metodos analitico

CIENCIA UANL / VOL. IV, No. 4, OCTUBRE-DICIEMBRE 2001420

* Facultad de Ciencias Qumicas, UANL.** INDEQUIM, S.A. de C.V.

Mtodo analtico para detectarhidrocarburos aromticospolicclicos en agua potable

Nora Emma Daz Moroles*, Juan Manuel Alfaro Barbosa*, Humberto Garza Ulloa**

L os hidrocarburos aromticos policclicos(HAPs) se generan como productos al que-mar combustibles fsiles y material orgni-co1. Las principales fuentes incluyen emisiones de laquema de carbn y madera, emisiones de autom-viles, plantas generadoras de energa y quema dedesperdicios. Los HAPs se encuentran en una granvariedad de alimentos y son componentes significa-tivos del humo del tabaco2. A nivel mundial hay es-tudios que revelan su presencia en aire3,4, agua5,suelos6, alimentos7 y cosmticos8. En Mxico se hanhecho estudios en sedimentos de la costa de Tabas-co9.

Los HAPs se encuentran en la lista de contami-nantes prioritarios debido a sus propiedadescarcinognicas y mutagnicas en general, aunquesu propiedad carcinognica vara de un compuestoa otro. Por ejemplo, el benzo(a)pireno se consideraun potente carcingeno, el criseno se consideramenos carcingeno y el naftaleno es no carcinge-no.

Se consideran carcingenos: Benzo(a)pireno,Benzo(a)antraceno, Benzo(b)fluoranteno, Benzo(k)fluoranteno, Criseno, Dibenzo(a,h)antraceno y elIndenopireno.

Se consideran no carcingenos: Acenafteno,Antraceno, Fluoranteno, Fluoreno, Naftaleno yPireno.

La Comisin Nacional del Agua10 (CNA) clasifi-ca a los parmetros indicativos de la calidad delagua en inorgnicos, orgnicos, fsicos y microbio-lgicos. Dentro de los parmetros orgnicos se in-cluyen tres Hidrocarburos Aromticos Policclicos queson: Acenafteno, Fluoranteno y Naftaleno.

Para este trabajo es de inters el agua potable,segn la Ley Federal de Derechos en Materia de

Agua, publicada por la CNA en febrero de 1998,los lmites mximos permitidos son 0.02 y 0.04 mg/L para acenafteno y fluoranteno respectivamente,(para el naftaleno no especifica el lmite); por lo cuales importante desarrollar un mtodo de anlisis qu-mico que permita cuantificar esos bajos niveles deconcentracin y preferentemente valores inferioresa ellos.

El anlisis de contaminantes orgnicos en aguaa niveles de trazas requiere el empleo de instrumen-tacin analtica avanzada, y el reto consiste precisa-mente en desarrollar mtodos analticos que renanlas cualidades de ser confiables, reproducibles, ysobre todo sensibles, es decir, que permitan alcan-zar los niveles de deteccin y cuantificacin lo msbajo posible, tratando de que stos sean inferioresa los que marque la normatividad. En Mxico noexiste una metodologa oficial de anlisis para losPAHs, pero en Estados Unidos de Amrica la Agen-cia de Proteccin Ambiental (EPA) incluye el anlisisde estos compuestos en el mtodo 525, que es parala determinacin de compuestos orgnicos en aguapotable mediante Cromatografa de Gases11; y enel mtodo 550 de la EPA, que es para HAPs en aguapotable mediante Cromatografa de Lquidos.

Metodologa

Se desarroll un mtodo analtico para la determi-nacin de hidrocarburos aromticos policclicos enagua potable, utilizando como tcnica analtica laCromatografa de Gases Capilar con deteccin por

CIENCIA UANL / VOL. IV, No. 4, OCTUBRE-DICIEMBRE 2001 421

NORA EMMA DAZ MOROLES, JUAN MANUEL ALFARO BARBOSA, HUMBERTO GARZA ULLOA

Espectrometra de Masas, (CGC/EM).

Criterios utilizados en la seleccindel mtodo analtico

En la actualidad la Cromatografa de Gases es unade las tcnicas analticas ms ampliamente utiliza-das en el monitoreo ambiental y, en combinacincon el detector de Espectrometra de Masas, consti-tuye una herramienta esencial en el anlisis de es-pecies orgnicas en agua12.

El espectrmetro de masas es el mejor detectorque se puede acoplar con el cromatgrafo de ga-ses, ya que presenta las ventajas de ser sensible yespecfico en la identificacin de sustancias desco-nocidas o en la confirmacin de presencia de com-puestos. Su alta sensibilidad resulta de la accin delanalizador que acta como filtro de masas, redu-ciendo as la interferencia de fondo, adems, la altasensibilidad de los multiplicadores de electronespermiten amplificar la seal hasta en una potenciade 106. La excelente especificidad en la identifica-cin es el resultado de los patrones de fragmenta-cin caractersticos que proporcionan informacinacerca de la masa y la estructura molecular13.

Otra ventaja importante del detector basado enla espectrometra de masas consiste en la posibili-dad de identificar y cuantificar dos sustancias, aun ycuando eluyan juntas14. El acoplamiento CG/EMinici15 en 1960.

La figura 1 muestra un esquema de los compo-nentes de un instrumento CGC/EM.

Para la identificacin de los componentes de lamuestra se comparan los espectros de masas obte-nidos con los espectros de masas almacenados en

Fig. 1. Esquema del sistema CGC/EM.

una biblioteca de espectros. Esta operacin es sloposible utilizando un software basado en algoritmosmatemticos, que calculan el porcentaje de seme-janza entre los patrones de fragmentacin de losespectros de masas. En este trabajo se emplea labase de datos Wiley Library16, que es la que incluyeun mayor nmero de espectros, la sexta edicin deesta biblioteca ofrece 275 000 espectros.

Extraccin y concentracin de HAPs

Se realizaron procedimientos de extraccin de HAPsde estndares, para ello se utiliz la tcnica de ex-traccin en fase slida (SPE) en su modalidad dediscos y tubos SPE, se usaron fases C18. La elucinde los compuestos orgnicos se llev a cabo concloruro de metileno y la concentracin por mediode la tcnica KudernaDanish, que presenta la ven-taja de reducir significativamente el volumen de lossolventes empleados para la preparacin de mues-tras, lo cual representa una mejora ambiental.

Se prepararon soluciones primarias de 16 HAPsa partir de estndares certificados, las cuales sirvie-ron para la preparacin de las soluciones secunda-rias. Adems se prepararon soluciones de estndarinterno (naftaleno d-8) y surrogados (nitrobencenod-5 y 2,4,6 tribromofenol). La optimizacin del de-tector se llev a cabo con una solucin de PFTBA(perfluorotributilamina) por autoinyeccin y se cali-br con DFTPP (decafluorotrifenilfosfina). Para ob-tener la curva de calibracin se prepararon por tri-plicado disoluciones a cinco niveles de concentra-cin y tres blancos. Se emple un Cromatgrafo deGases Hewlett Packard modelo G1800 A conautomuestreador y detector de espectrmetro demasas de cuadrupolo. La tabla 1 muestra las condi-ciones de operacin ptimas para el anlisis dePAHs, mediante CGC/EM, incluye el tipo de colum-na empleada, el programa de temperatura, el tiem-po de corrida, gas acarreador utilizado y su veloci-dad de flujo, el volumen de inyeccin y el intervalode masas.

CuantificacinSe emple la tcnica de estndar interno.

Evaluacin del desempeodel mtodo analtico

Se determinaron los siguientes parmetros estads-


MTODO ANALTICO PARA DETECTAR HIDROCARBUROS AROMTICOS POLICCLICOS EN AGUA POTABLE

ticos, que definen el alcance y la calidad de los re-sultados obtenidos bajo las condiciones operativasdel mtodo aqu desarrollado.

Intervalo de trabajoLinealidadPrecisinLmite de deteccinLmite de cuantificacinExactitud

Resultados

Se obtuvieron los cromatogramas que muestran laseparacin de los 16 HAPs, los surrogados y el es-tndar interno, la tabla 2 muestra los tiempos deretencin de uno de los cromatogramas obtenidos.En la figura 2 se presenta un espectro de masas deuno de los 16 analitos, el benzo(k)fluoranteno.

Los espectros de masas de cada analito se com-pararon con los espectros de la base de datos parasu identificacin.

Para la validacin instrumental del mtodocromatogrfico se manejaron cinco niveles de con-centracin por triplicado y tres blancos.

Para evaluar el desempeo del mtodo aqu de-sarrollado, se obtuvieron los datos para las 3 cur-vas de calibracin para cada uno de los 16 analitos.

Tabla I. Condiciones de operacin del CGC/EM

HP G1800A

HP 6890

Espectrmetro de masas de

cuadrupolo

Supelco PTE-5, poli 5% difenil

95 % dimetilsiloxano 30 m x

0.25 mm D.I. X 0.25 m film

40C-4 min, rampa 10C/min

hasta 300C.

35 minutos

He 1 ml/min

1 L, splitless

30-450 m/z.

Cromatgrafo

de gases

Automuestreador

Detector

Columna

Programa

de temperatura

Tiempo de corrida

Gas

Volumen

de inyeccin

Intervalo de masas

Tabla II. Tiempos de retencin de los 16 HAPs, estndarinterno y surrogados. Datos de un cromatograma

Nitrobenceno d-5 (estndar surrogado)

Naftaleno d-8 (estndar interno)

Naftaleno

Acenaftileno

Acenafteno

Fluoreno

2,4,6 Tribromofenol (estndar surrogado)

Fenantreno

Antraceno

Fluoranteno

Pireno

Benzo(a)antraceno

Criseno

Benzo(b)fluoranteno

Benzo(k)fluoranteno

Benzo(a)pireno

Indeno(1,2,3-cd)pireno

Dibenzo(a,h)antraceno

Benzo(g,h,i)perileno

Compuesto Tiempo deretencin (min)

11.18

12.72

12.76

16.47

16.91

18.10

18.75

20.32

20.42

23.12

23.62

26.48

26.57

28.87

28.93

29.51

31.85

31.92

32.45

Fig.2. Espectro de masas para el benzo(k)fluoranteno

La figura 3 muestra la curva promedio de calibra-cin para el benzo(k)fluoranteno. Los resultados dela evaluacin del desempeo inicial del mtodo seresumen en la tabla 3.

Discusin de resultados

Los intervalos de trabajo se establecen de maneraindividual para los 16 analitos y los valores obteni-


Fig. 3. Curva de Calibracin del Benzo(k)fluoranteno.

dos se muestran en la tabla 3, por ejemplo, para elnaftaleno el intervalo de trabajo es de 5.21 a 26.06mg/L; en general se puede decir que los intervalosde trabajo para los 16 analitos oscilan entre 5 y 25mg/L.

Se asume linealidad cuando la desviacin estn-dar relativa del conjunto de los Factores de Calibra-cin en el intervalo de trabajo es menor de 20%,segn los criterios de aceptacin establecidos porla Agencia de Proteccin Ambiental de Estados Uni-dos de Amrica (US EPA). Para esta validacin, entodos los casos se cumple la condicin de linealidad.El mnimo valor obtenido fue de 1.91 para elbenzo(k)fluoranteno y el mximo valor obtenido fuede 8.54 para el benzo(g,h,i)perileno.

La precisin expresada como porcentaje de co-eficiente de variacin (%CV) debe ser menor que15 %, (US EPA). De acuerdo a este criterio de acep-tacin en esta validacin en todos los analitos secumple dicha condicin, ya que se obtuvieron valo-res de 1.10 % CV para el naftaleno y el acenafteno,que fueron los ms bajos, y el ms alto fue para elIndeno(1,2,3-cd)pireno con 11.18 % CV.

El Lmite de Cuantificacin debe ser menor queel nivel 1 de la curva de calibracin, (US EPA). Entodos los casos (16 HAPs) esto se cumple.

Conclusiones

Con varias corridas de prueba se lograron determi-nar las condiciones ptimas para el anlisis porCGC/EM.

Se logr mejorar el tiempo de anlisis para HAPsreportado hasta el momento por Cromatografa deGases, ya que una publicacin reciente17 separa alos 16 compuestos en 54 minutos y a temperaturaprogramada, pero usa un detector de ionizacin deflama.

En este estudio tambin se trabaj a temperatu-ra programada, pero con un detector de espectro-metra de masas y se logr la separacin en menosde 35 minutos, el analito nmero 16 tiene un tiem-po de retencin de 32.45 minutos.

La evaluacin del desempeo inicial del mtodoanaltico propuesto (Validacin Instrumental) permitivalidarlo satisfactoriamente, ya que se determina-ron para cada HAP su rango de trabajo, sus lmitesde deteccin y cuantificacin, su precisin y lineali-dad dentro de los criterios de aceptacin estableci-dos por la EPA.

Los rangos de trabajo que se manejaron paralas curvas de calibracin de los 16 analitos se esta-blecen en mg/L (ppm), pero con el procedimientode tratamiento de muestra, donde un litro se con-centra a un mililitro, es posible cuantificar muestrascon niveles de concentracin en general de 5 a 25g/L (0.005 a 0.025 mg/L). Esto permite cuantificarconcentraciones inferiores a las que marca la CNApara el acenafteno (0.02 mg/L) y fluoranteno (0.04mg/L).

Se utiliz el procedimiento de extraccin SPE endisco y en tubo, que evita el consumo excesivo dedisolventes y por lo tanto se generan menos resi-duos de laboratorio, contribuyendo de esta forma ala conservacin del medio ambiente.

Por las ventajas del mtodo analtico desarrolla-do en este trabajo, se propone utilizarlo para la eta-pa de medicin instrumental de HAPs en agua po-table. La propuesta formal de este mtodo a la CNA(NMX AA116 SCFI-2001) deber incluir la metodo-loga para el tratamiento de muestra, la cual est enproceso de validacin.

Resumen

Los Hidrocarburos Aromticos Policclicos (HAPs) tie-nen propiedades carcinognicas y mutagnicas. Segeneran al quemar combustibles fsiles y materialorgnico. En Mxico estn regulados los niveles dealgunos de los HAPs en agua, pero no existe unametodologa oficial de anlisis. Se presenta un m-todo para el anlisis de HAPs en agua potable me-diante Cromatografa de Gases Capilar con detec-tor de Espectrometra de Masas (CGC/EM). Se es-tablecieron las condiciones ptimas de operacindel CGC/EM y se evalu el desempeo inicial delmtodo. Se presentan los resultados. El tratamientode la muestra emplea Extraccin en Fase Slida (EFS)



5.21 26.06

5.22 26.09

5.37 26.86

5.48 27.73

5.24 26.18

5.27 26.33

5.18 25.88

5.27 26.33

5.66 28.27

5.51 27.55

5.28 26.40

4.92 19.68

10.92 27.29

10.81 27.03

5.45 27.25

5.54 27.72

Tabla III. Resultados de la validacin instrumental para los 16 HAPs estudiados

Analito Intervalo detrabajo mg/L

DER de FC Precisin%CV

Lmite deDeteccin

mg/L

Lmite deCuantificacin

mg/L

Coeficientede correla-

cin

0.9914

0.9881

0.9879

0.9856

0.9855

0.9842

0.9834

0.9806

0.9844

0.9807

0.9839

0.9980

0.9727

0.9774

0.9853

0.9818

1.07

0.91

2.55

2.03

1.93

2.53

3.25

3.86

4.37

5.47

4.97

0.78

10.39

5.39

2.64

3.27

0.36

0.31

0.85

0.68

0.64

0.84

1.08

1.29

1.46

1.82

1.66

0.26

3.46

1.80

0.88

1.09

1.10

1.20

1.10

1.22

1.17

1.27

1.45

1.57

2.24

2.56

4.96

5.89

6.06

11.18

8.74

8.14

8.19

6.47

7.51

7.38

7.23

7.99

7.49

7.98

6.64

7.10

7.64

1.91

6.12

5.54

8.24

8.54

Naftaleno

Acenaftileno

Acenafteno

Fluoreno

Fenantreno

Antraceno

Fluoranteno

Pireno

Benzo(a)antraceno

Criseno

Benzo(b)fluoranteno

Benzo(k)fluoranteno

Benzo(a)pireno

Indeno(1,2,3-cd)pireno

Dibenzo(a,h)antraceno

Benzo(g,h,i)perileno

DER de FC = Desviacin Estndar Relativa de los Factores de Calibracin.

y concentracin con Kuderna-Danish.

Palabras clave: PAH, HAPs, Hidrocarburos Arom-ticos Policclicos, Polinucleares, Contaminantes delagua.

Abstract

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) havecarcinogenic and mutagenic properties. They areformed as products of combustion of fossil fuels andother organic matter. In Mexico the maximumpermissible concentration levels have beenestablished for some PAHs in water, but there is noofficial methodology for PAHs analysis yet. Wepresent a method for PAHs analysis in drinking waterby Capillary Gas Chromatography with MassSpectrometric detection (CGC/MS). We establishedthe optimal conditions of CGC/MS operation andevaluated the initial performance of the method. Here

the results are presented. The sample preparationinclude Solid Phase Extraction (SPE) and enrichmentof PAHs in Kuderna-Danish.

Keywords: PAH, PAHs, Polycyclic AromaticHydrocarbons, Polynuclear, Water pollution.

Agradecimientos

A SIREYES por el apoyo financiero al proyecto 970-406035. A PAICYT por el apoyo al proyecto CA 209-99. A la UANL y a la empresa Investigacin y Desa-rrollo Qumico, S.A. de C.V. por las facilidades otor-gadas.

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MTODO ANALTICO PARA DETECTAR HIDROCARBUROS AROMTICOS POLICCLICOS EN AGUA POTABLE


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