Capítulo i Introducción Al Análisis Instrumental

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIASQUMICA ANALTICA E INTRUMENTAL Carreras: Ingeniera Agronmica

CAPTULO IINTRODUCCIN AL

ANLISISINSTRUMENTAL

Captulo I Introduccin al Anlisis Instrumental 1 |


INTRODUCCION AL ANALISIS INSTRUMENTAL

La Qumica Analtica trata acerca de los mtodos de determinacin de la composicinqumica de la materia. Un mtodo cualitativo proporciona informacin respecto a las especiesatmicas o moleculares o a los grupos funcionales que existen en la muestra. Un mtodocuantitativo, por otra parte, suministra informacin numrica como, por ejemplo, la cantidadrelativa de uno o varios de estos componentes.

CLASIFICACIN DE LOS MTODOS ANALITICOS Los mtodos analticos se suelen clasificar en clsicos o instrumentales. Esta clasificacin

es en gran parte histrica, y los mtodos clsicos precedieron en un siglo o ms a los mtodosinstrumentales.

1. Mtodos clsicos En los primeros aos de la qumica, la mayor parte de los anlisis se realizaban separando

los componentes de inters de una muestra (los analitos) mediante precipitacin, extraccin odestilacin.

En los anlisis cualitativos, los componentes separados se tratan seguidamente conreactivos originando as productos que podan identificarse por sus colores, sus puntos deebullicin o de fusin, sus solubilidades en una serie de disolventes, sus olores, sus actividadespticas o sus ndices de refraccin. En los anlisis cuantitativos, la cantidad de analito sedetermina por medidas gravimtricas o volumtricas. En las primeras se determina la masa delanalito o la de algn compuesto producido a partir del mismo. En los procedimientos volumtricosse determina el volumen o el peso de un reactivo estndar que reacciona completamente con elanalito. Estos mtodos clsicos para la separacin y determinacin de analitos se usan en muchoslaboratorios. Sin embargo, su grado de aplicacin general est disminuyendo con el paso deltiempo.

2. Mtodos instrumentales A mediados de los aos treinta, o algo antes, los qumicos empezaron a explotar otros

fenmenos distintos de los ya descritos, para la resolucin de los problemas analticos. As, parael anlisis cuantitativo de una gran variedad de sustancias inorgnicas, orgnicas y bioqumicasse empezaron a utilizar mediciones de las propiedades fsicas de los analitos -tales comoconductividad, potencial de electrodo, absorcin o emisin de la luz, razn masa a carga yfluorescencia. Adems, algunas tcnicas de separacin cromatogrficas muy eficacesempezaron a reemplazar a la destilacin, extraccin y precipitacin en la separacin de mezclascomplejas como etapa previa a su determinacin cualitativa o cuantitativa. A estos mtodos msmodernos para separar y determinar especies qumicas se les conoce, en conjunto, comomtodos instrumentales de anlisis. .

Muchos de los fenmenos en los que se basan los mtodos instrumentales se conocendesde hace ms de un siglo. Sin embargo su aplicacin por la mayor parte de los qumicos seretras por falta de una instrumentacin sencilla y fiable. De hecho, el crecimiento de los mtodosinstrumentales modernos ha ido paralelo al desarrollo de las industrias electrnica e informtica.

TIPOS DE MTODOS INSTRUMENTALES

Para este estudio, es conveniente describir propiedades fsicas que puedan utilizarse comoseales analticas en el anlisis cualitativo o cuantitativo. La Tabla 1-1 enumera la mayora de las



seales analticas que se suelen utilizar en el anlisis instrumental. Obsrvese que las seisprimeras estn relacionadas con la radiacin electromagntica. En la primera, el analito origina laseal radiante; las cinco restantes implican cambios en el haz de radiacin producidos a su pasopor la muestra. Las cuatro siguientes son elctricas. Por ltimo, cuatro seales diversas seagrupan conjuntamente. Estas son la razn masa a carga, la velocidad de reaccin, las sealestrmicas y la radiactividad. La segunda columna de la Tabla 1-1 indica los nombres de los mtodos instrumentalesbasados en las distintas seales analticas. Debera entenderse que excepto en la cronologa,pocas peculiaridades distinguen a los mtodos instrumentales de sus equivalentes clsicos.Algunas tcnicas instrumentales son ms sensibles que las tcnicas clsicas, pero otras no. Unmtodo instrumental puede ser ms selectivo para ciertas clases de elementos o de compuestos;para otros, un planteamiento gravimtrico o volumtrico puede suponer una menor interferencia. Igualmente difciles de establecer son las generalizaciones basadas en la exactitud, laconveniencia, o el tiempo empleados. Tampoco es necesariamente cierto que los procedimientosinstrumentales utilicen aparatos ms sofisticados o ms costosos; en realidad, la moderna balanzaanaltica electrnica que se emplea en las determinaciones gravimtricas supone un instrumentoms complejo y refinado que muchos de los usados en los otros mtodos mencionados en laTabla 1-1. Como ya se ha comentado anteriormente, adems de los numerosos mtodos indicadosen la segunda columna de la Tabla 1-1, existe un grupo de procedimientos instrumentales que seutilizan para separar y resolver compuestos estrechamente relacionados. La mayora de estosprocedimientos se basan en la cromatografa. Para completar el anlisis tras las separacionescromatogrficas se suele usar alguna de las seales de la Tabla 1-1. Con esta finalidad se hanutilizado la conductividad trmica, la absorcin infrarroja y ultravioleta, el ndice de refraccin y laconductancia elctrica.

Tabla 1.1 Seales utilizadas en los mtodos instrumentales

SEAL METODOS INSTRUMENTALES

Emisin de radiacinEspectroscopia de emisin (rayos X, UV, visible, deelectrones) fluorescencia, fosforescencia y luminiscencia(rayos X,UV y visible)

Absorcin de radiacinEspectrofotometra y fotometra (rayos X, UV,Visible, IR;)espectroscopia fotoacstica, resonancia magntica nuclear,y espectroscopia de resonancia de espn electrnico

Dispersin de la radiacin Turbidimetra, nefelometra, espectroscopia Raman Refraccin de la radiacin Refractometra, interferometra Difraccin de la radiacin Mtodos de difraccin de rayos X y de electrones. Rotacin de la radiacin Polarimetra, dispersin rotatoria ptica, dicroismo circular Potencial elctrico Potenciometra, cronopotenciometra Carga elctrica Coulombimetra Corriente elctrica Polarografa, amperometra Resistencia elctrica Conductimetra Razn masa a carga Espectrometra de masas Velocidad de reaccin



Mtodos cinticos Propiedades trmicas Conductividad trmica y mtodos de entalpa Radiactividad Mtodos de activacin y de dilucin isotpica

INSTRUMENTOS PARA EL ANLISIS

En un sentido muy amplio, un instrumento para el anlisis qumico convierte una sealanaltica que no suele ser detectable ni comprensible directamente por un ser humano, en unaforma que s lo es. As, un instrumento analtico puede considerarse como un dispositivo decomunicacin entre el sistema en estudio y el cientfico. Un instrumento para el anlisis qumico suele estar constituido como mximo por cuatrocomponentes fundamentales. Como se muestra en la Figura 1-1, estos componentes son ungenerador de seales, un transductor de entrada (denominado detector), un procesador de laseal y un transductor de salida o dispositivo de lectura. A continuacin se da una descripcingeneral de estos componentes.

Fig 1.1: Componentes de un instrumento tpico

1. Generadores de seales Un generador de seales produce una seal que denota la presencia y, con frecuenciatambin. la concentracin del analito. En muchos casos, el generador de seales es simplementeun compuesto o un in generado a partir del propio analito. Por ejemplo un anlisis por emisinatmica, el generador de seales son los tomos excitados o los iones del analito que emitenfotones de radiacin. Otro ejemplo en una determinacin de pH, la seal es la actividad del inhidrgeno de una disolucin de la muestra. Sin embargo, en muchos otros instrumentos elgenerador de la seal est considerablemente ms elaborado. As, el generador de seales de uninstrumento de anlisis por absorcin infrarroja incluye, adems de la muestra, una fuente deradiacin infrarroja, un monocromador, un divisor y un cortador (chop- per) del haz, un atenuadorde la radiacin y un recipiente de muestra.

La segunda columna de la Tabla 1-2 lista unos pocos ejemplos tpicos de generadores deseales.



Tabla 1.2 Algunos ejemplos de componentes de instrumentos

Instrumento Generador desealseal

analticaTransductorde entrada

Sealtransducida

Procesador deseal Lectura

Fotmetro

Lmpara deTungsteno,filtro vidrio,

muestra

Haz de luzatenuado

fotoclula Corrienteelctrica

ninguno Medidor decorriente

Espectrofot-metro deemisinatmica

Llama,monocromador,

cortador,muestra.

RadiacinUV o visible

Tubofotomultipli-

cador.

Potencialelctrico

Amplificadordemodulador

Registradorsobre papel

Coulombimetro

Fuentecorrientecontnua,muestra

Corriente dela celda Electrodos

Corrienteelctrica Amplificador

Registradorsobre papel

Medidor de pH Muestra Actividad delionhidrgeno

Electrodosde vidrio y

calomelanos

Potencialelctrico

Amplificador,digitalizador Unidad digital

Difractmetrode rayos Xpara polvo

Tubo de rayosX, muestra

Radiacindifractada

Pelculafotogrfica

Imagenlatente

Reveladorqumico

Imgenesennegrecidas

en pelculaComparador

de colorLuz solar,muestra Color Ojo humano

Seal delnervioptico

Cerebrohumano

Respuestavisual color

2. Detectores (transductores de entrada) Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energa (o seal) en otro. Como

ejemplos, pueden mencionarse el termopar, que convierte una seal de calor radiante en unvoltaje elctrico; la fotoclula, que convierte la luz en una corriente elctrica; o el brazo de unabalanza, que convierte una diferencia de masa en un desplazamiento del brazo de la balanzarespecto a la horizontal. Los transductores que actan sobre una seal qumica se denominandetectores. La mayor parte de los detectores convierten las seales analticas en un voltaje ocorriente elctricos que se amplifican o modifican fcilmente para accionar un dispositivo delectura. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los dos ltimos detectores de la Tabla 1-2originan seales no elctricas.

Los modernos instrumentos analticos generalmente emplean uno o varios dispositivoselectrnicos sofisticados, tales como amplificadores operacionales, circuitos integrados,convertidores analgico-digitales y digital-analgicos, contadores, microprocesadores yordenadores. Para poder estimar la potencia y las limitaciones de dichos instrumentos, hace faltaque el cientfico comprenda como mnimo de forma cualitativa cmo funcionan estos sistemas yqu es lo que hacen.

3. Procesadores de seales El procesador de seales modifica la seal transducida procedente del detector de tal

forma que se adecue al funcionamiento del dispositivo de lectura. Una seal puede definirse como la salida de un transductor respondiendo al sistema

qumico de inters. La seal puede dividirse en dos partes, una causada por el (los) analito (s) yla otra por los componentes de la matriz de la muestra, y por la instrumentacin analizada en lamedicin. Esta ltima parte de la seal se conoce como ruido.Captulo I Introduccin al Anlisis Instrumental 5 |


Aunque la capacidad para separar las seales - que contienen datos significativos- delruido sin sentido siempre ha sido una propiedad deseable en cualquier instrumento, con lademanda creciente de mediciones ms sensibles se ha convertido en algo indispensable. Lacantidad de ruido presente en un sistema instrumental determina la concentracin de analito mspequea que puede medirse con exactitud, y tambin fija la precisin de la medicin aconcentraciones ms grandes. Los dos mtodos principales de acentuacin de la seal son 1) el uso de dispositivoselectrnicos, tales como filtros para reducir el ruido; la amplificacin (un proceso en el cual la sealse multiplica por una constante mayor que la unidad); se atenan (proceso en el cual la seal semultiplica por una constante menor que uno); se integran, se derivan se aumentanexponencialmente; o algoritmos de programas computacionales equivalentes para procesarseales a partir de la medicin mientras pasan a travs del instrumento, y 2) el tratamientomatemtico de los datos, posterior a la medicin. Entre los mtodos posteriores a la medicin mstiles estn las tcnicas estadsticas; a dems de la acentuacin de la seal, estas tcnicasayudan a identificar las fuentes de error y a determinar la precisin, a la vez que proporcionan unmtodo de comparacin objetiva de los resultados.

4. Dispositivos de lectura Un dispositivo de lectura es un transductor que convierte una seal procesada en una

seal que puede ser entendida por un observador humano. Por lo general, la seal transducidatoma la forma de la posicin de una aguja en un medidor de escala, de una salida de un tubo derayos catdicos, de un trazo en un registrador de papel, de una serie de nmeros en una pantalladigital, o del ennegrecimiento de una placa fotogrfica. En algunas ocasiones, el dispositivo delectura da directamente la concentracin de analito.

LA SELECCIN DE UN MTODO ANALITICO

La segunda columna de la Tabla 1-1 pone de manifiesto que el qumico moderno disponede una serie enorme de herramientas para realizar los anlisis tantas, de hecho, que la eleccinentre ellas es a menudo difcil.

1. Definicin del problema

Para poder seleccionar de modo inteligente un mtodo analtico, es esencial definir con claridad lanaturaleza del problema analtico. Dicha definicin requiere la contestacin de las siguientescuestiones:

1. Qu exactitud y precisin se requiere? 2. De cunta muestra se dispone? 3. Cul es el intervalo de concentracin del analito? 4. Qu componentes de la muestra interferirn? 5. Cules son las propiedades fsicas y qumicas de la matriz de la muestra? 6. Cuntas muestras deben analizarse?

La respuesta a la pregunta 1 es de vital importancia ya que determina cunto tiempo yesmero se precisar para el anlisis. Las respuestas a las preguntas 2 y 3 determinan cunsensible debe ser el mtodo y a qu intervalo de concentraciones debe adaptarse. La respuesta ala pregunta 4 determina la selectividad que requiere el mtodo. Las respuestas a la 5 sonCaptulo I Introduccin al Anlisis Instrumental 6 |


importantes porque algunos de los mtodos analticos de la Tabla 1-1 se aplican a disoluciones(normalmente acuosas) del analito. Otros se aplican con mayor facilidad a muestras gaseosas,mientras que unos terceros son adecuados para el anlisis directo de slidos.

Desde un punto de vista econmico, una consideracin importante es el nmero demuestras que se tienen que analizar (pregunta 6). Si este nmero es elevado, se puede invertiruna cantidad considerable de tiempo y dinero en la instrumentacin, en el desarrollo del mtodo yen la calibracin. Adems, si el nmero fuera muy elevado, debera elegirse un mtodo queprecisara del mnimo tiempo de operador por muestra. Por otro lado, si slo se tienen que analizarunas pocas muestras, la eleccin prudente suele ser la de un mtodo ms sencillo aunque seams largo pero que requiera poco o ningn trabajo preliminar.

Teniendo en cuenta las respuestas a las seis cuestiones anteriores, puede escogerse unmtodo -siempre que se conozcan las caractersticas de funcionamiento de los distintos mtodosinstrumentales indicados en la Tabla 1-1.

CARACTERSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS;PARMETROS DE CALIDAD

Tabla 1.3 Criterios numricos para seleccionar mtodos analticos

Criterio Parmetro de calidad

A - Precisin Desviacin estndar absoluta, desviacin estndarrelativa, coeficiente de variacin, varianza.

B - Exactitud Error absoluto sistemtico, error relativo sistemticoC - Sensibilidad Sensibilidad de calibracin, sensibilidad analticaD - Lmite de deteccin Blanco ms tres veces la desviacin estndar del blanco

E - Intervalo de concentracin Concentracin entre el lmite de cuantificacin (LOQ) y ellmite de linealidad (LOL)

F - Selectividad Coeficiente de selectividad

En la Tabla 1-3 se enumeran los criterios cuantitativos de funcionamiento de losinstrumentos, criterios que pueden usarse para decidir si un determinado mtodo instrumental eso no adecuado para resolver un problema analtico. Estas caractersticas se expresan en trminosnumricos que se denominan parmetros de calidad

A. PrecisiN: La precisin de los datos analticos se define como el grado de concordancia mutuaentre los datos que se han obtenido de una misma forma. La precisin mide el error aleatorio, oindeterminado, de un anlisis. Los parmetros de calidad de la precisin son la desviacinestndar absoluta, la desviacin estndar relativa, la desviacin estndar relativa de la media, elcoeficiente de variacin y la varianza.

B. Exactitud: La exactitud mide el error sistemtico, o determinado, de un mtodo analtico. Laexactitud se define por la ecuacin exactitud = u - x, (1-1)

donde u es la media de la poblacin para la concentracin de un analito de una muestra cuyaconcentracin verdadera es xt. Para determinar la exactitud hay que analizar uno o variosmateriales estndar de referencia cuyas concentraciones de analito se conozcan.



En general, al desarrollar un mtodo analtico, todos los esfuerzos se dirigen hacia laidentificacin de la fuente de error y a su eliminacin o correccin mediante el uso de blancos y lacalibracin del instrumento.

C. Sensibilidad: La mayora de los qumicos estn de acuerdo en que la sensibilidad de uninstrumento o de un mtodo mide su capacidad de discriminar entre pequeas diferencias en laconcentracin del analito. Las propiedades fsicas y qumicas del analito, la respuesta del transductor de entrada alanalito y los componentes de la matriz de la muestra, son algunos de los factores msimportantes que determinan la sensibilidad. La sensibilidad se define como la razn del cambio en la respuesta del instrumento (I , seal desalida) al cambio correspondiente en el estmulo (C, concentracin del analito ): S=dl0 dC

La sensibilidad tambin puede expresarse como la concentracin del analito necesariapara causar una respuesta dada en el instrumento.

Las pendientes de las curvas de calibracin se usan para determinar los valores desensibilidad (fig. 1.2 y 1.3) Usualmente es deseable maximizar el valor de la sensibilidad, amenos que se quiera extender el intervalo de la respuesta del instrumento sin diluir la muestra.

Fig. 1.2: Respuesta lineal Fig. 1.3: Respuesta no lineal

La Fig. 2.1 muestra una respuesta lineal (sensibilidad constante) en todo el intervalo deconcentraciones medidas, para las sustancias A y B. De las pendientes de las curvas se ve que lasensibilidad del mtodo es mucho mayor para la sustancia B que para la A. La respuesta no linealen la Fig. 2.2 indica un cambio en el valor de la sensibilidad como funcin de la concentracin. Lasmediciones de sustancia C, como funcin de la concentracin, se van haciendo menos sensibles.La sensibilidad tambin puede expresarse como la concentracin del analito necesaria paracausar una respuesta dada en el instrumento.

D. Lmite de deteccin: La definicin cualitativa ms aceptada del lmite de deteccin viene dadapor la concentracin o el peso mnimos de analito que pueden detectarse para un nivel deconfianza dado. Este lmite depende de la relacin entre la magnitud de la seal analtica y el valorde las fluctuaciones estadsticas de la seal del blanco.



E. Intervalo de concentracin aplicable: La Figura 1.4 ilustra la definicin del intervalo til de unmtodo analtico, que va desde la concentracin ms pequea con la que pueden realizarsemedidas cuantitativas (lmite de cuantificacin, LOQ) hasta la concentracin a la que la curva decalibrado se desva de la linealidad (lmite de linealidad, LOL).

Figura 1.4 intervalo til de un mtodo analtico LOD = lmite de deteccin LOG = lmite decuantificacin LOL =lmite de respuesta lineal

F. Selectividad: La selectividad de un mtodo analtico denota el grado de ausencia deinterferencias debidas a otras especies contenidas en la matriz de la muestra.Desafortunadamente, ningn mtodo analtico est totalmente inafectado por otras especies y,con frecuencia, diversas etapas se deben realizar para minimizar los efectos de estasinterferencias.

Para un problema analtico dado, los parmetros de calidad permiten al qumico reducir laeleccin de los instrumentos a tan slo unos pocos. La seleccin entre stos puede entoncesbasarse en los criterios cualitativos de funcionamiento sealados en la Tabla 1-4.

Tabla 1.4 Otras caractersticas a tener en cuenta en la eleccin del mtodo

1. Velocidad2. Facilidad y comodidad3. Habilidad del operador4. Coste y disponibilidad del equipo5. Coste por muestra

EVALUACIN DE RESULTADOS El control de las variables experimentales es usualmente difcil y a menudo imposible. Losmtodos de muestreo, las tcnicas de los analistas y las respuestas instrumentales, son lasfuentes potenciales de error. Los mtodos estadsticos proporcionan un medio de evaluar,objetivamente, la fuente y la magnitud del error en los mtodos analticos. La frase comn, dentrodel error experimental, carece de sentido si la magnitud del error no es definida mediante el usode tcnicas estadsticas.

TIPOS DE ERRORES Para obtener resultados confiables a partir de un mtodo analtico, deben identificarse lasfuentes de error y cada una de ellas debe eliminarse o minimizarse. Los errores pueden serCaptulo I Introduccin al Anlisis Instrumental 9 |


clasificados en dos tipos: aleatorios (indeterminados) o sistematizados (determinados). Ya que lafuente del error aleatorio est en la naturaleza intrnsecamente incierta de las tcnicas demedicin, este tipo de error se presenta en cada anlisis. Los ruidos trmico, de golpeteo y defluctuacin, son fuentes de error aleatorio. La magnitud del error citado es pequea, generalmentey por lo tanto puede minimizarse por mtodos de filtrado (ya sea por equipo o por programas). El segundo tipo de error, sistemtico o de procedimiento , hace que los resultados sedesven de manera constante respecto de los valores esperados. Sus fuentes incluyenprocedimientos de calibracin inadecuados, pureza insuficiente de los reactivos y operacinincorrecta de los instrumentos de medicin. Este tipo de error no puede reducirse por la aplicacinde mtodos estadsticos. A menudo, los errores sistemticos pueden identificarse y minimizarsemodificando el procedimiento analtico.

PUESTA A PUNTO DE LA METODOLOGA ANALTICAEn trminos generales, se denomina calibracin al conjunto de operaciones que tienen

por objeto establecer la relacin que hay, en condiciones especificadas, entre los valoresindicados por un instrumento de medida y los valores conocidos correspondientes. En el anlisisqumico, calibrar significa determinar la relacin entre la concentracin del analito y la respuestade la tcnica de medida. No hay que confundir calibracin con validacin: el ltimo trminoimplica determinar si una metodologa analtica especfica puede usarse de modo satisfactorio,sea que la realice un solo analista o por varios laboratorios y analistas.

Una calibracin adecuada de los instrumentos es esencial para obtener anlisis exactos.La eleccin de una tcnica de calibracin depende del mtodo instrumental, de la respuesta delinstrumento, de las interferencias presentes en la matriz de la muestra y del nmero de muestraspor analizar. El trmino matriz incluye, adems del analito, todos los dems componentes de lamuestra.

Los estndares o patrones qumicos se utilizan para determinar factores de recuperacin ypara la etapa de calibracin. Los mtodos de calibracin pueden dividirse en dos tipos:

A) los que utilizan estndares externos (calibracin externa) B) los que utilizan estndares aadidos a la muestra:

mtodo de la adicin estndar mtodo del estndar interno

A) ESTNDARES EXTERNOS - Curva de calibracin

En el anlisis cuantitativo es muy raro tener la certeza de que se cumple la ley de Beer, porlo cual no es justificable utilizar un solo patrn para determinar la absortividad molar, y menos anque los resultados se basen en los datos de absortividad molar tomados de la literatura.

En la mayora de los mtodos espectrofotomtricos se hace una calibracin con elmtodo de los estndares externos. Un estndar externo es aquel que se analiza separadamentede la muestra que se est ensayando. Para ello, se prepara una serie de soluciones patrn quecontienen distintas concentraciones conocidas de analito, junto a la matriz que es similar oidntica a la de la muestra. Luego se mide su absorbancia y se construye una curva de calibracinde absorbancia frente a concentracin.

Los estndares externos pueden usarse para calibrar un procedimiento de medida; cuandolos componentes de la matriz, incluyendo los reactivos que se requieren en el preparado, nocausan interferencias. Tambin pueden usarse para calibrar un anlisis en el cual se tienesuficiente control sobre las condiciones como para que la contribucin producida por los



interferentes sobre las medidas puedan mantenerse constantes; as puede realizarse la oportunacorreccin del error determinado por el interferente.

Muchas veces no se pueden eliminar todos los elementos interferentes durante lapreparacin de la muestra. A pesar de todo, los estndares, cuidadosamente preparados,posibilitan la evaluacin de los efectos de cualquier elemento interferente y permiten corregir suinfluencia sobre los resultados. De otra forma, no se podra hacer ninguna calibracin.

Si vara cualquier condicin o cualquiera de los pasos de la preparacin, los instrumentosdeben ser recalibrados y quizs se tengan que preparar nuevos estndares externos.

Ejemplo 1. Quiere determinarse la concentracin de glucosa en una muestra que leda en el espectrofotmetro obtuvouna Absorbancia de 0,250. Por otra parte, se prepararon una serie de soluciones patrn de glucosa cuyasconcentraciones se miden en g%mL. Las lecturas obtenidas de esta serie de estndares se presentan en latabla 1.

a) Resolucin en forma grfica:

Una vez obtenida la Curva de calibracin con los estndares externos puede determinarse la concentracinde la muestra. Se busca en la grfica el valor de 0,250 de Absorbancia ledo para el analito. Al interceptar enla curva se puede observar que corresponde a una concentracin de 125 g/100 mL de glucosa.

b) Resolucin matemtica:

Para trazar una recta son suficientes dos puntos, lo buscamos matemticamente. Estos corresponden a:- Un patrn de concentracin exactamente conocida que llamaremos Cp el cual tiene una absorbancia Ap.- La muestra, de la cual del cual queremos saber su concentracin Cx y conocemos su absorbancia Ax,

porque la hemos ledo en el espectrofotmetro.Apliquemos la Ley de Lambert Beer para el problema: para el patrn: Ap = a . b . Cp para el problema: Ax = a . b . Cx

Como queremos saber la concentracin de glucosa en la muestra (Cx), los dems datos son conocidos, si los substitumos:


Tabla1. Lectura de soluciones estndar de glucosa de distintas concentraciones.

60 80 1001201401601802002202402600

0,2

0,4

0,6

Concentracin g/100 mL

Absorbancia

Concentracinde glucosa (g

%mL)

Absorbancia

250 0,56200 0,45150 0,33100 0,2175 0,1550 0,1

Figura 1.5. Grfica de los datos de calibracin para estndares de glucosa.


Se puede observar que el resultado coincide con el obtenido de la grfica.

B) ESTNDARES AADIDOS (internos):

Hay tres supuestos en los que la estandarizacin se efecta aadiendo un estndar a la mismamuestra: 1. Cuando la matriz, slida o lquida de una muestra sea, desconocida o tan compleja que no

podra emplearse un estndar externo con suficiente garanta. 2. Cuando el proceso de preparacin de la muestra o la tcnica de ensayo sea compleja o muy

variable. 3. Cuando la medida dependa de condiciones instrumentales muy precisas y difcilmente

controlables.

En algunos casos pueden presentarse los tres problemas en un mismo anlisis. Porejemplo, la muestra puede ser complicada, la preparacin difcil y la medida puede implicarintroducir la muestra en una llama. Las reacciones de las tres etapas son bastante complejas yalgunas veces las condiciones de la llama son difciles de regular con la precisin deseada.

B.1- Mtodo de adiciones estndares:

Cuando es imposible suprimir interferencias fsicas o qumicas en la matriz de la muestrapuede usarse el mtodo de adiciones estndares. La respuesta del instrumento debe ser funcinlineal de la concentracin del analito, en el intervalo de concentraciones y tambin debe tener unaordenada en cero (seal cero para concentracin cero).

Una pequea cantidad de solucin del analito, de concentracin conocida, se aade a unaalcuota de una solucin muestra analizada previamente, y el anlisis se repite usando reactivos,parmetros de instrumento y procedimientos idnticos.

Las lecturas pueden ser corregidas para cualquier seal de fondo. Siempre es aconsejablerevisar el resultado con al menos otra adicin estndar. Las adiciones estadsticamente ptimasde analito son iguales al doble o a la mitad de la cantidad de analito en la muestra original. Todaslas soluciones deben ser diluidas al mismo volumen final, para que cualquier interferente en lamatriz de la muestra tenga un efecto idntico en cada solucin. Debe dejarse transcurrir suficientetiempo entre la adicin del estndar y el anlisis final, para que el estndar agregado alcance elequilibrio con los interferentes de la matriz. El mtodo de adiciones estndares es ampliamente utilizado en la qumica electroanaltica, paraobtener resultados ms exactos que los que resultan usando curvas de calibracin. La absorcinatmica y la espectrofotomtrica de emisin de llama, usan este mtodo con matrices demuestra complejas, en donde la viscosidad, la tensin superficial, los efectos de la llama y otraspropiedades de la solucin muestra, no pueden reproducirse con exactitud en las soluciones decalibracin.

Ejemplo 2. Se pipetean alcuotas de 10 mL de una muestra de agua mineral en matraces aforados de 50 mL.Se adicionan a cada uno 0; 5;10; 15 y 20 mL de una solucin estndar 11,1 ppm de Fe +3, conexceso de SCN- para dar Fe (SCN)63-. Despus de diluir a 50 mL las Absorbancias para las 5diluciones fueron: 0,240; 0,437 ; 0,621 ; 0,809 y 1,009 respectivamente. Se trabaj con unespesor de cubeta (b) de 0,982 cm.Calcular por los distintos mtodos la concentracin de Fe+3 en la muestra de agua.



Clculo de las concentraciones de los estndares aadidos:

Este problema aplica el mtodo de la adicin estndar que se basa en analizar la muestradesconocida y luego adicionar a esa muestra una cantidad conocida del material que se quiereanalizar.El aumento observado en la seal es proporcional a la cantidad conocida del material agregado, ya partir de ste es posible calcular la cantidad de un material inicialmente presente en laincgnita.

Tabla 2a. Absorbancias obtenidas luego de adicionar solucin estndar de hierro a la muestra deagua.

Muestra Volumen deestndar

absorbancia

10 mL 0 mL 0,24010 mL 5 mL 0,43710 mL 10 mL 0,62110 mL 15 mL 0,80910 mL 20 mL 1,009

Para calcular la concentracin del estndar se procede as:C1 V1 = C2 V2 C2 = C1 V1 C2 =11,1 ppm x 5 mL = 1,1 ppm V2 50 mL

Teniendo en cuenta la dilucin 1 : 5 de la muestra: 1,1 ppm x 5 (dilucin) = 5,55 ppm

As se obtienen todos los valores de concentracin que figuran en la tabla 2b: Tabla 2b. Concentraciones y lecturas obtenidas luego de adicionar solucin estndar de hierro ala muestra de agua.

Muestra Volumen deestndar

Concentracin Intensidad

10 mL 0 mL 0 ppm 0,24010 mL 5 mL 5,55 ppm 0,43710 mL 10 mL 11,1 ppm 0,62110 mL 15 mL 16,65 ppm 0,80910 mL 20 mL 22,2 ppm 1,009

a) Resolucin por frmula: Sustituyendo en la ecuacin( 2), el valor de K despejado de la ( 1 ) y reordenando obtenemos:


Dilucin de la muestra:10 mL ------- 50 mL sol. diluda1 mL --x = 50 mL = 5mL sol. diluda 10 mL

Ax = K CxAT = K ( Cs + Cx)

Cx = Cs Ax . Vs (AT - Ax ) Vx

Ax = Absorbancia de la muestra AT = Absorbancia Total Cx = concentracin de la muestra.Cs = concentracin del estndar.Vs = volmen del estndar.Vx = volmen de la muestra.


Para el ejemplo panteado se resolvera:

Cx = 11,1 ppm x 0,240 x 10 mL = (0, 621 - 0,240 ) 10 mL

b) Resolucin Grfica:

La resolucin grfica, usando el mtodo de las adiciones estndares, se muestra en lafigura 2. La escala de concentracin se encuentra sobre el eje de abscisas y en el eje deordenadas se encuentran las concentraciones de las soluciones estndar del analitoagregadas a la soluciones de muestra. La concentracin desconocida est dada por elpunto en el cul la lnea extrapolada corta el eje de concentracin. En este casocorresponde a 7 ppm y coincide con los datos obtenidos por los otros mtodos.

.2- Mtodo del estndar interno:

Se emplea un estndar interno para minimizar las diferencias en las propiedades fsicas de unconjunto de soluciones muestra que contiene el mismo analito. En este mtodo, una cantidad fijade una sustancia pura se aade tanto a las soluciones muestra como a las soluciones estndares,se determinan luego las respuestas del analito y del estndar interno, cada una corregida por elfondo y se calcula el cociente de las dos respuestas. Si se controlan los parmetros que afectanlas respuestas medidas, la respuesta de la lnea del estndar interno ser constante, puesto quela concentracin del estndar interno es fija, sin embargo si vara uno o ms de los parmetros


6,99 ppm

Figura 2. Grfica de los valores de absorbancia vs. concentracin de Fe+3 en ppm


que afectan las respuestas medidas, dichas respuestas del analito y del estndar interno debenser afectadas por igual. Por lo tanto, el cociente de respuestas (del analito al estndar interno) depende solamente de laconcentracin del analito. Una grfica de la relacin o cociente de respuestas como funcin de laconcentracin del analito, da una curva de calibracin. El estndar debe aadirse al comienzo deun anlisis para permitir su disolucin, mezclado y que ocurra cualquier reaccin antes de efectuarcualquier medicin. Todos los equilibrios deben haberse establecido (y algunos pueden serdependientes del tiempo). La adicin de los estndares a la muestra disuelta puede llevar a unainterpretacin deficiente de los resultados si no se consideran las posibles reacciones entre lasustancia estndar y otros componentes. El estndar interno debe ser una sustancia similar al analito con una seal fcilmente medibleque no interfiere con la respuesta del analito, debe responder de manera similar a l, paracualquiera de las variables que pudieran afectar la respuesta del detector. La concentracin delestndar interno tiene que ser del mismo orden de magnitud que la del analito a fin de minimizar elerror al calcular los cocientes de respuestas. Este mtodo se usa ampliamente en los anlisis porcromatografia de gases y por absorcin atmica y en menor grado, en las determinacionesespectroscpicas de infrarrojo y de emisin.

Ejemplo 3.Se determin un compuesto Cx en una muestra por fotometra de llama. Se emple el mtodo delestndar interno, agregando cantidades crecientes del analito Cx y cantidades iguales delestndar Cs.b Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3. Calcular la concentracin de Cxde la muestra cuyas Intensidades fueron 33 para Cx y 9 para Cs.

Tabla 3. Absorbancias obtenidas en distintas soluciones del analito y la muestra luego de aadirpatrn interno.

Volumen de muestra

Cantidades crecientes de Cx

Cantidad constante de patrn interno Cs

Intensidad de Cx

Intensidadde Cs

10 mL 0 ppm 1 ppm 33 910 mL 1 ppm 1 ppm 9 910 mL 2 ppm 1 ppm 14,3 9,510 mL 3 ppm 1 ppm 21,2 8,510 mL 4 ppm 1 ppm 34,4 9

a) Resolucin por mtodo grfico:

Calcular las relaciones: Ix / Is y luego graficar como se indica a continuacin:

Volumen de

muestra

Cantidades crecientes de

Cx

Cantidad constante de patrn interno

Cs

Intensidad

de Cx

Intensidad

de CsRelacin

Ix/Is10 mL 0 ppm 1 ppm 33 9 3,6710 mL 1 ppm 1 ppm 9 9 1,0010 mL 2 ppm 1 ppm 14,3 9,5 1,5110 mL 3 ppm 1 ppm 21,2 8,5 2,4910 mL 4 ppm 1 ppm 34,4 9 3,82



0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,50

1

2

3

4

ppm de Cx

Relacin Ix/Is

b) Mtodo de los cocientes matemticos:

Se establecen las relaciones entre la muestra y el valor de la escala ms cercano:


Figura 1.6. Grfica de los valores de relacin Ix/Is vs. concentracin de en ppm


GUA TERICAINTRODUCCIN AL ANALISIS INSRTUMENTAL

1- Teniendo en cuenta las propiedades fsicas que se pueden utilizar como seales analticas en losmtodos instrumentales, complete el siguiente cuadro:

Propiedades fsicas Mtodo instrumental

2- Complete el siguiente cuadro teniendo en cuenta los diferentes componentes de los instrumentos.

Instrumento Generador desealSeal

analticaTransductorde entrada

Sealtransducida

Procesadorde seal Lectura

Fotmetro

Espectrofot-metro deemisinatmica

Coulombimetro

Medidor de pH

Difractmetrode rayos Xpara polvoCaptulo I Introduccin al Anlisis Instrumental 17 |


Comparadorde color

3- Qu consideraciones debe tener en cuenta al seleccionar un mtodo analtico?Criterio Parmetro de calidad

4- Completar el siguiente cuadro teniendo en cuenta los diferentes mtodos de calibracin.Mtodo de Calibracin Fundamento Formas de resolucin

Estndar externo

Estndar interno

Adicin estndar


CLASIFICACIN DE LOS MTODOS ANALITICOSLectura3. Procesadores de seales

A) ESTNDARES EXTERNOS - Curva de calibracina) Resolucin por frmula:

Capítulo i Introducción Al Análisis Instrumental

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