Química Analítica Instrumental

Lección 1ª-INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS INSTRUMENTAL.

Introducción. Componentes de un instrumento de medida para el análisis.Clasificación de las técnicas analíticas. Elección de un método analítico. Medida de

la propiedad observable:curvas de calibrado, adición estándar, patrón interno.Validación

Objetivos del curso

• Fundamentos del análisis Instrumental yDiscusión de la teoría y fundamentos para :

– (1) Medida de las propiedades Físicas y Químicas

– (2) Origen de las propiedades Físicas y Químicas

– (3) Diseño de Instrumentos y naturaleza de las respuestas

– (4) Procesamiento de las señales y relación entre la señal ylas propiedades

Introducción• Los métodos que utiliza la Química Analítica para la caracterización

de la materia suelen clasificarse en :– Químicos e Instrumentales.

• Los métodos químicos están basados en interacciones materia-materia, esto es, en reacciones químicas: El analíto se determinapor medidas gravimétricas o volumétricas

• Los métodos instrumentales, basados en interacciones materia-energía, : utilizan un instrumento más o menos complejo paraevaluar una propiedad física o físico-química del sistema objeto deanálisis.

• Un método analítico se considera físico cuando no incluyereacción química alguna y la operación de medida no modificala composición química del sistema

Clasificación Métodos de Análisis

• Cualitativos los que de la medida de una propiedad sepuede indicar la presencia de un analito en una matriz.

•  Cuantitativos la magnitud de la propiedad medida esproporcional a la concentración del analito en la matrizFrecuentemente, el mismo método instrumental es usadopara el análisis cualitativo y cuantitativo

Esquema General Técnica Instrumental

Fuente energíaMUESTRa

DATOS

Respuesta

Activación neutrónica,dilución isotópica

Radioactividad

Espectrometría de MasasRelación masa/carga

Voltametría: amperometría, polarografíaCorriente Eléctrica

Polarimetría,Dicroísmo circular

Rotación de la Radiación

Difracción de RayosX, Difracción de electrones

Difracción de la Radiación

Espectroscopia de Absorcion -Espectrofotometría, fotometría Resonancia magnética nuclearResonancia de espin electrónico

Absorción de Radiación

Espectroscopia de emisión - Luminiscencia:Fluorescencia, Fosforescencia,

Emisión de Radiación

TécnicaPropiedad utilizada

Instrumento analítico es un dispositivo que convierte una señal, queno suele ser detectable directamente por el ser humano, en una

forma que sí lo es.

Elección método analítico

• Un primer paso que debe preceder al método analítico, es unadefinición clara del problema analítico

• El método de trabajo seleccionado dependa de la respuesta a lassiguientes cuestiones:

– Intervalo de concentración de trabajo– Qué grado de exactitud se requiere– Que otros componentes hay en la muestra– Que propiedades físico-químicas tiene la muestra– Cuantas muestras se analizan

Clasificación: Tamaño de muestra

< 0,1< 1Ultramicroanálisis

0,1 - 11 - 10Microanálisis

1 - 1010 - 100Semimicroanálisis

> 10> 100Macroanálisis

Volumen demuestra (ml)

Peso demuestra (mg)

Método

Medida propiedad observable

Cómo realizar una buena medida?• Es reproducible? : Precisión• Cómo conseguir el valor verdadero? :

Exactitud• Cual es la cantidad más pequeña que

puede ser medida? - Sensibilidad• En que rango de cantidad? - Rango

Dinámico o lineal• Existen interferencias?- Selectividad

PARAMETROS CARACTERISTICOS

• Limites de detección y cuantificación– El limite de detección de un analito se define como: aquella [ ] que

proporciona una señal instrumental significativamente diferente de laseñal de una muestra en blanco, o la señal de fondo.

Es la cantidad de analito que proporciona una señal igual a la delblanco más tres veces la desviación estándar del blanco:

yLD = yB + 3 SB

– limite de cuantificación o determinación considerado como ellimite de [ ] más bajo para mediciones cuantitativamente precisas,

Se define como la cantidad de analito que proporciona una señaligual a la del blanco más diez veces la desviación estandar del blanco

yLQ = yB + 10 SB

Rango lineal o Dinámico:

• El intervalo de [ ] en que es aplicable un método analítico• Rango dinámico =LOL /LOQ

Sensibilidad

• La sensibilidad de un instrumento o método se definecomo, su capacidad para discriminar entre pequeñasdiferencias en la [ ] de un analito.

• La IUPAC, define la sensibilidad como la pendiente de la curva decalibración a la [ ] de interés

• La sensibilidad viene limitada por la pendiente de la curva decalibración y la reproducibilidad o precisión del sistema demedida,

• Para dos métodos que tengan igual precisión, el que presentemayor pendiente en la curva de calibración será el más sensible

Selectividad.

• La selectividad de un método analítico indica el grado deausencia de interferencias, debidas a otras especiescontenidas en la matriz de la muestra

• Se define el coeficiente de selectividad de B con respecto de A, como:mB

• KB A= -------• mA

• Los coeficientes de selectividad son parámetros de calidad útilespara describir la selectividad de los métodos analíticos

Eliminación de Interferencias.

• Quimicamente: Usando agentes enmascarantes ( sustanciaque reacciona con el interferente para formar una especie que noproduce la misma señal del analito). Se consigue mediante unajuste de pH , un cambio en el estado de oxidación, formación de

complejos,• Fisicamente: Separándolas previamente a la

determinación. mediante precipitación, extracción ,cromatografías o destilación, volatilización.

Medida Analítica:

Los métodos químicos cuantitativos tienen carácterabsoluto.

La propiedad medida es función directa de la concentración o de lacantidad,

P=kC– P representa la magnitud de la propiedad medida,– C es la concentración,– k es única, tiene un valor perfectamente definido, deducible

de las leyes estequiométricas

Los métodos instrumentales tienen carácter relativoP=KC.

La constante de proporcionalidad no es única, al depender de lascondiciones experimentales.

Errores• La medida siempre debe estar guiada por los

principios de exactitud y precisión• Se debe realizar, cualquier experimento o

medida, de acuerdo con las directrices quemarca la estadística.

• En los análisis cuantitativos, los errores queaparezcan en ellos son de gran importancia.

• No existen resultados cuantitativos válidos, sino van acompañados de una estimación delos errores inherentes a ellos

Tipos de errores

• Errores Accidentales• Perdida de parte de muestra,contaminacion, o averia de

instrumento .Esto lleva a comenzar de nuevo

• Errores Sistematicos o Determinados Aquellos que pueden determinarse y probablemente evitarse o

corregirse

• Errores aleatorios o indeterminados Errores fortuitos cuya magnitud y signo no pueden predecirse

ni calcularse

Rechazo de Resultados

• Al efectuar una serie de replicas de análisis, uno de losresultados obtenidos será muy distinto de los otros

Para determinar si una observación debe rechazarse :• Se ordenan los datos en orden decreciente de su valor, y se

calcula la relación:• (valor sospechoso - valor mas próximo)• Q = -----------------------------------------------------------• (valor mas grande - valor mas pequeño)

La relación Q experimental calculada se compara conlos valores tabulados de Q para un nivel de confianzadeterminado.

Si la relación calculada resulta mayor o igual que el valortabulado, se puede rechazar la observación sospechosa.

Parametros estadisticos

Presentación de los resultados

• Los resultados experimentalescarecen de importancia y valor , si novan acompañados de una estimaciónde los errores que han tenido lugardurante la medida

CALIBRACIÓN EN ANÁLISIS INSTRUMENTAL

• Según la ISO (International StándarOffice), la calibración se define comoel conjunto de operaciones quepermiten establecer, endeterminadas condicionesexperimentales, la relación existenteentre los valores indicados por elaparato, con los valores obtenidosen la medida de un valor conocido.

calibración

• El procedimiento operatorio en análisis instrumental para lacalibración es :

• Se prepara una serie de muestras (9 ó 10) con [ ]conocidas de analito.

• Se miden en el instrumento en iguales condiciones• seguidamente se medirá las muestras problema.• A partir de la señal obtenida para cada patrón de [ ]

conocida, se construye la gráfica de calibración.• A partir de ella se obtiene la [ ] de analito en las muestras

problema por interpolación.

Aspectos de las gráficas de calibración

• Se realiza con una serie de soluciones estándar quecontienen [ ] conocidas del analito– Que cubran el intervalo de [ ] de interés– Tener una composición de matriz tan parecida como

se pueda a la de las soluciones de las muestrasproblema.

– También se analiza una solución blanco o de fondo .Las respuestas netas de cada solución estándar menos la

de fondo se representan frente a las [ ] de lassoluciones estándar a fin de obtener la gráfica decalibración.

“preguntas estadísticas “

• ¿Es lineal la gráfica de calibración?• ¿Cuál es la mejor recta que pasa por esos puntos?• Suponiendo que la calibración es lineal, ¿cuáles son los

errores estimados y los limites de confianza para lapendiente y la ordenada en el origen?

• Cuándo la gráfica se usa para el análisis de una muestraproblema, ¿cuáles son los errores y los limites deconfianza para una [ ] determinada?

• ¿Cuál es él limite de detección del método, es decir, lamenor [ ] de analito que se puede detectar con un nivelde confianza predeterminado?

Preguntas estadísticas

• ¿Es lineal la gráfica de calibración?, y si es curva ¿qué

gráfica tiene?– Para estimar si los puntos experimentales se ajustan a una

recta, calculamos el coeficiente de correlación que vienedado por r y tiene la siguiente expresión:

r es > 0’99,los valores de r < 0’9 son poco comunes .

Cálculo de la Recta de Regresión de Y sobre X

• Supone obtener la mejor recta através de los puntos de la gráfica decalibración

• Obtener mediante programa de calculo• y = 1’93 x + 1’52 ( pendiente y

ordenada en el origen)• Coeficiente correlación

Errores en la pendiente y ordenada en el origen

• Es importante determinar los errores aleatorios en elcálculo de la pendiente y la ordenada en el origen.

Modo de Calibraciones

• Curva o gráfica analítica• Método de adiciones estándar• Patrón interno

Standard Externo

0,34471984Desviacion estandar en C=B14/B10*RAIZ(1/B18+1/B15+((B8-B17)^2)/((B10^2)*B16))

1M (nº de replicaciones)=SUMA(B3:B7)/50,452y bar(media de la Propiedad) =SUMA(B3:B7)/5

250Sxx =B15*VARP(A3:A7)5N =CONTARA(B3:B7)

0,009486833Error estándar en y=ERROR.TIPICO.XY(B3:B7;A3:A7)Analisis de errores

13,97350993Concentracion, desconocido=(B8-B11)/B10-0,001intersepción=INTERSECCION.EJE(B3:B7;A3:A7)0,0302pendiente=

Ecuación de regresion0,421desconocido0,7625

0,6200,44150,31100,155

PropiedadConcentracion, mM

Calibración externa

Adición Standard

0,158742391desviacion estandar en c

0,143011163Desviacion estandar envolumen

0,6232Ymedia

250Sxx

5N

0,004857983error standard en y

Analisis de errores-7,008691099Concent del desconocido

-6,314136126Volumen en la interseccion

0,2412intersección

0,0382pendiente

Ecuacion de Regresion1,00920

0,80915

0,62110

0,4375

0,240

Absorbancia medidaVolumen Estándarañadido

10Volumen desconocidousado

11,1concent del Estándard

Patrón Interno• En este método se añade a la muestra un cantidad conocida de una sustancia

patrón diferente a los analitos a determinar y se compara la respuesta delinstrumento con la respuesta de concentraciones conocidas del analito.

• Se realiza una serie de medidas conjuntas de diferentes concentraciones de analitoy de patrón interno para obtener el factor de respuesta.

• C= concentración de la sustancia de Interés

• A= Señal obtenida con la sustancia de interés

• Cs= concentración del Patrón interno

• As= Señal obtenida del patrón interno• La respuesta relativa

Esto se calcula para cada analito de la muestra

Patrón interno• En una muestra desconocida se añade una cantidad del patrón interno obteniendo

– Au = Señal del desconocido– Cs=concentación del estándar añadido– As = Señal del estándar Interno– La relación de respuesta es la obtenida anteriormente y por tanto:

• Cu= Concentración del desconocido