SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.45 número4Dendrimers based on cyclophosphazene unit and containing iron (III)CHEMICAL CHARACTERIZATION OF A MUNICIPAL LANDFILL AND ITS INFLUENCE ON THE SURROUNDING ESTUARINE SYSTEM, SOUTH CENTRAL CHILE índice de autoresíndice de assuntospesquisa de artigos
Home Pagelista alfabética de periódicos  

Serviços Personalizados

Journal

Artigo

Indicadores

Links relacionados

Compartilhar


Boletín de la Sociedad Chilena de Química

versão impressa ISSN 0366-1644

Bol. Soc. Chil. Quím. v.45 n.4 Concepción dez. 2000

http://dx.doi.org/10.4067/S0366-16442000000400004 

Nuevo sistema integrado cromatografía líquida de
alta resolución / nebulizador hidráulico de alta
presión y temperatura (HPLC/HT-HHPN) para la
separación automática de la matriz en la
determinación de metales en salmueras con
espectrometría de absorción atómica (FAAS)

J. Yáñez* & H. Berndt**

*Departamento de Química Analítica, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de
Concepción, P.O. Box 160-C, Concepción,Chile.
**Institut für Spektrochemie und angewandte Spektroskopie (ISAS),
Bunsen-Kirchhoff-Str. 11, 44139 Dortmund, Germany.
(Recibido: Octubre 25, 1999 - Aceptado: Julio 24,2000)

RESUMEN

Un sistema de flujo de alta eficiencia en espectrometría atómica (HPF-AS) es implementado mediante la combinación de HPLC y un nebulizador hidráulico de alta temperatura y presión (HT-HHPN). Este sistema se aplicó para la separación de la matriz en muestras de salmueras de la industria de cloro-soda, lográndose la determinación de trazas de metales pesados (mg/L) en estas salmueras sin interferencias de la matriz. La separación de la matriz de NaCl se realiza en una columna de HPLC (C18) después de complejar los metales pesados con el ácido trans-1,2-diaminociclohexano, N,N,N’,N’-tatraacético (CDTA). La separación de la matriz y la determinación de los metales puede ser realizada en un tiempo inferior a 1 minuto. Los límites de detección de Cd(II), Co(II), Cu(II), Mn(II) y Zn(II) en FAAS fueron mejorados en más de un orden de magnitud en comparación con la determinación convencional o directa mediante un nebulizador neumático.

Palabras claves: Metales pesados, interferencias, soluciones salinas, tratamiento de muestras, nebulización, HT-HHPN.

SUMARY

An integrated HPF-system using HPLC and HT-HHP-nebulizer is used for matrix separation by the determination of heavy metals in highly concentrated solutions with FAAS. The separation of the matrix (NaCl) is achieved in a HPLC RP-C18 column after heavy metal complexing with trans-1,2-diaminciclohexane-N,N,N’,N’-tetraacetic acid (CDTA). Matrix separation and the metal determination can be realized in less than one minute, without any interference from the matrix. The detection limits of Cd(II), Co(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II) and Zn(II) by FAAS were improved in one order of magnitude in compare with the direct determination by pneumatic nebulization nebulizer.

KEY WORDS: Heavy metals, matrix interferences, saline solutions, sample pretreatment, nebulization, HT-HHPN

INTRODUCCION

La determinación de elementos trazas (mg/L) y ultratrazas (mg/L) en muestras con alta concentración de sales (g/L), utilizando la espectroscopía atómica (FAAS, GF-AAS, ICP-AES), es una tarea relativamente frecuente en un laboratorio de análisis químico y caracterizada por su complejidad para la obtención de datos confiables. Por otro lado, métodos analíticos cada vez más sensibles, reproducibles y libre de interferencias son requeridos en el análisis de soluciones de procesos industriales (control de calidad) y efluentes industriales líquidos y en el análisis de muestras ambientales. Por estas razones, dicha problemática es estudiada actualmente con distintos métodos para lograr la eliminación de las interferencias de la matriz salina [1-4]. En la determinación de metales por espectroscopía atómica (absorción y emisión) en matrices altamente salinas se presentan un variado tipo de interferencias, las cuales han sido clasificadas en interferencias físicas, químicas y espectrales [1]. Las interferencias físicas son efectos causados principalmente en el sistema de introducción de muestra (nebulizador) y en la fuente de atomización o excitación (llama, plasma u horno). Un alto contenido de sales en la muestra produce un aumento considerable en la viscosidad y en la tensión superficial de la solución a nebulizar, lo que conlleva a una pérdida de la eficiencia de nebulización y a un menor transporte de los analitos en la fuente de excitación (llama o plasma) y finalmente una pérdida de sensibilidad y poder de detección [4-6]. Otro tipo de interferencia física producida por una alta concentración de matriz salina se debe al cambio propiedades físicas de la fuente de excitación, por ejemplo la disminución de la temperatura de la llama (FAAS) o el efecto de sobrecarga en plasmas ("overloading"). Estos cambios físicos disminuyen la eficiencia de la atomización o excitación e incluso pueden causar la extinción de la fuente [3,7]. La nebulización de soluciones altamente salinas produce además una acumulación progresiva de las sales en la ranura del quemador (llama) o en la antorcha del ICP. En al práctica, es necesario un lavado frecuente del quemador o antorcha para evitar su bloqueo, por lo que disminuye considerablemente su vida útil. Este tipo de interferencia se acentúa más aún cuando se usan sistemas de nebulización de mayor eficiencia que involucran un aumento de la cantidad de muestra (analitos y matriz salina) transportada a la fuente de excitación [8]. Por otro lado, una típica interferencia espectral es el aumento de la señal de fondo por absorción o emisión no específica de la densa nube atómica proveniente de la matriz [7]. Finalmente, las interferencias químicas se deben principalmente a la formación de compuestos refractarios y difíciles de disociar en átomos, lo que causa generalmente una disminución de la eficiencia de atomización [9-11]. Todas estas interferencias producen generalmente serios errores sistemáticos y no sistemáticos en el análisis, baja de precisión y exactitud, disminución de la sensibilidad y por lo tanto pérdida del poder de detección.

Para la eliminación de las interferencias de matrices salinas descritas anteriormente se han descrito diversos métodos de pretratamiento de muestras, por ejemplo, la coprecipitación de hidróxidos de metales (Fe(OH)3, In(OH)3 o La(OH)3) [12-13], extracción líquido-liquido [14, 15], intercambio iónico [16, 17] y extracción en fase sólida [18, 19].

Una forma sencilla de contrarrestar las interferencias de la matriz es la dilución de las muestras con el fin de disminuir la concentración de la matriz salina introducida en el espectrómetro. Esta solución es bastante utilizada en la industria de cloro-soda, en donde generalmente se diluye las salmueras hasta una concentración de 50 g/L de NaCl. Sin embargo, la dilución de la muestra trae como consecuencia la pérdida de poder de detección impidiendo la cuantificación de los metales que se encuentran a bajas concentraciones.

En general son preferidos los métodos de pretratamiento cerrados que requieran una menor cantidad de reactivos o solventes y menor número de pasos, para así disminuir el riesgo de contaminación de la muestra y disminuir el tiempo de análisis [20].

Las técnicas de inyección en flujo continuo como FIAS (Flow Injection Atomic Spectrometry) y HPF-AS (High Performance Flow-Atomic Spectrometry) se han consolidado en los últimos años por cumplir con estos requisitos. Ambos sistemas cerrados permiten trabajar con pequeños volúmenes de muestra (µL) y flujos de reactivos pequeños (mL/min). FIAS es un sistema que trabaja a bajas presiones y opera una o más vías de flujo contínuo [21-23] y generalmente se conecta al espectrofotómetro mediante un nebulizador neumático.

Por su parte, HPF-AS es un sistema de flujo continuo que trabaja a alta presión y con una línea de flujo en donde se combinan técnicas de HPLC y que termina convencionalmente en un nebulizador de alta eficiencia (HHPN: Hydraulic High Pressure Nebulization). HPF-AS ha sido aplicado exitosamente al tratamiento en línea de muestras para la eliminación de interferencias en el análisis de elementos trazas en muestras altamente salinas [24-28]. El uso de columnas de separación de HPLC con mayor cantidad de platos teóricos (material de relleno de sólo 5 µm de diámetro) ofrece una alta resolución de los componentes de la muestra, por ejemplo de elementos traza e interferentes o para la separación de distintas formas químicas de un componente ("especiación") [11, 27-32]. Con el uso de delgados capilares (0,17 y 0.25 mm diámetro interno) y el pequeño material de relleno se produce sólo un ínfimo volumen muerto en el sistema (sólo algunos mL) y se minimiza la dispersión de la muestra dentro del sistema de flujo. Por otro lado, HPF-AS es relativamente fácil de automatizar posibilitando un considerable ahorro de tiempo total de análisis.

Un nuevo nebulizador hidráulico de alta presión es el HT-HHPN (high temperature hydraulic high pressure nebulizer), mediante el cual se mejora ostensiblemente la eficiencia en la introducción de muestra en espectroscopía atómica, por ejemplo, 80% en FAAS, lo que representa un mejoramiento de 10 veces respecto al rendimiento normal de un nebulizador pneumático (alrededor de 7%). Esta mayor eficiencia en la introducción de muestra se traduce en un incremento promedio de la sensibilidad de 6 veces en FAAS y de 22 veces en ICP/AES. Con la HT-HHPN fueron mejorados también los límites de detección en un factor 5 en la FAAS y en un factor 13 en ICP/AES en comparación a los obtenidos usando el nebulizador neumático convencional [33, 34].

El objetivo de este trabajo fue implementar una nueva variante de HPF-AS, utilizando HPLC y el nuevo nebulizador de alta eficiencia (HT-HHPN) para aplicarlo en la separación automática de la matriz durante la determinación de metales pesados en salmueras de la industria de cloro-soda. Todos los pasos del proceso analítico (desde la inyección de la muestra hasta su análisis) son controlados automáticamente por un sistema para control de eventos automático, para así lograr la mejor coordinación del sistema de separación de matriz y el de detección analítica.

EXPERIMENTAL

Instrumentación

Espectrometría de absorción atómica con llama (FAAS)

Como detector de los elementos investigados se utilizó un espectrómetro de absorción atómica con llama marca Varian modelo 1475 con óptica de doble haz y compensación de fondo.

Adquisición de datos, señales y automatización

Los datos fueron captados desde la señal analógica del espectrómetro de absorción atómica (absorbancia corregida) y digitalizadas a través de la interfase de un sistema (hardware/software) de integración para HPLC versión 2.2 (Knauer). Este software permite la visualización de señales, almacenaje y tratamiento de datos, además de la automatización de todas las etapas del análisis mediante una caja externa de relés.

La señal de absorción atómica corregida del espectrómetro se presenta en todos los gráficos en mV (unidad del software), donde 0.25 ABS corresponden a 100 mV.

Sistema de separación de matriz e introducción de muestra

Sistema de separación de matriz (HPLC/HT-HHPN)

El sistema HPLC/HT-HHPN/AS es representado en la figura 1. Este sistema integrado está compuesto por una parte de la configuración estándar del nebulizador HT-HHPN, constituido por una bomba de HPLC (Knauer, 64, Berlin, Germany) y una válvula manual de HPLC hecha de PEEK, con contacto de lectura y loop de 200 µL para la inyección de la muestra (Knauer). Entre la válvula de la muestra y el nebulizador se incluye una columna de HPLC de 60 mm de largo y un diámetro interno de 4 mm, con cuerpo de PEEK y material de relleno Eurospher 100-C18 (5µm). A la salida de la columna se ubica una segunda válvula automática de HPLC de PEEK con 6 puertas/3 canales con un loop de 1 mL, en la que se atrapa la matriz eluida desde la columna. Una micro bomba de membrana de TeflonR modelo NF-10 (KNF Neuberger GmbH, Freibung-Munzingen, Germany) es usada para eluir la matriz desde el loop de la segunda válvula hasta el desagüe. Tanto la conmutación de la segunda válvula de HPLC, el inicio y detención de la microbomba de membrana y el flujo de la bomba de HPLC son controladas a través de la caja de relés desde el software de cromatografía. Todas las cañerías capilares del sistema son de PEEK para disminuir el riesgo de contaminación.


Nebulizador HT-HHPN

Una representación esquemática del nebulizador se ilustra en la figura 2. El líquido portador y la muestra son impulsados por la bomba de HPLC. Las muestras son inyectadas en volumen discreto (10 - 500 µL) a través de la válvula de HPLC e impulsadas hasta un capilar de Pt/Ir (75+25), 150 mm de largo, 1.5 mm de diámetro interno y 1 mm de diámetro externo (Degussa, Frankfurt, Germany), en el cual la muestra es sobrecalentada hasta 200-300°C. El capilar de Pt/Ir es calentado eléctricamente mediante una resistencia de Cr-Ni enrollada alrededor del capilar, que es alimentada con una pequeña fuente de poder de 200 W que está controlada con un regulador de temperatura electrónico tipo PID (Horst, Benscheim, Germany). Este capilar de Pt/Ir termina en un cuerpo de titanio que aloja al disco nebulizador hecho de aleación de Pt/Ir (95:5), el cual posee un pequeño orificio de salida con un diámetro de sólo algunos micrómetros de diámetro. La muestra es expulsada a través de la pequeña abertura del disco nebulizador (30, 20, 15 o 10µm) con una presión de aproximadamente 120 - 230 bar debido a la gran resistencia al flujo que impone la abertura. Como la presión del líquido sobrecalentado dentro del capilar de Pt/Ir es superior a su presión de vapor el líquido permanece al estado líquido (no se evapora). El líquido sólo se evapora violentamente después de ser expulsado con gran velocidad (>100 m/s) a través de la abertura del disco nebulizador, formando así una densa nube de aerosol. Este aerosol es una mezcla de vapor y gotas muy finas de líquido que es finalmente transportada a la fuente de atomización del espectrofotómetro (llama o plasma) [33].


Reactivos

Ácido trans-1,2-Diaminociclohexanotetraacético (CDTA, Fluka), methanol, ácido nítrico, ácido cítrico (todos con calidad p.a.), cloruro de sodio. La estándares de elementos traza fueron de Merck, Darmstadt, Germany.

RESULTADOS Y DISCUSION

Caracterización de las interferencias NaCl en la determinación de metales pesados

Interferencias en HT-HHPN

La influencia de la concentración de una matriz en muestras de salmueras industriales y soluciones sintéticas de NaCl fue caracterizada para la determinación directa de algunos metales pesados mediante la nebulización hidráulica de alta presión y temperatura (HT-HHPN). El rango de concentración de NaCl fue desde 0 hasta 200 g/L con incrementos de 5 g/L. Los metales estudiados fueron Cd(II), Co(II), Cr(VI), Cu(II), Mn(II), Ni(II) y Zn(II) y para cada elemento se optimizaron previamente las condiciones de la medición como la altura del quemador, proporción de acetileno/aire, flujo del nebulizador para conseguir la mayor sensibilidad en la determinación. La figura 3 muestra la disminución del área de la señal de los elementos a creciente concentración de NaCl (matriz salina). Se observa que en general existe una disminución de la intensidad de la señal en función de la concentración de la matriz para todos los elementos, excepto para Cr(VI) para el cual no se observa una variación del área en todo el rango estudiado. En el caso del Cd(II), Cu(II), Zn(II) existe una disminución de alrededor del 10% del área original a una concentración de 200 g/L de NaCl, en donde para Cu(II) y Zn(II) se trata de una disminución prácticamente lineal con respecto a la concentración de la matriz. La determinación de Mn(II), Co(II) y Ni(II) fueron las más influidas por la matriz, ya que resultaron disminuciones de aproximadamente un 25% del área de la señal original a 200 g/L de NaCl.


Comparación entre HT-HHPN, HHPN y nebulizador neumático

Con el fin de comparar el desempeño de tres nebulizadores en esta matriz de NaCl, se determinaron metales en salmueras a distinta concentraciones de NaCl (5-200g/L) mediante el nebulizador neumático convencional del espectrómetro (PN), el nebulizador hidráulico de alta presión (HHPN) y el HT-HHPN. Los 3 nebulizadores fueron optimizados a su máxima sensibilidad y se inyectó 200 µL de muestra. En el caso del nebulizador neumático se comprobó, como en investigaciones anteriores [3], que al nebulizar una solución de 200 g/L de NaCl usando una succión directa de la solución se bloquea constantemente el nebulizador por formación de cristales en el capilar y en la punta de salida. Con el nebulizador neumático, succionando muestra en forma continua, sólo se obtuvieron resultados reproducibles hasta una concentración de 50 g/L de NaCl. Por esta razón se usó para este estudio comparativo una bomba de HPLC para impulsar la muestra al nebulizador neumático. Sólo de esta forma se pudo nebulizar soluciones de mayor concentración de sales (mayor viscosidad), ya que la bomba de HPLC y no el nebulizador está determinando el flujo de la muestra. Además el uso de un líquido portador de arrastre para la muestra permite el lavado constante del nebulizador evitando así la formación y acumulación de cristales de NaCl. La figura 4 muestra una comparación de la interferencia de la matriz para los 3 nebulizadores. Se representa el área relativa de las señales con respecto al área original obtenida sin presencia de la matriz. HT-HHPN, HHPN y el nebulizador neumático ayudado por la bomba de HPLC presentan en general la una influencia relativamente similar de la matriz de 200 g/L de NaCl (figura 4), excepto para el Cu(II). En la tabla N°1 se muestran una comparación de los 3 nebulizadores en función de la reproducibilidad y los límites de detección para los elementos analizados en salmueras de 250 g/L de NaCl. En general se aprecia que los límites de detección son similares para los elementos investigados al usar HT-HHPN y HHPN. Con la nebulización neumática en cambio se obtienen límites de detección mayores. En general se puede decir que la HT-HHPN y HHPN mejoran los límites de detección en un a factor cercano a 3 con respecto a la nebulización neumática.



La nebulización de muestras de salmueras casi saturadas de NaCl fue realizada sin problemas con el nuevo HT-HHPN y en general con interferencias iguales o menores que la nebulización neumática en la determinación de los metales investigados. Sin embargo, en los 3 nebulizadores se presentó el problema de la incrustación de sales en forma acumulativa en la ranura del quemador. Este fenómeno es de más rápido aparición en los nebulizadores de mayor eficiencia. La figura 5 muestra la disminución de sensibilidad en la medición de 200 µL de Cu(II) en una solución de 250 g/L de NaCl utilizando HT-HHPN. La acumulación de sales en la ranura del quemador provoca una disminución constante de la señal y también un deterioro de la reproducibilidad en el análisis produciendo finalmente su bloqueo. Para evitar el bloqueo del quemador se debe extraer constantemente los cristales acumulados raspando con una espátula metálica.


SEPARACIÓN DE LA MATRIZ MEDIANTE HPLC/HT-HHPN/FAAS

Principio de la separación de la matriz salina

La separación de la matriz salina está basada en el complejamiento de los metales pesados en estudio usando agentes quelantes poco solubles en agua como el ácido trans-1,2-diamino-ciclohexano-N,N,N’,N’-tetraacético (CDTA) el cual forma complejos con una alta constante de estabilidad y enmascaran a los metales catiónicos en un entorno altamente hidrofóbico [35]. Estos complejos interaccionan con el material de relleno de la columna RP-HPLC (C18) siendo parcialmente retenidos en la columna. Por el contrario, la matriz altamente iónica pasará la columna sin mayor retención. Esta diferencia de polaridad permite la separación de los elementos traza complejados desde su matriz iónica.

Para impedir que la matriz salina alcance el quemador de espectrómetro y produzca una constante acumulación de sales en la ranura de salida se desvió la matriz del sistema de flujo antes de que esta alcance el nebulizador. Para la eliminación de la matriz del sistema de flujo se utiliza la segunda válvula automática de HPLC que posee un loop de 1 mL y que se encuentra ubicada inmediatamente después de la columna. A pesar que el volumen de la muestra inyectada sólo es de 200 µL, fue necesario un loop con un volumen 5 veces mayor que la muestra para poder atrapar casi totalmente la muestra. Esto se puede explicar por la gran dispersión que ocurre dentro de los capilares. Una vez que la matriz es atrapada en el loop, se conmuta la válvula a posición "load" para que los metales que serán eluidos pasen directamente y sin pérdidas al nebulizador y con ellos al espectrómetro para su análisis. Después de la optimización del tiempo de conmutación de la válvula sólo se detectó una pequeña concentración de NaCl que alcanzaba el quemador. Por ejemplo, cuando se nebuliza 200 µL de una solución de 250 g/L de NaCl, se detectó sólo 200 mg/L que alcanzaron el quemador.

Los resultados de los experimentos de optimización de los tiempos de conmutación se observan en la figura 6. En el mismo momento en que la válvula es conmutada a posición "load" se activa automáticamente la microbomba de membrana y lava la matriz desde el loop de 1 mL hacia el desagüe con un flujo de 4 mL/min. Para iniciar otra etapa del análisis la válvula vuelve a posición inyección para recibir la matriz.


Todos estos pasos y la adquisición de datos son controlados automáticamente por el sistema hartware/software de HPLC, lográndose así un sistema de pretratamiento en línea totalmente automatizado, tanto para la separación de la matriz, su eliminación del sistema de flujo y la determinación de los metales por FAAS. Con este sistema se impide cualquier efecto acumulativo de la matriz en la cámara de nebulización o en la ranura del quemador.

Condiciones cromatográficas

Las condiciones cromatográficas iniciales para la separación de Cu(II) desde una solución de 250 g/L de NaCl fueron escogidas desde la literatura [36]. La solución de NaCl también fue dotada con los otros elementos estudiados en el estudio de interferencias. A las muestras se les adicionó CDTA para que los elementos entraran al sistema de separación en forma de complejos y así descartar cualquier efecto cinético en la separación en la columna C-18. El valor pH fue ajustado en la muestra con adición de ácido nítrico. El flujo de la bomba de HPLC fue programado a 2 mL/min para así mantener la presión del sistema por debajo de 250 bar (presión máxima de la columna de PEEKR es de 250 bar). Este factor debe ser considerado porque la presión total del sistema está dada por la suma de la resistencia dada por la columna de separación y la del nebulizador que opera con un disco de abertura de 20 µm. El aporte de cada uno para un flujo de 2 mL/min utilizando una mezcla binaria de agua/metanol (60/40) es de 70 y 140 bar respectivamente.

Para la optimización de la proporción agua/metanol en el líquido portador se realizaron una serie de ensayos con proporción creciente de metanol (5-40%), observándose que una mayor proporción de metanol en la mezcla produce una elución más rápida de los metales desde la columna (tiempos de retención menores). En la figura 7 se muestra la influencia que tiene la proporción de metanol en el líquido portador sobre la forma de la señal y en los tiempos de retención de los elementos complejados. Como ejemplo se muestra la determinación de Cd y Cu. Se observa también que la forma de los picos se agudiza a medida que se aumenta la proporción de metanol.


También se estudió la influencia del valor pH de la muestra sobre la separación. Sólo se encontró una pequeña influencia. Al contrario, el valor pH en el líquido portador tuvo una influencia importante en la eficiencia de la separación cromatográfica y en la forma de los picos. La figura 8 muestra las señales de Mn(II) para tres diferentes valores de pH en el líquido portador. La proporción de agua/metanol de estos ensayos fue mantenida en 80/20 vol.% y la concentración de CDTA en 1 mM. La muestra fue preparada con 5 mM de CDTA y pH 3 (acondicionado con ácido nítrico). En la figura 8 se observa además que para Mn(II) un mayor valor pH en el líquido portador conlleva a mayores tiempos de retención. Esta tendencia se repitió en general para los otros elementos estudiados, excepto para Cu(II) que presenta el efecto inverso. Debido a que la FAAS es un método secuencial, se pudo realizar los análisis en las condiciones cromatográficas óptimas encontradas para cada elemento.


Todos los elementos investigados pudieron separarse de la matriz y ser determinados manteniendo la misma composición química de la muestra (CDTA 5 mM, pH 3). Bajo dicha composición se asegura la formación y estabilidad de los complejos metálicos. Al contrario de lo anterior, la composición química óptima del líquido portador fue diferente para cada elemento. La Tabla 2 muestra la composición química bajo la cual fue hecha la separación de la matriz y la determinación de cada elemento en específico.


Las condiciones cromatográficas encontradas con soluciones sintéticas de NaCl fueron aplicadas a salmueras industriales ultrapuras, encontrándose los mismos resultados de separación y sensibilidad para los elementos investigados. La figura 9 muestra las señales de absorción de todos los elementos investigados después de haber realizado la separación cromatográfica de la matriz en una salmuera industrial. Las concentraciones de todos los elementos fueron 2 µg/ml y la señal de Na que se muestra en la figura 9 corresponde a la emisión de Na a 330 nm (línea menos sensible). Para los elementos investigados se encontraron similares tiempos de retención. Sólo diferencias menores en los tiempos de retención y forma de los peaks se encontraron entre los elementos analizados. Esto puede ser explicado, ya que los complejos metálicos de CDTA pueden presentan diferente estabilidad, de acuerdo a sus constantes condicionales [37] y polaridad, lo que lleva a una interacción diferenciada con el material C-18 de la columna de separación que se expresa finalmente en diferentes tiempos de retención.


Eliminación de las interferencias de la matriz mediante HPLC/HT-HHPN/FAAS

La aplicación del sistema de pretratamiento de muestras y nebulizador en línea (HPLC/HT-HHPN) permite la eliminación de las interferencias descritas anteriormente, ocasionadas por la alta concentración de matriz salina. Se investigó la influencia de la concentración de la matriz salina en la muestra, para lo cual se usaron salmueras con concentración creciente de NaCl (0 - 250 g/L) y adicionando 1,5µg/mL de Cd, Co, Cu, Mn y Ni. A las muestras fueron agregados 5 mM de CDTA y ácido nítrico hasta valor pH 3 (ver Tabla 2). La influencia de la concentración de NaCl en la muestra sobre la sensibilidad (área de la señal) en la determinación de los metales utilizando el sistema HPLC/HT-HHPN se muestra en la figura 10. Los valores informados corresponden al promedio de tres mediciones sucesivas. No se observa influencia de la matriz hasta una concentración de 250 g/L de NaCl en la salmuera. Debido a que además de separar los elementos traza de la matriz, también se eliminó esta antes de llagar al quemador, se pueden realizar sin problemas varios cientos de determinaciones sin que se produzcan efectos de acumulación de cristales en el quemador.


Por otro lado, los tiempos de retención en general no fueron afectados por la concentración salina de la matriz. Sólo en los casos del Cd y Mn se produjo una ligera variación de los tiempos de retención. Sin embargo este problema fue solucionado mediante la adición de un buffer en la muestra. Para el análisis de muestras con Mn(II) a pH 3 el buffer utilizado fue (citrato/ácido cítrico) y para Cd(II) a pH 2 se usó ácido acético. En la figura 11 son las señales de Mn(II) y Cd(II) en muestras con concentración creciente de NaCl (0 -250 g/L). La señal de emisión de Na (matriz) se muestra para la mejor apreciación de la separación cromatográfica de la matriz en cuyo análisis se deja pasar ésta al espectrómetro sin ser desviada mediante la segunda válvula. Después de la separación de la matriz no se aprecian efectos en la forma de la señal o sobre los tiempos de retención, siendo éstos reproducibles. La desviación estándar relativa (N=25) en la determinación de Cd(II), Co(II), Cu(II), Mn(II) y Ni(II) es alrededor de 1% (2 µg/mL en NaCl 250 g/L).


En la Tabla 3 se muestran la reproducibilidad relativa y los límites de detección alcanzados para estos metales pesados mediante HPLC/HHPN/FAAS en salmueras preparadas a 250 g/L de NaCl. Los límites de detección fueron mejorados a lo menos un orden de magnitud con respecto a los obtenidos por determinación directa con nebulización neumática (comparar con tabla N°1).


Debido a que después de la separación de la matriz, la concentración de NaCl que alcanza al quemador es ínfima, las curvas de calibración pueden ser realizadas tanto con muestras acuosas sin matriz como con salmueras de distinta concentración en NaCl. Las curvas de calibración en salmueras ultrapuras se muestran en figura 12, cuyas pendientes coinciden con las obtenidas usando estándares en agua. Los parámetros de las ecuaciones de calibración fueron los siguientes: Cu (11,473+449,081X), Co (3,037+291,301X, Mn (17,707+697,709X) y Ni (9,649+231,204X), siendo los coeficientes de linealidad para todos superior a 0,998 . Otros elementos como Cr(III) y Fe(III) pueden ser separados de la matriz por este nuevo método usando condiciones similares a las de Co(II), Cu(II) y Ni(II). Como actualmente no existe material de referencia de NaCl disponible para realizar una validación de la metodología desarrollada, se determinaron los factores de recuperación de los elementos investigados en salmueras de una planta de cloro soda de 200 g/L NaCl. Los factores de recuperación fueron: Cu (92%), Co (95%), Cd (98%), Mn (101) y Ni (99%). Estos factores de recuperación encontrados fueron considerados satisfactorios por tratarse de muestras de salmueras altamente concentradas. La bajos recuperación para Cu y Co pueden deberse a pérdida del elemento en el loop de la matriz, ya que el tiempo de inicio de su elución es muy próximo al tiempo de conmutación de la válvula 2 (ver figuras 6 y 9).


CONCLUSION

La implementación de este sistema integrado HPLC/HT-HHPN para la separación de la matriz, permitió el desarrollo de un método libre de interferencias para la determinación de metales pesados en salmueras industriales usando la espectrometría atómica con llama. Debido a la separación y eliminación de la matriz desde el sistema de flujo, además del uso de un nebulizador de alta eficiencia, fue posible mejorar los límites de detección en más de un orden de magnitud en comparación con la determinación directa y alrededor de 50 veces en comparación a la determinación convencional con dilución de las salmueras hasta 50 g/L de NaCl. Este método de pretratamiento en línea resultó ser además bastante rápido, ya que la separación de la matriz y la determinación se realizó en un tiempo inferior a 1 minuto. La utilización de un sistema de hartware/solfware de HPLC permite la fácil automatización del método y la óptima sincronización de todos los pasos del análisis. Este sistema tiene también una gran potencialidad de aplicación en otros tipos de muestras con matrices salinas, por ejemplo fertilizantes, minerales, materias primas, cerámicas, etc. Esta metodología está siendo investigada usando un espectrómetro simultáneo de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICP-AES) con le fin de hacer una determinación de varios elementos en una muestra en forma simultánea.

AGRADECIMIENTOS

Al Ministerio de Educación, Ciencias, Investigación y Tecnología de Alemania y al Ministerio de Ciencias e Investigación del Estado de North-Rhine-Westphalia por el financiamiento parcial de esta investigación. Financiamiento adicional fue aportado por el Servicio de Intercambio Académico (Deutscher Akademischer Austauschdienst, DAAD) mediante una beca de doctorado. Aportes de instrumental y materiales fueron obtenidos de Varian, Dr.Knauer, Heraeus, and Degussa, and Bodenseewerk Perkin Elmer, Überlingen, Alemania.

A la Dirección de Investigación de la Universidad de Concepción que financia parcialmente la realización y continuación de este trabajo en el Proyecto DIUC 99021011-1.0.

REFERENCIAS

1. Welz, B., "Atomabsorption-Spektrometrie", Verlag-Chemie, 1983, 3 Auflage, Kap.3, pp. 71-77; 40;        [ Links ]

2. Ortner, H.M., Fresenius J. Anal. Chem., 1992, 343, 695        [ Links ]

3. Posta, J., Berndt, H., Spectrochim. Acta, Part B, 1992, 47B, 993.        [ Links ]

4. Berndt, H., Müller, A., Fresenius J. Anal. Chem., 1993, 345, 18.        [ Links ]

5. Smith, T.R, Denton, M.B., Appl. Spectrosc., 1990, 44, 21.        [ Links ]

6. Sharp, B.L., J. of Anal. At. Spectrom., 1988, 3, (Part 1) 613, (Part 2) 939        [ Links ]

7. Gray, A.L., Spectrochim Acta, 1986, 41B, 151.        [ Links ]

8. Nebulizadores más eficientes afectan más a la fuente de ionización

9. Hansen, A.C., At. Apbsorption Newslett., 12, 125, 1973.        [ Links ]

10. Rubeska, I. and Moldan, B., Anal. Chim. Acta, 1967, 37, 421.        [ Links ]

11. Schaldach, G., and Berndt, H., Fresenius J. Anal. Chem., 1994, 350, 481.        [ Links ]

12. Koch, O.G. und Koch-Dedic, G.A., "Handbuch der Spurenanalyse", 2. Aufl., Vol.1, 1974, Springer-Verlag, Berlin.        [ Links ]

13. Mizuike, A., "Enrichment techniques for inorganic trace analysis", 1983, Springer-Verlag, Berlin.        [ Links ]

14. Tschöpel, P. und Tölg., G., J.Trace and Microprobe Techniques, 1982, 1, 1        [ Links ]

15. Sekine, T., Hasegawa, Y. "Solvent Extraction Chemistry: Fundamentals Application", 1977, Marcel Dekker, NY.        [ Links ]

16. Burba, P. und Lieser, K.H., Fresenius J. Anal. Chem., 1992, 297, 374.        [ Links ]

17. Burba, P. und Willmer, P.G., Vom Wasser, 1982, 58, 43.        [ Links ]

18. Jackwerth, E. und Berndt, H., Fresenius J. Anal. Chem., 1978, 290, 369.        [ Links ]

19. Vanderborght, B.M., van Grieken, R.E., Int. J. Environ. Anal. Chem., 1978, 1, 221.        [ Links ]

20. Mikuike, A., "Enrichment techniques for inorganic trace analysis". 1983, Springer-Verlag, Berlin.        [ Links ]

21. Wang, X., Barnes, R.M., J. Anal. Atom. Spectroscopy, "1989, 4, 509.        [ Links ]

22. Burguera, J.L., "Flow Injection Atomic Spectroscopy," Vol.7, 1990, Springer-Verlag, Berlin.        [ Links ]

23. Cardonell, V., Salvador, A. und de la Guardia, M., Fresenius Z. Anal. Chem., 1992, 342, 529.        [ Links ]

24. Ivanova, E., Schaldach, G. und Berndt, H., Fresenius J. Anal. Chem., 1992, 342, 47.        [ Links ]

25. Berndt, H., GIT, Fachzeitschrift für das Laboratorium, 1995, 39, 100.        [ Links ]

26. Berndt, H., Müller, A. und Schaldach, G., Fresenius J. Anal. Chem., 1993, 346, 711.        [ Links ]

27. Schaldach, G., and Berndt, H., Fresenius J. Anal. Chem., 1994, 350, 481.        [ Links ]

28. Berndt, H. und Schaldach, G., J. Anal. Atom. Spectroscopy, 1994, 9, 39.        [ Links ]

29. Berndt, H., Yáñez, J., Fresenius J. Anal. Chem., 1996, 355, 555.        [ Links ]

30. Jakubowski, N., Feldmann, I., Stuewer, D. und Berndt, H., Spectrochim. Acta, 1992, 47B, 119.        [ Links ]

31. Posta, J., Berndt, H., Luo, S.K. und Schaldach, G., Anal. Chem., 1993, 65, 2590.        [ Links ]

32. Luo, S.K., Berndt, H., Fresenius J. Anal. Chem., 1998, 360(5), 545.        [ Links ]

33. Berndt, H., Yáñez, J., J. Anal. Atom. Spectroscopy, 1996, 11, 703.        [ Links ]

34. Yáñez, J., "Hochtemperatur-Hydraulische Hochdruckzerstäubung (HT-HHPN): Ein neues Zerstäubungsprinzip zum Eintrag flüssiger Proben in der Atomspektrometrie", Ph.D. Thesis, April 1997, University of Kassel, Germany.        [ Links ]

35. Fries, J. & Getrost, H., "Organische Reagenzien für die Spurenanalyse", 1975, E. Merck, Darmstadt.        [ Links ]

36. Schürmann, M., "Kopplung der AAS mit Hochdruckzerstäubung zur Messung komplexer Matrices", Title Thesis, October 1994, Fachhochschule Münster, Germany.        [ Links ]

37. J. Byerrum, G. Scharzenbach, L. Sillén, "Stability Constants of Metals-Ion Complexes, Part I", 1957, The Chemical Society, London.        [ Links ]

Creative Commons License Todo o conteúdo deste periódico, exceto onde está identificado, está licenciado sob uma Licença Creative Commons