Uso de la generación de vapores en la determinación de metales traza por técnicas atómicas

¨USO DE LA GENERACIÓN DE VAPORES EN LA DETERMINACIÓN DE METALES TRAZA POR TÉCNICAS ATÓMICAS¨ Memoria presentada por Julia Villanueva Alonso para optar ao grao de Doutora. Santiago de Compostela,23 decembro de 2011 Asdo Julia Villanueva Alonso DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA NUTRICIÓN E BROMATOLOXÍA E-15872 Santiago de Compostela. España Teléfono 981 591 079 Dna. Pilar Bermejo Barrera, Catedrática de Universidade do Departamento de Química Analítica, Nutrición e Bromatoloxía, e Dna Elena María Peña Vázquez, Profesora Contratada Doutora do mesmo departamento, ambas da Universidade de Santiago de Compostela. Informan Que a presente memoria titulada ¨Uso de la Generación de Vapores en la Determinación de Metales Traza por Técnicas Atómicas¨ que para optar ao Grado de Doutora en Química presenta Dna. Julia Villanueva Alonso, realizouse baixo a nosa dirección no Departamento de Química Analítica Nutrición e Bromatoloxía da Universidade de Santiago de Compostela. Considerando que constitúe traballo de Tese, autorizan a súa presentación na Comisión do Terceiro Ciclo da Universidade de Santiago de Compostela Asdo. Pilar Bermejo Barrera Asdo. Elena María Peña Vázquez DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA NUTRICIÓN E BROMATOLOXÍA E-15872 Santiago de Compostela. España Teléfono 981 591 079 Glosario GLOSARIO AAS Atomic Absorption Spectroscopy AEDT Ácido etilen diamino tetraacético AFS Atomic Fluorescence Spectroscopy AOT Sodium bis(2-ethylhexyl) Sulfosuccinate CCD Charge-coupled device CMA Concomitant Metal Analyzer CMC Critical Micellar Concentration CPE Cloud Point Extraction CTAB Cetyl Trimethylammonium Bromide CV Coeficiente de variación DDAB Dodecyl Trimethyl Ammonium Bromide DDAB didodecyldimethylammonium bromide DDTC Dietil Ditiocarbamato Sódico DHP Dihexadecylphosphate DMA Differencial Mobility Analyzer DMAB Dimethyl amineborane FIAS Flow Injection Analysis Flow Injection Analysis Vapor Generation In Situ Trapping FI-VG-ISTETAAS Electrothermal Atomic Absorption Spectrometry GC-MS Gas chromatography-mass spectrometry GFAAS Grafite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy HG Hydride Generation HRCSAAS High-Resolution Continuum Source Atomic Absorption spectrometry ICP-MS Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry ICPOES Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy LI Líquido iónico LOD Limit of detection LOQ Limit of quantification MALDI/MS Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization-Mass Spectrometry MDFA Miniature Difussion Flame Atomizer MISIS Multimode Sample Introduction System MMQT multiple microflame quartz tube atomizer Glosario GLOSARIO NIST National Institute of Standards and Technology PTFE Politetrafluoroetileno QTAAS Quartz Tube Atomic Absorption Spectrometry RF Radio Frequency, RTIL Room temperature ionic liquids SDBS Sodium Dodecylbenzenesulphonate SDS Sodium Dodecyl sulfate SLS Sodium Lauryl Sulfate SMPS Scanning Mobility Particle Sizer SRM Standard Reference Material TBAB Terc-Butylamineborane TEM Transmision Electron Microscopy THB Tetrahydroborate(III) UCPC Ultrafine Condensation Particle Counter USA United States of America VG Vapor Generation ZW 3 16 Zwittergent Detergent ÍNDICE GENERAL Índice general OBJETIVO................................................................................................................1 I. INTERÉS DE LA GENERACIÓN DE VAPOR COMO SISTEMA DE INTRODUCCIÓN DE MUESTRA 1.1 Generación de vapores metálicos……………………………….............………9 1.2 Evidencias de la generación de vapores metálicos……………………............11 1.3 Naturaleza de las especies generadas y mecanismos de la reacción ……………………………………………………………………………..............11 1.3.1 Mecanismos de reacción: generación de hidruros vs generación de vapor……………………………………………………………………................12 1.3.2 Propiedades de las especies volátiles………………………………..............14 1.3.3 Identificación de las especies volátiles ……………………………..............15 1.4 Instrumentación………………………………………………………..............16 1.4.1 Generación de los vapores metálicos………………………………..............16 1.4.2 Atomización y determinación de los analitos……………………….............27 1.5 Parámetros de operación para la generación de vapores metálicos…………………………………………………………………..............27 1.5.1 Parámetros químicos………………………………………………...............28 1.5.2 Parámetros físicos…………………………………………………...............30 1.5.3 Evolución en el desarrollo de los métodos de generación de vapor………………………………………………………………………............31 1.6 Características analíticas……………………………………………................47 1.7 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………...............50 II. OPTIMIZACIÓN DE UN MÉTODO DE GENERACIÓN DE VAPOR PARA LA DETERMINACIÓN MULTIELEMENTAL DE METALES 1. OBJETIVO ……………………………………………………………............61 2. INTRODUCCIÓN…………………………………………………...................62 2.1 Espectroscopia de Emisión Atómica con Plasma Acoplado Inductivamente…………………………………………………………….............62 2.2 Acoplamiento del sistema de generación de vapor al ICPOES……….............64 2 Objetivo OBJETIVO El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es la búsqueda de la mejora de la sensibilidad en la determinación de elementos traza por Técnicas Espectroscópicas Atómicas desarrollando nuevos métodos de generación de vapor como sistemas de introducción de muestra. Para ello, se estudian todos los parámetros que intervienen en la reacción de generación de las especies volátiles, y en el transporte de las mismas hasta la celda de atomización. Las especies desarrolladas se determinarán usando como sistema de detección la Espectroscopía de Emisión Atómica con Plasma Acoplado por Inducción (ICPOES) y la Espectroscopía de Absorción Atómica de Alta Resolución con Fuente Continua (HRCSAAS). Por último se realizará un primer estudio sobre la identificación de las posibles especies generadas. CAPÍTULO 1 Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra. Índice ÍNDICE 1.1 Generación de vapores metálicos…............….…………………………...……9 1.2 Evidencias de la generación de vapores metálicos…...........………………….11 1.3 Naturaleza de las especies generadas y mecanismos de la reacción … …………………………………………………………………................………..11 1.3.1 Mecanismos de reacción: generación de hidruros vs generación de vapor……………………………………………………………………................12 1.3.2 Propiedades de las especies volátiles………………………………..............14 1.3.3 Identificación de las especies volátiles ……………………………..............15 1.4 Instrumentación………………………………………………………..............16 1.4.1 Generación de los vapores metálicos………………………………..............16 1.4.2 Atomización y determinación de los analitos……………………….............27 1.5 Parámetros de operación para la generación de vapores metálicos…………………………………………………………………..............27 1.5.1 Parámetros químicos………………………………………………...............28 1.5.2 Parámetros físicos…………………………………………………...............30 1.5.3 Evolución en el desarrollo de los métodos de generación de vapor………………………………………………………………………............31 1.6 Características analíticas……………………………………………................47 1.7 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………...............50 Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 9 1.1 Generación de vapores metálicos. La generación de vapor es un proceso mediante el cual analitos volátiles o semi-volátiles son generados a partir de precursores no volátiles (normalmente iónicos, metálicos u organometálicos) para que puedan ser transferidos desde una fase condensada a la fase gas. Durante la última década se investigaron métodos nuevos de generación de vapor, por ejemplo la reducción fotoquímica-alquilación y se realizaron numerosos estudios sobre las técnicas ya existentes como la generación de hidruros y el uso de agentes quelatantes clásicos (carbamatos, cetonas y éteres) para la formación de compuestos volátiles de metales. Por tanto, el número de elementos a los que se puede aplicar esta técnica de introducción de la muestra sigue aumentando. Los dispositivos de generación de vapor clásicos (compuestos por diferentes piezas: un separador, varias piezas en forma de T, tubos de transferencias …) han sido simplificados mediante el uso de dispositivos que combinan reactores cámaras de spray y separadores gas-líquido. Con el uso de métodos de atrapado de los gases antes de su detección (p. ej.: atrapado de vapores en la cámara de grafito, extracción en fase sólida...) se consigue una mejora de la relación señal/ruido. Una técnica de recogida y enriquecimiento que todavía no ha sido bien caracterizada es el atrapado de la fase vapor en agua 1 La generación de hidruros es uno de los métodos de generación de vapores más utilizados. Esta técnica consiste en hacer reaccionar los analitos en medio ácido con una disolución de NaBH4 en medio básico para generar especies volátiles que serán determinadas mediante técnicas de espectroscopía atómica. Desde principios de los años 70, la generación de hidruros fue ganando aceptación y se ha convertido en uno de los métodos más utilizados para el análisis de elementos traza en muestras acuosas. La generación de hidruros es uno de los procedimientos de Capítulo 1 10 derivatización más importantes para la determinación de cantidades traza y ultratraza de arsénico, antimonio, bismuto, selenio, telurio, germanio, estaño y plomo, en combinación con técnicas de espectrometría atómica. Las ventajas de la técnica de generación de hidruros son: a. Alto rendimiento de la reacción. b. Gran eficacia en el transporte de las especies volátiles. c. Separación de los analitos de matrices complejas. d. Gran enriquecimiento de los analitos. e. Posibilidad de especiación. f. Una efectiva introducción de la muestra utilizando dispositivos de inyección en flujo y de flujo continuo. Estos beneficios incrementan la eficacia de las técnicas de detección de espectrometría atómica ya que mejoran la sensitividad y bajan los límites de detección, además de proporcionar una precisión adecuada en las medidas en comparación con la obtenida para la introducción de la muestra por nebulización neumática. Durante los últimos años la utilización de este método ha sido extendida para incluir In y Tl y algunos metales de transición como Ag, Au, Cd, Cu, Ni; aunque algunos de los productos de reacción formados con NaBH4 podrían no ser hidruros. La simplicidad del procedimiento y la posibilidad de llevar a cabo un proceso de derivatización rápido en disolución acuosa hacen que la técnica sea muy útil2. Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 11 1.2 Evidencias de la generación de vapores metálicos. Se sabe que la reacción de NaBH4 con los analitos en medio ácido ocurre de forma instantánea. La descomposición violenta del agente reductor y la liberación de H2 en el sistema de separación provoca que se forme un aerosol que es transportado mediante un gas portador a la fuente de excitación y contribuye a la respuesta de todos los elementos que hay en la mezcla de reacción por igual. En principio, se creía que el transporte de metales durante la generación de hidruros ocurría de esa forma. Para probar la existencia de especies volátiles de los metales de transición, se utilizaron los siguientes métodos: a. Dopar las muestras con la misma cantidad de Mg o Ca (elementos que no forman hidruros) que de metales de transición y hacerlos reaccionar con NaBH4. La diferencia entre las señales obtenidas para el Mg o el Ca y las señales obtenidas para los metales de transición muestra que los metales de transición son transportados al detector en forma de especies volátiles 3,4. b. Reemplazar el NaBH4 por Na2CO3 y comprobar que no hay señales para los analitos, por lo que el transporte que se produce por nebulización neumática es despreciable7. En la actualidad estás pruebas no se consideran válidas porque es posible que lo que se genere sean nanopartículas8. 1.3 Naturaleza de las especies generadas y mecanismos de la reacción. Se desconoce la identidad de la mayoría de las especies volátiles obtenidas en las reacciones de generación de vapores metálicos pero se proponen varias posibilidades. Las especies generadas podrían ser átomos libres o nanopartículas, Capítulo 1 18 También se ha utilizado una pieza en forma de T para generar los vapores que pasan a través de un tubo de teflón a un nebulizador Burgener de camino paralelo modificado unido a una cámara de spray Scott conectada a la antorcha del plasma (Figura 2). El nebulizador tiene dos conductos para introducir Ar; dependiendo del conducto que utilicen puede actuar como un nebulizador normal (generando aerosol) o introducir sólo las especies generadas mediante reacción química. La cámara de spray también ha sido modificada mediante la adición de tres entradas de gas (Figura 3). Un controlador de masa externo regula el flujo de Ar que se introduce a través de cada una; de esta manera examinan la importancia de la eficiencia en el transporte de las especies volátiles.4,10, 12. Fig. 2: Nebulizador Burgener modificado. Fig. 3: Cámara de spray modificada. Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 19 Otro sistema de generación y separación de las especies volátiles consistió en una cámara de spray ciclónica y un nebulizador concéntrico (Figura 4). Las disoluciones acidificadas de la muestra y la disolución de reductor fueron introducidas en dos tubos separados hasta la parte inferior de la cámara de spray donde se produce la reacción. Las especies volátiles y el exceso de hidrógeno generado fueron arrastradas y transportadas directamente a la antorcha del plasma mediante un flujo de Ar portador introducido por la entrada de Ar del nebulizador (el conducto de entrada de muestra del nebulizador fue bloqueado ya que el nebulizador se utilizó sólo para introducir Ar en la cámara ciclónica)5,6,14,15. Fig. 4: Cámara ciclónica y nebulizador concéntrico. Un sistema especial fue el utilizado por C. Moor y col. 3 que consistió en un nebulizador de flujo cruzado modificado (Figura 5). En este estudio determinaron diversos metales mediante HG-ICPMS. Para conseguir una zona de mezcla bien definida para la reacción insertaron un tubo de teflón en el extremo del nebulizador a través del tubo de introducción de muestra, formando así canales concéntricos para la introducción de la muestra y del NaBH4. El volumen de la zona de mezcla fue de 1,6 μL. Añadieron una segunda entrada de gas para poder optimizar el gas Capítulo 1 20 del nebulizador de forma independiente del gas total que entra en el plasma. Controlaron el flujo de Ar en el nebulizador mediante un dispositivo externo. Fig. 5: Nebulizador de flujo cruzado modificado1 Otro sistema de flujo continuo es el utilizado por D. Xu-Chuan y col. 16 (Figura 6). En este estudio determinaron Au, Ag, Cd, Co, Cu, Ni, Sn y Zn mediante VG-ICPOES y VG–ICPMS por reacción con NaBH4. Utilizaron un separador gas líquido fabricado en el laboratorio que se muestra en la figura 6. La muestra y el reductor son arrastrados al separador gas-líquido a través de dos tubos de cristal. Los reactivos se encuentran al llegar al extremo de los tubos y caen al fondo del recipiente. El flujo de Ar fue introducido en el generador a través de la parte inferior de cristal poroso y produciendo burbujas que promueven tanto la mezcla de los reactivos como una gran área de interfase que mejora la salida de los hidruros de la disolución. Para incrementar el flujo de gas portador total se introdujo otro flujo de Ar por la parte superior del separador. Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 21 Fig. 6: Generador de hidruros17. T Matousek y col.8,18-20 determinaron Ag mediante ICPOES y MDFA (miniature difusion flame atomizer) AAS utilizando un sistema de flujo continuo (figura 7). El sistema está compuesto por tres capilares concéntricos; dos de los cuales son inertes (de sílice desactivada fundida y con un diámetro interno 0,25 y 0,35 mm) y por ellos circulan la muestra y el reductor. El tercer capilar fue fabricado de politetrafluoroetileno. Tiene un diámetro interno de 1 mm y sirve para introducir el gas de purga. Los tres capilares fueron introducidos en un separador gas líquido comercial. En algunas ocasiones se utilizó un separador gas-líquido hidrostático que permitió mantener un nivel de líquido estable y añadir otra entrada para el reductor. Cuando la detección se realizó con un ICPOES las especies volátiles fueron arrastradas a la cámara de spray. Se formaron grandes gotas con alto contenido en Na en la interfase entre el sistema de generación de vapor y el plasma. Resolvieron el problema utilizando una cámara de spray de doble paso en Capítulo 1 22 miniatura que permitió eliminar el líquido condensado tanto en la cámara como en el tubo de transferencia sin que se degradase la sensibilidad. Para ello colocaron un filtro de papel en la conexión entre el separador gas líquido y la cámara de spray, de forma que el líquido moja el papel y es expulsado fuera de la cámara de spray. Fig. 7: a) Separador gas-líquido comercial ,b) Separador gas-líquido hidrostático y c) Cámara de spray. P. Smichowski y col. 21-23 determinaron Ni y Zn mediante VG-ICP-OES. Utilizaron un sistema de flujo continuo y un separador gas-líquido en U (figura 8). Los flujos de muestra y reductor fueron de 2 mL min-1. Para evitar la formación de espuma y poder conectar el separador gas-líquido directamente a la antorcha introdujeron perlas de vidrio en la parte inferior del separador. De esa manera consiguieron que la línea de transporte fuese más corta (0,45 m) y evitaron pérdidas. Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 23 Fig. 8: Sistema de generación de especies volátiles. S. Xu y col. 24 determinaron Cu mediante HG-ICPOES. Utilizaron un separador gas-líquido de cristal (60 mm de largo y 20 mm de d. i.) que fue construido en el laboratorio. En él se realiza una primera separación de las especies gaseosas. Además, colocaron en tándem a la primera unidad una segunda unidad más pequeña (20 mm de longitud y 10 mm de d. i.) que evita la formación de aerosol. La longitud óptima del tubo de PTFE utilizado para transferir el vapor generado al ICP-OES fue de 20 cm, el diámetro interno del tubo fue de 1 mm. También se han empleado sistemas discontinuos modo baño (“batch”) para la generación y separación de las especies volátiles. Un sistema de este tipo es el propuesto por A. S. Luna y col. 7que generaron especies volátiles de Ag, Au, Cu y Zn en un sistema discontinuo modo baño (Figura 9). Los analitos fueron determinados mediante GF-AAS. La disolución reductora (30 μL) fue transportada utilizando una bomba peristáltica hasta el separador gas-líquido por la entrada lateral. La muestra (con un volumen de 10-20 μL) fue inyectada directamente sobre el separador utilizando una micropipeta. El gas portador entró en la celda de reacción por la parte inferior. NaBH4 Muestra Bomba Bucle de reacción ICPOES Ar Desagüe Perlas de vidrio Separador gas-líquido NaBH4 Muestra Bomba Bucle de reacción ICPOES Ar Desagüe Perlas de vidrio NaBH4 Muestra Bomba Bucle de reacción ICPOES Ar Desagüe Perlas de vidrio Separador gas-líquido Capítulo 1 24 Fig. 9: Celda de generación de hidruros 25. Utilizaron dos bombas peristálticas: una para introducir NaBH4 en el bucle de 30 μL durante el paso de llenado, y otra para proporcionar aire que arrastró el reductor a la celda de reacción durante la inyección (Figura 10). Válvula Fig. 10: Sistema de generación de especies volátiles. Deshecho NaBH4 Bucle de 30 μ L Bomba encendida Separador Gas-Líquido Aire QTA Bomba apagada Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 25 La longitud y diámetro del tubo de transporte del analito desde el separador gas líquido al atomizador también afectó a la eficiencia del proceso. Decidieron utilizar para todos los experimentos un tubo de PTFE de diámetro interno de 1,64 mm y longitud 23,4 cm. Los sistemas de inyección en flujo fueron menos utilizados inicialmente aunque presentan varias ventajas con respecto a los anteriores: una mayor velocidad de introducción de muestras, un incremento de la precisión, menor tiempo de residencia de la muestra en el sistema y un tiempo de inyección preciso que suprime reacciones laterales 2. El sistema de inyección en flujo que se muestra a continuación, fue utilizado para determinar Au mediante GFAAS. Para reducir el volumen muerto y desgasificar mejor la disolución se llenó el separador gas-líquido utilizado con perlas de cristal. Las especies volátiles son generadas en un reactor (longitud óptima 15cm, d.i. 0,7 mm) y transportadas a un separador gas-líquido fabricado en el laboratorio. Desde el separador gas-líquido son transferidas mediante un tubo de PTFE de 30 cm al plasma o al tubo de grafito. El flujo de Ar del nebulizador fue de 1 L/min. Para mejorar la precisión y la sensitividad acondicionaron el separador gas-líquido haciendo pasar dietilditiocarbamato sódico (DDTC) 26. Otro sistema FIAS 27 con el mismo separador gas líquido descrito en el artículo anterior y una longitud para el tubo de transferencia de 30 cm fue utilizado posteriormente para determinar Au mediante ICPOES y GFAAS. El esquema del sistema de generación de vapor se muestra a continuación (Figura 11): Capítulo 1 26 Fig. 11: Sistema de inyección en flujo (D= desecho). El programa de inyección en flujo constó de 4 etapas: a. En la primera etapa se enjuagó el bucle de 500µL con la muestra. b. En la segunda etapa se rellenó el bucle y la muestra que sobra se desecha. c. En la tercera etapa la muestra que se encuentra en el bucle fue arrastrada por la disolución portadora hasta el bucle de reacción donde al mismo tiempo se introdujo la mezcla de reacción generada que es transportada por un flujo de N2 al separador gas-líquido, en el separador gas-liquido los vapores generados pasan al detector y la fracción líquida se desecha. d. En la cuarta etapa los restos líquidos fueron desechados y se introdujo una nueva muestra. A partir del año 2008 en casi todas las nuevas referencias se emplean sistemas de inyección en flujo: C. Zhang y col 28-30determinaron Au, Ag, Cu y Ni mediante generación de vapor y fluorescencia atómica. Su sistema de generación de vapor fue un sistema Reductor Portador Bomba 1 Muestra N 2 AAS Separador Gas-Líquido Válvula 0.5 mL D D Bomba 2 Reductor Portador Bomba 1 Muestra N 2 AAS Separador Gas-Líquido Válvula 0.5 mL D D Bomba 2 Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 27 de inyección en flujo que incluía dos bombas peristálticas; una de ellas para impulsar la muestra y la otra el reductor y el portador. El bucle de muestra fue de 500 µL y los flujos de portador y reductor de 7 ml/min. Fue necesario utilizar flujos altos de muestra porque al utilizar flujos bajos tuvieron pérdidas por condensación. Después de la válvula de inyección había una T en la que se mezcló la muestra o el portador, el reductor y el flujo de Ar adecuado para cada elemento. El vapor del analito y el hidrógeno que se libera en la reacción fueron conducidos a un atomizador de cuarzo mediante un flujo de Ar controlado por un rotámetro. La mezcla de gases generó una llama por combustión espontánea en la que fueron atomizados los analitos. La llama se mantuvo sin la necesidad de un flujo adicional de hidrógeno. 1.4.2 Atomización y determinación de los analitos Las especies volátiles generadas en cualquiera de los dispositivos anteriores, pueden ser determinadas mediante diferentes técnicas de espectroscopia atómica que incluyen la Espectroscopia de Absorción Atómica con Cámara de Grafito (GFAAS), Espectroscopia de Absorción Atómica con Celda de Cuarzo y Microllama de Difusión (MFDQT-AAS), Espectroscopía de Masas con Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-MS), Espectroscopía de Emisión Óptica con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-OES) y por Fluorescencia Atómica (AFS). 1.5 Parámetros de operación para la generación de vapores metálicos. La efectividad del proceso de generación de vapores metálicos depende tanto de la naturaleza del substrato que contiene al analito como de la naturaleza de las especies de borohidruro. Se requiere una optimización cuidadosa de las Tabla 1: Desarrollo de métodos multielementales de generación de vapor de metales nobles y de transición. Referencia Analitos y técnica de detección. Parámetros Sensibilidad y LODs Características de las especies volátiles Christoph Moor y col. (2000) Cu, Rh, Pd, Ag, In, Au, Hg ,Tl, Pb y Se ICPMS Acidez *[HCl] = 1M, Concentración de reductor *[NaBH4] = 1% (m/v) en NaOH 0,1% (m/v).) Miden metales nobles y de transición en las *condiciones óptimas para la determinación de Se. A. S. Luna y col.7 (2000) Ag, Au, Cu y Zn QTAAS Acidez Au, Cd y Cu : HCl 0,6 M Ag y Zn: HCl 1,2 M Concentración de reductor: [NaBH4] = 1% para Ag, Au, Cu y Zn. [NaBH4] = 0,75% para Cd La sensibilidad fue baja: con límites de detección entre 3,3 mg/L (Ag) y 0,2 mg/L (Cu) Añaden aire al flujo de Ar de arrastre y consideran que el hecho de que halla un Tª óptima de atomización para los diferentes analitos podría ser indicativo de la existencia de especies moleculares. Estudiaron las pérdidas de analito por adsorción en los sitios activos de la superficie del tubo transporte.: doblaron el diámetro interno del tubo y se produjo una disminución de la señal de la Ag de 2,24 veces, doblaron su longitud y se produjo una disminución de la señal de 7,8 veces . Capítulo 1 Tabla 1 (Continuación) Referencia Analito y técnica de detección. Parámetros Sensibilidad y LODs I. Brindle y col. 16(2002) Au, Ag, Cd, Co, Cu, Ni, Sn y Zn VG-ICPOES y VG –ICMS Acidez: Ag, Cu y Au: HNO3 entre 0,6 y 1M. Cd, Co, Ni y Zn: HNO3 0,3 M Cd, Co, Zn y Ni : HCl 0,2M. Ag, Cu y Au: HCl 0,6 M. Reductor [NaBH4] = 1% (m/v) en 0,05% (m/v) de NaOH. La sensibilidad fue muy superior a la obtenida mediante nebulización neumática para todos los elementos exceptuando al Zn (sólo es el doble en este caso). Los LODs de Ag, Au, Cd y Cu son mejores que los que se obtienen utilizando nebulización neumática, pero no tan bajos como la mejora en la sensibilidad hace suponer. Los LODs para Co, Ni, Zn son similares a los que se obtienen utilizando un nebulizador de flujo cruzado. P. Pohl y col.14 (2001) Obtuvieron un incremento de la señal en comparación con la obtenida mediante nebulización neumática de 2,3, 2,0 y 1,1 para Au, Pd y Pt. P. Pohl y col. 15 (2003) Au, Pd, Pt VG ICPOES Acidez HCl 2M Reductor [NaBH4] = 1% (m/v) en 0,05% (m/v) de NaOH. Los límites de detección obtenidos fueron 1,3, 1,5 y 16 ng/mL para Au, Pd y Pt superiores a los que se obtuvieron mediante nebulización: 6,4, 21 y 25 ng/mL P. Pohl y col. 6 (2002) Ir, Os, Rh y Ru VG ICPOES Acidez Rh y Ru: HNO3 0,5 M Reductor [NaBH4] = 1% (m/v) en 0,05% (m/v) de NaOH. No se optimizó el método para el Os porque su intensidad de emisión fue un orden de magnitud inferir a la que se obtiene empleando nebulización neumática. Para el Ir apenas consiguieron señales. Los límites de detección para Rh y Os fueron un orden de magnitud mayores que los que se obtienen al introducir la muestra mediante nebulización Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra Tabla 1 (Continuación) Referencia Analito y técnica de detección. Parámetros Sensibilidad y LODs H. Sun y col. 33 (2004) Zn y Cd AFS Acidez 0,37 M HCl Reductor 2% (m/v) KBH4 Modificadores. 8-hidroxiquinoleína 3mg/L, Co 0,8 mg/L Los límites de detección fueron bajos: 0,01 µg/L para Cd y 2 µg/L para Zn. El incremento de sensibilidad podría deberse a: que el agente complejante varíe la viscosidad y la tensión superficial de la disolución o que forme complejos con enlaces π con los elementos que forman las especie volátiles. Además, el Co podría formar un boruro metálico que podría actúar como catalizador en el proceso de hidrogenación. C. Zhang y col. (2008) 28 Cu, Au y Ag AFS Acidez 0,37 M HCl Reductor 2% (m/v) KBH4 Modificadores. [N bupy][BF4]: -2,5 mg/mL para Cu (II) -entre 2,5 y 3,5 mg/mL para Ag (I) -2,5 mg/mL para Au (III) Los límites de detección obtenidos fueron 19, 15 y 6,3 µg/L para Cu, Ag y Au respectivamente, y una eficacia de la generación de vapor igual o superior a la que se consigue con otros modificadores. Capítulo 1 Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 37 Además del desarrollo de métodos analíticos para determinación de metales cuyo objetivo fue conseguir la mayor eficacia en la introducción de las muestras posible, también se analizaron las propiedades de las especies volátiles y se describieron varios posibles mecanismos de reacción. Y. L. Feng y col. 4,10,12 realizaron un estudio exhaustivo de la reacción de generación de vapor de metales nobles y de transición. Generaron especies volátiles de Pt, Co, Ag, Cu, Rh, Pd, Au, Ni, Ir Ti, y Mn por reacción con NaBH4. Primero optimizaron la concentración y tipo de ácido para cada uno de los metales4. En un trabajo posterior los mismos autores12 investigaron el efecto de las siguientes variables: el material del que está construida la cámara de spray (vidrio o Ryton®), la acidez, la concentración de reductor, el flujo de Ar, el tiempo de mezcla, la estabilidad de las especies volátiles y la geometría de la cámara de spray. Esto les permitió clasificar las especies volátiles en diferentes grupos y subgrupos y posteriormente plantear un mecanismo de reacción para ellas10. Sus resultados se encuentran resumidos en las tablas 4 y 5: Tabla 2: Estudio del mecanismo de la generación de vapor y las propiedades de las especies volátiles formadas. Referencia Analito y técnica de detección Parámetros Características de las especies volátiles Yong-Lai Feng y col 4 (2001) Optimizan la acidez y obtienen valores distintos dependiendo del elemento. Yong-Lai Feng y col10 (2003) Pt, Co, Ag, Cu, Rh, Pd, Au, Ni, Ir, In, Ti, Mn y Zn ICP MS Acidez: Cu, Ti y Zn: HCl 0,25 M Pd y Ag: HNO3 0,5 M Au: HNO3 1,0 M Pt y Rh: HCl 0,5M Co, In, Ir, Hg, Mn, Tl y Cd: HCl 0,1 M Ni: HNO3 0,05 M Rh: HCl 0,5M Pb: HCl 0,01M Concentración de reductor: NaBH4 1% (m/v) en NaOH0,001% Estudian el efecto de las propiedades físico químicas de las superficies de vidrio (con enlaces Si-O) y Ryton® (con enlaces C-SH) en contacto con el medio de generación. Separan los elementos en grupos: El grupo 1: Cu, Pd, Ag, Au, Pt, Co, Ni, Rh y Tl, sufren efecto memoria en la cámara de spray de cristal y su respuesta es independiente del tipo de ácido. El grupo 2: Ti, Mn, Ir y Zn, estos elementos no presentan efecto memoria, dan una mejor señal en la cámara de Ryton y su sensibilidad es independiente del tipo de ácido. El grupo 3 está formado por Cd, In, Hg, Pb que no presentan efecto memoria, presentan una mejor señal en la cámara de spray de cristal y su sensibilidad depende del tipo de ácido utilizado. Estudian también la estabilidad de las especies volátiles dirigiendo la salida del nebulizador hacia una columna de agua acidificada desionizada mediante ósmosis inversa. Más del 99% del analito parece descomponerse lo cual pone de manifiesto la inestabilidad de estas especies. También determinaron el efecto de la posición de la cámara de spray: la sensibilidad se incrementó al colocar la cámara de spray en posición vertical Capítulo 1 Tabla 2 (Continuación) . Referencia Analito y técnica de detección Parámetros Características de las especies volátiles Y. Feng, y col. 12 (2005) Acidez: Cu, Ti y Zn: HCl 0,25 M Pd y Ag: HNO3 0,5 M Au: HNO3 1,0 M Pt y Rh: HCl 0,5M Co, In, Ir, Hg, Mn, Tl y Cd: HCl 0,1 M Ni: HNO3 0,05 M Rh: HCl 0,5M Pb: HCl 0,01M Concentración de reductor: NaBH4 1% (m/v) en NaOH 0,001% (m/v) Modificador : Triton X-100 TM en la muestra 0,05% y el agente antiespumante B 0,01% a la disolución de reductor. Estudian el efecto del surfactante Triton X-100TM:El surfactante produce un incremento de todas las señales menos la de Cd, Pd y Sb., su efecto podría deberse a la interacción con los intermedios de reacción o a que reduzca la tensión superficial promoviendo la liberación de gas. El mecanismo consta de dos reacciones que contribuyen a la formación de especies volátiles: Una primera reacción entre los complejos acuosos del analito (MLn) y las especies del borohidruro (BH4y sus productos de hidrólisis). La segunda reacción se produce entre los intermedios de reacción (formados en su mayoría en la primera reacción y que son quimioabsorbidos por los sitios activos de la superficie) y las especies del borohidruro. Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra Capítulo 1 40 Existen también estudios individuales para determinados metales. Cuando se trabaja con varios elementos al mismo tiempo es necesario adoptar condiciones de compromiso. En generación de vapor casi a cada metal le corresponde una acidez óptima12 por ello, algunos autores centraron su trabajo en un único elemento. En la tabla 3 se hace un breve resumen de aquellos trabajos en los que se consiguen los mejores resultados para cada metal. En general, el control del medio de reacción fue fundamental y para ello se utilizaron ácidos orgánicos24,34, tampones27 y diferentes modificadores24,27,30,35,34. Así, se utilizó DDTC para la determinación de Au 27 y Cu24, CTAB para la determinación de Zn35, un líquido iónico y DDTC para la determinación de Ni30 y ortofenantrolina para la determinación de Cu34. En la determinación de Cu24,34 hay que destacar el uso de ácidos orgánicos. En la determinación de Ni, J. Marrero y col.22 utilizaron un procedimiento diferente: sumergieron el bucle de reacción en un baño de agua a 80 ºC, mejorando así la eficacia de la reacción. Tabla 3: Desarrollo de métodos de generación de vapor para distintos elementos. Referencia Analito y técnica de detección. Parámetros Sensibilidad y LODs Características de las especies volátiles J. Marrero y col.22 (2002) Ni ICPOES Acidez 0,3 M HCl Reductor 1% (m/v) en 0,1% de NaOH Estudiaron las características analíticas del método y obtuvieron un LOD=1,8 ng/mL que disminuyó a 1,1 ng/mL introduciendo el bucle de reacción en un baño de agua a 80ºC. El límite de detección que el que se obtiene mediante nebulización que fue 10 ng/mL Estudian la cinética del proceso y obtienen que el tiempo de vida medio del compuesto formado es T1/2 = 0,99 s-1 H. Sun y col35 (2002) Zn AFS Acidez HCl 0,35 mol/L Reductor KBH4 2% (m/v) Modificador CTAB de 2.5 10-5 mol/L, El uso de CTAB mejoró el LOD para el Zn de 3,9 ng/L (en medio acuoso) a 1,8 ng/L e incrementó la precisión (RSDaq = 2,3%, RSDCTAB = 1,6%). S. Xu y col27 (2005) Au QTAAS y ICPOES Matriz Disolución de ftalato de hidrógeno potásico y NaOH pH=4,2 Reductor NaBH4 0,1 % y NaBEt4 0,01% Modificador DDTC 0,03% La acidez tuvo un efecto marcado en la selectividad, el pH óptimo para la reacción se encuentra en un rango de 2 a 5 (valores de pH próximos a 7 no son adecuados para la generación de vapor). Añadieron 0,03% de dietil carbamato de sodio preparado en 50% etanol a las muestras incrementando 21 veces la sensibilidad. El LOD fue de 2,4 ng/mL . Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra Tabla 3 (Continuación) .. Referencia Analito y técnica de detección Parámetros Sensibilidad y LODs S. Xu y col24 (2005) Cu ICPOES Acidez HAc 0,1 M Reductor NaBH4 0,1 % de en de NaOH 0,03% Modificador DDTC 0,03% LOD= 0,4 μg / L de Cu. Zhang y col.30(2009) Ni AFS Acidez HCl es 0,16 mol/L Reductor KBH41% Modificadores N-butil piridinio 25 mmol/L y dietliditiocarbamato sódico 0,02 % (m/v) El límite de detección fue de 0,65 μg/L el mejor obtenido hasta el momento para este elemento. Zheng C. y col. 34 (2010) Cu GFAAS Acidez Ácido fórmico 1% Reductor NaBH4 1% (m/v) en NaOH 0,1% (m/v) Modificador Ortofenantrolina 0,0005% (m/v) El límite de detección fue de 0,1 µg /L Capítulo 1 Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 43 La plata es el elemento más estudiado y para el que se han realizado mayores avances: se consiguió transportar al atomizador hasta un 33% del analito, se postuló un mecanismo de reacción y se desarrolló una metodología para la identificación de las especies volátiles formadas (Tabla 4). Los autores de los trabajos sobre plata fueron T Matousek col.19 20 y S Musil col. 8,36 . En dichos trabajos se utilizó un mismo sistema de introducción de muestra: un sistema de flujo contínuo con un separador gas líquido hidrostático. Al principio T Matousek y col.19 20 y S Musil y col.8 utilizaron una cámara de spray después del separador gas-líquido pero después dejaron de utilizarla36 para evitar así que la plata se quedase depositada en ella. El rendimiento de la reacción de generación de vapor de Ag y la eficacia en el transporte de las especies volátiles mejoró a lo largo de los años. La adición de 20 mg/L de surfactante tritón X-100 a la muestra 19 incrementó la sensibilidad en más de un orden de magnitud. Posteriormente los mismos autores recubrieron el sistema con Pd aumentando la sensibilidad entre 3 y 4 veces 19. Consiguieron que el límite de detección bajase 17 a 1,4 μg/L 8. Todavía estaba claro que una parte de las especies volátiles se quedaban retenidas en el sistema. Evaluaron en que porcentaje se deposita la plata en las distintas partes del sistema de generación de vapor y encontraron que un 11% de la Ag total se quedaba adherida a la cámara de spray, y por ello, decidieron eliminarla. Como consideran que la Ag se encuentra asociada al aerosol decidieron calentar el tubo de transferencia. Con esos cambios en el sistema consiguieron bajar el límite de deteción de 1,4 μg/L a 1 μg/L. Para explicar la formación de especies volátiles de plata Matousek y col. 19 postularon un mecanismo en dos pasos que se encuentra recogido en la tabla 8. Años más tarde, Musil y col.8 consiguieron analizar Ag volátil mediante microscopía electronica de alta resolución y utilizando un SMPS. Concluyeron que las especies volátiles de Ag son partículas. Posteriormente, los mismos autores36 Capítulo 1 50 1.7 BIBLIOGRAFÍA 1. Sturgeon RE, Guo X, Mester Z. Chemical vapor generation: are further advances yet possible? Analytical and bioanalytical chemistry 2005;382(4):881-883. 2. Pohl P. Recent advances in chemical vapour generation via reaction with sodium tetrahydroborate. Trends in Analytical Chemistry 2004;23(1):2127. 3. Moor C, Lam JWH, Sturgeon RE. A novel introduction system for hydride generation-inductively coupled plasma mass spectrometry: determination of selenium in biological materials. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2000;15(2):143-149. 4. Feng YL, Lam JW, Sturgeon RE. Expanding the scope of chemical vapor generation for noble and transition metals. The Analyst 2001;126(11):1833-1837. 5. Pohl P, Zyrnicki W. On the transport of some metals into inductively coupled plasma during hydride generation process. Analytica Chimica Acta 2001;429(1):135-143. 6. Pohl P, Zyrnicki W. Study of the reaction of Ir, Os, Rh and Ru ions with NaBH 4 in the acid medium by the inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2002;17(7):746-749. 7. Luna AS, Sturgeon RE, de Campos RC. Chemical vapor generation: atomic absorption by Ag, Au, Cu, and Zn following reduction of aquo ions with sodium tetrahydroborate (III). Anal. Chem 2000;72(15):3523-3531. 8. Musil S, Kratzer J, Vobecký M, Hovorka J, Benada O, Matoušek T. Chemical vapor generation of silver for atomic absorption spectrometry Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 51 with the multiatomizer: Radiotracer efficiency study and characterization of silver species. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2009. 9. D'Ulivo A, Mester Z, Sturgeon RE. The mechanism of formation of volatile hydrides by tetrahydroborate (III) derivatization: A mass spectrometric study performed with deuterium labeled reagents. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2005;60(4):423-438. 10. Feng YL, Sturgeon RE, Lam JW, D’Ulivo A. Insights into the mechanism of chemical vapor generation of transition and noble metals. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2005;20(4):255-265. 11. Feng YL, Lam JW, Sturgeon RE. A novel approach to the estimation of aqueous solubility of some noble metal vapor species generated by reaction with tetrahydroborate (III). Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2004;59(5):667-675. 12. Feng YL, Sturgeon RE, Lam JW. Chemical vapor generation characteristics of transition and noble metals reacting with tetrahydroborate (III). Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2003;18(12):1435-1442. 13. Feng YL, Sturgeon RE, Lam JW. Generation of atomic and molecular cadmium species from aqueous media. Anal. Chem 2003;75(3):635-640. 14. Pohl P, Zyrnicki W. Study of chemical vapour generation of Au, Pd and Pt by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2001;16(12):1442-1445. 15. Pohl P, Zyrnicki W. Analytical features of Au, Pd and Pt chemical vapour generation inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2003;18(7):798-801. 16. Duan X, McLaughlin RL, Brindle ID, Conn A. Investigations into the generation of Ag, Au, Cd, Co, Cu, Ni, Sn and Zn by vapour generation and their determination by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry, together with a mass spectrometric study of volatile species. Capítulo 1 52 Determination of Ag, Au, Co, Cu, Ni and Zn in iron. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2002;17(3):227-231. 17. Brindle ID, Alarabi H, Karshman S, Le X, Zheng S, Chen H. Combined generator/separator for continuous hydride generation: application to online pre-reduction of arsenic (V) and determination of arsenic in water by atomic emission spectrometry. The Analyst 1992;117(3):407-411. 18. Matoušek T, D dina J, Vobecký M. Continuous flow chemical vapour generation of silver for atomic absorption spectrometry using tetrahydroborate (iii) reduction—system performance and assessment of the efficiency using instrumental neutron activation analysis. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2002;17(1):52-56. 19. Matoušek T, Sturgeon RE. Surfactant assisted chemical vapour generation of silver for AAS and ICP-OES: a mechanistic study. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2003;18(5):487-494. 20. Matoušek T, Sturgeon RE. Chemical vapour generation of silver: reduced palladium as permanent reaction modifier for enhanced performance. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2004;19(8):1014-1016. 21. Cerutti S, Moyano S, Marrero J, Smichowski P, Martinez LD. On-line preconcentration of nickel on activated carbon prior to its determination by vapor generation associated to inductively coupled plasma optical emission spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2005;20(6):559561. 22. Marrero J, Smichowski P. Evaluation of vapor generation for the determination of nickel by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. Analytical and bioanalytical chemistry 2002;374(2):196202. 23. Smichowski P, Farías S, Arisnabarreta SP. Chemical vapour generation of transition metal volatile species for analytical purposes: Determination of Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 53 Zn by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry. The Analyst 2003;128(6):779-785. 24. Xu S, Sturgeon RE, Guo Y, Zhang W, Zhao H. Chemical Vapor Generation of Cu: Optimization of Generation Media. Annali di chimica 2005;95. 25. Sturgeon RE, Willie SN, Berman SS. Hydride generation-atomic absorption determination of antimony in seawater with in situ concentration in a graphite furnace. Analytical Chemistry 1985;57(12):2311-2314. 26. Ma H, Fan X, Zhou H, Xu S. Preliminary studies on flow-injection in situ trapping of volatile species of gold in graphite furnace and atomic absorption spectrometric determination. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2003;58(1):33-41. 27. Xu S, Sturgeon RE. Flow injection chemical vapor generation of Au using a mixed reductant. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2005;60(1):101-107. 28. Zhang C, Li Y, Cui XY, Jiang Y, Yan XP. Room temperature ionic liquids enhanced chemical vapor generation of copper, silver and gold following reduction in acidified aqueous solution with KBH 4 for atomic fluorescence spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2008;23(10):1372-1377. 29. Zhang C, Li Y, Wu P, Jiang Y, Liu Q, Yan XP. Effects of roomtemperature ionic liquids on the chemical vapor generation of gold: Mechanism and analytical application. Analytica Chimica Acta 2009;650(1):59-64. 30. Zhang C, Li Y, Wu P, Yan XP. Synergetic enhancement effect of ionic liquid and diethyldithiocarbamate on the chemical vapor generation of Capítulo 1 54 nickel for its atomic fluorescence spectrometric determination in biological samples. Analytica Chimica Acta 2009. 31. Burguera JL, Burguera M. Analytical applications of organized assemblies for on-line spectrometric determinations: present and future. 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Journal of Analytical Atomic Spectrometry;25(10):1618-1626. 37. Du X, Xu S. Flow-injection chemical vapor-generating procedure for the determination of Au by atomic absorption spectrometry. Fresenius'Journal of Analytical Chemistry 2001;370(8):1065-1070. 38. Erta G, Ataman OY. Electrothermal atomic absorption spectrometric determination of gold by vapor formation and in situ trapping in graphite tubes. Applied spectroscopy 2004;58(10):1243-1250. Interés de la generación de vapor como sistema de introducción de muestra 55 39. Li Z. Studies on the determination of trace amounts of gold by chemical vapour generation non-dispersive atomic fluorescence spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2006;21(4):435-438. 40. Chuachuad W, Tyson JF. Determination of cadmium by flow injection atomic absorption spectrometry with cold vapor generation by a tetrahydroborate-form anion-exchanger. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2005;20(4):273-281. 41. Matsumoto A, Kobata T, Nakahara T. Determination of cadmium in polyethylene by analytical atomic spectrometry with gas-phase sample introduction technique. Microchemical Journal 2004;76(1-2):43-51. 42. Ritschdorff ET, Fitzgerald N, McLaughlin RLJ, Brindle ID. The use of a modified Multimode Sample Introduction System for the simple and rapid determination of cadmium by chemical vapour generation atomic absorption spectrometry. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2005;60(1):139-143. 43. Sturgeon RE, Liu J, Boyko VJ, Luong VT. Determination of copper in environmental matrices following vapor generation. Anal. Chem 1996;68(11):1883-1887. CAPÍTULO 2 Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. Índice ÍNDICE 1. OBJETIVO …………………………………………………….........………...61 2.INTRODUCCIÓN……………………….……………………….......................62 2.1 Espectroscopia de Emisión Atómica con Plasma Acoplado Inductivamente…………………………………………………………….............62 2.2 Acoplamiento del sistema de generación de vapor al ICPOES……….............64 2.3 Parámetros que afectan a la generación de vapor………….….….……...........65 3. PARTE EXPERIMENTAL…………………………………………….............66 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS………………………………………..............66 3.1.1 Aparatos…………………………………………………………….............66 3.1.2 Material ……………………………………………………………............67 3.1.3 Reactivos……………………………………………………..……..............68 3.1.4 Limpieza del material…………………………………………....................69 3.1.5 Procedimiento experimental…..……………………………….....................69 3.2. RESULTADOS…………………………………………………....................72 3.2.1 Experimentos iniciales………………………………………........................72 3.2.2 Desarrollo del método de determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn mediante HG-ICPOES………………………………………….............................83 3.2.3 Características analíticas…………………………………….......................108 3.2.4 Ampliación del método: Determinación de Sn……………….....................110 3.2.5 Estudio de interferencias…………………………………….......................111 3.3 DISCUSIÓN………………………………………………….......................117 4. CONCLUSIONES……………………………………………….....................123 5. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………….......................126 Capítulo 2 66 Los parámetros químicos que influyen en la generación de vapor son: la acidez de las muestras (0,2-2M), la concentración de NaBH4 (0,1-2 %) utilizando NaOH como estabilizante en concentraciones 0,004–2% (m/v) y la presencia y concentración de surfactantes y/o agentes quelatantes. Los parámetros físicos son: la temperatura, flujo de muestra (0,8 mL/min-7,4 mL/min), flujo de gas portador (0,021 L/min-0,631 L/min), el flujo de reductor (0,75 mL/min-4,8 mL/min), las dimensiones del tubo que transfiere la muestra del separador gas-líquido al ICP (10 cm-50cm), las dimensiones del bucle de reacción, el volumen de muestra, la forma y material del que está compuesto el separador gas-líquido y la relación entre el flujo de muestra y el flujo de reductor (entre 0,8 y 2, normalmente 1)2. En este trabajo se utilizó la 8-hidroxiquinoleína y el Co para incrementar el rendimiento de la generación de vapor. La razón de este incremento es todavía desconocida; podría deberse a que mejoran propiedades como la tensión superficial o a la formación de complejos con enlaces π que favorecen la reacción con el reductor. Estos reactivos fueron utilizados para mejorar la determinación conjunta de Cd y Zn6 y fueron empleados aunque sin resultados para mejorar la determinación de Au7. 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS 3.1.1 Aparatos. Espectrómetro de emisión óptica con fuente de plasma de acoplamiento inductivo (ICPOES).- Se ha empleado un espectrómetro de emisión óptica con fuente de plasma de acoplamiento inductivo modelo Óptima 3300 DVTM (Perkin Elmer, Norwalk, EEUU). El equipo incluye una bomba peristáltica de tres canales Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 67 controlada informáticamente y se le ha acoplado un sistema de generación de hidruros. También se emplea la bomba peristáltica (Gilson, Villius, Francia). Los datos obtenidos fueron exportados a una hoja de cálculo de Microsoft® Excel 2000 (Microsoft Iberico SRL, Madrid, España) para su tratamiento. La optimización del método se realizó utilizando el programa Stat Graphics Plus 5.0 (Statistical Graphics Corporation, Meryland, USA). 3.1.2 Material Sistema de generación de hidruros.- Presenta conexiones hechas de PTFE de 0,5 mm de diámetro interno, incluyendo un bucle de reacción de 100 L μ . El separador gas líquido de membrana (Perkin Elmer, Norwalk, USA) utilizado en los primeros experimentos fue substituído por un separador gas /líquido de vidrio de salida forzada (diseñado en el laboratorio). Los hidruros son transportados hasta la base de la antorcha del plasma a través de un tubo de PTFE de 60 cm de longitud y diámetro interno 0,5mm. Los flujos de los sistemas en línea se controlan variando el diámetro interno de los tubos de Tygon® empleados en las bombas peristálticas. En este trabajo se emplearon los siguientes tubos: color azul-amarillo (diámetro interno 1,52 mm) para la muestra y el reductor, color negro-blanco (diámetro interno 3,18 mm) para el desagüe. Micropipetas.- De volumen variable (Socorex, Lausanne, Suiza) con puntas desechables. Material diverso de laboratorio.- De vidrio o polietileno, para preparar o almacenar disoluciones y muestras. Capítulo 2 68 3.1.3 Reactivos Agua milliQ .- Todas las disoluciones fueron preparadas con agua ultrapura de resistividad específica de 18 MΩ. cm obtenida utilizando un sistema de purificación milliQ ( Millipore corporation, Massachussets, EE UU). Ácido Nítrico 69% Hiperpur, Panreac, Barcelona, España Ácido Clorhídrico 35% Hiperpur , Panreac, Barcelona, España. Disolución patrón de Ag de 1000 μg/mL en HNO3 0,5 mol/L, Spectrosol®, BHD, Poole, Reino Unido. Disolución patrón de As (AsCl3) 1000 μg/mL en HCl 0,5 N, para espectroscopia atómica BHD, Poole, Reino Unido. Disolución patrón de Au de 1000 μg/mL en HCl M, Fluka, Steimhein, Suiza. Disolución patrón de Cd ( Cd(NO3)2.4H2O) 1000μg/mL en HNO3 0,5 mol/L, Merk, Darmstadt, Alemania. Disolución patrón de Cr (Cr(NO3)3) 1000μg/mL en HNO3 0,5 mol/L, Merk, Darmstadt, Alemania. Disolución patrón de Co (CoCl2) 1000μg/mL en HCl 0,5 N, BHD, Poole, Reino Unido. Disolución patrón de Cu 1000 μg/mL en HNO3 2%, estándar para Espectroscopia Atómica, Perkin Elmer, Norwalk, USA. Disolución patrón de Ga 1000 μg/mL en HNO3 2%, estándar para Espectroscopia Atómica, Perkin Elmer, Norwalk, USA. Disolución patrón de Ni 1000 μg/mL en HNO3 0,5 mol/L, disolución estándar, Spectrosol®, BDH, Poole, Reino Unido. Disolución patrón de Fe 1000 μg/mL en HNO3 2%, estándar para Espectroscopia Atómica, Perkin Elmer, Norwalk, USA. Disolución patrón de Ga 1000 μg/mL en HNO3 2%, estándar para Espectroscopia Atómica, Perkin Elmer, Norwalk, USA. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 69 Disolución patrón de Hg 1000 μg/mL en HNO3 1N, Panreac, Barcelona, España. Disolución patrón de In 1000 μg/mL en HNO3 2%, estándar para Espectroscopia Atómica, Perkin Elmer, Norwalk, USA. Disolución patrón de Mn 1000 μg/mL en HNO3 1N, Panreac, Barcelona, España. Disolución patrón de Mo (Mo7(NH4)6) 1000 μg/mL, Panreac, Barcelona, España. Disolución patrón de Ni 1000 μg/mL en HNO3 0,5 mol/L, disolución estándar, Spectrosol®, BHD, Poole, Reino Unido. Disolución patrón de Sb(V) de 100,065 μg/mL.- Preparada disolviendo 0,2166 g de K[Sb(OH)6] para análisis (Aldrich Chemical, Milwake, USA) en 100mL de agua ultrapura. 3.1.4 Limpieza del material El material utilizado fue enjuagado con agua milliQ y se mantuvo en ácido nítrico al 10% durante 48 horas. Después se volvió a enjuagar con agua milliQ y se almacenó seco y protegido. Este protocolo de limpieza se utilizó durante toda la tesis. 3.1.5 Procedimiento experimental 3.1.5.2 Determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn mediante HG-ICPOES. Se prepararon las disoluciones patrón para los distintos elementos añadiendo concentraciones de 1 mg/L de Co y 8-hidroxiquinoleína de 38,6 mg/L y fueron acidificadas con una concentración de HNO3 0,43 mol/L. Capítulo 2 70 La reacción de generación de hidruros se llevó a cabo mezclando la muestra acidificada con la disolución alcalina de NaBH4 de concentración 2,2% en NaOH 0,4%; los reactivos son impulsados mediante la bomba peristáltica Óptima (Perkin Elmer) y se mezclan en el bucle de reacción. La muestra y el reductor circularon con un flujo de 3,2 mL/min. La mezcla pasa a un separador gas-líquido (diseñado en el laboratorio) desde donde las especies volátiles serán arrastradas al plasma por una corriente de Ar de 0,74 L/min. La fracción final es desechada. El flujo de desecho fue de 7,7 mL/min. Las longitudes de onda de medida para cada elemento, así como los parámetros instrumentales de funcionamiento del ICPOES se encuentran en la tabla 1: Tabla 1: Condiciones de operación y parámetros del ICP-OES. λAg (nm) λAg(nm) λAg (nm) λAu(nm) λAu(nm) λCd (nm) λCd (nm) λCu(nm) λCu (nm) λNi(nm) λNi (nm) λZn(nm) λZn(nm) Potencia de RF del ICP (W) Ag 328,068 Ag 338,289 Ag 343,778 Au 242,795 Au 267,595 Cd 214,440 Cd 226,502 Cu 324,752 Cu 327,393 Ni 231,604 Ni 232,003 Zn 202,548 Zn 213,857 Flujo de Argon del Plasma (L min-1) 15 Flujo de Argon de arrastre (L min-1) 0,74 Flujo auxiliar de Argon (L min-1) 0,5 Altura de la antorcha (mm) 15 Modo de medida Axial Flujo de gas de purga Normal Tamaño de rendija Normal Retraso en la lectura (s) Replicas Tiempo de integración de (s) 45 5 5 Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 71 Para comparar los resultados obtenidos cuando se introduce la muestra mediante generación de vapor y nebulización se empleó la cámara ciclónica y el nebulizador Gem Cone (PerkinElmer). También se introdujo la muestra mediante nebulización convencional. Para ello se empleó un flujo de muestra 1,5 mL/min y los mismos parámetros para el ICP que los empleados para la generación de los vapores. Los datos obtenidos fueron exportados a una hoja de cálculo de Microsoft Excel para su posterior tratamiento. Capítulo 2 72 3.2. RESULTADOS 3.2.1 Experimentos iniciales. 3.2.1.1 Primer experimento multielemental. Como primera aproximación a la generación de vapores metálicos a partir de disoluciones acuosas se realizó un diseño de Screening 2 6-2 cuarta parte de un diseño factorial completo. Los factores estudiados fueron: la concentración de HCl (valores 0,2 ó 2 M), la concentración de NaBH4 (0,2-2%), el flujo de reductor (1,2 mL/min ó 2,4 mL/min), el volumen del bucle de reacción (250 ó 1000 µL) y el flujo de Ar (0,6 ó 1,2 mL/min). La muestra circuló con un flujo de 4 mL/min. En cada experimento se realizaron dos medidas del blanco y dos medidas de disolución patrón para poder así hallar la intensidad corregida para cada elemento. Los patrones contenían 1 mg/L de Ag, Au, Co, Cr, Cu, Ga, In, Mn, Mo, Ni, Zn, y V, 0,5 mg/L de Pb y Cd y 0,1 mg/L de Hg y Sn. (la adición de Sn y Hg a los patrones se realizó para comprobar que el sistema estaba funcionando correctamente y evitar errores debidos a pérdidas de las especies volátiles). Los datos del diseño de screening se muestran en la tabla 2. Al realizar los experimentos 7 y 8 (tabla 2) se formó un precipitado que recubrió los tubos desde el bucle de reacción hasta el separador gas líquido de membrana. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 73 Tabla 2: Diseño de Screening 26-2: Cuarta parte de un diseño factorial de 2 6 factores. Exp. HCl NaBH4 Flujo NaBH4 (mL/min) Bucle (µL) T/ºC Flujo Ar (mL/min) 1 0,2 0,2 1,2 250 20 0,6 2 2 0,2 1,2 250 50 0,6 3 0,2 1,4 1,2 250 50 1,2 4 2 1,4 1,2 250 20 1,2 5 0,2 0,2 2,4 250 50 1,2 6 2 0,2 2,4 250 20 1,2 7 0,2 1,4 2,4 250 20 0,6 8 2 1,4 2,4 250 50 0,6 9 0,2 0,2 1,2 1000 20 1,2 10 2 0,2 1,2 1000 50 1,2 11 0,2 1,4 1,2 1000 50 0,6 12 2 1,4 1,2 1000 20 0,6 13 0,2 0,2 2,4 1000 50 0,6 14 2 0,2 2,4 1000 20 0,6 15 0,2 1,4 2,4 1000 20 1,2 16 2 1,4 2,4 1000 50 1,2 Por otra parte, se realizaron medidas de blancos y patrones utilizando un nebulizador convencional Gem Cone y la cámara de spray ciclónica. Los flujos de muestra y desagüe utilizados fueron de 1,5 mL/min. Esto permitirá comparar la sensibilidad que se obtiene introduciendo los metales mediante generación de vapor y la sensibilidad que se obtiene introduciendo los metales mediante nebulización convencional. En la tabla 3 aparecen reflejados las mejores intensidades corregidas obtenidas para cada metal obtenidas mediante generación de hidruros, que se corresponden con los experimento 7, 8 y 4. Se incluyen también, los valores de intensidad corregida que se obtuvieron utilizando la cámara ciclónica y el nebulizador y en la última columna la relación entre las intensidades calculada dividiendo la intensidad corregida obtenida para cada elemento obtenida mediante nebulización convencional entre la intensidad corregida obtenida haciendo reaccionar los analitos con NaBH4. Los valores fueron en todos los casos peores al Capítulo 2 74 introducir los elementos mediante generación de vapor y muy inferiores a los que aparecen en la bibliografía. Tabla 3: Relación entre las señales obtenidas empleando nebulización convencion a y generación de vapor (considerando el mejor valor obtenido). Elemento λ Línea estudiada (nm) Exp. IVG* IN** IN/ICVG Ag 243,778 7 34,6 629,8 18,2 Ag 328,068 8 1223,7 24362,6 19,9 Ag 338,289 Au 208,209 8 18,8 158,6 8,5 Au 242,795 8 224,5 2779,4 12,4 Au 267,595 1350,7 Cd 214,440 7 957,7 13829,7 14,4 Cd 226,502 7 769,0 10989,4 14,3 Cd 228,802 Co 228,616 7 42,0 4952,3 117,9 Co 230,786 7 49,9 5657,4 113,4 Co 238,892 7 84,2 9889,2 117,5 Cr 205,560 4 11,4 5 1,3 Cr 267,716 7 186,6 14030,7 75,2 Cr 283,563 7 88,8 21238,4 239,1 Cu 224,700 8 122,0 2566,6 21,0 Cu 324,752 7 1209,0 29220,0 24,2 Cu 327,393 7 682,2 19439,5 28,5 Fe 238,204 7 46,0 7174,0 156,0 Fe 239,562 7 70,8 8462,6 119,6 Fe 259,939 7 102,9 17493,6 170,0 Ga 209,134 2 11,5 21,7 1,9 Ga 294,364 3 40,0 3824,8 95,7 Ga 417,206 4 285,7 7297,7 25,5 Hg 194,168 3 5220,6 528,1 Hg 253,652 3 19564,4 -1378,7 Hg 404,656 1 20555,1 16074,6 In 230,606 7 65,4 1741,7 27 In 303,936 7 48,0 630,7 13 In 325,609 7 69,5 3370,3 49 Mn 257,610 Mn 259,372 Mn 260,568 7 7 7 334,1 438,5 201,6 131697,3 126153,9 85666,4 394 288 425 IVG* es la intensidad corregida obtenida utilizando hidruros. IN**es la intensidad corregida obtenida utilizando nebulización convencional. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 75 Tabla 3 (Continuación) Elemento λ Línea estudiada (nm) Exp. IVG I N ICVG/IN Mo 202,031 Mo 203,845 Mo 204,597 7 7 4 30,9 17,1 11,4 1443,6 690,2 824,6 47 40 72 Ni 221,648 7 35,5 2894,2 81 Ni 231,604 7 104,6 6409,1 61 Ni 232,003 7 20,8 2838,2 136 Pb 217,000 1 42,4 141,0 3 Pb 220,353 7 72,7 1171,4 16 Pb 261,418 4 64,7 2150,8 33 Sn 189,927 7 22368,0 117,3 Sn 235,485 7 28510,7 951,0 Sn 283,998 7 62401,3 11414,9 V 290,880 7 34,0 26103,7 767 V 309,310 7 155,7 65951,0 424 V 310,230 7 1192,1 62082,7 52 Zn 202,548 7 38,4 12106,2 315 Zn 206,200 7 104,1 5800,0 56 Zn 213,857 7 145,1 2045,9 14 Como tras la realización del primer diseño de experimentos no se obtuvo una buena sensibilidad, se realizaron estudios sobre otros parámetros del sistema que podrían estar disminuyendo las señales. El primer factor adicional que se tuvo en cuenta fue la presencia de precipitado, posteriormente se redujo la longitud del tubo de transferencia, se redujo el número de metales y se estudió la influencia del tipo de separador gas-líquido. Al mismo tiempo, se continuaron evaluando los parámetros recogidos en el primer diseño. 3.2.1.2 Influencia de la formación de precipitado. El mecanismo de generación de hidruros para metales nobles y de transición es todavía desconocido, una aproximación general simplificada de este mecanismo es: Capítulo 2 82 Bucle 100 μL Flujo de Ar Muestra NaBH 4 NaOH Bomba (Perkin Elmer) Desagüe ICPOES Bomba (Gilson) Separador Gas – Líquido Vidrio a) b) c) Fig. 2 : a) Representación esquemática del sistema de generación hidruros; b) Separador gaslíquido de vidrio; c)Separador gas-líquido de membrana. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 83 3.2.2 Desarrollo del método de determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn mediante HG-ICPOES. Debido a los malos resultados que se habían obtenido hasta el momento para la generación de hidruros metálicos, se decidió optar por no disolver los precipitados formados en los tubos de reacción y en vez de eso actuar sobre el medio de reacción. Se tomó como referencia el método de H. Suo y S. Shu 6 para la determinación de Zn y Cd mediante inyección en flujo y fluorescencia atómica en el que utilizan oxina (8-hidroxiquinoleína) como agente complejante y el Co para recubrir el bucle de reacción. En esta ocasión no se utilizó ningún sistema de limpieza del precipitado ya que estropearía el recubrimiento. Posteriormente se realizaron pruebas separando los metales en dos grupos: elementos que no precipitan y elementos que precipitan. Se obtuvieron señales de emisión mejores para los metales que precipitan que son: Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn. Se llevó a cabo una optimización sistemática de todos los parámetros de influencia en la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn. Se busca maximizar las intensidades corregidas para cada metal y obtener la combinación de factores que proporciona los mejores valores de intensidad corregida para su determinación conjunta. Para ello se empleó el diseño de experimentos. 3.2.2.1 Selección de variables influyentes: Diseño de Screening factorial 26-2. Como aproximación se han realizado 16 experimentos correspondientes a la cuarta parte de un diseño factorial 2 6-2 con dos experimentos en el centro del diseño. Este tipo de diseño se denomina diseño de screening (barrido) y permite decidir qué factores presentan una influencia significativa. Los puntos en el centro del diseño son experimentos en los que se trabaja con los factores continuos a un Capítulo 2 84 nivel intermedio (ver experimentos 1 y 18) y sirven para revisar la curvatura de los modelos en diseños de screening. El diseño tiene 4 grados de libertad que son el número de comparaciones independientes que se encuentran disponibles para estimar un parámetro específico. Para un modelo ajustado, los grados de libertad se calculan como el número de observaciones independientes menos el número de parámetros estimados. Se trata de un diseño de resolución IV; esto significa que los efectos principales no están confundidos entre sí ni tampoco con interacciones de segundo orden pero estas últimas están confundidas entre sí. Los factores estudiados fueron: la concentración de borohidruro sódico (rango 1-2 %), la concentración de Co (rango 1-3 μg/L), la concentración de oxina (rango 20-200 mg/L), el flujo de Ar (rango 0,6-1,2 L/min), el tipo de ácido (HCl o HNO3) y la concentración de ácido (rango 0,35-0,45M). Todos los datos del diseño se encuentran en la tabla 8. La concentración de cada metal utilizada para calcular las intensidades corregidas fue 1,5 mg/L Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 85 Tabla 8 : Diseño factorial 2 6-2con dos experimentos en el centro del diseño. Exp. [NaBH4] (%) [Co] (μg/L) [ Oxina] (μg/L) Ar (L/min) Tipo de ác. [Ácido] (M) 1 1,5 2 110 0,9 HCl 0,4 2 1 1 20 0,6 HCl 0,35 3 2 1 20 0,6 HNO3 0,35 4 1 3 20 0,6 HNO3 0,45 5 2 3 20 0,6 HCl 0,45 6 1 1 200 0,6 HNO3 0,45 7 2 1 200 0,6 HCl 0,45 8 1 3 200 0,6 HCl 0,35 9 2 3 200 0,6 HNO3 0,35 10 1 1 20 1,2 HCl 0,45 11 2 1 20 1,2 HNO3 0,45 12 1 3 20 1,2 HNO3 0,35 13 2 3 20 1,2 HCl 0,35 14 1 1 200 1,2 HNO3 0,35 15 2 1 200 1,2 HCl 0,35 16 1 3 200 1,2 HCl 0,45 17 2 3 200 1,2 HNO3 0,45 18 1,5 2 110 0,9 HNO3 0,4 Capítulo 2 86 Las intensidades corregidas obtenidas en los experimentos se muestran en las tablas 9 y 10: Tabla 9: Variables de respuesta para las dos líneas principales de Ag, Au y Cd Intensidades corregidas Exp. Ag 328,068 nm Ag 338,289 nmAu 242,795 nmAu 267,595 nmCd 214,440 nm Cd 2 26,502 nm 1 4067,0 1452,5 1468,3 762,4 5938,3 4983,8 2 11801,0 4160,2 3083,5 1580,3 7907,9 6573,6 3 479,4 167,8 4737,4 2463,2 12301,3 10010,5 4 310,3 125,2 2801,7 1459,1 34409,8 27866,9 5 4932,4 1774,6 2005,3 1026,1 5597,7 4405,8 6 324,5 107,9 1350.5 662,3 34432,8 27734,1 7 6392,2 2262,9 1785,0 892,9 6233,3 4833,3 8 2565,3 936,8 1526,3 786,0 4517,1 3802,0 9 494,2 175,3 2290,3 1183,5 5825,7 4806,0 10 2293,8 831,9 553,3 334,4 1499,4 1498,5 11 264,8 102,0 2116,3 1245,3 3855,6 3893,4 12 128,0 45,2 969,2 575,9 1412,1 1475,9 13 1063,7 400,8 480,1 278,0 630,5 641,4 14 140,5 56,2 427,3 255,2 981,3 1020,9 15 1254,6 431,7 448,3 275,0 722,2 745,6 16 1394,3 552,0 481,5 286,0 2204,8 2219,1 17 319,8 121,3 1291,1 744,1 6540,5 6495,7 18 495,6 166,2 3531,1 1897,3 18709,2 16049,7 Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 87 Tabla 10: Variables de respuesta para las dos líneas principales de Cu, Ni y Zn. Intensidades corregidas Exp. Cu 324,752 nm Cu 327,393 nm Ni 231,604 nm Ni 232,003 nm Zn 202,548 nm Zn 213,857 nm 1 4748,3 3086,2 485,4 1043,6 3628,8 3178,6 2 9953,0 6433,5 858,5 1846,1 7714,4 6676,7 3 15303,0 9914,9 1735,7 3657,1 12684,0 11056,4 4 10426,0 6758,3 738,8 1562,0 3527,0 2899,1 5 4085,5 2657,2 640,2 1316,1 5960,1 4739,6 6 6787,9 4394,6 237,0 485,5 915,8 746,4 7 6082,0 3918,4 593,9 1208,9 4433,6 3482,5 8 4235,1 2739,5 351,1 762,2 2131,9 1885,6 9 6646,9 4283,9 783,8 1638,6 3599,2 3111,0 10 2535,0 1644,1 129,2 299,5 818,1 1314,1 11 7518,6 4889,6 593,3 1354,8 2191,0 3446,8 12 6330,7 4109,1 229,3 520,6 794,6 1533,5 13 2975,0 1878,5 115,1 257,7 545,3 1001,7 14 2742,5 1792,6 86,1 205,1 202,4 391,5 15 2459,5 1653,6 131,2 287,1 398,8 735,0 16 1604,6 1057,6 59,7 144,5 333,9 524,0 17 8593,5 5577,7 222,5 500,9 966,5 1477,0 18 16768,0 10837,0 1113,3 2433,8 5006,0 4802,0 Capítulo 2 88 El coeficiente de ajuste del modelo R2 estadístico indica que el modelo explica la variabilidad de la intensidad corregida para un determinado metal en el porcentaje que se muestra en la tabla 11. El R2 ajustado para los grados de libertad es más adecuado para comparar modelos con diferente número de variables independientes y tiene un valor menor. Tabla 11: R2 considerando los efectos de orden 1 y orden 2. Efectos principales Efectos de Orden 2 Elemento, λnm R2 / % R2 (ajustado para g.de l.) / % R2 / % R2 (ajustado para g. de l.) / % Ag 328,068 64,4 44,9 97,3 76,0 Ag 338,289 64,8 45,6 94,3 75,7 Au 242,795 74,2 60,1 91,2 62,4 Au 267,595 71,9 56,6 90,4 53,7 Cd 214,440 70,0 53,6 97,7 90,3 Cd 226,502 69,8 56,4 97,2 90,0 Cu 324,752 59,9 38,0 77,0 2,3 Cu 327,393 59,9 38,0 77,2 2,9 Ni 231,604 73,3 58,8 91,3 63,0 Ni 232,003 72,01 56,34 90,4 59,0 Zn 202,548 72,94 58,17 97,3 88,5 Zn 213,857 71,06 55,27 97,1 87,8 Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 89 Se realizó un estudio de las cartas Pareto para los efectos principales y las interacciones de orden dos para las dos líneas más sensibles de cada uno de los metales. Cada carta Pareto muestra el valor de los efectos estimados en orden decreciente de magnitud. La longitud de cada barra es proporcional al efecto estandarizado que es el efecto estimado dividido por su error estándar. La línea vertical permite decidir que efectos son estadísticamente significativos al nivel de confianza del 95%. En las figuras 3-8 se encuentran las cartas Pareto para los diferentes metales estudiados. Carta Pareto para Ag 328, 068 nm Efecto estandarizado + - 01234 F:[ácido] A:NaBH4 C:oxina B:Co D:Ar E:tipo a Carta Pareto para Ag 328, 068 nm Efecto estandarizado + - 0123456 AD+EF F:[ácido] A:NaBH4 AE+BC+DF BF+CD C:oxina AB+CE BD+CF B:Co AC+BE AF+DE D:Ar E:tipo a Carta Pareto para Ag 338,289 nm Efecto estandarizado + - 01234 F:[ácido] A:NaBH4 C:oxina B:Co D:Ar E:tipo a Carta Pareto para Ag 338,289 nm Efecto estandarizado + - 0123456 F:[ácido] AD+EF A:NaBH4 AE+BC+DF BF+CD C:oxina AB+CE BD+CF B:Co AC+BE AF+DE D:Ar E:tipo a Fig. 3: Cartas Pareto para los efectos principales y para las interacciones de orden 2 para las dos líneas principales de la Ag. Capítulo 2 90 Carta Pareto para Au 242,795 nm Efecto estandarizado + - 012345 F:[ácido] B:Co A:NaBH4 C:oxina E:tipo a D:Ar Carta Pareto para Au 242,795 nm Efecto estandarizado + - 012345 AF+DE AC+BE AD+EF F:[ácido] BD+CF B:Co AB+CE A:NaBH4 BF+CD AE+BC+DF C:oxina E:tipo a D:Ar Carta Pareto para Au 267,595 nm Efecto estandarizado + - 01234 F:[ácido] B:Co A:NaBH4 C:oxina E:tipo a D:Ar Carta Pareto para Au 267,595 nm Efecto estandarizado + - 01234 AD+EF AC+BE AF+DE F:[ácido] BD+CF B:Co AB+CE BF+CD A:NaBH4 AE+BC+DF C:oxina E:tipo a D:Ar Fig. 4: Cartas Pareto para los efectos principales y para las interacciones de orden 2 para las dos líneas principales del Au. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 91 Carta Pareto para Cd 214,440 nm Efecto estandarizado + - 01234 C:oxina B:Co A:NaBH4 F:[ácido] E:tipo a D:Ar Carta Pareto para Cd 214,440 nm Efecto estandarizado + - 02468 AC+BE AB+CE C:oxina B:Co BF+CD BD+CF AE+BC+DF A:NaBH4 AF+DE AD+EF F:[ácido] E:tipo a D:Ar Carta Pareto para Cd 226,502 nm Efecto estandarizado + - 01234 B:Co C:oxina A:NaBH4 F:[ácido] E:tipo a D:Ar Carta Pareto para Cd 226,502 nm Efecto estandarizado + - 02468 AC+BE AB+CE B:Co C:oxina BF+CD BD+CF AE+BC+DF A:NaBH4 AF+DE AD+EF F:[ácido] E:tipo a D:Ar Fig. 5: Cartas Pareto para los efectos principales y para las interacciones de orden 2 para las dos líneas principales del Cd. Capítulo 2 98 Tabla 14: Variables de respuesta: Intensidades corregidas para Cu, Ni y Zn. Exp. Cu 324,752 nm Cu 327,393 nm Ni 231,604 nm Ni 232,003 nm Zn 202,548 nm Zn 213,857 nm 1 17927,8 11856,5 2659,5 1263,2 5637,9 4364,0 2 12060,8 8115,8 1689,1 817,3 4957,5 4020,1 3 3381,5 2281 125,1 53,7 194,6 145,3 4 14123,2 9457,8 1384,8 647,1 3715,3 2946,1 5 4731,9 3203,3 140,0 89,0 196,5 140,6 6 19478,9 13165,6 3542,1 1680,7 10003,0 7680,6 7 8008,6 5419,4 1056,7 479,1 2759,5 1979,2 8 11835,3 7897,5 1766,3 849,6 4403,1 3501,1 9 5328,8 3298,9 727,4 350,0 1760,6 1246,9 10 23774,7 15880,2 3098,0 1489,1 7470,2 6774,5 11 6221,6 4217,0 253,7 108,6 307,1 256,9 12 13037,3 8810,5 1365,9 665,3 2615,7 2386,2 13 6213,8 4184,8 183,8 47,4 13,2 -13,0 14 23330,2 15516,1 4033,0 1931,7 9045,0 8191,6 15 30028,1 19835,8 4289,1 1966,2 7361,9 6047,8 16 20890,9 13770,3 3194,1 1498,9 6982,4 6128,7 17 28552,1 18787,4 3603,3 1646,4 4654,6 3774,8 18 23282,4 15400,5 2721,6 1266,5 8040,4 6676,1 19 16393,2 10832,7 1244,1 564,9 1784,8 1304,8 20 41085,5 24680,3 4876,2 2248,5 11714,1 9000,1 21 31908,5 20986,0 3319,5 1488,7 7025,8 5297,1 22 14387,1 1159,3 729,3 365,1 973,2 766,0 23 39826 14630,1 7594,9 3451,8 17689,4 13475,9 24 3248,6 1757,9 320,4 144,1 1608,2 1198,1 25 16995 12810,7 3025,7 1425,2 5709,5 5123,3 26 29144,4 15332,6 4178,8 1935,8 9235,8 6987,5 Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 99 En la tabla 15 se muestra el coeficiente de ajuste del modelo R2 sin ajustar y ajustado a los grados de libertad. Como se puede apreciar en la tabla 15 los ajustes son mejores teniendo en cuenta las interacciones de orden 2. Tabla 15: R2 para efectos principales y teniendo en cuenta los efectos de orden 2 . Efectos principales Efectos de Orden 2 λ/nm R2 / % R2 (ajustado para g. l.) / % R2 / % R2 (ajustado para g. l.) / % Ag 328,068 28,8 15,2 85,9 67,9 Ag 338,289 28,3 14,7 82,9 61,1 Au 242,795 64,6 57,9 78,9 52,1 Au 267,595 65,1 58,4 78,0 50,1 Cd 214,440 26,1 12,0 82,9 61,1 Cd 226,502 29,8 16,4 80,0 54,5 Cu 324,752 38,9 27,3 87,1 70,6 Cu 327,393 45,3 34,8 91,4 80,4 Ni 231,604 57,1 49,0 85,7 67,4 Ni 232,003 58,6 50,7 86,4 69,2 Zn 202,548 58,1 50,2 82,5 60,3 Zn 213,857 75, 4 64,3 84,4 64,6 A continuación se muestran los gráficos de superficie de respuesta que representan una estimación de la intensidad corregida como función del valor de las variables más influyentes para cada metal. La altura de la superficie representa el valor de la intensidad corregida; los otros dos factores se mantienen constantes y toman valores en el centro del diseño. En las figuras 9-14 pueden verse las gráficas de las superficies de respuesta para los diferentes elementos. Capítulo 2 100 Al realizar el estudio composicional, se tuvieron en cuenta los dos factores más influyentes en la determinación de la plata que fueron el NaBH4 y la oxina. El ácido y el Ar se mantuvieron constantes en un nivel intermedio (concentración de HCl de 0,45 mol/L y un flujo de Ar de 0,65 mL/min). Los valores de intensidad corregida óptima se encuentran cuando el NaBH4 está en una concentración intermedia y la oxina se encuentran en su nivel alto. Fig 9: Superficies de respuesta para las dos líneas principales de la Ag. En el caso del Au los dos factores que resultaron más influyentes fueron la concentración de ácido y de borohidruro, obteniéndose los mayores valores de intensidad corregida para concentraciones bajas de ácido y elevadas de NaBH4.. ácido = 0,45 mol/L; Ar = 0,65 L/mi n oxina (µg/mL) Boroh (%) Ag 328,068 nm 70 100 130 160 190 220 11,41,82,2 0 300 600 900 1200 1500 N aBH4 (%) ácido = 45 mol/L; Ar= 0,65 L/min oxina (µg/mL) Boroh (%) Ag 338,289 nm 70 100 130 160 190 220 11,4 1,8 2,2 0 100 200 300 400 500 N aBH4 (%) Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 101 Fig 10: Superficies de respuesta para las dos líneas principales del Au. Los factores más significativos para el Cd fueron el flujo de Ar y la concentración de NaBH4. Los mejores valores de intensidad corregida se consiguieron para flujos elevados de Ar y concentraciones de NaBH4 en su nivel más alto. Fig. 11: Superficies de respuesta para las dos líneas pricipales del Cd. En el caso del cobre aparecen tres factores importantes: el flujo de Ar, la concentración de NaBH4 y la concentración de ácido. Se puede apreciar que los valores de las intensidades corregidas son más elevados para concentraciones de reductor en su nivel alto (en torno al 2%), concentraciones bajas de ácido (en torno a 0,2 M) y flujos de Ar 0,7 mL/min. ácido = 0,45 mol/L; oxina = 135,0 µg/mL Boroh (%) Ar (L/min) Cd 214,440 nm 11,2 1,4 1,6 1,8 20,450,65 0,85 0 1 2 3 4 (X 10000) N aBH4 (%) ácido = 0,45 mol/L ; oxina = 135,0 µg/mL Boroh (%) Ar (L/min) Cd 226, 502 nm 11,2 1,4 1,6 1,8 20,45 0,65 0,85 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 (X 10000) N aBH4 (%) oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Au 242, 795 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,4 1,8 2,2 2,6 -300 700 1700 2700 3700 4700 5700 N aBH4 (%) oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Au 267, 595 nm 0,290,390,490,590,690,79 11,62,2 2,8 -200 800 1800 2800 3800 N aBH4 (%) Capítulo 2 102 a) b) c) Fig. 12 : Superficies de respuesta para las dos líneas principales del Cu: a) Se varía la concentración de boro hidruro sódico y el flujo de Ar, b) Se varían la concentración de ácido y la concentración de reductor, c) Se varían la concentración de ácido y el flujo de Ar. oxina = 135,0 µg/mL; ácido = 0,45 mol/L Boroh (%) Ar (L/min) Cu 324, 752 nm 11,2 1,4 1,6 1,8 20,45 0,65 0,85 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 (X 10000) N aBH4 (%) ácido = 0,45 mol/L; oxina = 135,0 µg/mL Boroh (%) Ar (L/min) Cu 327,752 nm 11,2 1,4 1,6 1,8 20,45 0,650,85 0 3 6 9 12 15 18 (X 1000) N aBH4 (%) oxina = 135,0 µg/mL; Boroh.= 1,5 % ácido (mol/L) Ar (L/min) Cu 324, 752 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 0,45 0,65 0,85 -6 4 14 24 34 (X 1000) N aBH4 (%) = 1,5 %; oxina 135 μg/mL oxina = 135,0 µg/mL; Boroh.= 1,5 % ácido (mol/L) Ar (L/min) Cu 324, 752 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 0,45 0,65 0,85 -6 4 14 24 34 (X 1000) N aBH4 (%) = 1,5 %; oxina 135 μg/mL oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Cu 324, 752 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,41,82,2 0 1 2 3 4 (X 10000) N aBH4 (%) Ar = 0,65 L/min; oxina = 135,0 µg/mL ácido (mol/L) Boroh (%) Cu 327,752 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,41,82,2 -1 2 5 8 11 14 17 (X 1000) N aBH4 (%) Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 103 Los factores más significativos tanto para el Ni como para el Zn fueron la concentración de ácido y la concentración de reductor: los mejores valores de intensidad corregida se obtuvieron para concentraciones de ácido bajas (en torno a 0,35 M) y concentraciones de reductor elevadas (en torno a 2,2%). Fig. 13: Superficie de respuesta para las dos líneas principales del Ni. Fig. 14: Superficie de respuesta para las dos líneas principales del Zn. El modelo para cada metal proporciona la combinación de los niveles de los factores que genera la máxima intensidad para los analitos en la región indicada. Como se puede apreciar en la tabla 16 los ajustes son mejores teniendo en cuenta las interacciones de orden 2. La tabla 17 muestra las intensidades óptimas que proporcionan las ecuaciones teniendo en cuenta las interacciones de segundo orden. Se observa tanto en las figuras 9-14 como en la tabla 17 que existe una oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Ni 231,604 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,4 1,8 2,2 -1 1 3 5 7 (X 1000) N aBH4 (%) oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Ni 232,003 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,41,82,2 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 N aBH4 (%) oxina = 135,0 µg/mL; Ar=0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Zn 202, 548 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,4 1,8 2,2 -3 0 3 6 9 12 (X 1000) N aBH4(%) oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Zn 213,857 nm 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 11,4 1,8 2,2 -3 0 3 6 9 12 (X 1000) N aBH4 (%) Capítulo 2 104 coincidencia entre los resultados obtenidos para las dos líneas principales de cada elemento. Tabla 16: Condiciones óptimas de determinación para cada metal. [Ácido] (M) [Oxina] ( μg/L) [Na BH4] (%) Ar (L/min) Valor óptimo de intensidad predicho Ag 328,068 nm 0,23 231,2 1,6 0,64 1806,2 Ag 338,289 nm 0,23 231,0 1,6 0,64 590,9 Au 242,795 nm 0,23 38,6 1,9 0,67 6388,0 Au 267,595 nm 0,23 44,5 1,9 0,69 3284,3 Cd 214,440 nm 0,67 231,4 2,2 0,70 58744,2 Cd 226,502 nm 0,67 230,5 2,2 0,85 54397,9 Cu 324,752 nm 0,45 39,5 2,2 0,75 43745,1 Cu 327,393 nm 0,46 38,6 2,2 0,76 28227,1 Ni 231,604 nm 0,42 38,6 2,2 0,78 7116,0 Ni 232,003 nm 0,39 38,6 2,2 0,79 3289,8 Zn 202,548 nm 0,35 38,6 2,2 0,71 16322,4 Zn 213,857 nm 0,33 38,6 2,2 0,75 13176,5 A partir de los datos anteriores se hallaron las intensidades máximas para la determinación conjunta de Au, Cd, Cu, Ni y Zn. Se excluyó la Ag porque su sensibilidad es baja en comparación y sus condiciones óptimas son diferentes a las de los otros metales. El procedimiento utilizado determina la combinación de factores experimentales que optimiza simultáneamente varias respuestas. La función deseabilidad17 (Desiderability) proporciona el porcentaje de aceptación en tanto por uno de la respuesta calculada con respecto a los objetivos; en este caso el objetivo fue obtener el máximo valor de intensidad corregida para cada uno de los metales y por tanto maximizar la función de conveniencia. La tabla 17 muestra la combinación de los niveles de los factores que maximiza la función de deseabilidad17 (Desiderability) en la región indicada, es decir la combinación de los factores a la que se alcanza el óptimo. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 105 Tabla 17: Condiciones óptimas de la determinación conjunta Au, Cd, Cu, Ni y Zn. Factor Valor óptimo [ácido] (M) 0,43 [oxina] (mg/L) 38,6 [NaBH4] (%) 2,2 Ar (L/min) 0,74 A continuación (Figura 15) se muestran los gráficos de superficie de respuesta para la deseabilidad en función de los distintos factores. En cada gráfico se varían dos factores y los otros dos se mantienen constantes y toman valores en el centro del dominio. En ellos se aprecia como la función de deseabilidad alcanza su máximo valor cuando se aproxima a los valores óptimos de los factores. Capítulo 2 106 a) b) c) d) e) f) Fig. 15 : Grafícos de superficie de respuesta de la deseabilidad en función de: a) Las concentraciones de ácido y borohidruro sódico; b) Las concentraciones de ácido y oxina; c) La concentración de ácido y el flujo de Ar; d) La concentración de oxina y borohidruro sódico; e) La concentración de oxina y el flujo de Ar; f) La concentración de borohidruro sódico y el flujo de Ar. N aBH4 (%) oxina = 135,0 µg/mL; Ar = 0,65 L/min ácido (mol/L) Boroh (%) Deseabilidad 0.29 0.39 0,49 0,59 0,69 11,4 1,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Boroh.=1,5 %; Ar = 0,65 L/min 0.29 0.39 0,49 0,59 0,69 ácido (mol/L) 70 130190 oxina (µg/mL) 0 0.2 0,4 0,6 0,8 Deseabilidad N aBH4 = 1,5 %; Ar = 0,65 L/min oxina = 135,0 µg/mL; Boroh.=1,5 % ácido (mol/L) Ar (L/min) Deseabilidad 0,29 0,39 0,49 0,59 0,69 0.45 0,65 0,85 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 N aBH4 ( % ) = 1,5 %; oxina = 135 μ g /mL ácido = 0,45 mol/L; Ar = 0,65 L/min oxina (µg/mL) Boroh (%) Deseabilidad 70 100 130 160 190 220 11,4 1,8 0,38 0,48 0,58 0,68 0,78 N aBH4 (%) ácido = 0,45 mol/L; Boroh.= 1,5 % oxina (µg/mL) Ar (L/min) Deseabilidad 70 100 130 160 190 220 0.45 0,65 0,85 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 N aBH4 (%) = 1,5 %; ácido = 0,45 mol/L ácido = 0,45 mol/L; oxina = 135, 0 µg/mL Boroh (%) Ar (L/min) Deseabilidad 11.2 1,4 1,6 1,8 20.45 0,65 0,85 0,18 0,28 0,38 0,48 0,58 0,68 0,78 N aBH4 (%) Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 107 La tabla 18 muestra el valor óptimo de intensidad que predice el modelo en las condiciones óptimas. Tabla 18: Valor óptimo predicho de intensidad corregida para cada elemento. Respuesta Valor óptimo predicho Ag 328,068 nm 4935,2 Ag 338,289 nm 2630,5 Au 242,795 nm 3951,5 Au 267,595 nm 2882,8 Cd 214,440 nm 43734,4 Cd 226,502 nm 23138,1 Cu 324,752 nm 7070,3 Cu 327,393 nm 3269,1 Ni 231,604 nm 15846,5 Ni 232,003 nm 12559,3 Capítulo 2 114 Sn Sn Zn Zn Interferente 189.927nm 235.485 nm 202.548 nm 213.857 nm [Fe] = 2 mg/L - +39,9 - - [Fe] =10 mg/L - +89,4 - - [Cr] = 2 mg/L - - - - [Cr] = 10 mg/L - - - - [Al] = 2mg/L - - - - [Al] = 10 mg/L - - - - [Mn] = 2 mg/L - - - - [Mn]=10 mg/L - - - - [Mo] = 2 mg/L - - - - [Mo] = 10 mg/L - - - - [As] = 2 mg/L - - - - [As] = 10 mg/ L - - - - [Pb] = 2 mg/L - - -44,4 -44,5 [Pb] =10 mg/L - - -70,7 -71,9 [Ni] = 2 mg/ L -35,4 -31 -78,9 -77,9 [Ni]=10 mg/L -72,8 -69,6 -94,7 -93,8 [Cd] = 2 mg/L - - -21,8 -23,6 [Cd] = 10 mg/L - - -53 -51,5 [Sn] = 2 mg/ L - - - - [Sn] = 10 mg/ L - - - - [Sb] = 2 mg / L - - - - [Sb] = 10 mg/L - - -32,3 -34,9 [Ag] = 2 mg/L - - - - [Au] =2 mg/L -23 -23,9 - - [Au] = 10 mg/L -45,9 -44 -87,7 -87,8 [Cu] = 2 mg/L - - -26,4 -28,9 [Cu] = 10 mg/L -28,9 -27,3 -86,8 -89,2 [Zn] = 2 mg/L - - - - [Zn] = 10 mg/L - - - - [Co] = 2 mg/ L - - - - [Co] = 10 mg/L - - -41,5 -44,1 Se observó la existencia de interferencias espectrales poco importantes en las determinaciones de As 228,811 nm y Cd 228,802 nm; y de Sb 231,590 nm y Ni Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 115 231,604 nm. Estas interferencias podían solucionarse fácilmente al comparar los resultados obtenidos para distintas líneas de cada elemento. Las interferencias en la formación del hidruro presentan mayor transcendencia dependiendo del elemento, y a medida que aumenta la concentración del interferente se vuelven más importantes. A destacar las interferencias provocadas por un incremento en las concentraciones de Ni y Cu. Las interferencias de Au presentan un menor interés por ser un elemento minoritario. Cualquier aplicación de los métodos de generación de vapor de metales tendría que implicar un control muy estricto de las interferencias o unas condiciones de reducción muy drásticas para facilitar la reacción de todos los elementos. Además del Co, durante estos experimentos se observó la existencia de especies volátiles de Fe (línea 238,870 nm), Mo (línea 208,173 nm) y Cr (línea 267,711 nm). Se trata de uno de los pocos estudios en que se observan especies volátiles de Cr y Fe18,19. Las señales de Cr, Fe y Mo se muestran en las figuras 16, 17 y 18. Capítulo 2 116 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 267,5 267,55 267,6 267,65 267,7 267,75 267,8 Longitud de onda /nm I Cr 2 ppm Cr 10 ppm Au Cr Fig 16: Señal de emisión de Cr 267, 771 próxima a Au 267,595. 2000 4000 6000 8000 10000 12000 238,82 238,84 238,86 238,88 238,90 238,92 238,94 Longitud de onda /nm I Fe2 Fe10 Fe Co Fig 17: Interferencia de Fe 238, 870 nm sobre Co 238,889. 760 780 800 820 840 860 880 208,14 208,16 208,18 208,2 208,22 208,24 208,26 Longitud de onda /nm I Mo 2 ppm Mo 10 ppm Mo A u Fig 18 : Señal de emisión de Mo 208, 173 próxima a Au 208, 215. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 117 3.3 DISCUSIÓN Durante este trabajo se ha optimizado y se han estudiado las características analíticas de la determinación conjunta de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn mediante generación de hidruros. Para el desarrollo del método fue necesario optimizar tanto el sistema de generación de hidruros como las condiciones de la reacción. La generación y separación de las especies volátiles se llevó a cabo en un sistema de flujo continuo; este tipo de sistema es el más utilizado para la determinación de metales mediante generación de hidruros. Varios estudios muestran el uso de cámaras de spray como separadores gas-líquido, de esta forma las especies volátiles inestables son transportadas directamente a la unidad de detección evitando pérdidas durante el transporte de los analitos al detector20-22,10-12,23. El empleo de la cámara de spray como separador presenta el inconveniente del deterioro y del costo económico de las mismas, al estar en contacto con los reactivos y existir la presencia de precipitados. El problema de pérdidas durante el transporte también se puede resolver mediante el acortamiento del tubo de transferencia de Tygon y la substitución parcial del mismo por un tubo de PTFE de un diámetro menor. Se debe tener en cuenta la superficie en contacto con el medio de reacción ya que hay estudios que contemplan su efecto sobre el rendimiento de la reacción. Los separadores gas líquido y cámaras de spray utilizados en la bibliografía fueron mayoritariamente de vidrio aunque también se utilizaron separadores gas líquido de Ryton ® 10-12,24,25. En este trabajo inicialmente se pretendió utilizar un separador gas líquido de membrana (PTFE) pero se substituyó por uno de vidrio ya que se encontró en la bibliografía que el PTFE sirve para recoger especies volátiles de plata5; además se produjo deposición de precipitado en el separador y las señales obtenidas fueron menores para Cd y Cu . Otro parámetro que fue optimizado fueron los flujos de muestra, reductor y desecho. Los dos primeros se mantuvieron en una relación 1:1 siendo ambos de 2,2 mL/min. El flujo de desecho Capítulo 2 118 fue el mayor posible: 7,7 mL/min. Este flujo de desecho fue necesario para arrastrar las gotas que se forman en la interfase entre el sistema de generación de vapor y el plasma. El mismo problema también se encontró en estudios sobre el mecanismo de generación de hidruros de la Ag5; en este caso no incrementaron el flujo de la bomba sino que colocaron un filtro de papel en la conexión entre el separador gas líquido y la cámara de spray de forma que el líquido que moja el papel es expulsado fuera de la cámara de spray. También se optimizaron las condiciones del medio de reacción. Durante los experimentos iniciales se hizo reaccionar una disolución acidificada de distintos metales con disoluciones de distintas concentraciones de reductor. El resultado de estas pruebas fue el recubrimiento del bucle de reacción y tubos contiguos de un precipitado oscuro y la obtención de señales de emisión muy bajas para los analitos. En la bibliografía se menciona la formación de precipitado durante la reacción de generación de hidruros de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn (también el Co). Una posible explicación para el precipitado es el paso de las especies volátiles moleculares a átomos libres y de átomos libres a coloides y macroprecipitados de forma demasiado rápida e impidiendo el transporte de las especies volátiles al plasma. Para mejorar la detección se optó por modificar el medio de reacción. El uso de surfactantes como el Triton XT100 5,11,12,14,15 y el CTAB 26,27 para mejorar la sensibilidad de la determinación de los metales está bastante extendido; otra opción es la adición de un agente complejante como la ofenantrolina8,28 y la 8-hidroxiquinoleina6 y/o recubrimientos de Co6,14, Ni6,14 o Pd14. Recientemente se han empleado también líquidos iónicos29-31. Durante esta tesis se añadieron a los patrones concentraciones fijas de 8-hidroxiquinoleína y Co. El efecto de la oxina sobre la reacción de generación de vapor es desconocido; se proponen dos posibilidades: que altere la tensión superficial de la disolución facilitando así la liberación de los vapores o que estabilice y facilite la formación de las especies volátiles. Además se adicionó Co tanto a los blancos como a los Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 119 patrones. El cobalto reacciona con el NaBH4 formando boruros metálicos que son de color oscuro y aceleran la reacción de generación de vapor. Posteriormente, se optimizaron las concentraciones de oxina, Co, NaBH4, la acidez, se eligió el tipo de ácido, y el flujo de Ar utilizando para ello un diseño de screening (barrido) factorial para seleccionar las variables que tienen una influencia significativa en la determinación y un diseño composicional ortogonal de 24 + estrella para obtener los valores óptimos de los factores. Aunque la utilización de diseños de experimentos para la optimización de procesos analíticos presenta muchas ventajas, no ha sido un método utilizado en los estudios sobre generación de hidruros de metales de transición. Las condiciones óptimas para la determinación fueron: empleo de una concentración de Co de 1 mg/L, una concentración de oxina de 38,6 mg/L, una concentración de ácido clorhídrico de 0,43 mol/L, una concentración de NaBH4 del 2,2 % (m/v) y un flujo de Ar de 0,74 mL/min. La concentración de Co está muy próxima a la concentración que se utilizada por H. W. Sun. y col 6 para la determinación de Cd y Zn mediante HG-AFS pero la concentración de 8-hidroxiquinoleína fue diez veces mayor; esto podría deberse al incremento en el número de metales a determinar y a la formación de mayores cantidades de precipitado. La concentración de ácido elegida se encontró en el intervalo 0,2 y 2 M que se cita en la bibliografía. La concentración de reductor fue superior a la utilizada en la mayoría de los estudios que se encuentra entre un 0,1 y un 1% (m/v). Se ha observado que un incremento en la concentración de reductor genera un incremento en la respuesta de los analitos, pero la concentración es demasiado elevada pudiendo provocar un comportamiento inestable en el atomizador y una peor separación gas-líquido. Se obtuvieron rectas de calibrado con coeficientes de regresión, iguales o superiores a 0,995. Se amplió el método de determinación porque se comprobó que también sirve para determinar Sn y que la adición de Sn a los patrones no provoca un cambio significativo en las pendientes. Para ello se aplicó un test t de Capítulo 2 120 comparación de pendientes (nivel de confianza del 95%). Los límites de detección estuvieron por debajo de los 10 µg/L para Au, Cd, Cu, Ni y Zn. El límite de detección para la Ag fue peor, esto podría deberse a que su determinación se veía facilitada por el uso de HCl en vez de HNO3. Los límites de este método en general fueron mejores que los obtenidos por A. S. Luna y col (2000) 9 y peores a los que aparecen en los estudios más recientes para estos metales que se encontraron en torno a 1 µg/mL. Esto podría deberse al empleo de separadores gas-líquido distintos y al número de metales diferentes determinados (superior al de otros estudios encontrados en la bibliografía) que requieren una aproximación de compromiso para las condiciones experimentales. De todos modos, mediante este sistema se consiguió obtener un incremento de la sensibilidad con respecto a la nebulización convencional de 1,7 para el Au, de 2,6 para el Cd, de 1,7 para el Cu, de 1,9 para el Ni y 2,5 para el Zn. La sensibilidad obtenida para la línea 243,778 nm de la Ag fue equivalente a la que se obtiene cuando la introducción de la muestra se lleva a cabo mediante nebulización convencional. Además se realizó un estudio de interferencias. Se observó la existencia de interferencias espectrales de As 228,811 nm sobre Cd 228,802 y de Sb 231,590 nm sobre Ni 231,604 nm. Este tipo de interferencias no suponen un problema porque se solucionan cambiando de línea espectral en las determinaciones. Se deben destacar las interferencias en la formación del hidruro provocadas por un incremento en las concentraciones de Ni y Cu que fueron importantes para todos los metales y son más difíciles de evitar que las interferencias espectrales. Cualquier aplicación de los métodos de generación de vapor de metales tendría que implicar un control muy estricto de las interferencias o unas condiciones de reducción muy drásticas para facilitar la reacción de todos los elementos implicados. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 121 Además del Co, durante este estudio se observó la existencia de especies volátiles de Fe (línea 238,870 nm), Mo ( línea 208,173 nm) y Cr (línea 267,711 nm). Se trata de uno de los pocos estudios en que se observan especies volátiles de Mo, Cr y Fe. I. D. Brindle y col.32 realizaron un estudio de interferencias sobre la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Co, Ni y Zn. No resulta claro si las interferencias las estudian en patrones que incluyen varios analitos ó si lo hacen de uno en uno. Lo que sí está claro es que los patrones no contienen todos los elementos porque las condiciones de acidez utilizadas para Ag, Au y Cu son diferentes a las que utilizan para la determinación de Cu, Ni y Zn. La concentración de los metales en los patrones fue de 0,1 mg/L similar a la utilizada en esta tesis doctoral 0,15 mg/L, pero los resultados difieren bastante para concentraciones de interferente de 10 mg/L. Mientras que en esta tesis doctoral, se observo una interferencia química negativa del Zn sobre el Au y una interferencia positiva sobre el Cd, estos autores no encontraron interferencias del Zn sobre los metales añadiendo concentraciones de 20 mg/L, y obtuvieron para Cu y Cd interferencias negativas de Zn a concentraciones de 100 mg/L. Además mientras que en nuestro estudio el Ni supone una interferencia importante a concentraciones de 2 y 10 ppm para todos los analitos ellos sólo empiezan a apreciar una interferencia sobre las señales de emisión de los metales a partir de 300 mg/L. Otra diferencia importante es el efecto del Al sobre la señal del Cd; mientras que en nuestro estudio se produce una interferencia negativa a concentraciones de 10 mg/L de interferente, ellos no observan la existencia de interferencia. Por tanto, podría ocurrir que la 8-hidroxiquinoleína no sólo mejore el rendimiento de la reacción sino que también incremente las interferencias al mejorar la reacción para otros analitos que pueda haber en el medio. Por otro lado, además de Co y Mo, esto permitió que se observaran especies volátiles de Cr y Fe que sólo fueron mencionadas anteriormente por P. Pohl y col.21 La Capítulo 2 122 aplicación de la generación de vapor a la determinación de Cr y Fe todavía no ha sido estudiada y sus condiciones óptimas y características analíticas se encuentran todavía sin caracterizar. Optimización de un método de generación de vapor para la determinación multielemental de metales. 123 4. CONCLUSIONES Se estudiaron las condiciones para la determinación conjunta de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Zn y Sn mediante HG-ICPOES en presencia de concentraciones constantes de 8-hidroxiquinoleína y Co. 9 En primer lugar tras la realización de los experimentos preliminares se seleccionaron los flujos de muestra, reductor y purga (2,2 mL/min, 2,2 mL/min y 7,7 mL/min), el tipo de separador gaslíquido (de vidrio), y la longitud del tubo de transferencia de las especies volátiles al ICP (61 cm; material PTFE). 9 Se realizaron los experimentos correspondientes a un diseño de screening factorial 26-2 + dos puntos adicionales en el centro del diseño para seleccionar los factores más significativos en la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn. Los factores más significativos fueron: la concentración de ácido, la concentración de hidroxiquinoleína, la concentración de borohidruro y el flujo de argón. El ácido nítrico fue el más adecuado para la determinación de todos los elementos excepto para la Ag; la concentración de Co elegida fue de 1 mg/L( nivel más bajo estudiado). 9 Se optimizaron las condiciones de la determinación mediante un diseño composicional ortogonal de 24 + estrella para obtener los valores óptimos de los factores. Las condiciones óptimas fueron: una concentración de oxina de 38,6 mg/L, una concentración CAPÍTULO 3 Determinación de metales en acero. Índice ÍNDICE 1. OBJETIVO……………………………………...……………….............……135 2. INTRODUCCIÓN………………………………...………………..........……136 2.1 Determinación de metales en matrices reales empleando generación de vapor………………………………………………......................................……136 2.2 Interferencias en la generación de vapor…………...……………..........……137 2.2.1 Reducción de las interferencias en la generación de vapor . Uso de L-cisteína, tiourea, KI, ácido tártárico, AEDT yla 8 hidroxiquinoleína . . . ... …138 2.3 Tratamiento de las muestras…………………………………….....................143 3. PARTE EXPERIMENTAL…………………………………….......................148 3.1. MATERIALES Y MÉTODOS……………………………….......................148 3.1.1 Aparatos ……………………………………………………......................148 3.1.2 Material……………………………………………………….....................148 3.1.3. Reactivos………………………………………………….......................148 3.1.5. Procedimiento experimental…………………………………....................149 3.2. RESULTADOS………………………………………………......................151 3.2.1 Experimentos preliminares………………………………….......................151 3.2.2 Optimización de los factores que afectan en la determinación de los metales por VG: diseño de experimentos………………………........................................163 3.2.3 Ampliación del método: Determinación de Al, Mn, V, y Zr. . . . . . .169 3.2.4 Características analíticas…………………………………….......................170 4. DISCUSIÓN……………………………………………………......................174 5. CONCLUSIONES……………………………………………….....................176 6. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………….......................179 Determinación de metales en acero 135 1. OBJETIVO El objetivo de este capítulo es realizar la determinación simultánea de varios metales en una muestra de acero utilizando el método de generación de vapor desarrollado en el capítulo anterior. Para ello, es de gran importancia el corregir las interferencias de unos elementos sobre otros, así como conseguir la adecuación del método a la matriz de la muestra. Capítulo 3 136 2. INTRODUCCIÓN 2.1 Determinación de metales en matrices reales empleando generación de vapor. Uno de los mayores problemas de la generación de vapores mediante reacción con borohidruro sódico es la aplicación a muestras reales y la eliminación de interferencias1. Sólo existe un número pequeño de referencias a trabajos en los que se realizan aplicaciones a muestras biológicas, medioambientales o industriales 2,3. Algunas de las aplicaciones se recogen en el punto 2.3 de esta tesis (tratamiento de muestra). La dificultad de determinar metales nobles y de transición en muestras reales suele deberse a las interferencias de unos elementos sobre otros, interferencias que están provocadas por el hecho de que varios elementos pueden volatilizarse en condiciones similares (p. ej: utilizando el mismo modificador). El surfactante Tritón X-100 fue utilizado para la generación de especies volátiles de: Ti, Mn, Ir, Pt, Co, Ni, Zn, Cu, Rh, Ag, Au, Tl y In4,5. La determinación de Au utilizando DDTC (dietilditiocarbamato sódico)6-8 parecía bastante específica, pero en el año 2009 se C. Zhang y col9 utilizaron ese mismo modificador en la determinación de Ni en combinación con un RTIL ( líquido iónico a temperatura ambiente)10. Otros aditivos que mejoran la eficacia de la reacción son los líquidos iónicos a temperatura ambiente RTIL y también fueron utilizados para la determinación de varios elementos: Au, Ag, Cu y Ni9-11. Determinación de metales en acero 137 2.2 Interferencias en la generación de vapor Existen pocas referencias bibliográficas sobre las interferencias cruzadas de unos elementos sobre otros en la generación de hidruros aplicada a metales nobles y de transición. Por ese motivo, Zongxi Li12, P. Pohl y col.13 y X. Duan y col.14, utilizaron como punto de partida estudios de eliminación de interferencia en la determinación de los elementos convencionales que generan hidruros: As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se, Sn y Te. En un sistema de generación de hidruros se producen tres etapas: a. Generación del hidruro. b. Transferencia del hidruro c. Atomización del hidruro. Las interferencias pueden ocurrir durante la reacción química, durante la formación de los hidruros, en la separación de las especies volátiles de la fase líquida y durante la atomización. La magnitud de las interferencias depende los siguientes factores: a. El sistema de generación de hidruros. b. La concentración del agente reductor y del ácido. c. El orden de mezcla de los reactivos y el tipo de atomizador utilizado. Cuando se trata de reducir las interferencias en la generación de hidruros se puede seguir diferentes estrategias: a. Un cambio en el medio de reacción. b. La variación de las concentraciones de reductor y ácido, c. El uso de agentes liberadores: adición de un elemento que reaccione con el interferente (adición de Cu para forma CuSe y evitar que interfiera en la determinación de As), o adición de un elemento que evite la reacción paralela que producía el interferente (este es el caso de Fe(III) para evitar interferencias provocadas por Cu y Ni en la determinación de Capítulo 3 138 As y Se; el Fe(III) en esas condiciones se reduce a Fe(II) evitando que Ni(II) y Cu (II) se reduzcan a Ni 0 y Cu0). d. La separación del interferente del medio de reacción mediante: precipitación ( como ioduros de Cu y Pb o como hidróxidos de Cd, Co, Cu y Ni), resinas de intercambio iónico o extracción con disolventes. e. Empleo de agentes enmascarantes: L-cysteína, L-histidina, 1,10fenantrolina, AEDT (ácido etilendiamino tetraacético), DTPA (ácido dietilendiaminopentaacético), ácido tartárico, tiourea, KI, KCN e hidroxiquinoleína. f. Generación de hidruros en medio alcalino. g. El uso de sistemas de flujo continuo e inyección en flujo adecuados: en general la separación rápida del analito volátil del medio de reacción incrementa la tolerancia de la reacción de generación de hidruros a muy altas concentraciones de interferentes. h. Eliminación de interferencias debidas a los ácidos utilizados en las digestiones: existen dos tipos de interferencias debidas al uso de ácidos en las digestiones, las que se deben a un incremento en el estado de oxidación de los analitos que se evitan empleando prerreductores como la tiourea, o las interferencias en la atomización debidas a la presencia de NO2 volátil que interfiere durante la atomización ( para este tipo de interferencia en el hidruro de selenio se han empleado sulfanilamida, ácido sulfámico, ácido amidosulfámico y tiourea) 2.2.1 Reducción de las interferencias en la generación de vapor . Uso de Lcisteína, tiourea, KI, ácido tártárico, AEDT y la 8-hidroxiquinoleína. El efecto de los distintos aditivos como modificadores en la reacción de generación de vapor resulta difícil de predecir, sobre todo en matrices complejas. Determinación de metales en acero 139 A. D`Ullivo y col. 15 recopilaron información sobre el uso de diferentes aditivos en la generación de hidruros. Estos compuestos se pueden clasificar teniendo en cuenta su grupo funcional en: compuestos que contienen un ligando azufre dador, halógenos, compuestos con grupos carboxílicos, α-hidroxiácidos, ligandos bifuncionales y agentes oxidantes y quelatantes (en la determinación de Pb). a. Compuestos que contienen un ligando azufre dador (la tiourea y la Lcisteína): La L-cisteína y la tiourea se utilizaron como prerreductores y agentes enmascarantes en la determinación de elementos formadores de hidruros. Uno de los efectos de los tioles es que varían el pH al que se obtiene la máxima sensibilidad en la generación de vapor15 por ello son útiles en la eliminación de interferencias de NO2 en digestiones. J. Dedina y col. recogieron en su libro16 las concentraciones de L cisteína, ácido, reductor… utilizadas hasta el año 1996 en la determinación de As, Sb, Sn y Ge. La concentración de L-Cisteína en la bibliografía osciló en el siguiente rango: entre un 0,4 % y un 3%. Algunas referencias incluyen el uso de la L-cisteína en matrices complicadas como es el caso del acero: así, R. C. De Campos y col.17 combinaron la cisteína con el ácido picolínico en la determinación de Sb en óxidos de Ni. La L-cisteína fue utilizada por K. Marcuchi y col.18 en la determinación de As, Bi, Se y Te; también la usaron S. Chavaivil y col. 19 en la determinación de As, Sn, Sb, Bi y Ge en acero o S. D. Overduin y col. 20 para la determinación de As, Bi, Sb y Sb en cobre. Más recientemente se utilizó para la determinación de Sb en agua de mar utilizando el reductor en un soporte sólido21. La concentración de tiourea utilizada en la determinación de Sb, As, Ge, Se, Te y Sn suele encontrarse entre un 0,1 % y un 5% cuando se añade a la muestra, y encontrarse en torno al 0,5 % cuando se añade al reductor16. Como en el caso de la L-cisteína, la tiourea también es un modificador ampliamente utilizado y entre sus aplicaciones se incluyen el estudio de minerales y aleaciones: K. Marcuchi y col.18 Capítulo 5 242 R. L. McLaughlin y I. D. Brindle.29 patentaron en 2005 un sistema denominado MSIS (Multimode Sample Introduction System) que combina la nebulización convencional con la generación de vapores, y permite la determinación de analitos (tanto los que forman especies volátiles como los que no) minimizando las pérdidas durante la etapa de transporte. Este dispositivo consiste en una cámara ciclónica que contiene dos tubos cónicos situados en posición vertical desde sus extremos superior e inferior. Los dos tubos atraviesan la cámara ciclónica. Los extremos de los tubos se encuentran enfrentados a una distancia de unos pocos milímetros y están situados a un tercio de la parte superior de la cámara ciclónica. Por ellos se introducen la muestra y el reductor. Este separador es capaz de operar en tres modos (figuras 4, 5 y 6) distintos: Fig. 3: Cámara ciclónica Jobin Yvon con tres entradas y un nebulizador concéntrico.2 Sistemas de introducción de muestra 243 -Modo nebulización: la muestra llega al nebulizador desde donde es arrastrada (en forma de spray) por una corriente de Ar hasta el detector. Las otras entradas permanecen bloqueadas. - Modo generación de vapor: la muestra acidificada y el reductor son bombeados hasta el interior de la cámara a través de los tubos cónicos. La entrada de muestra al nebulizador se mantiene bloqueada, y solamente la corriente de Ar entra a la cámara para transportar a las especies volátiles generadas hasta el sistema de detección. Fig 4: MSIS en modo nebulización1 Fig. 5: MSIS en modo generación de vapor (GV)1 Bloqueada Bloqueada Argon Muestra Bloqueada Bloqueada Argon Muestra Reductor Muestra Argon Bloqueada Reductor Muestra Argon Bloqueada Capítulo 5 244 - Modo dual: funcionan los dos modos al mismo tiempo. Fig. 6: MSIS modo dual1 E. T. Ritschdorff y col.29 determinaron cadmio mediante VG-AAS con una versión modificada (ver figura 7) del MSIS (Marathon Scientific, Niagara Falls, Ontario, Canada) que medía aproximadamente 6 centímetros de alto y tenía un 1 cm de diámetro. La muestra acidificada y el reductor son bombeados para entrar al separador por lados opuestos. La mezcla de los dos reactivos tiene lugar en la interfase de los dos conos de vidrio, situada a un tercio de la parte superior del separador. De esta manera, se incrementa la superficie de reacción y se permite que el hidrógeno se genere fácilmente sin formación de burbujas. Este sistema se utilizó en modo “inyección en flujo”, posibilitando el uso de concentraciones mayores de cadmio en bajos volúmenes de muestra, sin llevar asociada la formación de burbujas y la consecuente limitación en el transporte de las especies volátiles generadas. Muestra Muestra Muestra Reductor Muestra Muestra Muestra Reductor Sistemas de introducción de muestra 245 Fig.7: MSIS modificado Muestra o reductor Al atomizador Superficie de vidrio esmerilado. Desecho. Muestra o reductor Entrada de Argon Muestra o reductor Al atomizador Superficie de vidrio esmerilado. Desecho. Muestra o reductor Entrada de Argon Capítulo 5 246 3.PARTE EXPERIMENTAL 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS 3.1.1 Aparatos Se encuentran recogidos en la página 66 del capítulo 2. 3.1.2 Material Sistemas de generación de vapores: a lo largo de este capítulo se han utilizado 5 sistemas de generación de vapores diferentes, elaborados en la Unidad de Soplado de Vidrio y Cuarzo de la USC: un separador de salida forzada, un separador hidrostático en forma de U, un sistema de introducción de muestra multimodal modificado (Multimode Sample Introduction System) MSIS modificado, un sistema de introducción de muestra multimodal MSIS y una cámara ciclónica modificada CMA (Concomitant Metal Analizer) Las especies volátiles generadas se transportaron hasta la base de la antorcha del plasma a través de un tubo de PTFE de 60 cm de longitud y diámetro interno 0,5 mm cuando se utilizaron los separadores: de salida forzada, hidrostático en forma de U y MSIS modificado. Los separadores MSIS y CMA se acoplaron directamente al ICP. Los flujos de los reactivos se controlaron variando el diámetro interno de los tubos de Tygon® emp en las bombas peristálticas. En este trabajo se emplearon los siguientes tubos: color negro-negro (diámetro interno 0,76 mm), color rojo-rojo (diámetro interno 1,14 mm), color azul-amarillo (diámetro interno 1,52 mm), color violeta-violeta (diámetro interno 2,16 mm), color negro-blanco (diámetro interno 3,18 mm). Todas las conexiones y bucles de reacción (en caso de ser necesarios) fueron hechas con PTFE de 0,5mm de diámetro interno. También se utilizó una cámara de spray ciclónica con un nebulizador convencional Gem Cone (Perkin Elmer, Norwalk, USA). Sistemas de introducción de muestra 247 3.1.3 Reactivos Aparecen recogidos en la página 68 capítulo 2. 3.1.4 Procedimiento experimental 3.1.4.1 Preparación de las disoluciones patrón de los metales usados para la generación de vapores En todos los experimentos realizados, la preparación de los blancos y patrones utilizados se lleva a cabo de la siguiente manera: Se llena el matraz con agua milliQ hasta un volumen aproximadamente igual a ¼ del matraz utilizado. A continuación se añade el volumen correspondiente en cada caso de la disolución de patrón concentrado de 8-HQ y el volumen correspondiente del patrón de cobalto (1000 mg/L). Se acidifica la disolución con el volumen de HNO3 correspondiente. Se introduce el volumen correspondiente de los patrones de 1000mg/L de: Ag, Cd, Cu, Ni, Sn, Zn, Au; se añade agua milliQ y se enrasa el matraz. Capítulo 5 248 3.1.4.2 Condiciones de medida en ICP-OES En cuanto a las condiciones de trabajo del ICP-OES, se muestran en la Tabla 1. Tabla 1: Condiciones de medida en el ICP-OES λAg(nm) Ag 328,068 λAu(nm) Au 242,795 λCd(nm) Cd 214,440 λCu(nm) Cu 324,752 λNi(nm) Ni 231,604 λSn(nm) Sn 189,927 λZn(nm) Zn 213,857 Potencia de RF del ICP (W) 1300 Flujo de Argon del Plasma (L/min) 15 Flujo de Argon de arrastre (L/min) Específico para cada separador G-L Flujo auxiliar de Argon (L/min) 0,5 Altura de la antorcha (mm) 15 Modo de medida Axial Flujo de gas de purga Normal Tamaño de rendija Normal Retraso en la lectura (s) 40 Réplicas 5 Tiempo de integración (s) Auto 3.1.4.3 Nebulización convencional Para analizar los patrones mediante nebulización convencional, se utilizó una cámara ciclónica con un nebulizador Gem Cone (Perkin Elmer, Norwalk, USA) como sistema de introducción de muestra al ICP. El flujo de muestra utilizado fue 1,5 mL/min y el flujo de Ar de arrastre 0,8 L/min. Sistemas de introducción de muestra 249 3.1.4.4 Sistema de generación de vapor de salida forzada Se realizaron medidas utilizando un separador de salida forzada (figura 8). Como reductor se empleó una disolución de borohidruro sódico 2,24 % (m/v) estabilizada con NaOH 0,4 % (m/v). La muestra y el reductor circulan con un flujo de 1,5 mL/min impulsados mediante una bomba peristáltica (Óptima, Perkin Elmer) hasta un bucle de reacción (100μL) en donde se mezclan, generando así especies metálicas volátiles. La mezcla pasa a un separador gas-líquido y una corriente de Ar de 0,74 L/min arrastra las especies volátiles hasta el plasma. La fracción final que permanece en el separador es desechada, con un flujo de 7,7 mL/min. Fig. 8: Separador gas-líquido de salida forzada Capítulo 5 250 3.1.4.5 Sistema de generación de vapor en forma de U En el caso del separador en U (figura 9) se introdujo la mezcla de reacción través de una de las entradas superiores. La reacción se había producido previamente en un loop de 100 μL. Una corriente de Ar arrastra las especies volátiles generadas al ICP. El flujo de muestra y de reductor se varió hasta 8,5 mL/min y el de Ar entre 0,2 y 1 L/min. Fig. 9: Separador gas-líquido hidrostático en forma de U. 3.1.4.6 Sistema de generación de vapor MSIS modificado Este separador (figura 10), fue situado fuera del compartimento del ICP. Las medidas se llevan a cabo bombeando los patrones por la parte inferior del separador, y el reductor (la concentración óptima de borohidruro sódico fue 1,75 % (m/v) en NaOH 0,4 % (m/v)) por la parte superior, ambos con un flujo de 2,3 mL/min. La reacción se produce en el interior del separador, y una corriente de Ar de 1,3 L/min transporta a las especies volátiles al plasma a través del tubo de transferencia (de 60 cm de longitud). Sistemas de introducción de muestra 251 Las condiciones óptimas de generación de vapor obtenidas a partir de las disoluciones patrón fueron: concentración de 8-hidroxiquinoleína de 40 mg/L y de ácido nítrico de 0,35 M. Fig. 10 : Sistema de generación de vapor MISIS modificado 3.1.4.7 Sistema de generación de vapor MSIS Este separador (figura 11) puede acoplarse directamente a la antorcha dentro del ICP. En vez de un nebulizador Burgener, se empleó el Gem Cone (Perkin Elmer, Norwalk, USA). Existen tres modos de operación diferentes: Modo nebulización, modo generación de vapor y modo dual (los dos modos a la vez). Se seleccionó el modo dúal como modo de trabajo. Los patrones se prepararon empleando concentraciones HNO3 0,35M y 8-hidroxiquinoleína 225 mg/L. La concentración óptima de reductor fue 1,75 % (m/v). MUESTRAOREDUCTOR VIDRIO ESMERILADO DESECHO MUESTRAOREDUCTOR ENTRADA DEARGON MUESTRAOREDUCTOR VIDRIO ESMERILADO DESECHO MUESTRAOREDUCTOR ENTRADA DEARGON MUESTRAOREDUCTOR VIDRIO ESMERILADO DESECHO MUESTRAOREDUCTOR ENTRADA DEARGON Capítulo 5 258 3.2.1.3 Sistema de generación de vapor MSIS Se llevaron a cabo experimentos en los tres modos diferentes de operación (nebulización, generación de vapor, dual) en los que puede trabajar este separador. Para ello, se preparó una disolución patrón de 1 mg/L de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn, y 0,25 mg/L de Sn con 38,63 mg/L de 8-HQ, 1 mg/L de cobalto y 0,43 M de HNO3. Optimización conjunta del flujo de Ar y los flujos de muestra nebulizada y muestra y reductor : Se realizaron experimentos para conocer las condiciones más adecuadas de trabajo. Se midieron blancos y patrones variando los flujos de muestra y reductor, el flujo de muestra nebulizada y el flujo de Ar: a. En el modo de generación de vapor se empleó un flujo de muestra y reductor de 2,3 mL/min y dos flujos de Ar: 0,75 y 1 L/min. b. En el modo dual utilizando unos flujos de muestra y reductor de 2,3 mL/min, un flujo de muestra nebulizada de 0,76 mL/min; en estas condiciones se probaron dos flujos de Ar: 0,75 y 1 L/min. c. En modo dual usando unos flujos de muestra y de reductor de 2,3 mL/min y un flujo de muestra nebulizada de 1,3 mL/min; en estas condiciones se probaron dos flujos de Ar: 0,75 y 1 L/min. Todos los metales presentaron señales más intensas en modo dual, con un flujo de muestra nebulizada de 1,3 mL/min y un flujo de muestra y reductor de 2,3 mL/min y una corriente de Ar de 0,75 L/min. Por ese motivo, estas serán las condiciones de trabajo que se utilicen para el resto de los experimentos. Sistemas de introducción de muestra 259 Además, se estudió la influencia que tiene el aumento de flujo de reductor en la intensidad de las señales, y también ocurre una mejora, pero el plasma se vuelve inestable, por lo que se decide continuar con el mismo flujo de reductor (2,3 mL/min). Posteriormente, se llevó a cabo la optimización de las concentraciones de 8hidroxiquinoleína, ácido nítrico y reductor funcionando en modo dual. Optimización de la concentración de 8-hidroxiquinoleína. Para optimizar la concentración de compromiso de la 8-hidroxiquinoleína, los patrones se prepararon con una acidez de 0,45 M y el reductor con una concentración 1,75 % (m/v). Se utilizaron las siguientes concentraciones de 8-hidroxiquinoleína: 25 mg/L, 40 mg/L, 75 mg/L, 150 mg/L, 225 mg/L y 300 mg/L. Las intensidades relativas de las señales de los distintos elementos al modificar la concentración de 8hidroxiquinoleína se encuentran recogidas en la figura 17. 50 60 70 80 90 100 110 0 50 100 150 200 250 300 350 [8-hidroxiquinoleína] (mg/L) Señal Normalizada Ag 328.068nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 17: Optimización de la concentración de 8-hidroxiquinoleína. Capítulo 5 260 Optimización de la concentración de ácido nítrico. Los patrones metálicos se prepararon con 225 mg/L de 8-hidroxiquinoleína y se utilizaron concentraciones de ácido nítrico 0,25 M, 0,35 M y 0,45 M. Los resultados obtenidos en la optimización de la acidez se muestran en la figura 18. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 0,20,250,30,350,40,450,5 [HNO3]/M Señal Normalizada Ag 328.068nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 18: Optimización de la concentración de HNO3. Optimización de la concentración de borohidruro sódico. Los patrones metálicos se prepararon con 225 mg/L de 8-hidroxiquinoleína y una concentración de ácido nítrico de 0,35 M, y se utilizaron concentraciones de reductor de 1,5, 1,75 y 2 % (m/v). Las intensidades relativas de las señales de los distintos elementos al modificar la concentración de borohidruro sódico se encuentran recogidas en la figura 19. Sistemas de introducción de muestra 261 40 50 60 70 80 90 100 110 1,45 1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 [NaBH 4 ] (%) Señal Normalizada Ag 328.068nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 19: Optimización de la concentración de reductor. Finalmente, se prepararon los patrones para la obtención de las rectas de calibrado en las condiciones óptimas con concentraciones 0,35 M de HNO3 y 225 mg/L de 8-hidroxiquinoleína. El reductor que se decidió utilizar inicialmente fue el de 2 % (m/v), pero después se cambió por el de 1,75 % (m/v) debido a que el plasma presentaba un comportamiento muy inestable y tendencia a apagarse con mucha facilidad. 3.2.1.4 Sistema de generación de vapor CMA. Para escoger los flujos de muestra y reductor y desecho se utilizó un patrón de 1 mg/L de los metales preparada empleando 225 mg/L de 8-hidroxiquinoleína y una concentración de HNO3 de 0,45M. La concentración de reductor utilizada fue de 1,75 % (m/v) y el flujo de Ar de 0,75 L/min. Los criterios seguidos para escoger la mejor combinación fueron: que los flujos de muestra y reductor debían ser Capítulo 5 262 iguales y que debe conseguirse que el plasma esté totalmente estable. En estas condiciones los mejores resultados se obtuvieron empleando flujos de muestra y reductor de 1,5 mL/min y un flujo de desecho de 7,7 mL/min. Se intentó introducir un flujo mediante nebulización y trabajar en modo dual como en el separador anterior, pero resultó imposible porque se apagaba el ICP. Después se realizó la optimización de los siguientes parámetros: el flujo de Ar, la concentración de ácido nítrico y la concentración de 8-hidroxiquinoleína y la concentración de reductor. Optimización del flujo de Ar. Se estudió la influencia del flujo de Ar en la intensidad de las señales. Se utilizó una disolución patrón de 1 mg/L de los metales preparada empleando 225 mg/L de 8-hidroxiquinoleína y una concentración de HNO3 de 0,45M. La concentración de reductor utilizada fue de 1,75 % (m/v). Los resultados obtenidos aparecen recogidos en la figura 20. Se escogió un flujo de Ar de trabajo de 0,6 L/min. 0 20 40 60 80 100 120 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Flujo de Ar (L/min) Señal normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 228.802 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Zn 213.857 nm Fig. 20: Optimización del flujo de Ar Sistemas de introducción de muestra 263 Optimización de la concentración de ácido nítrico. Los patrones metálicos se prepararon con 225 mg/L de 8-hidroxiquinoleína y se utilizaron concentraciones de ácido de nítrico de 0,25 M, 0,35 M , 0,4M , 0,45 M y 0,55 M. La concentración de reductor utilizada fue de 1,75 % (m/v). Las intensidades relativas de las señales de los distintos elementos al modificar las concentraciones de ácido se muestran en la figura 21. Se escogió una concentración de ácido nítrico de 0,4M para seguir utilizando en el trabajo posterior. 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 [HNO3] (M) Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 21: Optimización de la concentración de ácido Optimización de la concentración de 8-hidroxiquinoleína. Para optimizar la concentración de compromiso de la 8-hidroxiquinoleína, los patrones se prepararon utilizando una acidez de 0,40 M y la concentración de reductor fue de 1,75 % (m/v). Se utilizaron las siguientes concentraciones de 8-hidroxiquinoleína: 25 mg/L, 150 mg/L, 300 mg/L, 450 mg/L, 600 mg/L y 750 mg/L y 900 mg/L. Los resultados obtenidos para los diferentes metales aparecen recogidos en la figura 22. Capítulo 5 264 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 [8-hidroxiquinoleína] (mg/L) Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 22: Optimización de la concentración de 8-hidroxiquinoleína. La concentración óptima de 8-hidroxiquinoleína de compromiso fue de 450 mg/L. Optimización de la concentración de NaBH4. Para la optimización de la concentración de reductor se emplearon un flujo de Ar de 0,6 mL/min, una concentración de ácido 0,4 M y una concentración de 8-hidroxiquinoleína de 450 mg/L. La concentración de reductor se varió entre 1,2 y 2,25 %(m/v) manteniendo siempre una concentración de constante de NaOH 0,4%(m/v). Se utilizaron las siguientes concentraciones de NaBH4 : 1,25 % (m/v), 1,5% (m/v), 1,75 % (m/v) , 2 % (m/v) y 2,25 % (m/v). En la figura 23 se muestra como varían las intensidades para los distintos elementos al variar la concentración de reductor. Sistemas de introducción de muestra 265 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 [NaBH 4 ] (%) Señal normalizada Ag 328.068 Au 242.795 Cd 214.440 Cu 324.752 Ni 231.604 Sn 189.927 Zn 213.857 Fig 23: Optimización de la concentración de 8-hidroxiquinoleína. La concentración de reductor escogida fue de 2,25 % (m/v) preparada en una disolución de NaOH 0,4 % (m/v). Capítulo 5 266 3.2.2 Características analíticas 3.2.2.1 Rectas de calibrado Los patrones de calibrado se prepararon con concentraciones de 0, 0,15, 0,30, 0,45, 0,6 y 0,75 mg/L para Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn y se emplearon las condiciones de acidez y los flujos adecuados para cada separador. 3.2.2.2 Límites de detección Los límites de detección comparados para los diferentes sistemas de introducción de muestra se encuentran recogidos en las tablas 2-8. 3.2.2.3 Precisión La precisión, se define como la medida de la dispersión de los datos en torno a un valor central. Para calcular el coeficiente de variación se realizaron 11 medidas del un mismo patrón que contenía 0,30 mg/L de cada metal estudiado (exceptuando el Sn cuya concentración fue de 0,1 mg/L). En las tablas siguientes (desde la tabla 2 hasta la tabla 8) se muestran las pendientes de las rectas de calibrado, el coeficiente de regresión, el LOD, el LOQ y el CV (%) en intensidad de emisión, obtenidos empleando los diferentes métodos de análisis optimizados para los distintos separadores, y para las líneas más sensibles de los elementos. En negrita se muestran los mejores límites de detección obtenidos para las líneas seleccionadas. Sistemas de introducción de muestra 267 Tabla 2: Características analíticas obtenidas para la determinación de Ag (línea 328.062 nm) mediante ICP-OES. Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 36090,0 1,000 2,7 9,1 5,4 Sep.salida forzada No lineal MSIS modificado No lineal MSIS (modo dual) 830,9 0,997 27,0 89,0 3,7 MSIS (modo GV) No lineal MSIS (modo nebuliz.) 59389,9 0,996 6,1 21,0 2,3 CMA 112345,2 0,996 1,1 3,9 9,4 Tabla 3: Características analíticas obtenidas para la determinación de Au (línea 242,795 nm) mediante ICP-OES. Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 3333,9 0,995 12,0 41,0 2,4 Sep.salida forzada 5088,0 0,997 8,1 27,0 2,9 MSIS modificado 2586,4 0,992 19,1 63,8 7,8 MSIS (modo dual) 9415,1 0,998 4,5 14,9 2,0 MSIS (modo GV) 10696 0,997 9,6 32,1 3,6 MSIS (modo nebuliz.) 7388,8 0,997 5,2 17,2 2,0 CMA 15968 0,999 7,0 22,9 10,8 Tabla 4: Características analíticas obtenidas para la determinación de Cd (línea 214,440 nm) mediante ICP-OES. Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 14088,0 1,000 0,8 2,7 0,8 Sep.salida forzada 13751,0 0,998 3,3 10,9 21,2 MSIS modificado 10439,9 0,997 15,9 52,9 9,9 MSIS (modo dual) 63566,0 0,987 0,3 1,0 2,2 MSIS (modo GV) 35892,2 0,977 0,5 1,6 3,4 MSIS (modo nebuliz.) 11772,0 0,999 7,6 9,2 2,6 MCA Pierde la linealidad Capítulo 5 274 Triton X-10021 y el CTAB32. Por lo tanto el empleo de este tipo de modificadores en el medio de reacción sería una manera posible de seguir mejorando los límites de detección de los Sistemas de Generación de Vapor 4.CONCLUSIONES Se estudió y comparó el funcionamiento de cuatro sistemas de introducción de muestra para la determinación multielemental de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn mediante GV-ICP-OES, en presencia de concentraciones constantes de 8hidroxiquinoleína y Co. o Se descartó la utilización del sistema de generación de vapor en forma de U por los problemas de sobrepresión que causaba la alta concentración de reductor empleado para generar los vapores. o El MSIS modificado se situó fuera del ICP, y se fijaron las condiciones de trabajo: flujo de Ar (1,3 L/min), flujo de muestra y de reductor (2,3 mL/min), y concentraciones de compromiso de las disoluciones patrón (ácido nítrico (0,35 M) y 8-hidroxiquinoleína (40 mg/L)) junto con la de reductor (1,75 % (m/v)). o El MSIS en modo dual (acoplado directamente a la antorcha) proporcionó la mayor sensibilidad en las medidas. Se establecieron los siguientes parámetros de trabajo: flujo de Ar (0,75 L/min), flujo de muestra que entra por el nebulizador (1,3 mL/min), flujo de reductor (2,3 mL/min), flujo de muestra de la GV (2,3 mL/min) y las concentraciones de compromiso de las disoluciones patrón Sistemas de introducción de muestra 275 (HNO3 (0,35 M) y 8-hidroxiquinoleína (225 mg/L)) junto con la de reductor (1,75 % (m/v)). o Los LOD proporcionados por el MSIS fueron mejores (para todos los metales) que los del MSIS modificado y además, para Au, Cd y Sn (en modo dual) mejoraron los obtenidos mediante nebulización convencional (Au: de 12,0 μg/L a 4,5 μg/L; Cd: de 0,9 μg/L a 0,4 μg/L; Sn: de 48,6 μg/L a 1,6 μg/L). o La precisión obtenida por el MSIS (todos los CV (%) fueron menores que 5%) también es mejor que la que se obtiene con el MSIS modificado, en donde los CV (%) fueron menores que 8 % para todos los metales excepto para el Zn (13,1%). o El separador MCA resultó menos robusto que el MISIS y no se pudo utilizar en modo dual en las condiciones de generación de vapor se obtuvieron con fueron una concentración en los patrones de ácido nítrico de 0,4 M, una concentración de 8 hidroxiquinoleína de 450 mg/L, una concentración de borohidruro sódico del 2,25 % y un flujo de Ar de 0,6 L/min. Los flujos de muestra y reductor fueron de 1,5 L/min. Las pendientes obtenidas usando la cámara ciclónica MCA fueron altas, pero se produjo efecto memoria en las medidas por lo que fue necesario limpiar el sistema utilizando disoluciones de HCl 1-2M. o El separador MCA puede ser útil para la determinación de Ag en presencia de otros elementos porque se consigue un límite de Capítulo 5 276 detección de 1,1 µg/L frente a 2,75 µg/L (obtenido mediante nebulización convencional). Sistemas de introducción de muestra 277 5. BIBLIOGRAFÍA 1. Brindle ID. Vapour-generation analytical chemistry: from Marsh to multimode sample-introduction system. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2007;388(4):735-741. 2. Pohl P, Sturgeon RE. Simultaneous determination of hydride-and nonhydride-forming elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 3. Dedina J, Tsalev DL, Slavin W. Hydride generation atomic absorption spectrometry: Wiley; 1995. 4. 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Determination of zinc in food using atomic fluorescence spectrometry by hydride generation from organized media. Analytica Chimica Acta 2002;457(2):305-310. 287 CAPÍTULO 6 Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor. Capítulo 6 290 Estudiaron la capacidad de varios reactivos para incrementar la sensibilidad de la determinación de Zn y Cd., y evaluaron la utilización de distintos agentes complejantes como la o-fenantrolina, la 8-hidroxiquinoleína, el ferrón, la tioúrea, el AEDT, el ácido ascórbico y la Lcisteína, y surfactantes como el CTAB. Los mejores resultados los obtuvieron utilizando 8-hidroxiquinoleína, ortofenantrolina y –CTAB. Comparando los datos obtenidos sin los modificadores con los datos que se obtienen al emplearlos: la 8-hidroxiquinoleína, la ortofenantrolina y el CTAB incrementan las señales en un factor de 11,9, 12,1 y 6,2 en el caso del Zn y en un factor de 7,3, 6,7 y 5.6 para el Cd. Además añadieron Co como catalizador de la reacción. La concentración óptima de 8-hidroxiquinoleína fue de 3 mg/L. Los patrones se acidificaron utilizando HCl 0,37 M y el reductor utilizado fue KBH4 2 % (m/v). En estas condiciones se consiguieron límites de detección de 1,6μg/L y 0,01 μg/L para Zn y Cd. S. Xu y R. E. Sturgeon3 determinaron Au mediante ICPOES y GFAAS. Las especies volátiles fueron generadas en un reactor (longitud óptima 15cm, d.i. 0,7 mm) y transportadas a un separador gas-líquido fabricado en el laboratorio. Desde el separador gas-líquido son transferidas mediante un tubo de PTFE de 30 cm al plasma o al tubo de grafito. El flujo de Ar de nebulización fue de 1 L/min. Estudiaron el efecto de distintas disoluciones tampón como matriz de la muestra y de disoluciones portadoras de diferente acidez. Las matrices más adecuadas fueron: 1) Disolución de KCl y HCl de pH=1. 2) Disolución de ftalato de hidrógeno potásico y NaOH pH=4,2 (resultados ligeramente mejores). El uso de este tipo de matriz incrementa en un 40-60% la sensibilidad con respecto a la obtenida utilizando disoluciones 0,1M HCl. Como disolución portadora utilizaron agua desionizada con un flujo de 9,2 mL/min. La acidez tuvo un efecto marcado en la selectividad, el pH óptimo para la reacción se encuentra en un rango de 2 a 5 (valores de pH próximos a 7 no son adecuados para la Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 291 generación de vapor). Añadieron 0,03% de dietilditiocarbamato de sodio preparado en 50% etanol a las muestras incrementando 21 veces la sensibilidad. Optimizaron la concentración y flujo de reductor. Cuando utilizaron NaBH4 como único reductor aparece un depósito negro recubriendo el reactor. Analizaron el precipitado y observaron que contenía Au y S. El uso de NaBEt4 como único reductor produjo una respuesta muy baja, esto significa que la etilación no es la reacción predominante. Los mejores resultados se obtuvieron utilizando un reductor mixto que contenía un 0,1 % de NaBH4 y un 0,01% de NaBEt4 y que hicieron circular con un flujo de 4,8 mL/min. La presencia de NaBEt4 inhibió la formación de precipitado. 2.3 Surfactantes Un surfactante es una sustancia que disminuye la tensión superficial del medio en que se encuentra disuelta, y/o la tensión superficial con otras fases. Un surfactante en agua da lugar a la formación de distintos agregados: vesículas ( las vesículas tienen un gran potencial analítico para mejorar la generación de vapor frío (Hg y Cd) y la generación de hidruros (As, Se, Pb)); micelas (una aplicación analítica de las micelas es la extracción en punto de nube (CPE) que ofrece un alto factor de enriquecimiento para iones metálicos y fue utilizada para determinar Hg en agua); emulsiones y microemulsiones (este método fue utilizado para determinar Hg en muestras de aceite de huevas de pescado). El tipo de agregado depende de la concentración, la estructura molecular y de las condiciones experimentales en las que se encuentra el surfactante4. Desde es punto de vista analítico los medios organizados más utilizados son las micelas y las vesículas. Las micelas son agregados de dimensiones coloidales de moléculas de surfactante que se forman cuando se incrementa su concentración por encima de la concentración micelar crítica (c. m. c.). Una vesícula es una Capítulo 6 292 estructura de bicapa cerrada formada por lípidos o cadenas de surfactantes y pueden ser visualizadas como dos esferas concéntricas en las que las cadenas carbonadas de los monómeros se encuentran en contacto y su parte polar en contacto con el agua. Las vesículas suelen formarse mediante dispersión en agua de surfactantes aniónicos o catiónicos que tienen dos cadenas carbonadas largas5. A. Sanz-Medel y col5 realizaron diversos estudios sobre el uso de surfactantes como medio organizado para la generación de especies volátiles. Observaron que el uso de un medio organizado en la generación de hidruros empleando NaBH4 como reductor presenta al menos tres posibles ventajas: (a) incremento en la velocidad de reacción de las especies volátiles (efecto cinético), (b) incremento en la estabilidad de la generación y eficacia en la volatilización y (c) incremento de la selectividad. Estos autores realizaron experimentos con distintos elementos convencionales que forman especies volátiles de Pb, As, Sb, Hg y Cd: Optimizaron la generación de PbH4 en un medio organizado6. Para ello realizaron experimentos utilizando surfactantes catiónicos como el bromuro de hexadeciltrimetil amonio (CTAB); un surfactante aniónico : como el dodecilsulfatosódico (SDS); un surfactante no iónico (Triton-X100); un surfactante zwitteriónico (ZW 3 16); vesículas catiónicas como el didodecil bromuro de amonio (DDAB) y vesículas catiónicas formadas por dihexadecil fosfato (DHP). Los resultados muestran que los surfactantes con carga positiva CTAB y DDAB producen un incremento importante en la señal de Sn que podría deberse a un proceso más rápido de generación y transporte de PbH4. Lo mismo ocurre para la generación de arsina7. El medio seleccionado en este caso fueron vesículas de DDAB mejorando la precisión en la determinación (CV 3,2% vs 2,3%) y bajando la sensibilidad 1,3 μg/L a 0,6 μg/L. M. Eva Moreno y col.8 determinaron antimonio mediante generación de hidruros utilizando Triton X100 y una emulsión de silicona como agente Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 293 antiespumante. Consiguieron incrementar la sensibilidad de la determinación de antimonio en un 70%. Además consiguieron determinar antimonio en agua de mar, en particulado atmosférico y en agua de grifo sin necesidad de emplear adición estándar. El empleo de un medio organizado también fue aplicado a la determinación de mercurio9 mediante vapor frío. No se observó incremento de sensibilidad al utilizar micelas de Triton X100 o SDS. Con respecto el empleo de micelas sólo el uso de micelas catiónicas de CTAB supuso un claro incremento de las señales de entre un 20 y un 30%. Los mejores resultados se obtuvieron sonicando la disolución de Hg con una concentración de DDAB adecuada para la formación de vesículas, obteniéndose así señales que presentaron el doble de intensidad que las que se obtienen cuando la reacción se lleva a cabo en agua, y un límite de detección para el Hg de 0,2 μg/L. Cabe destacar que si se sonicaban las micelas en ausencia de Hg y el Hg era añadido a posteriori no se producía un incremento de las señales. Otro elemento para el que el uso de un medio organizado sirve para mejorar mucho la sensibilidad es el Cd. M. Temprano y col.10 optimizaron las condiciones de generación de vapor de Cd al añadir diferentes surfactantes. Los límites de detección obtenidos fueron: utilizando la nebulización convencional 5 μg/L, utilizando la generación de especies volátiles de Cd dependieron del medio de reacción. Cuando la reacción se llevó a cabo en agua el LOD fue superior a 10 3μg/L , en CTAB (micelas catiónicas) fue de 7 μg/L, en Triton X100 (micelas no iónicas) fue de 3 μg/L, en ZW-3 (micelas zwitteriónicas) fue de 16 2 μg/L, en SLS (micelas aniónicas) fue de 2 μg/L, en DHDF (vesículas aniónicas) fue de 3 μg/L y en DDAB (vesículas catiónicas) fue de 1 μg/L. Obtuvieron los mejores resultados utilizando vesículas de DDAB. Para conocer la importancia de la formación de vesículas en la generación de especies volátiles de Cd realizaron los siguientes experimentos en modo baño: preparación de las vesículas de DDAB sonicando la disolución y adición posterior de Cd y NaBH4 , y preparación de las vesículas Capítulo 6 294 sonicando mientras se realiza la reacción de generación de vapor añadiendo Cd y NaBH4. Observaron que los mejores resultados se obtienen si la formación de las vesículas se realiza durante la reacción de generación de vapor. Para confirmar el efecto de las vesículas en la generación de vapor separaron las vesículas del resto de la disolución mediante ultrafiltración y midieron el contenido de Cd en las mismas. Si la generación de vapor y la formación de las vesículas se llevaba a cabo de forma simultánea el 50% del Cd quedaba retenido en las vesículas, pero cuando se realiza la preparación de las vesículas y se añaden posteriormente los reactivos la mayor parte del Cd se recoge en el ultrafiltrado, es decir que se queda fuera. Lo que ocurre en el medio de reacción cuando se trata de metales nobles y de transición no se conoce con certeza pero existen varias teorías: T. Matousek y col.11 proponen que siendo las especies volátiles partículas cuando interaccionan con el surfactante se vuelven más hidrofóbicas. Estas partículas hidrofóbicas se unen a las burbujas de hidrógeno que se forman debido a la descomposición del reductor y salen de la disolución. Para Y. L. Feng y col.12 el efecto del surfactante Triton-X100 en el mecanismo de la reacción no es claro; consideran que el Triton X-100 en presencia del agente antiespumante B que es una mezcla de detergentes iónicos podría interaccionar con los intermedios de los vapores generados de Rh, o servir para reducir la tensión superficial y promover la liberación de las especies volátiles. Estos autores probaron también varios agentes complejantes, entre ellos el DDTC, pero no observaron incrementos en las señales de Rh. En generación de vapor a partir de disoluciones de metales se utilizaron principalmente dos surfactantes: el Triton X-100 y el CTAB. El Triton X-100 en Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 295 combinación con el agente antiespumante B fue utilizado para mejorar el rendimiento de la reacción de generación de vapor en concentraciones inferiores11,13,14 y superiores12 a la concentración micelar crítica. H. Sun, R. Suo y Y. Lu15 (2002) determinaron Zn mediante Espectroscopia de Fluorescencia atómica y generación de vapor. La generación de vapor se llevó a cabo haciendo circular la muestra, el gas portador y el reductor hasta el tubo de mezcla y del tubo de mezcla al separador gas-líquido. Para conseguir las condiciones óptimas para la generación de las especies volátiles emplearon: una concentración de HCl en la muestra de 0,35 mol/L, una concentración de KBH4 de 20 g/L, una concentración de CTAB de 2.5 10-5 mol/L, una concentración de Ni de 0,8 mg/L y un flujo de gas portador de 300 mL/min. Estudiaron la capacidad de un surfactante catiónico (CTAB: bromuro de cetiltrimetil amonio) y de dos surfactantes aniónicos (SLS: lauril sulfato de sodio y SDBS: sulfonato de dodecil benceno sódico), para incrementar la sensibilidad en la determinación de Zn. El surfactante CTAB fue el que provocó un mayor incremento de la intensidad de fluorescencia. Observaron que la señal de Zn aumenta cuando se incrementa la concentración de CTAB, pero escogieron una concentración de CTAB de 2.5 10-5 mol/L porque una concentración de surfactante demasiado alta producía demasiada espuma. El uso de CTAB mejoró el LOD para el Zn de 3,9 ng/L (en medio acuoso) a 1,8 ng/L e incrementó la precisión (RSDaq = 2,3%, RSDCTAB = 1,6%). Otra ventaja del uso de CTAB fue que disminuyó las interferencias de Ag, As, Bi, Ca, Cr, Cu, Fe, Ge, Hg, Mg, Pb, Se, Sn y Fe. Estudiaron el efecto de la temperatura en un rango de 10 a 70ºC. Cuando la reacción se llevó a cabo en un medio que contiene CTAB las señales se incrementaron de forma drástica con la temperatura. Además evaluaron el efecto de la introducción de metales de transición en el medio de reacción. La presencia de Capítulo 6 296 elementos de transición, especialmente Co y Ni mejoró la reacción de generación de vapor para el Zn. La reacción entre NaBH4 e iones de Co u Ni producen boruros metálicos, también denominados catalizador marrón, que promueve una alta actividad catalítica en las reacciones de hidrogenación. T. Matousek y col.11 utilizaron ICP-OES y AAS para determinar plata mediante generación de vapor por reacción con NaBH4. Optimizaron la acidez de las muestras, la concentración de reductor y los flujos de muestra y reductor. Añadieron 20 mg/L de surfactante Triton X-100 a la muestra y realizaron una dilución 1:7500 del agente antiespumante B en la disolución del reductor. El uso del surfactante incrementa la sensibilidad 4 veces. El Triton X-100 es un surfactante no iónico. Estos autores11 consideran que el incremento de la sensibilidad no puede ser razonado mediante el uso de un medio organizado, porque la concentración óptima de surfactante fue de 1,7 x10-5 M que es más de un orden de magnitud inferior a la concentración micelar crítica que sería 2,2 -2,4 x 10-4 M. Lo mismo ocurre en el caso del CTAB cuya concentración micelar crítica CMCCTAB= 0,9x103 M se encuentra por encima de la concentración óptima de surfactante utilizada por H. Sun y col. que fue de 2,5 x 10 -5 M. Sin embargo, Y. L. Feng y col. 12 generaron especies volátiles de Pt, Co, Ag, Cu, Rh, Pd, Au, Ni, Ir Ti, Mn Cd, Pb y Sn por reacción con NaBH4 y utilizaron concentraciones del surfactante Triton X-100 añadido a la muestra y el portador del 0,005%-0,02% (m/v) y del agente antiespumante B añadido en una concentración de 0,01% (m/v) a la disolución de reductor. Triton X-100 es un surfactante no iónico y el agente antiespumante B es una mezcla de detergentes no iónicos. La concentración micelar crítica del Triton X-100 se halla entre 2,2 -2,4 x 10-4M que se corresponde con un 0,0125 % (m/v) y se encuentra por encima de la CMC. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 297 2.4 Líquidos iónicos a temperatura ambiente. Los líquidos iónicos son fluídos consistentes en la combinación de cationes orgánicos y aniones que pueden ser líquidos a temperatura ambiente. Los líquidos iónicos más estudiados contienen los siguientes cationes 1-alquil-3metilimidazolio, N-alquilpiridinio, tetraalquilammonio o tetraalquilfosfonio. Los aniones más comunes pueden ser orgánicos o inorgánicos e incluyen hexafluorofosfato, tetrafluoroborato, trifluorometilsulfonato, bis-trifluorometil sulfonilamida, trifluoroetanoato, acetato, nitrato y haluros. Las propiedades fisicoquímicas de los líquidos iónicos dependen de la naturaleza y tamaño tanto del anión como del catión que los constituyen. Algunas propiedades que los caracterizan son las siguientes: baja presión de vapor, buena estabilidad térmica, viscosidad variable, son miscibles en agua y disolventes orgánicos y funcionan bien como extractantes de compuestos orgánicos e iones metálicos. En química analítica el empleo de los líquidos iónicos se puede dividir en cuatro áreas principales: preparación de muestra (extracción líquido-líquido, microextración en fase sólida y microextracción en fase líquida), cromatografía y electroforesis capilar y detección (en sensores, espectroscopía de masas MALDIMS y en espectroscopia Vis/IR cercano)16. En los últimos años han aparecido varios estudios en la bibliografía donde se emplean los líquidos iónicos para generar vapores. El mecanismo de reacción de los líquidos iónicos en la generación de vapor podría estar relacionado con las interacciones entre el líquido iónico y el metal en disolución. C. Zang y col 17 estudiaron las posibles interacciones de los líquidos iónicos y el Au empleando espectrofotometría UV-VIS. De este estudio se dedujo que el Au interacciona con el catión y la interacción es superior con los aniones de menor masa que con los aniones más voluminosos, ya que dificultan las interacciones electrostáticas entre Capítulo 6 298 el anión y las especies de Au. Por otro lado, parece que el Brpodría interaccionar con el ion [Au Cl4-n OHn ]- formando un anión mixto mediante la substitución de los Clpor Br- . El bromuro de 1-butil–3-metil imidazol es el líquido iónico que proporciona el mejor límite de detección de (1,9 μg/L) y una precisión de 3,1 %. C. Zhang y col. 18 determinaron Cu, Au y Ag. mediante generación de vapor y fluorescencia atómica. Optimizaron las siguientes variables: la concentración de [N bupy][BF4] entre 0 y 5 mg/L, siendo las concentraciones óptimas de 2,5 mg/mL para Cu (II), entre 2,5 y 3,5 mg/mL para Ag (I) y 2,5 mg/mL para Au (III); la concentración de KBH4, obteniendo mejores valores para los tres elementos emplearon concentraciones en torno a 15 g/L; la concentración y el tipo de ácido obteniendo, siendo HNO3 0,3 M, de HNO3 0,5 M y de HCl 0,8 M la acidez óptima para Cu , Ag y Au, respectivamente; también optimizaron el flujo de gas portador siendo los flujos óptimos: para el Cu 300 mL/min, para la Ag 250 mL/min y para el Au 500 mL/ min . Los límites de detección obtenidos fueron 19, 15 y 6,3 µg/L para Cu, Ag y Au respectivamente. Estos mismos autores determinaron Ni mediante generación de vapor y fluorescencia atómica. Emplearon bromuro de N-butil piridinio 25 mmol/L y dietilditiocarbamato sódico 0,02 % (m/v) como modificadores del medio de reacción en la generación de las especies volátiles. Optimizaron las siguientes variables: la concentración de KBH4 , obteniendo mejores valores para los tres elementos cuando emplearon concentraciones en torno a 10 g/L; la concentración de HCl que fue 0,16 mol/L; el flujo de Ar portador óptimo: 450 mL/min. El procedimiento tolera concentraciones de interferente de: 20 mg/L de Zn2+, 10 mg/L de Fe3+, 5 mg/L de Co2+ y Se (IV), 2 mg/L de Cd2+, Mn2+, Hg2+, As (III) y Sb (III) y 1 mg/L of Cu2+ y Pb2. El límite de detección fue de 0,65 μg/L, el mejor obtenido hasta el momento para este elemento, y la precisión fue de un 3,4 %. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 299 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS 3.1.1 Aparatos Se encuentran recogidos en la página 66 del capítulo 2. 3.1.2 Material Se encuentran recogidos en la página 67 del capítulo 2. 3.1.3 Reactivos Aparecen recogidos en la página 68 capítulo 2. 3.1.4 Procedimiento experimental 3.1.4.1 Condiciones de medida en ICP-OES Las condiciones de trabajo del ICP-OES, se muestran en la Tabla 1. Capítulo 6 306 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 [HNO 3 ] M Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 5: Optimización de la concentración de ácido nítrico. Todos los elementos excepto el Au presentaron la misma acidez óptima que fue 0,6 M de HNO3. Optimización de la concentración de CTAB. Una vez fijadas las concentraciones de ácido y de reductor se optimizó la concentración de CTAB. Para ello se utilizaron las siguientes concentraciones de CTAB: 1,25x10-5 M, 2,5x10-5 M, 5 x10-5M, 10x10-5 M. En la figura 6 se muestran los resultados de la optimización del CTAB. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 307 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 024681012 [CTAB] 10-5 M Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 6: Optimización de la concentración de CTAB. Se escogió como concentración óptima de compromiso 2,5x10-5M de CTAB. Optimización del flujo de Ar y la relación de flujos muestra-reductor. Finalmente se procedió a optimizar los parámetros físicos que podrían afectar la generación y liberación de las especies volátiles. Se optimizó primero el flujo de Ar. Los flujos empleados fueron: 0,6, 0,7, 0,8 y 0,9 mL/min. Los resultados se muestran en la figura 7. Capítulo 6 308 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Flujo de Ar (L/min) Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 7: Optimización del flujo de Ar. Se obtuvo que el flujo de Ar óptimo de compromiso fue de 0,7 L/min. Este flujo es el óptimo para Ag, Au y Cd. El flujo óptimo de argón para el Zn se encontró entre 0,7 y 0,8 L/min y fue de 0,8 L/min para Cu, Sn y Ni. También se estudió el efecto del incremento del flujo de muestra con respecto al flujo de reductor. Para ello se probaron dos relaciones muestra-reductor: 1:1 y 1,3: 1. Se utilizaron las siguientes combinaciones de tuberías rojo-rojo: rojo-rojo y rojo-rojo: azul-amarillo. Las tuberías rojo-rojo tienen un diámetro interno de 1,14 mm y las tuberías azul amarillo tienen un diámetro interno de 1,52 mm. Para todos los elementos se obtuvieron las señales más intensas utilizando el mismo flujo de muestra que de reductor. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 309 Condiciones óptimas. Las condiciones óptimas para la generación de especies volátiles de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn utilizando borohidruro sódico como reductor y CTAB como modificador aparecen recogidas en la tabla 2. Tabla 2: Condiciones óptimas de compromiso para la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn utilizando CTAB como modificador. [NaBH4] (%) 2,24 Tipo de ácido HNO3 [Ácido] (mol/L) 0,6 [CTAB] (mol/L) 2,5 x 10-5 Flujo de Ar (L/min) 0,7 Relación de flujos: muestra: reductor 1:1 Flujos de muestra y reductor 1,5 mL/min 3.2.1.2 Ortofenantrolina Como punto de partida para la optimización se escogió una concentración de ortofenantrolina de 2 mg/L y una concentración de HNO3 de 0,4 M. Optimización de la concentración de borohidruro sódico. Se estudió la variación de las intensidades corregidas de emisión de los diferentes elementos al utilizar concentraciones crecientes de reductor. Las concentraciones de NaBH4 utilizadas fueron 0,6 % (m/v), 1,2 % (m/v) y 2,24 % (m/v). El reductor fue estabilizado utilizando una concentración de NaOH del 0,4 % (m/v). Las intensidades normalizadas de los distintos elementos al modificar la concentración de reductor se encuentra recogidas en la figura 8. Se seleccionó una concentración de reductor de 2,24% (m/v). Capítulo 6 310 0 20 40 60 80 100 Ag Au Cd Cu Ni Sn Zn Señal Normalizad a NaBH4 0,6 % (m/v) NaBH4 1,2 % (m/v) NaBH4 2,2 % (m/v) Fig 8: Optimización de la concentración de reductor. Optimización del tipo de ácido y su concentración. Los patrones y blancos se prepararon utilizando 2 mg/L de ortofenantrolina y se añadieron concentraciones de HNO3 o de HCl de 0,2 M, 0,3 M y 0,4 M, 0,5 M, 0,6M y 0,7M. Se obtuvieron señales más intensas utilizando HNO3 para: Cd (1,4veces), Cu (1,2 veces) y Ni (1,5 veces); fueron aproximadamente del mismo orden de magnitud para Zn y Au y fueron más intensas utilizando HCl para Ag (5,4 veces) y Sn (3 veces). Por ello se decidió utilizar HNO3 ya que es el ácido que da mejores resultados para un mayor número de elementos. La optimización de la concentración de HNO3 se muestra en la figura 9. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 311 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 [HNO 3 ] M Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 235.485 nm Zn 213.857 nm Fig. 9: Optimización de la concentración de HNO3. Se escogió como acidez óptima 0,4 M HNO3. En presencia de ortofenantrolina en el medio de reacción el valor óptimo de concentración de HNO3 es de 0,4 M para Ag, Au, Cu, Ni y Sn. Fueron el Cd y el Zn los que tuvieron valores de acidez óptima diferentes. Para el Zn la acidez óptima se encontró entre 0,3 y 0,4, mientras que para el Cd la acidez óptima fue 0,6 M. Optimización de la concentración de ortofenantrolina. Una vez fijadas las concentraciones de ácido y de reductor se optimizó la concentración de ortofenantrolina; para ello se utilizaron las siguientes concentraciones: 0, 0,2, 0,5, 1, 2, 3,5, 5, 6,5 mg/L. En la figura 10 aparecen recogidos los resultados de la optimización de la ortofenantrolina. Capítulo 6 312 0 20 40 60 80 100 120 01234567 [Ortofenantrolina] (mg/L) Señal Normalizada Au 242.795 Cu 324.752 Ni 231.604 Zn 213.857 Ag 328.068 Cd 214.440 Sn 189.927 Fig 10 : Optimización de la concentración de ortofenantrolina. Se escogió como concentración óptima de ortofenantrolina 3,5 mg/L. Optimización del flujo de Ar. A continuación se optimizó el flujo de Ar . Los flujos utilizados fueron: 0,6, 0,7, 0,8 y 0,9 mL/min. Los resultados se muestran en la figura 11. 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 0,50,60,70,80,9 1 Flu jo de Ar (L/mi n) Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 11: Optimización del flujo de Ar. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 313 Se obtuvo que el flujo de Ar óptimo fue de 0,7 L/min. Relación de flujos muestra-reductor. Flujos de muestra y reductor. También se estudió el efecto del incremento del flujo de muestra con respecto al flujo de reductor. Para ello se probaron dos relaciones muestra-reductor: 1:1 y 1,5: 1. Se utilizaron las siguientes combinaciones de tuberías rojo-rojo: rojo-rojo y negro-negro: rojo-rojo. Las tuberías rojo-rojo tienen un diámetro interno de 1,14 mm y las tuberías negro-negro tienen un diámetro interno de 0,76 mm. Para todos se obtuvieron señales más intensas utilizando el mismo flujo de muestra que de reductor excepto para el Sn y para el Au cuyas señales fueron del mismo orden de magnitud. El uso del mismo flujo de muestra que de reductor es especialmente importante en el caso del Ni y del Zn ya que se obtienen señales hasta 4 y 8 veces más intensas. Cuando la concentración de ácido superior a 0,5 M no resulta posible utilizar flujos de muestra y reductor superiores a 1,5 mL/min porque el plasma se vuelve muy inestable. Sin embargo, si la concentración de ácido no es demasiado alta se puede incrementar la sensibilidad subiendo los flujos. Por ello, en el caso de la ortofenantrolina también se optimizó el flujo de muestra-reductor. Se realizaron experimentos utilizando los siguientes flujos: 1,5 mL/min, 1,75 mL/min, 2 mL/min y 2,25 mL/min (figura 12). Capítulo 6 314 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 1,25 1,45 1,65 1,85 2,05 2,25 2,45 Flujo (mL/min) Señal Normalizada Ag 328.068 Au 242.795 Cd 214.440 Cu 324.752 Ni 231.604 Sn 189.927 Zn 213.857 Fig. 12: Optimización de los flujos de muestra y reductor. El flujo óptimo fue 2 mL/min. Condiciones óptimas. Las condiciones óptimas para la generación de especies volátiles de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn utilizando borohidruro sódico como reductor y ortofenantrolina como modificador aparecen recogidas en la tabla 3. Tabla 3: Condiciones óptimas de compromiso para la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn utilizando ortofenantrolina como modificador. [NaBH4] (%) 2,24 Tipo de ácido HNO3 [Ácido] (mol/L) 0,4 [ortofenantrolina] (mg/L) 3,5 Flujo de Ar (L/min) 0,7 Relación de flujos: muestra: reductor 1:1 Flujos de muestra y reductor 2 mL/min Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 315 3.2.1.3 Dietilditiocarbamato sódico (DDTC) Se escogió como punto de partida con una concentración de DDTC del 0,01% (m/v) y una concentración de HNO3 de 0,4 M. Optimización de la concentración de borohidruro sódico. Se estudió la variación de las intensidades corregidas de los diferentes elementos al utilizar concentraciones crecientes de reductor. Las concentraciones de NaBH4 utilizadas fueron 0,6 % (m/v), 1,2 % (m/v) y 2,24 % (m/v). El reductor fue estabilizado utilizando una concentración de NaOH del 0,4 % (m/v). Las intensidades normalizadas de los distintos elementos al modificar la concentración de reductor se encuentran recogidas en la figura 13. 0 20 40 60 80 100 Ag Au Cd Cu Ni Sn Zn NaBH4 0,6 % (m/v) NaBH4 1,2 % (m/v) NaBH4 2,2 % (m/v) Fig. 13: Optimización de la concentración de reductor. Como se puede observar en la figura 13, salvo en el caso del Sn, se obtuvieron señales más intensas para todos los elementos utilizando el reductor más concentrado 2,24 %(m/v). Por ello, fue una concentración de reductor del 2,24 % (m/v) la que se escogió para continuar con la optimización. Capítulo 6 322 Optimización de la concentración de borohidruro sódico. Se estudió la variación de las intensidades corregidas de los diferentes elementos al utilizar concentraciones crecientes de reductor. Las concentraciones de NaBH4 utilizadas fueron 0,75 % (m/v), 1 % (m/v), 1,25% (m/v), 2 % (m/v) y 2,25 % (m/v). El reductor fue estabilizado utilizando una concentración de NaOH del 0,4 % (m/v). Las intensidades normalizadas de los distintos elementos al modificar la concentración de reductor se encuentran recogidas en la figura 17. 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 [NaBH 4 ] % (m/v) Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 17: Optimización de la concentración de reductor Se escogió como concentración óptima de reductor 2,25 % (m/v). Optimización de la concentración de HNO3. Los patrones y blancos se prepararon utilizando CTAB 2,5x10-5 M y una concentración de líquido iónico de 20 mmol/L, y concentraciones 0,2 M, 0,3 M y 0,4 M, 0,5 M, 0,6M y 0,7M de HNO3. La optimización de la concentración de HNO3 se muestra en la figura 18. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 323 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 [HNO 3 ] M Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig. 18 : Optimización de la concentración de ácido nítrico. Optimización de la concentración de CTAB. Una vez fijadas las concentraciones de ácido y de reductor se procedió a optimizar la concentración de CTAB, para ello se utilizaron las siguientes concentraciones de CTAB: 0,75 x10-5 M, 1,5x10-5 M, 2,5x10-5 M, 5 x10-5M, 10x10-5 M. En la figura 19 se muestran los resultados de la optimización del CTAB. Capítulo 6 324 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 0,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 4,00E-05 5,00E-05 [CTAB] M Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Sn 189.927 nm Zn 213.857 nm Fig 19: Optimización de la concentración de CTAB Se escogió como concentración óptima de CTAB 1,25 x10 -5 M. Optimización de la concentración de LI. Se evaluó la concentración de líquido iónico más adecuada para la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Zn y Sn utilizando las siguientes concentraciones de bromuro de 1-butil-3 metilimidazol : 0, 12,5, 18,5, 25, 37,5 y 50 mmol/L. En las figuras 20 y 21 se muestran la optimización de la concentración de líquido iónico. En la figura 20 se muestra la variación de las intensidades normalizadas de Ag, Au y Sn, para estos elementos no parece que al añadir el LI aumenten las señales con respecto a cuando se utiliza sólo el surfactante. Sin embargo, para Cu, Ni, Cd y Zn si que existe un efecto combinado al utilizar los dos modificadores este efecto se muestra en la figura 21. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 325 40 50 60 70 80 90 100 110 -10 0 10 20 30 40 50 60 [LI] (mmol/L) Señal Normalizada Ag 328.068 nm Au 242.795 nm Sn 189.927 nm Fig 20: Optimización de la concentración de bromuro de 1-butil-3 metilimidazol:. Efecto del incremento de la concentración de LI sobre las señales de Ag 328.068, Au 242.795 y Sn 189.927. 40 50 60 70 80 90 100 110 -10 0 10 20 30 40 50 60 [LI] (mmol/L) Señal Normalizada Cd 214.440 nm Cu 324.752 nm Ni 231.604 nm Zn 213.857 nm Fig 21: Optimización de la concentración de bromuro de 1-butil-3 metilimidazol: Efecto del incremento de la concentración de LI sobre las señales de Cd 214.440, Cu 324.752, Ni 231.604 y Zn 213.857. Capítulo 6 326 Condiciones óptimas. Las condiciones óptimas para la generación de especies volátiles de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn utilizando borohidruro sódico como reductor y el efecto combinado del líquido iónico bromuro de 1-butil-3 metilimidazol y CTAB como modificador aparecen recogidas en la tabla 4. Tabla 9: Condiciones óptimas de compromiso para la determinación de Ag, Au, Cd, Cu, Ni, Sn y Zn utilizando LI+CTAB como modificador. [NaBH4] (%) 2,25 Tipo de ácido HNO3 [Ácido] (mol/L) 0,3 [LI] mmol/L 18,5 [CTAB] (%) 1,5x10-5 Flujo de Ar (L/min) 0,7 Relación de flujos: muestra: reductor 1:1 Flujos de muestra y reductor 1,5 mL/min 2.2.2.5 Funcionamiento de los diferentes aditivos. En la siguiente tabla se comparan las intensidades corregidas que se obtienen para cada elemento utilizando los diferentes modificadores. La tabla permite comparar la eficacia de los distintos aditivos porque en esas medidas los flujos de muestra y reductor fueron para todos los compuestos de 1,5 mL/min. Tabla 10: Comparación de las intensidades corregidas obtenidas utilizando un patrón de 0,45 mg/L de Ag, Au, Cd, Cu, Ni y Zn y 0,15 mg/L de Sn. Ortofenantrolina DDTC CTAB LI + CTAB LI Au 242.795 nm 5198,3 4759,2 3533,0 1837,8 961,8 Ag 328.068 nm ------------ ------------- 10080,8 9248,3 2587,0 Cd 214.440 nm 19429,6 17099,7 24560,1 7006,2 9509,8 Cu 324.752 nm 42221,8 31110,6 51816,5 24332,8 7563,5 Ni 231.604 nm 3860,6 4140,0 3319,1 1791,3 867,0 Sn 189.927 nm 2625,9 2611,5 2206,5 1764,5 3142,6 Zn 213.857 nm 5234,0 6829,4 3931,4 3428,5 1172,7 Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 327 3.2.2 Características analíticas 3.2.2.1 Rectas de calibrado Los patrones de calibrado se prepararon con concentraciones de 0, 0,075, 0,15, 0,30, 0,45 0,60 y 0,75 mg/L para Ag, Au, Cd, Cu, Ni, y Zn (las concentraciones para el Sn fueron inferiores 0, 0,025 0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25 mg/L), y las condiciones optimizadas para cada modificador. La linealidad de los métodos desarrollados dependió del modificador y del elemento pero se encontró entre 0,45 y 0,65 mg/L. Las pendientes de los calibrados con sus correspondientes coeficientes de regresión se mostraron en las tablas 11-17. 3.2.2.2 Límites de detección Los límites de detección comparados para las distintas condiciones óptimas de cada modificador se encuentran recogidos en las tablas 11-17. 3.2.2.3 Precisión La precisión, se define como la medida de la dispersión de los datos en torno a un valor central. Para su determinación se llevan a cabo 11 medidas del mismo patrón, de concentración 0,15 mg/L de cada metal estudiado y se midió la intensidad de emisión para cada línea. Finalmente, se calculó el coeficiente de variación. En las siguientes tablas (desde la tabla 11 hasta la tabla 17) se muestran las pendientes de las rectas de calibrado, el coeficiente de regresión, el LOD, el LOQ y el CV (%) en intensidad de emisión, obtenidos mediante los distintos métodos de análisis, y para las líneas más sensibles empleando generación de vapor. Se muestran en negrita los mejores límites de detección obtenidos. Capítulo 6 328 Tabla 11: Características analíticas obtenidas para la determinación de Ag (línea 328.062 nm) mediante ICP-OES Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 36090,0 1,000 2,7 9,09 5,4 8-hidroxiquinoleína* No lineal Ortofenantrolina No lineal DDTC No lineal CTAB 22102,3 0,999 14,3 47,6 2,8 LI+CTAB 20551,7 0,999 4,9 16,4 2,7 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Tabla 12: Características analíticas obtenidas para la determinación de Au (línea 242,795 nm) mediante ICP-OES Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 3333,9 0,995 12,0 41,0 2,4 8-hidroxiquinoleína* 5155,9 0,998 6,1 20,3 2,9 Ortofenantrolina 15831,2 0,999 3,7 12,2 5,5 DDTC 10498,1 0,998 3,6 12,0 2,8 CTAB 8047,3 0,998 6,9 23,0 2,6 LI+CTAB 4083,9 0,999 14,1 7,4 3,3 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 329 Tabla 13: Características analíticas obtenidas para la determinación de Cd (línea 214,440 nm) mediante ICP-OES Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 14088,0 1,000 0,86 2,7 0,8 8-hidroxiquinoleína* 16432,0 0,995 8,5 28 2,7 Ortofenantrolina 46974,4 0,995 1,1 3,6 11,0 DDTC 40200,4 0,996 0,53 1,7 11,4 CTAB 53478,6 0,998 1,0 3,3 11,3 LI+CTAB 15569,4 0,999 2,0 6,8 9,2 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Tabla 14 : Características analíticas obtenidas para la determinación de Cu (línea 324,752 nm) mediante ICP-OES. Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 94114,0 1,000 1,1 3,6 2,0 8-hidroxiquinoleína* 24589,0 0,999 3,1 10,3 3,1 Ortofenantrolina 107882,5 0,997 2,5 7,5 8,7 DDTC 69878,6 0,999 4,1 14 4,1 CTAB 114625,5 0,999 0,45 1,4 4 LI+CTAB 54072,9 0,996 2,7 8,9 2,8 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Capítulo 6 330 Tabla 15: Características analíticas obtenidas para la determinación de Ni (línea 231,604 nm) mediante ICP-OES Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 7315,3 1,000 2,6 8,8 1,8 8-hidroxiquinoleína* 5913,3 0,998 3,3 11 4,1 Ortofenantrolina 12432,0 0,999 4,9 15,6 5,4 DDTC 9256,5 0,999 6,1 20,3 1,9 CTAB 7427,2 0,998 6,1 20,3 4,0 LI+CTAB 4173,5 0,996 5,4 18,0 4,3 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Tabla 16: Características analíticas obtenidas para la determinación de Sn (línea 189,927 nm) mediante ICP-OES Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 264,1 0,996 28,2 94,2 40,6 8-hidroxiquinoleína* 4010,3 0,996 2,5 8,3 1,2 Ortofenantrolina 20960,6 0,999 1,1 3,8 7,9 DDTC 17448,3 0,999 3,2 10,6 2,7 CTAB 15151,6 0,999 1,5 4,8 4,6 LI+CTAB 3921,2 0,999 6 12,2 2,5 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 331 Tabla 17: Características analíticas obtenidas para la determinación de Zn (línea 213,857 nm) mediante ICP-OES. Pendiente R LOD(μg/L) LOQ(μg/L) CV(%) Neb. Convencional 8175,7 1,000 1,4 4,5 0,9 8-hidroxiquinoleína* 11951,0 0,999 1,7 5,7 5,8 Ortofenantrolina 13711,8 0,997 0,98 3,7 6,3 DDTC 15418,0 0,998 1,6 5,3 2,1 CTAB 8680,1 0,998 2,8 9,3 2,9 LI+CTAB 7618,8 0,998 5,7 19 9,7 * los resultados para la 8-hidroxiquinoleína fueron obtenidos con anterioridad y por tanto los valores de pendiente no son comparables. Capítulo 6 338 Ag. Las concentraciones óptimas de ácido nítrico variaron dependiendo del modificador: al utilizar CTAB se obtuvieron las mejores señales utilizando HNO3 0,6M, para la ortofenantrolina se empleó HNO3 0,4M, para determinación utilizando DDTC HNO3 0,5M y para la mezcla de 1-butil-3 metilimidazol y CTAB, HNO3 0,3M 9 Se optimizaron el flujo de Ar y la relación entre el flujo de muestra y el flujo de reductor. En casi todos los casos se obtuvo una relación entre el flujo de muestra y el flujo de reductor: 1:1 y un flujo de Ar de 0,7 mL/min. En el caso de la ortofenantrolina se obtuvo un flujo óptimo de 2 mL/min. 9 Se estudió la linealidad de los métodos y se obtuvo que todos fueron lineales para un intervalo de concentraciones entre 0,075 y 0,45 mg/L de los analitos y se encontraron coeficientes de regresión de 0,995 y superiores para la mayoría de las rectas. 9 Se estudió la sensibilidad de los métodos desarrollados y se obtuvieron valores de límites de detección inferiores a 10 μg/L para todos los metales. Fueron inferiores a los obtenidos mediante nebulización convencional para todos los elementos excepto para Ni y Ag. Para la Ag los resultados podrían mejorar empleando HCl. Utilizando ortofenantrolina se consiguieron los mejores límites de detección para Au 3,5 µg/L, Sn 1,1 µg/L y para Zn 0,98 µg/L; con estos resultados se consigue mejorar reduciendo casi a la mitad los LODs obtenidos empleando 8-hidroxiquinoleína (Au 6,1 µg/L, Sn 2,5 µg/L y para Zn 1,7 µg/L). El CTAB proporcionó los mejores límites de detección para Cd 0,45 µg/L y Cu 0,45 µg/L, unos límites de detección Uso de modificadores en la reacción de generación de vapor 339 que fueron 18 y 7 veces mejores que los obtenidos utilizando 8hidroxiquinoleína (Cd 8,5 µg/L y Cu 3,1 µg/L). La mezcla de CTAB y bromuro de 1-butil-3 metilimidazol proporcionó un LOD para la Ag de 4,9 µg/L que es el mejor obtenido empleando el separador de salida forzada. Salvo en el caso del Ni que se obtuvo el mejor límite de detección utilizando 8-hidroxiquinoleína (LOD de 3,3 µg/L) se consiguió bajar los límites de detección para Ag, Au, Cu, Cd, Zn y Sn. 9 Se estudió la precisión de los métodos desarrollados y se obtuvieron valores de CV menores del 10% para todos los elementos excepto para el Cd que parece que podría presentar un ligero efecto memoria. En general los coeficientes de variación fueron siempre peores que los obtenidos para la nebulización convencional. Utilizando 8-hidroxiquinoleína y ortofenantrolina se obtienen los peores coeficientes de variación, hecho que podría estar relacionado con el uso de flujos de muestra y reductor mayores. Capítulo 6 340 5. BIBLIOGRAFÍA 1. Pachón LD, Rothenberg G. Transition-metal nanoparticles: synthesis, stability and the leaching issue. Applied Organometallic Chemistry 2008;22(6):288-299. 2. Sun HW, Suo R. 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Spectroscopic and analytical characteristics of an inductively coupled argon plasma combined with hydride generation with or without simultaneous introduction of the sample aerosol for optical emission spectrometry. Analytical and bioanalytical chemistry:1-9. 28. Cerutti S, Moyano S, Marrero J, Smichowski P, Martinez LD. On-line preconcentration of nickel on activated carbon prior to its determination by vapor generation associated to inductively coupled plasma optical emission spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 2005;20(6):559561. 29. Marrero J, Smichowski P. Evaluation of vapor generation for the determination of nickel by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry. Analytical and bioanalytical chemistry 2002;374(2):196202. Capítulo 6 344 30. Smichowski P, Farías S, Arisnabarreta SP. Chemical vapour generation of transition metal volatile species for analytical purposes: Determination of Zn by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry. The Analyst 2003;128(6):779-785. 31. Chen L, Zhang D, Chen J, Zhou H, Wan H. The use of CTAB to control the size of copper nanoparticles and the concentration of alkylthiols on their surfaces. Materials Science and Engineering: A 2006;415(1-2):156161. 139 CAPÍTULO 7 Estudios preliminares de identificación de especies volátiles . 140 Índice ÍNDICE 1. OBJETIVO……………………………………………………...........….........349 2. INTRODUCCIÓN……………………………………………….....................349 2.1 Crioatrapado de las especies volátiles…………………………......................349 2.3 Medidas del tamaño de partícula mediante Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)………………………………... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352 3 MATERIALES Y MÉTODOS………………………………….......................352 3.1 Crioatrapado de las especies volátiles…………………………......................352 3.2 Determinación de la distribución de partículas en un aerosol….....................356 3.3 Determinación del tamaño de partícula mediante microscopía electrónica de transmisión………………………………………….............................................357 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………………….......................358 4.1 Crioatrapado y liberación de las especies volátiles……………......................358 4.2 Distribución de las partículas generadas en la fase gas: medidas empleando un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer)…………. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .360 4.3. Medida de tamaños de partícula mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM)……………………………………………... . . . . . . . . . . . . .363 5. CONCLUSIONES……………………………………………….....................365 6. TRABAJO FUTURO……………………………………………....................365 7. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………......................366 Capítulo 7 354 (entre 0, 2 y 5 min), crioatrapado y liberación de las especies volátiles y sistema de calentamiento del tubo en U para la liberación de las especies volátiles (agua caliente a 100ºC, ultrasonidos con agua a 80 ºC, silicona a 150ºC) . Las condiciones óptimas de trabajo para el crioatrapado se muestran en la Tabla 1: Tabla 1: Las condiciones óptimas de operación para el crioatrapado. Condiciones de medida en el ICP-OES Flujo de argon de arrastre (L/min) 0,74 Flujo de He auxiliar (L/min) 0,14 Retraso en la lectura (s) 100 Réplicas 999 Tiempo de integración (s) 0,1 Tiempo de lectura(s) 0,8 Generación y secado de las especies volátiles Flujos de muestra/reductor (mL/min) 1,8 Flujos de deshecho (mL/min) 4 Tª baño de hielo y sal (ºC) 0 a -10 Señales de estado estacionario (min) 2 Atrapado de las especies volátiles Longitud del tubo en U (cm) 14 Tiempo de enfriado del tubo en U (min) 5 Tiempo de atrapado de las especies volátiles (min) 2 Liberación de las especies volátiles T resistencia eléctrica (ºC) 50-100 Frecuencia de ultrasonidos (K Hz) 35 T baño de ultrasonidos (ºC) 100 El funcionamiento del sistema de crioatrapado y liberación de las especies volátiles aparece esquematizado en las figuras 1 y 2. Estudios preliminares de identificación de especies volátiles 355 Fig 1: Generación de las especies volátiles y crioatrapado de las mismas . Fig 2: Liberación de las especies volátiles. Muestra NaBH4 He 120 ml/min Separador Gas líquido ICPOES A r 740 ml/min Rotametro Trampa de agua Entre 0 y -10 ºC Trampa Criogénica (-196 ºC) Deshecho C A BD E Ar He ICPOESC A BD E CC A BD E Ar He ICPOES Muestra NaBH4 He 120 ml/min Separador Gas líquido ICPOES A r 740 ml/min Rotametro Trampa de agua Entre 0 y -10 ºC Trampa Criogénica (-196 ºC) Deshecho C A BD E Ar He ICPOESC A BD E CC A BD E Ar He ICPOES Muestra NaBH 4 He 120 ml/min Separador Gas líquido ICPOES A r 740 ml/min Rotametro Trampa de agua Entre 0 y -10 ºC Agua (80ºC) y US Deshecho Calentamiento eléctrico Capítulo 7 356 3.2 Determinación de la distribución de partículas en un aerosol Para la determinación de la distribución de partículas en un aerosol se utilizó un Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) que consta de un clasificador TSI modelo 3080L, un DMA TSI modelo 3081, un neutralizador 3077 y un contador TSI modelo WCPC3785. Para la generación de los vapores se empleó el separador gas /líquido de salida forzada, siendo los flujos de muestra y reductor de 0,8 mL/min. El flujo de desecho fue de 4 mL/min. Para transferir las especies volátiles al SMPS se utilizó un tubo de membrana Permapure de 12 cm que sirvió también para secar las partículas. Las condiciones de operación aparecen recogidas en la tabla 2. Tabla 2: Las condiciones óptimas de operación . Condiciones de operación del SMPS Impactador No Flujo de gas ¨sheath¨ (L/min) 6 Flujo de Aerosol (L/min) 0,6 Tamaño mínimo de partículas (nm) 9,65 Tamaño máximo de partícula (nm) 421,7 Corrección mediante difusión Si Condiciones de generación y transporte de las especies volátiles Flujo de N2 (L/min) 0,6 Flujos de muestra/reductor (mL/min) 0,8 Longitud del tubo de membrana permapure (cm) 12 Estudios preliminares de identificación de especies volátiles 357 La figura 3 muestra un esquema del SMPS unido al sistema de generación de vapor. Fig 3: Diagrama esquemático del sistema de generación de vapor acoplado al SMPS. 3.3 Determinación del tamaño de partícula mediante microscopía electrónica de transmisión. Se utilizó un Microscopio Electrónico de Transmisión (TEM) PHILIPS CM12 equipado con una cámara Mega View-II Docu que permite recoger imágenes de hasta 730.000x, con una resolución de hasta 0,2 nm. Se desarrolló un método para depositar las especie volátiles generadas en rejillas carbono. Antes de depositar las partículas fue necesario introducir las rejillas en acetona y etanol para volverlas más hidrofílicas y más adecuadas a partículas con carga positiva. Las especies volátiles fueron generadas utilizando flujos de muestra y reductor de 0,8 mL/min y fueron arrastradas hasta la rejilla utilizando un flujo de Ar de 0,3 L/min durante 2 horas. Sistema de de generación de vapor Clasificador DMA UCPC Membrana permapure SMPS Sistema de de generación de vapor Clasificador DMA UCPC Membrana permapure SMPS Capítulo 7 358 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 Crioatrapado y liberación de las especies volátiles Las especies volátiles de los metales nobles y de transición no respondieron al proceso de criotrapado y liberación como ocurre en el caso de los hidruros convencionales. A continuación se muestran los datos obtenidos en el atrapado y liberación del hidruro de Sn. Primero se obtiene una señal de estado estacionario para el Sn durante 2 minutos después se introdujo la U en el vaso Dewar que contenía nitrógeno líquido durante otros 5 minutos (para enfriarlo) y se procedió a crioatrapar las especies volátiles durante 2 minutos. Finalmente se encendió la resistencia y se introdujo la U en un baño de ultrasonidos para liberar las especies volátiles. Como se muestra en la figura 3 el procedimiento es eficaz para el atrapado del hidruro de Sn ya que se consigue atrapar el 100% de las especies volátiles generadas y se libera en torno a un 98% de las mismas. Fig. 3: Respuesta obtenida durante el criotrapado y liberación de hidruros de Sn: (a) Señal de estado estacionario que se obtiene introduciendo un patrón de 0,3 mg/L, (b) Crioatrapado del hidruro de Sn durante 2 min, (c) Liberación del hidruro de Sn y (d) ampliación del pico que se obtiene al liberar el Sn. Sn 189.927 nm 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 200 400 600 800 1000 t/s Intensidad 500500 (a) (b) (c ) (d) Sn 189.927 nm 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 200 400 600 800 1000 t/s Intensidad 500500 (a) (b) (c ) (d) Estudios preliminares de identificación de especies volátiles 359 El mismo experimento se realizó utilizando concentraciones de 1 mg/L de Au, Cu, Cd, Ni y Zn. Para todos los metales nobles y de transición se obtiene el mismo resultado aunque el porcentaje de analito liberado oscila dependiendo del elemento: en el caso del Au 10-20%, para el Cu entre 10-25%, para el Cd 6-10%, para el Ni entre un 8-12% y para el Zn entre un 0,6 %-6%. Con este método se consiguen obtener señales de estado estacionario para todos los elementos estudiados y crioatrapar las especies volátiles de forma cuantitativa pero cuando se trata de liberarlas en lugar el proceso no es eficaz y en vez de obtener un pico se obtienen señales transitorias de diferentes tamaños. En la figura 4 se muestran el crioatrapado y la liberación de especies volátiles de Au. Los resultados obtenidos concuerdan con los obtenidos por L Greib y col6. Estos autores diseñaron un sistema de introducción de materia particulada en un ICPOES. El sistema permite obtener varios tipos de señales ya que permite introducir las partículas de forma continua obteniéndose señales de estados estacionario, o permite introducir de golpe un flujo de partículas en el ICP y obtener señales transitorias; las señales obtenidas en ambos casos son muy similares a las que se obtienen en este experimento. Capítulo 7 360 Fig. 4: Respuesta obtenida durante el criotrapado y liberación de Au: (a) Señal de estado estacionario que se obtiene introduciendo un patrón de 1 mg/L, (b) Crioatrapado de Au durante 2 min, (c) Liberación de Au y (d) ampliación del pico que se obtiene al liberar el Sn. 4.2 Distribución de las partículas generadas en la fase gas: medidas empleando un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). Se realizaron medidas de blancos y patrones de 10 mg/L de Ag, Au, Cu, Co, Zn o Sn. Se utilizó la carga de equilibrio original del aerosol (no se empleó neutralizador). Para las medidas fue necesario partir de un sistema de generación de vapor que tenía un bucle no recubierto de precipitado porque en los experimentos preliminares se observó que el SMPS es un equipo muy sensible, y alcanza casi el máximo de señal que puede medir si se realizan las medidas en un sistema de generación de vapor recubierto de precipitado. Las medidas de aquellos elementos en los que aparece una diferencia clara entre blancos y patrones que son Ag, Au, Cu y Co, se muestran en las figuras 6-9. Au 242,795 nm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0 200 400 600 800 1000 t/s Intensidad 700 800 Au 242,795 nm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0 200 400 600 800 1000 t/s Intensidad 700 800 (a) (b) (c) (d) Estudios preliminares de identificación de especies volátiles 361 Fig. 6: Distribuciones de partículas obtenidas al realizar varias medidas seguidas del blanco y posteriormente de un patrón de Au de 10 mg/L. Fig. 7: Distribuciones de partículas obtenidas al realizar varias medidas seguidas del blanco y posterimente de un patrón de Ag de 10 mg/L. 40 20,9 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7000000 8000000 9000000 1 10 100 1000 Diámetro de mobilidad (nm) Concentración (partículas/mL) B B B B BAg Ag Ag Ag Ag Ag Ag Ag Ag Ag 41,4 35,9 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 4500000 1 10 100 1000 Diámetro de mobilidad (nm) Concentración ( partículas/mL) B B B B B B BAu Au Au Au Au Au Au Au Au Capítulo 7 362 Fig. 8: Distribuciones de partículas obtenidas al realizar varias medidas seguidas del blanco y posteriormente de un patrón de Cu de 10 mg/L. Fig. 9: Distribuciones de partículas obtenidas al realizar varias medidas seguidas del blanco y posteriormente de un patrón de Co de 10 mg/L. 49,6 26,9 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 1 10 100 1000 Diámetro de mobilidad ( nm) Concentración (partículas/mL) B B B B BCu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu 49,6 20,2 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 4500000 5000000 1 10 100 1000 Diámetro de partícula (nm) Concentración(partículas/mL) B B B B B B BCo Co Co Co Co Co Co Co Co Co Co Co Co Diámetro de mobilidad(mn) Estudios preliminares de identificación de especies volátiles 363 Además de las diferencias entre los blancos y los patrones se observa en el caso de la Ag, el Co y el Cu que a medida que el bucle de reacción se va recubriendo de precipitado y la reacción avanza, el máximo de la distribución se aproxima a tamaños de partícula más pequeños. 4.3. Medida de tamaños de partícula mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Se desarrolló un método para depositar las especies volátiles generadas sobre rejillas de carbono. Se optimizó el tiempo de depósito (entre 2, 5 y 8h) y el flujo de Ar (0,3-0,6 L/min). El tiempo de depósito más adecuado fueron 2 h y se obtuvieron mejores resultados al utilizar flujos de Ar más bajos. En estas condiciones se depositaron las especies generadas utilizando un patrón de Co de 10 mg/L. Los resultados se muestran en la figura 10. Se observan nanopartículas metálicas, presumiblemente de Co de entre 5 y 10 nm de tamaño. Conclusiones 370 método a muestras reales. Muestras de acero (material de referencia SRM 363 del NIST) fueron digeridas en un baño de arena utilizando una mezcla de ácido nítrico y ácido clorhídrico. Las condiciones óptimas de generación de vapor fueron: [8hidroxiquinoleína]: 256 mg/L, [HNO3]: 0,39 M, y 10 mL de digerido en los 25 mL de disolución de muestra. El método fue preciso (CVs < 10%) y exacto para Al, Au, Cd, Cu, Mn, Ni, Sn, V, Zn, y Zr. Determinación de metales traza mediante CVG-HRCSAAS A continuación, se optimizaron las condiciones de generación de vapor y de la celda de cuarzo para determinar Ag, Cd, Co, Cu, Ni y Zn utilizando Espectroscopía de Absorción Atómica con Fuente Continua de Alta Resolución (HRCSAAS). Inicialmente se escogió la temperatura de la celda de cuarzo: 960 ºC. Las condiciones óptimas de la determinación de Cd, Cu, Ni y Zn empleando 1 mg/L de Co como catalizador de la reacción, fueron: [8-hidroxiquinoleína]: 250 mg/L, [HNO3]: 0,6 M y [NaBH4]: 1,75% (m/v), bucle de reacción de 250 μL, y flujo de Ar portador de 25 L/h. Las condiciones de determinación de Ag y Co fueron diferentes a las del resto de los analitos. Para el Co, [HNO3]: 0,3 M, [8hidroxiquinoleína]: 250 mg/L, [NaBH4]: 2.25%, y flujo de Ar de 25 L/h; el bucle de reacción utilizado fue de 100 μL. Para la Ag, [HCl]: 0.2 M, [8hidroxiquinoleína]: 250 mg/L, [NaBH4]: 1,75%, flujo de Ar de 25 L/h. El volumen del bucle de reacción fue 100 μL y la temperatura de la celda empleada fue de 1000 °C. Se evaluaron las características analíticas con respecto al número de pixels y se utilizó la corrección espectral para eliminar las bandas de absorción de NO en la determinación de Zn. Los límites de detección obtenidos se encontraron entre 1,5 y Conclusiones 371 18 μg/L para Ag, Cu, Cd y Zn; para Co y Ni fueron 174,4 μg/L y 585,8 μg/L, respectivamente. Sistemas de introducción de muestra Se comparó la nebulización convencional con la utilización de un sistema de introducción Multimodal ( Multimode Introducction System: MSIS ), con otro sistema MSIS modificado que sólo permite la introducción de vapor, con una cámara ciclónica modificada (Concomitant Metal Analizer), y el separador de salida forzada. El trabajo con un separador en U fue descartado por la irreproducibilidad de los resultados. El separador MSIS modificado se situó fuera del ICP y las condiciones óptimas de trabajo fueron: flujo de Ar: 1,3 L/min, flujo de muestra y de reductor: 2,3 mL/min, [HNO3]: 0,35 M, [8-hidroxiquinoleína]: 40 mg/L y [NaBH4]: 1,75 % (m/v). El flujo de desecho para todos los sistemas de generación fue 7,7 mL/min. No se mejoraron los resultados con respecto a la nebulización convencional excepto para el Sn (LOD = 1,9 µg/L). Para el Multimode Introduction System (MSIS) el modo óptimo de trabajo fue el dual, utilizando [HNO3]: 0,35 M, [8-hidroxiquinoleína]: 225 mg/L, [NaBH4]: 1,75 % (m/v), flujo de argon de nebulización: 0,75 L/min y flujo de muestra nebulizada: 1,3 L/min; los flujos de muestra y reductor para la generación de vapor fueron de 2,3 L/min. Los límites de detección obtenidos fueron mejores que los obtenidos mediante la nebulización convencional para Au, Cd y Sn. Con respecto a la reproducibilidad los coeficientes de variación fueron inferiores a un 5%. Conclusiones 372 En el caso de la cámara ciclónica MCA la mejor sensibilidad se obtuvo empleando [HNO3]: 0,4 M, [8-hidroxiquinoleína]: 450 mg/L, [NaBH4]: 2,25 %, flujo de Ar: 0,6 L/min y flujos de muestra y reductor de 1,5 L/min. Las pendientes de calibrado fueron altas pero se produjo efecto memoria en las medidas por lo que fue necesario limpiar el sistema utilizando disoluciones de HCl 1-2M. Los límites de detección para Ag fueron inferiores a los que se obtienen empleando nebulización convencional. Uso de aditivos en la generación de vapor de metales nobles y de transición De todos los modificadores añadidos al medio de reacción, los mejores resultados se obtuvieron para el DDTC, la ortofenantrolina y el CTAB. Para estos tres compuestos, se utilizó una concentración de 2,24% de NaBH4 y un flujo de argon portador de 0,7 L/min. Las condiciones óptimas utilizando DDTC fueron: flujos de muestra y reductor de 1,5 L/min, [HNO3]: 0,5 M, y [DDTC]: 0,005%; las condiciones óptimas utilizando ortofenantrolina fueron: flujos de muestra y reductor: 2,0 L/min, [HNO3]: 0.4 M, y [ortofenantrolina]: 3,5 mg/L; y empleando CTAB: flujos de muestra y reductor: 1,5 L/min, [HNO3]: 0,6 M, y [CTAB] 2,5 10-5 mg/L. Los límites de detección fueron de 0,6 µg/L(Cd) a 6,1 µg/L (Ni) utilizando DDTC; de 0,4 µg/L (Cu) a 6,9 µg/L (Au) utilizando CTAB; y de 1,0 µg/L (Zn) a 4,6 µg/L (Ni) usando ortofenantrolina. Las especies volátiles de Ag se generaron con mayor facilidad en disoluciones de HCl. Las señales para la Ag no fueron lineales usando ortofenantrolina, y los límites de detección fueron de 14,3 µg/L para el CTAB y 69,8 µg/L para el DDTC. Con respecto a la precisión, los Conclusiones 373 coeficientes de variación fueron menores al 10% para todos los elementos excepto para el Cd (12.3% con DDTC). Para el líquido iónico (bromuro de 1-butil-3 metilimidazol) se obtuvieron los mejores resultados al combinarlo con el CTAB. La mezcla de CTAB y bromuro de 1-butil-3 metilimidazol proporcionó un LOD para la Ag de 4,9 µg/L. El límite de detección para Ni es mejor que el que se obtiene utilizando sólo CTAB. Sensibilidad y límites de detección Los mejores límites de detección obtenidos durante esta tesis fueron 1,0 µg/L (Ag) (utilizando el separador MCA), 3,5 µg/L (Au) (DDTC), 0,6 µg/L (Cd) (DDTC), 0,4 µg/L (Cu) (CTAB), 3,3 µg/L (Ni) (8-hidroxiquinoleína), 1,1 µg/L (Sn) (ortofenantrolina) y 0,9 µg/L (Zn) (ortofenantrolina). Estos resultados se encuentran por debajo de los límites de detección que se obtienen utilizando nebulización convencional (2,7 µg/L para Ag, 12,5 µg/L para Au, 0,8 µg/L para Cd, 1 µg/L para Cu, 28,2 µg/L para el Sn y 1,4 µg/L para Zn), excepto en el caso de Ni (LOD 2,3 µg/L). Estudio preliminar de la naturaleza de los vapores de metales nobles y de transición. Se optimizó un método de criatrapado y liberación de las especies volátiles para intentar perconcentrarlas e introducirlas en un GCMS pero no fue posible porque no se consiguió liberarlas de forma cuantitativa. También se trabajó en la identificación de las especies volátiles utilizando un Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). Las señales obtenidas utilizando el SMPS son distribuciones de tamaño de partícula frente a su concentración. El máximo de la distribución obtenido se desplaza hacia tamaños de Conclusiones 374 partícula menores al introducir patrones concentrados de Ag, Au, Co y Cu. También se observaron partículas de Co de entre 5 y 10 nm mediante TEM. Por ello parece que las especies generadas de esos elementos podrían ser nanopartículas, aunque todavía es necesario analizar mediante microscopía las especies volátiles de Ag, Au y Cu. 139 ANEXOS 140 Optimization of a vapour generation method for metal determination using ICP-OES Elena Pen ˜a-Va ´zquez, Julia Villanueva-Alonso and Pilar Bermejo-Barrera* Received 21st December 2006, Accepted 7th March 2007 First published as an Advance Article on the web 28th March 2007 DOI: 10.1039/b618652a A multivariate optimization of the main parameters which might affect Ag, Au, Cd, Cu, Ni and Zn vapour generation and detection using inductively coupled plasma optical emission spectrometry has been carried out. Sodium tetrahydroborate was used as reducing agent and constant concentrations of 8-hydroxyquinoline and cobalt were added to all the standards in order to increase the efficiency of the reaction. A home-made gas–liquid separator was used and vapour was carried directly to the plasma using an Ar flow. A 2 62 factorial design plus two additional points in the centre of the experimental domain was run to select influential factors in the determination; afterwards, an orthogonal composite design 2 4 + star was performed to select optimum values for the factors. Desirability was the parameter used to select optimum conditions to carry out simultaneous determination of all the elements. Optimum values of studied factors were: [Co], 1 mg L 1 ; [HNO 3 ], 0.43 M; [8-hydroxyquinoline], 38 mg L 1 ; [NaBH 4 ], 2.24%; and Ar nebulizer flow rate (injection Ar flow rate), 0.74 L min 1 . Detection limits were under 10 mg L 1 for all the elements except for Ag (silver vapour formation increased using hydrochloric acid). Relative standard deviations were under 10% (n= 11) and an interference study was carried out. Ni and Cu are the most serious interferents that drastically reduce responses for most of the elements. It must be pointed out that using the developed method, vapours of cobalt, chromium, molybdenum and iron were obtained as well. The limit of detection for iron was 7.4 mgL 1 and the RSD (%) was 7.7 (Fe 238.204 nm). Introduction Vapour generation techniques play an important role in the sample introduction of hydride-forming elements in atomic spectroscopy techniques, increasing the sensitivity of AAS (atomic absorption spectroscopy), AFS (atomic fluorescence spectroscopy), ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy) or ICP-MS (inductively coupled plasma-mass spectroscopy). Vapour generation has experienced a new impulse due to the research that is being carried out to expand the scope of hydride generation to include transition and noble metals. 1 Several of the earliest studies of metal vapour generation were made by Sturgeon et al. Their work includes research on multi-element hydride generation, 2–7 and detailed optimization of methods for Ag, 8,9 Au, 10 Cu 11,12 or Cd. 13 Matousek et al. 14 evaluated the efficiency of a continuous flow Ag vapour generation system using instrumental neutron activation analysis (7% of the analyte was volatilized). On the other hand, Smichowski et al. have concentrated on Ni 15,16 and Zn determination. 17 Duan et al. 18 investigated the generation of Ag, Au, Cd, Co, Cu, Ni, Sn and Zn by vapour generation and ICPOES and they applied the method to the determination of Ag, Au, Co, Cu, Ni and Zn in low alloy steels. Pohl has carried out a comprehensive review of factors influencing hydride generation of transition and noble metals. 19 Moreover, Pohl et al. have contributed to the understanding of the transport problems to the plasma 20 with their work on noble metals hydride generation. 21–23 Chemical factors influencing metal vapour generation are sample acidity (type of acid and its concentration), concentration of the reducing agent and the presence of additives (surfactants or complexing agents: Triton X-100, 7–9 sodium diethyldithiocarbamate (DDTC), 10,24,25 cetyltrimethylammonium bromide (CTAB); 26 permanent modifiers covering tubes and internal walls of the gas–liquid separator, palladium 9,25 ). Sun and Suo 27 studied the simultaneous vapour generation of zinc and cadmium by atomic fluorescence spectrometry coupled with an intermittent flow generation system. They proved that an appropriate amount of 8-hydroxyquinoline (oxine) or phenanthroline and cobalt enhanced vapour generation. Owing to the instability of metal vapours, complex systems such as modified spray chambers, Scott-type spray chambers or cross-flow nebulizers have been used to generate vapours and as gas–liquid separators. These options have several drawbacks: they are expensive and precipitation could make difficult the performance of the system. In this work we have studied the vapour generation and determination of some transition and noble metals by ICP-OES, adding 8Department of Analytical Chemistry, Nutrition and Bromatology, Faculty of Chemistry, University of Santiago de Compostela, Avenida de las Ciencias s/n, E-15782 Santiago de Compostela, Spain. E-mail: [email protected]; Fax: +34-981 595 012 642 |J. Anal. At. Spectrom., 2007, 22, 642–649 This journal is cThe Royal Society of Chemistry 2007 PAPER www.rsc.org/jaas |Journal of Analytical Atomic Spectrometry hydroxyquinoline and cobalt to the reaction medium. A hydrostatic, home-made gas–liquid separator was used and vapours were directly transferred to the plasma using an Ar flow. The study was made using multivariate analysis. In spite of being multielemental techniques, there are not many papers showing the use of chemometrics that have taken into account parameters involved in analysis using ICP-MS, 28 ICP-OES 29,30 or VG-ICP-OES. 31–34 Experimental Instrumentation An Optima 3300 DV TM ICP-OES spectrometer (PerkinElmer, Norwalk, CT, USA) was used to determine noble and transition metal concentrations. The spectrometer system includes a three channel, software controlled peristaltic pump. A simple vapour generation system was connected to the torch base using a 60 cm PTFE tube and a small Tygon tube. The homemade hydrostatic gas–liquid separator was made of glass and all the connections were made of PTFE tubing of 0.5 mm id, including the 100 mL reaction loop. A cyclonic chamber and a Gem Cone nebulizer (PerkinElmer) were used in order to compare the performance of the vapour generation system with conventional nebulization. A commercial PTFE membrane gas–liquid separator system (PerkinElmer) was used in some experiments. A Minipuls 3 Peristaltic Pump (Gilson, Villiers-le-Bel, France) was employed to pump the liquid residue from the gas–liquid separator. Reagents and solutions 1000 mg L 1 stock solutions were purchased from different suppliers: BDH, Poole, UK (cobalt, nickel, silver, tin, arsenic); Fluka, Steinheim, Switzerland (gold); Merck, Darmstadt, Germany (cadmium, chromium, lead, vanadium, zinc); PerkinElmer, Norwalk, USA (copper, iron); Panreac, Barcelona, Spain (manganese, molybdenum), Scharlau Chemie SA, Barcelona, Spain (aluminum). 1000 mg L 1 antimony stock solution was prepared from an SbCl 3 solid salt (Merck). 69% nitric acid (TMA) from Panreac SA (Barcelona, Spain) and 37% HCl for analysis and NaOH, GR for analysis, ACS, Reag. Ph.Eur. from Merck were used to generate metal hydrides. NaBH 4 (Avocado Research Chemicals Ltd, Heysham, UK) was also used for vapour generation. 8-hydroxyquinoline was purchased from Fluka. All solutions were prepared with ultra-pure water, specific resistance of 18 MOcm, obtained from a Milli-Q purification system (Millipore Corporation, Massachusetts, USA). All the glassware and material was cleaned using ultra-pure water, left in nitric acid for 48 h and rinsed again with ultra-pure water at least three times. Afterwards, material was stored dry and covered. Procedures Standards preparation. Standards were prepared by adding different concentrations of the elements to solutions containing 1 mg L 1 of Co and 38.6 mg L 1 of 8-hydroxyquinoline, in order to achieve the maximum sensitivity in determinations. Standards were acidified with nitric or hydrochloric acid. A concentration of 0.43 mol L 1 HNO 3 concentration provided the maximum over-all sensitivity for the elements studied. Metal determination using HG-ICP-OES. Vapour generation was performed by mixing acidified standards with 2.2% NaBH 4 stabilized with 0.4% NaOH. Reagents were pumped using the Optima PerkinElmer peristaltic pump and they were mixed in the 100 mL reaction loop. Vapours were carried from the gas–liquid separator to the ICP using a 0.74 L min 1 Ar flow. More details about the system are shown in Fig. 1. Determinations were performed in the HG system coupled to the ICP-OES using the conditions shown in Table 1. Statistical treatment of data. Obtained data were exported to a Microsoft Excel Datasheet (Microsoft Iberica SRL, Madrid, Spain). STATGRAPHICS Plus 5.0 package (Statistical Graphics Corporation, Maryland, USA) was used to perform multivariate optimization. Fig. 1 Diagram of the vapour generation and ICP-OES system. This journal is cThe Royal Society of Chemistry 2007 J. Anal. At. Spectrom., 2007, 22, 642–649 |643 Results and discussion Preliminary experiments In preliminary experiments, flow rates, type of gas–liquid separator, reaction coil length and transference tube length were selected. The sample flow rate and reductant flow rate were the same (3.2 mL min 1 ) whereas the Gilson pump provided a waste flow rate of 7.7 mL min 1 . Flow rates were selected in order to provide maximum sensitivity and an adequate operation in the gas–liquid separator and to avoid overpressure in the system. A home-made glass gas–liquid separator was used instead of the one from PerkinElmer to avoid the decrease of sensitivity produced because of the deposits in the PTFE membrane. The reaction coil, connections and vapour transfer tubes were kept as short as possible due to the instability of vapour species. A reaction coil with a volume of 100 mL was selected. If the coil is longer the inner precipitate coating is not uniform and analytical signals are not reproducible. A 60 cm length PTFE tube and a small piece of Tygon tube were used to transfer vapours to the plasma. Previously, a 120 cm length PTFE transfer tube had been tested but no signals were obtained. We did not obtain significant signals in relation to conventional nebulization until we introduced 8-hydroxyquinoline and cobalt, and covered the reaction loop completely with precipitate. Cobalt plays a part in covering the tube and 8hydroxyquinoline showed an enhancement effect for all the elements in preliminary experiments. We carried a univariate experiment under similar conditions to the ones reported by Sun and Suo. 27 Solutions were analysed containing the elements (each element: 1.5 mg L 1 ), cobalt (1 mg L 1 ) and hydrochloric acid (0.37 M). The borohydride concentration was 1.4% (NaOH 0.4%). We tried four different 8-hydroxyquinoline concentrations: 3, 10, 20, 30 and 300 mg L 1 . The largest analytical signals were obtained at 20 mg L 1 (Ag, Au, Cu, Ni). Similar results were obtained for Zn in concentrations ranging from 10 to 30 mg L 1 , whereas the best signal for Cd was obtained between 30 and 300 mg L 1 . Moreover, for the first time we obtained reproducible signals comparable to the ones from conventional nebulization for Zn and Cd. Therefore, we decided to introduce these modifiers in our experimental design. Optimization of operational variables Selection of main factors affecting determination. Main factors affecting vapour formation and determination were selected using a 2 62 factorial design plus two additional points in the centre of the experimental domain. The design was run in a single block and studied the effects of 6 factors in 18 experiments. Four degrees of freedom were available in order to estimate the experimental error. The aim of the study was to obtain the combination of factors which provided the best blank corrected net intensity of the emission line for each metal. Evaluated factors were: [NaBH 4 ] (A), [Co] (B), [8-hydroxyquinoline] [oxine] (C), injection Ar flow (D), type of acid (E) and [acid] (F). The experimental design, including levels of the factors, is shown in Table 2. Blank corrected net intensity of emission line was estimated by measuring reagent blanks in triplicate and standards containing 1.5 mg L 1 of the elements (Ag, Au, Cd, Cu, Ni and Zn) in triplicate. Blank corrected net intensity of emission line values were in the following ranges for the most sensitive emission lines: 128.0–11 801.0 (Ag 328.068 nm), 45.2– 4160.2 (Ag 338.289 nm), 427.3–4737.4 (Au 242.795 nm), 255.2–2463.2 (Au 267.595 nm), 630.5–34 432.8 (Cd 214.440 nm), 641.4–27 866.9 (Cd 226.502 nm), 1604.6–16 768.0 (Cu 324.752 nm), 1057.6–10 837.0 (Cu 327.393 nm), 59.7–1735.7 (Ni 231.604 nm), 144.5–3657.1 (Ni 232.003 nm), 202.4– 12 684.0 (Zn 202.548 nm), 391.5–11 056.4 (Zn 213.857 nm). First order Pareto charts for the most sensitive analytical lines of each element are shown in Fig. 2. Parameters affecting analysis in the conditions studied were: [8-hydroxyquinoline] [oxine] (for Au, Ni and Zn), Ar flow (Au, Ag, Ni and Zn), type of acid, [acid] (Cd) and borohydride concentration (second order Pareto charts). Nitric acid increased vapour generation of Au, Cd and Cu, whereas hydrochloric acid only improved the signal for Ag. Therefore, nitric acid was selected as the reaction medium in later determinations. The cobalt concentration was not significant in the analysis in the concentration range studied and, therefore, the parameter was fixed at its low level value: 1 mg L 1 . Table 1 Operating parameters for vapour generation coupled to ICP-OES l Ag /nm 338.289 l Au /nm 242.795 l Cd /nm 214.440 l Cu /nm 327.393 l Ni /nm 231.604 l Zn /nm 202.548 Power of plasma generator/W 1350 Outer Ar flow rate/L min 1 15 Injection Ar flow rate/L min 1 0.74 Intermediate Ar flow rate/L min 1 0.5 Viewing height/mm 15 Axial mode Purge gas flow Normal Read delay/s 45 Replicates 4 Integration time/s 5 Table 2 Experimental design for main factor selection (2 62 factorial design plus two additional points) Experiment [NaBH 4 ] (%) [Co]/ mg L 1 [Oxine]/ mg L 1 Ar/L min 1 Acid [Acid]/ M 1 1.5 2 110 0.9 HCl 0.35 2 1 1 20 0.6 HCl 0.25 3 2 1 20 0.6 HNO 3 0.25 4 1 3 20 0.6 HNO 3 0.45 5 2 3 20 0.6 HCl 0.45 6 1 1 200 0.6 HNO 3 0.45 7 2 1 200 0.6 HCl 0.45 8 1 3 200 0.6 HCl 0.25 9 2 3 200 0.6 HNO 3 0.25 10 1 1 20 1.2 HCl 0.45 11 2 1 20 1.2 HNO 3 0.45 12 1 3 20 1.2 HNO 3 0.25 13 2 3 20 1.2 HCl 0.25 14 1 1 200 1.2 HNO 3 0.25 15 2 1 200 1.2 HCl 0.25 16 1 3 200 1.2 HCl 0.45 17 2 3 200 1.2 HNO 3 0.45 18 1.5 2 110 0.9 HNO 3 0.35 644 |J. Anal. At. Spectrom., 2007, 22, 642–649 This journal is cThe Royal Society of Chemistry 2007 Use of high resolution continuum source atomic absorption spectrometry as a detector for chemically generated noble and transition metal vapors Julia Villanueva-Alonso, Elena Peña-Vázquez, Pilar Bermejo-Barrera ⁎ Department of Analytical Chemistry, Nutrition and Bromatology, Faculty of Chemistry, University of Santiago de Compostela, Avenida de las Ciencias s/n, E-15782, Santiago de Compostela, Spain abstractarticle info Article history: Received 11 February 2009 Accepted 27 May 2009 Available online xxxx Keywords: High-resolution continuum source atomic absorption spectrometry Vapor generation Metal detection Peak volume selected absorbance Experimental design Vapor generation and atomization conditions in a heated quartz tube to detect Ag, Cd, Co, Cu, Ni and Zn using High Resolution Continuum Source AAS (HRCSAAS), were optimized. Vapors were generated after mixing acidified solutions containing 8-hydroxiquinoline (oxine) with sodium tetrahydroborate. Afterwards, they were swept to the heated quartz cell by an argon flow. Reaction loop size and temperature of the quartz cell were optimized for each element. A temperature of 960 °C was selected as a compromise value to detect most of the metals. Afterwards, a Plackett–Burmann design was proposed to select which parameters were most important. Type of acid and its concentration were the most statistical significant variables. Optimum conditions for sequential detection of Cd, Cu, Ni and Zn were: 1 mg L −1 Co as catalyst, 250 mg L −1 oxine, 0.6 M nitricacid,1.75%(w/w) sodium tetrahydroborate (prepared in0.4 (w/v)% NaOH), a reaction loop of 250 μL, and a 25 L h −1 carrier Ar flow. Ag and Co were each detected in their own optimized conditions. Analytical performance of the system was evaluated in connection with a selected pixel number, and spectral correction was used to eliminate NO absorption bands interference in Zn detection. Detection limits were in the range of 1.5–18 μgL −1 for Ag, Cu, Cd and Zn, whereas sensitivity was worst for Co (169 μgL −1 ) and Ni (586 μgL −1 ). Atomization in a quartz cell of Co and Ni volatile species, generated by an addition of sodium tetrahydroborate to an acidified solution of the analytes, was reported for the first time in this paper. Precision expressed as RSD(%) had values lower than 10% except for Ni. © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved. 1. Introduction High Resolution Continuum Source Atomic Absorption Spectrometry (HRCSAAS) is a promising option for element analysis because of its relatively low cost and it allows obtaining detection limits five times better than those obtained by Line SourceAAS (LSAAS) [1].Thisisdueto the combined use of the high radiation intensity xenon short arc lamp, a high-resolution Echelle double monochromator and a charge coupled device (CCD) array as detector. The entire spectral environment of the analytical line is available, giving more information and possibilities of background correction and elimination of interferences than conventional LSAAS. Moreover, the instrumentation to achieve multielement AAS using detectors such as two dimensional arrays, similar to those of optical emission spectrometry, is now being developed [2–4]. Regarding chemical vapor generation (CVG) of noble and transition metals by reaction with tetrahydroborate, the technique is not yet mature because analytical applications are still very limited owing to complexity of reaction and vapor separation processes, high instability of species, low efficiency of reactions, memory effects and chemical interferences in the liquid phase [5,6]. HRCSAAS could be a useful tool in order to elucidate mechanisms of mutual interferences in hydride generation or to identify gaseous reactionproducts formed in the atomizer [7]. HRCSAAS presents a considered improvement for volatiles species detection, but no papers are yet found in literature. The only reference found is from the book of abstracts of the 9th Rio Symposium on Atomic Spectrometry in which Torres et al. have determined mercury in biological materials after solubilization in tetramethylammonium hydroxide (TMAH), cold vapor generation and trapping in a gold-coated graphite tube [8].Theprocedure was free from interferences and achieved a 0.02 mg kg −1 detection limit. In the same way, scarce studies can be found in the literature concerning detection of noble or transition metallic vapors using quartz tube atomic absorption spectrometry. Sodium diethyldithiocarbamate (DDTC) was used to improve sensitivity when determining Au in acidified media by reduction with sodium tetrahydroborate using flow injection chemical vapor generation atomic absorption spectrometry (FI-CVG-AAS) [9] (limit of detection: 24 μg L −1 for a sample volume of 300 μL). The procedure was used for the determination of gold in ore sample digests, with results comparable to flame atomic absorption spectrometry analysis. Similarly, Ertas and Ataman [10] used DDTC for Au vapor generation, and they compared results from FI-CVG-AAS with those obtained by in situ trappingof the vapor in a graphite tube (FI-ISTCVG-AAS). Luna et al. [11] have developed a method to generate volatile species ofAg,Au,Cu, Zn, Cd and As, for heated quartz cell atomization.Xu and Sturgeon [12] have used sodium tetraethylborate to enhance chemical vapor generation of gold in the presence of DDTC (detection Spectrochimica Acta Part B xxx (2009) xxx–xxx ⁎Corresponding author. Tel.: +34 981 563100x14266; fax: +34 981 595012. E-mail address: pilar[email protected] (P. Bermejo-Barrera). SAB-03990; No of Pages 7 0584-8547/$ –see front matter © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/j.sab.2009.05.024 Contents lists available at ScienceDirect Spectrochimica Acta Part B journal homepage: www.elsevier.com/locate/sab ARTICLE IN PRESS Please cite this article as: J. Villanueva-Alonso, et al., Use of high resolution continuum source atomic absorption spectrometry as a detector for chemically generated noble and transition metal vapors, Spectrochim. Acta Part B (2009), doi:10.1016/j.sab.2009.05.024 limit 2.8 μg L −1 ). The drawbacks of the use of quartz tubes as atomization cells were the dilution of vapors by the carrier gas and the inability to reach temperature higher than 1000 °C. Consequently, Matousek et al. [13,14] have proposed the use of a diffusion flame or a multiple microflame quartz tube as detectors for hydrides. The search for the ideal atomizer is still in progress, [15] and the use of quartz or metallic atom traps [16] and HRCSAAS can be an appealing combination. In this work,possibilitiesto detect noble or transitions metals by HGQT-HRCSAAS has been explored. Ag, Cd, Ni, Zn, Cu and Co vapors were generated after mixing acidified solutions containing 8-hydroxiquinoline with tetrahydroborate [17,18], using HRCSAAS with a quartz tube atomizer. The optimization of variables affecting the process was carried out by using univariate and multivariate approaches. 2. Experimental 2.1. Instrumentation The ContrAA ® 300 atomic absorption spectrometer (Analytik Jena, Jena, Germany), the first commercially available HR-CSAAS for flame and hydride technique, was used to detect metal concentrations. This piece of equipment covers the complete spectral range from the near vacuum-UV to the near infrared with a single continuum source (Xe short-arc lamp). The HS60 vapor generation system was slightly modified for noble and transition metal vapor detection. The system includes two peristaltic pumps, a three channel and a one channel, controlled by software. Operating conditions are shown in Table 1. Flow rates were selected from the three permitted velocities, in order to provide maximum sensitivity and an adequate operation in the gas–liquid separator. Sample flow rate (5 mL min −1 ) and reductant flow rate (6 mL min −1 ) were similar, whereas Gilson pump (Gilson, Villiers-leBel, France) provided a waste flow rate of 12 mL min −1 . A home-made glass hydrostatic gas–liquid separator was used. A 140 cm length PTFE tube and a small piece of PharMed ® tube were included to transfer vapors from the gas–liquid separator to the quartz cell. 2.2. Reagents and solutions 1000 mg L −1 stock solutions were obtained from different suppliers: Co, Ni, Ag from BDH, (Poole, UK); Cd, Zn from Merck (Darmstad, Germany); and Cu from Perkin Elmer (Norwalk, USA). NaBH 4 (Avocado Research Chemicals Ltd, Heysham, UK) was used in all experiments. 69% nitric acid (TMA) from Panreac SA (Barcelona, Spain), 37% HCl foranalysis and NaOH, GR for analysis, ACS, Reag. Ph. Eur. from Merck (Darmstadt, Germany) were used to generate vapors. 8hydroxiquinoline was purchased from Fluka (Steinheim, Switzerland). All solutions were prepared using ultrapure water (specific resistance 18 MΩcm) from a Milli-Q purification system (Millipore Corporation, Massachusetts, USA). All glassware and plastic warewere cleaned using ultrapure water, kept in nitric acid for 48 h, and washed again with ultrapure water. All labware was kept dry and covered. 2.3. Standard solutions preparation Standard solutions were prepared by mixing different volumes of the stock standards with 8-hydroxyquinoline (and sometimes Co). The use of 8-hydroxyquinoline and Co as catalyst was necessary to achieve the maximum sensitivity. Standards were acidified with nitric or hydrochloric acid. In optimum reaction conditions, solutions containing Cd, Cu, Ni and Zn were prepared in 0.6 M nitric acid with 250 mg L −1 of oxine and 1 mg L −1 of Co. Similarly, Co standards were prepared in 0.3 M nitric acid and 250 mg L −1 of oxine. Ag standards were prepared in 0.2 M hydrochloric acid and 250 mg L −1 of oxine. 2.4. Metal detection using HRCSAAS Vapor generation was carried out using a continuous flow system (Fig. 1) by mixing acidified standards with NaBH 4 solutions stabilized with 0.4% NaOH. Under optimum conditions, reagents were pumped to the gas–liquid generator and were mixed in the reaction loop (100 μL volume for Ag and Co or 250 μL for the other elements). Minimum load, reaction and wash time were employed in order to decrease analysis time (Table 1). Vapors were extracted from the gas– liquid separator and carried to the quartz cell using a 25 L h −1 Ar flow. The signal registration was performed by using peak volume selected absorbance (A λ∑ ), being the optimum number of analytical pixels=3 (central pixel±1) except for Co and Ni (five pixels, CP±2). Number of pixels was selected based on achieved limits of detection. Total pixel number is 200. The most sensitive lines were used for each element: Ag (328.0608 nm), Cd (228.8010 nm), Cu (324.7254 nm), Co (324.7570 nm), Ni (232.0030 nm) and Zn (213.8556 nm). Detector integration time was 45 s, and area mode was used. All measurements consisted in 300 spectra recordings. Dynamic background correction was performed using 90.112 pixels. Background correction mode with reference was employed for all elements. In addition, spectral correction was employed for Zn. 2.5. Statistical treatment of data Data were exported to a Microsoft Excel Datasheet (Microsoft Ibérica SRL, Madrid, Spain). STATGRAPHICS Plus 5.1 package (Statistical Graphics Corporation, Maryland, USA) was used to carry out multivariate optimization. 3. Results and discussion 3.1. Preliminary results Univariate experiments were performed in similar conditions to the ones reported by E. Peña-Vazquez et al. [17,18]. Solutions containing 1 mg L −1 of Ag, Co, Al, Au, Cr, Fe, Ni, Mo, Mn, Sn, Ti, V, Zn or Zr and Co (1 mg L −1 ) at different nitric acid concentrations were analyzed (0.25 and 0.45 M). In the same way, two different 8-hydroxiquinoline concentrations were tested: 38 and 250 mg L −1 . Borohydride concentration was 2.25% (w/v) (NaOH 0.4%) in all experiments. For optimization, signal registrationwas performed using 5 pixels (central pixel±2) for all elements. Only measurements employing 250 mg L −1 from Ag, Au, Cd, Co, Cu, Ni, Sn and Zn produced significant signals; no peaks for the other elements were observed. Signals for Au were very low and not reproducible; thus, it was decided to eliminate this element during subsequent experiments. Vapors of Ag and Co were only observed when 0.25 M nitric acid was employed. As a result, 250 mg L −1 oxine and 0.25 M HNO 3 were employed for cell temperature optimization and reaction loop selection. Furthermore, 250 mg L −1 oxine had been previously employed in metal determination in steel matrix, overcoming cross-interference of metals when reacting with borohydride [18]. Co was tried in this study as a cohydride generation enhancer because it is an element which produces instable metal borides and acts as a catalyst for hydrogenation reactions, probably quenching decomposition of other metal hydrides such as those of Cd or Zn [19]. Table 1 Operating conditions for vapor generation. Step Pump 1/mL min −1 Pump 2/mL min −1 Waste 1 Time/s Read Load 5 6 Sample 10 Auto zero 0 6 Sample 10 Read Reaction 5 6 Carrier 20 Read Wash time 0 6 Sample 35 Read 2J. Villanueva-Alonso et al. / Spectrochimica Acta Part B xxx (2009) xxx–xxx ARTICLE IN PRESS Please cite this article as: J. Villanueva-Alonso, et al., Use of high resolution continuum source atomic absorption spectrometry as a detector for chemically generated noble and transition metal vapors, Spectrochim. Acta Part B (2009), doi:10.1016/j.sab.2009.05.024 3.2. Selection of the quartz cell temperature Influence of quartz cell temperature to atomize elements was studied and results are shown in Fig. 2. Blank corrected signals (slopes) were normalized for comparison purposes. A value of 100 corresponded to the biggest obtained signal for each element. The study was performed using metal standard solutions (1 mg L −1 ), and the values obtained were corrected with the blank before calculating the slopes of the calibration equations (normalized responses showed in Fig. 2). Most of the blank values were within the interval of 0.000±0.005 s (Ag, Cu, Co, and Ni) or of 0.00±0.05 s (Cd and Zn). The same procedure was performed for Cd using a 10 μg L −1 standard solution. All experiments employed a 250 μL reaction loop, 250 mg L −1 oxine and 0.25 M HNO 3 . Optimum temperatures were 900 °C for Cd and Ni, 960 °C for Cu and Co, and 1000 °C for Ag and Zn. Correlation between vapor pressure and atomization temperature was observed by Luna et al. [4]. In our experience, the lower the boiling point, the higher the signal observed under optimum atomization temperature (boiling points of 765 °C for Cd, 907 °C for Zn, 2212 °C for Ag, 2567 °C for Cu, 2732 °C for Ni, and 2870 °C for Co) [20]. However, no relationship between optimum atomization temperature and vapor pressure was observed. On the basis of the results obtained, and in accordance with previous studies [9,11], the generated species can be supposed to be molecular in nature, such us metallic hydrides which decompose depending on temperature. Slight differences in atomization temperatures with respect to the work by Luna et al. [11], could be due to the influence of oxine, which might act in improving volatilization or stabilizing vapor compounds (Cd or Zn with higher temperatures in our study) due to the formation of different species from the hydrides speculated by Luna et al. [11]. Signals for Co and Ni were generated for the first time in a quartz cell employing this kind of approach. Atomization temperatures of 900 °C or higher were necessary for all the elements studied, and even for Ag and Zn which present optimum atomization temperatures of 1000 °C or higher. 900 °C for Cd and Ni, 960 °C for Cu and Co, and 1000 °C for Ag and Zn were selected after individual optimization steps. Finally, 960 °C was considered to be the compromise temperature for performing sequential multielement detection. 3.3. Reaction loop size selection Influence of reaction loop volume was evaluated, given that loop size determines the reaction time. If it is too long it might increase the risk of interferences in liquid phase, but if it is too short, vapor generation might not be complete. For instance, Smichowski et al. have studied reaction coil volumes from 100 to 900 μL for Zn determination [21]. In our system, all PTFE pieces from the reaction coil to the gas–liquid separator were covered with a blackish precipitate. This precipitate has a catalytic effect on the vapor generation process. No signals forall elements, except Cd and Zn, were obtained in absence of this precipitate [17].Asafirst approach to know its composition, the precipitate obtained after borohydride reaction with a 1 mg L −1 solution of Ag, Au, Cd, Cu, Cr, Co, Fe, Mo, Ni, Zn and 0.30 mg L −1 of Sn, was collected in the reaction tube and examined using scanning electron microscopy (SEM). A dark background with light spots could be appreciated. Dark areas include bigger concentrations of sodium and carbon, whereas light spots (less than 300 nm in size) contain bigger amounts of metals. Oxygen appears in both areas. All the metals were in the light precipitate except for Cd, Sn and Mo. Fig. 1. Vapor generation system for HRCSAAS. Fig. 2. Selection of atomization temperature in the quartz cell: (–♦–)Ag328.0608nm,(–■–) Cd 228.8010 nm, (–△–) Co 240.7257 nm, (–▲–)Cu324.7540nm,(–⋄–)Ni232.0030nm, (–○–)Zn213.8556nm. 3J. Villanueva-Alonso et al. / Spectrochimica Acta Part B xxx (2009) xxx–xxx ARTICLE IN PRESS Please cite this article as: J. Villanueva-Alonso, et al., Use of high resolution continuum source atomic absorption spectrometry as a detector for chemically generated noble and transition metal vapors, Spectrochim. Acta Part B (2009), doi:10.1016/j.sab.2009.05.024 Short loops can only be used to obtain a homogeneous cover by the precipitate; thus, only 100 and 250 μL reaction loops were investigated. The experiment was performed using 2 mg L −1 of Ag, Cu, Co and Ni standards, 1 mg L −1 of Zn standard, and 10 μg L −1 of Cd standard. Calibration slopes for 100 and 250 μL loops were: 0.211 s L mg −1 and 0.106sLmg −1 forAg(at1000°C);22.48sLmg −1 and 27.73 s L mg −1 for Cd (900 °C); 0.139 s L mg −1 and 0.049 s L mg −1 forCo(960°C);0.0114s Lmg −1 and0.077sLmg −1 for Cu; 0.049 s L mg −1 and 0.056 s L mg −1 for Ni (900 °C); and 2.14 s L mg −1 and 3.86 s L mg −1 for Zn (1000 °C). The higher volume loop provided the best results for all the elements, except for Co and Ag. 3.4. Optimization of operational variables 3.4.1. Selection of main factors affecting detection Plackett–Burman designs were proposed to select the most statistically significant factors affecting vapor formation and detection. The design was run in a single block, and effects of 8 factors were studied in 12 experiments. Three degrees of freedom were available to estimate the experimental error. Two dummy factors were introduced to assess robustness of the method. The optimum temperature and reaction loop size were employed for each element in the design. The study was performed to obtain the combination of factors which provide the best blank corrected absorbance (slope) for each metal. Evaluated factors were: concentration of NaBH 4 , concentration of Co, concentration of 8-hydroxiquinoline (oxine), injection Ar flow, type of acid, acid concentration, dummy factor 1 and dummy factor 2. In the case of cobalt an extra dummy factor 3 was employed. Borohydride concentrationwas kept constant in all experiments (1.75 (w/v)% prepared in 0.4 NaOH (w/v)%). This borohydride concentration is quite similar to those values recommended in previous published studies [17,18]. Regarding the Ar carrier flow,itmustbepointedoutthatContrAA300 ® equipment only has three options for this parameter (6, 25, and 31 L h −1 ), and this limits the study of possible effects on the liberation of vapors from the aqueous phase or their concentration in the quartz tube. Blank corrected signals (slopes) were estimated measuring three replicates of reagent blanks and standards containing 2 mg L −1 of Ag, Cu, Ni, Co, 1 mg L −1 of Zn, and 20 μg L −1 in the case of Cd. First order Pareto charts for selected analytical lines of each element are shown in Fig. 3.The vertical line permits deciding which parameters are statistically significant with 95% level of confidence. Type of acid is a statistically significant parameter; thus, presence of nitric acid improved Cu, Ni and Zn vapor formation. However, hydrochloric acid improved Ag detection, providing higher signals. Acid concentration and borohydride concentration affected Co detection. Co concentration was the main factor influencing Cd detection. Thus, presence of Co in the reaction media improved Cd signals; however, Ag vapor generation efficiency was negatively affected. Therefore, detection conditions for Ag and Co were optimized separately from the other elements. 3.4.2. Optimization of acid concentration As mentioned in the previous paragraph, acidity conditions and selected acid determine the efficiency of vapor generation. A range of acidities was studied from 0.1 to 1 M. Optimum nitric acid concentration for the sequential detection of Cd, Cu, Ni and Zn was investigated. All standards contained 1 mg L −1 of Co, which is the main factor influencing Cd detection. Nitric acid concentration is verycritical in the detection of those elements. Nitric acid produced maximum signals at 0.5 M for Cu, at 0.6 M for Cd and Zn, and at 0.7 M for Ni. Higher concentrations of this acid reduced the efficiency of the system. Ni, Cd and Zn volatile species generation require a strict control of pH because small changes near the optimum value may produce severe decrease/increase in sensitivity. Therefore, 0.6 M was the selected compromise concentration. For Co and Ag, respective optimum concentrations of nitric acid (0.3M)andhydrochloricacid(0.3M)wereobtainedundertheoptimum conditions for each element. It should be stressed that Co volatile species can only be generated in our system in a very narrow acidity range. As it can be observed, for all the studied elements, response increased with sample acidity until a maximum and decreased afterwards. The existence of an optimum acidity and the decrease of the signal with the increment of acidity are considered by Feng et al. [22] as evidence of volatile species generation. On the other hand, the signal drop when increasing acid concentration could also be explained by Fig. 3. First order Pareto charts. 4J. Villanueva-Alonso et al. / Spectrochimica Acta Part B xxx (2009) xxx–xxx ARTICLE IN PRESS Please cite this article as: J. Villanueva-Alonso, et al., Use of high resolution continuum source atomic absorption spectrometry as a detector for chemically generated noble and transition metal vapors, Spectrochim. Acta Part B (2009), doi:10.1016/j.sab.2009.05.024 changes on the mechanism of the reaction of BH 4 and the formation of different hydroboron species with specific reactivity [23]. 3.4.3. Optimum conditions for element detection The optimum values of the factors studied for sequential detection of Cd, Cu, Ni and Zn were: [HNO 3 ]: 0.6 M, [8-hydroxiquinoline]: 250 mg L −1 , [NaBH 4 ]: 1.75%, [Co]: 1 mg L −1 and Ar flow rate: 25 L h −1 . A reaction loop of 250 μL was used and quartz cell temperature was 960 °C. Under these conditions sensitivity changes and pronounced memory effects were observed. These kinds of problems have been reported by Matousek et al. on silver determination. [14]. They reported that it was necessary to perform at least 5 cycles blank-standard as conditioning time. In our study signalswerestablefor10to15replicatemeasurementsandafterwards they dropped, possibly due to atomization problems and memory effect for these elements once on the quartz cell. The problem was sorted in this work by introducing an Ar/air flow every 5 replicate measurements. The Ar/air flow is introduced in the system by letting the program run and introducing only blanks corresponding to the cleaning step. The presence of remaining species in the quartz cell diminishes sensitivity because equipment takes measurements in blank-standard-blank cycles, and considers signals that are not really blanks. Hydrogen from the reductant and oxygen probably react to generate H radicals, which complete the volatilization of remaining species in the system [24].AlthoughAr/air introduction seems to maintain a constant sensitivity, further work is required to avoid memory effects and undesired vapor–vapor generation system interactions for applying these techniques in routine analysis. The procedure is time consuming and useful if a small number of measurements are needed. Further studies should include the testing of different materials or treatments to the areas in contact with vapors and evaluation of different complexant reaction media. In thecase of Co and Agno sensitivitychanges or memory effect were observed. The optimum values of studied factors for Co detection were: [HNO 3 ]: 0.3 M, [8-hydroxiquinoline]: 250 mg L −1 ,[NaBH 4 ]: 2.25%, and Ar flow rate: 25 L h −1 . The volume of reaction loop was 100 μL, and 960 °C was used as atomization temperature. The optimum values of the factors studied for Ag detection were: [HCl]: 0.2 M, [8-hydroxiquinoline]: 250 mg L −1 ,[NaBH 4 ]: 1.75% and injection Ar flow rate: 25 L h −1 . The volume of reaction loop was 100 μL and 1000 °C was used as atomization temperature. 3.5. Analytical performance of the system Since this is the first time HRCSAAS is being applied on a quartz cell for chemical vapor generation of noble and transition elements the possibility of side pixel evaluation is being explored. Sensitivity, linearity and precision are presented using pixels ranged from 1 (CP) to 7 (CP±4). The sensitivity of HRCSAAS when using a pixel detector can be improved depending on selected peak width [7]. The signal noise ratio for a narrow line (Ag 328.068 nm) is better when using 1 or 3 pixels. For broader peaks, such as in 303.936 nm, a higher number of pixels need to be examined. In our experience, Ag, Cd, Cu and Zn should be detected employing 3 pixels. Atomization for Co and Ni is less efficient, probably due to the use of a relatively cold quartz tube atomizer. Peak volume evaluation with an increased number of pixels (5) will enable appreciating signals from these elements. Bold type font is used in Table 2 to emphasize selected number of pixels for each metal. 3.5.1. Calibration curves Table 2 shows calibration equations that were obtained when using optimum parameters for metal detection by way of vapor generation (VG). Cd, Cu, Ni and Zn were detected sequentially in compromise conditions; whereas Co and Ag were detected each one in its own optimized conditions. Cd concentrations ranged from 0 to 0.08 mg L −1 ; Ag, Cu and Zn concentrations in calibrations ranged from0 to 0.75 mg L −1 ; Co and Ni concentrations ranged from 0 to 2.0 mg L −1 . Linearity is lost at higher concentration values. A λ∑ is peak volume selected absorbance, and metal concentrations are expressed in mg L −1 . Numerical values of some of the measurements reached numbers higher than 1, because analyses were performedemploying peak volume selected absorbance (A λ∑ ), having units of s. Values are the result of adding up the individual integrated absorbances under the absorbance peak [25]. The use of side pixel registration at increasing distance to the line core, to extend the linear range, was explored for Cu and Ag. Unfortunately, linearity was only achieved till 1 mg L −1 . The same fact happened when measurements were performed by ICPOES, using 8-hydroxiquinoline as reaction modifier. Although, ICPOES has a long linear range, linearity was lost when concentrations were over 1 mg L −1 for Au, Cu, Cd, Ni, Zn and Sn [17]. So, we believe that limitations in the linear range are due to the Table 2 Analytical performance relative to pixel number: calibration equations, limits of detection and RSDs (%). a Ag 328.0608 nm A λ∑ =0.4854 [Ag]−0.003 r=0.999 LOD=35 μgL −1 3.0% (CP) A λ∑ =1.1918 [Ag]−0.0001 r=0.999 LOD=14 μgL −1 2.8% (CP±1) A λ∑ =1.4718 [Ag]−0.0071 r=0.999 LOD=17 μgL −1 3.0% (CP±2) A λ∑ =1.5528 [Ag]−0.0073 r=0.999 LOD=18 μgL −1 4.1% (CP±3) Cd 228.8010 Nm A λ∑ =10.782 [Cd] −0.0049 r=0.999 LOD=1.5 μgL −1 6.9% (CP) A λ∑ =26.513 [Cd] –0.0189 r=0.999 LOD=1.6 μgL −1 6.7% (CP±1) A λ∑ =32.187 [Cd]−0.0217 r=0.999 LOD=2.2 μgL −1 5.2% (CP±2) A λ∑ =33.502 [Cd]−0.0211 r=0.999 LOD=2.8 μgL −1 6.0% (CP±3)) Cu 324.7540 nm A λ∑ =0.7182 [Cu]−0.0128 r=0.996 LOD=12 μgL −1 8.5% (CP) A λ∑ =1.8798 [Cu]−0.0338 r=0.996 LOD=7.5 μgL −1 8.1% (CP±1) A λ∑ =2.5397 [Cu]−0.0455 r=0.997 LOD=7.9 μgL −1 8.5% (CP±2) A λ∑ =2.8968 [Cu]−0.0534 r=0.997 LOD=12 μgL −1 8.7% (CP±3) Co 240.7254 nm A λ∑ =0.0701 [Co]−0.0086 r=0.997 LOD=410 μgL −1 5.5% (CP) A λ∑ =0.1582 [Co]−0.0075 r=0.997 LOD=198 μgL −1 4.6% (CP±1) A λ∑ =0.1959 [Co]−0.0102 r=0.996 LOD =175 μgL −1 4.8% (CP±2) A λ∑ =0.2093 [Co]−0.0155 r=0.995 LOD=169 μgL −1 4.6% (CP±3) Ni 232.0030 nm A λ∑ =0.0195 [Ni]−0.0001 r=0.994 LOD=906 μgL −1 21.5% (CP) A λ∑ =0.0517 [Ni]−0.0026 r=0.994 LOD=632 μgL −1 18.6% (CP±1) A λ∑ =0.0764 [Ni]−0.0003 r=0.994 LOD=586 μgL −1 20.8% (CP±2) A λ∑ =0.0854 [Ni]−0.0015 r=0.994 LOD=915 μgL −1 25.5% (CP±3) Zn 213.8556 nm A λ∑ =2.1101 [Zn]−0.0634 r=0.996 LOD=18 μgL −1 7.6% (CP) A λ∑ =5.2096 [Zn]−0.1551 r=0.997 LOD=18 μgL −1 7.0% (CP±1) A λ∑ =5.1194 [Zn]−0.0467 r=0.997 LOD=13.0 μgL −1 7.9% (CP±1) b A λ∑ =6.3543 [Zn]−0.2375 r=0.996 LOD=26 μgL −1 7.4% (CP±2) A λ∑ =6.804 [Zn]−0.2804 r=0.998 LOD=36 μgL −1 10.0% (CP±3) a RSDs(%): 0.03 mg L −1 for Cd, 1.5 mg L −1 for Co and Ni and 0.25 mg L −1 for other elements. b Spectral correction. 5J. Villanueva-Alonso et al. / Spectrochimica Acta Part B xxx (2009) xxx–xxx ARTICLE IN PRESS Please cite this article as: J. Villanueva-Alonso, et al., Use of high resolution continuum source atomic absorption spectrometry as a detector for chemically generated noble and transition metal vapors, Spectrochim. Acta Part B (2009), doi:10.1016/j.sab.2009.05.024