Repositorio Institucional de Documentos

2013 105 Engracia Mozas García Espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica para la determinación de nanopartículas y el análisis directo de nanomateriales Departamento Química Analítica Director/es Crespo Miñana, Ana Cristina Resano Ezcaray, Martín Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Engracia Mozas García ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CON ATOMIZACIÓN ELECTROTÉRMICA PARA LA DETERMINACIÓN DE NANOPARTÍCULAS Y EL ANÁLISIS DIRECTO DE NANOMATERIALES Química Analítica Director/es Crespo Miñana, Ana Cristina Resano Ezcaray, Martín Tesis Doctoral Autor 2013 Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ! ! INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ARAGÓN Y UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CON ATOMIZACIÓN ELECTROTÉRMICA PARA LA DETERMINACIÓN DE NANOPARTÍCULAS Y EL ANÁLISIS DIRECTO DE NANOMATERIALES Memoria presentada en la Universidad de Zaragoza por Dª Engracia Mozas García para optar al Grado de Doctor en Ciencias, Sección Químicas. !! ! ! Dr. D. Martín Resano Ezcaray, Profesor Titular del Departamento de Química Analítica de la Universidad de Zaragoza y Dra. Dña. Ana Cristina Crespo Miñana, del Instituto Tecnológico de Aragón CERTIFICAN Que la presente Memoria para optar al grado de Doctor en Ciencias, titulada: “Espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica para la determinación de nanopartículas y el análisis directo de nanomateriales” Se ha realizado en los Laboratorios del Departamento de Química Analítica de la Universidad de Zaragoza y del Instituto Tecnológico de Aragón, bajo nuestra inmediata dirección, autorizando su presentación para proseguir los trámites oportunos en orden a su calificación por el Tribunal correspondiente. Zaragoza, a 14 de Junio de 2013. Fdo. Dr. D. Martín Resano Ezcaray Fdo. Dra. Dña. Ana Cristina Crespo Miñana !! ! ! “Coal and diamonds, sand and computer chips, cancer and healthy tissue: throughout history, variations in the arrangement of atoms have distinguished the cheap from the cherished, the diseased from the healthy. Arranged one way, atoms make up soil, air, and water; arranged another, they make up ripe strawberries. Arranged one way, they make up homes and fresh air; arranged another they make up ash and smoke.” Eric Drexler en Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, 1986 !! Índice! ! II.5 PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS ....................................... 91! II.5.1 Procedimientos para realizar las determinaciones tras disolución de las muestras ............................................................................................... 91! II.5.1.1 Determinación de As, Cd, Cu, Cr, Hg, Pb y Sb en sílices .................... 91! II.5.1.2 Determinación de Au en órganos de ratón ............................................ 94! II.5.1.3 Determinación de Al, Co, Cr, Fe, Ni y Pb en nanotubos de carbono 96! II.5.1.4 Determinación de Mo y S en nanohilos disueltos ................................. 99! II.5.1.5 Determinación de Mo en nanocomposites disueltos ................................ 101! II.5.2 Preparación de las muestras para realizar las determinaciones directas sobre los sólidos ...................................................................... 102! II.5.2.1 Muestras de sílices .................................................................................... 102! II.5.2.2 Materiales de referencia para validar el análisis de sílices ................... 102! II.5.2.3 Órganos de ratón ...................................................................................... 102! II.5.2.4 Nanotubos de carbono ............................................................................ 103! II.5.2.5 Nanocomposites ............................................................................................. 103! II.5.3 Introducción de las muestras sólidas en el horno de gráfito ........ 103! II.5.4 Procedimientos para realizar las determinaciones directas sobre las muestras sólidas ..................................................................................... 104! II.5.4.1 Determinación de As, Cd, Cu, Cr, Hg, Pb y Sb en sílices .................. 104! II.5.4.2 Determinación de Au en órganos de ratón .......................................... 105! II.5.4.3 Determinación de Al, Co, Cr, Fe, Ni y Pb en nanotubos de carbono ....................................................................................................................... 108! II.5.4.4 Determinación de Mo y S en nanocomposites .......................................... 109! II.6 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................... 110! CAPÍTULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............ 111! III.1 DETERMINACIÓN DE As, Cd, Cu, Cr, Hg, Pb Y Sb EN SÍLICES .................................................................................................. 113! III.1.1 Introducción ....................................................................................... 113! III.1.2 Objetivo del trabajo ........................................................................... 117! III.1.3 Desarrollo del método ...................................................................... 118! III.1.3.1 Selección de muestras de referencia ..................................................... 118! III.1.3.2 Ajuste de la sensibilidad ......................................................................... 118! III.1.3.3 Atomización de los analitos en el CRM .............................................. 119! !Índice! III.1.3.3 Protección de la plataforma .................................................................. 125! III.1.3.4 Análisis de las CRM. Desempeño del método. .................................. 126! III.1.2.5 Análisis de muestras de sílice (SAS) ..................................................... 127! III.1.4 Conclusiones ...................................................................................... 131! III.1.5 Bibliografía ......................................................................................... 132! III.2 MONITORIZACIÓN DE LA BIODISTRIBUCIÓN DE NANOPARTICULAS DE ORO EN TEJIDOS DE RATÓN .... 137! III.2.1 Introducción ...................................................................................... 137! III.2.2 Objetivo del trabajo .......................................................................... 141! III.2.3 Desarrollo del método ..................................................................... 141! III.2.3.1 Optimización de las condiciones para la atomización del Au ......... 141! III.2.3.2 Control de las soluciones de AuNPs ................................................... 144! III.2.3.3 Análisis de la muestra mediante análisis directo de sólidos HR-CS GFAAS. Solución a las interferencias espectrales. ................................ 147! III.2.3.4 Resultados del análisis de la muestra ................................................... 153! III.2.4 Conclusiones ...................................................................................... 158! III.2.5 Bibliografía ......................................................................................... 159! III.3 DETERMINACIÓN DIRECTA DE Co, Fe, Ni, Pb, Cr y Al EN NANOTUBOS DE CARBONO ............................................... 165! III.3.1 Introducción ...................................................................................... 165! III.3.2 Objetivo del trabajo .......................................................................... 168! III.3.3 Desarrollo del método ..................................................................... 169! III.3.3.1 Selección de la longitud de onda .......................................................... 169! III.3.3.2 Condiciones de atomización ................................................................. 176! III.3.3.3 Estrategia para la calibración ................................................................ 179! III.3.3.4 Análisis de los CNTs .............................................................................. 182! III.3.4 Conclusiones ...................................................................................... 187! III.3.5 Bibliografía ......................................................................................... 188! III.4. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE NANOREFUERZO EN UN NANOCOMPOSITE ...................... 188! III.4.1 Introducción ...................................................................................... 195! III.4.2 Objetivo del trabajo .......................................................................... 199! Índice! ! III.4.3 Desarrollo del método ...................................................................... 200! III.4.3.1 Determinación de Mo ............................................................................ 200! III.4.3.2 Determinación de S ................................................................................ 201! III.4.3.3 Resultados y validación de los contenidos de S ................................. 204! III.4.3.3 Estudio de la homogeneidad ................................................................. 206! III.4.4 Conclusiones ...................................................................................... 209! III.4.5 Bibliografía .......................................................................................... 210! CAPÍTULO IV. CONCLUSIONES ................................ 217! ANEXO I ........................................................................... 221! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Abreviaturas! ! 1 ABREVIATURAS AAS Espectrometría de absorción atómica (Atomic Absorption Spectrometry) AuNPs Nanopartículas de oro (Gold Nanoparticles) ASTM American Society for Testing and Materials, sociedad americana para el desarrollo de normas de ensayo y de materiales CCD Detector de tipo “dispositivo de carga acoplada” (Charge-coupled device) CNT Nanotubo de carbono (Carbon Nanotube) COINAPO Proyecto europeo con título “Composites of Inorganic Nanotubes and Polymers” CRM Material Certificado de Referencia CS-AAS Espectrometría de absorción atómica con fuente continua (Continuum Source Atomic Absorption Spectrometry ) EDS Espectrometría de energía dispersada de rayos X (Energy-dispersive X-ray spectrometry) EFSA European Food Safety Authority, agencia de la Unión Europea que tiene la responsabilidad de alertar y detectar los problemas que afecten a la seguridad alimentaria. GFAAS Espectrometría de absorción atómica con horno de grafito (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) GFMAS Espectrometría de absorción molecular con horno de grafito (Graphite Furnace Molecular Absorption Spectrometry) HE Constante de homogeneidad HR-CS AAS Espectrometría de absorción atómica con fuente continua de alta resolución (High Resolution Continuum Source Atomic Absorption !Abreviaturas! 2 Spectrometry) HR-CS GFAAS Espectrometría de absorción atómica con fuente continua de alta resolución en horno de grafito (High Resolution Continuum Source Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) HR-CS GFMAS Espectrometría de absorción molecular con fuente continua de alta resolución en horno de grafito (High Resolution Continuum Source Graphite Furnace Molecular Absorption Spectrometry) ICP-MS Espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) ICP-OES Espectrometría de emisión atómica con plasma de acoplamiento inductivo (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) IQE Industrias Químicas del Ebro, empresa matriz del grupo IQE, grupo industrial del sector químico con sede en Zaragoza ISO International Organization for Standardization es una federación mundial de organismos nacionales de normalización ITA Instituto Tecnológico de Aragón JECFA Comité Conjunto de Expertos de Aditivos en Comida(Joint Expert Committee on Food Aditives) λ Longitud de onda (Wavelength) LOD Límite de detección (Limit of detection) LOQ Límite de cuantificación (Limit of quantification) LSBC Corrección de fondo mediante un algortimo de mínimos cuadrados (Linear Squares Background Correction) MWCNT Nanotubo de carbono de pared múltiple o nanotubo multicapa (Multi-walled Carbon Nanotubes) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Abreviaturas! ! 3 NAA Análisis por activación neutrónica (Neutron Activation Analysis) NRC National Research Council, principal organización del gobierno de Canadá para la investigación y el desarrollo OECD Organisation for Economic Co-operation and Development, Organización para la cooperación y el desarrollo económico constituida por 34 países de todo el mundo PA Poliamida PET Polietilen-tereftalato PP Polipropileno PVP polivinilpirrolidona QA Absorbancia integrada QCM-D Microbalanza de cristal de cuarzo con disipación (Quatz Crystal Microbalance with Dissipation) RSD Desviación estándar relativa (Relative Standard Deviation) SAS Sílice amorfa sintética (Synthetic amorphous silica) SEM Microscopía electrónica de Barrido (Scanning Electron Microscopy) SS Análisis directo de muestras solidas (Solid sampling) SWCNT Nanotubo de carbono de pared simple o nanotubo monocapa (Single-walled carbón nanotube) TEM Microscopía electrónica de transmisión (Transmission Electron Microscopy) TGA Análisis termogravimétrico (Thermogravimetric analysis) TMCH Material formado por metal de transición + !Abreviaturas! 4 calcógeno + yodo UNE Una Norma Española, conjunto de normas tecnológicas creadas por los comités técnicos de normalización UV Ultravioleta UV-Vis Ultravioleta-Visible CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN “Le rôle de l'infiniment petit est infiniment grand.” Louis Pasteur Capítulo I. Introducción Introducción! ! 13 son las esenciales para caracterizar un nanomaterial.16,22,23 Las mismas propiedades que hace que estas partículas sean tan atractivas para su uso con fines muy variados (su pequeñísimo tamaño con su enorme potencial para interaccionar con su entorno de una forma diferente) hacen también que sean potencialmente tóxicas. Existe una necesidad manifiesta de mejorar este conocimiento buscando nuevas técnicas de análisis y avanzando así en su caracterización fisicoquímica,22,23 en estudios toxicológicos en vivo,24,17 y en su control en general.25 En este contexto, la disponibilidad de instrumentos de medida y el desarrollo de técnicas analíticas apropiadas para el análisis y caracterización de los nanomateriales son fundamentales para garantizar su control y conocimiento, desde su fabricación hasta su uso final. Paralelamente, resulta necesario que las técnicas a desarrollar cumplan con una serie de requisitos analíticos (límites de detección impuestos científica o legalmente), de tiempo y sencillez. I.1.4 Caracterización y análisis químico de nanopartículas y nanomateriales La caracterización de materiales nanoestructurados implica a su vez un numeroso abánico de desafíos para la comunidad científica. Entre ellos algunos aspectos juegan un papel importante a la hora de escoger una técnica de análisis adecuada:25 a) La manipulación y preparación de la muestra (en muchos casos con una toxicidad aún desconocida). b) La influencia que tienen el tiempo y el medio ambiente en las muestras, que pueden verse fácilmente alteradas ya que habitualmente presentan una alta reactividad con su entorno. c) Problemas asociados con el deterioro de la muestra y cuya cantidad disponible para el análisis suele ser limitada. d) Aspectos fundamentales como son la nanoestructura de la muestra y su composición química elemental. !Capítulo!I.! 14 Cuando se selecciona una técnica de análisis, no solo deben considerarse los aspectos relacionados con la muestra, sino que también deben estudiarse con detenimiento las ventajas e inconvenientes de dicha técnica de análisis, sus limitaciones y si los métodos o parámetros de la técnica pueden ajustarse al tipo de muestra de estudio.25 Hasta el momento existen muchos estudios que incluyen la caracterización de nanomateriales desde un punto de vista de análisis cualitativo mediante técnicas como microscopía electrónica de transición (TEM) o de barrido (SEM).26,27,28 Otros estudios investigan el análisis químico de nanomateriales mediante técnicas atómicas como son el análisis por activación neutrónica (NAA),21 la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICPMS)21,30 o la espectrometría de absorción atómica con cámara de grafito (GFAAS) sobre muestras líquidas tras digestión.31 También existen trabajos que hacen una recopilación de técnicas experimentales para la caracterización de nanomateriales abordando distintos puntos de vista como son aspectos morfológicos (tamaño de partícula, distribución de tamaños), caracterización química, hidrofobicidad de la superficie, dispersión de las nanopartículas y otros.23 Sin embargo, tan solo se ha encontrado un artículo dedicado al análisis directo de nanomateriales usando GFAAS,32 a pesar de que el empleo de esta técnica puede presentar ventajas en algunos contextos, como se discutirá en el apartado I.2. En la tabla I.2, en la página 15, se muestra un resumen de las distintas técnicas de análisis químico encontradas en bibliografía, analizando las ventajas e inconvenientes que presenta cada técnica para el análisis químico cuantitativo de nanomateriales. Introducción! ! 15 Tabla I.2 Estudio comparativo de técnicas experimentales para su uso en el análisis químico elemental cuantitativo de nanomateriales Principales Ventajas Principales Desventajas Análisis por activación neutrónica (NAA)21,33 ü Una de las tecnicas más sensibles para análisis multielemental. ü Posibilidad de análisis directo de muestra sólidas. × Necesidad de disponer de un reactor nuclear grande que permita la irradiacion de las muestras por su elevado coste. × Necesidad de personal capacitado y seguridad adecuada. × Elevado tiempo de análisis. Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS)21,30 ü Una de las técnicas más sensibles para análisis multielemental. × En general, es necesaria una cantidad apreciable de muestra (0.5 g) y un tratamiento previo de la misma. Espectrometría de absorción atómica de llama y con cámara de grafito (GFAAS) sobre muestras líquidas tras digestión31 ü Técnica de análisis cuantitativo con alta sensibilidad y exactitud. × En general, es necesaria una cantidad apreciable de muestra (0.5 g) y un tratamiento previo de la misma. × No es multielemental. Análisis termo-gravimétrico (TGA)21,26,34 ü Equipo de fácil disponibilidad y manejo × Las impurezas metálicas se determinan como la fracción residual de la muestra tras su calentamiento/combustión. El resultado se obtiene por diferencia y no permite la cuantificación de cada metal por separado. × Los resultados analíticos se pueden ver influidos por la presencia de impurezas no metálicas (carburos u oxidos metálicos) Difracción de rayos X (XRD)27 ü Ensayo no destructivo y rápido × Se puede estudiar de forma cualitativa la pureza de las muestras y la presencia de metales pero no ofrece resultados químicos cuantitativos. !Capítulo!I.! 16 Principales Ventajas Principales Desventajas Espectroscopía de energía dispersada de rayos X (TEM-EDS y SEM-EDS)26,27,28 ü Rápidez de análisis y escasa o nula preparación de muestra. ü La técnica ofrece una imagen de la muestra a elevados aumentos lo que permite observar su microestructura. × La determinación de carbono no es fiable porque el equipo presenta contaminación debido a hidrocarbonos y a la baja sensibilidad de los detectores de EDS. × TEM-EDS presenta más inconvenientes que SEM-EDS porque además tiene contaminación de Cu y S. × Los resultados son más cualitativos que cuantitativos. × Debido al pequeño tamaño de muestra, solo se debe utilizar con muestras muy homogéneas. Espectroscopía Raman26 ü No requiere preparación de muestra. ü Es un ensayo nodestructivo × Típicamente, no ofrece resultados químicos cuantitativos. Se utiliza para caracterizar compuestos de carbono y el estado de los átomos de carbono que hay en la muestra (útil para el caso de nanotubos de carbono) y su homogeneidad. Espectrofotometría UV-Vis26, 34 ü Equipo de fácil adquisición y manejo × Se puede utilizar como medida de la dispersión de nanopartículas en un líquido. En algunos casos se utiliza como análisis cuantitativo de elementos químicos presentes como impurezas en nanopartículas o nanotubos, pero en estos casos requiere de una preparación de la muestra que separe y/o ponga en disolución las impurezas metálicas. Espectroscopía de infrarrojos por Transformada de Fourier (FTIR)27 ü Ensayo no destructivo, rápido y fácil manejo × No ofrece resultados químicos cuantitativos. Se utiliza para caracterizar compuestos de carbono Introducción! ! 17 Principales Ventajas Principales Desventajas Espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS) y análisis por emisión de Rayos X inducida por partículas inducidas (PIXE)35 ü Análisis multielemental × Ofrece resultados semicuantitativos mediante la identificación y la altura de los picos presentes en el espectro. × Técnica de análisis superficial, por lo que la contaminación superficial de la muestra puede influir en los resultados de análisis. Espectroscopía de fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS)25,36 ü Ofrece información química de la muestra y además, permite obtener información sobre sus dimensiones × Técnica de análisis superficial, por lo que la contaminación superficial de la muestra puede influir en los resultados de análisis. × Técnica semi-cuantitativa que habitualmente se utiliza para estimar la estequiometría (con un error del 10% aproximadamente), estado químico y la estructura electrónica de los elementos que existen en un material. × Como técnica de análisis cuantitativo presenta elevados limites de detección (del orden de partes por mil aunque en algunos casos se puede llegar a ppm) y algunos parámetros de la técnica tienen una fuerte dependencia del tamaño de nanopartícula. Fluorescencia de Rayos X (XRF)37 ü Análisis no destructivo y rápido. ü Bajo coste. ü Permite determinaciones multielemental ü Escasa o nula preparación de la muestra ü El equipo puede ser portátil. × No siempre ofrece suficiente sensibilidad. Sus limites de detección oscilan entre 1 y 100 ppm. × Técnica de análisis superficial, por lo que la contaminación superficial de la muestra puede influir en los resultados de análisis. !Capítulo!I.! 18 I.2 EL USO DE LA ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA DE MUESTRAS SÓLIDAS EN HORNO DE GRÁFITO CON FUENTE CONTINUA DE ALTA RESOLUCIÓN (SS HR-CS GFAAS) PARA EL ANÁLISIS QUÍMICO ELEMENTAL CUANTITATIVO DE NANOMATERIALES I.2.1 La determinación directa de elementos sobre muestras sólidas El desarrollo de métodos cuantitativos de análisis se ha realizado, tradicionalmente, tras la puesta en disolución del analito, lo que antiguamente se denominaba “vía húmeda” de análisis,38 sin que el desarrollo de nuevos métodos instrumentales cambiara significativamente esta tendencia. Con esta tradición histórica no resulta sorprendente que a muchos químicos analíticos actuales, la obtención directa a partir de un sólido de una señal analítica con fines cuantitativos, salvo que se realice por alguna técnica específica como fluorescencia de rayos X, pueda parecerles una curiosidad científica. Sin embargo, si se realizan algunas operaciones previas, como la puesta en disolución de las muestras sólidas, antes de obtener la señal analítica, es debido a que se considera que dicha señal no se puede conseguir directamente o no tendrá la calidad requerida. En efecto, el aspecto esencial del desarrollo de un proceso analítico que permita conseguir la información deseada, es la obtención de una señal analítica de la calidad requerida, basada en cualquiera de las propiedades del analito.39 Ahora bien, cualquier manipulación de la muestra supone asumir el riesgo de provocar cambios en la información analítica que posee y, desde luego, aumenta el tiempo, y habitualmente el dinero, necesario para obtener dicha información. Las operaciones previas, que se estima que en muchas ocasiones pueden suponer entre un 70% Introducción! ! 19 y un 95% del tiempo dedicado al desarrollo completo del proceso analítico,40 pueden ser imprescindibles en muchos casos, pero resultan indeseables en el desarrollo de un proceso analítico ideal. La eliminación de cualquiera de estas etapas, siempre que sea posible, va a presentar aspectos beneficiosos en el desarrollo del proceso analítico. Así, la obtención de la señal analítica directamente desde la muestra sólida, al eliminar el proceso de disolución de la misma, ofrece potencialmente las siguientes ventajas: a) Minimiza el riesgo de contaminación de la muestra. b) Evita pérdidas del analito durante el tratamiento: ataque incompleto, retención por residuos insolubles, pérdida de compuestos volátiles, etc. c) Incrementa la sensibilidad con respecto al trabajo en disolución, dado que las muestras no se diluyen. d) Permite obtener información a la que no se tiene acceso por métodos que requieren la disolución de la muestra, como por ejemplo la distribución del analito en la misma. e) Es rápido, pues disminuye o elimina el tratamiento previo de la muestra. f) Evita la utilización de productos peligrosos y corrosivos, necesarios muy a menudo en el proceso de disolución. g) En general requiere una cantidad de muestra reducida, lo que resulta importante cuando únicamente se dispone de una pequeña cantidad de ésta. Pese a las ventajas anteriormente enunciadas, las determinaciones directas sobre muestras sólidas pueden presentar también notables dificultades. Especialmente cabe destacar: a) La mayoría de las técnicas analíticas vigentes durante muchos años (por ejemplo, la volumetría, la absorción molecular en el UV-VIS o la cromatografía de gases) parecen poco adecuadas !Capítulo!I.! 20 para obtener la información analítica a partir de muestras sólidas. b) Como consecuencia de lo anterior, aunque algunas técnicas tengan la posibilidad de actuar sobre muestras sólidas, siquiera ocasionalmente, a menudo no se ha comercializado la instrumentación adecuada, lo que limita todavía más su desarrollo. c) En los casos en los que realmente se realizan determinaciones directas sobre muestras sólidas suelen existir serios problemas para conseguir un calibrado correcto. d) Generalmente es necesario desarrollar una metodología de trabajo específica. I.2.2 El uso de la espectrometría de absorción atómica en horno de gráfito para el análisis de muestras sólidas (SS-GFAAS) La espectrometría de absorción atómica utilizando un horno de grafito como atomizador (GFAAS) puede solventar alguna de las dificultades enumeradas en el apartado anterior para el análisis de muestras sólidas. En primer lugar, como puede verse en la figura I.2 (página 21), tras introducir la muestra disuelta en el horno de grafito y realizar la etapa de secado, la señal analítica se genera a partir de un sólido. Incluso puede suceder que el analito se encuentre en este momento en la misma forma química que tenía en la muestra original. Además, dado que el trabajo con muestras sólidas puede considerarse tan antiguo como la propia técnica de espectrometría de absorción atómica41 y que, desde entonces, ha habido un número reducido pero permanente de investigadores que han trabajado en este campo, se han comercializado varios dispositivos que permiten el trabajo directo con muestras sólidas, los más importantes de los cuales se pueden consultar en el artículo de revisión de BENDICHO y DE Introducción! ! 21 LOOS42 y cuya expresión más acabada la constituyen los diseños de KURFÜRST et al.,43 que llevaron a la fabricación de un aparato completamente automático por parte de la casa Grün y que actualmente comercializa la empresa Jena tras realizar mejoras importantes. Figura I.2 Evolución del analito antes de generar la señal analítica en el horno de grafito La consecución de un calibrado correcto ha sido un tema controvertido durante mucho tiempo, pero en la última década parece haberse impuesto la solución más sencilla, es decir, realizarlo frente a disoluciones patrón de los analitos (véase apartado I.3.1.3, página 41). A ello han contribuido, por supuesto, las mejoras instrumentales (correctores potentes de absorción inespecífica y, sobre todo, la posibilidad de realizar medidas de absorbancia integrada), pero probablemente sean más importantes las excelentes prestaciones que el horno de grafito ofrece para la atomización de muestra sólidas. En efecto, antes de obtener la señal analítica en la etapa de atomización, el horno de grafito permite realizar tratamientos térmicos de la muestra (en el trabajo convencional con disoluciones, las etapas de secado y de pirólisis) a una temperatura y con una duración controlados y, si se considera necesario, con ayuda de reactivos (modificantes químicos). M+ AMA(s) MA(s) MA(s) M+ Asecado introducción directa disolución !Capítulo!I.! 22 Estas posibilidades instrumentales permiten realizar transformaciones de la muestra sólida antes de someterla al proceso de atomización, de forma que éste se realice en las condiciones más favorables. Por ejemplo, aún en el supuesto de la figura I.2 (página 21) en el que el analito queda en idéntica forma química con y sin disolución previa de la muestra, es evidente que el proceso de atomización de la muestra sólida puede verse perturbado por el resto de la matriz. Pues bien, si por ejemplo ésta fuera de naturaleza orgánica se podría eliminar en la etapa de pirólisis. En resumen, las etapas térmicas anteriores a la de atomización y el uso de modificantes químicos son operaciones previas a la obtención de la señal analítica, que permiten modificar las características de la muestra sólida de forma que la atomización del analito se produzca en condiciones óptimas. La metodología de trabajo cuando se trabaja con muestras sólidas requiere algunas modificaciones con relación a cuando se trabaja en disolución y serán comentadas en el apartado I.3. I.2.3. Breve desarrollo histórico de la determinación directa mediante SS-GFAAS En la tabla I.3 (página 24) se presenta un resumen de los hitos más relevantes y de las tendencias más importantes en cada década para el desarrollo de la determinación directa de metales sobre muestras sólidas mediante SS-GFAAS. El potencial de la cámara de grafito como sistema de atomización de muestras sólidas ya fue indicado por L’VOV en 1959, en el trabajo en el que propuso su diseño de graphite cuvette como sistema de atomización electrotérmico.41 En las dos décadas siguientes numerosos investigadores realizan trabajos en este campo y, aunque hoy resulten algo desfasados, merece la pena destacar el ingenio que desarrollaron para diseñar los sistemas caseros más variopintos que permitieran la Introducción! ! 29 dispersión de la radiación. Mediante la oportuna rotación del prisma, se dirige la zona de longitudes de onda de interés, a través de una ranura, hacia la red en escalera consiguiendo una resolución de unos picómetros (1.1 pm a 200 nm). d) Un detector de tipo “dispositivo de carga acoplada” (CCD). El sistema detector consiste en un CCD de matriz lineal con 588 píxeles (elementos de imagen), 200 de los cuales se utilizan con fines analíticos. Como cada píxel funciona simultáneamente de forma independiente, realmente se dispone de 200 detectores lo que permite medir, no sólo la longitud de onda de interés, sino también su entorno inmediato. Como conclusión, en la figura I.4 se puede observar la elevada resolución que se consigue mediante esta instrumentación para una determinación multielemental de Co, Fe, Ni y Pb. En primer lugar, la línea de interés de cada elemento aparece perfectamente separada de las líneas del resto de elementos. Además, como para medir la absorción atómica de un elemento se utilizan esencialmente tres píxeles, el resto de los 200 píxeles disponibles proporcionan información precisa sobre las variaciones de la línea base. Figura I.4 Medida de la absorbancia mediante SS HR-CS GFAAS en el entorno de la linea del hierro a 283.306 nm !Capítulo!I.! 30 I.2.4.3 Ventajas potenciales de la HR-CS AAS frente a la AAS con fuente de línea La principal expectativa que generaba el uso de una fuente continua en AAS era realizar determinaciones multielementales. Desafortunadamente, con la instrumentación actual, esta posibilidad se ve limitada por las características del detector. El sistema comercializado permite medir de forma simultánea en un intervalo de longitudes de onda entre 0.2 y 1.0 nm, por lo que sólo se pueden hacer determinaciones multielementales para elementos con líneas muy próximas. A pesar de la cierta decepción que este hecho puede suponer, la HR-CS AAS presenta claras ventajas que hacen que sus prestaciones sean significativamente superiores a las de un instrumento de absorción atómica con fuente de línea. Entre las ventajas potenciales se pueden citar: • Mejora en la fiabilidad de la medida. La medida simultánea de 200 píxeles (sectores de longitud de onda) hace que todo el entorno de la línea de análisis (0.2-0.5 nm, según la longitud de onda) se haga 'visible' en alta resolución. De hecho, el sistema va a funcionar como un dispositivo simultáneo de doble haz, lo que permite una corrección muy eficiente de bastantes efectos indeseados, como oscilaciones temporales de la fuente de emisión, pequeños cambios en la transmisión del atomizador o en la sensibilidad del detector. • Mejora en los límites de detección. Como consecuencia de lo anterior y de la mayor intensidad de radiación de la lámpara de xenón comparada con la de cátodo hueco, se mejora el límite de detección en un factor de tres a cinco. Introducción! ! 31 • Mejora en la corrección de la absorción inespecífica. Al poder medir simultáneamente el entorno de la longitud de onda de interés, se pueden corregir mucho mejor interferencias espectrales, incluso en el caso de señales de fondo debidas a procesos que cambian muy rápidamente o a espectros de estructura hiperfina, difíciles de solventar con los sistemas de corrección convencionales. • Control de la sensibilidad y del rango lineal. En HR-CS AAS es posible disminuir la sensibilidad de las medidas, utilizando un número menor de píxeles o eligiendo los de las alas de la señal en lugar de los centrales. • Posibilidad de determinar elementos no metálicos, como F, Cl, P ó S. Estos elementos tienen sus líneas atómicas más sensibles en el UV lejano y no pueden utilizarse con la instrumentación actual. Sin embargo, la HR-CS AAS es capaz de utilizar líneas de absorción molecular, principalmente aquellas que corresponden a transiciones rotacionales que tienen una anchura media de unos pocos picómetros, semejante al de las líneas atómicas. I.2.4.4 Aplicación de la HR-CS AAS al análisis directo de muestras sólidas Si relacionamos las ventajas que presenta la HR-CS AAS, que se han explicado en el apartado anterior, con los problemas que aparecen específicamente en la determinación directa de elementos mediante SS-GFAAS, se observa que la nueva instrumentación de fuente continua puede resultar particularmente beneficiosa para resolver algunos de los citados problemas. En concreto: • Una nueva forma de controlar el exceso de sensibilidad. Dado que en SS-GFAAS no es posible diluir las muestras, el exceso de sensibilidad es un problema relativamente frecuente. !Capítulo!I.! 32 El uso de HR-CS AAS proporciona una nueva forma de regular la sensibilidad y de esta manera extender el intervalo lineal, por elección del número y posición de los píxeles que se utilizan para cuantificar la señal y con la ventaja sobre los mecanismos utilizados habitualmente (cambio de longitud de onda, mantenimiento del caudal de argón durante la atomización) de no tener que alterar las condiciones experimentales. • Mejor corrección de la absorción inespecífica. En SS-GFAAS la alícuota de medida contiene la matriz intacta, con lo que se tiene mayor riesgo de interferencias. Esto es especialmente importante en la situación más complicada de SS-GFAAS, en la que el analito y la matriz tienen semejante volatilidad y no es posible cambiarlas con el uso de modificantes químicos. La posibilidad de medir el entorno de la señal hace que la HR-CS AAS posea una extraordinaria capacidad de corrección de la absorción inespecífica que puede resultar muy valiosa en las situaciones comentadas. • Medida simultánea de más de un elemento. Pese a que la HR-CS AAS no pueda considerarse como una técnica multielemental, existe la posibilidad de medir simultáneamente varios elementos que tengan líneas de absorción suficientemente próximas, tal como se vio en la figura I.4 (página 29). En la tabla I.4, en la página 33, se resumen los trabajos que se han publicado referidos a la determinación directa de elementos sobre muestras sólidas utilizando la HR-CS AAS. Su número aunque va incrementándose paulatinamente todavía no es muy elevado debido a la especificidad del campo de SS-GFAAS y al hecho de que la comercialización de la instrumentación es todavía reciente. La mayoría de los trabajos exploran sobre todo la segunda de las ventajas indicadas anteriormente, las enormes posibilidades de la HR-CS AAS para la corrección de absorción inespecífica, basada en su elevada Introducción! ! 33 resolución y en la posibilidad de medir el entorno espectral a ambos lados de la línea utilizada para la determinación. Además, se utilizan para la corrección los espectros de referencia producidos por la vaporización de sustancias puras (por ejemplo, (NH4)2HPO4 y SiO2 para corregir las especies PO y SiO, respectivamente).69,70 La capacidad de determinación simultánea de más de un elemento mediante HR-CS-AAS se ha demostrado en varios estudios. Tabla I.4 Artículos publicados sobre la determinación directa de elementos sobre muestras sólidas utilizando HR-CS-AAS Analito Matriz Aspectos más relevantes Año 2004 Tl Carbón Detección y eliminación de interferencias espectrales.71 Año 2005 Cd Carbón Corrección de la señal de fondo con un algoritmo de mínimos cuadrados.72 Co Muestras biológicas Señal de fondo estructurada debida al PO.73 Año 2006 Hg Muestras biológicas No se utiliza modificante químico en muestras sólidas y se elimina la pirolisis.74 Pb Carbón Corrección de la señal de fondo con un algoritmo de mínimos cuadrados.75 Pb Muestras biológicas Se utilizan espectros de referencia para corregir la señal de fondo.76 Año 2007 Al Muestras farmacéuticas con alto contenido en Fe Se examinan las ventajas de fuente continua frente a la fuente de línea en la corrección de la señal de fondo.77 Año 2009 Ag Muestras geológicas Calibración con muestras solidas. Corrección de fondo con algoritmo de mínimos cuadrados.70 Cd y Fe Cereales Determinación multielemental con analitos de diferente volatilidad.78 Cd y Fe Judías y suelos Ajuste de la sensibilidad mediante la selección de líneas de análisis.79 !Capítulo!I.! 34 Analito Matriz Aspectos más relevantes Cr y Fe Crudo Determinación multielemental.80 Hg Polímeros Comparativa entre SS-GFAAS y SS HR-CS GFAAS.81 P Muestras biológicas Uso de tubo y plataforma recubiertos de Tungsteno y medida de P a través de líneas atómicas y moleculares.82 Sb Sedimentos Corrección de fondo con algoritmo de mínimos cuadrados.83 Año 2010 Co y V Crudo Determinación multielemental.84 Cu, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni y V Carbón y negro de carbono Corrección de la señal de fondo con un algoritmo de mínimos cuadrados.85 Cu, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, y V Carbón y negro de carbono SS-HR-CS GFAAS se utiliza como método de referencia en comparación con ICP-OES.86 S Muestras biológicas Medida de S a través de línea de absorción de la molécula CS. Uso de W y Pd como modificantes.87 Sb Partículas presentes en el aire Ajuste de la sensibilidad mediante el uso de una línea atómica secundaria. Uso de Ru como modificante.88 Año 2011 Ag, Cd, Co, Ni y Fe Muestras Biológicas Se analizan tres ventajas concretas de la HR-CS-GFAAS: i) Ampliar el rango lineal mediante mulitpletes ii)uso de un estándar interno para mejorar la precisión ii) Determinación multielemetal simultaneo.63 Hg Partículas presentes en el aire Desarrollo de métodos de análisis rutinarios sin preparación de muestra.89 Ni Muestras biológicas (Daphnia magna) Medida de Ni en muestras sólidas con bajo LOD (8.3 pg) y LOQ (27.7 pg).90 Zn Muestras biológicas (Daphnia magna) Ajuste de la linealidad mediante la selección de los píxeles adecuados en la señal.91 Año 2012 Cr Plantas medicinales Estudio de la microhomogeneidad del análisis.92 Introducción! ! 35 Analito Matriz Aspectos más relevantes Cu, Mo, Sb Materia particulada del aire Comparación de las medidas en solidos directos con muestras tras lixiviación y extracción con agua regia.93 Ni Muestras biológicas (Daphnia magna) Medida de Ni en muestras sólidas con bajo LOD (8.3 pg) y LOQ (27.7 pg).94 Pb Plantas medicinales Estudio del comportamiento termoquímico del Pb usando diferentes modificantes.95 Pd Partículas presentes en el aire Se investiga el efecto del peso de muestra y de la acción de varios modificantes.96 S Muestras de diferente naturaleza Medida de S a través de la línea de absorción de la molécula CS. Uso de Ru y nanopartículas de Pd como modificantes.97 Año 2013 Ag Muestras biológicas (Daphnia magna) Ajuste de la linealidad mediante la selección de los píxeles adecuados en la señal.98 Ag Partículas presentes en el aire Desarrollo de métodos de análisis rutinarios sin preparación de muestra.99 Cd y Cr Biomasa Determinación secuencial (no simultánea) sin modificante químico.100 Mo y Ti Orina depositada en papel clínico de filtro Determinación simultanea de Mo y Ti.101 Pb Arroz Estudio del contenido de Pb en diferentes granos de arroz dentro dentro de la misma muestra.102 Pb Pelo humano Se compara el análisis directo de sólidos con el análisis tras digestión de las muestras.103 Pb Pintalabios Se comparan con los resultados obtenidos con las mismas muestras digeridas en microondas.104 S Carbón Medida de S a través de la línea 258.033 nm de absorción de la molécula CS. Uso de Ru como modificante permanente.105 !Capítulo!I.! 36 I.2.5 El uso de la espectrometría de absorción atómica en horno de gráfito de alta resolución con fuente continua de muestras sólidas (SS HR-CS GFAAS) para el análisis de nanomateriales A priori, la espectrometría de absorción atómica de muestras sólidas en horno de gráfito de alta resolución con fuente continua (SS HR-CS GFAAS) ofrece unas capacidades muy adecuadas para el análisis de nanomateriales. A continuación, la tabla I.5 muestra algunos de los aspectos más relevantes a tener en cuenta en el análisis de nanomateriales junto con las capacidades que aporta la técnica SS HR-CS GFAAS. Tabla I.5 Capacidades de la técnica SS HR-CS GFAAS aplicadas al análisis de nanomateriales Análisis de nanomateriales Capacidades de la técnica SS HR-CS GFAAS Limitada cantidad de producto a analizar Análisis sobre pequeñas cantidades de muestra • La síntesis de nanomateriales suele conllevar un elevado costo y, por tanto, la cantidad disponible de estos productos (muchas veces en fase de investigación) suele ser muy reducida, por lo tanto no es posible disponer de grandes cantidades. • La cantidad de muestras en estudios toxicológicos con nanopartículas suele ser limitada. • El análisis directo de muestra sólida permite el análisis sobre muy pequeñas cantidades de muestra (en un rango de 0.1 a 10 mg). Dificultad en la disolución Análisis directo de la muestra • Algunos nanomateriales como los nanotubos de carbono presentan una elevada estabilidad química y su disolución resulta complicada. • Otros materiales nanoestructurados (como la sílice) se pueden disolver pero su proceso de disolución conlleva el uso de ácidos muy agresivos, como el ácido fluorhídrico. • Con un desarrollo adecuado del método de análisis no es necesaria la disolución de la muestra. Introducción! ! 37 Análisis de nanomateriales Capacidades de la técnica SS HR-CS GFAAS Requieren unos límites de detección muy bajos Mayor poder de detección que otras técnicas • La pureza de los nanomateriales suele ser elevada. La determinación de impurezas suele conllevar bajos límites de detección. • Imposición de límites legales de ciertos elementos químicos (metales pesados) en nanomateriales. • Determinación de nanopartículas en baja concentración en ciertos órganos para estudios toxicológicos. • Incremento de la sensibilidad, ya que la muestra no se diluye. • El riesgo de contaminación y la pérdida de analito se reduce al mínimo ya que la muestra no se manipula. Necesidad de estudio de la dispersión de nanopartículas Mayor información de la muestra • En estudios toxicológicos, se analiza el estudio de la biodistribución de nanopartículas usadas con fines farmacológicos. • En el caso de materiales nanoreforzados, la distribución del refuerzo está directamente relacionada con las propiedades finales del material. • La técnica SS-GFAAS permite obtener información espacial a la que no se tiene acceso por técnicas que requieren la disolución de la muestra. • Permite el estudio de la microhomogeneidad de la muestra. Necesidad de un control de la muestra Rapidez de análisis • En el caso de nanomateriales en producción, es necesario controlar su composición química de forma periódica o rutinaria. • Al no requerir de preparación de muestra, la velocidad de análisis es mayor, lo que permite realizar análisis rutinarios. • Posibilidad de determinación multielemental en un solo análisis mediante la selección de líneas. cercanas !Capítulo!I.! 38 I.3 METODOLOGÍA DE TRABAJO MEDIANTE SS-GFAAS Y HR-CS GFAAS I.3.1 Dificultades que presentan las técnicas de GFAAS y HR-CS GFAAS en el análisis de muestras sólidas A la hora de desarrollar métodos para el análisis directo de nanomateriales y, de sólidos en general, hay que considerar una serie de peculiaridades respecto del trabajo con disoluciones que se discuten en este apartado. I.3.1.1 Exceso de sensibilidad La espectrometría de absorción atómica es una de las técnicas más sensibles para la determinación de metales. Esto, junto con el hecho de que en el análisis de sólidos directos la muestra no se diluye puede hacer que esta técnica sea la óptima en el caso de concentraciones muy bajas de analitos (ng·g-1). Sin embargo, la sensibilidad del método puede suponer un problema si el contenido del analito en la muestra es más elevado, ya que el rango lineal de calibrado de la técnica GFAAS es bastante reducido y además, no se puede utilizar fácilmente la solución trivial de diluir la muestra, tal y como se hace cuando se trabaja con disoluciones.64 Esta dificultad se detectó desde los inicios de la técnica y se han ofrecido diversas soluciones para resolverla, aunque varias de ellas resultan poco prácticas: a) Diluir la muestra con un sólido (normalmente grafito en polvo). Esta opción aumenta el tiempo para tener resultados y además tiene el inconveniente de que debe conseguirse una mezcla homogénea, lo cual no siempre es fácil. b) Reducir la cantidad de la muestra atomizada hasta valores próximos al microgramo. Introducción! ! 45 Por otro lado, el trabajo con partículas de tipo pulverulento conlleva también ciertos problemas de manipulación, fundamentalmente, en la toma y pesada de las muestras, que hace que estas muestras se dispersen facilmente y contaminen la superficie de trabajo o se adhieran a espátulas u otros medios no deseados debido a su carga electrostática. c) Dificultades para verificar los resultados de análisis En el desarrollo de un nuevo método analítico resulta necesaria la validación de los resultados obtenidos bien mediante muestras de referencia de la misma naturaleza que la muestra problema o bien mediante el uso de otras técnicas de análisis sobre la misma muestra problema. Debido al reciente desarrollo de nanomateriales, no existen todavía muestras de referencia certificadas de naturaleza similar a las muestras analizadas en esta tesis, por lo que se debe recurrir al uso de otras técnicas de análisis sobre las mismas muestras analizadas. Sin embargo, éstas presentan dos grandes inconvenientes. Por un lado, requieren de la puesta en disolución de las muestras, lo que en muchas casos (como son los nanotubos de carbono y las sílices) es complicado debido a la estabilidad química de las muestras. Por otro lado, el proceso de disolución disminuye la concentración del analito en la muestra y en ocasiones puede ser complicado obtener una señal adecuada ya que la concentración puede ser menor que el límite de detección del método. I.3.2 Metodología de las técnicas de SS-GFAAS y HR-CS-AAS En la figura I.5 (página 46) se propone una metodología para las determinaciones directas sobre muestras sólidas mediante SSGFAAS que atiende a las dificultades enunciadas en el apartado anterior y que se va a poner en práctica a lo largo de la presente tesis doctoral. Se parte de la base de disponer de un instrumento que !Capítulo!I.! 46 permite la introducción de las muestras sólidas, que posee un buen sistema de corrección de absorción inespecífica y, por supuesto, capaz de medir absorbancia integrada. Figura I.5 Diferencias metodológicas entre las determinaciones directas sobre muestras sólidas y sobre disoluciones mediante HR-CS GFAAS y GFAAS. ü Evitar errores sistemáticos ü Verificación del método desarrollado Pretratamiento de la muestra ü Reduce tiempo de análisis ü Evita el uso de productos peligrosos Se evita o se reduce al mínimo posible Condiciones de trabajo ü Ajuste de la sensibilidad ü Reducción de la absorción inespecífica üAnálisis multielemental Selección longitud de onda o rango. Mantenimiento caudal de argón Programa de temperaturas üAtomización selectiva del analito Diferente estrategia según la muestra Calibrado üSencillez/Comodidad Patrones acuosos Tratamiento de resultados üAjuste de sensibilidad ü Minimizar influencia de los resultados anómalos ü Combinar rapidez y precisión ü Mejora de los resultados Selección de píxeles. Uso de mediana. Optimización número medidas. Corrección espectro de fondo Validación de resultados Uso de CRM o análisis con otras técnicas OBJETIVOS ETAPA Introducción! ! 47 I.3.2.1 Pretratamiento de la muestra Debe reducirse al mínimo imprescindible para mantener la rapidez del método. En consecuencia, la pulverización y homogeneización de la muestra sólo se realizarán si el beneficio en la precisión de los resultados es apreciable y necesario. En algunos casos puede ser necesario el secado y molido de la muestra, previo a la introducción de la muestra en el tubo de grafito. I.3.2.2 Condiciones de trabajo Debe sustituirse el criterio de utilizar las líneas resonantes de máxima sensibilidad por el de buscar líneas con una sensibilidad y un rango lineal adecuados al contenido del analito en la muestra y que sea capaz de determinar los analitos de interés en el caso de análisis mulitelemental. Además, en ocasiones resulta aconsejable mantener el caudal de argón durante la etapa de atomización, en lugar de utilizar las condiciones habituales de trabajo de stop-flow. De esta forma se puede disminuir la sensibilidad y reducir algunos efectos de la matriz. I.3.2.3 Programa de temperaturas Esta etapa resulta fundamental para conseguir una volatilización y atomización selectiva del analito. La estrategia a seguir depende de la volatilidad del analito y de la matriz, pudiendo distinguirse tres situaciones distintas: a) La matriz es más volátil que el analito, lo que se produce en muchas muestras de naturaleza orgánica. La clave está en eliminar en la etapa de pirólisis la mayor cantidad posible de matriz sin que se produzcan pérdidas del analito. b) El analito es más volátil que la matriz, situación propia de muchas muestras de naturaleza inorgánica. En estos casos resulta esencial la temperatura de atomización, que debe ser la mínima que permita una atomización eficaz del analito, con una vaporización mínima de la matriz. !Capítulo!I.! 48 c) El analito y la matriz tienen una volatilidad parecida, tanto de los analitos más volátiles en muestras orgánicas, como del resto de analitos en muchas matrices inorgánicas. En este caso resulta conveniente cambiar la volatilidad del analito o de la matriz mediante el uso de modificantes químicos. Modificar la volatilidad del analito requiere una solución particular para cada elemento y la modificación de la volatilidad de matrices complejas puede hacer necesario el uso de varios reactivos. I.3.2.4 Calibrado Tanto en SS-GFAAS como en HR-CS GFAAS se debe intentar el calibrado frente a patrones disueltos, ya que probablemente sea el único procedimiento que permita la incorporación de estos métodos a los análisis rutinarios. La consecución de este objetivo resulta sencilla o complicada, dependiendo del éxito conseguido en la etapa anterior. I.3.2.5 Tratamiento de resultados Dada la escasa precisión del método es importante optimizar el número de medidas que se realizan para obtener un resultado, combinando la exactitud del mismo con el tiempo necesario para obtenerlo. Debe tenerse siempre en cuenta la posible aparición de resultados anómalos. Su tratamiento dependerá del número de medidas realizadas, de forma que, si éste es elevado (n≈20), se pueden utilizar los criterios estadísticos habituales, pero si es reducido (n≈5), parece preferible el uso de la mediana. Otros dos aspectos fundamentales en el tratamiento de datos que se pueden aplicar únicamente en el caso de HR-CS GFAAS son la selección de los píxeles de medida y la corrección de la señal de fondo. En HR-CS GFAAS es posible ajustar la sensibilidad de las medidas, utilizando un número menor de píxeles o eligiendo los de las alas de la señal en lugar de los centrales. Por otro lado, la técnica HR-CS GFAAS permite también la corrección de la absorción inespecífica Introducción! ! 49 mediante la sustracción de espectros de referencia mediante un algoritmo de mínimos cuadrados (LSBC),113 lo cual puede mejorar la exactitud de los resultados en situaciones en las que no sea posible conseguir una atomización selectiva. I.3.2.6 Validación de resultados Es necesario la verificación del método de análisis desarrollado de forma que se compruebe que el método ofrece resultados con una buena precisión y exactitud para una muestra de referencia certificada (CRM) de naturaleza similar a la muestra problema. Otra forma de verificar que el método de análisis ofrece buenos resultados analíticos es comparar dichos resultados con los obtenidos para la misma muestra problema con otra técnica de análisis (ICP-OES, ICP-MS, …). Normalmente, estas técnicas de análisis requieren la disolución de la muestra. I.4 OBJETIVOS DEL TRABAJO Como se ha venido comentando a lo largo de este capítulo, un gran número de fuentes predicen que las aplicaciones de las nanotecnologías impregnarán prácticamente todas las áreas de la vida en un futuro próximo y permitirán avances espectaculares en sectores tan diversos como la comunicación o la salud. Fruto de esta situación, actualmente existe una urgente y manifiesta necesidad de proporcionar un conocimiento más profundo de estos todavía novedosos nanomateriales y nanopartículas, en el que se incluye su composición química, como parte fundamental de su caracterización. En este contexto, la espectrometría de absorción atómica por cámara de grafito puede ser una técnica adecuada para el análisis directo de estos nanomateriales que presentan una problemática muy concreta (limitada cantidad de material, dificultad de disolución, bajos contenidos de analitos,…). El objetivo general de esta tesis doctoral consiste en el desarrollo de métodos de análisis directo para la determinación de !Capítulo!I.! 50 nanopartículas y el análisis directo de nanomateriales mediante espectrometría de absorción atómica. El trabajo pretende investigar algunas de las capacidades de las técnicas SS-GFAAS y SS HR-CS GFAAS que pueden ser especialmente interesantes en el análisis de dichos materiales. Para ello, se han escogido diferentes muestras que presentan problemas por su dificultad de puesta en disolución (sílice nanoestructurada, nanotubos de carbono, nanocomposites) o por el bajo nivel de analito esperado (tejidos biológicos expuestos a nanopartículas). Por otro lado, la reciente aparición de la espectrometría de absorción atómica con fuente continua de alta resolución (HR-CS AAS), añade a las ventajas tradicionales de la técnica de SS-GFAAS con fuente de línea, una serie de capacidades que se pueden ser decisivas a la hora de desarrollar métodos rápidos y fiables de análisis. Por ello, a lo largo de este trabajo se investigarán en más detalle los siguiente aspectos, siempre en el contexto del análisis de nanomateriales: a) La HR-CS AAS presenta mejoras importantes para la detección de interferencias espectrales y para su corrección, debido a su elevada resolución (aprox. 1pm a 200 nm) y a la posibilidad de monitorizar todo el entorno espectral de las línea seleccionada de forma simultánea. Este hecho debe permitir la corrección de la señal interferente mediante un algoritmo de mínimos cuadrados (LSBC), incluso en situaciones en las que el nivel de analito sea muy bajos (pg), lo que se puede producir en el caso de la detección de nanopartículas en material biológico. b) Pese a que la HR-CS AAS no puede considerarse como una técnica multielemental, existe la posibilidad de medir simultáneamente varios elementos siempre que tengan líneas de absorción próximas, ya que la información de todos lo píxeles del detector medidos de forma simultánea se encuentra disponible para el analista. Esta característica se debe traducir en una mayor rapidez de análisis y en menor cantidad de Introducción! ! 51 muestra necesaria, aspectos importantes en el análisis multielemental de nanotubos de carbono. Asimismo, puede permitir el empleo de un estándar interno, cuando sea preciso. Finalmente, la selección de pixeles del detector alejados del centro de la línea puede permitir expandir el rango lineal, lo cual puede ser necesario en el análisis elemental directo de muestras sólidas. c) La HR-CS AAS permite la determinación de especies moleculares diatómicas. En concreto, es posible detectar la estructura hiperfina rotacional de transiciones electrónicas de moléculas diatómicas. Estas “líneas” tienen una anchura media de unos pocos picómetros, semejante a la de las líneas atómicas. Esta característica permite la detección de elementos que no era posible abordar mediante GFAAS, como la mayoría de no metales. En este trabajo se estudiará la medida de S, presente en nanocomposites. I.5. BIBLIOGRAFÍA 1. Diario Oficial de Unión Europea, Recomendación de la comisión de 18 de octubre de 2011 relativa a la definición de nanomaterial. Disponible en: http://eur-lex.europa.eu, accedida por última vez en Junio, 2013. 2. C. Scianca, El pequeño mundo de los nanomateriales del futuro. Disponible en: www.masciencia.info/investigacion, accedida por última vez en Junio, 2013. 3. B. Bozeman, P. Laredo, V. Mangematin, Understanding the emergence and deployment of “nano” S&T, Research Policy, 2007, 36, 807-812. 4. J. Méndez Vivar, Los nanomateriales y sus aplicaciones, Materiales Avanzados, 2005, 4, 25-30. 5. D.R. Paul, L.M. Robeson, Polymer nanotechnology: Nanocomposites, Polymer, 2008, 49, 3187-3204. !Capítulo!I.! 52 6. M. Saladin El Naschie, Nanotechnology for the developing world, Chaos, Solitons & Fractals, 2006, 30, 769-773. 7. V. Uskoković, Nanotechnologies: What we do not know, Technology in Society, 2007, 29, 43-61. 8. M.F. Ashby, P.J. Ferreira, D.L. Schodek, Nanomaterials, Nanotechnologies and Design. An Introduction for Engineers and Architects. Chapter 1Nanomaterials, Nanotechnologies: An Overview, Butterworth Heinemann, 2009, USA. 9. Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Neorganicheskiye Materialy, Metals, 1982, 3, 12–17. 10. M.C. Roco, The long view of nanotechnology development: The National Nanotechnology Initiative at 10 years, Journal of Nanoparticle Research, 2011, 13, 427-445. 11. C.N.R. Rao, F.L. Deepak, G. Gundiah, A. Govindaraj, Inorganic nanowires, Progress in Solid State Chemistry, 2003, 31, 5-147. 12. H. Chu, L. Wei, R. Cui, J. Wang, Y. Li, Carbon Nanotubes Combined with Inorganic Nanomaterials: Preparations and Applications, Coordination Chemistry Reviews, 2010, 254, 1117-1134. 13. M.G. Lines, Nanomaterials for practical functional uses, Journal of Alloys and Compounds, 2008, 449, 242-245. 14. K. Aschberger, C. Micheletti, B. Sokull-Klüttgen, F. M. Christensen, Analysis of currently available data for characterising the risk of engineered nanomaterials to the environment and human health. Lessons learned from four case studies European Commission, Joint Research Centre (JRC), Institute for Health and Consumer Protection (IHCP), 2011, Italy. 15. T. Sheetz, J. Vidal, T. D. Pearson, K. Lozano, Nanotechnology: Awareness and societal concerns, Technology in Society, 2005, 27, 329-345. Introducción! ! 53 16. Norma UNEISO/TR 12885:2008. Nanotecnologías. Prácticas de seguridad y salud en lugares de trabajo relacionados con las nanotecnologías. AENOR, 2010. 17. OECD Environment, Health and Safety Publications. Series on the Safety of Manufactured Nanomaterials, No. 27, 2010. 18. EFSA Scientific Committee, Scientific Opinion on Guidance on the risk assessment of the application of nanoscience and nanotechnologies in the food and fees chain, EFSA Journal 2011; 9(5):2140. 19. Norma UNE-CEN ISO/TS 27687:2008. Nanotecnologías. Terminología y definiciones para nano-objetos. Nanopartícula, nanofibra y nanoplaca. AENOR, 2010. 20. Y. Chen, S.K. Lunsford, Y. Song, H. Ju, P. Falaras, V. Likodimos, A.G. Kontos, D. D. Dionysiou, Synthesis, characterization and electrochemical properties of mesoporous zirconia nanomaterials prepared by self-assembling sol-gel method with Tween 20 as a template, Chemical Engineering Journal, 2011, 170, 518-524. 21. C. Ge, F. Lao, W. Li, Y. Li, C. Chen, Y. Qiu, X. Mao, B. Li, Z. Chai, Y. Zhao, Quantitative analysis of metal impurities in carbon nanotubes: efficacy of different pretreatment protocols for ICPMS spectroscopy, Analytical Chemistry, 2008, 80, 9426-9434. 22. V. Stone, B. Nowack, A. Baun, N. van den Brink, F. von der Kammer, M. Dusinska, R. Handy, S. Hankin, M. Hassellöv, E. Joner, T. F. Fernandes, Nanomaterials for environmental studies: Classification, reference material issues, and strategies for physico-chemical characterization, Science of The Total Environment, 2010, 408, 1745-1754. 23. C. Blasco, Y. Picó, Determining nanomaterials in food, TrACTrends in Analytical Chemistry, 2011, 30, 84-99. 24. W.E. Bawarski, E. Chidlowsky, D.J. Bharali, S.A. Mousa, Emerging nanopharmaceuticals, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2008, 4, 273-282. !Capítulo!I.! 54 25. D.R. Baer, M.H. Engelhard, XPS analysis of nanostructured materials and biological surfaces, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2010, 178-179, 415-432. 26. S. Arepalli, P. Nikolaev, O. Gorelik, V.G. Hadjiev, W. Holmes, B. Files, L.Yowell, Protocol for the characterization of single-wall carbon nanotube material quality, Carbon, 2004, 42, 1783-1791. 27. E. Boccaleri, A. Arrais, A. Frache, W. Gianelli, P. Fino, G. Camino, Comprehensive spectral and instrumental approaches for the easy monitoring of features and purity of different carbon nanostructures for nanocomposite applications, Materials Science and Engineering B, 2006, 131, 72-82. 28. A. Goldoni, L. Petaccia, L. Gregoratti, B. Kaulich, A. Barinov, S. Lizzit, A. Laurita, L. Sangaletti, R. Larciprete, Spectroscopic characterization of contaminants and interaction with gases in single-walled carbon nanotubes, Carbon, 2004, 42, 2099-2112. 29. U. Heitmann, M. Schutz, H. Becker-Ross and S. Florek, Measurements of the Zeeman-splitting of analytical lines by means of a continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometer with linear charge coupled device array, Spectrochimica Acta Part B, 1996, 51, 1095-1105. 30. W.H. De Jong, W.I. Hagens, P. Krystek, M.C. Burger, A. J.A.M. Sips, R.E. Geertsma, Particle size-dependent organ distribution of gold nanoparticles after intravenous administration, Biomaterials, 2008, 29, 1912-1919. 31. G.M. Fent, S. W. Casteel, D.Y. Kim, R. Kannan, K. Katti, N.Chanda, K. Katti, Biodistribution of maltose and gum arabic hybrid gold nanoparticles following IV injection in juvenile swine, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2009, 5, 128-135. 32. P.A. Mello, L.F. Rodrigues, M.A.G. Nunes, J.C.P. Mattos, E.I. Müller, V.L. Dressler and E.M.M. Flores, Determination of metal impurities in carbon nanotubes by direct solid sampling electrothermal Introducción! ! 61 84. I.M. Dittert, J.S.A. Silva, R.G.O. Araujo, A.J. Curtius, B. Welz, H. Becker-Ross, Simultaneous determination of cobalt and vanadium in undiluted crude oil using high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2010, 25, 590-595. 85. F.G. Lepri, D. L.G. Borges, R.G.O. Araujo, B. Welz, F. Wendler, M. Krieg, H. Becker-Ross, Determination of heavy metals in activated charcoals and carbon black for Lyocell fiber production using direct solid sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption and inductively coupled plasma optical emission spectrometry, Talanta, 2010, 81, 980-987. 86. F. Wendler, F.G. Lepri, D.L. Borges, R.G.O. Araujo, B. Welz, F. Meister, Trace element status of activated charcoals and carbon black: influence on thermal stability of modified lyocell solutions, Journal of Applied Polymer Science, 2010, 116, 3408-3418. 87. H.S. Ferreira, F.G. Lepri, B. Welz, E. Carasek, M.D. Huang, Determination of sulfur in biological samples using high-resolution molecular absorption spectrometry in a graphite furnace with direct solid sampling, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2010, 25, 1039-1045. 88. R.G.O. Araujo, B. Welz, I.N.B. Castilho, M.G.R. Vale, P. Smichowski, S.L.C. Ferreira, H. Becker-Ross, Determination of antimony in airborne particulate matter collected on filters using direct solid sampling and high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2010, 25, 580-584. 89. R.G.O. Araujo, F. Vignola, I.N.B. Castilho, D.L.G. Borges, B. Welz, M.G.R. Vale, P. Smichowski, S.L.C. Ferreira, H. BeckerRoss, Determination of mercury in airborne particulate matter collected on glass fiber filters using high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry and direct solid sampling, Spectrochimica Acta Part B, 2011, 66, 378-382. 90. R. Evens, K. A.C. De Schamphelaere, L. Balcaen, Y. Wang, K. De Roy, M. Resano, M.R. Flórez, P. Van der Meeren, N. Boon, !Capítulo!I.! 62 F. Vanhaecke, C. R. Janssen, Liposomes as an alternative delivery system for investigating dietary metal toxicity to Daphnia magna, Aquatic Toxicology, 2011, 105, 661-668. 91. J. Briceño, M.A. Belarra, K.A.C. De Schamphelaere, S. Vanblaere, C.R. Janssen, F. Vanhaecke, M. Resano, Direct determination of Zn in individual Daphnia magna specimens by means of solid sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2010, 25, 503-510 92. A. Virgilio, J. A. Nóbrega, J.F. Rêgo, J.A.G. Neto, Evaluation of solid sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry for direct determination of chromium in medicinal plants, Spectrochimica Acta Part B, 2012, 78, 58-61. 93. I.N.B. Castilho, B. Welz, M.G.R. Vale, J.B. De Andrade, P. Smichowski, A.A. Shaltout, L. Colares, E. Carasek, Comparison of three different sample preparation procedures for the determination of trafficrelated elements in airborne particulate matter collected on glass fiber filters, Talanta, 2012, 88, 689-695. 94. R. Evens, K.A.C. De Schamphelaere, L. Balcaen, Y. Wang, K. De Roy, M. Resano, M. Flórez, N. Boon, F. Vanhaecke, C. R. Janssen, The use of liposomes to differentiate between the effects of nickel accumulation and altered food quality in Daphnia magna exposed to dietary nickel, Aquatic Toxicology, 2012, 109, 80-89. 95. J. Figuerêdo Rêgo, A. Virgilio, J.A. Nóbrega, J.A.G. Neto, Determination of lead in medicinal plants by high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry using direct solid sampling, Talanta, 2012, 100, 21-26. 96. S. Atilgan, S. Akman, A. Baysal, Y. Bakircioglu, T. Szigeti, M. Óvári, G. Záray, Monitoring of Pd in airborne particulates by solid sampling high-resolution continuum source electrothermal atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2012, 70, 33-38. Introducción! ! 63 97. M. Resano, M.R. Flórez, Direct determination of sulfur in solid samples by means of high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry using palladium nanoparticles as chemical modifier, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2012, 27, 401-412. 98. M. Resano, A.C. Lapeña, M.A. Belarra, Potential of solid sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry to monitor the Ag body burden in individual Daphnia magna specimens exposed to Ag nanoparticles, Analytical Methods, 2013, 5, 1130-1139. 99. R. G.O. Araujo, F. Vignola, I.N.B. Castilho, B. Welz, M.G.R. Vale, P. Smichowski, S.L.C. Ferreira, H. Becker-Ross, Determination of silver in airborne particulate matter collected on glass fiber filters using high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry and direct solid sampling, Microchemical Journal, 2013, 109, 36-40. 100. A.T. Duarte, M.B. Dessuy, M.G.R. Vale, B. Welz, J.B. De Andrade, Sequential determination of Cd and Cr in biomass samples and their ashes using high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry and direct solid sample analysis, Talanta, 2013, 115, 55-60. 101. L. Rello, A.C. Lapeña, M. Aramendía, M.A. Belarra, M. Resano, A dried urine spot test to simultaneously monitor Mo and Ti levels using solid sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2013, 81, 1119. 102. S. Gunduz, S. Akman, Determination of lead in rice grains by solid sampling HR-CS GFAAS, Food Chemistry, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2013.05.020 103. L.-J. Zhao, T. Ren, R.-G. Zhong, Determination of Lead in Human Hair by High Resolution Continuum Source Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry with Microwave Digestion and Solid Sampling, Analytical Letters, 2012, 45, 2467-2481. !Capítulo!I.! 64 104. S. Gunduz, S. Akman, Investigation of lead contents in lipsticks by solid sampling high resolution continuum source electrothermal atomic absorption spectrometry, Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2013, 65, 34-37. 105. R. Mior, S. Morés, B. Welz, E. Carasek, J.B. De Andrade, Determination of sulfur in coal using direct solid sampling and highresolution continuum source molecular absorption spectrometry of the CS molecule in a graphite furnace, Talanta, 2013, 106, 368-374 106. M.A. Belarra, M. Resano, S. Rodríguez, J. Urchaga, J.R. Castillo, Use of chemical modifiers in the determination of cadmium in sewage sludge and tin in PVC by solid sampling-graphite furnace atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 1999, 54, 787-795. 107. D.C. Baxter, Evaluation of the simplified generalised standard additions method for calibration in the direct analysis of solid samples by graphite furnace atomic spectrometric techniques, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1989, 4, 415-421. 108. U. Kurfüst, Instrumental requirements, analytical performance and characteristics for the analysis of solid samples by GF-AAS, Fresenius’ Zeitschrift für Analytische Chemie, 1987, 328, 316-318 109. U. Völlkopf, Z. Grobenski, R. Tamm, B. Welz, Solid sampling in graphite furnace atomic-absorption spectrometry using the cup-in-tube technique, The Analyst, 1985, 110, 573-575. 110. P. Esser, Direct analysis of inorganic solids: Experiences of a laboratory in cement industries, Fresenius’ Zeitschrift für Analytische Chemie, 1985, 322, 677-680. 111. M.A. Belarra, I. Lavilla, J.M. Anzano, J.R. Castillo, Rapid determination of lead by analysis of solid samples using graphite furnace atomic absorption spectrometry, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1992, 7, 1075-1078. 112. M.A. Belarra, C. Crespo, M.P. Martínez-Garbayo, J.R. Castillo, Direct determination of metals in solid samples by graphite-furnace atomic Introducción! ! 65 absorption spectrometry: Does sample mass influence the analytical results?, Spectrochimica Acta Part B, 1997, 52, 1855-1860. 113. H. Becker-Ross, M. Okruss, S. Florek, U. Heitmann, M.D. Huang, Echelle-spectrograph as a tool for studies of structured background in flame atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2002, 57, 1493-1504. CAPÍTULO II. EXPERIMENTAL “Yo tenía con frecuencia ese mismo problema, el de tener que demostrar a aquellos tíos descreídos cosas que no estaban dispuestos a creer. Por ejemplo, (…) la vez en que otro soltó que al tomar aspirina y Coca-cola uno se desmayaba inmediatamente. Les dije que me parecía una trola como un castillo, y me ofrecí yo a tomar la aspirina y la Coca-cola. Entonces se pusieron a discutir si había que tomar la aspirina antes que la Coca-cola, o justo después, o mezclada con ella. Así que tuve que tomarme seis aspirinas y tres ‘cocas’, una detrás de otra. Primero me tomé dos aspirinas, y encima, una Cocacola. Después desleímos dos aspirinas en una Coca-Cola y me la bebí; finalmente me tuve que beber una Coca-cola y engullir un par de aspirinas. En cada ocasión, los necios que se tragaron el cuento me rodeaban, atentos a sujetarme en cuanto me desmayase. Pero nada ocurrió. Recuerdo, en cambio, que aquella noche no pude dormir muy bien, así que me levanté, hice un montón de cálculos, y desarrollé algunas de las fórmulas de la llamada ‘función zeta' de Riemann.” Richard P. Feynmann en “¿Esta Ud. De broma, Sr. Feynmann?” Capítulo II. Experimental Experimental! ! 69 II.1 INSTRUMENTACIÓN Para la obtención de los resultados presentados en los distintos apartados de esta memoria se utilizaron los siguientes instrumentos: a) Instrumento de absorción atómica modelo ZEEnit 60, con cámara de grafito de calentamiento transversal y corrector de absorción inespecífica Zeeman. El instrumento está dotado de microprocesador, monitor e impresora y dispone de un dispositivo automático para la introducción de muestras sólidas Analytik Jena SSA 61, que lleva incorporado una balanza Sartorius M2P con precisión de un microgramo. Con este instrumento se utilizaron lámparas de cátodo hueco de Analytik Jena de Cu, Cr, Cd, As, Pb, Sb y Hg. b) Instrumento de absorción atómica de alta resolución con fuente continua Analytik Jena modelo ContrAA700. Este instrumento tiene como sistema atomizador un tubo de grafito de calentamiento transversal y dispone también de una microbalanza Sartorius M2P con precisión de un microgramo. Las características esenciales del instrumento de alta resolución con fuente continua (ContrAA 700) se han descrito en el apartado I.2.4.2. de esta memoria (lámpara de xenón, doble monocromador y detector CCD). Este instrumento también está equipado con un accesorio para la introducción de muestras sólidas (SSA 600). c) Instrumento de emisión atómica (ICP-OES) Horiba JobinYvon modelo ACTIVATM. El equipo incorpora un montaje óptico Czerny-Turner de 0.64 m de distancia focal. El instrumento está dotado también de un detector CCD con Retro Iluminación. El espectrómetro cubre el rango espectral de 165 a 800 nm. Para los análisis, se han utilizado accesorios estándar (antorcha, nebulizador, cámara de nebulización e inyector), todos de cuarzo, así como accesorios resistentes a la presencia de ácido fluorhídrico (antorcha de alúmina, !Capítulo!II.! 70 nebulizador y cámara de nebulización de politetrafluoroetileno e inyector de poliéter-cetona). d) Espectrómetros de masas (ICP-MS) de Perkin Elmer modelos DRC Plus y Nexion X equipados con una celda de reacción para solucionar interferencias espectrales. Para estos equipos se utilizaron cámaras de nebulización ciclónicas de cuarzo. e) Horno microondas Ethos One de Milestone Inc. que se usa para la digestión de muestras. El equipo está dotado de un sistema de doble magnetrón con difusor piramidal para distribución homogénea de las microondas en la cavidad, con una capacidad de potencia suministrada de 1500 W, control de temperatura ATC 400CE para medida directa de la temperatura del interior de un vaso de reacción y control de temperatura mediante infrarrojo IRT para medida externa de la temperatura de todos los vasos. El equipo presenta un rotor segmentado de alta presión modelo HPR-1000/10S que está preparado para trabajar con 10 vasos, una presión de 100 bar (1.500 psi) y una temperatura operativa máxima de 260°C (para periodos prolongados de tiempo) o 300°C (por intervalos cortos). Además de estos instrumentos, también se utilizaron en distintas partes del trabajo: • Balanza de precisión Sartorius, modelo MC210S con precisión de centésima de miligramo. • Balanza de precisión Mettler Toledo, modelo AE100, con precisión de décima de miligramo. • Balanza de precisión Mettler Toledo, modelo AB204, con precisión de décima de miligramo. • Micropipetas Gilson Pipetman y Micropipetas de Mettler Toledo de distintos volúmenes, utilizadas para la preparación de los patrones de calibrado. Experimental! ! 77 atraviesa un tamiz de 400 µm. El material es trasvasado a botes de 100 mg aproximadamente en atmósfera de Ar. Figura II.2 Imagen TEM de nanohilos de MoS2 - • Nanocomposites con nanopartículas MoS2 y MoxSyIz Las tres matrices poliméricas usadas para los nanocomposites fueron: - Polipropileno (PP) isotáctico comercial de Sigma Aldrich de peso molecular medio 340,000. - Polietilentereftalato (PET) comercial de DSM Arnite DO4 300. - Poliamida 6 (PA) en su grado estándar suministrada por la empresa SAMCA. Los nanohilos usados para la mezcla fueron tres: - MoS2 - Mo6S2I8 - Mo6S3I6 Los tres fueron suministrados por el Jozef-Stefan-Institute, (Ljubliana, Slovenia). Estos nanorefuerzos fabricados en laboratorio presentan un aspecto pulverulento a simple vista, sin embargo, tienen una estructura en nanohilos, todos con la !Capítulo!II.! 78 misma longitud de 500 µm ± 10%, que se agrupan en paquetes de ancho relativamente uniforme de 200 nm. Finalmente, los nanocomposites analizados fueron cinco en total: - PA+2%MoS2 - PA+2%Mo6S2I8 - PP+1.5%MoS2 - PP+1.5%Mo6S2I8 - PET+3%Mo6S3I6 Estos materiales fueron suministrados por el Instituto Tecnológico de Aragón (ITA) dónde habían sido fabricados a partir de polímeros comerciales y el nanorefuerzo mediante mezcla directa en fundido usando una microextrusora y una microinyectora de DSM. Tabla II.2 Principales características de las muestras estudiadas Muestra Analito Contenido (µg g-1) Sílice amorfa (IQE) As Cd Cu Cr Hg Pb Sb <0.04 <0.002 1.30 ± 0.13 1.28 ± 0.10 <0.03 1.17 ± 0.11 <0.04 Muestras de Arena (IQE) Pb De 0.85 a 2.90 Roca (CRM NCSDC 73304) As Cd Cu Cr Pb Sb 8.8 ± 0.4 0.059 ± 0.003 18.6 ± 1.3 21.2 ± 1.1 7.1 ± 0.4 0.57 ± 0.03 Suelo (CRM 021-100 Metals on Soil de RTC) Hg 5.1± 0.3 Experimental! ! 79 Muestra Analito Contenido (µg g-1) Orgános de ratón (Midatech) Cerebro Bazo Hígado Riñón Corazón Pulmones Sangre Au De 0.2 a 0.4 De 1 a 4 De 1 a 64 De 9 a 11 De 1.4 a 5 De 1 a 8 De 1.4 a 5.5 Nanotubos de carbono Muestra A (MWCNT) (Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.) Cr Al Pb Ni 11.5 ± 2.1 6.9 ± 0.73 0. 46 ± 0. 06 5100 ± 830 Muestra B (MWCNT) (Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.) Cr Al Fe Pb Ni 22.7 ± 2.5 26.5 ± 2.6 430 ± 40 0.35 ± 0.06 18000 ± 1400 Muestra C (MWCNT) (Nanocyl) Fe Co 3100 ± 200 2200 ± 300 Muestra D (SWCNT) (NRC) Cr Al Fe Pb Co Ni 189 ± 34 369 ± 70 2700 ± 400 6.9 ± 1.3 18400 ± 2500 18200 ± 2500 Nanocomposites (ITA) PA+2%MoS2 PA+2%Mo6S2I8 PP+1.5%MoS2 PP+1.5%Mo6S2I8 PET+3%Mo6S3I6 S 6456±549 1030±73 4003±470 424±42 2867±130 !Capítulo!II.! 80 II.4 PARÁMETROS INSTRUMENTALES Las condiciones de trabajo utilizadas finalmente para realizar las determinaciones mediante SS-GFAAS ó SS HR-CS GFAAS se presentan en las tablas II.3 a II.13 (páginas 80 a 90). Tabla II.3 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de arsénico en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 197.2 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante Protección Plataforma Polvo de grafito Modificante químico 5 µg Pd Masa de CRM (mg) ≈ 0.1-0.3 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisis Temperatura (ºC) 800 Rampa (ºC·s-1) 100 Estancia (s) 20 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2400 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2700 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 Experimental! ! 81 Tabla II.4 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de cadmio en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 228.8 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante Protección Plataforma Modificante químico No Masa de CRM (mg) ≈ 0.2-0.5 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisis Temperatura (ºC) 600 Rampa (ºC·s-1) 100 Estancia (s) 20 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2200 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2700 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 !Capítulo!II.! 82 Tabla II.5 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de cobre en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 327.4 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante Protección Plataforma Modificante químico -- -- Masa de CRM (mg) ≈ 0.1-0.2 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 0.5-1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisis Temperatura (ºC) 1000 Rampa (ºC·s-1) 200 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2500 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 6 Caudal de argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2700 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 Experimental! ! 83 Tabla II.6 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de cromo en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 427.5 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante protección plataforma Polvo de grafito Modificante químico 15 µL 65% HNO3 Masa de CRM (mg) ≈ 0.2-0.5 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 0.5-1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisis Temperatura (ºC) 1000 Rampa (ºC·s-1) 300 Estancia (s) 20 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2500 Rampa (ºC·s-1) 1200 Estancia (s) 6 Caudal de argón (L·min-1) 1 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2700 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 !Capítulo!II.! 84 Tabla II.7 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de plomo en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 283.3 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante protección plataforma Polvo de grafito Modificante químico -- Masa de CRM (mg) ≈ 0.2-0.5 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 0.5-1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisis Temperatura (ºC) 700 Rampa (ºC·s-1) 300 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2400 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 3 Caudal de argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2700 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 Experimental! ! 85 Tabla II.8 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de antimonio en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 217.6 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante protección plataforma Polvo de grafito Modificante químico 5 µg Pd Masa de CRM (mg) ≈ 0.4-0.7 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisis Temperatura (ºC) 1500 Rampa (ºC·s-1) 500 Estancia (s) 10 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2500 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 2.5 Caudal de argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2700 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 !Capítulo!II.! 86 Tabla II.9 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de mercurio en sílice amorfa mediante SS-GFAAS Instrumento Jena-ZEEnit 60 Longitud de onda (nm) 253.7 Corrección de absorción inespecífica Zeeman Modificante Protección Plataforma Modificante químico 150 µg KMnO4 Masa de CRM (mg) ≈ 0.4-0.7 Masa de muestra de sílice (mg) ≈ 1.0 Etapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 20 Estancia (s) 30 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de pirólisisa Temperatura (ºC) 600 Rampa (ºC·s-1) 1000 Estancia (s) 6 Caudal de argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 1200 Rampa (ºC·s-1) 2000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 1700 Rampa (ºC·s-1) 1000 Estancia (s) 4 Caudal de argón (L·min-1) 2 aPara la medida de patrones acuosos, la etapa de pirólisis se omitió para evitar pérdidas de analito. Experimental! ! 93 Tabla II.14 Programa de microondas para la disolución de muestra de sílice Paso Etapa tiempo (min) Temperatura (ºC) 1 Rampa de Calentamiento 3 100 2 Rampa de Calentamiento 10 180 3 Rampa de calentamiento 5 220 4 Permanencia 20 220 Tabla II.15 Parámetros instrumentales utilizados para la determinación de As, Cd, Cu, Cr, Hg y Sb en muestras de sílice disueltas en ICP-OES Potencia del generador 1200 W Caudal de gas de plasmógeno 14 L·min-1 Caudal de gas de vaina 0.3 L·min-1 Caudal de gas auxiliar 1.2 L·min-1 Caudal de gas del nebulizador 0.02 L·min-1 Presión del nebulizador 1 bar Velocidad bomba peristáltica 20 rpm Tipo de nebulizador Concéntrico de teflón Cámara de nebulización Ciclónica de teflóna Antorcha Alúmina Tiempo de transferencia 15 s Tiempo de estabilización 15 s Rendija de entrada 10 nm Tiempo de adquisición 5 s Longitud de onda As 188.893 nm Cd 228.802 nm Cu 324.754 nm Cr 267.716 nm Hg 194.163 nm Sb 206.833 nm aEn el caso del As, Hg y Sb, la cámara de nebulización ciclónica es la adecuada para generación de hidruros (cámara CMA de Horiba Jobin Yvon) y es de cuarzo. !Capítulo!II.! 94 Tabla II.16 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de plomo en muestras de sílice disueltas mediante HR-CS GFAAS Instrumento ContrAA700 Longitud de onda (nm) 283.306 Nº de píxeles sumados del detector 3 (≈ 4.7 pm) Modificante Químico 100 ng Pd Volumen de muestra (µL) 10 1ªEtapa de secado Temperatura (ºC) 110 Rampa (ºC·s-1) 5 Estancia (s) 20 Caudal de Argón (L·min-1) 2 2ªEtapa de secado Temperatura (ºC) 150 Rampa (ºC·s-1) 5 Estancia (s) 20 Caudal de Argón (L·min-1) 2 Etapa de Pirólisis Temperatura (ºC) 800 Rampa (ºC·s-1) 50 Estancia (s) 15 Caudal de Argón (L·min-1) 2 Etapa de atomización Temperatura (ºC) 2100 Rampa (ºC·s-1) 3000 Estancia (s) 6 Caudal de Argón (L·min-1) 0 Etapa de limpieza Temperatura (ºC) 2650 Rampa (ºC·s-1) 1000 Estancia (s) 5 Caudal de Argón (L·min-1) 2 II.5.1.2 Determinación de Au en órganos de ratón El proceso de disolución de órganos de ratón se realizó según el siguiente procedimiento: • Se pesaron 25 mg de muestra, con exactitud hasta la décima de mg, excepto para el caso de muestras de cerebro en las que se Experimental! ! 95 pesaron 75 mg y se introdujeron en un matraz Kjeldahl de 50 mL. • Se añadieron 10 mL de H2SO4 18 M. • La mezcla se calentó a 400ºC durante 45 min en un mechero Bunsen. • Se dejó enfriar y después se añadieron 5 mL de H2O2 10 M y se volvió a calentar hasta que la disolución se quedó transparente (aproximadamente 5-10 min). • Se añadió 1 mL de HCl 12 M para asegurar la estabilidad del Au. • Finalmente, se lavó con agua milli-Q y trasvasó cuantitativamente a un matraz aforado de 25 mL. El proceso de disolución completo tenía una duración aproximada de 90 min. Tabla II.17 Parámetros instrumentales utilizados para las determinaciones de oro en muestras disueltas mediante ICP-MS Potencia del generador 1150 W Caudal de gas plasmógeno 0.98 L·min-1 de Ar Caudal de gas auxiliar 15 L·min-1 de Ar Caudal de gas portador 1.1 L·min-1 de Ar Velocidad de la bomba peristáltica 24 rpm Tipo de nebulizador Concéntrico de cuarzo Cámara de nebulización Ciclónica de cuarzo Modo de escaneo Salto de pico a pico Modo de detector Dual Autolentes Si Tiempo de estancia para cada isótopo 50 ms Número de barridos por réplica 100 Isotopos medidos 197Au 103Rh (estándar interno) !Capítulo!II.! 96 A partir de la disolución patrón comercial de Au de 1000 mg·L-1, se prepararon las oportunas diluciones con HCl al 1%, para obtener los siguientes rangos de calibración: • Para las muestras de cerebro: 0-1.5 µg·L-1. • Para el resto de muestras: 0-100 µg·L-1. Se midió la señal de cada patrón por triplicado en ICP-MS obteniéndose la recta de calibrado. Se utilizaron las condiciones descritas en la tabla II.17 (página 95). Para la determinación de Au en órganos de ratón se midió, en las mismas condiciones instrumentales, la señal de cinco disoluciones obtenidas tras la digestión de cinco réplicas de cada muestra y un blanco según se ha indicado antes. Por interpolación de estas medidas en la curva de calibrado se obtiene el contenido de Au en la muestra. El resultado de cada muestra se obtuvo como promedio de las cinco réplicas. II.5.1.3 Determinación de Al, Co, Cr, Fe, Ni y Pb en nanotubos de carbono El proceso de disolución de nanotubos de carbono está basado en el artículo de DECKER et al.4 y se realizó según el siguiente procedimiento: • Se pesaron 25 mg de nanotubos de carbono, con exactitud hasta la centésima de mg, en un vaso de precipitados de 10 mL. • Se trasvasaron los nanotubos a un vaso de teflón del microondas arrastrándolos con 7 mL de HNO3 al 65%. • Se añadieron 2 mL de HNO3 al 65% y 0.75 mL de H2O2. • Se llevó a cabo una digestión en microondas según las condiciones descritas en la tabla II.18 (página 97). • Se dejó enfriar durante una noche. Después, se abrieron los vasos y su contenido se filtró con papel cualitativo. Se lavó con Experimental! ! 97 agua milli-Q y trasvasó todo a un vaso de precipitados de 100 mL. • Se evaporó en placa calefactora hasta sequedad. • Se añadieron 0.75 mL de HNO3 al 65%. • Se lavó con agua milli-Q y trasvasó cuantitativamente a un matraz aforado de 10 mL. El proceso de disolución completo tenía una duración aproximada de unas 3 horas, incluyendo no sólo el programa de microondas sino también el resto de etapas (pesar la muestra, enfriar y filtrar la disolución, llevar a sequedad, trasvasar el contenido y aforar los matraces). Se realizaron cuatro disoluciones para cada una de las muestras de nanotubos y un blanco en cada proceso de digestión. Tabla II.18 Programa de microondas para el ataque de nanotubos de carbono Paso Etapa Tiempo (min) Temperatura (ºC) 1 Rampa de Calentamiento 3 80 2 Permanencia 10 80 3 Rampa de calentamiento 10 150 4 Permanencia 15 150 5 Rampa de calentamiento 10 180 6 Permanencia 15 180 7 Rampa de calentamiento 10 210 8 Permanencia 25 210 Se midió la señal correspondiente a la intensidad de radiación emitida en ICP-OES mediante el método de adiciones estándar. Esto se hizo cuatro veces para cada muestra, correspondiente a las cuatro digestiones de la misma. Se utilizaron las condiciones descritas en la tabla II.19 (página 98). A partir de la disolución patrón comercial multielemental de 1000 mg·L-1, se añadieron las cantidades oportunas a varias alícuotas de cada una de las muestras disueltas para obtener los siguientes rangos de calibración : !Capítulo!II.! 98 • Para la muestra D (SWCNTs): 0-70 mg·L-1 para Co, 0-1 mg·L-1 para Cr, 0-5 mg·L-1 para Al, 0-60 mg·L-1 para Ni y 0-10 mg·L-1 para Fe. • Para las muestras A, B y C: 0-10 mg·L-1 para Co, 0-0.1 mg·L-1 para Cr, 0-0.1 mg·L-1 para Al, 0-0.1mg·L-1 para Ni y 0-0.1 mg·L-1 para Fe. Se obtuvo el contenido de los analitos en la muestra a partir de las rectas obtenidas mediante adiciones estándar. Por último, se calculó el promedio del resultado para las cuatro réplicas de cada muestra y para las dos longitudes de onda en el caso de Co, Cr, Ni y Fe. Tabla II.19 Parámetros instrumentales utilizados para las determinacion de Co, Cr, Al, Ni y Fe en muestras disueltas de CNTs mediante ICP-OES Potencia del generador 1000 W Caudal de gas de plasma 12 L·min-1 Caudal de gas de vaina 0,15 L·min-1 Caudal de gas auxiliar 0 L·min-1 Caudal de gas del nebulizador 1.02 L·min-1 Presión del nebulizador 1 bar Velocidad bomba peristáltica 20 rpm Tipo de nebulizador Concéntrico de cuarzo Cámara de nebulización Ciclónica de cuarzo Antorcha Cuarzo Tiempo de transferencia 15 s Tiempo de estabilización 15 s Rendija de entrada 10 nm Tiempo de adquisición 5 s Longitud de onda Al 237.312 nm Co 231.160 y 238.892 nm Cr 206.149 y 267.716 nm Ni 216.556 y 231.604 nm Fe 239.563 y 259.940 nm Experimental! ! 99 En el caso de Pb, las muestras de CNTs digeridas se analizaron con ICP-MS mediante el método de adiciones estándar. A partir de la disolución patrón comercial de Pb de 1000 mg·L-1, se añadieron las cantidades oportunas a varias alícuotas de cada una de las muestras disueltas para obtener los siguientes rangos de calibración: • Para la muestra D (SWCNTs): 0-30 µg·L-1. • Para las muestras A y B: 0-2 µg·L-1. Se obtuvo el contenido de Pb en la muestra a partir de las rectas obtenidas mediante adiciones estándar. Por último, se calculó el promedio del resultado obtenido para las cuatro réplicas de cada muestra. Tabla II.20 Parámetros instrumentales utilizados para las determinación de Pb en muestras disueltas de nanotubos de carbono mediante ICP-MS Potencia del generador 1250 W Caudal de gas plasmógeno 1.03 L·min-1 de Ar Caudal de gas auxiliar 18 L·min-1 de Ar Caudal de gas portador 1.2 L·min-1 de Ar Velocidad de la bomba peristáltica 24 rpm Tipo de nebulizador Concéntrico de cuarzo Cámara de nebulización Ciclónica de cuarzo Modo de escaneo Salto de pico a pico Modo de detector Dual Autolentes Si Tiempo de estancia para cada isótopo 50 ms Número de barridos por réplica 100 Isotopos medidos 208Pb, 207Pb, 206Pb, 204Pb 103Rh (estándar interno) II.5.1.4 Determinación de Mo y S en nanohilos disueltos El proceso de disolución de nanohilos se realizó según el siguiente procedimiento: !Capítulo!II.! 100 • Se pesaron entre 20 y 50 mg, dependiendo de la muestra, con exactitud hasta la centésima de mg, directamente en un vaso de precipitados de 100 mL. • Se añadieron 20 mL de agua regia. • Se calentaron en placa calefactora hasta total disolución. • Finalmente, se lavó con agua milli-Q y se trasvasó cuantitativamente a un matraz aforado de 100 mL. El proceso de disolución completo tenía una duración aproximada de 60 min. Se midió la señal correspondiente a intensidad de radiación emitida en ICP-OES mediante el método de adiciones estándar. Esto se hizo cuatro veces para cada muestra, correspondiente a las cuatro digestiones de la misma. Se utilizaron las condiciones descritas en la tabla II.21 (página 101). Las muestras se analizaron diluidas en agua milli-Q en una proporción 1:100 (Mo en las muestras MoS2 y Mo6S2I8 y S en MoS2) ó 1:10 (Mo en Mo6S3I6 y S en Mo6S2I8 y Mo6S3I6). A partir de las disoluciones patrón comerciales de Mo y de S de 1000 mg·L-1, se añadieron las cantidades oportunas a varias alícuotas de cada una de las muestras disueltas para obtener los siguientes rangos de calibración: • De 0 a 3 mg·L-1 para la determinación de S en MoS2 y Mo6S2I8 ó de 0 a 20 mg·L-1 para la determinación de S en Mo6S3I6. • De 0 a 3 mg·L-1 para la determinación de Mo en MoS2 y Mo6S2I8 ó de 0 a 20 mg·L-1 para la determinación de Mo en Mo6S3I6. Se obtuvo el contenido de los analitos en la muestra a partir de las rectas obtenidas mediante adiciones estándar. Por último, se calculó el promedio del resultado para las cuatro réplicas de cada muestra y para las dos longitudes de onda. Experimental! ! 101 Tabla II.21 Parámetros instrumentales utilizados para las determinacion de Mo y S en muestras disueltas de nanohilos mediante ICP-OES Potencia del generador 1000 W Caudal de gas de plasma 12 L·min-1 Caudal de gas de vaina 0.15 L·min-1 Caudal de gas auxiliar 0 L·min-1 Caudal de gas del nebulizador 1.02 L·min-1 Presión del nebulizador 1 bar Velocidad bomba peristáltica 20 rpm Tipo de nebulizador Cuarzo Cámara de nebulización Ciclónica de cuarzo Antorcha Cuarzo Tiempo de transferencia 15 s Tiempo de estabilización 15 s Rendija de entrada 10 nm Tiempo de adquisición 5 s Longitud de onda Mo 284.823 y 204.598 nm S 180.676 y 181.978 nm II.5.1.5 Determinación de Mo en nanocomposites disueltos El proceso de disolución de nanocomposites se realizó según el siguiente procedimiento: • Se pesaron entre 60 y 140 mg, dependiendo de la muestra, con exactitud hasta la centésima de mg, directamente en un matraz Erlenmeyer. • Se añadieron 10 mL de H2SO4 al 96%. • Se calentó en placa calefactora hasta total disolución y se añadió H2O2 gota a gota hasta que la disolución se volvió transparente. • Finalmente, se lavó con agua milli-Q y se trasvasó cuantitativamente a un matraz aforado de 50 mL. El proceso de disolución completo tenía una duración aproximada de 60 min. !Capítulo!II.! 102 Se midió la señal correspondiente a intensidad de radiación emitida en ICP-OES mediante el método de adiciones estándar. Esto se hizo cuatro veces para cada muestra, correspondiente a las cuatro digestiones de la misma. Se utilizaron las condiciones descritas en la tabla II.21 (página 101). A partir de la disolucion patrón comercial de Mo de 1000 mg·L-1, se añadieron las cantidades oportunas a varias alícuotas de cada una de las muestras disueltas para obtener un rango de calibración de 0 a 16 mg·L-1. Se obtuvo el contenido de Mo en cada una de las muestras a partir de las rectas obtenidas mediante adiciones estándar. Por último, se calculó el promedio del resultado para las cuatro réplicas de cada muestra y para las dos longitudes de onda. II.5.2 Preparación de las muestras para realizar las determinaciones directas sobre los sólidos II.5.2.1 Muestras de sílices El único tratamiento previo que requirieron las muestras de sílices fue su secado previo en estufa a 105ºC durante 24 horas. Tras esta operación se guardaron en desecador hasta su análisis. El contenido en humedad obtenido osciló entre el 3 y el 4%. II.5.2.2 Materiales de referencia para validar el análisis de sílices Con las muestras de referencia se llevó también a cabo un secado previo en estufa a 105ºC durante 24 horas y, del mismo modo que con las sílices, se guardaron en desecador hasta su análisis. El contenido en humedad obtenido osciló entre el 0.1 y el 0.2%. II.5.2.3 Órganos de ratón Los órganos de ratón se secaron en estufa a 85ºC durante 48 horas. Al cabo de este tiempo se pesaron y se guardaron en desecador hasta su análisis. Los pesos típicos aproximados de los diferentes órganos fueron los siguientes: Experimental! ! 109 función de la muestra analizada y el analito que se determinaba (véase tablas II.11 y II.12, páginas 88 y 89). Se midió la absorbancia integrada de las mismas, atomizando en las mismas condiciones que las disoluciones acuosas. Tras interpolar en la curva de calibrado se tomó como resultado de la determinación el valor de la mediana de las cinco medidas realizadas6 (las cinco medidas suponían aproximadamente unos 20 minutos). Tras la atomización de cada muestra sólida, quedaba un residuo carbonáceo que se eliminaba fácilmente arrastrándolo con una pequeña brocha cada diez réplicas. II.5.4.4 Determinación de Mo y S en nanocomposites A partir de la disolución patrón comercial de S de 1000 mg·L-1, se prepararon las oportunas diluciones con agua milli-Q, para utilizarlas como patrones con el fin de que cubrieran el intervalo de trabajo de 0 a 1500 ng de S. Se midió la absorbancia integrada de estas disoluciones por triplicado, en las condiciones que se indican en la tablas II.13 (página 90). Con el promedio de las tres réplicas se obtuvo la curva de calibrado. Para realizar la determinación de estos elementos en los nanocomposites, se introdujeron sucesivamente en el atomizador cinco fracciones con un peso entre de 0.1 y 0.8 mg en función de la muestra analizada. Se midió la absorbancia integrada de las mismas, atomizando en las mismas condiciones que las disoluciones acuosas. Tras interpolar en la curva de calibrado se tomó como resultado de la determinación el valor de la mediana de las cinco medidas realizadas.6 El análisis de cinco réplicas (una muestra) suponía aproximadamente unos 15 minutos. !Capítulo!II.! 110 II.6 BIBLIOGRAFÍA 1. T. Teranishi, M. Miyake, Size control of palladium nanoparticles and their crystal structures, Chemistry of Materials, 1998, 10, 594-600. 2. M.G.R. Vale, M.M. Da Silva, B. Welz, R. Nowka, Control of spectral and non-spectral interferences in the determination of thallium in river and marine sediments using solid sampling electrothermal atomic absorption spectrometry, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2002, 17, 38-45. 3. A. G. Barrientos, J. M. de la Fuente, T. C. Rojas, A. Fernández, S. Penadés, Gold glyconanoparticles: Synthetic polyvalent ligands mimicking glycocalyx-like surfaces as tools for glycobiological studies, ChemistryA European Journal, 2003, 9, 1909-1921. 4. J.E. Decker, A.R. Hight Walker, K. Bosnick, C.A. Clifford, L. Dai, J. Fagan, S. Hooker, Z.J. Jakubek, C. Kingston, J. Makar, E. Mansfield, M.T. Postek, B. Simard, R. Sturgeon, S. Wise, A.E. Vladar, L. Yang, R. Zeisler, Sample preparation protocols for realization of reproducible characterization of single-wall carbon nanotubes, Metrologia, 2009, 46, 682-692. 5. U. Kurfüst, M. Kempeneer, M. Stoeppler y O. Schuierer, Theory and instrumentation: An automated solid sample analysis system, Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry, 1990, 337, 248-252. 6. M.A. Belarra, M. Resano, J.R. Castillo, 1999, Theoretical evaluation of solid sampling-electrothermal atomic absorption spectrometry for screening purposes, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 14, 547-552 CAPÍTULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN “Results! Why, man, I have gotten a lot of results. I know several thousand things that won't work.” Thomas A. Edison Capítulo III. Resultados y discusión Resultados!y!discusión! ! 113 III.1 DETERMINACIÓN DE As, Cd, Cu, Cr, Hg, Pb Y Sb EN SÍLICES III.1.1 Introducción La sílice amorfa sintética (SAS) es un dióxido de silicio sintético de alta pureza y no cristalino, que puede producirse como sílice precipitada, silica gel o sílice pirógenica.1 Aunque los métodos de producción de sílice pueden diferir en cierta medida, todos los tipos de sílice son similares en su pureza, en sus propiedades físico-químicas y en sus requisitos toxicológicos,2 por lo que a todas ellas se les considera como la misma sustancia. Se trata de un material nanoestructurado que se usa en una multitud de aplicaciones industriales, principalmente como refuerzo o como agente espesante, debido principalmente a cuatro de sus propiedades: 3 • La capacidad de absorción, que está relacionada con la cantidad de sílice que es necesaria para soportar líquidos manteniendo un buen grado de fluidez con poco polvo en el medio. • La fluidez y la generación de polvo, que vienen determinadas por el tamaño de partícula promedio y por la distribución de tamaños. En general, productos con un bajo porcentaje de partículas con tamaño inferior a 75 micras producen poco polvo y tienen gran fluidez. • La capacidad reforzante, es decir la capacidad de actuar como refuerzo en un material compuesto (veáse definición de refuerzo y material compuesto en apartado III.4.1, página 195), que está directamente relacionada con las propiedades mecánicas que aporta a la mezcla y depende de la porosidad de la sílice y de la distribución del tamaño de los poros. !Capítulo!III.! 114 • La facilidad de procesamiento y dispersión de la sílice en las mezclas, que son dos propiedades críticas que determinan el uso que se le va a dar a la sílice. Con estas características, la sílice amorfa sintética presenta un amplio espectro de aplicabilidad. Entre estas aplicaciones, cabe destacar las siguientes:3 • Formulaciones industriales de elastómeros La sílice precipitada se emplea desde hace mucho tiempo como carga reforzante en elastómeros, especialmente en caucho natural y sintético. Pertenece a las llamadas cargas blancas, que permiten colorear las mezclas de goma, a diferencia de la otra carga habitual, el negro de humo. Entre las diferentes cargas blancas la sílice precipitada es la única cuya capacidad de refuerzo puede competir con el negro de humo en mejora de propiedades. Los llamados “neumáticos verdes”, que emplean como carga sílice en vez de negro de carbono, presentan importantes ventajas sobre los neumáticos tradicionales, no sólo en el aspecto de la seguridad (mejor comportamiento en suelo mojado o nieve) sino sobre todo en el ahorro de combustible, representando un ahorro potencial del 3-5% del consumo del automóvil. Estas ventajas se deben a la particular estructura de la sílice empleada, comparada con las sílices clásicas, que se traduce en una interacción mucho más estrecha con la matriz polimérica y como el nombre indica, una mejor dispersión en la goma. • Plásticos En los plásticos, las sílices encuentran aplicación como agente antiblocking, para evitar que el plástico se pegue a sí mismo. También tienen aplicación como modificador de textura superficial en productos extruídos, tanto para reducir adhesión como para modificar el aspecto visual. Resultados!y!discusión! ! 115 • Agricultura En la agricultura la sílice precipitada amorfa, además de su papel como fuente de silicio soluble (el silicio es un oligoelemento necesario en numerosas plantas), permite un control de la humedad en las plantas al compensar sus variaciones de humedad. Además, para determinadas formulaciones, la sílice es una excelente ayuda de molienda, un soporte de principios activos, o un agente fluidificante en productos con mucho efecto de apelmazamiento. • Industria Farmaceútica En la industria farmacéutica se utiliza como excipiente al no presentar interacción con los ingredientes activos de los medicamentos. Sus propiedades como agente fluidificante o antiapelmazante mejoran las propiedades en aquellos productos que se dosifican en polvo o en el proceso de preparación de pastillas previo al prensado de los polvos que las constituyen. Para determinados compuestos, puede ser necesaria la absorción del líquido activo sobre la sílice para su posterior peletización. • Alimentación humana y animal Los diferentes tipos de sílice sintética amorfa son un excelente soporte de aromas, aditivos o sustancias líquidas (vitaminas, ácidos, entre otros) que se transforman en productos en polvo con una buena fluidez y una fácil dosificación. La estrecha distribución de tamaño de partícula de algunas sílices y su elevada capacidad de absorción les convierte en inmejorables agentes fluidificantes y antiapelmazantes de productos como la sal, las especias, las sopas y quesos en polvo, el azúcar u otros suplementos alimenticios. Su uso como aditivo en la alimentación humana y animal está aprobado en la Directiva Europea 95/2/EC, modificación E551. !Capítulo!III.! 116 Esta amplia variedad de usos hace que la demanda de sílice amorfa sintética se haya incrementado enormemente durante los últimos años. Se calcula que la cantidad total anual de nanomateriales en el mercado mundial es de unos 11 millones de toneladas, con un valor de mercado de aproximadamente 20000 millones de euros. El negro de carbón y la sílice amorfa representan, con mucha diferencia, el mayor volumen de los nanomateriales que existen actualmente en el mercado.4 En particular, es especialmente importante este uso de sílice sintética amorfa en productos para la alimentación humana, ya que se hace necesario su control en los elementos potencialmente tóxicos. Actualmente, siguiendo la Directiva Europea 2008/84/EC, las sílices sintéticas deben cumplir con límites legales para As, Pb y Hg, que deben estar por debajo de 3, 5 y 1 µg·g-1, respectivamente, mientras que la Directiva 2002/32/EC introduce un límite de 2 µg·g-1para Cd. Los métodos tradicionales para el análisis de impurezas metálicas en sílices se encuentran en los monográficos de sílice del Food Chemical Codex5 o del JECFA (Joint Expert Committee on Food Aditives).6 Estos procedimientos para la determinación de metales a nivel traza comienzan con la disolución de la muestra, que para este tipo de muestra conlleva el uso de ácido fluorhídrico. Una vez disuelta, los metales (ya en disolución) se determinan mediante las técnicas espectrométricas adecuadas tales como espectrometría de absorción atómica (AAS) o espectrometría de emisión atómica mediante plasma acoplado inductivamente (ICP). El desarrollo de métodos analíticos que permitan la determinación de metales directamente en las muestras de sílice en estado sólido podría constituir una alternativa muy atractiva para el control de estos materiales ya que sería posible: a) Mejorar la sensibilidad (ya que se evita la dilución que supone el proceso de digestión de la muestra). b) Analizar un elevado número de muestras. c) Minimizar el riesgo de contaminación y/o pérdidas. Resultados!y!discusión! ! 117 d) Implementar métodos analíticos más respetuosos con el medioambiente, debido a la baja o nula producción de residuos.7-9 Hay diferentes técnicas analíticas que se pueden usar con este propósito, pero la mayoría de ellas requieren algún tipo de pretratamiento de muestra (por ejemplo, en la fluorescencia de rayos X se suele realizar una fusión con borato)10-12 y se presupone la disponibilidad de patrones sólidos adecuados para la calibración.13 En contraste con estas técnicas, la espectrometría de absorción atómica mediante horno de grafito (GFAAS) muestra ciertas ventajas como son su potencial para el análisis directo, una excelente sensibilidad y selectividad, y la posibilidad de usar patrones acuosos para la calibración.14-16 En la bibliografía se encuentran varios trabajos previos con buenos resultados para el análisis de suelos y otras muestras geológicas al menos para varios elementos.18-25 Otro trabajo describe el uso de suspensiones para el análisis de cuarzo de alta pureza que muestra una precisión adecuada y bajos límites de detección para un amplio número de analitos.26 Sin embargo, no se han encontrado trabajos previos en el uso de espectrometría GFAAS para muestras de sílice. III.1.2 Objetivo del trabajo El objetivo de este trabajo es evaluar el potencial del análisis directo por espectrometría de absorción atómica con horno de grafito (SS-GFAAS) en muestras de sílice en cooperación con una empresa fabricante de sílices que requiere el control de los analitos: As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb y Sb. El objetivo final es el desarrollo de procedimientos de análisis sencillos para su uso rutinario en el control de los diferentes lotes de producción de sílice empleando soluciones acuosas para la calibración. !Capítulo!III.! 118 III.1.3 Desarrollo del método III.1.3.1 Selección de muestras de referencia Para el desarrollo y validación del método de análisis, se seleccionaron dos materiales certificados de referencia (CRM). Debido a que no existían muestras certificadas de sílice, se eligieron las siguientes muestras: • CRM NCSDC 73304: se trata de un material de tipo roca con un contenido aproximado de 90% de SiO2. Esta muestra se utilizó como material de referencia para los analitos: As, Cd, Cr, Cu, Pb y Sb. Debido su bajo contenido en Hg (0.008 µg·g-1), esta muestra no se utilizó como referencia para este analito. • CRM 021-100 Metals on Soil de RTC: se trata de un suelo con un contenido aproximado de 52% de SiO2. Esta muestra se utilizó como material de referencia para la determinación de Hg (4.7 µg·g-1). III.1.3.2 Ajuste de la sensibilidad Para As, Cd, Hg y Sb se seleccionaron las condiciones de máxima sensibilidad ya que su determinación está por debajo de µg·g-1. Esto significa que se usaron las longitudes de onda más sensibles y durante la atomización se detuvo el caudal de argón. La sensibilidad se puede ajustar un poco más controlando la masa de la muestra que se analiza, aunque no se recomienda usar grandes cantidades para este tipo de muestra, ya que esto suele ofrecer señales de absorción inespecífica elevadas y también se acelera el deterioro de la plataforma. Tanto en el material de referencia como en las muestras se esperaban niveles de concentración algo mayores para el Cu, Cr y Pb. Por esa razón, para el Cu y Pb se utilizaron unas líneas algo menos sensibles (aproximadamente en un factor de 2) que la línea principal Resultados!y!discusión! ! 125 Figura III.2 Señal obtenida del mercurio para la muestra certificada CRM 021100 (Metals on Soil de RTC) en comparación con la obtenida para disolución patrón acuosa Figura III.3 Comparación de una plataforma nueva con una plataforma usada tras 23 análisis sin grafito III.1.3.3 Protección de la plataforma Durante la optimización del método, se observó que la vida útil de las plataformas era especialmente corta para la determinación de aquellos elementos cuya temperatura de atomización era igual o superior a 2400ºC (todos excepto el Cd y Hg). Después de 20-30 análisis de muestras sólidas, el deterioro de la plataforma era evidente y solía terminar produciéndose un agujero en la plataforma (véase figura III.3, página 125), muy probablemente como consecuencia de la reacción de SiO2 y el C (reducción a alta temperatura) de una forma similar a la descrita para análisis directo de alumina.39 La masa de muestra también jugaba un papel importante. Una mayor cantidad de !Capítulo!III.! 126 muestra aceleraba el deterioro. Como consecuencia de ello y con el objetivo de aumentar la vida útil de la plataforma, se utilizó la adición de polvo de grafito. Esta adición no influía en la forma o la magnitud de las señales obtenidas y descritas anteriormente y sin embargo, permitía alargar la vida de la plataforma hasta 50-60 análisis (para masas de muestras de hasta 1 mg). III.1.3.4 Análisis de las CRM. Desempeño del método. El análisis de las muestras certificadas NCS DC73304 y CRM 021-100 se llevó a cabo mediante análisis directo de sólidos con GFAAS y según las condiciones descritas en las tablas II.3 a II.9 (páginas 80 a 86). El procedimiento se describe en el apartado II.5.4.1 (página 104). En todos los casos, la curva de calibración se construyó con soluciones acuosas estándar. Para cada determinación se realizaron cinco análisis de la muestra, y se tomó la mediana de estos cinco valores como valor representativo en lugar del promedio para minimizar la influencia de los valores anómalos.40 Los resultados de las determinaciones se muestran en la tabla III.1 (página 127) en comparación con el valor de referencia. Se realizaron entre 8 y 10 determinaciones por elemento que se llevaron a cabo en, al menos, tres días diferentes. Como puede observarse, se obtuvieron buenos resultados para todos los analitos en términos de exactitud ya que no se observaron diferencias significativas con los valores de referencia, lo que confirma que el uso de soluciones patrón acuosas para la recta de calibrado es adecuado. La precisión obtenida mediante SS-GFAAS (entre el 6 y el 9% de RSD) fue suficiente para el objetivo que se perseguía con este estudio. Los límites de detección resultan adecuados, ya que contenidos menores de 0.1 µg·g-1 cumplen con los requisitos legales. El límite de detección obtenido para el Cd fue muy bajo debido a la excelente sensibilidad de la técnica para este elemento. Además, los resultados del Cd en términos de precisión y exactitud eran comparables a los obtenidos para el resto de analitos, aún cuando la muestra presentaba solo 15-30 pg de Cd (con la masa de muestra Resultados!y!discusión! ! 127 introducida) (véase figura III.1C, página 121). Este aspecto prueba el potencial que presenta la técnica SS-GFAAS para análisis de ultratrazas. También es necesario mencionar que para el Cu, Pb y especialmente para Cr, los límites de detección podrían reducirse mediante el uso de líneas más sensibles.27 No obstante, esto no se consideró necesario en el contexto de esta aplicación. Tabla III.1 Resultados obtenidos para las muestras de referencia analizadas mediante GFAAS (n=8-10) Analito Referencia Resultados mediante SS-GFAAS Valor según certificado (µg g-1) Resultado ± Int. Conf. 95% (µg g-1) RSD (%) LODa (ng g-1) As 9.1 ± 1.2 8.8 ± 0.4 6.6 441 Cd 0.060 ± 0.016 0.059 ± 0.03 7.8 2 Cu 19 ± 2 18.6 ± 1.1 8.6 26 Cr 20 ± 3 21.2 ± 1.0 6.5 70 Pb 7.6 ± 0.8 7.1 ± 0.4 6.5 18 Sb 0.60 ± 0.11 0.57 ± 0.04 8.7 43 Hg 4.7 ± 0.4 5.1± 0.3 9.4 50 aLos LODs se calcularon para una masa de muestra de 1 mg, excepto el del Hg que se calculó para 3 mg. III.1.2.5 Análisis de muestras de sílice (SAS) Tras la optimización y validación del método con la CRM, se utilizó la metodología desarrollada para el análisis y control de muestras reales de sílice producidas por la empresa Industrias Químicas del Ebro (IQE) durante un periodo de tiempo de 2 años en el que se analizaron más de 100 muestras. Durante este periodo de tiempo, se comprobó la robustez y consistencia del método de análisis. Los resultados obtenidos para una muestra representativa se muestras en la tabla III.2 (página 128). Como puede observarse, el primer dato que salta a la vista es que los resultados de As, Sb, Hg y Cd se encontraban por debajo del !Capítulo!III.! 128 límite de detección. Estos resultados se obtuvieron para todas las muestras analizadas. Los técnicos analistas se encuentran con esta situación muy a menudo en su trabajo diario, cuando es necesario verificar que una muestra no contiene niveles detectables de algunos de los elementos considerados como peligrosos, que según la experiencia del fabricante, se espera que no estén presentes. El uso de la técnica SS-GFAAS es particularmente ventajosa para este caso ya que en 10 minutos por analito (si la señal no se detecta se realizan 3 réplicas por muestra, en lugar de 5) puede analizarse una muestra, evitándose así el tiempo y esfuerzo necesarios para la disolución de la misma. Mas aún, la SS-GFAAS garantiza unos límites de detección suficientemente bajos, con lo que la muestra, una vez analizada, está lista para su uso, tanto si va a ser destinada para la industria de la alimentación humana como aditivo (con los requisitos más estrictos) como si va a usarse en otros contextos (véase introducción en el apartado III.1.1, página 113). Tabla III.2 Resultados obtenidos para muestras de silice (EBROSIL 001) analizadas mediante GFAAS (n=8-10) a Para el Pb las medidas no se realizaron con ICP-OES debido a su alto límite de detección con esta técnica. Las medidas se realizaron tras su digestión con espectrometría de absorción atómica con cámara de grafito con fuente continua de alta resolución (HR-CS GFAAS). Resultados Digestion + ICP-OES Resultados mediante SS-GFAAS Ensayo de recuperación SS-GFAAS Resultado ± Int. Conf. 95% (µg g-1) RSD (%) Resultado ± Int. Conf. 95% (µg g-1)1 RSD (%) Analito añadido (pg) Resultado tras ensayo (pg) As < 0.5 < 0.04 1000 943 ± 87 Cd < 0.02 < 0.002 100 102 ± 9 Cu 1.39 ± 0.14 10.3 1.30 ± 0.11 8.3 Cr 1.34 ± 0.21 9.5 1.28 ± 0.10 6.5 Hg <0.4 <0.03 1000 975 ± 61 Pb 1.04 ± 0.14a 8.5 1.17 ± 0.11 7.8 Sb < 0.4 < 0.04 1000 993 ± 75 Resultados!y!discusión! ! 129 En los elementos, cuyo resultado fue inferior al límite de detección, se realizaron ensayos de recuperación con el objetivo de validar esta metodología. De este modo se dopó la muestra (Ebrosil 001) con cantidades conocidas de As, Cd, Hg y Sb para obtener aproximadamente 1 µg·g-1 de As, Hg y Sb y 0.1 µg·g-1 de Cd. Se obtuvieron resultados satisfactorios en el ensayo de recuperación tal y como puede observarse en la tabla III.2 (página 128). Figura III.4 Señales obtenidas para muestras de silice en comparación con las obtenidas para disoluciones acuosas para Cu (A), Pb (B) y Cr (C) Los otros tres elementos fueron determinados en todas las muestras. Las señales obtenidas para estos elementos se muestran en la figura III.4. La forma de la señal es muy similar a la obtenida para el CRM. Esto confirma que el CRM era adecuado para la validación. En todos los casos, se obtuvieron señales bien definidas con un único pico. Los valores obtenidos para Ebrosil 001 y mostrados en la tabla !Capítulo!III.! 130 III.2 (página 128) pueden considerarse representativos en términos de precisión y concentración del analito. La precisión obtenida también es similar a la obtenida para el CRM, 6-9% RSD, y entra dentro de los valores esperados para la técnica SS-GFAAS.15 Este parámetro (RSD) se suele reseñar como un punto débil de la técnica SS-GFAAS, debido a las bajas masas de muestra que se analizan. Sin embargo, para muestras complejas con niveles de concentración de 1 µg·g-1 o por debajo, resulta complicado mejorar estos valores de RSD incluso cuando se lleva a cabo disolución de la muestra (como puede observarse en la tabla III.2, página 128). Las concentraciones de analito varían para diferentes muestras en el rango de 0.7 a 1.2 µg·g-1 para el Cu, de 1.0 a 1.3 µg·g-1 para el Cr y de 1.1 a 2.2 µg·g-1 para el Pb. De estos elementos, probablemente el que mayor preocupación causa por su toxicidad y las regulaciones impuestas es el Pb. Además, este elemento no podría determinarse mediante digestión y análisis por ICP-OES con la concentración que presentan estas muestras. Esta es la razón por la que el valor de referencia de la tabla III.2 (página 128) se obtuvo con HR-CS GFAAS después de la digestión de la muestra. La rápida detección de As, Cd, Hg y Sb y la determinación directa de Pb a niveles de concentración de µg·g-1, hacen de la SSGFAAS una técnica óptima para el análisis de sílice amorfa sintética, aunque presente alguna desventaja, como la imposibilidad de realizar análisis multielementales, que se ve compensada por la rapidez del método. Dado que una de las materias primas en la síntesis de la sílice amorfa es arena, se consideró que ésta podría ser el origen del Pb encontrado en la sílice. Para verificar esta hipótesis, se realizaron determinaciones de Pb en tres tipos de arenas (procedentes de tres proveedores distintos), en las que se obtuvieron niveles de Pb significativos. De esta forma quedó demostrado, que el método desarrollado para la sílice puede utilizarse también para otras muestras Resultados!y!discusión! ! 131 de naturaleza inorgánica similar, como demuestra la tabla III.3. La señal obtenida para el Pb en esta muestra era muy similar a las obtenidas para sílices. Tabla III.3 Resultados de Pb obtenidos para tres muestras de arena Muestra Valor de referenciaa Resultado ± Int. Conf 95% (µg·g-1) SS-GFAAS Resultado ± Int. Conf 95% (µg·g-1) Arena 001 2.79 ± 0.25 2.90 ± 0.27 Arena 002 1.33 ± 0.13 1.38 ± 0.06 Arena 003 0.94 ± 0.12 0.85 ± 0.10 a Los valores de referencia se obtuvieron con HR-CS GFAAS tras digestión de la muestra (n=4) Figura III.5 Señal de Pb obtenida para una muestra de arena en comparación con la obtenida para disolucion acuosa III.1.4 Conclusiones Se han demostrado las posibilidades de la técnica SS-GFAAS para el análisis directo de muestras de sílice. El método desarrollado combina las ventajas inherentes a la mayoría de métodos de análisis directo de sólidos (buena sensibilidad, rapidez, evita el uso de reactivos peligrosos) con la posibilidad de obtener resultados exactos mediante el calibrado con soluciones patrón acuosas ofreciendo unos !Capítulo!III.! 132 resultados con una precisión adecuada (por debajo del 10% de RSD) para el objetivo de los análisis. En este sentido, es posible llevar a cabo los análisis de las muestras de un modo efectivo, evitando procesos de digestión normalmente laboriosos que requieren el uso de reactivos peligrosos (por ejemplo el HF) y ofreciendo limites de detección que son suficientemente bajos para cumplir con los requisitos legales, con lo que se ajusta bien a los requisitos buscados por los laboratorios industriales. III.1.5 Bibliografía 1. R.K. Iler, The Chemistry of silica: solubility, polymerization, colloids and surface properties and biochemistry of silica, Wiley-Interscience, NewYork, 1979. 2. Synthetic Amorphous Silica (CAS No 7631-86-9), Joint Assessment of Commodity Chemicals Report No 51, European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals, Brussels, 2006, pp. 1-237. 3. www.iqe.es, accedida por última vez en Junio, 2013. 4. Comunicación de la Comisión al Parlamento Europeo, al Consejo y al Comité Económico y Social Europeo, Segunda revisión de la normativa sobre los nanomateriales COM/2012/0572 . 5. Food Chemicals Codex, 7th ed. United Book Press Inc, Baltimore, 2010. 6. Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, Combined Compendium of Food Additive Specifications, Volume 4 Analytical Methods, Test Procedures and Laboratory Solutions Used by and Referenced in the Food Additive Specifications. Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations, 2006. Roma. 7. M. Resano, E. García-Ruiz, M.A. Belarra, F. Vanhaecke, K.S. McIntosh, Solid sampling in the determination of precious metals at Resultados!y!discusión! ! 133 ultratrace levels, Trends in Analytical Chemistry, 2007, 26, 385-395. 8. M. de la Guardia, Green analytical chemistry, Trends in Analytical Chemistry, 2010, 29, 577. 9. S.L.C. Ferreira, M. Miró, E.G.P. Da Silva, G.D. Matos, P.S. Dos Reis, G.C. Brandao, W.N.L. dos Santos, A.T. Duarte, M.G.R. Vale, R.G.O. Araujo, Slurry sampling-an analytical strategy for the determination of metals and metalloids by spectroanalytical techniques, Applied Spectroscopy Reviews, 2010, 45, 44-62. 10. M.H. Ramsey, P.J. Potts, P.C. Webb, P. Watkins, J.S. Watson, B.J. Coles, An objective assessment of analytical method precision: comparison of ICP-AES and XRF for the analysis of silicate rocks, Chemical Geology, 1995, 124, 1-19. 11. J. Enzweiler, P.C. Webb, Determination of trace elements in silicate rocks by X-ray fluorescence spectrometry on 1:5 glass discs: comparison of accuracy and precision with pressed powder pellet analysis, Chemical Geology, 1996, 130, 195-202. 12. R. Falcone, S. Hreglich, M. Vallotto, M. Verità, X-ray fluorescence analysis of raw materials for the glass and ceramic industries, Glass Technology, 2002, 43, 39-48. 13. M. Pouzar, T. Kratochvíl, L. Capek, L. Smoláková, T. Cernohorský, A. Krejcová, L. Hromádko, Quantitative LIBS analysis of vanadium in samples of hexagonal mesoporous silica catalysts Talanta, 2011, 83, 1659-1664. 14. B. Welz, M.G.R. Vale, D.L.G. Borges, U. Heitmann, Progress in direct solid sampling analysis using line source and high-resolution continuum source electrothermal atomic absorption spectrometry, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2007, 389, 2085-2095. 15. M.A. Belarra, M. Resano, F. Vanhaecke, L. Moens, Direct solid sampling with electrothermal atomization/vaporization. What for and how?, Trends in Analytical Chemistry, 2002, 21, 828-839. 16. M.G.R. Vale, N. Oleszczuk, W.N.L. dos Santos, Current status of direct solid sampling for electrothermal atomic absorption spectrometry—A !Capítulo!III.! 134 critical review of the development between 1995 and 2005, Applied Spectroscopy, 2006, 41, 377-400. 17. M. Resano, F. Vanhaecke, M.T.C. de Loos-Vollebregt, Electrothermal vaporization for sample introduction in atomic absorption, atomic emission and plasma mass spectrometry - a critical review with focus on solid sampling and slurry analysis, Journal of Analytical Atomic Spectrometry., 2008, 23, 1450-1475. 18. M. Resano, M. Aramendía, E. Garcia-Ruiz, C. Crespo, M.A. Belarra, Solid sampling - graphite furnace atomic absorption spectrometry for the direct determination of silver at trace and ultratrace levels, Analytica Chimica Acta, 2006, 571, 142-149. 19. M.A. Belarra, C. Crespo, M.P. Martínez-Garbayo, M. Resano, Direct determination of cobalt and zinc in samples of different volatility by means of solid sampling – graphite furnace atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2003, 58, 1847-1858. 20. P. Török, M. Zemberyová, A study of the direct determination of Cd, Cr, Cu, Pb and Zn in certified reference materials of soils by solid sampling electrothermal atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2011, 66, 93-97. 21. P. Török, M. Zemberyová, Utilization of W/Mg(NO3)2 modifiers for the direct determination of As and Sb in soils, sewage sludge and sediments by solid sampling electrothermal atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2010, 65, 291-296. 22. I.M. Dittert, D.L.G. Borges, B. Welz, A.J. Curtius, H. BeckerRoss, Determination of silver in geological samples using high-resolution continuum source electrothermal atomic absorption spectrometry and direct solid sampling, Microchimica Acta, 2009, 167, 1-6. 23. L.F. Rodrigues, J.C.P. de Mattos, V.L. Dressler, D. Pozebon, E.M.M. Flores, Determination of cadmium, copper and lead in alumina based catalysts by direct solid sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry, Spectrochimica Acta Part B, 2007, 62, 933-938.