Objetivos instruccionales
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Objetivos instruccionales ■ Hablar con rigor analítico ■ Establecer la sistemática de resolución de un problema analítico ■ Evaluar la importancia de la toma de muestra en el proceso analítico ■ Controlar las fuentes de error en la toma de muestra ■ Aplicar diferentes tipos de tratamiento de la muestra, según su estado de agregación y el analito a determinar ■ Reconocer los patrones primarios frente a los secundarios ■ Diferenciar patrones primarios frente a materiales de referencia certificados ■ Estandarizar una disolución patrón ■ Escoger el patrón adecuado para la estandarización de una disolución patrón ■ Emplear correctamente el material volumétrico de laboratorio para medidas exactas y para medidas aproximadas ■ Reconocer cuándo hay que utilizar una recta de calibrado para cuantificar un analito en una muestra ■ Distiguir la utilidad de los diferentes tipos de técnicas de cuantificación ■ Construir una recta de calibrado mediante la técnica del patrón externo, el patrón interno y las adiciones estándar ■ Definir los parámetros de calidad de la medida en química analítica ■ Diferenciar y controlar los tipos de error asociados a la medida ■ Reconocer el número de cifras significativas que se proporcionan en los resultados analíticos INTRODUCCIÓN ■ Definición ✓ ■ Ciencia Metrológica Química cuya misión es generar información cualitativa y cuantitativa sobre cualquier tipo de materia o sistema. Objetivo genérico ✓ Obtener cada vez más cantidad y calidad de información utilizando menos material, menos tiempo, menos esfuerzo, menos costes y menos riesgos. Clasificaciones de la Química Analítica Análisis cuantitativo Análisis cualitativo Análisis estructural Análisis clásico Análisis instrumental Otros Según la finalidad Según la técnica Según el tamaño de la muestra - Ultra-micro: < 0.001 g Micro: entre 0.001 y 0.01 g Semi-micro: entre 0.01 y 0.1 g Macro: > 0.1 g Según la naturaleza de muestras y analitos Según la proporción de los analitos Macro-componentes > 1% Micro-componentes entre 0.01 y 1% Trazas < 0.01% (100 ppm) •Inorgánica •Orgánica •Bioquímica Técnica vs método vs procedimiento Proceso analítico Objeto (sistema) Muestreo Tratamiento previo Medida Resultado TÉCNICA MÉTODO PROCEDIMIENTO Información analítica Bibliografía en Química Analítica Revistas analíticas ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Analytica Chimica Acta Analytical Chemistry Analytical Letters The Analyst Association of Official Chemists Journal Chemist-Analyst Chemia Analityczna Chimie Analytique Clinica Chimica Acta Collection of Czechoslovak Chemical Communications Helvetica Chimica Acta Journal of Analytical Chemitry of the U.S.S.R. Journal of Chromatography Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry Journal of Gas Chromatography Journal of Radioanalytical Chemistry Microchimica et Ichnoanalytica Acta Radiochemical and Radioanalytical Letters Talanta Zeitschrift für analytische Chemie ... Resúmenes, Avances, Revisiones de puesta al día ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Analytical Abstracts Chemical Abstracts Chemical Titles Current Chemical Papers Electroanalytical Abstracts Gas Chromatography Abstracts Advances in Analytical Chemistry and Instrumentation Advances in Chromatography Advances in Electroanalysis Advances in Mass Spectrometry Advances in X-Ray Analysis Electroanalytical Chemistry: A Series of Advances Ion Exchange: A series of Advances Applied Spectroscopy Reviews Analytical Chemistry-April Review Issue Annual Reports of the Chemical Society, London Chromatographie Reviews Progress in Nuclear Energy -Series IX- Analytical Chemistry Thermal Analysis Reviews PASOS BÁSICOS DEL ANÁLISIS ■ Antes de comenzar un análisis, debe considerarse una serie de factores cuyo conjunto dará lugar a lo que se considera el método analítico: Planteamiento del problema Técnica a utilizar Toma y preparación de la muestra Aplicación adecuada del método Obtención y análisis de los resultados TIPOS DE TÉCNICAS • Clásicas • Instrumentales Gravimetría Extracción Separación Precipitación •Columna •Superficie Complejación HPLC Cromatográficas Volumétricas GC Neutralización Redox Electroquímicas Polarografía Conductimetría Potenciometría Absorción •AAS •UV •Visible •IR Ópticas Emisión •EAS •Fluorescencia Turbidimetría Nefelometría Refractometría Técnica a utilizar Factores a considerar ✓ ✓ ✓ ✓ Exactitud y sensibilidad Coste Número de muestras a analizar Número de componentes en la muestra El procedimiento que se utilice tiene que producir resultados de forma rápida y con un coste acorde con el tipo de muestra que se tiene Factores a considerar en la selección del método de análisis ü Límite de detección ü Cantidad de muestra ü Exactitud ü Coste ü Precisión ü Seguridad ü Rapidez ü Especificidad ü Instrumentación requerida El procedimiento que se utilice tiene que producir resultados de forma rápida y con un coste acorde con el tipo de muestra que se tiene Muestras Tienen que ser representativas Los pasos tienen que asegurar que el resultado refleja la composición media del total. Ejemplo: determinación de Fe en una aleación Los minerales y las aleaciones son heterogéneos. Analizar una única muestra no proporciona resultados válidos para un “lote” completo. Hay que seleccionar la muestra y su preparación para minimizar el problema, teniendo en cuenta el tamaño de partícula, la homogeneidad del material y el sesgo. Muestras Selección de la muestra Requiere algún conocimiento sobre la fuente y la historia de la muestra Un procedimiento común es seleccionar varias muestras de forma aleatoria para el análisis: Pulverizar las muestras Mezclar el polvo Seleccionar una fracción para el ensayo Réplicas de la muestra Todos los métodos tienen errores asociados Utilizando muestras múltiples identificarse esos errores. y réplicas pueden Muestras múltiples ✓ ✓ Preparadas de forma idéntica pero procedentes de otra fuente Se utilizan para verificar si la toma de muestra es válida Réplicas ✓ ✓ Son divisiones de la misma muestra Ayudan a identificar los errores en el método Muestras sólidas ✓ Partículas en movimiento ✓ Partículas en reposo ✓ Sólidos compactos Muestra de Sólido compacto Ranura Tubo exterior Tubo interior Agujeros concéntricos Submuestreo de sólidos ✔ Cuarteo conos por formación de ✔ Estriado Muestra Manual c a b c’ a’ b’ 50% muestra Muestras líquidas ✓ Líquidos en recipientes cerrados ✓ Líquidos en recipientes abiertos Plástico inerte válvulas bomba Empujar para subir el émbolo muestra Bajar para cerrar Émbolo Muestra Puntos de muestreo Tapón Lecho del lago Muestras líquidas ✓ Líquidos fluyentes en sistemas abiertos ✓ Líquidos fluyentes en sistemas cerrados Turbulencia Botella Cesta Plomada Punto de muestreo Turbulencia Punto de muestreo Muestras gaseosas Fluidos en tuberías ✓ Muestras atmosféricas Turbulencia Punto de muestreo Bomba manual Entrada de muestra Turbulencia Punto de muestreo Bom suc ba de ción ✓ Cilindro para almacenar la muestra de gas Filtro de teflon Partículas de carbono activo tratado Aire Plan de muestreo CRITERIO ¿CUÁNDO? ¿CÓMO? ¿DÓNDE? ■ SELECCIÓN DE RECIPIENTE, LIMPIEZA, ETC. ■ ESTABILIDAD DE LA MUESTRA ✓ ✓ ✓ ■ Aditivos Temperatura Luz OTROS ✓ ✓ Precisión y exactitud requeridas Número,tamaño, localización concreta de las muestras OBTENER MUESTRA Etapas en el tratamiento de la muestra OBJETIVO: transformar la muestra en una forma adecuada al método analítico MUESTRA BRUTA SÓLIDA LÍQUIDA GASEOSA TRATAMIENTO MUESTRA BRUTA HOMOGENEIZACIÓN ADSORCIÓN •Secado •División •Pulverización SEPARACIÓN DE FASE •Absorbentes líquidos •Adsorbentes sólidos HOMOGENEIZACIÓN •Sin cambio químico •Con cambio químico •Fase líquida •Fase sólida PRECONCENTRACIÓN •Mezcla a elevado nº de rpm •Pruebas de homogeneidad •Evaporación •Secado •Precipitación SUBMUESTREO SUBMUESTREO •Por pesada •Por volumen Tipos de tratamientos previos MUESTRA BRUTA TÉCNICAS DE SEPARACIÓN Reacciones no analíticas Toma de muestra Destrucción mat. orgánica Reacciones analíticas Medida de masa/volumen Disolución Disgregación Medida de volumen/masa Homogeneización Conservación Introducción en el instrumento Secado Triturado Tamizado INSTRUMENTO Técnicas de separación Primera fase (Muestra) Fase final PRINCIPALES TÉCNICAS DE SEPARACIÓN Adsorción Sólida SÓLIDA Interfase GAS Líquida Absorción, difusión gaseosa Líquida Lixiviación Fluido supercrítico Líquida LÍQUIDA Extracción con fluidos supercríticos Miscible Diálisis Inmiscible Extracción líquido-líquido Activa Sólida Formada in situ Adsorción, cambio iónico, SPE Precipitación Material de laboratorio Material volumŽtrico •A •B Material gravimŽtrico Productos químicos de laboratorio ■ Estándares ✓ Primarios • Se utilizan en trabajos específicos • Son estables, homogéneos y trazables al S.I. de medidas • Puede ser material certificado por organismos internacionales (CRM) ✓ Secundarios • Se utilizan en trabajos rutinarios ■ Reactivos ✓ ✓ ■ Diferentes calidades: RA, PRS, PR, QP, HPLC, IR, UVIR… Dan lugar a las disoluciones del laboratorio. Disolventes ✓ ✓ Hay diferentes purezas (HPLC, Pestipur, …) Los más empleados son el agua y el etanol. Los patrones primarios ■ ■ Son la referencia en las medidas analíticas. Características: ✓ ✓ ✓ ✓ ■ ■ Reactivo valorante Estándar secundario Pureza y estabilidad altas. Peso equivalente elevado. Reacción estequiométrica y rápida. Error de valoración pequeño. Reacciones A-B ✓ Na2CO3 ✓ Na2B4O7·10H2O ✓ KH(C8H4O4) ✓ φCOOH ■ Complejometrías ✓ EDTA ê sal disódica ✓ CaCO3 ■ Reacciones redox ✓ K2Cr2O7 ✓ KIO3 ✓ Na2C2O4 ✓ As2O3 Reacciones de precipitación ✓ AgNO3 ✓ NaCl Patrón primario Muestra problema Calibración ■ En muchos métodos, se mide una respuesta que es proporcional a la concentración de analito. ✓ ✓ ✓ ✓ ■ Gravimetría: peso de un precipitado Volumetría: volumen de valorante necesario Espectrofotometría: radiación/luz absorbida Cromatografía: área de pico Hay que establecer la relación entre la respuesta medida y la concentración de analito: Canalito = f (x) ■ En la mayor parte de los métodos se establece una relación lineal: Canalito = mx + b Calibración en métodos absolutos ■ Se conoce la relación estequiométrica entre la propiedad medida (volumen o peso) y la concentración de analito. nA + mR Ö AnRm CNi 2+ = Peso Ni(DMG)2 Volumen Ni2+ × 1mol(↓ ) PM Ni(DMG)2 × 1mol(Ni 2+ ) 1mol(↓ ) = k × Peso Ni(DMG) 2 A + B Ö S + H2O CNaOH Vol HCl Vol NaOH mol HCl L HCl 1 mol NaOH 1 mol HCl k Vol HCl ■ No se utilizan rectas de calibrado porque k es conocida (es función de la estequiometría de la reacción y de las condiciones experimentales del análisis). ■ Es necesario realizar una determinación EN BLANCO CA = WB + k WAnRm CA = VB + kVB Calibración en métodos comparativos ■ No se conoce la relación entre la propiedad física medida y la cantidad o concentración de analito. ■ Relación ✓ ✓ ■ Los estándares tienen que: ✓ ✓ ✓ ■ Lineal Ô CA = Po + kPA Se establece mediante un estándar o varios haberse preparado de forma idéntica a la muestra tienen que tener una composición igual a la de la matriz tienen que prepararse en el rango de concentración que se espera para las muestras El número y tipo de estándares depende del método Calibración en métodos comparativos Tipos de calibración: Método del patrón externo • Cuando las disoluciones patrón pueden prepararse en la misma matriz que está la muestra. Método de las adiciones estándar • Cuando el efecto de la matriz es constante. • No hay medida del blanco. Método del patrón interno • Cuando la constante es variable durante el análisis. • El valor de k se determina experimentalmente, a partir de disoluciones de concentración de analito y de patrón interno conocidas. • Patrón interno: químicamente parecido al analito, ausente de la muestra, medida independiente del analito, no reacciona ni con el analito ni con otros componentes de la muestra. Patrón externo II R R = a + b·C x x x x Muestras simples Sin reacción química Sin influencia de la matriz ... x I Ci Patrón interno II R/RiSTD R/RISTD = a + b·C/CISTD x x x x Variabilidad de R Tratamientos Reacción química Volatilidad ... x I Ci/CISTD Adiciones estándar x Muestra compleja x x x x x x x x x x [ANALITO] I Ci Adiciones estándar R R xx x Ci Ci Efecto matriz Extrapolar hasta respuesta cero Intervalo de linealidad mal definido Calibración en métodos comparativos R Patrón externo x x x x R/RISTD Patrón interno x x x x Ci Ci/CISTD R x x x x x x x x x x x x x x R Adición estándar x x x x x x x x x x Efecto matriz Ci R Ci x x x x x x x x x x x ¿Error? Ci Intervalos de confianza en una recta R R = a + b·Ci x x x x x Ci Calidad Es el conjunto de propiedades y características de un producto o servicio que le confieren la aptitud de satisfacer las necesidades y expectativas del cliente. (ISO 8402) Normativa Las normas de la serie ISO Guía 25, EN 45000 y UNE 66500 exigen que cada resultado vaya acompañado de dos parámetros de calidad básicos: Trazabilidad e incertidumbre Estimación del valor verdadero: exactitud, trazabilidad Valor 1 ± Valor 2 Intervalo de confianza: precisión, incertidumbre Trazabilidad Propiedad del resultado de una medida o el valor de un estándar que consiste en que pueda establecerse el resultado previsible de su comparación directa con patrones adecuados, generalmente nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones reales, todas con incertidumbres conocidas VIM (International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology), 1993 Trazabilidad en análisis químico Patrón primario Pesas de referencia Material Volumétrico Balanzas analíticas AD R c Análisis Instrumental: resultado ILID B ZA TRA Referencia: ej. CRM Unidad base S.I.: kilogramo (Adaptado de “La calidad en los laboratorios analíticos” M. Valcárcel y A. Ríos, Ed. Reverté, 1982) Incertidumbre Valor 1 ± Valor 2 Estimación unida al resultado del ensayo que caracteriza el intervalo de valores dentro del cual puede asegurarse que se encuentra el valor verdadero ISO 3534-1: 1993 La incertidumbre De acuerdo con el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM): ✓ Se expresa como una desviación típica, resultante de combinar componentes parciales expresadas como varianzas o cantidades equivalentes u= ∑ u2i i ✓ Se multiplica por un factor de seguridad con el fin de tener una confianza razonable en que el valor verdadero está incluido en el intervalo (k=2) U = k ⋅u Errores aleatorios ¿Qué punto marca la flecha? Errores aleatorios vs errores sistemáticos CRM Errores en Química Analítica ERROR: diferencia entre la respuesta proporcionada y la real ✓ Sistemático: problema con un método, todos los errores son del mismo tamaño, magnitud y dirección. Son errores determinados (constantes o proporcionales) y relacionados con la exactitud de la medida. Son difíciles de detectar y eliminar. • Instrumentales: variaciones en temperatura, fluctuaciones de corriente... • Método: reacciones incompletas, especies inestables, reacciones laterales... ✓ Aleatorio: basados en los límites de la precisión de la medida. Son errores indeterminados. Pueden tratarse estadísticamente y minimizarse a base de repeticiones. Predominan sobre los sistemáticos. ✓ Craso: error grave. Mejor repetir el trabajo • Personales: calibración incorrecta, lectura falseada, cálculos, sesgo personal... Propiedades analíticas 3 Exactitud Grado de concordancia entre el resultado de un ensayo y el valor de referencia aceptado Nota: Cuando se aplica a un conjunto de resultados, implica una combinación de componentes aleatorios y una componente de error sistemático común ISO 3534-1 Exactitud = Veracidad + Precisión Propiedades analíticas 3 Precisión Grado de concordancia entre resultados de ensayos independientes bajo condiciones estipuladas Condiciones ISO 3534-1: 1993 Repetibilidad Condiciones intermedias Reproducibilidad Exactitud y precisión µ µ xr Resultados exactos y precisos µ xr Resultados inexactos y precisos xr Resultados exactos e imprecisos µ xr Resultados inexactos e imprecisos Parámetros de calidad en análisis Tipo matemático-estadístico Tipo económico ü Exactitud, trazabilidad ü Inversión ü Representatividad ü Mantenimiento ü Precisión, Incertidumbre ü Simplicidad ü Sensibilidad ü Gastos directos ü Selectividad/especificidad ü Gastos indirectos ü Límites ü Rapidez ü Robustez ü Facilidad de uso Propiedades analíticas 3 Selectividad Es la capacidad de un método de determinar exacta y específicamente el analito de interés en presencia de otros componentes en una matriz de la muestra bajo las condiciones de ensayo establecidas ISO 3534-1 3 Especificidad Es la capacidad de determinar inequívocamente el analito en presencia de componentes que se espera estén presentes (típicamente impurezas, degradantes, matrices diferentes, etc.) ISO 3534-1 Propiedades analíticas 4 Límite de detección Es el mínimo contenido que puede medirse con una certeza estadística razonable AOAC-PVMC El límite de detección, expresado como una concentración, cL, o cantidad qL, se deriva de la medida química xL que puede ser detectada con una certeza razonable por un procedimiento analítico determinado. IUPAC, 1985 Propiedades analíticas 4 Límite de cuantificación Es la mínima concentración de analito que puede ser determinada con una precisión y exactitud aceptables bajo las condiciones de ensayo especificadas NATA Tech Note # 13 Parámetro de calidad que marca la capacidad de un procedimiento de medida químico para cuantificar adecuadamente un analito Nota: La capacidad de cuantificar se expresa generalmente en términos de señal o concentración que producen estimaciones con una desviación estándar relativa, habitualmente del 10% IUPAC “Orange Book” Propiedades analíticas 3 Intervalo de trabajo (medida) Conjunto de valores de mensurandos para los cuales el error de un instrumento de medida se espera que caiga dentro de unos límites especificados IUPAC “Orange Book” 3 Intervalo de linealidad Intervalo de concentraciones de analito en el cual el método proporciona resultados proporcionales a la concentración de analito AOAC-PVMC Propiedades analíticas 4 Sensibilidad Es el cambio en la respuesta de un instrumento de medida dividido por el correspondiente cambio en el estímulo (p.e. la cantidad de mensurando presente) Nota: Esta definición puede aplicarse también al método analítico como un todo, teniendo en cuenta otros factores como el efecto de las etapas de concentración de la muestra VIM 1984, IUPAC “Orange Book” Propiedades analíticas 4 Robustez La robustez de un procedimiento analítico es una medida de su capacidad para no verse afectado por variaciones pequeñas, pero deliberadas, en parámetros del método y proporciona una indicación de su fiabilidad durante su utilización normal ICH Q2A, CPMP/ICH/381/95
