” tabulado para n mediciones con v=n-l grados de libertad y para varios niveles a de significancia (el más aplicado es p=0,05 correspondiente a un intervalo de confianza del 95%). Detectabilidad o Límite de detección Es la cantidad mínima de una sustancia (definida en término de cantidad absoluta o concentración) que proporciona una respuesta medible para un método descrito. Sensibilidad Es la pendiente de la curva respuesta -concentración, o el cambio de respuesta por unidad de concentración. Si la pendiente es empinada el método tiene alta sensibilidad y si la pendiente es poco empinada, el método posee una baja sensibilidad. En estudios de composición de nutrientes el análisis de elementos trazas requiere alta sensibilidad, lo que en la práctica se puede lograr mediante amplificación electrónica o por concentración química del analito. En la Gráfico 1 se resumen los 0atributos a considerar en la calidad: Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 31 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN-MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” Respuesta en función de la concentración del analito, Atributos de los métodos Asignatura: METODOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL/ISEMESTRE 2016 Compilado por : Elvis María Jiménez Peralta/Docente Página 32 ALGUNOS TÉRMINOS IMPORTANTES Analito: Especie motivo de estudio en una muestra analitica Muestra: a) Material sobre el cual se hace una determinación. b) Material del que se toman porciones para la preparación de un sistema susceptible de mediciones que determinen la cantidad de un constituyente deseado. Muestra Analitica: Misma composición de la muestra de laboratorio, pero ha sido sometida aun proceso previo a su análisis generalmente molienda o pulverizado. Matriz: Conjunto de todas aquellas especies químicas a que acompañan al analito de la muestra, esto es incluye al analito y a todos los demás constituyentes que son los llamados concomitantes. Matriz analitica: Se refiere específicamente a la matriz de la muestra analitica Técnica Analitica: Fenómeno científico que ha demostrado ser de utilidad para proporcionar resultados confiables Ej. Cromatografía. Método analítico: Es la aplicación específica de una técnica analitica para resolver un problema analítico IMPORTANCIA ACTUAL DE LAS TÉCNICAS INSTRUMENTALES En la industria actual la necesidad de resultados rápidos y fiables hacen que el mercado de instrumental de laboratorio sea cada día más dinámico. Por este motivo, los proveedores están dando una rápida respuesta a las exigencias de automatización, permitiendo determinaciones a niveles inferiores, mayor especificidad y mayor facilidad en la detección de cualquier fallo que pueda presentar un producto. A continuación, desgranamos algunos de aquellos instrumentos y técnicas que se utilizan para conseguir la excelencia en los procesos y esa perfección en el producto final. 33 DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN - MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” REDACCIÓN INTEREMPRESAS En esta última época en ámbitos de análisis como la industria alimentaria o farmacéutica, se están introduciendo nuevos equipos basados, no tanto en las técnicas de valoración tradicionales, sino en otras como la cromatografía líquida. Los equipos son mucho más sofisticados, permitiendo acortar el tiempo en la generación de resultados, además de procesar un mayor número de muestras con un mismo equipo. Hoy en día, todos los centros de análisis comienzan a disponer de equipos sofisticados, como por ejemplo espectómetros de masas, que hasta hace poco sólo se encontraban en centros de investigación. En la instrumentación, la investigación se enfoca en dotar al mercado de nuevos equipos que permiten conocer los resultados en tiempo real y cada vez con más precisión. El requerimiento de resultados rápidos impulsa la innovación La demanda de una mayor velocidad de procesamiento de las muestras está impulsando la innovación, en especial en el campo de la cromatografía, que es la técnica de análisis más antigua. Aunque esta tecnología ha alcanzado de sobra su edad adulta, los métodos de separación cromatográficos y, en particular, la cromatografía de gases (GC) capilar y la cromatografía líquida de alta resolución (HPCL) se emplean en prácticamente todos los laboratorios de análisis químico, sobre todo en combinación con las técnicas de selección de masas. Conceptos como la cromatografía de gases rápida (Fast GC) o la cromatografía líquida rápida (Fast LC), que se han empezado a escuchar recientemente en el mundillo de los laboratorios, ejemplifican el intento de reducir los tiempos de análisis al mínimo sin sacrificar la calidad de los resultados. En GC, las aplicaciones rápidas son viables en la medida en que es posible reducir la longitud y el diámetro interno de las columnas. El desarrollo de nuevos materiales de relleno de las columnas basados en nanotubos o nanopartículas podría mejorar el rendimiento de los sistemas cromatográficos, pero es una tecnología todavía en pañales. Asignatura: Metodos de Análisis Instrumental/ III año Quimica Industrial Compilado por Profesora de la asignatura: Elvis María Jiménez Peralta DEPARTAMENTO DE QUIMICA UNAN - MANAGUA “AÑO DE LA MADRE TIERRA” La cromatografía líquida permite mejorar la capacidad de separación y resolución, además de reducir significativamente el consumo de disolventes orgánicos caros o tóxicos Para aumentar la capacidad de análisis de muestras complejas, los usuarios están recurriendo cada vez más a la combinación de distintas técnicas, como análisis del espacio de cabeza, extracción LVI, termodesorción directa, microextracción en fase sólida (SPME) o extracción por sorción con barras magnéticas agitadoras. Estas técnicas pueden combinarse con cromatografía multidimensional (GC-xGC), una técnica en la que se conectan columnas con diferente polaridad, y con la selección de masas, sobre todo MS/MS. Este método perite capturar iones y refragmentarlos para investigarlos posteriormente en condiciones de aislamiento. Asignatura: Metodos de Análisis Instrumental/ III año Quimica Industrial Compilado por Profesora de la asignatura: Elvis María Jiménez Peralta
