Espectrofotometría de absorción atómica con tubo en la llama: aplicación en la determinación total de cadmio, plomo y zinc en aguas frescas, agua de mar y sedimentos marinos

Thermospray flame furnace atomic absorption spectrometry (TS-FF-AAS): application for total determination of Cd, Pb and Zn in fresh waters, seawater and marine sediments

water; sediment; TS-FF-AAS

ARTIGO

Espectrofotometría de absorción atómica con tubo en la llama: aplicación en la determinación total de cadmio, plomo y zinc en aguas frescas, agua de mar y sedimentos marinos

Thermospray flame furnace atomic absorption spectrometry (TS-FF-AAS): application for total determination of Cd, Pb and Zn in fresh waters, seawater and marine sediments

Elizabeth González^I; Ramón Ahumada^I; Valentina Medina^I; José Neira^{II, *}; Urcesino González^III

^IFacultad de Ciencias, Departamento Química Ambiental, Universidad Católica de la Santísima Concepción, Casilla 297, Concepción-Chile

^IIDepartamento de Análisis Instrumental, Facultad de Farmacia, Universidad de Concepción, Casilla 237, Concepción-Chile

^IIIDepartamento de Estadística, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Concepción, Casilla 3-C, Concepción-Chile

ABSTRACT

Thermospray flame furnace Atomic Absorption Spectrometry (TS-FF-AAS) was used for the total determination of Cd, Pb and Zn in fresh water and seawater samples at µg L^-1 levels, and in marine sediment samples at µg g^-1 levels. Using a sample loop of 50 µL and a peristaltic pump the samples were transported into the metallic tube placed over an air/acetylene flame, through a ceramic capillary (o.d. = 3.2 mm) containing two parallel internal orifices (i.d = 0.5 mm). The detection limits determined for Cd, Pb and Zn using a synthetic water matrix (2.5% m/v NaCl, 0.5% m/v MgCl₂ and 0.8% m/v CaCl₂) were 0.32 µg L^-1; 2.6 µg L^-1 and 0.21 µg L^-1 respectively. The methodology by TS-FF-AAS was validated by determination of Cd, Pb and Zn in certified reference materials of water and marine sediment, and the t-test for differences between means was applied. No statistically significant differences were established in fresh water and seawater (p>0.05), whereas differences became apparent in marine sediment (p<0.03).

Keywords: water; sediment; TS-FF-AAS.

INTRODUCCION

En los últimos tres años se ha desarrollado y aplicado en el campo de la espectrofotometría de absorción atómica (AAS) con llama la denominada "thermospray flame furnace atomic absoprtion spectrometry" (TS-FF-AAS) para la determinación de metales pesados a niveles de µg L^-1 mediante el uso de un tubo capilar cerámico como sistema de introducción de muestra y un tubo metálico como sistema de atomización^1,2. Recientemente, una de las variantes y aplicaciones de la TS-FF-AAS ha sido la digestión en línea, transporte e introducción de muestras biológicas³ para la determinación de Cd, Cu y Pb a niveles de µg g^-1. Muy novedosa ha sido también la aplicación de la nebulización hidraúlica y uso del tubo en la llama ("hydraulic high-pressure nebulization beam injection flame furnace atomic absorption spectrometry" (HHPN-BIFF-AAS))⁴ en la determinación de Cd y Pb llegando a obtener límites de detección 10 veces mejores respecto de la AAS con llama y nebulización neumática. Tanto en la HHPN-BIFF-AAS como en la TS-FF-AAS la completa introducción de la muestra en el tubo metálico y la prolongación del tiempo de residencia de los átomos atomizados llevan a obtener mejores límites de detección^1,4.

La necesidad y la dificultad de realizar análisis rutinarios de determinación de metales pesados a niveles trazas (principalmente Cd, Co, Cu, Hg, Ni, Pb y Zn) en muestras medio ambientales como agua de mar y sedimentos marinos, nos llevó a implementar y estudiar la aplicación de la TS-FF-AAS en la determinación de Cd, Pb y Zn.

Los sedimentos marinos son considerados como un resumidero de una gran cantidad de sustancias y elementos químicos de origen natural o generados por diferentes actividades antrópicas⁵. El estudio de la composición y distribución vertical de los elementos permite conocer la actividad geoquímica e historia de los procesos sedimentarios de un sitio. La importancia de obtener patrones naturales confiables de distribución de metales permite detectar los niveles de alteración ambiental. El sedimento marino está constituido por una matriz compleja de fases detríticas de distinto tamaño (gravas, arenas, fango y arcilla), origen (orgánico e inorgánico) y composición química (silicatos, óxidos de hierro y manganeso, materia orgánica) que dificulta la determinación de metales pesados a niveles traza en las técnicas de espectrofotometría de emisión atómica (por ejemplo el plasma acoplado inductivamente) ó espectrofotometría de absorción atómica (por ejemplo: con llama, horno de grafito, etc).

El agua de mar es otra muestra medio ambiental que presenta dificultades para el análisis directo de metales pesados a niveles trazas. El hecho que contenga un promedio de 3,5% en peso de sales disueltas produce gran interferencia físicas y espectrales^6,7. En los últimos 10 años, el estudio y establecimiento de nuevas metodologías analíticas tendientes a lograr las determinaciones confiables de metales pesados, en agua de mar y en sedimentos marinos, se han realizado por pre-concentración/separación de la matriz^8,9 y por extracción de quelatos solubles¹⁰. La extracción en columnas usando resinas de intercambio iónico, tales como el Chelex-100 y 8-hydroxiquinoleína inmovilizada, han resultado ser las más eficientes llegando a determinar por preconcentración y separación varios metales pesados¹¹ (Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb y Zn) con recuperaciones analíticas mejores a las reportadas con técnicas de coprecipitación¹².

El presente trabajo informa los resultados de límite de detección, límite de cuantificación, repetibilidad y exactitud en la determinación de Cd, Pb y Zn por TS-FF-AAS. Se presentan y discuten los resultados obtenidos de la aplicación de la TS-FF-AAS en la determinación de los contenidos totales de Cd, Pb y Zn en muestras de sedimentos marinos de la Bahía de Concepción y seno Aysén – Chile. Así también, se presentan y discuten los resultados de la aplicación de la TS-FF-AAS en la determinación de las concentraciones de Cd, Pb y Zn a niveles de µg L^-1 en agua de mar.

PARTE EXPERIMENTAL

Reactivos

Los reactivos utilizados fueron CH₃OH suprapur Merck, HNO₃ concentrado suprapur, NaCl suprapur Merck, MgCl₂ suprapur Merck y CaCl₂ suprapur Merck. Las soluciones patrones de Cd, Pb y Zn se prepararon a partir de soluciones Titrisol Merck de 1000 mg L^-1. En la preparación de las soluciones estándares, muestras de referencias, muestras de sedimentos marinos y agua de mar se prepararon con agua ultrapura calidad Milli Q (Millipore, Bedford M A).

Materiales y estándares de referencias

Para validar la metodología TS-FF-AAS en la determinación de Cd, Pb y Zn en sedimentos marinos, aguas y agua de mar, se usaron los siguientes materiales y estándares de referencias: para sedimento marinos el material de referencia NRC MESS-2 ("National Research Council, Certificate Marine Sediment"), para aguas el estándar de referencia NIST-SRM1643c ("National Institute of Standars & Technology, Trace Elements in Water") y para agua de mar el material de referencia certificado NRC CASS-3 ("National Research Council, Certificate Near Shore Seawater") .

Preparación de soluciones estándares, soluciones de referencias y muestras

Las soluciones estándares de Cd, Pb y Zn fueron preparadas por dilución sucesiva a partir de soluciones patrones de Cd, Pb y Zn de 1000 µg/mL en 5% v/v de CH₃OH, en 1%v/v de HNO₃ en 2,5% m/v NaCl , 0,5% m/v MgCl₂ y en 0,8% m/v CaCl₂. Previo al análisis de muestra se preparó un blanco de muestra compuesto por agua Milli Q, CH₃OH al 5% v/v, HNO₃ al 1% v/v y NaCl al 2,5% m/v, MgCl₂ al 0,5% m/v y CaCl₂ al 0,8% m/v.

Para la determinación del contenido total de los metales, tanto en la preparación de las muestras como en la preparación de los materiales certificados se pesaron 0,50 g de sedimento seco, que luego fueron digeridos con 5 mL de HNO₃ concentrado, 10 mL de HF concentrado y 7 mL de HClO₄ concentrado a 70 ºC hasta sequedad. El residuo fue disuelto con 10 mL de HCl concentrado, 1250 µL de CH₃OH y se aforó con agua ultrapura hasta 25 mL. El extracto ácido fue analizado directamente por TS-FF-AAS. En la determinación de las concentraciones de Cd, Pb y Zn en agua de mar se procedió primero a filtrar 50 mL muestra con un filtro de acetato de celulosa de 0,45 µm. Posteriormente acidular el filtrado con gotas de ácido HNO₃ concentrado e irradiarlo por 3 h con luz ultravioleta con una lámpara de Hg de 150 W. De la muestra irradiada se midieron 20 mL, se le agregaron 1250 µL de CH₃OH y se aforó con agua ultrapura hasta 25 mL Esta última solución fue analizada directamente por TS-FF-AAS. Tanto en la preparación de las soluciones estándares como el tratamiento de las muestras de sedimentos agua de mar fueron trabajadas bajo campana de flujo laminar.

Para el análisis secuencial de los sedimentos marinos se empleó el método de Tessier¹³, para primero obtener los extractos solubles de intercambiables, carbonatos, óxidos e hidróxidos, materia orgánica y residuales, y para posteriormente analizar en estos extractos las concentraciones de Zn por TS-FF-AAS.

Procedimiento y tratamiento estadísticos en la determinación de Cd, Pb y Zn por TS-FF-AAS

Para aplicar la TS-FF-AAS se empleó un espectrofotómetro de absorción atómica modelo GBC 902 y un espectrofotómetro de absorción atómica Perkin-Elmer "Aanalyst 300". Las mediciones se realizaron conforme a las condiciones estándar recomendadas por el manual del espectrofotómetro, es decir, longitudes de onda de 228,8 nm para Cd, 283,3 nm para Pb y 213,9 nm para Zn. En todas las mediciones se empleó como corrector de fondo una lámpara de deuterio.

La implementación y arreglos experimentales de la TS-FF-AAS ha sido ampliamente discutida^3,14,15. En este trabajo para emplear la TS-FF-AAS se procedió a inyectar y transportar por medio de una bomba peristáltica a un flujo de 0,5 mL/min un volumen de muestra de 50 µL que pasa a través de un tubo capilar cerámico y que confluye finalmente dentro de un tubo metálico, el cuál actúa como fuente de atomización. El capilar posee un diámetro externo de 3,2 mm y dos orificios de 0,5 mm de diámetro interno cada uno. El sistema de atomización consiste en un tubo metálico (tubo "Inconel" ASTM B 167, con 74% m/m de Ni, 16% m/m de Cr, 0,15% m/m de Al, 0,23% m/m de Ti y 0,050% m/m de Co) de 10 cm de largo y 10 mm de diámetro interno dispuesto sobre la llama del AAS. En todas las mediciones se empleó una válvula de inyección "Knauer" Modelo 2344 provisto con un bucle de volumen de muestra de 50 µL.

Para comparar los resultados obtenidos con la TS-FF-AAS y la nebulización neumática, se realizó en éste último caso una simple conexión entre la válvula de inyección "Knauer" y el nebulizador neumático para proceder a inyectar la muestra de forma similar a la TS-FF-AAS.

En el tratamiento de las señales analíticas el equipo de AAS fue conectado a un computador a través de una interfase y utilizado un software de adquisición y procesamiento de datos^16,17 que permite realizar el registro de datos e integrar señales transientes tanto en área como en altura. Para el análisis de contraste de significación entre los resultados de las determinaciones de Cd, Pb y Zn obtenidos por TS-FF-AAS y los certificados se empleó el software de estadística "Statistica^® 5.1 '98 Edition".

RESULTADOS Y DISCUSION

En la Figura 1 se presentan las típicas señales para la curva de calibración de Cd, Pb y Zn obtenidas por la metodología TS-FF-AAS y usando como matriz una salmuera sintética de 2,5% m/v NaCl; 0,5% m/v MgCI₂ y 0,8% m/v CaCl₂ (equivalente a 38%o de solutos disueltos). La Tabla 1 muestra la comparación de los límites de detección obtenidos por TS-FF-AAS y por espectrofotometría de absorción atómica con llama. Los límites de cuantificación (10*s_blanco/sensibilidad, N=25) por TS-FF-AAS fueron: 1,1; 8,4 y 0,7 µg L^-1 para Cd, Pb y Zn respectivamente.

El uso de la TS-FF-AAS para la determinación de metales traza en sedimento aumentó considerablemente la sensibilidad disminuyendo los límites de detección en aproximadamente 30 veces para Cd, 4 veces para Pb y 10 veces para Zn, con respecto de la espectrofotometría de absorción atómica con llama, lo que concuerda en gran medida con lo reportado por Gáspar y colaboradores¹⁵. La repetibilidad de las señales para Cd, Pb y Zn calculada como altura de pico fue considerada adecuada, con coeficientes de variación que fluctuaron entre 2 y 4%. En la Figura 2 se presenta como ejemplo la repetibilidad de las señales obtenidas en inyecciones sucesivas para una muestra de Pb de concentración 600 µg L^-1. Estas repetibilidades resultaron ser también muy similares a las obtenidas para Cd y Zn.

En la Figura 3 se presentan las típicas señales analíticas obtenidas en la determinación de Zn por TS-FF-AAS usando el material de referencia certificada de sedimentos marinos NRC MESS-2. En Tabla 2 presenta un resumen los contenidos de Cd, Pb y Zn obtenido por TS-FF-AAS en este material de referencia. La exactitud de los resultados en términos de error relativo respecto del valor del material de referencia certificado son de 8% para Cd y 5% para Pb, siendo comparable a los obtenidos por Rodríguez y colaboradores³ en determinaciones de Cd y Pb de muestras biológicas, donde obtuvieron respectivamente un 7 y 4% de error relativo. En el caso del Zn, a pesar de trabajar bajo campana de flujo laminar, se observó un alto error relativo en la exactitud, cercano al 15%, debido posiblemente por contaminación de la muestra. Sobre éste último caso, en un trabajo anterior¹⁸ se obtuvo también alto error en la determinación de Zn en tejidos invertebrados para contenidos certificados de 379,7 µg g^-1. La aplicación de un test de contraste de significación estadística (H₀è X₁=X₂; S²₁=S²₂ ; N₁=6 y N₂=110; p>0,05) entre los resultados experimentales y los resultados del Material de Referencia Certificado mostró que estadísticamente hay diferencia significativa en la determinación de Cd, Pb y Zn en sedimentos marinos (para Cd p=0,001; para Pb p=0,03; para Zn p=0,0002 ).

En relación a la aplicación de la TS-FF-AAS en la determinación de los contenidos de Cd, Pb y Zn en sedimentos marinos ésta se aplicaron en muestras proveniente de una zona prístina (Seno Aysén y Puerto Chacabuco -Chile) y otra proveniente de una zona con alta actividad antrópica (Bahía de Concepción-Chile). Para los sedimentos marinos provenientes del Seno Aysén y que corresponden a sedimentos blandos oxigenados (limo arcillas), con 4,5% m/m de materia orgánica, no se obtuvo señales analíticas para Cd y Pb. En cambio, para la determinación del contenido de Zn en todos los sedimentos fue posible determinarlos con resultado comparables a los informados en una anterior investigación¹⁹ (Tabla 3). Para los sedimentos provenientes de la Bahía de Concepción-Chile correspondiente a sedimentos blandos anóxicos (fango), reductores con un 14% m/m de materia orgánica se determinó satisfactoriamente el contenido de Zn, en cambio para Cd y Pb sólo en dos estaciones de muestreo no fue posible cuantificarlos. Dichos resultados se muestran en la Tabla 4.

Por otro lado, en la Tabla 5 se presenta los resultados de la aplicación de la TS-FF-AAS en un estudio de análisis secuencial^13,20 donde es fundamental una mayor sensibilidad para determinar las distintas especies de Zn. En general, las determinaciones de Zn a niveles traza por TS-FF-AAS fue posible de realizarlas tanto en muestras de intercambiables, carbonatos, óxidos-hidróxidos, materia orgánicas y residuales.

Debido al incremento en la sensibilidad de la espectrofotometría de absorción atómica con el uso del tubo en la llama como fuente de atomización¹, se aplicó ésta metodología para la determinación directa de la concentración de Cd, Pb y Zn a niveles traza en agua y agua de mar. Se verificó la exactitud de la metodología TS-FF-AAS para la determinación de Zn con material certificado de agua de mar (NRC CASS-3) y estándar de agua certificada (SRM 1643c) (Tabla 6). La determinación de Zn, en el material certificado de agua de mar mostró un apreciable error relativo de 7%. Sin embargo, la aplicación de un test de contraste de significación, entre el valor experimental y el promedio del material de referencia de agua de mar certificada (H₀è X₁=X₂ ; S²₁=S²₂ ; N₁=6 y N₂=110; p>0,05), permite establecer estadísticamente que no hay diferencias significativa entre los valores obtenidos para el análisis de Zn (p = 0,245). La cuantificación de Cd y Pb en el material de referencia certificado NRC CASS-3, no fue posible realizarla mediante la metodología TS-FF-AAS, por estar bajo del límite de cuantificación. La determinación de Cd y Pb en el estándar de referencia de agua SRM 1643c muestra una mejor concordancia con el valor certificado, errores relativos de 5% para Cd y 4,5% para Pb. Sin embargo, la aplicación de un test de contraste de significación (H₀è X₁=X₂ ; S²₁=S²₂ ; N₁=6 y N₂=30; p>0,05) para Pb y Zn mostró estadísticamente diferencias significativas entre los valores obtenidos (Pb con p=0,0002 y Zn con p=0,0001). Para la determinación de Cd los resultados de contraste de significación mostraron que p=0,18, indicando que medias y desviaciones estándar no presentaron diferencias estadísticamente significativas. Es importante destacar que, el test de contraste de significación, utiliza las medias y desviaciones estándares. Si las desviaciones estándares son pequeñas, las medias pueden aparecer como diferentes a pesar que su variación para muestreos para química ambiental mantenga una variación media menor a un 10%. De tal manera que el criterio de aceptación de los resultados, no depende sólo de un test de medias, sino también de la estimación del error relativo.

Basados en estos resultados se aplicó la TS-FF-AAS en la determinación directa de muestras de aguas provenientes del Estuario de Lenga (Sector en San Vicente-Chile con alta actividad antrópica). Las determinaciones de las concentraciones de Cd, Pb y Zn fueron sólo satisfactorio para Pb y Zn (para Pb 52,0± 0,6 µg L^-1 y para Zn 29,3 ± 1,1 g L^-1), no siendo posible cuantificar Cd.

CONCLUSIONES

La TS-FF-AAS constituye una metodología analítica, especifica, sensible, repetitiva, simple y de bajo costo para la determinación de Cd, Pb y Zn a niveles µg L^-1 en aguas frescas y agua de mar, y a niveles de µg g^-1 en sedimentos marinos. La aplicación de la TS-FF-AAS para determinar los contenidos de Cd, Pb y Zn en muestras de sedimentos marinos provenientes de una zona de alta actividad antrópica y alto contenido de sales (Bahía de Concepción-Chile), demostró ser eficiente para la cuantificación de estos metales. Por el contrario, en sedimentos del Seno Aysén en Chile, no fue posible cuantificar Cd y Pb ya que sus contenidos se encontraban bajo el límite de cuantificación de la metodología TS-FF-AAS.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el aporte financiero de la Dirección de Investigación de la Universidad Católica de la Santísima Concepción a través del proyecto DIN 6/2001 y el apoyo del proyecto MECESUP USC 9901. Se agradece también a la Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit und Entwicklung (GTZ) GmbH and Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), al Proyecto CIMAR 7 Fiordos del Comité Oceanografico Nacional por las muestras y MRC de agua de mar y sedimentos y al apoyo de la Dirección de Investigación de la Universidad de Concepción a través del proyecto 201.071.045-1.0. Especial agradecimiento al Prof. Dr. Berndt por su colaboración y consejos.

Recebido em 21/7/03; aceito em 26/4/04; publicado na web em 27/07/04

• 1. Gáspar, A.; Berndt, H.; Spectrochim. Acta, Part B 2000, 55, 587.
• 2. Gáspar, A.; Berndt, H.; Anal. Chem 2000, 72, 240.
• 3. Rodrígues, E.; Berndt, H.; Arruda, M. A. Z.; J. Anal. At. Spectrom 2002, 17, 1308.
• 4. Neira, J.; Berndt, H.; Fresenius J. Anal. Chem 2000, 368, 649.
• 5. Giordano, P.; Musmeci, L.; Ciaralli, L.; Vernillo, S.; Chirico, S.; Piccioni S.; Constantini, S.; Mar. Poll. Bull 1992, 24, 350.
• 6. Leonard, P.; Pedelnik, R.; Prange, A.; Yamada, N.; Yamada, T.; J. Anal. At. Spectrom 2002, 17, 180.
• 7. Chen, H. H.; Beauchemin, D.; J. Anal. At. Spectrom 2001, 16, 1356.
• 8. Boyle, E.; Edmond, J.; Adv. Chem. Ser 1975, 147, 44.
• 9. Jarvis, K.; Williams, J.; Alcantara, E.; Wills, J.; J. Anal. At. Spectrom 1996, 11, 917.
• 10. Wells, M.; Bruland, K.; Mar. Chem 1998, 63, 145.
• 11. VanGeen, A.; Boyle, E.; Anal. Chem 1990, 62.
• 12. Boniforti, R.; Ferraroli, R.; Frigieri, P.; Heltai, D.; Queirazza, G.; Anal. Chim Acta 1984, 162, 33.
• 13. Tessier, A.; Campbell, P. G. C. Em Partitioning of Trace Metals in Sediments; Kramer, J.; Allen, H., eds.; USA 1988, p. 183.
• 14. Davies, J.; Berndt, H.; Anal. Chim. Acta 2003, 479, 215.
• 15. Gáspar, A.; Széles E.; Berndt, H.; Anal. Bioanal. Chem 2002, 372, 136.
• 16. Neira, J. Y.; Nobrega, J. A.; Labor. Rob. Autom. 1999, 11, 260.
• 17. Neira, J. Y.; Reyes, N.; Nóbrega, J. A.; Labor. Rob. Autom. 2000, 12, 246.
• 18. Ahumada, R.; Rev. Biol. Mar 1994, 29, 77.
• 19. Ahumada, R.; Cienc. Tecnol. Mar 1998, 21, 75.
• 20. Ahumada, R.; González, E.; Neira, J.; Revista Investigaciones Marinas 2004, 32, 1.

Fechas de Publicación

• Publicación en esta colección
  30 Nov 2004
• Fecha del número
  Dic 2004

Histórico

• Acepto
  26 Abr 2004
• Recibido
  21 Jul 2003