CALIFICACIÓN DE OPERACIÓN DE ESPECTROFOTOMETROS 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 de espectrofotómetros de absorción atómica, la cual consiste en realizar un conjunto de operaciones de caracterización y evaluación de una serie de parámetros los cuales serán comparados contra los especificados por el fabricante. Estas pruebas se realizan usando un material de referencia en algunos parámetros, tomando en cuenta que las mediciones son realizadas bajo las recomendaciones de organismos internacionales. INTRODUCCIÓN La demanda en el CENAM del servicio de calibración de espectrofotómetros de absorción atómica se ha visto incrementada en los últimos años, debido a las exigencias de las normas nacionales e internacionales que han establecido la calibración como uno de los componentes críticos de la evaluación del desempeño del laboratorio dentro del sistema de aseguramiento de calidad. Es importante aclarar que para un sistema de medición analítico, no siempre aplica la calibración independiente de sus componentes; para el caso de este instrumento, sus componentes no pueden considerarse como partes independientes que pueden ser verificadas separadamente. No obstante, su uso correcto combinado con la periodicidad de su servicio, asegurará un desempeño adecuado. Adicional a lo anterior, desde el punto de vista de aseguramiento de la calidad de las mediciones analíticas, la calibración analítica: es el conjunto de operaciones que se establecen, bajo condiciones específicas, la relación entre valores de cantidades indicadas por un instrumento de medición o sistema de medición, o los valores representados por una medida materializada o material de referencia, contra los valores correspondientes obtenidos a partir de los patrones [1] basándose en la definición, decimos que un instrumento o sistema de medición química está calibrado cuando se obtiene una expresión numérica que relaciona un valor de referencia con la respuesta instrumental, como: un factor de calibración o una serie de factores de calibración, representados por una curva de calibración con su valor de incertidumbre asociada. Todos los sistemas de calidad estipulan requerimientos generales de evaluación de desempeño instrumental, tal como: Los instrumentos deben ser apropiados para el uso propuesto, con mantenimiento apropiado y calibrado utilizando patrones nacionales o internacionales. Tales requerimientos no son específicos, ni son claros de como debe ser realizada y documentada la evaluación de desempeño. Dada la natural preocupación de los usuarios acerca de dichos requisitos, es menester en este documento describir los conceptos de la Calificación Instrumental (CE), y un ejemplo de aplicado a un espectrofotómetro de absorción atómica con sistema de atomización de flama. Calificación de instrumental (CE) es: El proceso total de aseguramiento de que un instrumento es adecuado para el uso propuesto y que su funcionamiento está de acuerdo a las especificaciones establecidas por el usuario y el proveedor. [ 2 ]
La verificación es el procedimiento de aseguramiento de calidad, por medio del cual un laboratorio examina que la diferencia entre los parámetros críticos especificados por un instrumento, utilizando Materiales o Patrones de Referencia, sea consistentemente más pequeña que el error permisible por las especificaciones del instrumento [1]. La aplicación de las cuatro etapas variará durante la vida del instrumento. Las etapas CD y CI, es posible que necesiten repetirse si existe un mantenimiento mayor, una modificación en configuración, una actualización, un cambio de ubicación del instrumento, etc. El proveedor debe proporcionar una guía clara sobre lo que el usuario debe realizar, lo que hacen en conjunto y lo que debe realizar sólo el proveedor. El usuario debe establecer la CE necesaria en base a sus requerimientos de calidad. CF y muchos aspectos de CO deben ser realizados durante toda la vida del instrumento, ambas etapas se pueden también describir en forma global en términos de una verificación instrumental. Los procedimientos de la verificación del desempeño del instrumento deben ser descritos en los manuales del instrumento, así como la frecuencia con la cual deben realizarse; si esto no se encuentra descrito en el manual del instrumento, puede ser determinado por la experiencia del operador basándose en las necesidades de calidad del laboratorio y el previo desempeño del instrumento de medición. Como lo solicitan los sistemas de calidad, no es suficiente con hacer las cosas correctamente, debe haber evidencia suficiente y demostrable de la integridad de los datos y validez de los resultados de medición analítica. PROCEDIMIENTO DE CALIFICACIÓN DE EAAF La espectrofotometría de absorción atómica es una técnica de análisis cuantitativo, cuyo principio: es la medición de la radiación absorbida característica del elemento, dicha medición se efectúa al hacer incidir una radiación proveniente de una fuente independiente de luz monocromática específica para el elemento que se pretende medir, midiéndose así por diferencia la radiación absorbida. Prueba CD CI CO CF Exactitud de longitud de onda Resolución Estabilidad de la línea base Concentración característica Velocidad de nebulización x Límite de detección x Tabla 1. Pruebas que corresponden a las etapas del proceso de calificación Fig. 1 Se muestra la relación entre las partes del instrumento contra los parámetros críticos involucrados en CO y CF.
[8] [7] EACTITUD DE LA LONGITUD DE ONDA Exactitud de la longitud de onda es la diferencia máxima, expresada en nanómetros, entre una longitud de onda de referencia y la longitud de onda principal que selecciona el monocromador. Para esta prueba se empleó la lámpara de cátodo hueco de mercurio, que presenta líneas de emisión definidas en intervalos específicos. Las mediciones de longitud de onda son realizadas en función del parámetro de mayor influencia que afecta el resultado de la medición como es el ancho de la rendija. Esta prueba se realiza para evaluar las siguientes longitudes de onda de referencia de mercurio [3] : 253.652, 296.728, 365.015, 404.656, 435.835, 546.074, 576.959, 750.387(Ar) y 811.531(Ar) nm para determinar las posibles desviaciones en esta escala. Una longitud de onda desplazada de la línea de resonancia de referencia, la energía detectada por el instrumento es menor, lo cual incrementa la señal ruido, que afecta tanto en la reproducibilidad como en la exactitud de la medición. Prueba. Se realizó utilizando la lámpara de cátodo hueco de mercurio, de la siguiente manera se evaluaron las longitudes de onda características de cada pico, se realizaron barridos cubriendo el intervalo de tal forma que el pico se observó claramente. Se imprimieron los barridos y se ubicó el valor máximo de cada uno. El criterio para evaluar esta prueba fue: encontrar la diferencia entre el valor de referencia de la línea del mercurio contra el valor obtenido. La alternativa para realizar esta prueba es utilizar la lámpara de cátodo hueco de arsénico, cobre y potasio y los criterios de evaluación: para el intervalo ultravioleta-visible (180 a 450nm) la tolerancia es de ± 0,2 nm, para el intervalo visible (450-800nm) la tolerancia es de ± 0,4nm. RESOLUCIÓN [7] Resolución es la habilidad del espectrofotómetro de distinguir entre dos bandas de absorbancia muy cercanas. La resolución está determinada por el tamaño 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, y está en función de la velocidad de barrido. Una resolución muy baja reduce la altura de los picos limitando la sensibilidad. La baja resolución produce incertidumbres debido a la mayor dependencia entre la altura de los picos y cualquier pequeño cambio de la anchura de la rendija. Prueba. La prueba se realizó utilizando la lámpara de cátodo hueco de manganeso de la siguiente manera: se hizo un barrido de longitud de onda para observar el triplete del manganeso, el cual incluyó las siguientes longitudes de onda 279,5, 279,8 y 280,1 nm. En el barrido se observaron los tres picos. La evaluación se realiza gráficamente. Un valor aceptable es un 30% de la base al valle entre las dos crestas de mayor intensidad. Para las siguientes pruebas, se empleó una lámpara de cátodo hueco de cobre, es debido a que el cobre tiene un espectro muy limpio, es decir no se encuentran líneas de emisión muy cercanas, lo cual hace a este elemento el más recomendado para realizar las pruebas de verificación, así mismo se empleó un material de referencia certificado de 1000 mg/l de cobre, del cual se prepararon una serie de diluciones. Las condiciones de operación seleccionadas fueron longitud de onda de 324.8 nm, ancho de la rendija 0.7 nm, y flama aire acetileno. [5] [7] ESTABILIDAD DE LA LÍNEA BASE La estabilidad es la propiedad de un instrumento de medición de mantener constantes en el tiempo las características metrológicas. La estabilidad de la línea base es una característica muy importante del instrumento, ya que la medición en espectrofotometría de absorción atómica es un método comparativo (es decir, alterna la medición de un material de referencia y una muestra). Si la medición de la línea base es inestable, las condiciones de medición lo afectarán creando mayor error aleatorio en el proceso de medición y dificultando la obtención de datos con un mejor nivel de incertidumbre. Prueba. Se realizó utilizando la lámpara de cátodo hueco de cobre cubriendo las siguiente etapas: Flama Apagada Encendida Plazo Corto Largo Corto Largo
Los plazos fueron definidos considerando el tiempo que normalmente involucra una medición, es decir para corto plazo se definió de 10 minutos y para largo plazo fue de 30 minutos. Para el caso de la prueba de estabilidad con la flama encendida se introdujo al sistema de atomización y una flama de aire-acetileno, agua desionizada. El criterio para evaluar esta prueba ha sido establecido en base a nuestra experiencia de la siguiente manera: el valor absoluto de la suma de la absorbancia mayor y menor, el valor aceptable es el menor posible y es característico del instrumento. Los resultados presentados de esta prueba están basados en estabilidad de la flama encendida, apagada y ambos a largo plazo. CONCENTRACIÓN CARACTERÍSTICA [6] La sensibilidad es la proporción del cambio en la respuesta del instrumento con el cambio en concentración. No obstante, en espectrofotometría de absorción atómica es más comúnmente usada la concentración característica como un parámetro de la respuesta de un instrumento. La concentración característica es la concentración de un elemento (expresada en mg/l) requerida para producir una señal de 1% de absorción (0,0044 unidades de absorbancia). A continuación se muestra la fórmula para calcular la concentración característica (CC): Concentración del estándar x 0,0044 CC = (1) Unidades de absorbancia del estándar Prueba. En una flama de aire-acetileno, se mide 10 veces la disolución de 4 mg/l de cobre, se promedian los resultados obtenidos en unidades de absorbancia, y se substituye el promedio en la fórmula (1) VELOCIDAD DE INTRODUCCIÓN [7] Se verifica midiendo los mililitros de la solución que son introducidos durante un minuto. La velocidad estará determinada de acuerdo a la optimización que se haga del nebulizador utilizado. Un sistema de introducción optimizado nos proporcionará un resultado de una señal de absorción muy estable. Prueba. Se realizó utilizando una probeta de 10 ml con agua desionizada, se midieron los mililitros de solución que fueron introducidos a través del capilar del nebulizador para un sistema de atomización de flama durante un minuto. LÍMITE DE DETECCIÓN [4] Es la concentración del analito cuya respuesta es equivalente a la respuesta promedio del blanco más tres veces la desviación estándar de las mediciones del blanco. El límite de detección está afectado principalmente por la pendiente de la curva analítica y por la desviación estándar relativa de la concentración del blanco. El límite de detección está estrechamente relacionado con el ruido. Un mayor límite de detección indica que el ruido es más alto. Prueba Se prepararon seis estándares de concentraciones tales que cubran el intervalo lineal, se toman 5 lecturas de cada punto. Se prepararon 10 blancos independientes, y se tomaron 10 lecturas de cada uno. Se calculó la concentración del blanco en la curva. Se calculó la desviación estándar. Se sustituyen los valores en la fórmula (2), el valor obtenido es exclusivo del instrumento. RESULTADOS Los resultados presentados son comparados contra las especificaciones del instrumento, donde las hay. Exactitud de longitud de onda El criterio para evaluar esta prueba fue: encontrar la diferencia entre el valor de referencia de la línea del mercurio contra el valor obtenido. Los resultados obtenidos indican el error que el instrumento tiene para seleccionar las longitudes de onda del mercurio. Longitud de onda de referencia [8] nm Valor obtenido nm 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 de cátodo hueco y se evalúa todo el intervalo de longitud de onda lo cual hace un proceso largo, pero más completo Este resultado a su vez es útil para construir una carta de control, con la cual se evalúa el comportamiento del instrumento, así como la optimización que efectúan los usuarios del espectrofotómetro de absorción atómica. Resolución Para la evaluación de esta prueba se emplea el Criterio Rayleigh el cual establece para decir que dos características están resueltas: sugiere un valle de 19 % entre dos líneas igualmente intensas. Ya que este criterio resulta muy estricto, para los espectrofotómetros de absorción atómica, se sugiere que se consulten con el proveedor, y que recomiende el mejor criterio de aceptación. Para evaluar esta prueba, el criterio esta basado en la experiencia del National Research Center For Certified Reference Material (NRCCRM) [6] Valor esperado % Valor obtenido % 30 27.27 Tabla 3. Resolución Valor especificado por el proveedor mg/l Valor obtenido mg/l Intervalo de aceptación 0.077 0.080 0.075-0.092 Tabla 5. Concentración Característica. Velocidad de Nebulización Los resultados de esta prueba son complemento para corroborar que la optimización del instrumento ha sido adecuada, ya que se tienen flujos definidos para solución acuosa la cual se introduce al sistema de atomización, ya que esto repercutirá tanto en la estabilidad de la línea base, también será útil para, evaluar el comportamiento del nebulizador Estabilidad de la línea base Los resultados que se presentan para esta prueba fueron para largo plazo (30 minutos) con la flama encendida y apagada, evaluados de acuerdo al criterio de estabilidad mencionado previamente, los valores de este parámetro determinado para este instrumento son: Flama Valor obtenido ua Encendida 0.001 Apagada 0.001 Tabla 4. Estabilidad de la línea base. Valor especificado por el proveedor ml/min Valor obtenido ml/min <5 4.8 Tabla 6. Velocidad de nebulización Límite de detección Esta prueba involucra la adecuada preparación de las disoluciones para construir la curva de calibración, así como de los blancos independientes. Concentración característica Valor especificado por el proveedor mg/l Valor obtenido mg/l El valor de concentración característica esperado es proporcionado por el fabricante del instrumento, indicando una tolerancia del 20% como intervalo de aceptación. 0.0015 0.00018 Tabla 7. Límite de detección
DISCUSIÓN En la bibliografía se encuentra que cubriendo las pruebas de Concentración característica y Límite de detección se evalúa desempeño del instrumento, pero considerando que para este instrumento sólo aplica la calibración analítica, debemos asegurarnos de llevar a cabo los protocolos de calificación del espectrofotómetro de absorción atómica, ya que es un proceso completo, con el cual se puede demostrar que el instrumento se encuentra operando adecuadamente y que es un proceso que lo puede aplicar durante la vida del instrumento. CONCLUSIONES El protocolo de calificación de instrumentos nos da la oportunidad de tener un respaldo que nos dé la seguridad de que el instrumento esta trabajando dentro de las especificaciones, además por medio de los resultados de la verificación se va conformando un historial del desempeño del instrumento. Es importante que la calificación de instrumentos sea del conocimiento de los proveedores de instrumento, los usuarios de espectrofotómetro de absorción atómica, etc., para apoyar el sistema de calidad, y con ello apoyar en el cumplimiento de los requisitos de acreditación, así como la calidad de las mediciones analíticas que realiza. AGRADECIMIENTOS Q.M. Rocio Arvizu Torres. Jefe de división de Materiales Metálicos. CENAM Q.I. Arquímedez Ruiz Orozco. Metrólogo de la División de óptica de Metrología Física. CENAM Ing. Manuel Ramírez. Ingeniero de Servicio de la Compañía PERKIN ELMER de México S.A. Ing. Manuel García García Químico de aplicaciones de la compañía VARIAN S.A. REFERENCIAS [1] Guía ISO 30. Terms and definitions used in connection with reference materials. International Organization for Standardization. Geneve Switzerland. [2] Development and Application of Guidance on Equipment Qualification of Analytical Instruments, 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 of spectrophotometer of high accuracy. Nota técnica 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 PTR Pretice Hall [5] E-863-82. Standard practice for describing flame atomic absorption spectroscopy equipment. [6] Atomic Absorption spectrometers for measuring metal pollutants in water OIML R100 edition 1991 OIML. International Recommendation. [7] International Training Course of Reference Materials. NRCCRM, 22, National Research Center For Certified Reference Material Beijing China 1995 [8] I.Q.I. Arquímedez Ruíz O. Métodos y pruebas para la caracterización del espectrofotómetro del CENAM.. Los Cués, El Marques, Qro., México. Septiembre 1996.