Agua ultrapura para evaluar elementos tóxicos en análisis medioambientales

Anastasia Khvataeva-Domanov¹, Juhani Virkanen², Glenn Woods³, Pratiksha Rashid⁴, Stephane Mabic¹

¹Lab Water Solutions, Merck, Guyancourt, France, ²University of Helsinki, Helsinki, Finland, ³Agilent Technologies Ltd., Stockport, UK, ⁴Lab Water Solutions, Merck, Feltham, UK

Más información sobre

• Requisitos de calidad del agua para el análisis de elementos tóxicos
• Calidad óptima del agua para análisis mediante ICP-OES e ICP-MS
• Idoneidad del agua ultrapura Milli-Q^® para análisis de elementos
• Condiciones experimentales de la ICP-MS
• Fiabilidad del agua ultrapura Milli-Q^® para análisis de elementos
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Requisitos de calidad del agua para el análisis de elementos tóxicos

La calidad del agua de pureza analítica utilizada para medir la presencia de elementos tóxicos durante los análisis medioambientales es fundamental para la fiabilidad y la precisión de los resultados. En este estudio se demuestra la idoneidad del agua ultrapura recién preparada, producida por los sistemas de purificación de agua Milli-Q^®, para análisis de elementos traza mediante ICP-OES e ICP-MS en laboratorios medioambientales.

La notable mejora acaecida en la sensibilidad de los equipos analíticos en las últimas décadas ha cambiado nuestra comprensión de la contaminación medioambiental y los efectos peligrosos de metales como Be, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, AS, CD, SB, BA, Hg, Tl y Pb. Esto ha dado lugar a una serie de reglamentos y directrices que establecen las concentraciones máximas aceptables o recomendables de metales tóxicos en el agua potable,¹ el agua de mar² y las aguas residuales.³ Por consiguiente, los requisitos establecidos por las autoridades han dado lugar a una creciente necesidad de control de los metales tóxicos en laboratorios medioambientales donde las técnicas espectrométricas constituyen el equipo convencional recomendado para la determinación de oligoelementos.^4,5 El papel preponderante de la ICP-MS y la ICP-OES en la detección de oligoelementos metálicos tóxicos en los análisis medioambientales del agua y el suelo ha provocado mayores requisitos de calidad para el agua ultrapura, que es el reactivo utilizado con más frecuencia en los análisis de ICP-MS e ICP-OES. En particular, el agua ultrapura se utiliza como blanco de reactivo, para la preparación de muestras y patrones, y para la limpieza de instrumentos y recipientes de las muestras (Figura 1). Por consiguiente, el agua ultrapura debe carecer de metales para preservar los instrumentos analíticos de la contaminación y evitar interferencias con los elementos analizados, con el fin de garantizar la precisión y la exactitud de las mediciones.

Figura 1. Diferentes tipos de usos del agua ultrapura en análisis mediante ICP-MS e ICP-OES.

Calidad óptima del agua para análisis mediante ICP-OES e ICP-MS

Para aprovechar por completo los modernos instrumentos de ICP-OES e ICP-MS, se requiere agua ultrapura de gran calidad. Cualquier contaminación procedente de los reactivos de laboratorio aumentará la concentración equivalente de fondo (BEC) y el límite de detección (LOD), lo que provocará un menor rendimiento de la técnica. Por consiguiente, la idoneidad del agua de calidad analítica utilizada en todas las etapas de los análisis mediante ICP-MS o ICP-OES está definida por la regla general de que el elemento medido no debe ser detectable en el blanco. Si se detecta, su BEC debe ser insignificante con respecto al intervalo analítico deseado. En los análisis medioambientales, los elementos presentes en las muestras de agua se suelen analizar en el intervalo analítico de μg/l (ppb)⁶ y en las muestras de suelo, en el intervalo de mg/l (ppm).⁷ Para garantizar el éxito de los experimentos en el intervalo de ppb-ppm, es deseable que los valores de BEC de los elementos específicos no superen el rango ppt o sub-ppt. Además, como el LOD (límite de detección) se especifica por separado en ciertos análisis,¹ junto con un nivel insignificante de contaminación, el uso de agua ultrapura de calidad constante es fundamental.

Idoneidad del agua ultrapura Milli-Q^® para análisis de elementos

Para evaluar la idoneidad del agua de calidad analítica necesaria para los análisis medioambientales mediante ICP-MS e ICP-OES, medimos la presencia de elementos tóxicos en agua ultrapura recién producida procedente de un sistema de purificación de agua Milli-Q^®. En la Tabla 1 se presenta la BEC resultante del agua de calidad analítica, así como los límites de detección a una concentración de ng/l. Los resultados demuestran que cuando se utiliza agua ultrapura Milli-Q^®, los valores de la BEC para la mayoría de los elementos analizados se encuentran en el intervalo comprendido entre sub-ppt y ppt bajo (los experimentos se realizan en condiciones normales de laboratorio, no en una sala limpia). En el caso de que sea necesario lograr niveles significativamente más bajos de los elementos, es razonable realizar los análisis en un entorno de laboratorio exento de metales o en sala limpia⁸ y utilizar una etapa de ultrafiltración añadida, como una unidad de purificación Milli-Q^® IQ Element, que permite obtener BEC a niveles de sub-ppt y ppq.⁹
 

Tabla 1. Concentraciones de elementos en ng/l en agua ultrapura recién producida procedente de un sistema de purificación de agua Milli-Q^® medido por ICP-MS en condiciones normales de laboratorio (no en sala limpia). BEC, concentración equivalente de fondo; LOD, límite de detección.

Elemento	BEC (ppt)	LOD (ppt)
9Be	0,24	0,28
52Cr	2,10	0,37
55Mn	2,64	0,14
56Fe	0,60	0,19
58Ni	0,76	0,18
63Cu	0,19	0,11
66Zn	3,20	1,17
75AS	3,10	0,72
111CD	0,06	0,20
121Sb	0,06	0,11
137Ba	3,90	0,50
202Hg	0,46	0,61
205Tl	0,50	0,21
208Pb	1,37	0,33

Condiciones experimentales de la ICP-MS

El agua del grifo se purificó en dos pasos para obtener agua ultrapura: 

1. El agua purificada se obtuvo a partir del agua del grifo gracias a la combinación de ósmosis inversa inteligente, electrodesionización (EDI) Elix^® y una lámpara UV bactericida, utilizando un sistema Milli-Q^® similar al sistema de agua purificada Milli-Q^® IX. 
2. El agua ultrapura se obtuvo purificando aún más el agua purificada anterior con un sistema de ultrafiltración Milli-Q^®, similar al sistema de agua ultrapura Milli-Q^® IQ 7000, equipado con un filtro final Millipak^®. Nota, para el análisis de Hg, el agua ultrapura se obtuvo del sistema Milli-Q^® Direct, que no contiene un módulo de EDI Elix^®.

Se analizó la presencia de Be, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, Ba, Tl y Pb en las muestras de agua ultrapura utilizando un equipo de ICP-MS Agilent^® 7700s, y el Zn y el Hg con un instrumento de ICP-MS Agilent^® 7500s. Todos los experimentos se realizaron en condiciones regulares de laboratorio (no en una sala limpia).

Detalles instrumentales y parámetros para el Agilent^® 7700: nebulizador de PFA (perfluoroalkoxi)-50, cámara de pulverización de PFA, antorcha inerte de zafiro, inyector de antorcha de cuarzo de 2,5 mm de diámetro interno, muestra de platino y cono skimmer, potencia RF 600 / 1600 W, posición de muestreo 12 / 8 mm, flujo de gas portador 0,90 l/min, flujo de gas de compensación 0,32 / 0,51 l/min, modo detector automático, calibración a través de 1, 5, 10, 50 ng/l. 

Detalles instrumentales y parámetros para la gama Agilent^® 7500: nebulizador de cuarzo, cámara de pulverización de cuarzo, inyector de antorcha de 2,5 mm de diámetro interno de cuarzo, muestra de níquel y cono skimmer, RF potencia 1300 / 1550 W, posición de muestreo 8 mm, flujo de gas portador 0,96 l/min, flujo de gas de compensación 0,23 l/min, modo de detector automático, calibración a través de 1, 20, 50, 100 ng/l.

Se limpió previamente el PFA de todos los recipientes con agua ultrapura. Todas las muestras de agua ultrapura (resistividad de 18,2 MΩ·cm y TOC por debajo de 5 ppb) procedentes de los sistemas de purificación de agua Milli-Q^® se analizaron inmediatamente después de la recogida del agua.

Fiabilidad del agua ultrapura Milli-Q^® para análisis de elementos

Se comentó la importancia de la calidad del agua de calidad analítica para el análisis de elementos tóxicos en muestras medioambientales y se demostraron bajas concentraciones de elementos en el agua ultrapura producida por un sistema de purificación de agua Milli-Q^®. Los laboratorios que realizan análisis de oligoelementos pueden confiar en los sistemas de purificación de agua ultrapura Milli-Q^® para satisfacer sus estrictos requisitos de agua de la mayor pureza para sus delicadas aplicaciones. Elegir agua procedente de un sistema de agua ultrapura Milli-Q^® para análisis de oligoelementos contribuirá a garantizar la generación de datos precisos y de gran calidad.

Se dispone de una gama de soluciones de purificación de agua adaptadas a las necesidades de los científicos que realizan análisis elementales. 

Referencias bibliográficas

1. Official Journal of the European Communities, Council Directive 98/83/EC of 3 November 1998. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1998:330:0032:0054:EN:PDF

2. Khaled A, Abdel-Halim A, El-Sherif Z, Mohamed LA. 2017. Health Risk Assessment of Some Heavy Metals in Water and Sediment at Marsa-Matrouh, Mediterranean Sea, Egypt. JEP. 08(01):74-97. https://doi.org/10.4236/jep.2017.81007

3. European Union Urban Waste Water Treatment Directive, Council Directive 91/271/EEC. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CONSLEG:1991L0271:20081211:EN:PDF

4. World Health Organization, Guidelines for drinking-water quality, fourth edition, (2011), Chapter 8 Chemical Aspects, p 170. https://www.who.int/publications/i/item/9789241549950

5. IS 3025 (Part 04): Method of Sampling and Test (Physical and Chemical) for Water and Wastewater, Part 04: Colour (First Revision). https://archive.org/details/gov.law.is.3025.04.1983/page/n1/mode/2up

6. Su S, Chen B, He M, Hu B. 2014. Graphene oxide-silica composite coating hollow fiber solid phase microextraction online coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry for the determination of trace heavy metals in environmental water samples. Talanta. 123:1-9. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2014.01.061

7. Roje V. 2010. A fast method for multi-metal determination in soil samples by high-resolution inductively-coupled plasma-mass spectrometry (HR–ICP–MS). Chemical Speciation & Bioavailability. 22(2):135-139. https://doi.org/10.3184/095422910x12702277277554

8. Rodushkin I, Engström E, Baxter DC. 2010. Sources of contamination and remedial strategies in the multi-elemental trace analysis laboratory. Anal Bioanal Chem. 396(1):365-377. https://doi.org/10.1007/s00216-009-3087-z

9. Ultrapure water tailored for trace elemental analyses.. https://www.sigmaaldrich.com/deepweb/assets/sigmaaldrich/product/documents/129/044/milliq-iq-element-datasheet-ds4314en-ms.pdf