CALIFICACIÓN DE OPERACIÓN DEESPECTROFOTOMETROS DE ABSORCIÓN ATÓMICA

Judith Velina Lara Manzano.Centro Nacional de Metrología, Materiales Metálicos

Km 4,5 Carretera a los Cués, Municipio El Marqués Querétaro.(442) 210500, 2110569, vlara@cenam.mx

Resumen: El presente documento tiene como finalidad la descripción del proceso de verificación deespectrofotómetros de absorción atómica, la cual consiste en realizar un conjunto de operaciones decaracterización y evaluación de una serie de parámetros los cuales serán comparados contra losespecificados por el fabricante. Estas pruebas se realizan usando un material de referencia en algunosparámetros, tomando en cuenta que las mediciones son realizadas bajo las recomendaciones de organismosinternacionales.

INTRODUCCIÓN

La demanda en el CENAM del servicio decalibración de espectrofotómetros de absorciónatómica se ha visto incrementada en los últimosaños, debido a las exigencias de las normasnacionales e internacionales que han establecido lacalibración como uno de los componentes críticosde la evaluación del desempeño del laboratoriodentro del sistema de aseguramiento de calidad.

Es importante aclarar que para un sistema demedición analítico, no siempre aplica la calibraciónindependiente de sus componentes; para el caso deeste instrumento, sus componentes no puedenconsiderarse como partes independientes quepueden ser verificadas separadamente. Noobstante, su uso correcto combinado con laperiodicidad de su servicio, asegurará undesempeño adecuado. Adicional a lo anterior, desdeel punto de vista de aseguramiento de la calidad delas mediciones analíticas, la calibración analítica:“es el conjunto de operaciones que se establecen,bajo condiciones específicas, la relación entrevalores de cantidades indicadas por un instrumentode medición o sistema de medición, o los valoresrepresentados por una medida materializada omaterial de referencia, contra los valorescorrespondientes obtenidos a partir de lospatrones[1] basándose en la definición, decimos queun instrumento o sistema de medición química estácalibrado cuando “se obtiene una expresión

numérica que relaciona un valor de referencia con larespuesta instrumental, como: un factor decalibración o una serie de factores de calibración,representados por una curva de calibración con suvalor de incertidumbre asociada”.

Todos los sistemas de calidad estipulanrequerimientos generales de evaluación dedesempeño instrumental, tal como: “Losinstrumentos deben ser apropiados para el usopropuesto, con mantenimiento apropiado y calibradoutilizando patrones nacionales o internacionales”.

Tales requerimientos no son específicos, ni sonclaros de como debe ser realizada y documentadala evaluación de desempeño. Dada la naturalpreocupación de los usuarios acerca de dichosrequisitos, es menester en este documentodescribir los conceptos de la CalificaciónInstrumental (CE), y un ejemplo de aplicado a unespectrofotómetro de absorción atómica consistema de atomización de flama.

Calificación de instrumental (CE) es: “El procesototal de aseguramiento de que un instrumento esadecuado para el uso propuesto y que sufuncionamiento está de acuerdo a lasespecificaciones establecidas por el usuario y elproveedor”. [ 2 ]

La aplicación de las cuatro etapas variará durante lavida del instrumento. Las etapas CD y CI, es posibleque necesiten repetirse si existe un mantenimientomayor, una modificación en configuración, unaactualización, un cambio de ubicación delinstrumento, etc. El proveedor debe proporcionaruna guía clara sobre lo que el usuario debe realizar,lo que hacen en conjunto y lo que debe realizar sóloel proveedor. El usuario debe establecer la CEnecesaria en base a sus requerimientos de calidad.CF y muchos aspectos de CO deben ser realizadosdurante toda la vida del instrumento, ambas etapasse pueden también describir en forma global entérminos de una verificación instrumental.

Prueba CD CI CO CF

Exactitud de longitudde onda X

Resolución X

Estabilidad de la líneabase X X

Concentracióncaracterística x X X

Velocidad denebulización X X

Límite de detección X X x

Tabla 1. Pruebas que corresponden a lasetapas del proceso de calificación

La verificación es el procedimiento deaseguramiento de calidad, por medio del cual unlaboratorio examina que la diferencia entre losparámetros críticos especificados por uninstrumento, utilizando Materiales o Patrones deReferencia, sea consistentemente más pequeñaque el error permisible por las especificaciones delinstrumento [1].

Los procedimientos de la verificación deldesempeño del instrumento deben ser descritos enlos manuales del instrumento, así como lafrecuencia con la cual deben realizarse; si esto nose encuentra descrito en el manual del instrumento,puede ser determinado por la experiencia deloperador basándose en las necesidades de calidaddel laboratorio y el previo desempeño delinstrumento de medición. Como lo solicitan lossistemas de calidad, no es suficiente con hacer lascosas correctamente, debe haber evidenciasuficiente y demostrable de la integridad de losdatos y validez de los resultados de mediciónanalítica.

PROCEDIMIENTO DE CALIFICACIÓN DE EAAF

La espectrofotometría de absorción atómica es unatécnica de análisis cuantitativo, cuyo principio: “es lamedición de la radiación absorbida característica delelemento, dicha medición se efectúa al hacer incidiruna radiación proveniente de una fuenteindependiente de luz monocromática específicapara el elemento que se pretende medir,midiéndose así por diferencia la radiaciónabsorbida”.

Fig. 1 Se muestra la relación entre las partes delinstrumento contra los parámetroscríticos involucrados en CO y CF.

EXACTITUD DE LA LONGITUD DE ONDA[8] [7]

Exactitud de la longitud de onda es la diferenciamáxima, expresada en nanómetros, entre unalongitud de onda de referencia y la longitud de ondaprincipal que selecciona el monocromador.

Para esta prueba se empleó la lámpara de cátodohueco de mercurio, que presenta líneas de emisióndefinidas en intervalos específicos. Las medicionesde longitud de onda son realizadas en función delparámetro de mayor influencia que afecta elresultado de la medición como es el ancho de larendija. Esta prueba se realiza para evaluar lassiguientes longitudes de onda de referencia demercurio[3]: 253.652, 296.728, 365.015, 404.656,435.835, 546.074, 576.959, 750.387(Ar) y811.531(Ar) nm para determinar las posiblesdesviaciones en esta escala. Una longitud de ondadesplazada de la línea de resonancia de referencia,la energía detectada por el instrumento es menor, locual incrementa la señal –ruido, que afecta tanto enla reproducibilidad como en la exactitud de lamedición.Prueba. Se realizó utilizando la lámpara de cátodohueco de mercurio, de la siguiente manera seevaluaron las longitudes de onda características decada pico, se realizaron barridos cubriendo elintervalo de tal forma que el pico se observóclaramente. Se imprimieron los barridos y se ubicóel valor máximo de cada uno. El criterio para evaluaresta prueba fue: encontrar la diferencia entre elvalor de referencia de la línea del mercurio contra elvalor obtenido. La alternativa para realizar estaprueba es utilizar la lámpara de cátodo hueco dearsénico, cobre y potasio y los criterios deevaluación: para el intervalo ultravioleta-visible (180a 450nm) la tolerancia es de ± 0,2 nm, para elintervalo visible (450-800nm) la tolerancia es de ±0,4nm.

RESOLUCIÓN [7]

Resolución es la habilidad del espectrofotómetro dedistinguir entre dos bandas de absorbancia muycercanas. La resolución está determinada por eltamaño y características de la rejilla de dispersión,por el sistema óptico del que forma parte la rejilla,por la anchura de la rendija del monocromador, yestá en función de la velocidad de barrido.

Una resolución muy baja reduce la altura de lospicos limitando la sensibilidad. La baja resoluciónproduce incertidumbres debido a la mayor

dependencia entre la altura de los picos y cualquierpequeño cambio de la anchura de la rendija.

Prueba. La prueba se realizó utilizando la lámparade cátodo hueco de manganeso de la siguientemanera: se hizo un barrido de longitud de onda paraobservar el triplete del manganeso, el cual incluyólas siguientes longitudes de onda 279,5, 279,8 y280,1 nm. En el barrido se observaron los trespicos. La evaluación se realiza gráficamente. Unvalor aceptable es un 30% de la base al valle entrelas dos crestas de mayor intensidad.

Para las siguientes pruebas, se empleó una lámparade cátodo hueco de cobre, es debido a que el cobretiene un espectro muy limpio, es decir no seencuentran líneas de emisión muy cercanas, lo cualhace a este elemento el más recomendado pararealizar las pruebas de verificación, así mismo seempleó un material de referencia certificado de 1000mg/L de cobre, del cual se prepararon una serie dediluciones. Las condiciones de operaciónseleccionadas fueron longitud de onda de 324.8 nm,ancho de la rendija 0.7 nm, y flama aire acetileno.

ESTABILIDAD DE LA LÍNEA BASE [5] [7]

La estabilidad es la propiedad de un instrumento demedición de mantener constantes en el tiempo lascaracterísticas metrológicas. La estabilidad de lalínea base es una característica muy importante delinstrumento, ya que la medición enespectrofotometría de absorción atómica es unmétodo comparativo (es decir, alterna la mediciónde un material de referencia y una muestra). Si lamedición de la línea base es inestable, lascondiciones de medición lo afectarán creandomayor error aleatorio en el proceso de medición ydificultando la obtención de datos con un mejor nivelde incertidumbre.

Prueba. Se realizó utilizando la lámpara de cátodohueco de cobre cubriendo las siguiente etapas:

Flama Plazo

CortoApagada

Largo

CortoEncendida

Largo

Los plazos fueron definidos considerando el tiempoque normalmente involucra una medición, es decirpara corto plazo se definió de 10 minutos y paralargo plazo fue de 30 minutos. Para el caso de laprueba de estabilidad con la flama encendida seintrodujo al sistema de atomización y una flama deaire-acetileno, agua desionizada. El criterio paraevaluar esta prueba ha sido establecido en base anuestra experiencia de la siguiente manera: el valorabsoluto de la suma de la absorbancia mayor ymenor, el valor aceptable es el menor posible y escaracterístico del instrumento. Los resultadospresentados de esta prueba están basados enestabilidad de la flama encendida, apagada y ambosa largo plazo.

CONCENTRACIÓN CARACTERÍSTICA [6]

La sensibilidad es la proporción del cambio en larespuesta del instrumento con el cambio enconcentración. No obstante, en espectrofotometríade absorción atómica es más comúnmente usada laconcentración característica como un parámetro dela respuesta de un instrumento. La concentracióncaracterística es la concentración de un elemento(expresada en mg/L) requerida para producir unaseñal de 1% de absorción (0,0044 unidades deabsorbancia). A continuación se muestra la fórmulapara calcular la concentración característica (CC):

estándar del aabsorbanci de Unidades

0,0044 estándar x delión ConcentracCC = (1)

Prueba. En una flama de aire-acetileno, se mide 10veces la disolución de 4 mg/L de cobre, sepromedian los resultados obtenidos en unidades deabsorbancia, y se substituye el promedio en lafórmula (1)

VELOCIDAD DE INTRODUCCIÓN [7]

Se verifica midiendo los mililitros de la solución queson introducidos durante un minuto. La velocidadestará determinada de acuerdo a la optimizaciónque se haga del nebulizador utilizado. Un sistemade introducción optimizado nos proporcionará unresultado de una señal de absorción muy estable.

Prueba. Se realizó utilizando una probeta de 10 mLcon agua desionizada, se midieron los mililitros desolución que fueron introducidos a través del capilardel nebulizador para un sistema de atomización deflama durante un minuto.

LÍMITE DE DETECCIÓN [4]

Es la concentración del analito cuya respuesta esequivalente a la respuesta promedio del blanco mástres veces la desviación estándar de las medicionesdel blanco. El límite de detección está afectadoprincipalmente por la pendiente de la curva analíticay por la desviación estándar relativa de laconcentración del blanco. El límite de detección estáestrechamente relacionado con el ruido. Un mayorlímite de detección indica que el ruido es más alto.

Prueba Se prepararon seis estándares deconcentraciones tales que cubran el intervalo lineal,se toman 5 lecturas de cada punto. Se prepararon10 blancos independientes, y se tomaron 10lecturas de cada uno. Se calculó la concentracióndel blanco en la curva. Se calculó la desviaciónestándar. Se sustituyen los valores en la fórmula (2),el valor obtenido es exclusivo del instrumento.

RESULTADOS

Los resultados presentados son comparados contralas especificaciones del instrumento, donde las hay.

Exactitud de longitud de onda

El criterio para evaluar esta prueba fue: encontrar ladiferencia entre el valor de referencia de la línea delmercurio contra el valor obtenido. Los resultadosobtenidos indican el error que el instrumento tienepara seleccionar las longitudes de onda delmercurio.

Longitud de onda dereferencia [8] nm

Valor obtenidonm Diferencia

253,651 253.7 -0.049

312.567 313.66 -1.093

404.657 404.45 0.207

435.834 435.8 0.034

546.075 546.68 -0.605

579.066 579.3 -0.234

750.387 749.75 0.637

811.531 809.5 2.031

Tabla 2. Exactitud de longitud de onda

Para la prueba sólo se emplea una lámpara decátodo hueco y se evalúa todo el intervalo delongitud de onda lo cual hace un proceso largo, peromás completo

Resolución

Para la evaluación de esta prueba se emplea elCriterio Rayleigh el cual establece “para decir quedos características están resueltas: sugiere un vallede 19 % entre dos líneas igualmente intensas”.

Ya que este criterio resulta muy estricto, para losespectrofotómetros de absorción atómica, sesugiere que se consulten con el proveedor, y querecomiende el mejor criterio de aceptación.

Para evaluar esta prueba, el criterio esta basado enla experiencia del National Research Center ForCertified Reference Material (NRCCRM)[6]

Valor esperado % Valor obtenido %

30 27.27

Tabla 3. Resolución

Estabilidad de la línea base

Los resultados que se presentan para esta pruebafueron para largo plazo (30 minutos) con la flamaencendida y apagada, evaluados de acuerdo alcriterio de estabilidad mencionado previamente , losvalores de este parámetro determinado para esteinstrumento son:

Flama Valor obtenido uA

Encendida 0.001

Apagada 0.001

Tabla 4. Estabilidad de la línea base.

Concentración característica

El valor de concentración característica esperado esproporcionado por el fabricante del instrumento,indicando una tolerancia del 20% como intervalo deaceptación.

Este resultado a su vez es útil para construir unacarta de control, con la cual se evalúa elcomportamiento del instrumento, así como laoptimización que efectúan los usuarios delespectrofotómetro de absorción atómica.

Valor especificadopor el proveedor

mg/L

Valorobtenido

mg/L

Intervalo deaceptación

0.077 0.080 0.075-0.092

Tabla 5. Concentración Característica.

Velocidad de Nebulización

Los resultados de esta prueba son complementopara corroborar que la optimización del instrumentoha sido adecuada, ya que se tienen flujos definidospara “solución acuosa” la cual se introduce alsistema de atomización, ya que esto repercutirátanto en la estabilidad de la línea base, tambiénserá útil para, evaluar el comportamiento delnebulizador

Valor especificado por elproveedor mL/min Valor obtenido mL/min

<5 4.8

Tabla 6. Velocidad de nebulización

Límite de detección

Esta prueba involucra la adecuada preparación delas disoluciones para construir la curva decalibración, así como de los blancosindependientes.

Valor especificado por elproveedor mg/L Valor obtenido mg/L

0.0015 0.00018

Tabla 7. Límite de detección

DISCUSIÓN

En la bibliografía se encuentra que cubriendo laspruebas de Concentración característica y Límite dedetección se evalúa desempeño del instrumento,pero considerando que para este instrumento sóloaplica la calibración analítica, debemos asegurarnosde llevar a cabo los protocolos de calificación delespectrofotómetro de absorción atómica, ya que esun proceso completo, con el cual se puededemostrar que el instrumento se encuentraoperando adecuadamente y que es un proceso quelo puede aplicar durante la vida del instrumento.

CONCLUSIONES

El protocolo de calificación de instrumentos nos dala oportunidad de tener un respaldo que nos dé laseguridad de que el instrumento esta trabajandodentro de las especificaciones, además por mediode los resultados de la verificación se vaconformando un historial del desempeño delinstrumento. Es importante que la calificación deinstrumentos sea del conocimiento de losproveedores de instrumento, los usuarios deespectrofotómetro de absorción atómica, etc., paraapoyar el sistema de calidad, y con ello apoyar en elcumplimiento de los requisitos de acreditación, asícomo la calidad de las mediciones analíticas querealiza.

AGRADECIMIENTOS

Q.M. Rocio Arvizu Torres. Jefe de división deMateriales Metálicos. CENAM

Q.I. Arquímedez Ruiz Orozco. Metrólogo de laDivisión de óptica de Metrología Física. CENAM

Ing. Manuel Ramírez. Ingeniero de Servicio de laCompañía PERKIN ELMER de México S.A.

Ing. Manuel García García Químico de aplicacionesde la compañía VARIAN S.A.

REFERENCIAS

[1] Guía ISO 30. Terms and definitions used inconnection with reference materials.International Organization for Standardization.Geneve Switzerland.

[2] “Development and Application of Guidance onEquipment Qualification of AnalyticalInstruments”, P. Bedson and M. Sargent,Laboratory of the Government Chemist, 1996.Queens Road, TEDDINGTON, Middlesex,TW11 0LY, United Kingdom.

[3] Mielenz D. Klaus y K.L. Eckerle. New design ofspectrophotometer of high accuracy. Notatécnica NBS 729. Washington D.C.Departamento de Comercio. Junio 1972

[4] Statistics for Analytical Chemistry J.C. Miller,N.J.Miller 3rd edition Hellis Horwood PTRPretice Hall

[5] E-863-82. Standard practice for describingflame atomic absorption spectroscopyequipment.

[6] Atomic Absorption spectrometers for measuringmetal pollutants in water OIML R100 edition1991 OIML. International Recommendation.

[7] International Training Course of ReferenceMaterials. NRCCRM, 22, National ResearchCenter For Certified Reference Material BeijingChina 1995

[8] I.Q.I. Arquímedez Ruíz O. Métodos y pruebaspara la caracterización del espectrofotómetrodel CENAM.. Los Cués, El Marques, Qro.,México. Septiembre 1996.