Unidad 1 GENERALIDADES DEL ANALISIS INSTRUMENTAL a se ocupa de los métodos de determinación de la La Q u ím ic a an al ít i c a se composición química de la materia. Un método cualitativo informa sobre la identidad de las especies atómicas o moleculares de la muestra, o de los grupos funcionales que hay en ella; por otra parte, un método cuantitativo aporta información numérica de la cantidad relativa que hay de uno o varios de estos componentes. El análisis ins tru m ental es el análisis químico llevado a cabo mediante ental es equipos que miden alguna propiedad de los compuestos. Ejemplo: intensidad de radiación absorbida o emitida, numero de iones, etc. 1.1 Métodos clásicos e instrumental
Los métodos analíticos suelen clasificar en clásicos e instrumentales. Esta clasificación es, en gran medida histórica, ya que los métodos clásicos a veces denominados métodos de química húmeda, procedieron en un siglo o más a los métodos instrumentales. Métodos clásicos
En los primeros años de la Química, la mayor parte de los análisis se realizaban separando los componentes de una muestra (los analíticos) mediante un procedimiento de precipitación, extracción o destilación. En los análisis cualitativos, los componentes separados se trataban seguidamente con reactivos originándose unos productos que se podían identificar por su color, su punto de ebullición o de fusión, su solubilidad en una seria de disolventes, su olor, su actividad óptica o su índice de refracción. En los análisis cuantitativos, la cantidad de analito g ra v im é tr ic o y se determina mediante mediadas v o lu m é tr ic o . En las primeras se determinaba la masa del analito o la de algún compuesto generado a partir del mismo. En los procedimientos volumétricos se determinaba el volumen o el peso de un reactivo patrón que reaccionase completamente con el analito.
Figura 1A La gravimetría es un método analítico cuantitativo, es decir, que determina la cantidad cantidad de de sustancia, midiendo el el peso de la misma con una balanza analítica y por último sin llevar a cabo el análisis por volatización.
Estos métodos clásicos para la separación y determinación de analitos de usan todavía en muchos laboratorios. Sin embargo, su grado de aplicación general va disminuyendo con el paso del tiempo y con la implantación de los métodos instrumentales que los están desplazando.
Métodos instrumentales
A principios del siglo XX, los químicos comenzaron a utilizar fenómenos distintos de los utilizados en los métodos clásicos para resolver los problemas analíticos. Así, para el análisis cuantitativo de una gran variedad de analitos inorgánicos, orgánicos y bioquímicos se empezaron a utilizar las medidas de sus propiedades físicas tales como la conductividad, el potencial de electrodo, la absorción o emisión de la luz, la relación masa/carga y la fluorescencia. Además, en la separación de mezclas complejas, técnicas cromatografías y electroforéticas muy eficaces empezaron a reemplazar a la destilación, extracción y precipitación como etapa previa a su determinación cualitativa o cuantitativa. A estos métodos más modernos para la separación y determinación de especies químicas se les conoce, en conjunto, como métodos instrumentales de análisis. La Tabla 1-1 enumera la mayoría de las propiedades características que se utilizan actualmente en análisis instrumental. La mayor parte de ellas requieren una fuente de energía para estimular una respuesta medible que procede del analito.
1.2 Clasificación de las técnicas instrumentales
La mayoría de las técnicas instrumentales quedan en una de las tres áreas principales: espectroscopía, electroquímica y cromatografía ( Tabla 1.2). Aunque varias técnicas importantes (incluyendo la espectrometría de masas y el análisis térmico) no se ajustan convenientemente a estas clasificaciones, las tres áreas proporcionan la base de un estudio sistemático de la instrumentación química. Los avances en la química y en la tecnología están haciendo posibles nuevas técnicas y extendiendo el uso de las ya existentes. La espectroscopía fotoacústica es un ejemplo de técnica analítica en ciernes. Algunas de las técnicas existentes se han combinado para extender la utilidad de los métodos componentes. Ejemplos de métodos acoplados o conjuntados exitosamente (que se indican con siglas unidas con guión) son los de cromatografía de gasesespectrometría de masas (GC-MS) y el de plasma con acoplamiento inductivo espectrometría de masas (ICP-MS). La aplicación de la capacidad de las computadoras a los instrumentos analíticos ha llevado al uso extenso de métodos como la transformada de Fourier para producir las nuevas técnicas: espectroscopías de infrarrojo según la transformada de Fourier (FTIR), y de resonancia magnética nuclear de pulsos (de carbono 13).
1.3 Sensibilidad y Limite de detección Sensibilidad
En general la sensibilidad de un instrumento o un método se entiende como la capacidad de discriminar entre pequeñas diferencias en la propiedad que se mide de un material. Dos factores limitan la sensibilidad: la pendiente de la curva de calibración y la reproducibilidad o precisión del sistema de medida. Para dos métodos que tengan igual precisión, el que tenga mayor pendiente de la curva de calibración será el más sensible. Por otro lado, si dos métodos tienen curvas de calibración con igual pendiente, el más sensible será aquél que presente mejor precisión. La definición cuantitativa más sencilla de sensibilidad, que es la que acepta la IUPAC (International Union of Pure Applied Chemists ), es la de sensibilidad de calibración, que se define como la pendiente de la curva de calibración a la concentración de interés. La mayoría de las curvas de calibración son lineales y pueden describirse por la ecuación:
En la que S es la señal medida, c es la concentración de la especie a analizar, Sbl es la señal instrumental para un blanco y m es la pendiente de la recta. La sensibilidad de calibrado como parámetro de calidad tienen el inconveniente de no tener en cuenta la precisión de las medidas individuales. Mendel y Stiehler 1 consideraron la necesidad de incluir la precisión en un tratamiento matemático coherente para la sensibilidad y proponen la siguiente definición para la sensibilidad analítica, γ
Aquí, m es de nuevo la pendiente de la curva de calibrado y s s es la desviación estándar de las medidas. Limite de detección
Para una determinada magnitud medida, el límite de detección es el menor valor de ella que puede detectarse para un nivel de confianza dado. Este límite depende de la relación entre la magnitud de la señal analítica y el valor de las fluctuaciones estadísticas de la señal del blanco. Esto es, a menos que la señal analítica sea mayor que la del blanco en un múltiplo k de las variaciones del blanco debidas a errores aleatorios, no será posible detectar con certeza la señal 1
J. Mandel y R. D Stienhler, J. Res. Natl. Bur, Std., 1964, A53, 155
analítica. Por tanto, la mínima señal analítica distinguible, Sm , se toma como la suma de la señal media del blanco , , más un múltiplo k de la desviación estándar del mismo, S b l
Finalmente la pendiente de la Ecuacion 1-2 y S m se utilizan para calcular c m que se define el límite de detección como:
1.4 Relación Señal-Ruido
Conforme las fuentes de señales se tornan débiles, el problema de distinguirlas respecto del ruido se hace cada vez más difícil, lo que ocasiona una disminución en la exactitud y en la precisión de las mediciones. La capacidad de un sistema instrumental para discriminar entre señales y ruido se expresa normalmente como la relación S/N en donde:
Normalmente se mejoran las relaciones S/N aumentándolas a partir de la utilización de dispositivos electrónicos (filtros, amplificadores, etc.) o algoritmos (promediado de conjunto, promediado por grupos, transformadas de Fourier, etc.), diseñados para reducir la contribución del ruido o para extraer la señal. Factor R uido
La magnitud del ruido generado por un dispositivo electrónico, por ejemplo un amplificador, se puede expresar mediante el denominado factor de ruido (F), que es el resultado de dividir la relación señal/ruido en la entrada (S/R)ent por la relación señal/ruido en la salida (S/R)sal, cuando los valores de señal y ruido se expresan en números simples:
Sin embargo, como los valores de la relación señal/ruido suelen expresarse en forma logarítmica, normalmente en decibelios, el factor de ruido en decibelios será, por tanto, la diferencia entre las relaciones S/R en la entrada y en la salida del elemento bajo prueba ya que:
1.5 Calibración de los métodos instrumenta les
Todo los métodos instrumentales, excepto dos, requieren una calibración, proceso que relaciona la señal analítica medida con la concentración del analito. Los tres métodos más frecuentes utilizados para la calibración son: La realización y el uso de curvas de calibrado, el método de la adición estándar y el método del patrón interno. 1.6 Curvas de Calibracion Para realizar el método de la curva de calibrado se introducen en el instrumentos vairos patrones que contienen concentraciones exactamente conocida del analito y se registra la señal instrumental. Normalmente esta señal instrumental. Normalmente esta señal se corrige con la correspondiete señal obtenida con el blanco. En condiciones de la muestra original excepto el analito. Los datos obtenidos se representan para obtener una grafica de la señal corregida del instrumento frente a la concentración de analito. La Figura 1-8 muestra una curva de calibrado característica (también denominada curva patrón o curva analítica). A menudo se obtienen represntaciones graficas como estas son lineales a un amplio intervalo de concentración (intervalo útil) lo cual es deseable, ya que están menos sujetas a erros que las curvas no lineales. Sin embargo, no es raro encontrar representaciones graficas no lineales, las cuales
