Optimización y validación de un método de análisis directo de barras de microextracción para la determinación de metales en aguas naturales mediante espectroscopía atómica

  1. González Álvarez, Rafael Jesús
Supervised by:
  1. Juan José Pinto Ganfornina Director
  2. Dolores Bellido Milla Co-director

Defence university: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 12 April 2019

Committee:
  1. Martín Resano Ezcaray Chair
  2. J. M. Palacios Santander Secretary
  3. Elisa Isabel Vereda Alonso Committee member
Department:
  1. Química Analítica

Type: Thesis

Teseo: 587222 DIALNET

Abstract

La determinación de metales a nivel de trazas y ultra-trazas en aguas naturales presenta un importante interés desde el punto de vista medioambiental. Esto es debido a que la concentración de estas especies metálicas está íntimamente relacionada con la toxicidad que puedan suponer hacia los seres vivos que habiten en dichas aguas. Los metales esenciales como el cobre, intervienen en numerosos procesos biológicos, y por ello deben encontrarse a unas concentraciones determinadas. Por otro lado, los metales no esenciales, como la plata, pueden presentar toxicidad incluso a concentraciones muy bajas. Dado que los procesos de bioacumulación pueden aumentar la concentración metálica en el interior de los organismos vivos, en los últimos años se han desarrollado metodologías para llevar a cabo la cuantificación de especies metálicas en aguas naturales, y en concreto, en el agua de mar. No obstante, estas metodologías presentan dos inconvenientes principales: la baja concentración a la que se suelen encontrar los metales en el medio acuático y la complejidad de la matriz salina. Por ello, en la mayoría de los casos se hace necesario realizar una etapa de preconcentración previa, para la cual el empleo de sistemas de microextracción presenta un uso cada vez más extendido, como evolución de los sistemas tradicionales de extracción. Tomando como referencia los principios de la Química Verde, la microextracción en fase líquida con capilares de fibra hueca (HF-LPME) en la configuración de barra de disolvente ha surgido en los últimos años como una de las alternativas más eficaces para llevar a cabo la separación y preconcentración de metales, simplificando notablemente la manipulación de la muestra. Esta técnica de separación utiliza sistemas químicos de extracción que son selectivos con el metal que se desea extraer, y hace uso de un montaje sencillo, en el que una fibra porosa de composición polimérica constituye el soporte del agente extractante, que ocupa los poros de la misma y facilita el transporte del analito desde la muestra a una disolución receptora contenida en el interior de esta. Dicha disolución receptora puede tener carácter orgánico (configuración en 2 fases) o acuoso (configuración en 3 fases). Sin embargo, la necesidad de recuperar la disolución receptora para cuantificar el metal extraído dificulta la automatización del proceso global al tener que manipular las barras, con el consiguiente riesgo de contaminación o pérdida del analito. Por ello, como alternativa para dar solución a este inconveniente, en este trabajo se ha propuesto el desarrollo y optimización de un método de análisis directo de las barras de disolvente mediante Espectroscopía de Absorción Atómica de alta resolución con Horno de Grafito para muestras sólidas empleando una fuente de continuo (HR-CS-SS-GF-AAS) para la determinación de metales en aguas naturales. De esta forma, se ha considerado que la barra de disolvente es formalmente una muestra sólida, por lo que en lugar de manipular la fibra para extraer la fase receptora se realizó el análisis directo de la misma sin necesidad de recurrir a una etapa de recuperación. Para verificar la viabilidad de la propuesta realizada, en primer lugar se seleccionó el tipo de fibra más adecuado, realizándose unos estudios que permitiesen conocer su comportamiento con el aumento de temperatura. Empleando un horno de mufla, se sometieron varias barras de disolvente preparadas en configuraciones diferentes a una serie de tratamientos térmicos que simulasen las condiciones de un horno de grafito. Con este estudio se seleccionó el tipo de fibra más adecuada para el método propuesto y se esbozó un primer programa de temperatura de horno de grafito para llevar a cabo el análisis directo de las barras de disolvente. Dicho programa se optimizó empleando un sistema químico en tres fases para la microextracción de plata, utilizando sulfuro de triisobutilfosfina (TIBPS) disuelto en queroseno como extractante y tiosulfato de sodio como disolución receptora. Se consideraron dos etapas de secado a 110 y 175 ºC y tres etapas de calcinación a 290, 700 y 1000 ºC para una eliminación correcta y controlada de la matriz polimérica, llevándose a cabo la determinación de plata a una temperatura de atomización de 1800 ºC. La validez del programa se demostró analizando patrones y blancos consistentes en barras de disolvente con y sin plata adicionada, respectivamente. Además, se verificó que la utilización de un modificador de matriz no mejoraba los resultados obtenidos, por lo que se descartó su uso. Una vez demostrada la viabilidad del método propuesto, se llevó a cabo una optimización multivariante mediante un diseño de experimentos central compuesto para encontrar las concentraciones químicas óptimas que maximizasen la eficiencia del proceso de microextracción. Se llevó a cabo el análisis de la varianza, y se obtuvo una ecuación de regresión con la que se pudieron determinar las condiciones óptimas de extracción. Empleando dichas condiciones, se estudió de forma univariante el efecto de la velocidad de agitación de la muestra y del tiempo de extracción. Se encontró que la presencia de ligandos inorgánicos y orgánicos hacía disminuir la señal instrumental, estableciéndose una relación entre la concentración de cloruros y materia orgánica de una muestra y el factor de enriquecimiento de la plata. Tras ello, se establecieron los parámetros de calidad del método propuesto. Se demostró la aplicabilidad de dicho método analizando el contenido total de plata en muestras reales, comparando estadísticamente los resultados con un método de referencia. Del mismo modo, fue posible llevar a cabo estudios de especiación determinando las fracciones transportables y no transportables de una muestra real. Una vez se logró desarrollar una metodología para la determinación de un metal no esencial, se llevó a cabo la optimización de otro método para la determinación de un metal esencial, el cobre. Se empleó una configuración en dos fases, recurriendo a un sistema químico dependiente del pH que utiliza una disolución de di-2-piridilcetona benzoilhidrazona (dPKBH) en octan-1-ol como agente extractante. En esta ocasión, fue necesario optimizar el programa de temperatura a las nuevas condiciones de trabajo. Dicho programa mantuvo las mismas temperaturas de secado y calcinación que el de la plata, llevándose a cabo la atomización a 2200 ºC, empleando la longitud de onda secundaria del cobre. Tras ello, se optimizaron siguiendo una estrategia univariante las variables químicas y físicas que intervienen en el proceso de extracción. Se observó que la presencia de ligandos orgánicos e inorgánicos provocaba una disminución de la señal instrumental, pudiéndose relacionar esta con las concentraciones de cloruros y materia orgánica de la muestra. Finalmente, tras establecer los parámetros de calidad, el método fue aplicado con éxito a un material de referencia certificado, así como a muestras de agua de mar, determinándose el contenido total de cobre. Se realizó, además, un estudio de especiación, estimándose las fracciones transportable y no transportable de dicho metal y encontrando una correspondencia entre las concentraciones medidas y las predichas teóricamente. Los resultados obtenidos evidencian que el tándem formado por la HF-LPME en configuración de barras de disolvente y la HR-CS-SS-GF-AAS constituye una alternativa eficaz para la determinación de metales en ecosistemas marinos.