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Rodríguez, M. I.; Rodriguez Areal, M. M.; Sales, A. M. : Hierro y Manganeso en Aguas Subterráneas: Validación del Método
Analítico de Espectrometría de Absorción Atómica con Vaporización Electrotérmica
Hierro y Manganeso en Aguas Subterráneas:
Validación del Método Analítico de Espectrometría
de Absorción Atómica con Vaporización
Electrotérmica
Rodríguez, Mónica I.; Rodriguez Areal, María Magdalena;
Sales, Adriana M.
Instituto de Química Analítica, Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. U.N.T. Ayacucho 471.
San Miguel de Tucumán. CP: 4000. E-mail: [email protected]
Iron and Manganese in Groundwater: Electrothermal
Atomic Absorption Spectrometry Analytical Method
Validation
Abstract
The aim of this work is iron and manganese quantification in groundwater
carried out through an Electyrothermal Atomic Absorption Spectrometry
analytical method development and validation. The quality parameters
obtained were: detection limit, quantification limit, limit of linearity,
calibration curve intercept and slope, accuracy, precision and recovery
experiments.
Key Words: groundwater, iron, manganese, ET AAS, validation.
Resumen
El objetivo de este trabajo es cuantificar hierro y manganeso en aguas
subterráneas mediante el desarrollo y la validación de un método analítico
usando Espectrometría de Absorción Atómica con Vaporización
Electrotérmica. Los parámetros de calidad obtenidos fueron: Límite de
Detección, Límite de Cuantificación, Intervalo Lineal de Trabajo, Ordenada
al origen y pendiente de la recta de calibración, Exactitud, Precisión y
recuperación de analito.
Palabras Clave: Aguas subterráneas; Hierro; Manganeso; ET AAS;
Validación.
— Ciencia, Vol. 5, Nº 16, Mayo 2010. Página 39 —
Rodríguez, M. I.; Rodriguez Areal, M. M.; Sales, A. M. : Hierro y Manganeso en Aguas Subterráneas: Validación del Método
Analítico de Espectrometría de Absorción Atómica con Vaporización Electrotérmica
Introducción
La presencia de hierro
y manganeso en el agua no provoca problemas de
salud aunque sí pueden conferirle sabor, olor y color indeseables. Así, el hierro
puede causar manchas rojizas-cafés en la ropa, porcelana, platos, utensilios
de cocina, vasos, bañeras, accesorios de plomería, etc. El manganeso, por su
lado, puede producir manchas cafés-negras en los mismos materiales. Estas
manchas no son removidas por los detergentes, e incluso se
pueden
intensificar con el uso de lavandina y productos alcalinos, tales como sodio y
bicarbonato. Los depósitos de hierro y manganeso se acumulan en los tubos
de cañerías, tanques de presión, calentadores de agua y equipos ablandadores
de agua. Estos depósitos restringen el flujo del agua y reducen la presión de la
misma, requiriéndose así un mayor consumo de energía –y un consiguiente
aumento de los costos- para su bombeo y calentamiento (McFarland and
Dozier, 2004). Desde el punto de vista sanitario, uno de los riesgos reside en
que estos elementos consumen el cloro de la desinfección, quedando el agua
desprotegida frente a agentes patógenos.
Los valores máximos fijados por el CAA (Código Alimentario Argentino) son
para el hierro de 0,30 mg.L-1 y para el manganeso 0,10 mg.L
-1.
En los últimos
años se advierte una tendencia general, por parte de los organismos de control
de calidad de agua para consumo humano, a reducir los niveles máximos
permitidos de sustancias en el agua, lo que lleva a la necesidad de desarrollar
técnicas analíticas con límites de detección más bajos.
El objetivo de este trabajo es cuantificar Fe y Mn en aguas subterráneas con
contenidos por debajo de los límites de detección de la técnica de
Espectromería de Absorción Atómica con llama (AAS), técnica usada
comúnmente y sugerida por el APHA AWWA, WPCF, 1992. Con este fin se
desarrolló un método analítico para cada uno de los elementos citados usando
la
técnica
de
Espectromería
Electrotérmica (ET AAS) y
de
Absorción
Atómica
con
Vaporización
se validaron los mismos con el fin de probar y
demostrar la capacidad del laboratorio para producir resultados confiables. Un
método analítico se aplica después de haber comprobado su validez tras
muchos ensayos y errores. Un requisito sumamente importante para cada
procedimiento analítico es demostrar que el procedimiento mide lo que el
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analista dice que mide de un tipo específico de muestra (Rubinson y
Rubinson, 2001). Según la norma ISO 17025 la validación es la confirmación,
a través de examen y el aporte de evidencias objetivas, de que se cumplen los
requisitos particulares para un uso específico previsto del método. La
validación debe ser tan exhaustiva como sea necesario para responder a las
necesidades de la aplicación en cuestión. (Stegen et al., 2006). Algunos de los
parámetros que permiten evaluar el rendimiento de un método son: exactitud,
precisión, repetitividad y reproducibilidad, linealidad, rango, límite de
detección y de cuantificación (Miller y Miller, 1993; Cámara et al., 2002).
Los métodos desarrollados y validados se aplicaron a muestras de agua
subterránea que pertenecen a la cuenca del río Calera ubicada en la región
noreste de la provincia de Tucumán. El río Calera es un típico río de montaña
que circula entre las sierras de Medina y de La Ramada, presenta un trazado
meridional, siendo el único afluente de la margen izquierda del río Salí. En
esta zona se encuentra un importante asentamiento urbano que usa el agua
subterránea para bebida de animales, riego de cultivos y consumo humano
(D’Urso et al., 2007).
Parte Experimental
Reactivos
1. Ácido Nítrico 65%, Merck, p.a., bidestilado en sub-boiling y
almacenado en botella de teflón (FEP) descontaminada.
2. Solución estándar de hierro, 1000 mg.L-1. Merck, Certif. pur. A partir
de esta solución se preparó un estándar intermedio de 10 mg.L-1 y
luego la solución de trabajo de 50 μg.L-1.
3. Solución estándar de manganeso, 1000 mg.L-1. Merck, Certif. pur. A
partir de esta solución se preparó un estándar intermedio de 10
mg.L-1 y luego la solución de trabajo de 20 μg.L-1.
4. Agua desionizada obtenida de NANOpure (18 MΩ.cm).
5. Modificador de matriz Mg(NO3)2 10.000 mg.L-1, Perkin Elmer.
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Análisis de Hierro y Manganeso por ETAAS
Los análisis de hierro y de manganeso fueron realizados en un Espectrómetro
de Absorción Atómica Perkin- Elmer, modelo AAnalyst 100 provisto de un
horno de grafito HG 800, autosampler AS-72, con lámpara de deuterio para
corrección de background. Las determinaciones se realizaron en tubos de
grafito con plataforma pirolítica integrada optimizando las condiciones del
programa de temperatura. Se usó gas Ar como purga a 250 ml.min-1.
Para el hierro se usó una temperatura de pirólisis de 1400oC, mientras que la
temperatura de atomización fue de 2400oC, enfriando antes de la atomización
a 20ºC. Se midieron áreas de pico a 248,3 nm usando lámpara de cátodo
hueco como fuente. Como modificador de matriz se usaron 5 μL de la solución
de nitrato de magnesio que corresponden a 0,05 mg. La cuantificación se
realizó mediante una recta de calibración con estándares de 10 – 15 – 20 – 25
– 37,5 y 50 μg.L-1. La recta fue construida por dilución de una solución de 50
μg.L-1 automáticamente con el autosampler. Se usó como blanco de
calibración solución de HNO3 5%. El volumen inyectado fue de 20μL, tanto
para el blanco, las soluciones de calibración y las muestras.
Para el manganeso se usó 1400oC como temperatura de pirólisis y 22000C
para la temperatura de atomización. Se midieron áreas de pico a 279,5 nm,
usando lámpara de cátodo hueco como fuente. Como modificador de matriz se
usaron 5 μL de la solución de nitrato de magnesio que corresponden a 0,05
mg. La cuantificación se realizó mediante una recta de calibración con
estándares de 3 – 5 – 10 - 15 y 20 μg.L-1. La recta fue construida por dilución
de una solución de 20 μg.L-1 automáticamente con el autosampler. Se usó
como blanco de calibración solución de HNO3 5%. El volumen inyectado fue de
20μL, tanto para el blanco, las soluciones de calibración y las muestras.
Aplicación de los métodos
Los métodos se aplicaron para la determinación de Fe y Mn en 22 muestras de
agua subterránea de la cuenca del río Calera. Las mismas fueron recogidas de
pozos
censados
en
la
región,
en
envases
plásticos
previamente
descontaminados con HNO3 al 10%; luego fueron rotuladas y trasladadas al
laboratorio donde se las acondicionó para su posterior análisis acidificando a
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pH< 2 por adición de HNO3 concentrado. Las muestras se conservaron en
ambiente refrigerado a 4ºC, hasta su análisis.
Resultados
Para cada uno de los elementos estudiados en el presente trabajo se
obtuvieron los siguientes parámetros de calidad.
Sensibilidad
Este parámetro se puede determinar de diferentes maneras, por ejemplo a
partir de la pendiente de la recta de calibración (Cámara et al., op.cit). Cuando
se usa la técnica de ETAAS se trabaja con el parámetro denominado “masa
característica” para expresar la sensibilidad (Method GS2/3-24, ICUMSA,
1998), la que se define como la masa de un elemento, expresada en pg (picogramos) requerida para producir una señal de absorbancia integrada de
0,0044. Este valor es útil para verificar si las condiciones instrumentales
están optimizadas y si el equipo está funcionando según las especificaciones.
Se evalúa por medida de la Absorbancia de una concentración conocida del
elemento a determinar y comparación del valor obtenido con el valor esperado
mediante la siguiente expresión:
masa característica ( pg ) =
0,0044( A.s). conc.st ( pg / μL). 20 μL
Aleída ( A.s )
donde la Aleída corresponde al valor de Absorbancia integrada de una solución
estándar de concentración “conc.st”.
Los valores obtenidos experimentalmente se encontraron en el ámbito de los
valores indicados por el fabricante ±20%, lo que indica que las condiciones son
favorables para la determinación. En la tabla 1 se indican los valores de masa
característica
del
fabricante,
como
valores
teóricos,
experimentales obtenidos.
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y
los
valores
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Valor teórico
(pg)
Valor experimental
(pg)
Fe
5
4
Mn
2
2,3
Tabla 1 – Valores teórico y experimental de sensibilidad.
Linealidad
La linealidad de los métodos se evaluó analizando soluciones estándares por
triplicado. Como se citó anteriormente los niveles de concentración para la
construcción de la recta de calibración para el Fe fueron de 10 – 15 – 20 – 25 –
37,5 y 50 μg.L-1. Fig.1.
y = 0,0108x + 0,002
r = 0,9993
Fe
A
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
C
Fig. 1 – Recta de calibración para hierro.
Los niveles de concentración para la calibración metodológica del Mn fueron
de 3 – 5- 10 - 15 y 20 μg.L-1. Fig. 2.
Mn
y = 0,0356x - 0,005
r = 0,9996
A
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
C
Fig. 2 – Recta de calibración para manganeso.
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Límite de Detección (LD) y Límite de Cuantificación (LC)
El valor del LD se obtuvo a partir de los datos del análisis de regresión lineal
simple como se indica en Sales et al., (2007), considerando la relación
señal/ruido igual a 3, mientras que el valor del LC fue calculado usando dicha
relación igual a 10. En la tabla 2 se presentan los valores obtenidos.
Fe
Mn
L D (μg.L-1)
0,88
0,73
L C (μg.L-1)
2,95
2,42
Tabla 2 – Límites de Detección y Cuantificación.
Los límites de detección resultaron, como es de esperarse, inferiores a los
correspondientes a la técnica de AAS para la cual el Fe presenta un valor de
50 μg.L- 1 mientras que el correspondiente para Mn es igual a 20 μg.L-1.
Precisión
La precisión fue calculada en términos de repetitividad y de precisión
intermedia. Para la repetitividad se analizaron 2 soluciones estándares por
quintuplicado, trabajando en las mismas condiciones –equipo, analista y
reactivos-. De aquí se obtuvieron los valores de los coeficientes de variación
(CV) intra-día, que corresponden a la desviación estándar relativa porcentual.
Para la precisión intermedia, el mismo procedimiento de medida se repitió tres
días consecutivos en las mismas condiciones -equipo, analista y reactivos-. De
aquí se obtuvieron los valores de los coeficientes de variación (CV) inter-día.
En la tabla 3 se indican los valores obtenidos para los coeficientes de variación
inter e intra- día.
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Fe (μg.L-1)
CV intra-día (%)
Repetitividad
CV inter-día (%)
Precisión inter.
Mn (μg.L-1)
10
37,5
5
20
12,6
6,8
6,5
4,2
17,0
15,8
12,6
10,8
Tabla 3 – Repetitividad y Precisión intermedia
Veracidad: Sesgo y Recuperación
El error relativo asociado al sesgo se calculó en base a la concentración de
soluciones estándares con la expresión correspondiente:
Er % =
x − c st
c st
.100
Para el Fe el error relativo porcentual resultó igual a 11,3 %, mientras que
para el Mn se obtuvo un error relativo porcentual igual a 4,5 %.
También se obtuvieron valores de recuperación para lo cual se agregó una
cantidad conocida de analito a una muestra y se analizó, mediante el método
a validar, obteniendo así la relación entre el valor medido y el valor conocido
agregado.
Para el Fe se obtuvo un valor del 83,5 % mientras que para el Mn dio igual a
90,6 %. En este cálculo se evalúa las interacciones analito-matriz.
Exactitud
La exactitud de cada método se calculó según indican las normas ISO 17025,
como la suma de la precisión y el sesgo.
Para el Fe se consideró la precisión intra-día para el estándar de 10 μg.L-1. Así
la Exactitud obtenida dio igual a: CV+ Er% = 23,90 %, valor mayor al
esperado, y que indica la presencia de errores sistemáticos, suponiéndose
debido a problemas típicos de contaminación en el ambiente.
Para el Mn, considerando el estándar de 5 μg.L-1, la Exactitud resultó igual a
11,00 %.
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Aplicación a muestras de agua
Se aplicaron los métodos desarrollados para la determinación de Fe y de Mn
en 22 muestras de agua subterránea pertenecientes a la Cuenca del río
Calera, en las que se obtuvieron los siguientes valores expresados como
x ± 2s . El ámbito de valores de Fe encontrado resultó entre 1,7 ± 0,2 µg.L-1 y
1360 ± 92 µg.L-1. Mientras que el ámbito de concentraciones de Mn resultó
entre 0,36 ± 0,04 µg.L-1 y 42 ± 4 µg.L-1.
Conclusiones
Se optimizaron y validaron los métodos para la determinación de Fe y Mn
mediante la técnica de ETAAS, obteniéndose límites de detección y límites de
cuantificación inferiores a la llama como era de esperarse.
Se obtuvieron valores de sesgo y precisión que dieron lugar a una exactitud
adecuada para dicha técnica, siendo menor la exactitud para el Fe, lo que se
considera razonable dado los problemas de contaminación que presenta el
mismo. Cabe resaltar que el laboratorio en el que se realizaron los análisis es
un laboratorio “limpio” ya que cuenta con un ambiente aislado e insufladores
de aire puro.
Los métodos se aplicaron a muestras de aguas subterráneas con bajos
contenidos de estos elementos que no daban señal a la llama.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Dr. José P. López, director del Proyecto: “Petrología y
geoquímica del basamento metamórfico y de intrusivos graníticos paleozoicos
de Cumbres Calchaquíes, Sierra de Aconquija y Sierra de Quilmes, Provincias
de Tucumán y Catamarca. Interacción con el medioambiente”. CIUNT.
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