Tema 1: Introducción al análisis instrumental PDF

Tema 1. Introducción al análisis instrumental. Conceptos fundamentales. Métodos de calibrado. Selección del método analítico. Conceptos fundamentales. Definición de Química Analítica “Ciencia metrológica que desarrolla, op...

Tema 1. Introducción al análisis instrumental. Conceptos fundamentales. Métodos de calibrado. Selección del método analítico. Conceptos fundamentales. Definición de Química Analítica “Ciencia metrológica que desarrolla, optimiza y aplica procesos químicos de medida encaminados a obtener información química (analítica) de calidad de sistemas materiales para resolver problemas analíticos. ” Con un fin Solucionar un problema Científico Social Medicina Medioambiente Orgánica Técnico Económico Industria etc. Geología etc. 2 Conceptos fundamentales. Aplicaciones de la Química Analítica Química Toma de muestra y control de materias primas Industria Derivados del Petróleo Control del proceso Farmacéutica Control de calidad del producto acabado Alimentaria etc. Medicina Biología Bioquímica Geología Arqueología Medioambiente….. 3  Conceptos fundamentales. La Química Analítica responde a dos preguntas simples: ¿qué hay? y ¿cuánto hay? ¿Qué es esto? ¿Cuánto hay de cada ¿De qué componentes componente en la está constituida la muestra? muestra? Simple reconocimiento de los tipos IDENTIFICACIÓN O DETERMINACIÓN Medida Cuantitativa de un de especies o elementos presentes CARACTERIZACIÓN componente en una muestra en una muestra ANALISIS ANALISIS CUALITATIVO CUANTITATIVO Proporcionan información sobre la Proporcionan información sobre la identidad de los analitos. cantidad de los analitos 4 Conceptos fundamentales. Clasificación de los métodos analíticos Clásicos Instrumentales Cuali o cuantitativos. Hacen uso de Cuali o cuantitativos. Miden propiedades físico-químicas de los analitos reacciones químicas y requieren la mediante instrumentos observación de sus propiedades. Espectroscópicos Electroanalíticos Gravimetría Volumetría Se basan en la Se miden las Otros Se determina la Se mide el volumen interacción entre la propiedades Térmicos masa del analito o de una disolución de radiación eléctricas como el De separación de algún compuesto reactivo (valorante) electromagnética y potencial, Cinéticos Cromatográficos relacionado necesario para el analito o bien en intensidad, Enzimáticos químicamente con reaccionar con todo la producción de resistencia y radiaciones por los cantidad de Radioquímicos él el analito analitos electricidad 5 Conceptos fundamentales. Tipos de métodos instrumentales  Un instrumento analítico se puede considerar como un dispositivo de comunicación entre una muestra y el investigador que la estudia.  Para obtener la información necesaria: a) Proporcionar un estímulo, habitualmente en forma de energía electromagnética, eléctrica, mecánica o nuclear. b) Dicho estimulo provoca una respuesta del sistema que vendrá gobernada por las leyes de la química y la física. c) La información está contenida en fenómenos observables y medibles. Información analítica Sistema de estudio Fuente de energía Diagrama de bloques en el que se muestra el proceso global de una medición con instrumentos. 6  Conceptos fundamentales. Tipos de métodos instrumentales Según fuente de energía o propiedad que se mide Propiedades características Espectroscopía de emisión (rayos X, UV, visible, de electrones de Auger), fotometría Emisión de radiación de llama, fluorescencia (rayos X, UV, radiación visible), métodos radioquímicos Espectrofotometría (rayos X, UV, radiación visible, infrarrojo); colorimetría, absorción atómica, resonancia magnética nuclear y espectroscopía de espín Radiación Absorción de radiación electrónico Dispersión de radiación Turbidimetría, nefelometría, espectroscopía Raman Refracción de radiación Refractometría, interferometría Difracción de radiación Rayos X, métodos de difracción electrónica Rotación de radiación Polarimetría, dispersión óptica rotatoria y dicroísmo circular Potencial eléctrico Potenciometría, cronopotenciometría Electricidad Carga eléctrica Coulombimetría Corriente eléctrica Polarografía, amperometría, culombimetría Resistencia eléctrica Conductimetría Razón masa-carga Espectrometría de masas Velocidad de reacción Métodos cinéticos Otras Propiedades térmicas Conductividad térmica y métodos de entalpía Masa Gravimetría (microbalanza de cristal de cuarzo) Radiactividad Métodos de activación y de dilución de isotopos 7 Conceptos fundamentales. Clasificación de los métodos instrumentales MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS Absorción atómica Conductimetría Emisión atómica Potenciometría Emisión, absorción, fluorescencia y difracción de Voltametrías Rayos X IR MÉTODOS DE SEPARACIÓN UV-Visible Fluorescencia y fosforescencia Cromatografía Quimioluminiscencia Electroforesis RMN y RSE Ultracentrifugación Microondas OTROS MÉTODOS Raman Dispersión de la luz. Turbidimetría y nefelometría Refractometría Fotoacústica Polarimetría Espectrometría de masas Métodos radioquímicos Métodos térmicos 8 Conceptos fundamentales. Componentes fundamentales del instrumento de análisis 1er Módulo: Generación de un flujo de energía. Ej.: Lámpara, generador de corriente. 2º Módulo: Interacción materia-energía (Compartimento de muestra). 3er Módulo: Detección de la señal. Ej.: Fototubo (luz), potenciómetro (E), amperímetro (I). 4º Módulo: Transducción de la señal Transformación de cualquier tipo de señal (térmica, óptica, etc.) en una eléctrica (medible). 5º Módulo: Amplificación de la señal Aumento de la relación S/R  sensibilidad. 6º Módulo: Sistema de recepción y tratamiento de datos (ordenador). 7º Módulo: Presentación de resultados (impresora). 9 Conceptos fundamentales. Componentes fundamentales del instrumento de análisis 1 2 3 4 Generador Interacción Transductor de señal materia Detector de entrada energía Señal analítica Señal de entrada mecánica o eléctrica 6 Procesador 5 Amplificador de señal Señal salida Transductor de salida o de lectura 7 12,301 10 Medidor o escala Registrador Unidad digital Conceptos fundamentales. Componentes fundamentales del instrumento de análisis Ejemplos de componentes Instrumento Fuente de Señal Transductor Señal Procesador Lectura energía analítica entrada transducida señal Fotómetro Lámpara de Haz luz Fotocélula Corriente Escala de Medidor de wolframio, atenuado eléctrica medida corriente filtro de vidrio Espectrofotómetro Llama Radiación Tubo Potencial Amplificador, Registrador emisión atómica UV o visible fotomultiplicador eléctrico desmodulador, sobre papel monocromador, cortador Culombímetro Fuente de Corriente de Electrodos Corriente Amplificador Registrador corriente la celda eléctrica sobre papel continua Medidor pH Muestra, Actividad Electrodos de Potencial Amplificador, Unidad digital electrodo de del ion vidrio y eléctrico digitalizador vidrio hidrógeno calomelanos Difractómetro Tubo de Radiación Película Imagen latente Revelador Imágenes rayos X para rayos X, difractada fotográfica químico ennegrecidas polvo muestra en una película Comparador color Luz Color Ojo humano Señal del nervio Cerebro Respuesta solar óptico humano visual al color 11 Conceptos fundamentales. Qué debemos saber de un instrumento de análisis Cómo relacionar la señal con la propiedad medida. Su fundamento teórico Ejemplo: Por qué se establece una E entre dos electrodos, etc. Los componentes del Ejemplo: Qué es y cómo funciona un monocromador. instrumento Mantenimiento del equipo. Sus características Sensibilidad, selectividad, precisión, exactitud y velocidad de analíticas muestreo. Su campo de aplicación. Sus posibilidades analíticas Si es destructiva o no. Qué tipo de información suministra. 12 Conceptos fundamentales. Procedimiento de análisis El proceso analítico es el conjunto de operaciones que definen el procedimiento a seguir por el analista/ingeniero químico. EL PROCESO ANALÍTICO Problema Elección del método analítico MÉTODO ANALÍTICO Proceso de Tratamiento de Toma de Tratamiento calibración y los datos muestra de muestra medida Valoración de los resultados Informe y conclusiones 13  Métodos de calibrado. Una parte muy importante de todos los procedimientos analíticos es la calibración y estandarización del proceso. Señal Señal SM Concentración CM Concentración Todo instrumento analítico funciona como un comparador La calibración determina la RELACIÓN entre la respuesta de la muestra (ante un estímulo) llamada SEÑAL analítica (r) y la CONCENTRACIÓN de analito (C) y suele determinarse mediante el uso de leyes físico-químicas. 14 Métodos de calibrado. Calibración externa 𝑦 𝑏𝑥 𝑎 1) Se preparan n disoluciones patrón de concentraciones a y b por mínimos cuadrados crecientes. que estén dentro de la zona útil de medida. 𝑆 𝑎 𝑆 𝑏𝑐 𝑎⇒𝑐 2) Se les mide la señal instrumental. 𝑏 Señal 3) Se representan los datos señal/concentración. SM 4) Se ajustan los datos a una recta (recta de calibrado) y=bx+a CLQ CM CLL Conc. 5) Se le mide la señal instrumental a la muestra (SM). 6) Se determina la concentración de analito (CM) en la muestra por interpolación en la recta de calibrado. 15  Métodos de calibrado. Patrón interno 1) Una cantidad fija de una sustancia (estándar interno) se añade tanto a la muestra como a los estándares. 𝑦 𝑏𝑥 𝑎 a y b por mínimos cuadrados 2) Se determinan las respuestas del analito y del estándar 𝑆 𝑆 𝑎 interno. 𝑆 𝑏𝑐 𝑎⇒𝑐 𝑆 𝑏 3) Se calcula el cociente de los dos resultados. SA/SE 4) Se representan los datos cociente de señales/concentración de analito. SM/SE 5) Se ajustan los datos a una recta (recta de calibrado) y=bx+a CM Conc. 6) Se determina la concentración de analito en la muestra por interpolación en la recta de calibrado. 16 Métodos de calibrado. Adición estándar 1) Se toman n alícuotas de la muestra (VM, CM). 𝑦 𝑏𝑥 𝑎 𝑎 0 𝑏𝑥 𝑎⇒𝑥 𝑐 𝑏 2) Se añaden a las alícuotas volúmenes variables de 𝑉 una disolución patrón (Ve(n)) y se enrasa a un 𝑐 𝑐 mismo volumen (VF) ¡Ojo!, la analito tiene que 𝑉 estar dentro de la zona útil. 3) Se les mide la señal instrumental a las n disoluciones preparadas. Señal 4) Se representan los datos señal/concentración de patrón. 5) Se ajustan los datos a una recta (p.e. por mínimos cuadrados) y=bx+a 6) El punto de corte con el eje x da la concentración de la muestra diluida (C’M). Concentración C’ M 0 7) Se determina la concentración de la muestra original (CM). 17  Selección de un método analítico. Definir el problema ¿Qué exactitud se requiere? ¿Cuál es el estado de ¿Cuántas muestras hay que Determina los errores agregación de la muestra? analizar? Determinará la (muestreo, metodológicos, Ej.: Hay técnicas que sólo velocidad de análisis. instrumentales, personales). sirven para muestras sólidas. ¿Cuáles son las propiedades físicas y ¿De cuánta muestra se químicas del analito? Ej.: ¿Que tipo de información se dispone? Un analito termolábil no puede requiere? Cualitativa, ser determinado con una cuantitativa y/o estructural técnica que requiera calentamiento. ¿En qué intervalo de ¿Qué componentes de la ¿Puede ser destruida la concentraciones está el muestra interfieren? muestra? análisis analito? Determina la selectividad. posteriores. 18 Selección de un método analítico. Criterios de selección Hay dos tipos de criterios de selección:  Criterios cuantitativos: nos basamos en características del instrumento expresadas en términos numéricos llamados parámetros de calidad.  Criterios cualitativos: Una vez hecha la pre-selección con los parámetros de calidad, se termina la elección del método entre los pocos candidatos que han quedado, con una serie de características no numéricas:  Velocidad  Facilidad y conveniencia  Habilidades que requiere el operador  Coste y/o disponibilidad del equipo  Coste por muestra 19 Selección de un método analítico. Criterios de selección Los parámetros de calidad de los métodos analíticos son los criterios, expresados en términos cuantitativos, que permiten decidir sobre el método analítico más adecuado para resolver un determinado problema. Su objetivo es la validación del método analítico para probar de forma documentada que el método analítico se ajusta al fin al que se destina. La validación es un proceso que tiene dos metas: 1. Definir y asegurar la calidad de la información analítica generada (resultados, informes) a través de las propiedades analíticas supremas, básicas y complementarias. 2. Garantizar la coherencia entre la información analítica generada y las necesidades planteadas por la sociedad, industria, comercio, ciencia y tecnología. 20 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos Criterios Parámetro de calidad Precisión Desviación estándar, desviación estándar relativa, coeficiente de variación, varianza Exactitud o sesgo Error absoluto sistemático, error absoluto relativo Sensibilidad Sensibilidad de calibración, sensibilidad analítica Límite de detección Blanco más tres veces la desviación estándar del blanco Límite de cuantificación Blanco más diez veces la desviación estándar del blanco Intervalo de concentración Concentración entre el límite de cuantificación y el límite de linealidad Selectividad Coeficiente de selectividad 21 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos La precisión es el grado de concordancia entre un grupo de resultados obtenidos al aplicar repetitiva e independientemente el mismo método analítico a alícuotas de la misma muestra. Se relaciona con el error aleatorio (error experimental) y se expresa como desviación estándar (s), varianza (s2), desviación estándar relativa (RSD) o coeficiente de variación (CV). ∑ 𝑥 𝑥̅ ∑ 𝑥 𝑥̅ 𝑠 𝑠 𝑠 ; 𝑠 𝑅𝑆𝐷 ; 𝐶𝑉 % 100 𝑛 1 𝑛 1 𝑥̅ 𝑥̅ La precisión se puede evaluar en términos de: Repetibilidad: resultados obtenidos con experimentos independientes utilizando el mismo método, analista, instrumento, reactivos en un mismo intervalo de tiempo. Reproducibilidad: dispersión de resultados de ensayos independientes aplicando el mismo método a la muestra, pero variando alguno de los factores anteriormente mencionados (diferentes laboratorios o analistas o instrumentos o intervalo de tiempo). 22 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos La exactitud es el grado de concordancia entre los valores reales y los valores medidos. Para evaluarla se utilizan materiales de referencia certificados o métodos de referencia oficiales. Describe si el resultado experimental obtenido es correcto. Se caracteriza por el error sistemático (desvíos constantes) y se expresa como error absoluto (Ea) o como error relativo (Er), que aparecen fruto de calibraciones inadecuadas, de la pureza de los reactivos o de medidas instrumentales incorrectas. ̅ 𝐸 𝑥̅ 𝑣𝑣 𝐸 100 La representatividad es el grado de coherencia, concordancia y consistencia de resultados. Tiene como soporte básico un muestreo adecuado y se relaciona con todo el proceso analítico. 23 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos La sensibilidad expresa la capacidad de un método para poder detectar (cualitativamente) y determinar (cuantitativamente) pequeñas cantidades de analito en la muestra. Es la razón entre el incremento de la señal y el incremento de la concentración del analito. La sensibilidad de calibración representa la relación entre la señal y la concentración y se expresa como la pendiente de la recta de calibrado (y=a + bx). 𝑦 𝑎 𝑏 𝑥 La sensibilidad de calibrado no tiene en cuenta la precisión, entonces se define la sensibilidad analítica como el cociente entre la pendiente de la recta del calibrado y la desviación estándar de las señales. La sensibilidad analítica es insensible a los factores de amplificación que puede sufrir la señal analítica. 𝑏 𝛾 𝑆 24 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos El límite de detección se refiere a la mínima cantidad de analito que puede detectarse para un nivel de confianza dado; corresponde a: Aquella concentración que proporciona una señal (y) en el instrumento significativamente diferente de la señal de un “blanco” o del “ruido” o “señal de fondo”. Se consideran señales tres veces superiores a la señal del ruido de la línea de base. El cálculo de la señal correspondiente al límite de detección (yLD) se lleva a cabo mediante la medida media del blanco ( yblanco ) más tres veces la desviación estándar del blanco ( 3Sblanco ). 𝑦 𝑦blanco 3𝑆blanco El límite de detección se expresa en términos de concentración (xLD), sustituyendo el valor de (yLD) en la recta de calibrado (y=a+bx). 𝑦blanco 3𝑆blanco 𝑎 𝑥 𝑏 25 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos El límite de cuantificación hace referencia al límite más bajo para determinaciones cuantitativas precisas. Se consideran señales diez veces superiores a la señal del ruido de la línea de base, y se expresa como: 𝑦 𝑦blanco 10𝑆blanco El límite de detección se expresa en términos de concentración (xLQ), sustituyendo el valor de (yLQ) en la recta de calibrado (y=a+bx). 𝑦blanco 10𝑆blanco 𝑎 𝑥 𝑏 26 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos El intervalo de concentración es el intervalo comprendido entre la concentración más pequeña con la que pueden realizarse medidas cuantitativas (LOQ), hasta la concentración a la cual la recta se desvía de la linealidad (LOL). Es el tramo en el cual la pendiente permanece constante. LOQ: límite de cuantificación LOL: límite de linealidad Señal Intervalo aplicable LOQ LOL Concentración 27 Selección de un método analítico. Criterios de selección cuantitativos La selectividad se define como la propiedad del método analítico que indica el grado de interferencias (alta selectividad indica pocas interferencias). Se mide con el coeficiente de selectividad. Suponiendo una muestra con un analito A y dos especies interferentes B y C, la señal total (S) sería la suma de las señales del blanco y de cada uno de los componentes de la muestra que dan señal: 𝑆 𝑚 𝑐 𝑚 𝑐 𝑚 𝑐 𝑆blanco Se define el coeficiente de selectividad de B o C respecto de A como: 𝑘 , 𝑚 /𝑚 𝑘 , 𝑚 /𝑚 Y sustituyendo en la ecuación de la señal total (S) el valor de mB y mC, quedaría: 𝑆 𝑚 𝑐 𝑘 , 𝑐 𝑘 , 𝑐 𝑆blanco 28