calificación de operación de espectrofotometros de absorción atómica

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.
Prueba
CD
CI
CO
Exactitud de longitud
de onda
X
Resolución
X
Estabilidad de la línea
base
Concentración
característica
Velocidad de
nebulización
Límite de detección
x
X
X
X
X
X
X
X
x
etapas del proceso de calificación
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”.
CF
X
Tabla 1. Pruebas que corresponden a las
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.
Fig. 1 Se muestra la relación entre las partes del
instrumento contra los parámetros
críticos involucrados en CO y CF.
EXACTITUD DE LA LONGITUD DE ONDA[8] [7]
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.
ESTABILIDAD DE LA LÍNEA BASE [5] [7]
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):
CC =
Concentración del estándar x 0,0044
(1)
Unidades de absorbanci a del estándar
Prueba. En una flama de aire-acetileno, se mide
veces la disolución de 4 mg/L de cobre,
promedian los resultados obtenidos en unidades
absorbancia, y se substituye el promedio en
fórmula (1)
10
se
de
la
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
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
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
Valor especificado por el
Valor obtenido mL/min
proveedor 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.
Tabla 4. Estabilidad de la línea base.
Concentración característica
El valor de concentración característica esperado es
proporcionado por el fabricante del instrumento,
indicando una tolerancia del 20% como intervalo de
aceptación.
Valor especificado por el
proveedor mg/L
Valor obtenido mg/L
0.0015
0.00018
Tabla 7. Límite de detección
DISCUSIÓN
REFERENCIAS
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.
[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.
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.
[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.