FUNDAMENTOS

1. FUNDAMENTOS M.C VICTOR MOO

2. 1. Evolución histórica Química Analítica de Procesos (PAC) Automatización Miniaturización Análisis Volumétrico Análisis Instrumental

3. 2. Funciones de la Química Analítica en la Industria Muestreo y análisis de las materias primas Análisis de productos intermedios Monitorización de la calidad de los productos Monitorización de la calidad de los efluentes

4. QUÍMICA ANALÍTICA: “ La Química analítica es una ciencia metrológica que desarrolla, optimiza y aplica herramientas de amplia naturaleza, que se concretan en procesos de medida encaminados a obtener información Química y Bioquímica de calidad, tanto parcial como global sobre materias o sistemas de amplia naturaleza (química bioquímica y biológica) en el espacio y en el tiempo, para resolver problemas científicos, técnicos, económicos y sociales “. Working Party on Analytical Chemistry (WPAC) Edimburgo, 1993

5. HOY DÍA TODOS QUEREMOS CONOCER ¿Que contiene el agua? ¿Que contiene el aire? ¿Que contienen los alimentos?

6. Alimentación Geología Análisis Clínicos Medio ambiente Restauración QUÍMICA ANALÍTICA Toxicología Agricultura Deporte

7. ¿QUÉ ES LO QUE HACE UN QUÍMICO ANALÍTICO QUE LO DIFERENCIA DE UN ANALISTA QUÍMICO? Independientemente del trabajo real del laboratorio, que lo puede realizar cualquier persona que pueda aprender ciertas operaciones mecánicas (ANALISTA QUÍMICO), el QUÍMICO ANALÍTICO debe seleccionar los métodos analíticos, salir al frente cuando surjan problemas y ser la persona responsable que medie entre el laboratorio analítico y quienes esperen los resultados.

8. CClasificaciones Genéricas de la Química Analítica a)Atendiendo a la finalidad y el tipo de información requerida: -         Análisis Cualitativo -         Análisis cuantitativo -         Análisis estructural b)Una diferenciación de la Q.A. cada vez menos empleada se basa en la técnica usada en el proceso analítico: Análisis Clásico Análisis Instrumental -         Técnicas Ópticas -         Técnicas Electroanalíticas -         Técnicas Térmicas -         Técnicas Magnéticas -         Técnicas Radioquímicas Métodos Separativos -         Separaciones gas-líquido: difusión, destilación cromatografía.. -         Separaciones líquido-líquido: diálisis , extracción, cromatografía... -         Separaciones sólido-líquido: precipitación, cambio iónico, cromatografía...

9. CLASIFICACION EN RELACION CON LA NATURALEZA DE LA MUESTRA Y DE LOS ANALITOS

10. PROPIEDAD ANALÍTICA Cualquier fenómeno que puede ser observado o medido y cuya naturaleza y magnitud puede relacionarse unívocamente con la naturaleza y/o cantidad de sustancia química presente. Propiedades cualitativas: tiempo de retención en cromatografía, longitud de onda en espectroscopía, etc. Propiedades cuantitativas: peso de un precipitado, altura de una banda de absorción, etc. Propiedades estructurales: posición de las bandas en espectroscopía de IR o en RMN

11. Proceso analítico: Conjunto de operaciones analíticas que están intercaladas entre la muestra y el resultado Técnica analítica: Principio científico fundamental que ha demostrado ser útil y en consecuencia ha sido adaptado para proporcionar información acerca de la composición de las sustancias Método analítico: Aplicación específica de una técnica para resolver un problema analítico Procedimiento: Instrucciones escritas para aplicar el método (sólo proporciona un esbozo general).

12. Definiciones (que debemos saber) Muestra: Parte representativa del material a analizar (agua, alimento, materias primas, efluentes, etc) Analito: Especie química a determinar en el análisis. Matriz: Entorno que contiene al analito. Interferencia(s): Especies presentes en la matriz que causan resultados erróneos en la determinación del analito. Método analítico: Secuencia fija de acciones que se llevan a cabo en un procedimiento analítico.

13. Definiciones (que debemos saber) PRECIPITADO: Sólido formado a partir de una solución SOLUCION SATURADA: Aquella que contiene la máxima cantidad posible de soluto de modo que cualquier exceso de dicha cantidad permanece ya sin disolverse. SOLUCION SOBRESATURADA: Aquella que tiene exceso de soluto que ya no puede disolverse. SOLUCIÓN NORMAL: Es la que contiene un peso equivalente, en gramos, del reactivo en un litro de solución.

14. Definiciones (que debemos saber) PESO EQUIVALENTE: Es el peso molecular entre la valencia total, positiva o negativa. SOLUCIÓN MOLAR: Es aquella que contiene un peso molecular, en gramos, de una sustancia en un litro de solución. LA ECUACIÓN DE DILUCIÓN: V1C1=V2C2

15. TERMINOLOGÍA ANALÍTICA Identificación Separación interferencias Determinación analito (análisis) Método Ensayo Muestra Procedimiento

16. Ejemplo: determinación de Ca en leche Composición de la leche (incompleta) Matríz Analito

17. Tipos de análisis Análisis Cuantitativo: El analito se cuantifica o determina expresando la fracción de muestra que lo contiene (determinación) Cualitativo: Elementos, iones o compuestos se identifican en una muestra Separación Analítica: Operación mediante la cual se separan o resuelven los componentes de una muestra. Posteriormente, en ocasiones se pueden identificar y (o) cuantificar el analito o los analitos (multianálisis)

18. EL PROCESO ANALÍTICO Es el proceso que señala las estrategias a seguir para resolver un problema de análisis

19. Definir el problema EL PROCESO ANALÍTICO Elegir el método analítico Toma y preparación de la muestra Recoger una muestra representativa Preparar la muestra para que esté en forma correcta para el análisis. Eliminar las interferencias Proceso de medida Puesta a punto de la metodológica analítica Medición de las muestras Tratamiento de datos: Reducir los datos a una respuesta numérica Tratamiento estadístico de datos Análisis estadístico – respuestas numéricas con límite de error Interpretación del resultado para obtener la solución al problema planteado

20. Definir el problema analítico • 1. ¿Cual es el analito a determinar? • 2. ¿Qué exactitud y precisión se requieren? • 3. ¿De que metodologías analíticas se dispone para su determinación? • 4. ¿Cuál es la muestra en que se encuentra el analito? ¿De cuanta muestra se dispone? ¿Cuál es el intervalo de concentraciones en que puede encontrarse del analito en la muestra? ¿Qué componentes de la muestra interferirán en la determinación? ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la matriz de la muestra? • 6. ¿Cuántas muestras deben analizarse? • Costo y disponibilidad de equipos • Costo por muestra • Tiempo requerido para el análisis • Complejidad del método • Habilidad del operador También debe considerarse:

21. Selección metodológica analítica Existen diversas formas de medir o cuantificar: Métodos Químicos: volumétricos, gravimétricos… Métodos Instrumentales: espectroscópicos, electroquímicos… En un método (técnica) instrumental se mide una señal S: S  Canalito Todos los métodos ofrecen características diferenciadas, por lo que es preciso su selección en función de la sensibilidad y selectividad requeridas en el problema de análisis.

22. Métodos Analíticos Métodos químicos por vía húmeda Métodos instrumentales Gravimetría Análisis volumétrico Electroquímicos Separación Opticos Electrólisis Cromatografía Emisión Precipitación Titulación conductimetría Pesada Absorción

23. Método Estándar: Expresa un procedimiento de análisis que incluye los pasos secuenciales (etapas) y técnicas a utilizar en el análisis de muestras específicas y que viene recogido por la normativa de organismos y agencias nacionales e internacionales ,competentes en el tema. (Puede haber mas de un método estándar aplicable para un mismo analito) Si es de cumplimiento obligado, recibe el nombre de protocolo. Ejemplos:  técnicas AOAC (Association Official Analytical Chemistry)  normas FIL (Federation International de Laiterie) Cualquier diseño de métodos alternativos, requiere una validación comparativa de los resultados obtenidos en el nuevo método con el de otros métodos estándar. Por lo general se requieren muestras estándar (composición fija, conocida y estable) (Material de referencia certificado)

24. EL PROCESO ANALÍTICO Definir el problema Elegir el método analítico Toma y preparación de la muestra Recoger una muestra representativa Preparar la muestra para que esté en forma correcta para el análisis. Eliminar las interferencias Proceso de medida Puesta a punto de la metodológica analítica Medición de las muestras Tratamiento de datos: Reducir los datos a una respuesta numérica Tratamiento estadístico de datos Análisis estadístico – respuestas numéricas con límite de error Interpretación del resultado para obtener la solución al problema planteado

25. Muestreo Toma de muestra Objetivo: Selección de una o varias porciones o alícuotas del material a ensayar, como primera parte de un procedimiento analítico .·. El método de muestreo y la preparación de la muestra están intimamente relacionados con el procedimiento analítico a realizar. La estrategia se basa en el balance entre el número de muestras a analizar y los costos que esto implica, es decir: se debe compatibilizar el máximo nivel de exactitud y precisión deseadas, minimizando el número de muestras a tomar .

26. Definimos como Plan de Muestreo a la estrategia a seguir para garantizar que los resultados obtenidos reflejen la realidad del material analizado. Debe distinguirse entre dos tipos de materiales: • En "pilas" con contenidos sin subdivisiones o unidades. • En “lotes” que pueden ser especificados como unidades de muestreo.

27. Muestreo • Una muestra adecuada debe ser representativa del material a analizar. • Además la muestra a analizar debe ser homogénea, lo que significa que debe ser igual en todas sus partes. • En la medida que esto se logra el error de muestreo se reduce. • Muchas veces el muestreo es el factor limitante en la precisión y en la exactitud de los resultados obtenidos.

28. La problemática principal del muestreo se origina en la heterogeneidad del material a analizar. La heterogeneidad siempre existe y podemos considerarla como espacial, temporal o ambas. Heterogeneidad

29. Heterogeneidad Espacial: significa que el material es diferente en extención, profundidad, etc. Ej: una lámina de acero, una pila de un mineral extraído de una mina o un contenedor colmado de cereales.  Temporal: el material presenta cambios a lo largo del tiempo. Pueden ser continuos o discontinuos. Ej: el incremento de una especie en particular en un reactor industrial o cambios accidentales que se producen en el tiempo, son ejemplos de cambios continuos. Tabletas farmacéuticas en una cinta de producción/embalaje es un ejemplo de cambios discontinuos.  Espacial/Temporal: es cuando el material varía simultáneamente en espacio y tiempo. Ej: un río cambia desde su nacimiento hasta su desembocadura y además en las distintas épocas del año.

31. Tipos de muestreo • Al azar: consiste en un procedimiento de muestreo para el análisis de materiales que se presentan como unidades uniformes, por ejemplo pastillas, botellas de agua mineral, etc. Las unidades para el análisis son escogidas totalmente al azar. Muestreo regular: se eligen al azar un número determinado de unidades a analizar del total, donde cada una tiene la misma probabilidad de ser elegida. Muestreo estratificado: se eligen dentro de las unidades de muestreo, estratos o subdivisiones del total y se toman aleatoriamente las unidades a analizar. • Intuitivo: se selecciona por decisión personal la porción del material a analizar, por ejemplo debido a un cambio textural o cromático de la sustancia a analizar, o cuando se observa alguna alteración puntual en un proceso productivo, etc. • Estadístico: la selección se basa en reglas estadísticas. Se calcula el número mínimo de muestras suponiendo distribución gaussiana de la composición del material. • Dirigido: el problema analítico exige un tipo específico de información, por ejemplo el análisis de trazas de metales en las partículas en suspensión en un agua natural. • De protocolo: cuando se debe seguir un procedimiento de muestreo detallado en una norma, método estándar, publicación oficial, etc.

32. Tipos de muestras • Muestras aleatorias: Son aquellas resultan de un muestreo regular al azar. • Muestras representativas: Son aquellas que resultan de un plan de muestreo estadístico. • Muestras selectivas: Son aquellas que resultan de un muestreo dirigido. • Muestra estratificadas: Son aquellas que resultan del muestreo al azar estratificado

33. Toma de muestra de materiales que se encuentran en gran cantidad: • La masa a muestrear depende críticamente del tamaño de las partículas, la heterogeneidad y el nivel de precisión exigido. • On-line: Se debe realizar a intervalos regulares y con un método fijo. Se analiza cada una por separado y se calcula el valor promedio. • Pila cónica: Se utiliza el método de conificación y división en cuartos. Se toma la muestra de cada cuarto de la pila, norte, sur, este y oeste, se trituran y se forma con ella una pila cónica mas pequeña, se aplana y se divide en cuartos iguales, se eligen al azar dos cuartos opuestos y se mezclan, trituran y se forma otra pila. Se repite el procedimiento hasta obtener el tamaño de muestra necesario para las réplicas del análisis de laboratorio. Cuando el material es sólido, se somete a tratamientos de trituración y pulverización y/o molienda hasta llegar a obtener polvos completamente mezclados. Es importante que contengan un gran número de partículas para minimizar la variación del contenido de las muestras individuales, de esta manera la muestra es más representativa del material original.

34. Cuantas muestras son necesarias? • Si se supone una distribución gaussiana respecto de la composición del material analizado, puede caracterizarse por una desviación estándar de muestreo σm que define la dispersión. Estos errores pueden sumarse a otros errores en el proceso del análisis de la muestra. • La varianza total (σt2) de la determinación analítica será la suma de las varianzas aportadas por el muestreo (σm2) y aquellas debidas al procedimiento analítico (σa2) σt2= σm2+ σa2 • El peso estadistico de la varianza debida al muestreo en la varianza total puede llegar a ser muy notable (suele ser 5 a 10 veces mayor que las demás varianzas) demuestrando la trascendencia de esta etapa y la necesidad de su optimización.

35. Cuántas muestras son necesarias? • El cálculo del límite de confianza (LC) relaciona la desviación estandar de un resultado único (σ; error aleatorio promedio de cada experimento), con la desviación estándar del valor medio (σN; error de la media) y la relación entre ellas: • LC para : µ= ± 1,96 para LC del: 95% =1.96 Cuando no se conoce σ entonces LC para :µ=± con t=1,96 para N= ∞ • Necesito encontrar N para que según la s del método , el LC sea alguna fracción del como error máximo permisible que llamaremos R.

36. Cuántas muestras son necesarias? Como el valor de t depende de N es necesario iterar comenzando por N=∞ para LC:95% y t= 1.96 En el caso de tener materiales en forma de partículas de dos clases diferentes, según la teoría de la probabilidad podemos hallar la probabilidad que una muestra tomada al azar tenga la misma composición que la muestra total. En este caso la varianza de muestreo se conoce por la distribución binomial como : σm = Donde n es el número de partìculas que se toman al azar, p y q son las probabilidades de cada tipo de partículas respectivamente. Así conociendo el tamaño de las partículas y la densidad de las mismas se puede calcular como número de partículas o como masa la cantidad necesaria para que el muestreo sea representativo.

37. Algunos ejemplos de toma de muestra para análisis medioambientales: • A. Muestras Gaseosas: Un muestreador de partículas en suspensión y gases inorgánicos en aire, consta de un tubo que se conecta a una bomba de succión, por él pasa un determinado volúmen de aire que se controla mediante el caudal del sistema y la bomba. Las partículas quedan retenidas en el filtro de teflón. Los gases como el SO2 son retenidos por el lecho de carbón impregnado de un reactivo que lo transforma en SO42-que queda absorbido en el soporte activo. B.Muestras Líquidas: Se utilizan módulos automáticos para tomar muestras de agua de lagos, ríos o mares a diferentes profundidades y tiempos según el plan de muestreo. Consta de una sonda de longitud variable por donde se aspira la muestra, una bomba de succión, un distribuidor automático de las muestras, un automuestreador de 20 a 100 contenedores y un microprocesador de control del proceso. La única precaución es emplear contenedores adecuados para evitar pérdidas o ganacias de trazas indeseables durante la operación de transporte y conservación de la muestra. • C. Muestras sólidas: Por ejemplo en el estudio de la contaminación del suelo suele utilizarse un muestreo superficial y a distintas profundidades, o bien buscando una composición media de una zona entre la superficie y una profundidad dada. Se utilizan generalmente taladros de tornillos que se introducen verticalmente en el suelo manual o mecánicamente. Después se retiran verticalmente y en sus intersticios se encuentran las diferentes muestras del suelo para analizar.

38. EL PROCESO ANALÍTICO Definir el problema Elegir el método analítico Toma y preparación de la muestra Recoger una muestra representativa Preparar la muestra para que esté en forma correcta para el análisis. Eliminar las interferencias Proceso de medida Puesta a punto de la metodológica analítica Medición de las muestras Tratamiento de datos: Reducir los datos a una respuesta numérica Tratamiento estadístico de datos Análisis estadístico – respuestas numéricas con límite de error Interpretación del resultado para obtener la solución al problema planteado

39. Almacenamiento de muestras La muestra puede estar sometida a los siguientes riesgos: • DESHIDRATACION • HIDRATACION • OXIDACION • EVAPORACION • CONTAMINACION Los requisitos para un c orrecto almacenamiento de una muestra son: ENVASE ADECUADO ETIQUETADO CORRECTO CONDICIONES ADECUADAS DE CONSERVACIÓN ( TEMPERATURA, HUMEDAD, EXPOSICÓN A LA LUZ)

40. Preparación y tratamiento de la muestra Son escasos los problemas que se resuelven sin necesidad de tratamiento de la muestra. Lo habitual, es que la muestra necesite algún tipo de tratamiento, con el fin de: • Preparar la muestra en la forma, tamaño y concentración adecuada del analito(s), más conforme al método (técnica) seleccionado • Eliminar interferencias matriciales

41. Esto requiere que se deben tener en cuenta los cinco principios generales: 1) La preparación de la muestra debe llevarse a cabo sin la pérdida de analito(s) (máxima recuperación). 2) Se debe transformar el analito en la mejor forma química para el método de ensayo a utilizar. 3) Se debe incluir, si es necesario, la eliminación de interferencias de la matriz (mayor selectividad). 4) No se deben introducir nuevas interferencias (contaminación cruzada). 5) Debe considerar la dilución o concentración del analito, de manera que esté dentro del intervalo de concentraciones optimas del método seleccionado.

42. Tipos de tratamientos más frecuentes • Disolución simple con disolventes o asistida (ultrasonidos) • Digestión simple ácida, alcalina, oxidante, etc • Disgregación • Extracción • Vaporización

43. EL PROCESO ANALÍTICO Definir el problema Elegir el método analítico Toma y preparación de la muestra Recoger una muestra representativa Preparar la muestra para que esté en forma correcta para el análisis. Eliminar las interferencias Proceso de medida Puesta a punto de la metodológica analítica Medición de las muestras Tratamiento de datos: Reducir los datos a una respuesta numérica Tratamiento estadístico de datos Análisis estadístico – respuestas numéricas con límite de error Interpretación del resultado para obtener la solución al problema planteado

44. Proceso de medidaMÉTODO ANALÍTICO • Puesta a punto del método. a calibración instrumental b calibración metodológica analítica c validación metodológica analítica • Determinación analítica sobre la muestra – tratamiento de datos • Control de calidad interno y externo.

45. Puesta a punto del método analítico Calibración Instrumental Es el proceso por el que se asegura que un sistema es apropiado para el uso que se desea darle y que se desempeña de acuerdo con las especificaciones dadas por el fabricante. Es decir, asegurarse de que el instrumento funciona correctamente. Los distintos sistemas de calidad y/o requerimientos regulatorios requieren variados niveles y combinaciones de calificación, calibración, verificación y ensayos de adecuación del sistema. Son ejemplos la determinación de la exactitud de la longitud de onda con filtros de oxido de holmio, o la calibración de una balanza analítica mediante el uso de pesas calibradas

46. Puesta a punto del método analítico • Calibración Metodológica Analítica Consiste en comparar la señal (S) generada por el analito presente en la muestra con aquella proporcionada por el analito de una muestra patrón o estándar Los métodos de calibración más utilizados son: 1) Estándar Externo 2) Agregado deEstándaro patrón 3) Estándar Interno

47. 1) Estándar Externo Se construye una curva de calibración con patrones o estándares de concentración conocida. Se cuantifica la concentración del analito en la muestra por comparación de la señal obtenida con la de los estándares. Todas las técnicas instrumentales requieren calibración S = f (C)analito S Las Soluciones Patrón o patrones de calibración son soluciones preparadas a partir del analito a determinar. Solo sirven para realizar calibraciones ya que no se encuentran presentes los componentes de la matriz que acompañan al analito en las muestras. S1 S2 (C)analito C2estándar C1estándar Cmuestra

48. 2) Agregado de Patrón o Estándar El estándar es agregado a las muestras a analizar, se relaciona la señal obtenida en muestras con patrón con aquellas a las que no fue agregado el estándar. Utilidad: • Cuando la matriz de una muestra sea, o bien desconocida o tan compleja que no podría emplearse un estándar externo con suficiente garantía. • Cuando el proceso de preparación de la muestra o la técnica de ensayo sea compleja o muy variable. • Cuando la medida dependa de condiciones instrumentales muy precisas y difícilmente controlables S concentración Concentración de la muestra

49. 3) Estándar Interno Se utiliza como estándar una sustancia distinta del analito y que frente al método analítico utilizado genera señales que pueden ser correlacionadas con la concentración y posteriormente referidas al analito en cuestión. El patrón debe ser adicionado a la muestra y a la solución blanco. Previo al empleo del método se debe demostrar que las respuestas del analito y del estándar interno están relacionadas. La mejor calibración tiene lugar cuando se relacionan según una proporción fija.

50. Características de las técnicas de medida Sensibilidad: Propiedad que se relaciona con la cantidad mínima de analito que es capaz de detectar y (o) cuantificar. Selectividad: Propiedad que tienen las técnicas para discriminar la señal del analito de la de otras especies interferentes presentes en la muestra En las técnicas químicas la selectividad es imputable a la reacción química que utilizan. (No requieren calibración) En las técnicas instrumentales la selectividad es función del principio o propiedad que proporciona información del analito (S).(Se requiere siempre calibración del instrumento). ¡Las técnicas químicas se aplican sólo para componentes mayoritarios de la muestra, mientras que las instrumentales se pueden aplicar indistintamente!