redalyc.desarrollo de mÉtodos de anÁlisis por … · 2015-03-24 · plomo, por usar ditizona, es...

Revista Colombiana de Química

ISSN: 0120-2804

[email protected]

Universidad Nacional de Colombia

Colombia

Pérez, Walter H.; Castillo, Elianna; Ágreda, Jesús A.

DESARROLLO DE MÉTODOS DE ANÁLISIS POR INYECCIÓN EN FLUJO A PARTIR DE

PROCEDIMIENTOS CLÁSICOS: Determinación de Pb en agua

Revista Colombiana de Química, vol. 40, núm. 1, 2011, pp. 47-64

Universidad Nacional de Colombia

Bogotá, Colombia

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DESARROLLO DE MÉTODOS DE ANÁLISIS POR INYECCIÓN EN FLUJOA PARTIR DE PROCEDIMIENTOS CLÁSICOS: Determinación

de Pb en agua

DEVELOPMENT OF FLOW INJECTION ANALYSIS METHODS BYCLASSICAL PROCEDURES: Determination of Pb in water

DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS DE ANÁLISE POR INJEÇÃO EMFLUXO A PARTIR DE PROCEDIMENTOS CLÁSSICOS: determinação

de Pb em água

Walter H. Pérez1, Elianna Castillo1, Jesús A. Ágreda1,2

Recibido: 24/09/10 – Aceptado: 29/04/11

El análisis químico día a día se acerca mása la automatización, buscando satisfacerlas necesidades actuales de resultados rá-pidos y confiables. Los sistemas de análi-sis en flujo (FIA – Flow Injection Analy-

sis) son una de las formas de aproximarsea la automatización. En este artículo sepresentan los pasos necesarios para im-plementar una metodología FIA, para ladeterminación de Pb(II) en agua, partien-do de la revisión de los procedimientosclásicos y describiendo detalladamentelos pasos necesarios para implementar latécnica de análisis en flujo. El trabajoprodujo un método de análisis de Pb enagua que usa ditizona disuelta en isopro-panol (agente cromogénico), en presenciade bromuro de cetiltrimetil amonio(CTAB), para solubilizar en agua el com-plejo, cuyas características más sobresa-

lientes fueron: volumen de inyección demuestra de 81,7 µL, velocidad de flujo de8,0 mL/min, tiempo de toma de espectros1,4 s e intervalo lineal de 1,0 a 40 mg L-1.

: análisis por inyecciónen flujo (FIA), Pb(II)-ditizona, bromurode cetiltrimetil amonio (CTAB), imple-mentación de métodos en flujo.

Chemical analysis has evolved towardsautomation to satisfy the current require-ments: fast analysis and certainty in theresults. Flow injection analysis (FIA) is away to reach automation. This work pre-sents the necessary steps to obtain an opti-mized FIA methodology for the determi-nation of Pb(II) in water by classicmethods. The result was a FIA method todeterminate Pb with dithizone (chromo-

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REVISTA COLOMBIANA DE QUÍMICA, VOLUMEN 40, nro. 1 DE 2011

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1 Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia. sede Bogotá. Bogotá, Colombia.

2 [email protected]

genic agent) dissolved in iso-propyl al-cohol, using cethyltrimethylammoniumbromide (CTAB) to solubilize the com-plex. The main characteristics of the met-hod were: injection sample volume 81.7µL, flow 8.0 mL/min, spectra acquisitiontime 1.4 s and linear range 1 to 40 mg L-1.

: Flow-injection analysis(FIA), Pb(II)-Dithizone complex, cethyl-trimethylammonium bromide (CTAB),flow injection methods implementation.

Cada dia, a análise química é mais cercada automatização com o fim de satisfazeras necessidades atuais de resultados rápi-dos e confiáveis. Os sistemas de análiseem fluxo (FIA - Flow Inyection Analysis)são uma das formas de aproximação à au-tomatização. Este artigo apresenta os pas-sos necessários para implementar umametodologia FIA para a determinação dePb(II) em água, partindo da revisão dosprocedimentos clássicos e descrevendodetalhadamente os passos necessáriospara implementar a técnica de análise emfluxo. Os resultado são um método deanálise de Pb em água que usa ditizonadissolvida em isopropanol (agente cro-mogénico) na presença de bromuro de ce-tiltrimetil amônio (CTAB), usado parasolubilizar o complexo em água. As ca-racterísticas principais do método foram:volume de injeção de amostra de 81,7 µL,velocidade de fluxo de 8,0 mL min-1, tem-po de aquisição de espectros de 1,4 s e in-tervalo linear de 0.9 a 40 mg L-1.

: Análise por injeçãoem fluxo (FIA), Pb(II)-ditizona, bromurode cetiltrimetil amônio (CTAB), imple-mentação de método de fluxo.

Existe gran cantidad de procedimientosde análisis químico. Por ejemplo, si serevisan referencias clásicas como The

Official Methods of Analysis of AOAC

International (1) o Standard Methods forthe Examination of Water and Wastewa-ter (2) (para nombrar solo dos de las másfamosas y utilizadas), se encontraránprocedimientos bien establecidos paradeterminar diferentes analitos. La mayo-ría de estos métodos usan lo que llamare-mos procesos “sin flujo”, nombre que seempleará para contrastar con los métodosen línea o en flujo, desarrollados en lasúltimas décadas y muy apreciados debidoa que son automatizados, rápidos, versá-tiles, con alta reproducibilidad y límitesde detección bajos (3). En este trabajo,mostramos cómo convertir un métodoclásico sin flujo en un método de análisispor inyección en flujo (FIA). El estudiose lleva a cabo desde la revisión del méto-do tradicional de análisis (sin flujo) hastala implementación del sistema FIA, mos-trando detalladamente la metodologíapara pasar de un sistema al otro, las difi-cultades del proceso y las ventajas del sis-tema FIA. El estudio incluye la caracteri-zación del método FIA, para lo cual seusaron los parámetros de calidad básicosde un método de análisis químico: líneabase, nivel de ruido, intervalo de lineali-dad, límite de detección, reproducibili-dad y selectividad (4).

El trabajo presenta el proceso de im-plementación de una metodología de aná-lisis por inyección en flujo FIA para ladeterminación de Pb(II) usando ditizonacomo agente cromogénico y un agentesurfactante para solubilizar el complejoen agua. Se escogió la determinación de

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Pb(II) con ditizona, debido a tres razones:1. El plomo es un analito de particular in-terés por sus efectos adversos sobre losseres vivos (5), 2. La determinación dePb con ditizona, como reactivo cromogé-nico, es una reacción bien establecida, loque genera una técnica de análisis, accesi-ble, barata, tradicional y bien documenta-da (6), 3. El sistema espectrofotométricoPb-ditizona ha cobrado interés en los últi-mos años, particularmente por la búsque-da de la sustitución del disolvente orgáni-co (organoclorado), por otros mediosmás amigables con el medio ambiente(agua más un surfactante) y por la posibi-lidad de automatizar el método (7-30).

Se utilizó un sistema FIAlab 2500 (bombaperistáltica de cuatro canales y una válvu-la de seis vías y dos posiciones con man-gueras de 1,02 mm de diámetro interno),acoplado a un espectrofotómetro UV-VisOcean Optics USB2000. El pH se midiócon un pH-metro CG818 SCHOOTGERATE.

Se preparó una solución patrón de 100,0± 0,1 mg L-1 en Pb(II), disolviendo lacantidad necesaria de Pb(NO3)2, A.R,Merck, en agua desionizada. Las demássoluciones se prepararon pesando las can-tidades adecuadas a partir de ditizona,Hopkin & Williams Ltd.; bromuro de ce-tiltrimetil amonio (CTAB), con purezagrado reactivo (99%), Sigma; 2-propanolR.A. Merck; Acetona A.R (ACS) y HClGR ACS EM Science.

Como punto de partida se hizo una revi-sión bibliográfica sobre las opciones parala determinación colorimétrica de Pb(II).Se seleccionaron tres métodos de análi-sis: (A) ditizona 1,90 ± 0,05 x 10-4 M di-suelta en Tritón X-100 al 5% en HCl 0,1M, la solución se mantuvo en oscuridad;(B) ditizona 3,90 ± 0,01 x 10-4 M disueltaen acetona al 70% en agua, en este caso seincluyó una solución reguladora de pH yun complejante, KCN 0,046 M en sodiobarbital al 0,3 % y; (C) ditizona 1,95 ±0,05 x 10-3 M disuelta en isopropanol, so-lución que se mezcla posteriormente conCTAB (concentración variable entre 0,04y 0,3 M). La solución de CTAB se prepa-ró agregando la cantidad necesaria deCTAB en agua, lo que forma una suspen-sión que luego fue sometida a ultrasonidopor 30 minutos, se afora con agua destila-da y se obtiene una solución transparente.Todas las soluciones se prepararon fres-cas cada día.

Optimización. Se realizó siguiendo elmétodo de variación de un solo parámetromientras los otros permanecen constan-tes, lo que permitió una exploración razo-nable de toda la superficie de respuesta.Así se obtiene una visión clara del com-portamiento global del sistema.

Experimentos sin flujo. En una seriede matraces aforados se introdujo el volu-men necesario de cada reactivo para quelas concentraciones finales fuesen:CTAB 0,120 ± 0,002 M, ditizona 3,0 ±0,1 x 10-4 M y HCl 4,00 ± 0,02 x 10-4 M.La concentración del Pb(II) se estudió enintervalos amplios de concentración paraencontrar la región de comportamiento li-neal entre absorbancia y concentración.

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Los espectros se registraron entre 300 y700 nm.

Experimentos con flujo. En la metodo-logía FIA, se estudiaron dos configura-ciones. En la primera se tenían dos cana-les (Figura 1A): uno para la soluciónportadora CTAB 0,12 M en HCl 8,0 x10-4 M (de aquí en adelante C, del inglésCarrier), y uno para la ditizona en isopro-

panol (de aquí en adelante R1, de Reacti-vo 1), una bomba peristáltica, una válvulade inyección, un serpentín de reacción endonde se mezclan los reactivos y el detec-tor UV-Vis, D. En C se inyecta la mues-tra de Pb(II), que posteriormente se mez-cla con R1. En la segunda configuraciónse tienen tres canales (Figura 1B): unopara el CTAB, de la misma concentracióndel caso anterior, R1; otro para la ditizo-

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D

Residuos

Válvula deinyección

Serpentín dereacción

Bombaperistáltica

R1

C

Muestra o patrónde PbA -)

R2 Serpentín demezcla

D

Residuos

Válvula deinyección

Serpentín dereacción

Bombaperistáltica

R1

C

Muestra o patrónde PbB -)

. Sistemas FIA ensayados. A. Configuración 1. B. Configuración 2. C. Carrier –CTAB, R1: Reacti-vo 1 –ditizona y R2: Reactivo 2 –CTAB diluido.

na, R2, igual concentración que la ante-rior; y otro para la solución portadora, C,que ahora es una solución diluida deCTAB (0,01 M en HCl 8,0 x 10-4 M), di-ferente a la anterior, que busca aumentarla solubilidad del complejo. En este caso,los canales R1 y R2 (CTAB y ditizona) semezclan en un serpentín, antes de unirseal canal C, con lo que se favorece la solu-bilización de la ditizona, antes de la reac-ción con el Pb(II), cosa que no sucedía enla primera configuración.

Los picos FIA se obtuvieron en perio-dos de 1,4 s a la longitud de máxima ab-sorción del complejo: 500 nm. Igualmen-te, se optimizaron las variables queafectan la señal desde el punto de vistaquímico y las que afectan directamente alos métodos FIA, parámetros hidrodiná-micos (3). Para la optimización de estosúltimos se utilizaron las siguientes condi-ciones experimentales: Pb(II) 4,0 mg L-1;R1, CTAB 0,12 M en HCl 8,0 x 10-4 M aun flujo de 2,9 mL min-1; R2, ditizona enisopropanol 1,2 x 10-4 M a un flujo de 2,7mL min-1; C, solución portadora, CTAB0,01 M en HCl 8,0 x 10-4 M a un flujo de2,9 mL min-1; longitud de los serpentines165,5 ± 0,1 cm y volumen de inyección81,6 ± 0,1 µL; las cuales permanecieronconstantes, excepto para el parámetro quese ensayaba. Además, cada experimentose repitió entre 3 y 4 veces. Los paráme-tros optimizados y los intervalos utiliza-dos fueron: 1. Forma de los serpentines:se probaron dos configuraciones, enrolla-do y recto; 2. Longitud de los serpentines:se evaluaron diferentes longitudes de ser-pentines, entre 40 y 165,5 cm; 3. Volu-

men de inyección: se optimizó entre 32 y82 µL, utilizando un patrón de Pb(II) de 8mg L-1; y 4. Velocidad de flujo: se exploróentre 3,0 y 14,5 mL min-1.

El trabajo realizado se dividió en dos par-tes. En la primera se estandarizó, bajo lascondiciones de trabajo de nuestro labora-torio, un método clásico de análisis quími-co de Pb usando espectrofotometría visi-ble. La segunda parte consistió en laimplementación del método clásico en unametodología en flujo para la determina-ción de Pb(II). La revisión bibliográfica,resumida en la Tabla 1, nos da un panora-ma de los diferentes caminos que podemosseguir. Del abanico de posibilidades queexisten en la literatura, se destacan los mé-todos que evitan el uso de solventes halo-genados (como el tetracloruro de carbo-no), de uso común en los métodosespectrofotométricos con ditizona (23).Una alternativa a estos disolventes, es usarun surfactante o un solvente miscible conagua que sea capaz de solubilizar al agentecomplejante. Así, tres opciones de la Ta-bla 1 resultaron llamativas: ditizona-tritónX-100, propuesto por Paradkar y Wi-lliams (9), ditizona-Acetona 70% p/v,propuesto por Diaper y Kuksis (8), y diti-zona-isopropanol-CTAB, propuesto porKhan, Ahmed y Bhanger (22). Si bien es-tos tres métodos no presentan las absorti-vidades molares más altas de la revisiónbibliográfica realizada, su selectividad alplomo, por usar ditizona, es comparablecon las obtenidas con otros ligantes; porejemplo, 4-(2-piridilazo) resorcinol(PAR) (24). Sin embargo, el criterio másimportante es usar reactivos menos tóxi-cos y más fáciles de degradar, en concor-dancia con el concepto de química limpia(25), que busca eliminar el uso de disol-ventes como CCl4, utilizado en el métodotradicional como disolvente de la ditizona(26). El trabajo experimental empezó pro-bando el sistema ditizona-tritón X-100,

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que en las condiciones del presente trabajo(ditizona saturada en tritón X-100 al 5,0%en HCl 0,1 M) mostró inestabilidad en eltiempo, pues el pico característico de la di-tizona a 600 nm desaparecía aproximada-mente a los 11 minutos de preparada la so-lución. Evidentemente, en este caso lalínea base cambia bruscamente con eltiempo; por esta razón se descartó esta op-ción. El segundo caso, ditizona-acetona70% p/v, mostró linealidad aceptable conun valor de R2 = 0,979, pero en las condi-ciones de trabajo usadas, el intervalo linealfue muy estrecho (0,50 a 4,0 mg L-1), ade-más de que las soluciones de prueba gene-raron burbujas. Esta situación es inacepta-

ble para la detección espectrofotométrica(27), por lo cual este método se descartó.Finalmente, se probó la mezcla ditizo-na-iso-propanol-CTAB, que arrojó unarelación lineal con un R2 = 0,952, para elintervalo de 0,50 a 10,0 mg L-1 de Pb(II),significativamente mayor que el obtenidopara el sistema acetona 70% p/v. A partirde estos resultados, el método espectrofo-tométrico seleccionado para la implemen-tación del método de análisis en flujo(FIA) fue la mezcla ditizona-iso-propa-nol-CTAB. Sin embargo, antes de empe-zar el trabajo en flujo y para tener un puntode comparación, se optimizó el método es-cogido en condiciones sin flujo.

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� �

Ditizona CCl4 520 2,5 7

Ditizona Acetona 70% 500 1,4 8

Ditizona Acuosa-Tritón X-100 510 0,12 9

Dietilditiocarbamato CCl4 435 1,3 10

4-(2-piridilazo)resorcinol Acuosa 520 4,3 11

Difenilcarbazona Acuosa pH 9,0-10,4 525 7,2 12

Arsenazo III Acuosa pH 4,0-6,0 600 2,8 13

2-(-2-Tiazolilazo)-p-cresol Acuosa pH 9,0-10,0 650 2 14

Compuestos de porfirina Acuosa pH 10,4 479 22 15

5-BrDMPAP. Etanol 75% 566 5,6 16

Dibromo-p-metil-carboxysulfonazo Acuosa pH 1,0 648 10,4 17

Alcanfor-3-thioxo-2-oxima (HCTO) CCl4 pH 9,3-9,6 400 4,14 18

2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (DMTD) Acuosa 375 4,93 19

Diciclohexil-18-corona-6-ditizona - 512 - 20

N,N-bis(2-hydroxy-5-nitrobenzyl)-criptand-22 - 406 4,47 20

Verde de Malaquita/yoduro Galocianina 620 3,2 21

Ditizona IPA-agua-CTAB 500 39 22

Ditizona Etanol-agua-LSS 500 - 30

. Revisión bibliográfica de métodos para la detección de Pb(II) por espectrofotometría deabsorción molecular visible.

IPA: iso-propanol, LSS: Lauril sulfato de sodio.

En primer lugar, se estudiaron los efectosde las concentraciones de los componen-tes utilizados en el sistema (CTAB ditizo-na y HCl) en la absorción del complejo.La Figura 2 resume los resultados obteni-dos al variar cada componente.

Se observó que al aumentar la concen-tración de CTAB también aumentaba laabsorción del complejo Pb(II)-ditizona;sin embargo, con cantidades altas deCTAB se presentó un precipitado en algu-nos experimentos, lo cual es inconvenien-te, entre otros aspectos porque puede ta-ponar los canales de inyección del sistemaFIA. Por tanto, la concentración óptimaescogida fue 0,120 ± 0,002 M, un valorintermedio (Figura 2 – CTAB).

Al variar la concentración de la ditizo-na, la absorbancia del complejo subecuando aumenta su concentración. Asi-mismo, aumenta la línea base, lo que lle-va a que sea pequeño el cambio neto en laaltura del pico. Igualmente, una mayorconcentración de ditizona puede generarprecipitados indeseables; por consiguien-te, para este experimento, se seleccionóuna concentración de ditizona de 3,0 x10-4 M (Figura 2 –ditizona). En cuanto ala concentración de HCl, a menor con-centración de ácido, aumenta la absortivi-dad molar del complejo; sin embargo, lasolubilidad del CTAB disminuyó a pHbásico; en consecuencia, el compromisoentre estas dos tendencias contrarias sealcanzó con una concentración de HCl de4,00 ± 0,02 x 10-4 M, pues con ella se ga-rantiza la solubilidad del CTAB y mejorreproducibilidad (al evitar posibles preci-

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0,06 0,100,07 0,08 0,09 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16

1

0,8

0,6

0,4

0,20 0,0005 0,001 0,0015

Ditizona

HCl

CTAB

HCl (M), ditizona (M)

Abs

orba

ncia

CTAB (M)

. Optimización de las concentraciones de los reactivos usados en el método clásico, sin flujo. El óvalo encierra el va-lor escogido para la elaboración de las curvas de calibración. Las líneas discontinuas se emplearon para destacar la tendenciade unir los puntos.

pitados). En la Figura 3 se puede obser-var el espectro del complejo Pb(II)-ditizo-na en las condiciones previamenteoptimizadas. Es clara la gran absorciónde la ditizona, al extremo que cuando seforma el complejo, se obtienen absorban-cias negativas; no obstante, este hechofue poco relevante, dado que se trabajócon el máximo de absorción, 500 nm.

Linealidad: con las condiciones ópti-mas encontradas anteriormente, se eva-luó la linealidad mediante curvas de cali-bración de patrón externo usando seissoluciones de Pb(II) entre 1,0 y 10,0 mgL-1 y ajustando los resultados obtenidos auna línea recta (absorbancia vs concentra-ción), lo cual arrojó los siguientes resulta-dos: pendiente: 0,0652 ± 0,0005 UA3

mg-1 L; intercepto: 0,0117 ± 0,0005 UAy R2 0,9976. El coeficiente de absortivi-dad molar promedio encontrado fue 1,37± 0,01 x 104 M-1 cm-1.

En esta etapa se debe tener en cuenta queal pasar al método en flujo, aumenta elnúmero de parámetros que se deben opti-mizar, dado que debemos incluir varia-bles como flujo y volumen de muestra, lascuales no existen en el método clásico.Las concentraciones y las cantidades uti-lizadas en el método clásico, sin flujo,cambian al llevarlas a una metodología encontinuo (FIA), ya que el proceso incluyela mezcla de varios flujos (generalmenteuno por cada reactivo diferente) que almezclarse generan una dilución propor-cional al números de flujos diferentes (ca-nales) y al caudal de estos. El modelo mássencillo para este comportamiento se pre-senta en la ecuación [1], aplicada a siste-mas FIA (28). En general, corresponde areactores en flujo continuo bien agitadoso CSTR (Continuous Stirred Tank Reac-

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0,92

0,52

0,12

-0,28

300

-0,68

350 400 450 500 550 600 650

Ditizona

700

Longitud de onda (nm)

Pb-Ditizona

Abs

orba

ncia

. Espectro de la ditizona y del complejo Pb(II)-ditizona: Pb(II) 9,0 mg L-1 y ditizona 3,0 x 10-4 M.

3 UA: Unidades de absorbancia.

tor), concepto ampliamente estudiado porlos ingenieros químicos (29).

C C ei i

f

Vt

� ��

�

��

�

�

�

��

��

0 1 [1]

En la ecuación [1], Ci es la concentracióndel reactivo o analito que llega al detec-tor, Ci0 es la concentración inicial deli-ésimo reactivo o analito, f es el flujo to-tal de los canales involucrados, V es el vo-lumen del sistema de reacción y t es eltiempo. Esta ecuación muestra que la se-lección de los canales, su número y dispo-sición, tendrá efectos marcados en los re-sultados finales. Los efectos se estu-diaron usando las dos configuracionesFIA (Figura 1). La configuración 1Amostró inestabilidad en la línea base, loque indica que la mezcla de la fase orgáni-ca (ditizona en iso-propanol) y la faseacuosa no era buena a pesar del surfactan-te CTAB; por tanto, fue necesario reali-zar un proceso de mezclado efectivo y,por consiguiente, un cambio en la confi-guración. La Figura 1B muestra la confi-guración propuesta para mejorar esta si-tuación. Se observa un nuevo canal, R2(Reactivo 2), por el que circula la solu-ción de ditizona (manteniendo la mismaconcentración). Este nuevo canal se mez-cla con el canal R1, por donde circulaCTAB en HCl (de igual concentraciónque en la configuración 1); así, se asegurauna buena mezcla y la solubilización de laditizona en la fase acuosa. Finalmente, elcanal C lleva una solución diluida adicio-nal de CTAB (0,01 M en HCl 8,0 x 10-4

M), la cual se unirá con la mezcla previa.Así se consiguió una mezcla homogéneaque redujo significativamente el ruido dela señal y una línea base más plana y esta-ble; por tanto, resultados más reproduci-bles. Esto confirmó que la causa de los

problemas que presentaba la configura-ción 1 era la presencia de partículas deditizona, complejo Pb-ditizona o CTABque no se solubilizaban. Una vez selec-cionada la configuración del sistema FIA(Figura 1B), se optimizaron las demás va-riables: sistema de detección y las condi-ciones hidrodinámicas y químicas del sis-tema.

Optimización del sistema de detec-

ción. El espectrofotómetro usado –unUV-Vis Ocean-Optics– tiene un detectorde arreglo de diodos que permite el ajustedel tiempo de barrido (usualmente entre 1y 2000 milisegundos para recorrer de 200a 800 nm), el número de barridos que setoman para promediar y el intervalo depuntos para suavizar el espectro. El tiem-po de toma de un barrido multiplicado porel número de barridos da el tiempo detoma del espectro, que no debe ser muyalto, pues la señal a medir es transitoria,ni muy bajo, pues la línea base se hacemuy inestable y baja la reproducibilidad.Usando un tiempo de 1,4 s por espectro(700 ms por barrido por 2 barridos) seconsigue una señal aceptable, libre de rui-do y suficientemente rápida. El paráme-tro analítico fue la altura del pico FIA; entodos los experimentos se tuvo especialcuidado de tener una línea base en cero(salvo el ruido aleatorio), de manera quela absorbancia fuese una medida directade la altura de los picos FIA.

Parámetros hidrodinámicos

del sistema FIA

Los parámetros hidrodinámicos conside-rados en este trabajo fueron la forma delos serpentines de mezcla y de reacción,la longitud de dichos serpentines, el volu-

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men de inyección de muestra y la veloci-dad de flujo.

En sistemas FIA, uno de los punto máscrítico es el serpentín donde se llevan acabo las mezclas y las reacciones del sis-tema; en nuestro caso, el serpentín dereacción es donde se forma el complejoPb(II)-ditizona. Se probaron dos tipos deserpentín: rectos y enrollados. Los resul-tados obtenidos se presentan en la Tabla2, la cual muestra que la mejor configura-ción son los serpentines de mezcla y dereacción enrollados, ya que para igualconcentración de plomo e iguales condi-ciones experimentales se generan mayo-res absorbancias y menor variación en lasmedidas.

Al variar la longitud de los serpentinesde mezcla y de reacción se observa que amayor longitud del serpentín de mezcla sefavorece el aumento de la señal y de la re-producibilidad (Tabla 2), debido a unamayor homogeneidad de la solución que

fluye, pues caminos más largos producensoluciones más homogéneas. En conse-cuencia, la línea base presenta menos rui-do. La longitud escogida para el serpentínde mezcla fue 165,5 cm, la más larga delas estudiadas. No se probaron serpenti-nes más largos a pesar de la tendencia aaumentar la señal con la longitud de es-tos, porque esto también implica mayorconsumo de reactivos y mayor volumende desechos. Por consiguiente, se sacrifi-có el mejoramiento de la señal en aras dela química verde, uno de los parámetrosque se quieren hacer prevalecer en esteestudio. El caso del serpentín de reacciónfue más complicado: se obtuvo mayor se-ñal al disminuir la longitud, pero se pre-sentó mayor fluctuación en la absorban-cia (mayor coeficiente de variación), loque corresponde a picos más intensos ycon más ruido (menor homogeneidad dela solución); por el contrario, con serpen-tines largos se obtienen picos más peque-ños (suavizados por la homogeneización

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Enrollado Enrollado 0,070 ± 0,004 2,9

Recto Enrollado 0,062 ± 0,009 8,0

Enrollado Recto 0,043 ± 0,011 14,5

40,0 165,5 0,050 ± 0,011 11,9

80,0 165,5 0,053 ± 0,005 3,1

165,5 165,5 0,070 ± 0,004 2,9

165,5 80,0 0,076 ± 0,004 2,5

165,5 40,0 0,092 ± 0,012 6,8

. Efecto de la forma y la longitud de los serpentines de mezcla y de reacción sobre la absor-bancia medida

de la solución) y con menos ruido. En estetrabajo hemos sacrificado la sensibilidaden favor de la reproducibilidad; por tanto,en el serpentín de reacción también seusará una longitud de 165,5 cm.

Respecto al volumen de muestra in-yectado (Figura 4), se observa que al au-mentarlo también aumenta la señal, ten-diendo a ser constante a volúmenes altos.En el intervalo de volúmenes evaluadosse escogió como valor óptimo el más altode los estudiados: 81,7 ± 0,1 µL. Denuevo, al igual que en el caso del serpen-tín de mezcla, si bien la tendencia indicaque volúmenes de muestra mayores danmejores señales, esto va en contra de laaplicabilidad del método para el caso demuestras de volumen limitado; por ejem-plo sangre u orina, dos matrices en lasque se espera aplicar la metodología desa-rrollada. En consecuencia, no se investi-garon volúmenes de inyección mayores.

Finalmente, el estudio de la velocidadde flujo reveló que aunque la señal au-

menta a flujos altos, cuando estos superanel valor de 8,0 mL min-1 el aumento escasi nulo y la dispersión en las medidastiende a aumentar (Figura 4); por tanto,para el trabajo experimental realizado seseleccionó el flujo de 8,0 mL min-1.

Parámetros químicos del sistema FIA

Una vez optimizadas las variables hidrodi-námicas del sistema FIA, es necesarioevaluar de nuevo, en las mejores condicio-nes hidrodinámicas FIA, los parámetrosquímicos optimizados en el sistema clásicosin flujo: concentración de CTAB, ditizo-na y HCl. La Figura 5 muestra el compor-tamiento de la señal de una solución dePb(II) de 5,0 ± 0,1 mg L-1, cuando secambia estos parámetros.

La concentración del CTAB se varióentre 0,04 y 0,2 M; en este intervalo, nose observa tendencia alguna con el cam-bio de la concentración de CTAB. Sinembargo, la dispersión es significativa-mente mayor a concentraciones extremas

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Ap

licad

ay

Anal

ític

a5030 40 60 70 80

0,16

0,12

0,08

0,04

2 6 10 14

Velocidad de flujo

Volumen de muestra

Abso

rban

cia

Velocidad de flujo (mL/min)

. Optimización del volumen de inyección y del flujo de los reactivos. El óvalo encierra el valor esco-gido para la elaboración de las curvas de calibración.

respecto de los valores intermedios. Deacuerdo con este resultado, se seleccionóla concentración de 0,12 M, valor igual alusado en el sistema sin flujo, que ademáspresenta dispersión baja (Figura 5–CTAB). La concentración de la ditizonase estudió entre de 2,3 x 10-5 y 3,0 x 10-4

M. Se encontró que al aumentar la con-centración, la señal aumenta, con tenden-cia a permanecer constante por encima de7,8 x 10-5 M (Figura 5 –ditizona). Sin em-bargo, lo más destacado es que al llegar a1,6 x 10-4 M se presenta una dispersiónmuy grande, lo cual se puede atribuir auna competencia entre las estequiome-trías Pb(II)-ditizona 1:1 a concentraciónbaja de ditizona y 1:2 a concentracionesde ditizona alta. A partir de estos resulta-dos se decidió usar una concentración deditizona de 1,2 x 10-4 M, que permite ob-tener señales considerablemente altas con

dispersión baja. En cuanto a la concentra-ción de HCl, se observó comportamientoigual al del caso sin flujo, aumento de laabsorbancia al aumentar la concentracióndel ácido (Figura 5 –HCl). Se seleccionóuna concentración de HCl, tal que se ob-tenía un pH de 3,1 en la solución final, yaque es un valor que favorece la solubili-dad del CTAB, el componente más im-portante en este sistema, debido a su pa-pel en la solubilización del complejo.Además, decidimos ser cautelosos con elaumento del pH, ya que puede causar pre-cipitados que taponan el sistema y aparen-tes aumentos de la señal. Una señal carac-terística del sistema en flujo optimizadose muestra en la Figura 6; los picos FIAcorresponden a soluciones patrón dePb(II) en concentraciones de 1,0 a 10 mgL-1, inyectadas por triplicado en untiempo de 13 minutos.

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0,05 0,10

0,16

0,15 0,2

0,12

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0,04

0,000,000 0,001 0,002 0,003 0,004

HClCTAB

Ditizona

Concentración de CTAB (M)

Abs

orba

ncia

. Optimización de las concentraciones de CTAB, ditizona y HCl en condiciones de flujo. El óvalo en-cierra el valor escogido para la elaboración de las curvas de calibración.

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Ap

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ay

Anal

ític

a

Disposición del sistema FIA Dos canales y tres canales conpremezcla

Tres canales con premezcla

Forma del serpentín de mezcla Enrollado y recto Enrolladlo

Forma del serpentín de reacción Enrollado y recto Enrollado

Longitud del serpentín de mezcla 40 - 165,5 cm 165,5 cm

Longitud del serpentín de reacción 40 - 165,5 cm 165,5 cm

Tiempo de toma de espectros 0,7-2,1 s. 1,4 s

Volumen de inyección 31,8-81,7 �L 81,7 �L

Velocidad de flujo 2,6-12,5 mL/min 8,0 mL/min

Concentración de HCl 2,0 x 10-4 - 2,0 x 10-3 M 8,0 x 10-4 M

Concentración de CTAB 0,04-0,2 M 0,12 M

Concentración de ditizona 2,3 x 10-5 - 1,6 x 10-4 M 1,2 X10-4M

Límite de detección No aplica 0,262 mg/L

Límite de cuantificación No aplica 0,875 mg/L

Intervalo lineal 0 a 100 mg/L 0,8 a 40 mg/L

. Condiciones optimizadas para la detección de Pb(II) con ditizona, usando el sistema FIAdesarrollado en este trabajo

9 mgL-1

1 mgL-1

2 mgL-1

3 mgL-14 mgL-1

5 mgL-1

7 mgL-1

10 mgL-10,30

0,25

0,20

0,15

0,05

0,10

0,00

-0,05

0 100 200 300 400 500 600 700

Tiempo (s)

Abs

orba

ncia

. Señal típica obtenida con el sistema FIA estudiado. El experimento mostrado corresponde a una cur-va de calibración de Pb(II) en las concentraciones que se muestran encima de los picos FIA (cada patrón se leyó3 veces), utilizando las condiciones optimizadas que se presentan en la Tabla 3.

Parámetros analíticos para la

cuantificación, sistema FIA

Usando el sistema optimizado, según losvalores antes descritos y que se resumenen la Tabla 3, se determinó el límite dedetección y de cuantificación, el intervalolineal, la precisión en la medida, la repro-ducibilidad de las curvas de calibración ylos interferentes.

Límite de detección y de cuantifica-

ción. Se inyectó una solución blanco, re-pitiendo el procedimiento 9 veces y se ob-tuvo una desviación estándar de las medi-das de 0,002 UA, que representan unlímite de detección de 0,3 mg L-1 y un lí-mite de cuantificación de 0,9 mg L-1, se-gún el criterio IUPAC (31).

Intervalo lineal. Se inyectaron patro-nes de Pb(II) entre 0,0 y 100,0 mg L-1.Los resultados muestran comportamientolineal hasta 40 mg L-1, luego del cual em-pieza una clara curvatura. La regresión li-neal para el intervalo de 0,9 a 40,0 mg L-1

arrojó: pendiente = 0,0153 ± 0.0004UA mg-1 L, intercepto = 0,0043 ±0.0004 UA y R2 = 0,9865.

Precisión en la medida. Se inyectó unamuestra de Pb(II) de 5,0 ± 0,1 mg L-1, re-pitiendo el procedimiento 11 veces. Elcoeficiente de variación en las medidasobtenidas fue 3,1%.

Interferentes. Se estudió la interferen-cia de los metales Cd, Cu, Fe, Hg, Ni yZn. Cada uno de ellos se inyectó en lascondiciones optimizadas del sistema FIAy en concentración de 5,0 ± 0,1 mg L-1,con presencia y sin presencia de Pb(II).La absorbancia se determinó a 500 nm.La interferencia del Cd, Cu y Hg fue evi-dente; el Zn, Fe y Ni presentaron menor

interferencia. Es interesante destacarque, además de que los interferentes ab-sorben a la longitud de onda de trabajocuando están solos, tal absorbancia no sesuma exactamente a la del Pb(II), cuandose mezclan con este, es decir, existe unainteracción adicional de tipo no lineal queafecta las medidas. Se debe aclarar quelos interferentes se estudiaron con el ob-jetivo de completar la visión global delexperimento, puesto que tales interferen-cias son cruciales para un análisis. Sinembargo, y dada la extensión y el objetivodel presente trabajo, ésta etapa se com-pletará en un trabajo próximo.

Uso de la metodología desarrollada en

muestras reales. Usando las condicionesde trabajo encontradas anteriormente, sedeterminó Pb(II) en agua potable de bote-lla y de la llave del laboratorio, a las cua-les se le adicionó un patrón para obtener2,0 ± 0,1 mg L-1 de Pb(II) en solución.Para el agua de llave, el blanco, unamuestra del agua usada sin adición dePb(II), presentó una absorbancia de 0,13± 0,01 UA, lo que sería equivalente a 6,6mg L-1 de plomo. Es claro que no se espe-ran tales concentraciones de Pb en aguapotable; por consiguiente, es segura la in-terferencia de metales como hierro yzinc, particularmente presentes si las tu-berías son metálicas, por lo que este aná-lisis se contrastó con espectroscopia deabsorción atómica (AAS). En ambasmuestras se encontraron porcentajes derecuperación comparables. En el aguapotable de botella, el porcentaje de recu-peración fue el 99%, mientras que el aná-lisis de la muestra de la llave del laborato-rio arrojó un porcentaje de recuperacióndel 92% por ambas técnicas.

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Este artículo muestra en detalle elprocedimiento metodológico para laimplementación del análisis porinyección en flujo (FIA) de Pb(II) conditizona en agua, usando un surfactantepara la solubilización del complejo. En laprimera parte, se optimizó el sistemaclásico sin flujo, haciendo énfasis en lasconcentraciones de los reactivos usadospara el desarrollo de color y para lasolubilización del complejo. Así, seencontraron como valores óptimos:CTAB = 0,120 ± 0,002 M, ditizona =3,0 ± 0,1 x 10-4 M y HCl = 4,00 ± 0,02x 10-4 M. Con estas condiciones, comopunto de partida para la comparación, seinició el proceso de optimización delsistema FIA, que incluyó –además de losparámetros de optimización mencionados–los propios de los sistemas FIA, así comocondiciones hidrodinámicas y geomé-tricas. El trabajo realizado condujo a unaconfiguración FIA de tres canales en losque se inyectaba CTAB = 0,120 ± 0,002M, ditizona = 1,2 ± 0,1 x 10-4 M, y HCl= 8,00 ± 0,02 x 10-4 M, los cualesdifieren del sistema sin flujo (exceptopara el caso del CTAB), poniendo enevidencia la necesidad de reoptimizartales parámetros cuando se pasa de unsistema clásico sin flujo a un sistema FIA.Utilizando las condiciones FIA óptimas,se obtuvieron curvas de calibración porpatrón externo y adición estándar,lineales entre 0,9 y 40 mg L-1, límite dedetección de 0,3 mg L-1 y límite decuantificación de 0,9 mg L-1. El volumende muestra inyectado óptimo fue 81,7 µLa una velocidad de 8,0 mL min-1. Si secomparan estos dos últimos valores conotros sistemas FIA, como el reportadorecientemente por Ruengsitagoon,

Chisvert y Liawruangrath (30), quienespresentan un sistema en flujo paradeterminar Pb usando laurilsulfato desodio como medio surfactante, que soloalcanza una velocidad de flujo de 2,0 mLmin-1 y que usa un volumen de muestra de150 µL, mayor que el nuestro, se puedever lo significativo del trabajo realizado:velocidad de flujo mayor (que implicaanálisis en tiempos más cortos) yvolumen de inyección más pequeño, loque es conveniente en los casos en que sedispone de cantidades limitadas de lamuestra. Además, las interferencias másimportantes del grupo de cationesestudiados fueron Cd, Cu y Hg y, enmenor medida, Zn, Fe y Ni. Finalmente,se probó la metodología, aplicándola amuestras de agua embotellada y agua dela llave del laboratorio en donde serealizó el trabajo, encontrando 99 y 92%de recuperación, respectivamente. Así serealizó el proceso completo desde larevisión bibliográfica hasta la aplicacióndel método optimizado a muestras reales,obteniendo un método rápido, confiable ypotencialmente útil para trabajos derutina en laboratorios de análisisquímico. Por supuesto, el trabajo sepuede ampliar a muestras más complejas,incorporando sistemas de tratamiento deinterferencias sobre los que se trabajaráen el futuro.

Los autores agradecen la financiaciónotorgada por la División de Investigación(DIB) de la Universidad Nacional de Co-lombia, con la cual se compró el sistemaFIA-Lab 2500, proyecto Calorimetría yTermodinámica de Procesos Irreversi-bles, código QUIPU 20101009550, y los

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Ap

licad

ay

Anal

ític

a

reactivos proyecto Desarrollo de una Me-todología Analítica para la Determina-ción de Metales Tóxicos en Matrices deInterés: Juguetes, Aguas, Suelos, Plásti-cos, Alimentos y Cosméticos, códigoQUIPU 202010011557.

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redalyc.desarrollo de mÉtodos de anÁlisis por … · 2015-03-24 · plomo, por usar ditizona, es...

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