QUIMICA ANALITICA APLICADADepartamento de Qumica Analtica y Tecnologa de AlimentosTEMA 2.- Toma de muestras Requisitos bsicos del muestreo. Plan de muestreo. Conservacin y transporte de las muestras. Errores en el muestreo. Almacenamiento de la muestra. Manual de muestreo y registro en el laboratorio. Preparacin de la muestra para el anlisis

OPERACIONES MAS IMPORTANTES EN EL MUESTREO Y TRATAMIENTO DE LA MUESTRA

PROBLEMAPLANTEAMIENTO DELPROBLEMA ANALITICOSELECCIN DEL METODOREALIZACION DE LAS MEDIDASDISEO DELPLAN DE MUESTREOTOMA DE MUESTRAINTERPRETACIONDE LOS RESULTADOSETAPAS IMPLICADAS EN UN ANALISISTRATAMIENTO DELA MUESTRAMUESTREO

CALIDAD EN LA TOMA Y TRATAMIENTO DE LA MUESTRA MUESTREO Proceso de seleccin de una porcin de material que represente o proporcione informacin sobre el sistema en estudio (poblacin). Concepto amplio : Recogida de la muestra. Conservacin. Reduccin del tamao de partcula. Homogeneizacin. Submuestreo. Uno de los aspectos mas importantes para obtener resultados de calidad en un anlisis es disponer de una muestra que represente el lote que se va a analizar . Es fundamental conocer e identificar los errores que se pueden cometer en el proceso y durante la manipulacin de la muestra hasta que llega al laboratorio. La mayora de las tcnicas analticas requieren disponer de la muestra en disolucin, por lo que abordaremos los tratamientos qumicos mas importantes y los posibles errores que se puedan cometer para obtener una disolucin que represente a la muestra. (tratamiento de la muestra). ETAPAS DEL MUESTREO

Identificacin de la poblacinToma de una muestra brutaReduccin demuestra bruta a muestra de laboratorio

CARACTERISTICAS DE LAS MUESTRAS Composicin media repre-sentativaLa composicin de la muestra de laboratorio debe ser igual que la muestra analtica Varianza representativaLa varianza de la concentracin de la muestra analtica debe ser igual a la de la muestra originalError en el muestreo Debe ser menor o igual que el del procedimiento analtico TOMA DE MUESTRA : Proceso de obtencin de muestrasINCREMENTOPorcin de material obtenida en una operacin individual de toma de muestraMUESTRA PRIMARIAConjunto de uno o ms incrementos que se obtienen directamente de una poblacinMUESTRA DE LABORATORIOCantidad de material que llega al laboratorio para ser analizadaMUESTRA ANALITICAObtenida a partir de la muestra de laboratorio, y de la que se extraen las porciones analticasPORCIN ANALITICACantidad de material obtenido de la muestra analtica para la medidaMUESTRAFraccin de una cantidad mayor de un material , obte-nida para que represente y proporcione informacin del mismoREQUISTOS BSICOS DEL MUESTREO

REQUISITOS DEL PLAN DE MUESTREO Informar sobre la naturaleza de la muestra y su matriz Informar sobre la instrumentacin a utilizar en el muestreo Conocer el grado de homogeneidad de la muestra Indicar el numero de submuestras necesarias para una exactitud determinada Presentar un esquema sobre las precauciones a seguir en la preparacin de la muestra PLAN DE MUESTREO Procedimiento para seleccionar, extraer, conservar, transportar y preparar las porciones a separar de la poblacin en calidad de muestras. El proceso de muestreo debe estar planificado, detallado y escrito y el plan de muestreo debe incluir: Donde realizar la toma de la muestra Quien tiene que realizar la toma de la muestra Que procedimiento debe seguirse en la toma de la muestraPLAN DE MUESTREO

TIPOS DE MUESTRAS Representativa: composicin y propiedades similares al conjunto de la muestra. Selectiva: obtenida en el muestreo de determinadas zonas. Sistemtica: obtenida segn un procedimiento sistemtico. Aleatoria: obtenida al azar. Compsita : formada por dos o mas submuestras TIPOS DE MUESTREO Intuitivo: Basado en la experiencia en algn tipo particular de muestra Estadstico: Mediante un modelo estadstico previamente validado Sistemtico: Siguiendo un protocolo en el que se especifica: tipo, tamao, frecuencia, periodo del muestreo y lugarMUESTRAS Y MUESTREO

TECNICAS DE MUESTREO En la planificacin del muestreo , han de considerarse los siguientes aspectos: Cuando, donde y como recoger la muestra Equipos de muestreo : mantenimiento y calibracin Contenedores de la muestra : limpieza , adicin de estabilizantes y conservacin Transporte de la muestra Pretratamiento de la muestra : secado, homogeneizacin y manejo de la muestra Submuestreo Sistema informativo en el laboratorio Seleccin de los puntos y tiempos de muestreo : Se toman incrementos de muestra en puntos preseleccionados al azar, siguiendo un programa de muestreo, en el que se incluyan estos puntos.

Representatividad de la muestra La concentracin de los analitos en la muestra obtenida debe ser idntica a la concentracin en la muestra real en la posicin y tiempo en la que se ha realizado el muestreo y que esta no vare hasta la ejecucin de los anlisis. Etiquetado de la muestra Las muestras se etiquetan en el momento en que son tomadas con la siguiente informacin: Persona que realiza el muestreo Da , hora y lugar Informacin sobre la metodologa seguida Incidencias durante el muestreo. Subdivisin de la muestra La muestra bruta obtenida resulta de la mezcla de un cierto nmero de unidades de muestreo (incrementos). El nmero de unidades de muestreo depende mas de : Tamao de las partculas Grado de heterogeneidad del material Exactitud requerida en los resultados de la cantidad de muestra sometida al muestreo, ,por lo que esta se somete a un proceso de subdivisin.TECNICAS DE MUESTREO

La estadstica de muestreo se basa en el principio de que : Todas las partculas o porciones del material , deben tener la misma probabilidad de ser tomadas y es vital para la obtencin de una muestra de la forma mas sencilla y representativa posible.Analizando la varianza de las medidas en las muestras y la varianza del mtodo aplicado se pueden plantear las siguientes situaciones Ambas varianzas no son significativas y son conocidasMedir una sola muestraVarianza de la medidasignificativa y conocidaUna medida de lamuestra representativaVarianza de la muestra significativa y desconocidaUn anlisis por muestraen una serie de muestrasAmbas varianzas son significativas Mltiples muestras y varias medidas en cada muestraESTADISTICA DE MUESTREO

PLAN ESTADSTICO DE MUESTREOPara elloEl plan debe considerar Los lmites de confianza de la propiedad determinadade la media de la poblacin. El intervalo de tolerancia para un porcentaje dado. Mnimo nmero de muestras para establecer los intervalos anteriores con un nivel de confianza dados La muestras se tomaran de forma aleatoria Cada muestra o cada incremento deben ser independiente entre s Debe conocerse el tipo de distribucin de los deter-minandos en la muestra (generalmente Gaussiana)Nmero de muestras y/o medidas para limitar la incertidumbre Suponiendo una distribucin gausiana, la incertidumbre total (z = 1,96=2) para un nivel de confianza del 95 %, podemos encontrarnos con tres situaciones:A) La desviacin estndar de la muestra es despreciableNA = (z A / EA)2NA = mnimo nmero de medidasA= desviacin estndar de la medidaEA = error absolutoSi NA es muy grande-se mejora la precisin-se utiliza otro mtodo-se acepta mayor nivelde incertidumbre B) La desviacin estndar del mtodo es despreciableNS = (z S / ES)2NS = mnimo nmerode muestrasS= desviacin estndardel mtodoES = error absolutoSi NS es muy grande-se utiliza mas muestra-muestras compositas-se acepta mayor nivelde incertidumbre C) Ambas desviaciones son significativasET = ( S2 / NS+ S2 /NS NA)Si S y A son bajas, tambin lo sern el nmero de medidas y de muestras. Para un mnimo error, existen varios valores de NA y NS por lo que habr que llegar a una solucin de compromiso.

TAMAO DE LOS INCREMENTOS DE UNA MUESTRA BIEN MEZCLADACuanto mayor es el tamao de la muestra (poblacin), menor es la variabilidad entre los incrementos

KS = Constante de muestreo (1 % de incertidumbre con un 68 % de confianza)W = Peso de la muestra analizadaR = desviacin estndar relativa de la muestraEvaluado KS se puede calcular el mnimo peso requerido para una desviacin relativa mxima TAMAO DE MUESTRA PARA MATERIALES SEGREGADOSLa varianza del muestreo viene dada por la expresin de Visman

B = Componente de segregacinZS = Grado de segregacin

Si ZS >0.05 se cometern grandes errores en la estimacin de SSKS= W R2Ss2 = A/Wn + B/n

A = WL WS(SL2 - SS2)/( WL- WS)

B = SL A/WLZS = B/APLAN ESTADSTICO DE MUESTREO

TRANSPORTE Y CONSERVACION DE LA MUESTRA PRECAUCIONES EN EL TRANSPORTE Evitar la exposicin a humedades extremas y mantenerlas a 4 C. Las muestras biolgicas o de alimentos es necesario transportarlas congeladas

PRECAUCIONES PARA LA CONSERVACION Reducir los riesgos de alteraciones por contacto con la atmsfera, absorcin y oxidacin Evitar su exposicin al aire ya la luz y su manipulacin Los slidos se mantienen secos eliminando el agua en una estufa Las muestras biolgicas se congelan en nitrgeno lquido o se liofilizan El tratamiento de los lquidos depende del tipo de anlisis

ERRORES EN EL MUESTREOERRORES EN EL MUESTREOPor perdida de analitos Adsorcin por las paredes del recipiente o superficie de las herramientas En procesos de secado, evaporacin y mineralizacin Salpicaduras en el proceso de agitacin y preparacin de la muestra Variacin en la composicin qumica de la muestra Perdida o adsorcin de agua Procesos de hidrlisis Procesos de oxidacin Procesos de fermentacin o microbiolgicos Contaminacin Debida al medio ambiente, a la operacin de muestreo y a quien toma la muestra

Tabla 1.-Niveles de elementos traza en el aire del laboratorio y en diversas sustancias IONAIREgAIRE FILTRADOg/gHUMOg/gCOSME-TICOSg/gSUDORg/gAl30006.00---As55

ALMACENAMIENTO DE LA MUESTRA Las muestras se almacenan por dos motivos: Porque su anlisis no va a ser inmediato Para guardar un duplicado con el fin de hacer un chequeo de los resultados obtenidos en los anlisis iniciales

Para conservar las muestras durante largos periodos de tiempo en sus recipientes es recomendable: Que el aire contenido en el espacio libre del recipiente sea mnimo Que el material sea hidrfobo Que su superficie sea lisa y no porosa

Los materiales utilizados para almacenar las muestras son de tres tipos : Polimeros ( tefln, polietileno, polipropileno, plexigls y goma de silicona ) Vidrios (cuarzo sinttico y borosilicato de vidrio) Metales (papel de aluminio, platino y titanio de elevada pureza)

MANUAL DEL MUESTREO Y REGISTRO EN EL LABORATORIO Las muestras se etiquetan con la siguiente informacin : Numeracin de la muestra Descripcin del material Lugar de muestreo Fecha y hora del muestreo Muestreador y mtodo de muestreo Informacin adicional (pH, temperatura, etc.)

Esta informacin se registra en el laboratorio junto otra adicional: Smbolo de la muestra Naturaleza de la muestra Anlisis requeridos Lugar y condiciones de conservacin Entidad que solicita los anlisis

La preparacin de la muestra es un proceso muy elaborado y en el se incluyen todos las etapas que se muestran en la tabla. Esta preparacin es muy diferente y depende del estado de agregacin de la muestraPREPARACION DE LA MUESTRA PARA EL ANALISIS

MUESTRA BRUTASLIDALQUIDAGASEOSATratamiento muestra brutaSecado Divisin PulverizacinHomogenizacinObtencin Presin muestraSeparacin de fases Sin cambio qumico Con cambio qumico Fase slida Fase gaseosa

AdsorcinAdsorbentes lquidosAdsorbentes slidosHomogeneizacin Mezcla en centrfuga Pruebas de homogeneidadPreconcentracin PrecipitacinSubmuestreo Por pesadaSubmuestreoPor pesada o volumen

Teniendo en cuenta el elevado nmero de matrices posibles a analizar, es imposible dar un esquema detallado de los procedimientos operativos y riesgos de error para cada una de las muestras. Los pasos mas significativos son : Secado de las muestras slidas y puesta en disolucin de la muestraPREPARACION DE UNA MUESTRA SLIDA: SECADO Secado de la muestra Se lleva a cabo antes de la homogeneiza-cin de la muestra slida o de la medida instrumentalSecado en horno : Se introduce la muestra en el horno controlando adecuadamente la tempe-ratura y el tiempo. Temperaturas altas descomponen la muestra y producen perdidas de elementos. Temperaturas bajas exponen la mues-tra a posibles contaminaciones Liofilizacin Consiste en secar la muestra a vaco abajas temperatura

Tabla 4.- Perdida de elementos en el secado en hornoElementoMatrizTemp.Tiempo(horas)Prdida(%)CdHigado110161CoOstras1102414CrSangre120163FeOstrasSangre110110161653HgPlanktonHigadoMusculo608012050722460521PbOstras1204820MnOstras1104814ZnOstras110249

PREPARACION DE UNA MUESTRA SLIDA: DISOLUCINDISOLUCION DE LA MUESTRAVIA SECAMineralizacin en plasmas de oxigeno a bajas temperaturasMineralizacin a elevada temperatura (horno)Combustin en frasco deOxigeno (Frasco Schniger)Tcnicas de fusin (Disgregacin)VIA HUMEDA Es la etapa previa a la mayora de los anlisis y consiste en convertir los analitos en una forma qumica para que permanezcan estables en disolucin. En la mayora de los casos el proceso implica la eliminacin de la materia orgnica por conversin en compuestos voltiles. Se lleva a cabo por va seca o por va hmeda

DISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA SECA MINERALIZACIN A ELEVADAS TEMPERATURAS Se basa en someter la muestra a la accin de temperaturas elevadas durante cierto tiempo La temperatura debe seleccionarse de manera que permita una mineralizacin eficaz sin perdidas de analitos por volatilizacin Ciertas muestras requieren la adicin de agentes estabilizantes para evitar la perdida por volatilidad de analitos voltilesSe pueden perder elementos como: Ag, As, Cr, Hg, I, K, Na, Pb, Sb, Se, Sn y Te COMBUSTIN EN FRASCO DE SCHNIGER Se basa en la volatilizacin cuantitativa de los elementos de inters de la muestra y posterior recuperacin de sus productos gaseosos por adsorcinSe recuperan elementos como: F, Cl, Br, I, S, Se, P, As, Hg, Cu, Cd, Zn, Al, Ba,

MINERALIZACIN EN PLASMA DE O2 A BAJAS TEMPERATURAS Se basa en la capacidad del oxigeno excitado , obtenido al pasar una corriente de oxigeno a bajas presiones a travs de un campo de radiofrecuencia, de oxidar a la muestra al incidir sobre ella a temperaturas inferiores a 200 C Presenta el inconveniente de poca capacidad de muestras y largos periodos de tiempo no se volatilizan elementos como : As, Cd, Sb, Pb, B y Ge TECNICAS DE FUSIN O DISGREGACIN Se usan para transformacin de sales insolubles en cidos como silicatos, ciertos xidos minerales y algunas aleaciones de hierro, en otras solubles en cidos mediante mezclado con una cantidad elevada de una sal de metal alcalino (fundente) y fusin de la mezcla a elevada temperatura (de 300 a 1200C).DISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA SECA

Tipos de fundentes (1) Carbonato sdico (carbonato potsico): Descompone silicatos y muestras que contienen slice, almina, sulfatos, xidos refractarios, sulfuros y fosfatos poco solubles al calentar a 1000-1200C.CaSiO3 (insoluble)+Na2CO3Na2SiO3(soluble)+CaCO3 (sol. en cidos) Los cationes se transforman en carbonatos u xidos solubles en cidos. Los no metales se transforman en sales sdicas solubles. Normalmente se emplean crisoles de Pt Carbonato sdico ms un agente oxidante (KNO3, KClO3 o Na2O2 ) Muestras que contienen S, As, Sb, Cr, etc, y que requieren un medio oxidante. Temperatura de fusin de 600-700C. Crisoles de Ni o Pt (no con Na2O2). Hidrxido sdico o potsico: Fundente bsico enrgico para silicatos, carburo de silicio y ciertos minerales. Temperatura de fusin ms baja que con carbonatos. Crisoles de Au, Ag o Ni. DISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA SECA : FUSIN

Tipos de fundentes (2) Perxido de sodio: Fundente oxidante bsico enrgico para sulfuros, silicatos que no se disuelven en Na2CO3, aleaciones insolubles en cidos de Fe, Ni, Cr, Mo, W, y Pt y minerales de Cr, Sn y Zr. Crisoles de Fe o Ni previamente recubiertos de Na2CO3 fundido. Pirosulfato potsico (K2S2O7): Fundente cido para xidos y muestras que contienen xidos poco solubles. Temperatura de fusin de 400C. Crisol de Pt o porcelana.K2S2O7K2SO4+SO3cido brico (B2O3): Fundente cido para silicatos y xidos en los que se determinan metales alcalinos. Temperatura de fusin de 800-850C. Evaporando a sequedad con alcohol metlico la disolucin del fundido, se elimina el xido brico, que destila en forma de borato de metilo B(OCH3)3.Crisoles de Pt. Carbonato clcico (8) + cloruro amnico (1): Calentando el fundente se produce una mezcla de CaO y CaCl2 que se usa para descomponer silicatos para la determinacin de metales alcalinos. Crisoles de Ni.DISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA SECA : FUSIN

cidos y bases ms frecuentes (1) cido clorhdrico (37%): til en la disolucin de carbonatos, fluoruros, sulfuros, fosfatos, sulfatos insolubles, xidos metlicos y metales ms fcilmente oxidables que el hidrgeno (Eo

cidos y bases ms frecuentes (2) cido fluorhdrico (50%): Descomposicin de rocas y minerales de silicato cuando no se va a determinar silicio ya que ste se pierde en forma de SiF4 que es voltil. Normalmente es necesario eliminar el exceso de HF ya que disuelve el vidrio. Se evapora en presencia de H2SO4 o HClO4 o bien se inactiva complejndolo con cido brico. Forma algunos fluoruros voltiles y algunos fluoruros insolubles como LaF3, CaF2 y YF3. El HF es extremadamente txico, ocasiona serias quemaduras y heridas muy dolorosas en contacto con la piel mostrndose los efectos horas despus de la exposicin. cido bromhdrico (48%): Semejante al HCl en cuanto a sus propiedades.cido Fosfrico (85%): En caliente disuelve a los xidos refractarios que son insolubles en otros cidos. Hidrxido sdico: Disuelve Al y los xidos anfteros de Sn, Pb, Zn y Cr. Mezclas oxidantes: El agua regia (3 partes de HCl + 1 parte de HNO3) se emplea en digestiones difciles. La adicin de agua de bromo o perxido de hidrgeno a cidos minerales aumenta la accin disolvente y acelera la oxidacin de materia orgnica.DISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA HMEDA

Una muestra se puede disolver con la ayuda de un cido cuya naturaleza depende del tipo de muestra, sin embargo se suele recurrir a: MEZCLAS DE ACIDOS Aprovechando sus diferentes propiedades: carcter complejante de uno y carcter oxidante del otro (HF+HNO3; HF+H2SO4) Un cido modera una propiedad no deseable del otro: (HNO3 + HClO4) Los cidos pueden reaccionar entre si dando productos mas reactivos que los cidos solos ( 3 HCl + HNO3) Un cido permite eliminar otro no deseado despus de haber realizado su efecto (HF+ HCl; HNO3+ H2SO4; HNO3+ H3PO4 ) MEZCLAS DE ACIDOS CON OTROS REACTIVOSEntre los reactivos mas usados junto a cidos cabe destacar: Oxidantes (H2 O2 ; Br2 ; KClO3 ) Electrolitos inertes que aumentan el punto de ebullicin permitiendo temperaturas mayores (Na2SO4 , (NH4)2SO4 ) Agentes complejantes (citrato o tartrato) Catalizadores que aumentan la velocidad de disolucin de las muestras (Cu(II), Hg(II) , V2O5 , ect.)DISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA HMEDA

Descomposicin y disolucinDigestin con cidos a P.A.Digestin con cidos en bombas a presinDigestin con cidos en equipos de microondasDISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA HMEDA

VentajasInconvenientes* Bien conocida* No hay lmite de cantidad de muestra* Sencillez* Facilidad de adicin de reactivos y muestras* Material barato* Lentitud * Sistema abierto (prdidas de voltiles, espumas y humos corrosivos, etc.)* Elevado riesgo de contaminacin * Peligrosidad de reactivos

MtodoSistemaRadiacin de calor a presin atmosfricaDigestin por cidos FusionesRadiacin de calor a presin elevadaDigestin por cidos en bombas de tefln en recipientes de aceroRadiacin de microondasDigestin por cidos en bombas de tefln

VentajasInconvenientes* Sistema cerrado (se evita prdidas de voltiles, evolucin de humos y espumas, etc.)* Menor riesgo de contaminacin* Limitacin en la cantidad de muestra* Lentitud (horas)* Peligrosidad de reactivos* Material ms caro* Dificultad de adicin de reactivos

VentajasInconvenientes* Rapidez (minutos)* Sistema cerrado* Menor riesgo de contaminacin (aislamiento de atmsfera del laboratorio, material de tefln, etc.)* Limitacin en la cantidad de muestra* Peligrosidad de reactivos* Material ms caro* Dificultad de adicin de reactivos

Calentamiento ConvencionalCalentamiento por MicroondasCorrientesde conveccinCalor por conduccinMezcla cido-muestraParedes del recipienteLa temperatura en la superficie inferior es mayor que la del punto de ebullicin del cido Mezcla cido-muestra(absorbe energa de microondas)Paredes del recipiente(transparente a la energa de Microondas)Tipos de equipos de microondas para digestinDISOLUCIN DE UNA MUESTRA SLIDA POR VIA HMEDA

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