Formació Universitària-Vol. 2 Nº1-2009, pàg .: 7-16
ARTICLES
Avaluació de la Cromatografia Iònica per a Fomentar la seva Utilització a la Recerca i Estudis de Postgrau en Ciències de l’Aigua
Evaluation of Ionic Chromatography to Motiva’t its Utilitza in Research and Graduate Studies in Water Sciences a
Eduardo Trujillo, Guadalupe Fonseca, Miriam A. García i Verónica Martínez Universitat Autònoma de l’Estat de Mèxic, Facultat d’Enginyeria, Turó de Coatepec s / n, CU, 50130 Toluca, Edo. de Mèxic-Mèxic gratis (e-mail: [email protected], [email protected])
Resum
Es va avaluar la tècnica de cromatografia iònica per fomentar el seu ús en la investigació i estudis de postgrau en ciències de l’aigua. Es van analitzar mostres d’aigua natural amb tècniques convencionals i HPLC i es va trobar que la cromatografia iònica genera menys de la meitat de l’volum de deixalles amb relació a les tècniques convencionals, deixalles que són menys tòxics i que estan en concentracions de mg / L. També, els costos es disminueixen 3.5 vegades a l’utilitzar HPLC, els temps mitjana es redueixen de 3 dies a 4 hores, i els errors experimentals són menors. Els resultats permeten afirmar que la cromatografia iònica és una tècnica analítica qualitativa i quantitativa, ràpida, econòmica, sensible i fiable i que pot ser realitzada per estudiants entrenats, no requerint de llarga especialització.
Paraules clau: cromatografia iònica, activitats de recerca, ciències de l’aigua, ensenyament
Abstract
in this paper, ionic chromatography technique was evaluated to MOTIVATE its use in research and graduate studies in water sciences. Water samples were analyzed by both conventional techniques and HPLC and it was found that ionic chromatography generates less than a half of waste material than conventional techniques, Wastes that are less toxic and with a level of concentration of mg / L Also, when HPLC is used , the costs are reduced by a factor of 3.5, the average time diminish from 3 days to 4 hours and the experimental errors are lower. The results show that ionic chromatography is a fast, Economical, sensitive and reliable analytical technique that can be performed by Trained students, not requiring highly specialized personnel.
Keywords: ionic chromotography, investigation activities, water sciences, teaching
INTRODUCCIÓ
en els últims 35 anys, la tècnica HPLC (High Performance Liquid Chromatography – Cromatografia Líquida d’Alta Resolució) s’ha convertit en el mètode de separació analític per excel·lència, convertint-se en el tercer equip estàndard en els laboratoris analítics, després de les balances i els potenciòmetres (Kromidas, 2005). La cromatografia de líquids es pot classificar segons la naturalesa de la fase estacionària en cromatografia líquid-líquid, d’adsorció, d’exclusió molecular i d’intercanvi iònic o comunament anomenada cromatografia iònica (Skoog i Haller, 2003). La constant recerca per a la productivitat creixent de laboratori ha portat a el desenvolupament de sistemes completament automatitzats, fent d’l’HPLC un instrument ideal per a l’anàlisi d’una gamma extensa de compostos termolàbils no adequats a l’anàlisi de la cromatografia de gasos (Soniassy et al., 1994 ).
Actualment, les noves tècniques d’HPLC identifiquen, purifiquen i quantifiquen, sent de gran rellevància en gairebé totes les àrees d’anàlisi instrumental per diverses raons: a) el grau d’automatització que ha assolit amb els ordinadors i el programari, b) la capacitat i varietat de les seves columnes, c) la diversitat de fases mòbils a emprar, d) els detectors no destructius, e) la injecció directa de mescles complexes, f) la seva eficiència i rapidesa en l’anàlisi de compostos i / o ions, comparat amb els mètodes convencionals, ig) la detecció d’ions inorgànics en baixes concentracions (Skoog i West, 2004). Tradicionalment, HPLC ha estat aplicat principalment a la separació de vitamines solubles en aigua, esteroides i lípids; vitamines solubles en greix, carbohidrats i àcids; nucleómicos; proteòmics; per al monitoratge clínic i forense de drogues; per al monitoratge ambiental d’aire i aigua; i també per analitzar contaminants ambientals com plaguicides i aromàtics polinuclears (McMaster, 2007). En general, HPLC és aplicada per determinar nombrosos compostos orgànics en tot tipus de mostres, sent particularment apropiada per a compostos poc volàtils, de prioritat intermèdia i alta i com a tècnica complementària a la cromatografia de gasos.
Pel que fa a l’ anàlisi d’aigua amb HPLC, s’han realitzat treballs des de diferents enfocaments. Dawson et al. (2003), van mesurar les concentracions de cloramina-T en aigües destinades a l’cultiu de peixos; Vichkovitten et al.(2007) han identificat baixes concentracions de trihalosa en sediments d’aigües costaneres. D’altra banda, Amaro et al. (2005), van estudiar el contingut de Cr (VI) i Cr (III) en aigües d’una indústria de cromat abans i després de ser passades per un procés de conversió i eliminació. Zhou et al. (1994), van determinar nitrits en aigua, Moliner (2005) va determinar amoni entre altres paràmetres de qualitat de l’aigua, mentre que, Bruzzoniti et al. (2008) van determinar àcids sulfònics i alquilsulfats en aigua. En sistemes aigua-sòl, Shimamoto i Takahashi (2008) es van recolzar en HPLC per determinar espècies de iode, mentre que De la Vall et al. (1996) van detectar CAAT (clorodiamina-s-triacina) en mostres d’aigua subterrània i sòls. Amb relació a aigües naturals de rius i líquids cloacales, Sarno i Delfino (2001) van determinar compostos fenòlics. Dionex Corporation ha identificat compostos explosius i substàncies relacionades en aigua per beure (Dionex, 2007); fenols en aigua mineral embotellada i per beure (Dionex, 2008); així mateix, ha realitzat anàlisis d’anions inorgànics en aigua per beure (Dionex, 2003) i aigües ambientals (Dionex, 2001).
Molts treballs ambientals relacionats amb el recurs hídric usualment estan vinculades a la determinació d’ions individuals mitjançant mètodes convencionals (volumètrics, turbidimétricos i espectrometria d’absorció atòmica). La cromatografia iònica cobra importància en aquesta àrea ja que es pot identificar i quantificar anions i cations en molt baixes concentracions (0.05 mg / L o menys, depenent de l’detector, fase mòbil i definició de columna utilitzats), sense emprar reactius perillosos. Atès que per al HPLC no hi ha un sistema de detecció universal amb alta sensibilitat com per cromatografia de gasos, el detector a emprar depèn principalment de la naturalesa de la mostra i pot ser de ultraviolada, arranjament de díodes, fluorescència o conductivitat elèctrica (Skoog i Haller, 2003).
Organitzacions reguladores com la USEPA, ASTM, AOAC, i ISO han avalat mètodes basats en HPLC per a l’anàlisi d’aigua (Dionex, 2003). Els mètodes 4110 A. de APHA-AWWA-WPCF i el 300.0 de l’EPA proposen l’ús de la cromatografia iònica com una tècnica instrumental de mesura seqüencial i ràpida per a la determinació de diversos ions presents en aigües superficials, industrials, potables i subterrànies ( APHA-AWWA-WPCF, 1992).
Un dels grans reptes que afronten les institucions de recerca i d’estudis avançats de l’ambient, és obtenir els seus resultats basats en anàlisis químiques amb qualitat i rapidesa, ja que ells coadjuven en la solució real i precisa dels problemes ambientals.
a la Universitat Autònoma de l’Estat de Mèxic, les Facultats de Química i Enginyeria compten amb equips d’HPLC. A la Facultat de Química, l’equip és utilitzat principalment per a investigació en química orgànica, recentment han començat a desenvolupar treballs de tipus ambiental. La Facultat d’Enginyeria, a través del Centre Interamericà de Recursos d’el Aigua ha utilitzat l’equip per determinació de plaguicides, compostos organoclorats, i hidrocarburs aromàtics en aigua superficial amb abocaments industrials tractats.
El Centre Interamericà de Recursos de l’ aigua oferta postgraus en Ciències de l’aigua a nivell mestratge i doctorat; la línia d’investigació de Qualitat de l’Aigua engloba projectes d’investigació de professors i projectes-tesi d’alumnes. Tot i els avantatges de la tècnica com a tal, professors-investigadors i alumnes no han pogut accedir completament a aquests beneficis, per aspectes com: a) baixa fiabilitat de la seva aplicació en la determinació d’ions en l’aigua a l’aplicar les tècniques d’anàlisi convencionals aprovades i recomanades en les normes oficials, b) desconeixement dels costos d’anàlisi per cromatografia iònica vs. tècniques convencionals ic) la manca de recursos humans capacitats per a l’operació.
Molts estudis que requereixen la determinació de cations i anions en aigua, poden ser desenvolupats d’una manera fàcil, ràpida, econòmica, amb més precisió i exactitud i sense generar grans volums de deixalles tòxics, si s’utilitzen tècniques d’HPLC en lloc de les convencionals. Particularment, les investigacions dels alumnes de postgrau, solen comptar amb pressupostos molt baixos, la qual cosa els obliga a fer menys mostrejos i anàlisis, impedint-desenvolupar apropiadament els seus projectes, situació que eventualment repercuteix en els resultats globals obtinguts, en l’adequada solució dels problemes, i si és el cas, en la limitada generació i aplicació de coneixement.
Per tant, l’objectiu d’aquest treball és realitzar un comparatiu de l’aplicació de tècniques convencionals i d’HPLC per a la determinació d’anions i cations en aigua, valorant eficiència, sensibilitat, rendiment, temps d’anàlisi i costos, per aportar elements que incentivin l’ús de la cromatografia iònica, en la formació d’estudiants de postgrau i investigació en ciències de l’aigua.
MATERIALS i MÈTODES
Preparació de mostres
Es van prendre 20 mostres al llarg d’un curs d’aigua superficial alimentat per aigua de deus i pluja, per al cultiu de truita, en aigües d’aquest tipus és important detectar els ions i traces en baixes concentracions. La presa i conservació de les mostres per a les dues tècniques es va realitzar amb base en el que estableix la norma oficial mexicana. D’acord amb el valor de DBO5 (< 2mg / L) i el tipus d’aigua a estudiar, no va ser necessari aplicar processos per eliminar matèria orgànica. Les mostres per a cromatografia es van filtrar 3 vegades amb membranes MilliporeÒ de 0.45mm de mida de porus, per tal de remoure possibles partícules presents, per a la seva anàlisi es van realitzar dilucions en funció de l’abundància relativa dels constituents majoritaris dissolts en aigua subterrània (Chapman , 1992), les mostres diluïdes es van col·locar en vials, degudament identificades.
es va capacitar a un estudiant d’Enginyeria Química en el maneig de l’equip HPLC perquè determinés catorze ions per cromatografia; es va triar aleatòriament el 50% d’ells, perquè el mateix estudiant els quantifiqués per tècniques convencionals, per a l’altre 50% es van considerar els percentatges d’error obtinguts a través de cartes de control emeses pel Laboratori de Qualitat de l’Aigua de el Centre Interamericà de recursos de l’Aigua.
tècniques analítiques convencionals
Es van utilitzar tècniques analítiques convencionals de turbidimetria, volumetria i espectrometria d’absorció atòmica (Taula 1), per a la determinació de dotze paràmetres, amb base a les normes oficials mexicanes.
Equip de cromatografia
Es va utilitzar un equip d’HPLC marca Thermofinnigan model Spectrasystem, que inclou els següents mòduls: a) sistema de reservori de fase mòbil SCM 1000 amb desgasificador; b) sistema de bombeig P2000; i c) sistema d’injecció de mostra AS1000. Tots els mòduls es controlen des d’un sistema de comunicació ChromQuest. Es va emprar un detector de conductivitat, marca Alltech model 650. Es van realitzar proves en diferents fluxos, iniciant pel recomanat pel sistema ChromQuest (1.0 ml / min), variant fins que es va obtenir la millor definició en el cromatograma, la qual va ser de 0.8 ml / min i un temps d’estabilització de 20 minuts, seguint el mètode proposat per Dionex (2001, 2003).
el calibratge es va dur a terme per mitjà d’un estàndard extern. La validació dels mètodes pel que fa als límits de detecció i de quantificació, precisió i exactitud per a cada mètode es va realitzar amb base en el que estableixen els mètodes estàndard (APHA, AWWA-WPCF, 1992), així com en la resposta de línia base. La precisió de l’mètode es va avaluar en condicions de repetibilitat i reproductibilitat, mentre que l’exactitud de el mètode es va avaluar en termes de recuperació percentual. La quantificació es va determinar per l’àrea sota la corba de cada pic, que és directament proporcional a la concentració de cada ió, segons el programari de l’equip.
Taula 1: Tècniques analítiques convencionals
La cadena |
Tècnica / Norma Mexicana |
Principi |
Alcalinitat |
Volumètrica a NMX-AA036-SCFT-2001 |
Determina l’alcalinitat en l’aigua emprant com a dissolució valorant una solució àcida de concentració coneguda. |
Clorurs |
Volumètrica a NMX-AA-073-SCFI-2001 |
A través de la formació de clorur de plata utilitzant com a indicador ions cromat. |
Duresa |
Volumètrica a NMX-AA.072-SCFI-2001 |
Considerala formació de complexos d’EDTA amb els ions Ca2 + i Mg2 +. |
N-amoniacal |
Volumètrica a NMX-AA-26-2001 |
el grup amoni es alcalinitza amb hidròxid de sodi, l’amoníac alliberat, es destil·la i s’absorbeix en una dissolució d’àcid bòric, que posteriorment es titula. |
N-nitrits |
colorimètrica a APHA-AWWA-WPCF (1992) |
Es basa en la reducció de l’nitrat en nitrit en presència de cadmi, el nitrit es determina per diazotació de la sulfanilamida per formar un azo. |
N -nitratos |
colorimètrica a NMX-AA-079-SCFI-2001 |
El nitrit es determina per diazotació de la sulfanilamida per formar un azo. |
p-fosfats |
colorimètrica a NMX-AA-029-SCFI-2001 |
Considera la reacció de l’fòsfor amb l’àcid molíbdico per formar àcid 12-molibdofosfórico el qual és reduït pel clorur d’estany. |
Sulfats |
Turbidimétrica a NMX-AA-074-SCFI-2001 |
L’ió sulfat es precipita com sulfat de bari. |
Sodi, potassi, zinc, calci, magnesi |
Absorció atòmica a NMX-AA-051-SCFI-2001 |
Contempla la generació d’àtoms en estat basal i el mesurament de la quantitat d’energia absorbida per aquests. |
Determinació d’anions
Es va implementar el mètode met-anion-1 a identificar els anions carbonat (CO32-), clorurs (Cl-), fosfats (PO43-), nitrits ( NO2-), nitrats (NO3-) i sulfats (SO42-). Es va utilitzar una columna PxP-X100, 100 x 4.1mm, amb fase mòbil d’àcid p-hidroxibenzoic 4.0mm, pH 8.9: metanol (97.5: 2.5). Per establir la corba de calibratge es va preparar una solució patró de 50 mg / L per cada anió (a partir d’un estàndard de 1000 mg / L) i posteriorment les solucions estàndard de 0.001 a 15.0 mg / L.
Determinació de cations
Es va implementar el mètode met-cation-3 a identificar els cations amoni (NH4 +), calci (Ca2 +), cobalt (Co2 +), níquel (Ni2 +), magnesi (Mg2 +), potassi (K +), sodi (Na +) i zinc (Zn2 +). Es va utilitzar una columna Universal Catió, 100 x 4.6mm. Es van provar tres fases mòbils diferents, àcid metasulfónico 3 mm, àcid cítric 5mm i àcid tartàric 2 mm / àcid oxàlic 1mM, seleccionant-finalment aquest últim, a causa que va presentar bona definició i es va identificar una major quantitat de cations. El calibratge es va dur a terme preparant una solució patró de 50 mg / L per cada catió (a partir d’un estàndard de 1000 mg / L) i a partir d’aquesta es van preparar les solucions estàndard de 0.001 a 15.0 mg / L.
RESULTATS I DISCUSSIÓ
Mitjançant cromatografia iònica es van identificar i van quantificar els ions majoritaris (calci, potassi, magnesi, sodi, carbonats, clorurs i sulfats), els secundaris (amoni, nitrits, nitrats i fosfats) i els ions traça (zinc i cobalt), les concentracions es presenten a les Taules 2 i 3. en les figures 1 i 2 es mostren dos dels cromatogrames generats per l’equip, on s’aprecien els pics dels ions determinats.
a
a
a
Fig. 1: Cromatograma d’anions
a
El tipus d’aigua estudiada és poc mineralitzada i amb presència significativa d’espècies nitrogenades, per aquest motiu únicament es va considerar la polaritat de la fase mòbil com una de les condicions per millorar l’eficiència en la determinació d’anions, seleccionant-així la barreja d’àcid p-hidroxibenzoic: metanol sense tenir la necessitat d’utilitzar un eluent buffer, com ho recomana Dionex (2003); per cations és adequada una fase mòbil amb una barreja d’àcids tartàric i oxàlic. Aquestes condicions van permetre una bona sensibilitat i selectivitat, així com una major precisió i exactitud. A la Taula 2 es pot apreciar una major sensibilitat en la determinació de les concentracions obtingudes per HPLC que per les tècniques convencionals.
a
a
a
Fig.2 Cromatograma de Cations
Tabla 2: concentracions obtenides por métodos convencionales (c) y hplc (h), en mg / l,
(m *: Número de Muestra; ld: LIMITE Mínimo de detecció del amonio (10-4), Según APHA (1992))
M * |
ión |
|||||||||||||
nh4 + |
ca2 + |
CO32 – |
Cl – |
mg2 + |
NO3 – |
NO2 – |
||||||||
h |
c |
h |
c |
h |
c |
h |
c |
h |
c |
h |
c |
h |
c |
|
< 1.0 |
||||||||||||||
< 1.0 /td> |
||||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< ld |
< 1.0 |
|||||||||||||
< 1.0 |
||||||||||||||
< ld |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
|||||||||||||
< LD |
< 1.0 |
Núm.de muestra |
ión |
||||||
PO43 – |
ni2 + |
k + |
na + |
SO42 – |
zn2 + |
CO2 + |
|
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
< 0.001 |
||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
< 0.001 |
||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
|||||||
< 0.001 |
|||||||
Tabla 4: Porcajes d’error Registrados en les determinacions de l’Estudiante
(El Carbonato es calculado a Partir de la Alcalinidad)
Parámetro |
% d’error. |
% d’error. |
amonio |
||
Calcio |
||
Carbonato |
||
Cloruro |
||
magnesio |
||
Nitratos |
||
nitritos |
parámetro |
% d’error. |
% d’error. |
Cobalto |
||
fosfatos |
||
níquel |
||
Potasio |
||
sodi |
||
Sulfatos |
||
Cinc |