“Año del Buen Servicio al Ciudadano”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE UCAYALI FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y AMBIENTALES
ESCUELA PROFESIONAL DE ING. AMBIENTAL
TRABAJO ACADÉMICO TEMA
: METODOS ANALITICOS INTRUMENTALES
ASIGNATURA
: QUIMICA ANALITICA
DOCENTE
: DR. ING. HECTOR JOSE QUISPE CERNA
INTEGRANTES
: NEYRA RODRIGUEZ AXEL GONZALES TORRES ANDRES
CICLO
: IV
Pucallpa – Perú 2017
INDICE METODOS ANALITICOS INTRUMENTALES I.
II. III. IV.
V.
VI.
VII. VIII.
IX. X. XI.
XII. XIII.
CLASIFICACION DE LOS METODOS DE ANALISIS 1.1 Métodos clásicos 1.2 Métodos instrumentales 1.3 Métodos de Separación TIPOS DE MÉTODOS INSTRUMENTALES INSTRUMENTALES CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTIC AS DE CALIDAD DE LOS MÉTODOS ANALÍTICOS INSTRUMENTOS INSTRUMEN TOS PARA ANÁLISIS 4.1 Dominios de los datos 4.1.1 Dominios eléctricos 4.1.2 Dominios no eléctricos DETECTORES, TRANSDUCTORES Y SENSORES 5.1 Generadores de señales 5.2 Transductores de entrada (detectores) 5.3 Procesadores de señales 5.4 Dispositivo Dispositivoss de lectura 5.5 Computadoras en instrumentos CALIBRACIÓN DE MÉTODOS INSTRUME INSTRUMENTALES NTALES 6.1 Comparación con Estándares 6.1.1 Comparación directa 6.1.2 Titulaciones 6.2 Calibración de un Estándar Externo 6.2.1 Método de los mínimos cuadrados 6.2.2 Errores en la calibración del patrón externo 6.3 Métodos de adición estándar CONSIDERACIONES CONSIDERAC IONES IMPORTANTES PARA PARA EVALUAR UN UN INSTRUMENTAL ELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALÍTICO 8.1 Definición del problema 8.2 Características de desempeño de los instrumento instrumentoss 8.2.1 Precisión 8.2.2 Exactitud 8.2.3 Sensibilidad 8.2.4 Límites de detección 8.2.5 Intervalo dinámico 8.2.6 Selectividad EVALUACIÓN DE RESULTADOS TIPOS DE ERRORES PUESTA A PUNTO DE LA METODOLOGÍA ANALÍTICA A. ESTÁNDARES EXTERNOS EXTERNOS - Curva de calibración calibración B. ESTÁNDARES AÑADIDOS (internos) B.1 Método Método de adiciones estándares B.2 Método del estándar interno CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA
MÉTODO
INDICE METODOS ANALITICOS INTRUMENTALES I.
II. III. IV.
V.
VI.
VII. VIII.
IX. X. XI.
XII. XIII.
CLASIFICACION DE LOS METODOS DE ANALISIS 1.1 Métodos clásicos 1.2 Métodos instrumentales 1.3 Métodos de Separación TIPOS DE MÉTODOS INSTRUMENTALES INSTRUMENTALES CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTIC AS DE CALIDAD DE LOS MÉTODOS ANALÍTICOS INSTRUMENTOS INSTRUMEN TOS PARA ANÁLISIS 4.1 Dominios de los datos 4.1.1 Dominios eléctricos 4.1.2 Dominios no eléctricos DETECTORES, TRANSDUCTORES Y SENSORES 5.1 Generadores de señales 5.2 Transductores de entrada (detectores) 5.3 Procesadores de señales 5.4 Dispositivo Dispositivoss de lectura 5.5 Computadoras en instrumentos CALIBRACIÓN DE MÉTODOS INSTRUME INSTRUMENTALES NTALES 6.1 Comparación con Estándares 6.1.1 Comparación directa 6.1.2 Titulaciones 6.2 Calibración de un Estándar Externo 6.2.1 Método de los mínimos cuadrados 6.2.2 Errores en la calibración del patrón externo 6.3 Métodos de adición estándar CONSIDERACIONES CONSIDERAC IONES IMPORTANTES PARA PARA EVALUAR UN UN INSTRUMENTAL ELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALÍTICO 8.1 Definición del problema 8.2 Características de desempeño de los instrumento instrumentoss 8.2.1 Precisión 8.2.2 Exactitud 8.2.3 Sensibilidad 8.2.4 Límites de detección 8.2.5 Intervalo dinámico 8.2.6 Selectividad EVALUACIÓN DE RESULTADOS TIPOS DE ERRORES PUESTA A PUNTO DE LA METODOLOGÍA ANALÍTICA A. ESTÁNDARES EXTERNOS EXTERNOS - Curva de calibración calibración B. ESTÁNDARES AÑADIDOS (internos) B.1 Método Método de adiciones estándares B.2 Método del estándar interno CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA
MÉTODO
INTRODUCCION 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, de los líquidos biológicos de caballos de carreras y de atletas olímpicos, 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. 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 l ímites de detección más bajos requeridos para asegurar que se disponga de alimentos, medicinas, agua y aire no contaminados. La fabricación de materiales cuya composición debe conocerse con precisión, como las sustancias empleadas en los chips o pasti llas 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.
METODOS ANALITICOS INTRUMENTALES Según (Douglas A. Skoog, 2008)la química analítica trata de los métodos para determinar la composición química de muestras de materia. Un método cualitativo proporciona información relacionada con la identidad de la especie atómica o molecular o de los grupos funcionales que están en la muestra. En cambio, un método cuantitativo proporciona información numérica como la cantidad relativa de uno o más de estos componentes. Es interesante realizar una definición de términos ligados al análisis:
Muestra: Parte representativa de la materia objeto del análisis. Analito: Especie química que se analiza. Técnica: Medio de obtener información sobre el analito. Método: Conjunto de operaciones y técnicas aplicadas al análisis de una muestra. Análisis: Estudio de una muestra para determinar sus composición o naturaleza química. Dentro de la Química Analítica también pueden diferenciarse diversas áreas según la información que se desea obtener. Así, la Química Analítica Cualitativa se centra en identificar la presencia o ausencia de un analito, mientras que la Química Analítica Cuantitativa desarrolla métodos para determinar su concentración.
I.
CLASIFICACION DE LOS METODOS DE ANALISIS Los métodos analíticos se clasifican con frecuencia en clásicos o instrumentales. Los clásicos, a veces llamados métodos de química húmeda, precedieron a los métodos instrumentales por un siglo o más.
1.1 Métodos clásicos En la época temprana de la química la mayor parte de los análisis se ejecutaban separando los componentes de interés, los analitos, que se encontraban en una muestra mediante precipitación, extracción o destilación. En el caso de los análisis cualitativos, los componentes separados se trataban después con reactivos que originaban productos que se podían identificar por su color, por sus temperaturas de ebullición o de fusión, sus solubilidades en una serie de disolventes, sus olores, sus actividades ópticas o por sus índices de refracción. En el caso de los análisis cuantitativos, la cantidad de analito se determinaba mediante mediciones gravimétricas o volumétricas.
En las mediciones gravimétricas se determinaba la masa del analito o de algún compuesto producido a partir de él. En los procedimientos volumétricos, también llamados titulométricos, se medía el volumen o la masa de un reactivo estándar necesario para reaccionar por completo con el analito. Estos métodos clásicos para separar y determinar analitos se usan todavía en muchos laboratorios. Sin embargo, el grado de su aplicación general está disminuyendo con el paso del tiempo y con el surgimiento de métodos instrumentales para reemplazarlos.
1.2 Métodos instrumentales A principios del siglo XX, los científicos empezaron a explotar fenómenos distintos de los usados en los métodos clásicos para resolver problemas analíticos. Por tanto, la medición de propiedades físicas del analito, tales como conductividad, potencial de electrodo, absorción de la luz o emisión de la luz, relación masa/carga y fluorescencia empezaron a usarse en el análisis cuantitativo. Además, técnicas cromatográficas y electroforéticas muy efectivas empezaron a reemplazar la destilación, la extracción y la precipitación para la separación de componentes de mezclas complejas antes de su determinación cualitativa o cuantitativa. Estos métodos más recientes para separar y determinar especies químicas se conocen como métodos instrumentales de análisis. Muchos de los fenómenos en los que se basan los métodos instrumentales se conocen desde hace más de un siglo. Sin embargo su aplicación por la mayor parte de los químicos se retrasó por falta de una instrumentación sencilla y fiable. De hecho, el crecimiento de los métodos instrumentales modernos ha ido paralelo al desarrollo de las industrias electrónica e informática.
1.3 Métodos de Separación Según (romano, 2010) se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla, tales como: punto de ebullición, densidad, presión de vapor, punto de fusión, solubilidad, etc. Los métodos más conocidos son:
Filtración: El procedimiento de Filtración consiste en retener partículas sólidas por medio de una barrera, la cual puede consistir de mallas, fibras, material poroso o un relleno sólido.
Decantación: El procedimiento de Decantación consiste en separar componentes que contienen diferentes fases (por ejemplo, 2 líquidos que no se mezclan, sólido y
líquido, etc.) siempre y cuando exista una diferencia significativa entre las densidades de las fases. La Separación se efectúa vertiendo la fase superior (menos densa) o la inferior (más densa).
Evaporación: El procedimiento de Evaporación consiste en separar los componentes más volátiles exponiendo una gran superficie de la mezcla. El aplicar calor y una corriente de aire seco acelera el proceso.
Cristalización: La cristalización es un proceso químico por el cual a partir de un gas, un líquido o una disolución, los iones, átomos o moléculas establecen enlaces hasta formar una red cristalina, la unidad básica de un cristal. La cristalización se emplea con bastante frecuencia en química para purificar una sustancia sólida (wikipedia, 2012.).
(Méndez, 2010) Los métodos clásicos, se han usado tradicionalmente, porque no necesita de instrumentaría compleja, generalmente se usan pipetas, matraces, balanzas, etc.) En cambio, los métodos instrumentales o químicos, requieren instrumental costoso como por ejemplo, los equipos de cromatografía. Según la naturaleza del método analítico tenemos:
Métodos de cuantificación
Métodos de reconocimiento de impurezas
Pruebas límite
Identidad
II.
TIPOS DE MÉTODOS INSTRUMENTALES Considere primero algunas características químicas y físicas que son útiles en el análisis cualitativo o cuantitativo. En la tabla 1.1 se enlista la mayor parte de las propiedades características que se usan en la actualidad en el análisis instrumental. La mayor parte de ellas requiere una fuente de energía para estimular una respuesta que se puede medir en un analito. Por ejemplo, en la emisión atómica se requiere un aumento de temperatura del analito para producir primero átomos de analito gaseosos y luego para excitarlos y llevarlos a estados de energía superiores. Entonces, los átomos en estado excitado emiten radiación electromagnética característica, la cual es medida por un instrumento. Las fuentes de energía pueden tomar la forma de un cambio térmico rápido como en el ejemplo anterior; la radiación electromagnética de una región seleccionada del espectro; la aplicación de una cantidad eléctrica, como voltaje, corriente o carga; o tal vez formas intrínsecas más tenues del mismo analito. Observe que las primeras seis entradas de la
tabla 01 se relacionan con interacciones del analito con la radiación electromagnética. En la primera propiedad, el analito produce la energía radiante; las siguientes cinco propiedades se relacionan con cambios en la radiación electromagnética provocados por su interacción con la muestra. Luego siguen cuatro propiedades eléctricas. Para finalizar, se agrupan cinco propiedades diversas: masa, relación masa-carga, velocidad de reacción, características térmicas y radiactividad. La segunda columna de la tabla, lista los métodos instrumentales que se basan en las propiedades físicas y químicas. Dé se cuenta de que no siempre es fácil elegir el método óptimo de entre las técnicas instrumentales disponibles y sus equivalentes clásicos. Algunas técnicas instrumentales son más sensibles que las técnicas clásicas, pero otras no. Con ciertas combinaciones de elementos o de compuestos, un método instrumental puede ser más selectivo, pero con otras un método gravimétrico o volumétrico podría sufrir menos interferencia. Igualmente difíciles de plantear son las generalizaciones con base en la exactitud, la conveniencia o el tiempo necesario. No siempre es cierto que los procedimientos instrumentales emplean aparatos más complicados o más costosos.
TABLA N° 01: Señales utilizadas en los métodos instrumentales
2.1 Métodos Espectroscópicos Según (Yerga, 2010), la espectroscopia es una ciencia que trata la interacción de la radiación electromagnética, u otras partículas, con la materia.
2.1.1 Espectroscopia Atómica
En este tipo de métodos, las sustancias presentes en una muestra, se convierten en átomos o iones elementales en estado gaseoso, para la posterior medida de la propiedad analítica.
2.1.1.1 Espectroscopia de Absorción Atómica La muestra se atomiza mediante un medio de alta temperatura que proporciona una alta energía. El atomizador puede ser una llama o un horno de grafito. Irradiamos el vapor atómico y los átomos son capaces de absorber a una característica longitud de onda. La absorbancia medida será función de la concentración en el vapor atómico. Se utiliza una lámpara de cátodo hueco para que la radiación que incide en la muestra sea característica del elemento que queremos cuantificar.
2.1.1.2 Espectroscopia de Emisión Atómica Los atomizadores más utilizados son los plasmas y el arco y chispa eléctricos. Estos atomizadores consiguen una temperatura de hasta 10000K. Al atomizar la muestra con esta temperatura, los átomos estarán en un estado excitado y cuando regresen al estado fundamental emitirán una radiación característica que será función de la cantidad del elemento en la muestra.
2.1.1.3 Espectroscopia de Masas Atómica Este método consiste en la atomización de la muestra, conversión de átomos a iones, separación de esos iones mediante la diferencia en la relación masa/carga (m/z) y contaje de iones de cada tipo. Para la separación y recuento de iones, se utiliza un espectrómetro de masas.
2.2 Espectroscopia Molecular Son métodos espectroscópicos en donde el analito que se quiere determinar se encuentra en forma molecular.
2.2.1 Espectroscopia de Absorción Molecular Las sustancias pueden absorber a una determinada longitud de onda. Si se irradia a esa cierta, la intensidad que llega al detector será menor que la intensidad con que irradiamos la muestra. Esa absorbancia es proporcional a la concentración del analito, según la Ley de Beer. Usualmente se utiliza la región UV y Visible del espectro electromagnético.
2.2.2 Espectroscopia de Absorción IR
Al aplicar una radiación IR a una molécula, la molécula puede cambiar de unos estados de energía vibracional y rotacional a otros. Esos cambios se definen por una energía característica, o lo que es lo mismo, a una determinada longitud de onda, y dependen de los átomos que corresponden al enlace, al tipo de éste y al tipo de vibración o rotación que sea.
2.2.3 Resonancia Magnética Nuclear Se basa en la absorción de la radiación en la región de la radiofrecuencia. En este proceso se ven implicados los núcleos de los átomos. Es un método para determinación estructural muy bueno, ya que la señal de cada átomo, saldrá a un mayor o menor desplazamiento, dependiendo de los átomos que le rodeen en la molécula.
2.2.4 Espectroscopia de Masas Molecular Se basa en la separación de distintos radicales o iones moleculares debido a la diferencia de la relación masa/carga entre ellos. Es un método de determinación estructural y puede dar información acerca de mezclas complejas, entre otras aplicaciones.
2.3 Métodos Electroquímicos Se basan en las propiedades eléctricas de un analito en disolución. Poseen límites de detección especialmente bajos.
2.3.1 Métodos Potenciométricos Se basa en la medida del potencial de equilibrio en una celda galvánica, en la cual disponemos de dos electrodos, indicador y de referencia. Medimos la diferencia de potencial entre los electrodos, esa diferencia de potencial entre los electrodos, esa diferencia de potencial está relacionada con la concentración de analito que queremos medir.
2.3.2 Métodos Voltamperométricos Son métodos en los que la concentración de analito se deduce a partir de medidas de la intensidad de corriente en función del potencial aplicado. Tiene grandes ventajas como que el analito no se pierde al realizar el experimento.
2.3.3 Métodos Cromatográficos La cromatografía en si es un método de separación de sustancias en mezclas complejas. Se utiliza generalmente para separación, pero a los instrumentos se les
acopla algún componente para la posterior determinación por algún método analítico instrumental. La mezcla a resolver se introduce en un sistema formado por un fluido (fase móvil), que circula en contacto con la fase estacionaria. Los componentes de la mezcla que poseen una mayor afinidad por la fase estacionaria, su velocidad de avance se hará más pequeña y se logrará la separación. Hay dos tipos importantes de cromatografía:
Cromatografía de gases, donde la fase móvil es un gas inerte y la fase estacionaria puede ser sólida o líquida.
Cromatografía de líquidos, donde la fase móvil es uno o varios líquidos y la fase estacionaria es sólida.
III.
CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD DE LOS MÉTODOS ANALÍTICOS Según (Baeza, 1997) los principales factores son:
Exactitud: Grado de concordancia entre el resultado y un valor de referencia certificado. En ausencia de exactitud se tiene error sistemático. 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.
Precisión: Grado de concordancia entre los datos obtenidos de una serie. Refleja el efecto de los errores aleatorios producidos durante el proceso analítico. 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 cuando el método se aplica repetidamente a múltiples alícuotas de una muestra homogénea.
Sensibilidad: Capacidad para discriminar entre pequeñas diferencias de concentración del analito. Se evalúa mediante la sensibilidad de calibración, que es la pendiente de la curva de calibración a la concentración de interés. 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.
Límite de detección: Concentración correspondiente a una señal de magnitud igual al blanco más tres veces la desviación estándar del blanco.
Intervalo dinámico: Intervalo de concentraciones entre el límite de cuantificación (LOQ) y el límite de linealidad (LOL).
Selectividad: Cuantifica el grado de ausencia de interferencias debidas a otras especies contenidas en la matriz.
Seguridad: Amplitud de condiciones experimentales en las que puede realizarse un análisis. Además, habrá que considerar otro tipo de parámetros asociados y de gran importancia práctica como son la rapidez, costo, seguridad del proceso, peligrosidad de los residuos, etc. Un mecanismo muy indicado para conocer la calidad del método analítico es participar en programas de intercomparación con otros laboratorios. En ellos, un organismo independiente evalúa los resultados, tanto en exactitud como en precisión, sobre muestras enviadas a los laboratorios participantes. Los resultados de la intercomparación permiten corregir los errores de funcionamiento del método analítico y, una vez comprobada la calidad del mismo, obtener la homologación del laboratorio para realizar los análisis. La homologación requiere la puesta en marcha de un programa de garantía de calidad, que permita controlar el funcionamiento global del laboratorio.
IV.
INSTRUMENTOS PARA ANÁLISIS Un instrumento para análisis químico convierte la información acerca de las características físicas o químicas de un analito en datos que puede manipular e interpretar el ser humano. Por tanto, un instrumento analítico se puede considerar como un dispositivo de comunicación entre el sistema motivo de estudio y el investigador. Para recuperar la información deseada del analito, es necesario proporcionar un estímulo, el cual está casi siempre en la forma de energía electromagnética, eléctrica, mecánica o nuclear. El estímulo extrae una respuesta del sistema en estudio cuya naturaleza y magnitud están regidas por las leyes fundamentales de la química y la física. La información resultante está contenida en los fenómenos que resultan de la interacción del estímulo con el analito. Un ejemplo común es pasar una banda angosta de longitudes de onda de luz visible a través de una muestra para medir qué tanto es absorbido por el analito. La intensidad de la luz se determina antes y después de la interacción con la muestra y la relación de estas intensidades proporciona una medida de la concentración del analito. En general, los instrumentos para análisis químico constan de sólo unos cuantos elementos básicos. Con el fin de entender las relaciones entre las piezas de estos instrumentos y el flujo de información desde las características
del analito, pasando por todos los componentes hasta los resultados numéricos o gráficas que produce el instrumento, conviene explorar cómo se puede representar y transformar la información de interés.
4.1
Dominios de los datos
El proceso de medición se vale de una gran diversidad de dispositivos que convierten la información de una forma en otra. Antes de investigar cómo funciona el instrumento, vale la pena entender la manera en que la información se puede codificar o representar mediante características físicas y químicas, y en particular por medio de señales eléctricas, como la corriente, el voltaje y la carga. Los diversos modos de codificar la información se llaman dominios de los datos. Con base en este concepto se desarrolló un esquema de clasificación que simplifica en gran medida el análisis de los sistemas instrumentales y facilita la comprensión del proceso de medición. Como se ilustra en el mapa del dominio de los datos de la figura los dominios de los datos se podrían clasificar en dominios no eléctricos y dominios eléctricos.
4.1.1
Dominios eléctricos
Los modos para codificar la información como cantidades eléctricas se pueden subdividir en dominios analógicos, dominios de tiempo y dominio digital, como se ilustra en la mitad inferior del mapa circular de la figura. Observe que el dominio digital, además de estar formado por señales eléctricas, contiene una representación no eléctrica porque los números que aparecen sobre cualquier tipo de pantalla contienen información digital. Cualquier proceso de medida se puede representar como una serie de conversiones entre dominios.
TABLA N° 02: Algunos ejemplos de partes de instrumentos.
4.1.2
Dominios no eléctricos
El proceso de medición empieza y termina en los dominios no eléctricos. La información física y química que interesa en un experimento particular reside en estos dominios de datos. Entre estas características están la longitud, la densidad, la composición química, la intensidad de la luz, la presión y otras. Es posible tomar una medida y hacer que la información radique del todo en los dominios no eléctricos. Por ejemplo, la determinación de la masa de un objeto mediante una balanza mecánica de brazos iguales compara la masa del objeto, el cual se coloca en uno de los platos de la balanza, y los pesos patrones que se sitúan en el otro. El experimentador codifica directamente la información que representa la masa del objeto en unidades estándar, y él mismo proporciona
dominios de los datos que son
necesarias para llegar a conocer una cantidad relacionada con la intensidad. Un instrumento para un análisis químico suele estar constituido como máximo por cuatro componentes fundamentales:
Generador de señales
Transductor de entrada o detector
Procesador de señales
Transductor de salida o dispositivo de lectura
La determinación de las dimensiones lineales de un objeto mediante una regla y las medidas del volumen de una muestra de líquido por medio de un recipiente graduado son otros ejemplos de medición efectuada exclusivamente en dominios no eléctricos.
FIGURA 03: Mapa del dominio de los datos. La mitad superior sombreada del mapa consta de dominios no eléctricos. La mitad inferior está constituida por dominios eléctricos. Observe que el dominio digital abarca tanto los dominios eléctricos como los no eléctricos
V.
DETECTORES, TRANSDUCTORES Y SENSORES Los términos detectores, transductores y sensores se usan casi siempre como sinónimos, pero de hecho tienen diferentes significados. El más general de los tres términos, el de detector, se refiere a un dispositivo mecánico, eléctrico o químico que identifica, registra o indica un cambio en una de las variables de su entorno, como presión, temperatura, carga eléctrica, radiación electromagnética, radiación nuclear, partículas o moléculas. Se ha llegado a tal grado que con este término se denomina a
todos los instrumentos, es decir, todos son detectores. En el contexto del análisis instrumental se usa el término detector en el sentido general en el cual justamente se le ha definido, y se usará sistema de detección para referirse al conjunto completo de instrumentos que indica o registra cantidades físicas o químicas. Un ejemplo es el detector UV (de luz ultravioleta) que se usa a menudo para indicar o registrar la presencia de analitos extraídos en la cromatografía de líquidos. El término transductor se refiere de manera específica a aquellos dispositivos que transforman la información en los dominios no eléctricos en información en los dominios eléctricos, y a la inversa. Entre los ejemplos están los fotodiodos, fotomultiplicadores y otros fotodetectores electrónicos que producen corriente o voltaje proporcionales a la energía radiante de la radiación electromagnética que incide en sus superficies. Otros ejemplos son los termistores, los medidores de deformación y los transductores del efecto Hall (fuerza del campo magnético). Como ya se sugirió, la relación matemát ica entre la salida eléctrica y la entrada de energía radiante, temperatura, fuerza o fuerza de campo magnético se llama función de transferencia del transductor. El término sensor también es amplio, pero en este texto se le reserva para la clase de dispositivos analíticos que tienen la aptitud de supervisar especies químicas específicas en forma continua y reversible.
5.1
Generadores de señales Un generador de señales produce una señal que denota la presencia y, con
frecuencia también. La concentración del analito. En muchos casos, el generador de señales es simplemente un compuesto o un ion generado a partir del propio analito. Por ejemplo un análisis por emisión atómica, el generador de señales son los átomos excitados o los iones del analito que emiten fotones de radiación. Otro ejemplo en una determinación de pH, la señal es la actividad del ion hidrógeno de una disolución de la muestra. Sin embargo, en muchos otros instrumentos el generador de la señal está considerablemente más elaborado. Así, el generador de señales de un instrumento de análisis por absorción infrarroja incluye, además de la muestra, una fuente de radiación infrarroja, un monocromador, un divisor y un cortador (chop- per) del haz, un atenuador de la radiación y un recipiente de muestra.
5.2
Transductores de entrada (detectores)
Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía (o señal) en otro. Como ejemplos, pueden mencionarse el termopar, que convierte una señal de calor radiante en un voltaje eléctrico; la fotocélula, que convierte la luz en una corriente
eléctrica; o el brazo de una balanza, que convierte una diferencia de masa en un desplazamiento del brazo de la balanza respecto a la horizontal. Los transductores que actúan sobre una señal química se denominan detectores. La mayor parte de los detectores convierten las señales analíticas en un voltaje o corriente eléctricos que se amplifican o modifican fácilmente para accionar un dispositivo de lectura. Los modernos instrumentos analíticos generalmente emplean uno o varios dispositivos electrónicos sofisticados, tales como amplificadores operacionales, circuitos integrados,
convertidores
analógico-digitales
y
digital-analógicos,
contadores,
microprocesadores y ordenadores. Para poder estimar la potencia y las limitaciones de dichos instrumentos, hace falta que el científico comprenda como mínimo de forma cualitativa cómo funcionan estos sistemas y qué es lo que hacen. De acuerdo a (INSTRUMENTAL) la mayoría de los transductores de entrada son dispositivos analógicos: esto es, miden propiedades físicas y químicas en forma continua. 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 N° 04: Transductores de entrada
Cantidad física medida
Transductor de entrada
Salida eléctrica
Concentración de especies electroactivas
Celda polarográfica
Corriente
Actividad iónica en solución
Electrodo selectivo de iones
Voltaje
Intensidad luminosa
Fototubo
Fotodiodo
Corriente
Temperatura
Termistor
Termopar
Voltaje
Corriente
Resistencia
5.3
Procesadores de señales
El procesador de señales modifica la señal transducida procedente del detector de tal forma que se adecue al funcionamiento del dispositivo de lectura. Una señal puede definirse como la salida de un transductor respondiendo al sistema químico de interés. La señal puede dividirse en dos partes, una causada por el (los) analito (s) y la otra por los componentes de la matriz de la muestra, y por la instrumentación analizada en la medición. Esta última parte de la señal se conoce como ruido. Aunque la capacidad para separar las señales - que contienen datos significativosdel ruido sin sentido siempre ha sido una propiedad deseable en cualquier instrumento, con la demanda creciente de mediciones más sensibles se ha convertido en algo indispensable. La cantidad de ruido presente en un sistema instrumental determina la concentración de analito más pequeña que puede medirse con exactitud, y también fija la precisión de la medición a concentraciones más grandes. Los dos métodos principales de acentuación de la señal son 1) el uso de dispositivos electrónicos, tales como filtros para reducir el ruido; la amplificación (un proceso en el cual la señal se multiplica por una constante mayor que la unidad); se atenúan (proceso en el cual la señal se multiplica por una constante menor que uno); se integran, se derivan o se aumentan exponencialmente; o algoritmos de programas computacionales equivalentes para procesar señales a partir de la medición mientras pasan a través del instrumento, y 2) el tratamiento matemático de los datos, posterior a la medición. Entre los métodos posteriores a la medición más útiles están las técnicas estadísticas; además de la acentuación de la señal, estas técnicas ayudan a identificar las fuentes de error y a determinar la precisión, a la vez que proporcionan un método de comparación objetiva de los resultados.
5.4
Dispositivos de lectura
Un dispositivo de lectura es un transductor que convierte una señal procesada en una señal que puede ser entendida por un observador humano. Por lo general, la señal transducida toma la forma de la posición de una aguja en un medidor de escala, de una salida de un tubo de rayos catódicos, de un trazo en un registrador de papel, de una serie de números en una pantalla digital, o del ennegrecimiento de una placa fotográfica. En algunas ocasiones, el dispositivo de lectura da directamente la concentración de analito.
5.5
Computadoras en instrumentos
La mayoría de los instrumentos analíticos modernos contienen o están conectados a uno o más dispositivos electrónicos complejos y a convertidores del dominio de los datos, como amplificadores operacionales, circuitos integrados, convertidores de datos analógicos en digitales y de digitales en analógicos, contadores, microprocesadores y computadoras. Para apreciar el alcance y las limitaciones de dichos instrumentos, los investigadores necesitan tener por lo menos un conocimiento cualitativo de cómo funcionan y de qué es lo que pueden hacer. En los capítulos 3 y 4 se proporciona una breve introducción a este importante tema.
VI.
CALIBRACIÓN DE MÉTODOS INSTRUMENTALES Una parte muy importante de todos los procedimientos analíticos es la calibración y estandarización del proceso. La calibración determina la relación entre la respuesta analítica y la concentración del analito. Por lo regular, se determina mediante el uso de normas químicas. Casi todos los métodos analíticos requieren algún tipo de calibración según normas químicas. Los métodos gravimétricos y algunos métodos coulombimétricos están entre los pocos métodos absolutos que no se basan en la calibración de acuerdo con normas químicas. En esta sección se describen varios tipos de procedimientos de calibración.
6.1
Comparación con Estándares
En esta sección se describen dos tipos de métodos de comparación, la técnica de comparación directa y el procedimiento de titulación. 6.1.1
Comparación directa
Algunos procedimientos analíticos requieren la comparación de una propiedad del analito (o del producto de una reacción con el analito) con estándares o patrones tales que la propiedad que se está probando concuerde de manera muy cercana con la del estándar. Por ejemplo, en los primeros colorímetros, el color producido como resultado de una reacción química de un analito se comparaba con el color producido por la reacción de estándares.
6.1.2
Titulaciones
Están entre las más precisas de todos los procedimientos analíticos. En una titulación, el analito reacciona con un reactivo estandarizado, el titulante, en una reacción de estequiometria conocida. Por lo regular, la cantidad de t itulante varía hasta que se alcanza la equivalencia química, según lo indica el cambio del color del indicador químico o el cambio en una respuesta del instrumento. La cantidad de reactivo
estandarizado necesario para alcanzar la equivalencia química se puede relacionar con la cantidad de analito presente. Por tanto, la titulación es un tipo de comparación química.
6.2
Calibración de un Estándar Externo
Un estándar o patrón externo se prepara por separado de la muestra. En cambio, un estándar interno se añade a la muestra. Los estándares externos se usan para calibrar instrumentos y procedimientos cuando no hay efectos de interferencia de la matriz de componentes sobre la disolución del analito. Se prepara una serie de tales estándares externos que contienen el analito en concentraciones conocidas. Lo ideal es usar tres o más de las disoluciones en el proceso de calibración. No obstante, se puede confiar en calibraciones de dos puntos en algunos análisis de rutina. La calibración se consigue al obtener la señal de respuesta (absorbancia, altura del pico, área del pico) en función de la concentración conocida del analito. Una curva de calibración se prepara con una gráfica de los datos o ajustándoles una ecuación matemática aceptable, como la ecuación de la recta dada por la pendiente y la ordenada al origen que se usa en el método de los mínimos cuadrados lineales. El paso siguiente es la etapa de predicción, en la que se obtiene la señal de respuesta para la muestra y se usa para predecir la concentración desconocida del analito, cx, a partir de la curva de calibración o de la ecuación de mejor ajuste. La concentración del analito en la muestra original se calcula luego mediante cx aplicando los factores de dilución convenientes tomados de los pasos que se siguieron para preparar la muestra.
6.2.1
Método de los mínimos cuadrados
Una curva de calibración característica se muestra en la figura 1.8 para la determinación del isooctano en una muestra de hidrocarburo. En este caso, se inyectó una serie de estándares de isooctano en un cromatógrafo de gases, y se obtuvo el área del pico de isooctano en función de la concentración. La ordenada es la variable dependiente, el área del pico, y la abcisa es la variable independiente, el porcentaje molar (% mol) de isooctano. Como es lo característico y casi siempre deseable, la gráfica se aproxima a una recta. Observe que debido a los errores indeterminados en el proceso de medición, no todos los datos están en la recta. Por tanto, el investigador debe tratar de trazar la “mejor” línea recta que pase por los datos. El análisis de
regresión proporciona los medios para obtener en forma objetiva dicha recta, y también para especificar la incertidumbre asociada con el uso posterior. Esta incertidumbre se relaciona con los residuos. los cuales son una medida de qué tan lejos de la recta de
mejor ajuste quedan los datos. El método de los mínimos cuadrados se aplica con frecuencia para obtener la ecuación de dicha recta. El método de los mínimos cuadrados se basa en dos suposiciones. La primera es que hay en realidad una relación lineal entre la respuesta medida y. y la concentración x del analito estándar. La relación matemática que representa esta suposición se llama modelo de regresión, y se podría representar con:
Donde b es la ordenada al origen o intersección con el eje y, es decir, el valor de y cuando x es cero, y m es la pendiente de la recta (véase la figura 1.8). También se supone que cualquier desviación de los puntos de la línea recta surge de un error en la medición. Es decir, se supone que no hay error en los valores x de los puntos (concentraciones). Ambas suposiciones son aceptables para muchos métodos analíticos, pero es necesario tener en cuenta que siempre que haya una incertidumbre importante en los datos x, el análisis básico lineal de los mínimos cuadrados podría no dar la mejor recta. En tal caso, sería necesario un análisis de correlación complejo. Además, el análisis de mínimos cuadrados podría no ser aceptable cuando la incertidumbre en los valores y varía de manera significativa con respecto a x. En este caso, se necesitarían aplicar diferentes factores de ponderación a los puntos y ejecutar un análisis ponderado de mínimos cuadrados.
6.2.2
Errores en la calibración del patrón externo
Cuando se usan patrones o estándares externos, se supone que se obtendrán las mismas respuestas cuando la misma concentración del analito esté presente en la muestra y en el patrón. Por tanto, la relación funcional de calibración entre la respuesta y la concentración del analito se debe aplicar también a la muestra. En una determinación no suele utilizarse la respuesta original que da el instrumento, sino que se corrige la respuesta original analítica con la medición de un blanco. Un blanco ideal es idéntico a la muestra pero sin el analito. En la práctica, con muestras complejas, se requiere muchísimo tiempo para preparar un blanco ideal (y a veces es imposible hacerlo), por lo que se debe buscar un término medio. A menudo un blanco real es un blanco disolvente que contiene el mismo solvente en el cual está disuelta la muestra, o un blanco reactivo, que contiene el disolvente más todos los reactivos que se usan en la preparación de la muestra.
6.3
Métodos de adición estándar
Estos métodos son particularmente útiles para analizar muestras complejas en las cuales la posibilidad de que se presenten efectos de matriz es importante. Un método de adición estándar puede adoptar varias formas. En una de las más comunes se añaden uno o más incrementos de una solución patrón a alícuotas de la muestra con volúmenes idénticos. A este proceso se le llama adición de muestras. Luego cada disolución se diluye a un volumen fijo antes de tomar la medida. Observe que cuando la cantidad de muestra es limitada, las adiciones se realizan mediante introducciones sucesivas de incrementos del patrón a un único volumen medido de la incógnita. Las medidas se toman en la muestra original y en la muestra a la que se le añadió el patrón después de cada adición. En la mayor parte de las versiones de este método, la matriz de la muestra es casi idéntica después de cada adición, y la única diferencia es la concentración del analito, o bien, la concentración de dicho reactivo en los casos en q ue se añade un exceso de un reactivo analítico. Todos los otros constituyentes de la mezcla de reacción deben ser idénticos porque los patrones están preparados en alícuotas de la muestra.
Se utiliza en muestras complejas donde los efectos de matriz son importantes.
Implica añadir uno o más incrementos de una solución estándar a una alícuota de muestra
El valor del volumen en la intersección de la línea recta con el eje-x es el volumen del reactivo estándar equivalente a la cantidad de analito en la muestra.
FIGURA 05: Gráfica de calibración para el método de la adición estándar. La concentración de la disolución incógnita se podría calcular a partir de la pendiente m y
de la ordenada b, o bien, se podría calcular mediante extrapolación, como se explica en el texto.
VII.
CONSIDERACIONES
IMPORTANTES
PARA
EVALUAR
UN
MÉTODO
INSTRUMENTAL (INSTRUMENTAL) Los métodos instrumentales listados en la Tabla 1.1 se agrupan en tres divisiones principales: espectroscopia, electroquímica y cromatografía. Todos los temas siguientes describen métodos instrumentales específicos y contienen material de las siguientes seis áreas principales.
1. Cómo funciona el método (teoría general): Se presentan los fundamentos físicos y los principios químicos involucrados en la técnica, así como las funciones de los componentes instrumentales. El objetivo de esta sección es representar la transformación de la información de una a otra forma, según se pasa desde la muestra hasta el dispositivo de salida.
2. Ventajas y limitaciones del método: Las capacidades y limitaciones del método son descritas en la segunda sección, junto con discusiones acerca de la presentación e interpretación de los datos. El principal énfasis se hace en el análisis cuantitativo y en las limitaciones del método, incluyendo los tipos de muestras que se manejan, la exactitud, la precisión y los límites de detección.
3. Instrumentación ilustrativa: Esta sección describe varios sistemas representativos de los instrumentos actuales. Diagramas acompañados de una descripción exponen los aspectos prácticos del método, tales como el costo relativo, el entrenamiento requerido para operar el instrumento e interpretar los resultados, y el tiempo requerido para el análisis.
4. Aplicaciones: Se presenta una exposición general de las principales áreas de aplicación del método. Ejemplos específicos ilustran la utilidad del mismo.
VIII.
ELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALÍTICO Se ve que en la actualidad existe una gran cantidad de herramientas para realizar análisis químicos. De hecho, hay tantas que elegir entre ellas que a menudo es muy difícil. En esta sección se describe en forma resumida cómo efectuar dicha elección.
8.1 Definición del problema Para elegir de manera inteligente un método analítico, es esencial definir con claridad la naturaleza del problema analítico. Esta definición requiere respuestas a las siguientes preguntas:
1. ¿Qué exactitud se requiere? 2. ¿Cuánta muestra se tiene? 3. ¿Cuál es el intervalo de concentración del analito? 4. ¿Qué componentes de la muestra podrían causar interferencia? 5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la matriz de la muestra? 6. ¿Cuántas muestras se analizarán? La respuesta a la pregunta 1 es de vital importancia ya que determina cuánto tiempo y esmero se precisará para el análisis. Las respuestas a las preguntas 2 y 3 determinan cuán sensible debe ser el método y a qué intervalo de concentraciones debe adaptarse. La respuesta a la pregunta 4 determina la selectividad que requiere el método. Responder a las preguntas es muy importante porque determina cuánto tiempo y atención se requiere para el análisis. Las respuestas a la pregunta 5 son importantes porque algunos métodos analíticos de la tabla 1.1 se aplican a las soluciones, casi siempre acuosas, del analito. Otros métodos son más fáciles de aplicar a gases, y otros métodos son más adecuados para el análisis directo de sólidos.
FIGURA 06: Hoja de cálculo en la que se ilustra el método del patrón interno para la determinación espectrometría a la llama de sodio.
8.2 Características de desempeño de los instrumentos En la tabla 03 se proporciona una lista de los criterios de desempeño cuantitativos de varios instrumentos que se utilizan para decidir si un método instrumental es adecuado para resolver un problema analítico. Estas características se expresan en términos numéricos que se llaman parámetros de calidad, los cuales permiten reducir la elección de instrumentos para un problema analítico dado a sólo unos pocos. La elección entre estos pocos se basa después en los criterios cualitativos de desempeño de la tabla.
TABLA N° 07: Criterios numéricos para elegir métodos analíticos.
En la Tabla 03: se enumeran los criterios cuantitativos de funcionamiento de los instrumentos, criterios que pueden usarse para decidir si un determinado método instrumental es o no adecuado para resolver un problema analítico. Estas características se expresan en términos numéricos que se denominan parámetros de calidad
TABLA N° 08: Otras características que se deben considerar en la elección del método.
En esta sección se definen cada uno de los seis parámetros de calidad que aparecen en la tabla 03. Estos parámetros se usan a lo largo de todo el libro en el estudio de los diferentes instrumentos y métodos instrumentales.
8.2.1
Precisión
La precisión de los datos analíticos es el grado de concordancia entre los datos que se obtuvieron de la misma manera. La precisión proporciona una medida del error aleatorio o indeterminado de un análisis. Entre los parámetros de calidad de la precisión se encuentra la desviación estándar absoluta, la desviación estándar relativa, el error estándar de la media, el coeficiente de variación y la varianza.
8.2.2
Exactitud
Como se puede ver en la sección a1A.2 del apéndice 1, el sesgo es una medida del error sistemático o determinado del método analítico. La exactitud se define mediante la ecuación exactitud = u – x
TABLA 10: Parámetros de calidad de la precisión de los métodos analíticos.
Donde u es la media de la población para la concentración de un analito de una muestra cuya concentración verdadera es xt. Para determinar la exactitud hay que analizar uno o varios materiales estándar de referencia cuyas concentraciones de analito se conozcan. En general, al desarrollar un método analítico, todos los esfuerzos se dirigen hacia la identificación de la fuente de error y a su eliminación o corrección mediante el uso de blancos y la calibración del instrumento. Los resultados de dichos análisis contendrán errores tanto sistemáticos como aleatorios, pero si se repiten las mediciones una cantidad suficiente de veces, se puede determinar el valor medio con cierto grado dado de confianza.
8.2.3
Sensibilidad
Hay un acuerdo general de que la sensibilidad de un instrumento o método es una medida de su aptitud para discriminar entre pequeñas diferencias de concentración del analito. Hay dos factores que limitan la sensibilidad: la pendiente de la curva de calibración y la reproducibilidad o precisión del dispositivo de medición. De los dos métodos que tienen igual precisión, el que tiene la curva de calibración con mayor pendiente será la más sensible. Un corolario de este enunciado es que si dos métodos tienen curvas de calibración con pendientes iguales, el que muestre la mejor precisión será el más sensible. La definición cuantitativa de sensibilidad que acepta la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés) es la sensibilidad de la calibración, la cual es la pendiente de la curva de calibración en la concentración de interés. La mayoría de las curvas de calibración que se usan en química analítica son lineales y se podrían representar mediante la ecuación
Donde S es la señal medida, c es la concentración del analito, Sbl es la señal del instrumento para un blanco y m es la pendiente de la recta. La cantidad Sbl es la intersección de la recta con el eje de las y. Con estas curvas, la sensibilidad de calibración es independiente de la concentración c es igual a m; como parámetro de calidad tiene el inconveniente de que no considera la precisión de las medidas individuales. La sensibilidad también puede expresarse como la concentración del analito necesaria para causar una respuesta dada en el instrumento.
8.2.4
Límites de detección
La definición cualitativa más generalmente aceptad del límite de detección es que es la concentración o masa mínima del analito que puede ser detectada con un nivel de confianza conocido. Este límite depende de la relación entre la magnitud de la señal analítica y el tamaño de las fluctuaciones estadísticas en la señal blanco. Es decir, a menos que la señal analítica sea mayor que el blanco por algunos múltiplos de k de la variación en el blanco debida a errores aleatorios, es imposible detectar la señal analítica con certeza. Por consiguiente, a medida que se alcanza el límite de detección, la señal analítica y su desviación estándar se aproximan a la señal del blanco Sbl y su
desviación estándar sbl. La mínima señal analítica distinguible Sm se toma luego como la suma de la media de la señal blanco más un múltiplo k de la desviación estándar del blanco. Es decir:
8.2.5
Intervalo dinámico
La Figura 1.4 ilustra la definición del intervalo útil de un método analítico, que va desde la concentración más pequeña con la que pueden realizarse medidas cuantitativas (límite de cuantificación, LOQ) hasta la concentración a la que la curva de calibrado se desvía de la linealidad (límite de linealidad, LOL).
Figura 09: intervalo útil de un método analítico LOD = límite de detección LOG = límite de cuantificación LOL =límite de respuesta lineal Se ilustra la definición de intervalo dinámico de un método analítico, el cual se extiende desde la concentración mínima a la cual se pueden efectuar mediciones cuantitativas (límite de cuantificación, LC, o LOQ por sus siglas en inglés) hasta la
concentración a la cual la curva de calibración se desvía de la linealidad por una cant idad especificada (límite de linealidad o LOL por sus siglas en inglés). Casi siempre, una desviación de 5% de la linealidad se considera como el límite superior. Las desviaciones de la linealidad son comunes a altas concentraciones debido a las respuestas no ideales de los detectores o a efectos de químicos. En general, se considera que el límite inferior de las medidas cuantitativas es igual a 10 veces la desviación estándar de las medidas repetitivas realizada sobre un blanco, es decir, 10sbl. En este punto, la desviación estándar es de casi 30% y disminuye con rapidez a medida que las concentraciones son mayores.
8.2.6
Selectividad
Se refiere al grado al cual el método analítico está libre de la interferencia de otras especies contenidas en la matriz de la muestra. Por desgracia, ningún método analítico está libre de interferencias de otras especies, y con frecuencia se deben tomar medidas para minimizar los efectos de estas interferencias. Para un problema analítico dado, los parámetros de calidad permiten al químico reducir la elección de los instrumentos a tan sólo unos pocos.
IX.
EVALUACIÓN DE RESULTADOS (AGRARIAS)El control de las variables experimentales es usualmente difícil y a menudo imposible. Los métodos de muestreo, las técnicas de los analistas y las respuestas instrumentales, son las fuentes potenciales de error. Los métodos estadísticos proporcionan un medio de evaluar, objetivamente, la fuente y la magnitud del error en los métodos analíticos. La frase común, dentro del error experimental, carece de sentido si la magnitud del error no es definida mediante el uso de técnicas estadísticas.
X.
TIPOS DE ERRORES Para obtener resultados confiables a partir de un método analítico, deben identificarse las fuentes de error y cada una de ellas debe eliminarse o minimizarse. Los errores pueden ser clasificados en dos tipos: aleatorios (indeterminados) o sistematizados (determinados). Ya que la fuente del error aleatorio está en la naturaleza intrínsecamente incierta de las técnicas de medición, este tipo de error se presenta en cada análisis. Los ruidos térmicos, de golpeteo y de fluctuación, son fuentes de error aleatorio. La magnitud del error citado es pequeña, generalmente y por lo tanto puede minimizarse por métodos de filtrado (ya sea por equipo o por programas).
El segundo tipo de error, sistemático o de procedimiento, hace que los resultados se desvíen de manera constante respecto de los valores esperados. Sus fuentes incluyen procedimientos de calibración inadecuados, pureza insuficiente de los reactivos y operación incorrecta de los instrumentos de medición. Este tipo de error no puede reducirse por la aplicación de métodos estadísticos. A menudo, los errores sistemáticos pueden identificarse y minimizarse modificando el procedimiento analítico.
XI.
PUESTA A PUNTO DE LA METODOLOGÍA ANALÍTICA En términos generales, se denomina calibración al conjunto de operaciones que tienen por objeto establecer la relación que hay, en condiciones espec ificadas, entre los valores indicados por un instrumento de medida y los valores conocidos correspondientes. En el análisis químico, calibrar significa determinar la relación entre la concentración del analito y la respuesta de la técnica de medida. No hay que confundir calibración con validación: el último término implica determinar si una metodología analítica específica puede usarse de modo satisfactorio, sea que la realice un solo analista o por varios laboratorios y analistas. Una calibración adecuada de los instrumentos es esencial para obtener análisis exactos. La elección de una técnica de calibración depende del método instrumental, de la respuesta del instrumento, de las interferencias presentes en la matriz de la muestra y del número de muestras por analizar. El término matriz incluye, además del analito, todos los demás componentes de la muestra. Los estándares o patrones químicos se utilizan para determinar factores de recuperación y para la etapa de calibración. Los métodos de calibración pueden dividirse en dos tipos:
A.
Estándares externos (calibración externa)
B.
Estándares añadidos a la muestra:
B.1 Método de la adición estándar B.2 Método del estándar interno A. ESTÁNDARES EXTERNOS - Curva de calibración En el análisis cuantitativo es muy raro tener la certeza de que se cumple la ley de Beer, por lo cual no es justificable utilizar un solo patrón para determinar la absortividad molar, y menos aún que los resultados se basen en los datos de absortividad molar tomados de la literatura.
En la mayoría de los métodos espectrofotométricos se hace una calibración con el método de los estándares externos. Un estándar externo es aquel que se analiza separadamente de la muestra que se está ensayando. Para ello, se prepara una serie de soluciones patrón que contienen distintas concentraciones conocidas de analito, junto a la matriz que es similar o idéntica a la de la muestra. Luego se mide su absorbancia y se construye una curva de calibración de absorbancia frente a concentración. Los estándares externos pueden usarse para calibrar un procedimiento de medida; cuando los componentes de la matriz, incluyendo los reactivos que se requieren en el preparado, no causan interferencias. También pueden usarse para calibrar un análisis en el cual se tiene suficiente control sobre las condiciones como para que la contribución producida por los interferentes sobre las medidas puedan mantenerse constantes; así puede realizarse la oportuna corrección del error determinado por el interferente. Muchas veces no se pueden eliminar todos los elementos interferentes durante la preparación de la muestra. A pesar de todo, los estándares, cuidadosamente preparados, posibilitan la evaluación de los efectos de cualquier elemento interferente y permiten corregir su influencia sobre los resultados. De otra forma, no se podría hacer ninguna calibración. Si varía cualquier condición o cualquiera de los pasos de la preparación, los instrumentos deben ser recalibrados y quizás se tengan que preparar nuevos estándares externos.
B. ESTÁNDARES AÑADIDOS (internos) Hay tres supuestos en los que la estandarización se efectúa añadiendo un estándar a la misma muestra: 1. Cuando la matriz, sólida o líquida de una muestra sea, desconocida o tan compleja que no podría emplearse un estándar externo con suficiente garantía. 2. Cuando el proceso de preparación de la muestra o la técnica de ensayo sea compleja o muy variable. 3. Cuando la medida dependa de condiciones instrumentales muy precisas y difícilmente controlables. En algunos casos pueden presentarse los tres problemas en un mismo análisis. Por ejemplo, la muestra puede ser complicada, la preparación difícil y la medida puede implicar introducir la muestra en una llama. Las reacciones de las tres etapas son
bastante complejas y algunas veces las condiciones de la llama son difíciles de regular con la precisión deseada.
B.1 Método de adiciones estándares Cuando es imposible suprimir interferencias físicas o químicas en la matriz de la muestra puede usarse el método de adiciones estándares. La respuesta del instrumento debe ser función lineal de la concentración del analito, en el intervalo de concentra ciones y también debe tener una ordenada en cero (señal cero para concentración cero). Una pequeña cantidad de solución del analito, de concentración conocida, se añade a una alícuota de una solución muestra analizada previamente, y el análisis se repite usando reactivos, parámetros de instrumento y procedimientos idénticos. Las lecturas pueden ser corregidas para cualquier señal de fondo. Siempre es aconsejable revisar el resultado con al menos otra adición estándar. Las adiciones estadísticamente óptimas de analito son iguales al doble o a la mitad de la cantidad de analito en la muestra original. Todas las soluciones deben ser diluidas al mismo volumen final, para que cualquier interferente en la matriz de la muestra tenga un efecto idéntico en cada solución. Debe dejarse transcurrir suficiente tiempo entre la adición del estándar y el análisis final, para que el estándar agregado alcance el equilibrio con los interferentes de la matriz. El método de adiciones estándares es ampliamente utilizado en la química electro analítica, para obtener resultados más exactos que los que resultan usando curvas de calibración. La absorción atómica y la espectrofotométrica de emisión de llama, usan este método con matrices de muestra complejas, en donde la viscosidad, la tensión superficial, los efectos de la llama y otras propiedades de la solución muestra no pueden reproducirse con exactitud en las soluciones de calibración.
B.2 Método del estándar interno Se emplea un estándar interno para minimizar las diferencias en las propiedades físicas de un conjunto de soluciones muestra que contiene el mismo analito. En este método, una cantidad fija de una sustancia pura se añade tanto a las soluciones muest ra como a las soluciones estándares, se determinan luego las respuestas del analito y del estándar interno, cada una corregida por el fondo y se calcula el cociente de las dos respuestas. Si se controlan los parámetros que afectan las respuestas medidas, la respuesta de la línea del estándar interno será constante, puesto que la concentración del estándar interno es fija, sin embargo si varía uno o más de los parámetros que
afectan las respuestas medidas, dichas respuestas del analito y del estándar interno deben ser afectadas por igual. Por lo tanto, el cociente de respuestas (del analito al estándar interno) depende solamente de la concentración del analito. Una gráfica de la relación o cociente de respuestas como función de la concentración del analito, da una curva de calibración. El estándar debe añadirse al comienzo de un análisis para permitir su disolución, mezclado y que ocurra cualquier reacción antes de efectuar cualquier medición. Todos los equilibrios deben haberse establecido (y algunos pueden ser dependientes del tiempo). La adición de los estándares a la muestra disuelta puede llevar a una interpretación deficiente de los resultados si no se consideran las posibles reacciones entre la sustancia estándar y otros componentes. El estándar interno debe ser una sustancia similar al analito con una señal fácilmente medible que no interfiere con la respuesta del analito, debe responder de manera similar a él, para cualquiera de las variables que pudieran afectar la respuesta del detector. La concentración del estándar interno tiene que ser del mismo orden de magnitud que la del analito a fin de minimizar el error al calcular los cocientes de respuestas. Este método se usa ampliamente en los análisis por cromatografía de gases y por absorción atómica y en menor grado, en las determinaciones espectroscópicas de infrarrojo y de emisión.
XII.
CONCLUSIONES
Los resultados analíticos están incompletos sin una estimación de su fiabilidad. Por tanto, si pretendemos que los resultados tengan valor, debe proporcionarse alguna medición de la incertidumbre relacionada con los cálculos obtenidos. Además, el informe final no sólo debe plasmar los resultados obtenidos sino también las limitaciones concretas del método de análisis empleado. En cualquier caso, éste puede ir dirigido a un especialista o para el público en general, de modo que será necesario asegurarse de que es apropiado para el destinatario previsto. Una vez escrito el informe, el analista puede o no estar implicado en el uso de su información. Como mínimo el analista tiene la responsabilidad de asegurar que las conclusiones que se extraigan de sus datos sean coherentes con los mismos.
XIII.
BIBLIOGRAFÍA AGRARIAS, F. D. (s.f.). CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS INSTRUMENTAL.
Baeza, J. J. (Octubre de 1997). La Química Analítica y su metodología. Obtenido de http://www.uv.es/baeza/metodo.html
