QUIMICA ANALITICA I TEMA 1 2022 Qué es la Química Analítica? • La química analítica estudia y utiliza instrumentos y métodos para separar, identificar y cuantificar la materia. En la práctica, la separación, identificación o cuantificación puede constituir el análisis completo o combinarse con otro método. La separación aísla los analitos. El análisis cualitativo identifica los analitos, mientras que el análisis cuantitativo determina la cantidad o concentración numérica. Qué es la Química Analítica? La Química Analítica es una ciencia metrológica que desarrolla, optimiza y aplica herramientas (materiales, metodológicas y estratégicas) de amplia naturaleza, que se concretan en procesos de medida encaminados a obtener información química de calidad, tanto parcial (presencia /concentración en muestra de especiesanalitos químicos) como global, sobre materias o sistemas de amplia naturaleza (química, bioquímica, biológica) en el espacio y en el tiempo, para resolver problemas científicos, técnicos, económicos y sociales. Miguel Valcárcel RELACIÓN CON OTRAS DISCIPLINAS QUIMICA CLINICA: Ej. Análisis de urea en sangre CONTROL DE CALIDAD: Ej. Análisis de vitaminas en muestras de comidas. QUIMICA ANALITICA QUIMICA ANALITICA FORENSE: Comparación de ADN . QUIMICA ANALITCA AMBIENTAL: Ej. Determinación de metales en agua y suelo. Tamaño de muestra Tipo análisis Clasificación de la Química Analítica Tipo de metodos Proporción de analito en la muestra. TIPO DE ANALISIS • La Química Analítica Cualitativa se caracteriza por hacer uso del análisis que revela la identidad de cada elemento y compuesto que forma una muestra. Aparte, también se hace uso de ella para la separación de componentes. • Por otra parte, la Química Analítica Cuantitativa esta basada en métodos que me permiten determinar la concentración de cada sustancia presente en una muestra. MÉTODOS ANALÍTICOS • 1. Métodos cualitativos Los métodos cualitativos se basan en reacciones químicas como la precipitación y la formación de complejos, así como en el uso de técnicas de separación para identificar los componentes de una muestra. Estos son métodos clásicos e incluyen los siguientes ejemplos: • Marchas analíticas catiónicas: conjunto sistemático de pruebas químicas que permite identificar la presencia de ciertos cationes metálicos. • Las marchas analíticas aniónicas: conjunto sistemático de pruebas químicas que permite confirmar la presencia de ciertos aniones comunes. • Pruebas de llama: Un análisis sencillo que permite identificar algunos metales según el color de la llama cuando se quema la muestra. MÉTODOS ANALÍTICOS • 2. Métodos cuantitativos • Estos consisten en la determinación de la concentración de una especie en una muestra. Los métodos analíticos generalmente se dividen en: • Técnicas húmedas clásicas como la volumetría y la gravimetría • Técnicas instrumentales modernas como las técnicas espectrométricas y la cromatografía. • MÉTODOS DE ANÁLISIS VOLUMÉTRICO: se refiere a un conjunto de técnicas para la determinación indirecta de la concentración de un analito en una muestra o en una alícuota de la misma, basadas en la medición del volumen de un reactivo de concentración conocida que es necesario para consumir estequiométricamente al analito. A estas técnicas también se le llaman titulaciones o valoraciones. • Volumetría ácido-base: en estos casos, o bien el analito es un ácido y el titulante una base, o lo contrario. La reacción es una neutralización ácido-base y el punto final de la titulación se determina por el cambio de color de un indicador químico. • Volumetría de precipitación: en esta técnica la reacción involucrada es la formación de un precipitado insoluble. • Valoración o volumetría de formación de complejos: en este caso, la reacción es la formación de un complejo metálico, a veces coloreado, a veces no. • Volumetría Redox: se refiere a la volumetría que implica una reacción de oxidación y reducción entre el titulante y el analito. Uno hace el papel de agente oxidante y el otro el de reductor. MÉTODOS DE ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO: Balanzas analíticas utilizadas en el análisis gravimétrico. A diferencia del caso anterior, estos métodos se basan en la medición de la masa o del cambio en la masa de una muestra luego de ser sometida a diferentes tipos de tratamientos tanto químicos como térmicos. Algunos ejemplos de métodos gravimétricos comunes en el laboratorio de química analítica son: • Métodos de precipitación: en estos casos, el analito suele ser un ion que se precipita cuantitativamente en forma de una sal insoluble. Dicha sal se filtra y se seca para luego determinar su masa. Con esta masa se determina luego la cantidad del analito que había en la muestra original. • Métodos de volatilización: a diferencia del anterior, el analito en este caso se separa de la matriz de la muestra en forma de un gas. En algunos métodos, este gas se recoge haciéndolo reaccionar con algún reactivo adecuado para luego pesar el producto de dicha reacción. En otros, la masa del gas se determina por medio de la diferencia de peso antes y después de la volatilización. • Electrodeposición: es similar a los métodos de precipitación, excepto por el hecho de que el analito se deposita sobre un electrodo a causa de una reacción redox generada por una corriente eléctrica. El aumento de masa del electrodo permite determinar la cantidad de analito que había en la muestra. • MÉTODOS INSTRUMENTALES: Instrumento analítico automatizado. Los métodos analíticos modernos se basan, en su mayoría, en el uso de instrumentos científicos avanzados que son capaces de analizar muestras complejas de manera eficiente, precisa y, en algunos casos, automatizada. Estos métodos se basan en la medición de alguna propiedad física que se pueda correlacionar con la concentración del analito en la muestra. Métodos espectrométricos Métodos electroanalíticos Métodos cromatográficos: La cromatografía se puede considerar como una clase aparte de método analítico aparte, ya que incluye separación, identificación cualitativa y cuantificación todo en uno. Estos métodos pueden combinarse con técnicas volumétricas o instrumentales para el análisis de los analitos separados. PROPORCIÓN DE ANALITO EN LA MUESTRA MACROCOMPONENTES Si su concentración es mayor del 1% . Ej grasa en leche 3,0g cada 100 mL MICROCOMPONENTE Si la concentración está entre 1 – TRAZA: Proporción es menor al 0,01% 0.01%. Ej. El Na en la leche entera (100ppm) .Ej. Eel Zn en la leche es de 50mg cada 100 mL entera 0,3 mg cada 100 mL ULTRATRAZA (< 1 pg/mL) TAMAÑO DE MUESTRAS Macroanálisis ( > 0.1 g). Ej. Alimentos, suelo, agua, etc Semimicroanálisis (0.1 g – 0.01 g) Ej. Muestra de sangre de bebe, algunas biopsas. Microanálisis (0.01 g – 0.001 g) Submicroanálisis (0.001-0.0001g) Ultra microanálisis (< 0.0001 g PROCESO ANALÍTICO La metodología del Análisis Químico puede resumirse en un proceso analítico general consistente en un conjunto de procedimientos realizados para solucionar un determinado problema analítico. El proceso analítico es la metodología propia del trabajo analítico consistente en un conjunto de operaciones sucesivas realizadas para solucionar un determinado problema analítico. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA • A la hora de realizar un análisis es muy importante tener clara la información que se necesita para resolver el problema analítico planteado. ANALITO MATRIZ ESCALA MUESTRA: Parte representativa de la materia objeto de análisis. ALÍCUOTA: Fracción o porción de muestra. ANALITO: Especie química objeto del análisis. MATRIZ DE LA MUESTRA: Especies químicas que acompañan al analito en la muestra. TÉCNICA ANALÍTICA: Medio empleado para obtener información sobre el analito. MÉTODO ANALÍTICO: Secuencia de operaciones y técnicas aplicadas para el análisis de una muestra. . SELECCIÓN DEL METODO ANALITICO DEPENDERA DEL ANALITO DE LO Q BUSCO PRESNCIA AUSENCIA CLASICO INSTRUMENTAL Selección del método de análisis • Consideraciones importantes • ☺ Exactitud requerida en los resultados • ☺ Disponibilidad de tiempo y de dinero • ☺ Número de muestras a analizar • ☺ Concentración esperada del analito en la muestra • ☺ Complejidad de la muestra bajo análisis Buscar en la bibliografía procedimientos apropiados o, si es necesario, poner a punto nuevos procedimientos analíticos para llevar a cabo el análisis • Muestra: Sangre • Analito: Glucosa • Matriz: Proteínas, sales minerales, colesterol… • Técnica analítica: Espectrofotometría de absorción molecular visible. • Método analítico: Desde la toma de muestra hasta la obtención del resultado. • Muestra: Leche • Analito: Concentración de Calcio • Matriz: Proteínas, sales minerales, colesterol… • Técnica analítica: Espectrofotometría de absorción atómica. • Método analítico: Desde la toma de muestra hasta la obtención del resultado. MUESTREO • El muestreo es el proceso de obtención de la muestra a ensayar que permite garantizar su representatividad con respecto al ítem muestreado, e incluye : • un plan de muestreo, • una toma de muestras • criterios de inferencia adecuados. • El plan de muestreo implica la elaboración de una documentación previa donde se evidencie el estudio realizado para garantizar que las muestras que se van a tomar son representativas. En muchos casos el plan de muestreo está definido en un documento reglamentario, por lo que no será necesario diseñar un plan específico. Sin embargo, en otras situaciones el organismo de inspección tendrá que evaluar las peculiaridades de la entidad que está evaluando, por ejemplo el flujo de emisiones de una empresa. TOMA Y PRESERVACIÓN DE LA MUESTRA • La recolección de las muestras depende de los procedimientos analíticos empleados y los objetivos del estudio. • Es muy importante no confundir la actividad de muestreo con la actividad de toma de muestras. • Todo el proceso de toma de muestra, su posterior transporte (si fuera necesario), condiciones ambientales, etc. debe estar documentado de forma que se evidencie su idoneidad. Además, durante todo el proceso de toma de muestras y posterior transporte se deben aplicar las medidas de calidad necesarias, como pueden ser tomar las muestras por duplicado y el empleo de blancos. De hecho, se deben establecer los criterios que deben cumplir las muestras para que estas se consideren adecuadas. Cualquier desviación debe ser registrada e informada en el posterior informe de resultados. TRATAMIENTO DE LA MUESTRA Son escasos los problemas que se resuelven sin necesidad de tratamiento de la muestra. Lo habitual, es que la muestra necesite algún tipo de tratamiento, con el fin de: • 1. Preparar la forma y tamaño de la muestra, así como la concentración del analito(s), más adecuada para la técnica analítica seleccionada. • 2. Eliminar interferencias matriciales Consideraciones importantes durante la etapa de preparación de muestra 1) La preparación de la muestra no puede implicar pérdidas de analito, ni tampoco contaminaciones. 2) Se debe transformar el analito en la mejor forma química para el método analítico seleccionado. 3) Si es necesario, se eliminarán las interferencias de la matriz, mejorando así la selectividad del método. 4) No se deben introducir nuevas interferencias. 5) Debe considerarse la dilución o preconcentración del analito, de manera que se halle en el intervalo de linealidad del método seleccionado. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA • La etapa del proceso analítico en la que se realizan todas aquellas operaciones necesarias para convertir la muestra en una forma adecuada para el análisis, comprendiendo todas las transformaciones que se realizan desde que se obtiene la muestra de laboratorio hasta que se llega a la etapa de medida del analito o los analitos de interés. TRATAMIENTO DE LOS DATOS • En la cuantificación de analítos, los datos y resultados numéricos que se obtienen están sujetos a incertidumbre; la evaluación de la incertidumbre en los datos analíticos debe abordarse porque una medida cuya exactitud sea totalmente desconocida es inútil; un resultado que no sea exacto es aprovechable si se conoce su límite de error. • Precisión. El término precisión describe la reproducibilidad de los resultados y se puede definir como la concordancia que hay entre los valores numéricos de dos o más mediciones que se han realizado de idéntica manera. Existen varios métodos para evaluar la precisión de los datos. Estos métodos pueden ser absolutos o relativos. Desviación respecto a la media. Desviación respecto a la mediana. Desviación estándar.Varianza. • Exactitud. El término denota el grado de coincidencia del resultado de una medición con el valor verdadero o aceptado de la misma y se expresa en función del error. La exactitud implica una comparación con el valor verdadero o aceptado como tal. Los métodos para evaluar la exactitud. Error Absoluto, E: Diferencia entre el valor observado Xi y el valor aceptado, XA. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS, INFORME Y CONCLUSIONES Los resultados han de ser evaluados por estimación de su fiabilidad El informe dirigido al solicitante del análisis ha de: 1. Indicar claramente los resultados 2. Las condiciones experimentales empleadas 3. Limitaciones concretas de la técnica analítica empleada METODOLOGÍAS ANALÍTICAS Método primario Método de referencia Método estándar Método validado CARACTERÍSTICAS Mayor calidad metrológica Perfectamente descrito y comprendido Incertidumbre definida en términos estándares No necesidad de un estándar del analito. Se emplea para comparar la exactitud o incertidumbre en el mismo laboratorio de rutina dentro de un sistema de control de calidad. Desarrollado y validado por organizaciones relacionadas con la normalización. La incertidumbre y la trazabilidad pueden no estar definidas. Sometido a un doble estudio para saber sus propiedades analíticas, exactitud y trazabilidad, incertidumbre, rapidez, costo. REACCIONES ANALÍTICAS • Reacción analítica es toda reacción química utilizable en Química Analítica porque origina fenómenos fácilmente observables que se relacionan con la sustancia, elemento o grupo químico que se analiza. Reacciones ácido-base. Que implican una transferencia de protones. Reacciones de formación de complejos. En las que se produce una transferencia de iones o moléculas. Reacciones de precipitación. En las que además de haber un intercambio de iones o moléculas tienen lugar la aparición de una fase sólida. Reacciones redox. Que entrañan un intercambio de electrones PROPIEDADES DE LAS REACCIONES ANALÍTICAS • La reacción analítica debe ser observable, indubitable y reproducible. • Sensible. • Selectiva. REACTIVOS QUÍMICOS • Los reactivos químicos son sustancias químicas y sus mezclas utilizadas en laboratorios para realizar síntesis, análisis, determinaciones del contenido de diversas sustancias, distribución de constituyentes de muestra y realización de trabajos científicos y de investigación de tecnologías entendidas CARACTERÍSTICAS DE LOS REACTIVOS QUÍMICOS • . Los reactivos se caracterizan por parámetros de calidad estables (teniendo en cuenta el nivel de impurezas y el contenido del componente principal), un tiempo de almacenamiento específico y un embalaje adecuado que garantiza la constancia de su composición. • Uno de los parámetros más importantes que caracterizan los reactivos químicos es su pureza . Es el porcentaje en peso de la sustancia principal, después de deducir las impurezas presentes en el reactivo. Por lo general, la sustancia principal es un compuesto químico único, pero también puede ser una mezcla de varias sustancias. CLASIFICACION DE LOS REACTIVOS QUIMICOS • Grado U.S.P. (UNITED STATES PHARMACOPEA) P U R E Z A • Grado Técnico o Grado Comercial • Grado Puro, C.P. (Chemically Pure) o Químicamente Puro o Pureza Máxima • Grado Reactivo Analítico( Pro-análisis (p.a.) y ACS (Analytical Chemical Society) • Grado HPLC REACTIVOS ANALÍTICOS PATRÓN DE REFERENCIA • Reactivos analítico como patrón primario. • Reactivos analítico como patrón secundario. • Material de referencia • Material de referencia certificado PATRÓN PRIMARIO 1.Tienen composición conocida. 2.Deben tener elevada pureza. . 3.Debe ser estable a temperatura ambiente. . 4.Debe ser posible su secado en estufa. 5.No debe absorber gases. . 6.Debe reaccionar rápida y estequiométricamente con el titulante. 7.Debe tener un peso equivalente grande. PATRÓN SECUNDARIO 1. Debe ser estable mientras se efectúa el análisis 2. Debe reaccionar rápidamente con el analito 3. La reacción entre el valorante y el patrón primario debe ser completa o cuantitativa, y así también debe ser la reacción entre el valorante y el analito. 4. La reacción con el analito debe ser selectiva o debe existir un método para eliminar otras sustancias de la muestra que también pudieran reaccionar con el valorante. 5. Debe existir una ecuación balanceada que describa la reacción Ejemplo de Patrón Primario más utilizados Ejemplo de Patrón Secundario más utilizados ácido benzoico C6H5COOH biftalato de potasio C6H4(COOK)(COOH) Ácido clorhídrico de punto de ebullición constante (HCl) TRIS (hidroximetilaminometano) (HOCH2)3CNH2 Ácido sulfúrico H2SO4 (volátil) Ácido clorhídrico (disolución directa) HCl (volátil) Hidróxido de sodio Na (OH) (higroscópico) Hidróxido de potasio K(OH) (higroscópico) bicarbonato de potasio (KHCO3) carbonato de sodio (Na2CO3) Bórax (Na2B4O7.10 H2O) Dicromato de potasio (K2Cr 2 O7) Permanganato de potasio (KMnO4) (se descompone formando MnO2 ) Iodato de potasio (KIO3) Ce (IV) (como nitrato amónico cérico) Trióxido de arsénico (As 2O3) Hierro metálico puro (Fe) Oxalato de sodio (Na2C4O4) Etilendiaminotetraacético, y CaCO3 Tiosulfato de sodio (inestable en solución) Cloruro de sodio (p.a.) NaCl ---------------------------------------------Nitrato de plata (AgNO3) (inestable a la luz) MATERIAL DE REFERENCIA (REFERENCE MATERIAL, RM) Es un material o muestra real en el cual una o más de sus propiedades están suficientemente bien establecidas para que sea usado en la validación de un método de medición. MATERIAL DE REFERENCIA CERTIFICADO Un Material de Referencia Certificado se define como un producto de origen natural caracterizado mediante un procedimiento metrológicamente válido para una ó mas propiedades especificadas, acompañado por un certificado que indica los valores de la propiedad especificada, su incertidumbre asociada y una definición de su trazabilidad metrológica. EL MUESTREO • El objetivo del muestreo es obtener una muestra, que constituye un subconjunto del lote u objeto bajo estudio, con la misma composición que el conjunto del que ha sido tomada. Se pueden identificar las siguientes etapas en el proceso de muestreo: La elaboración del plan de muestreo y la preparación del material necesario. La toma de la muestra y la realización de los procedimientos para conservar inalterados a los analitos durante su transporte (en la medida de lo posible Su traslado al laboratorio (o sitio en el que se realizarán los procedimientos analíticos La recepción, registro y codificación en el laboratorio, así como la realización de los procedimientos para su conservación adecuada hasta que se manipule para el análisis, lo que puede incluir la separación de partes de la muestra para su conservación posteriormente a la realización de los análisis. Las operaciones de transformación de la muestra que permitan la extracción y concentración de los analitos de interés (y/o la eliminación de interferencias), para su determinación en el estado físico y químico, que requiere el método analítico. TIPOS DE MUESTREOS • MUESTREO PROBABILISTICO • MUESTREO NO PROBABILISTICO Clasificación de los tipos de muestreo probabilístico • Muestreo aleatorio simple • Muestreo estratificado • Muestreo sistemático • Muestreo en etapas múltiples. MUESTREO ALEATORIO SIMPLE • Se caracteriza porque cada elemento de la población tiene la misma probabilidad de ser escogido para formar parte de la muestra. Una vez censado el marco de la población, se asigna un número a cada individuo o elemento y se elige aleatoriamente. La aleatorización puede realizarse mediante listas de números aleatorios generados por ordenador, aplicándolas para escoger de la población los individuos o sujetos que coincidan con los números obtenidos. • Un ejemplo de muestreo aleatorio simple sería la elección de los individuos a través de la elección realizada totalmente al azar de un cierto número de DNI. MUESTREO ESTRATIFICADO En este tipo de muestreo la población de estudio se divide en subgrupos o estratos, escogiendo posteriormente una muestra al azar de cada estrato. Esta división suele realizarse según una característica que pueda influir sobre los resultados del estudio. Por ejemplo, en el caso de seleccionar una muestra para evaluar la altura, dada la heterogeneidad entre hombres y mujeres, la variable de género podría ser una variable de estratificación. Si la estratificación se realiza respecto un carácter se denomina muestreo estratificado simple, y si se realiza respecto dos o más características se denomina muestreo estratificado compuesto. Por ejemplo, si de los 5 millones de hipertensos españoles hay un 35% de pacientes que fuman, podemos estratificar de manera que en nuestra muestra queden representados al igual que en el total de la población, la misma proporción de hipertensos fumadores (35%) y de no fumadores (65%). MUESTREO SISTEMÁTICO El muestreo sistemático es muy similar al muestreo aleatorio simple. La diferencia se obtiene en que en este tipo de muestreo se divide el total de la población de estudio entre el tamaño de la muestra, obteniendo una constante de muestreo (k). La primera unidad que formará parte de la muestra debe estar entre 1 y k y se elige al azar; a partir de esta unidad se van seleccionando sistemáticamente uno de los k individuos siguiendo un orden determinado. Por ejemplo, si obtenemos un valor de k=10 y seleccionamos al azar el número 6, deberíamos elegir todas las historias clínicas que finalizaran en «6»: «006», «016», «026» MUESTREO EN ETAPAS MÚLTIPLES Consiste en empezar a muestrear por algo que no constituye el objeto de la investigación (unidades primarias), y obtener una muestra dentro de cada una de ellas (unidades secundarias). Pueden utilizarse sucesivamente tantas etapas como sean necesarias, y en cada una de ellas, una técnica de muestreo diferente. Este método de muestreo se utiliza cuando la población de referencia es muy amplia y dispersa, ya que facilita la realización del estudio VENTAJAS Y DESVENTAJAS CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE MUESTREO NO PROBABILÍSTICO • Muestreo de conveniencia • Muestreo discrecional • Muestreo por cuotas MUESTREO DE CONVENIENCIA. • El investigador decide qué individuos de la población pasan a formar parte de la muestra en función de la disponibilidad de los mismos (proximidad con el investigador, amistad, etc.). MUESTREO DISCRECIONAL. • La selección de los individuos de la muestra es realizada por un experto que indica al investigador qué individuos de la población son los que más pueden contribuir al estudio. Este muestreo es adecuado si dentro de la población que queremos estudiar, existen individuos que no queremos que se nos escapen por utilizar un método totalmente aleatorio o de conveniencia MUESTREO POR CUOTAS • Si se conocen las características de la población a estudiar, se elegirán los individuos respetando siempre ciertas cuotas por edad, género, zona de residencia, entre otras que habrán sido prefijadas
