ES2288013T3 - Espectrometria de masas de especies reactivas por dilucion de isotopos de especies. - Google Patents
Espectrometria de masas de especies reactivas por dilucion de isotopos de especies. Download PDFInfo
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Abstract
Un método de medición de la dilución de isótopos de especies de una muestra, que comprende: proporcionar una pluralidad de isótopos estables predeterminados; preparar un trazador isotópico diferente para cada especie que va a ser medida, convirtiendo cada dicho isótopo estable en un isótopo enriquecido una en especie correspondiente a la especie que va a ser medida en dicha muestra; trazar la muestra que contiene dicha especie que va a ser medida; equilibrar dicha especie isotópicamente trazada con dicha especie que va a ser medida; separar solamente una parte de dicha especie de dicha muestra con el fin de efectuar una separación incompleta; hacer determinaciones de relaciones de isótopos para cada dicha especie que va a ser medida, deduciendo matemáticamente dicha concentración de especies usando dichas relaciones de isótopos determinadas y, si se ha producido una conversión de especies, corregir en cuanto a la conversión de especies; y efectuar dicha deducción matemática mientras se corrige en cuanto a dicha separación incompleta de dicha especie de dicha muestra tratando la parte incompletamente separada de dicha especie como si se hubiera producido la conversión de especies.
Description
Espectrometría de masas de especies reactivas
por dilución de isótopos de especies.
La presente invención se refiere a un método
para emplear trazadores de isótopos de especies enriquecidas en la
misma forma de especie que una especie va a ser medida,
independientemente de una extracción incompleta o de la presencia
de una conversión, destrucción parcial e inestabilidad.
La necesidad de hacer determinaciones
cuantitativas de una especie de interés se produce en muchos
contextos que incluyen muestras del medio ambiente, biológicas,
farmacéuticas e industriales y en materiales estándar de
referencia. Por ejemplo, ciertas formas de un elemento o especie
molecular pueden exhibir toxicidades o comportamientos químicos
diferentes respecto a otras. Las técnicas existentes, con la
excepción de los métodos electroquímicos, se basan
predominantemente en la separación física y el tiempo. Son incapaces
de determinar si el cruce de especies (transformación de una forma
de especie de forma en otra) es perdido, creado o alterado o es
completamente recuperado. Estas técnicas no pueden ser usadas para
determinar la transformación de una especie en otra, la destrucción
o generación durante el almacenamiento, la manipulación y
preparación de muestras durante el procedimiento de medición o en
las separaciones que son incompletas o variables en procedimientos
de medición.
Un ejemplo del carácter crítico de estas
mediciones sería considerar el cromo. Aunque el Cr(III) es un
elemento residual esencial para la salud humana, el Cr(VI)
es venenoso para los seres humanos y la mayoría de otros animales,
y es también un carcinógeno. Como consecuencia, la diferencia entre
estas dos especies, que reside en el estado de oxidación del
elemento, puede ser de importancia crítica. Aunque puede ser usada
la cromatografía para separar Cr(III) en resolución en el
tiempo del Cr(VI), como cada especie puede reaccionar con sus
contornos e incluso con agentes separadores, la separación
cromatográfica es solamente un instante en el tiempo que registra
el estado de las características al final de manipulación. Cada
especie pude haber reaccionado con muchos otros reactivos y
transformarse durante el análisis. Por lo tanto, con la resolución
en el tiempo, no hay forma de determinar cuánto cromo estaba
realmente en cada especie cuando el experimento comenzó o cuando se
tomó realmente la muestra.
Las especies específicas son a menudo necesarias
para un procedimiento particular. Por ejemplo, el bario es tóxico
en algunas formas de los compuestos, pero está preescrito también
para ensayos de diagnóstico médico por rayos X, habitualmente como
sulfato de bario en forma de una suspensión líquida. La conformación
y evaluación en un tratamiento del cuerpo de bario en otra especie
pueden ser realizadas con sulfato de bario isotópicamente marcado.
Estos estudios han sido hechos, pero el uso de mediciones de
diluciones de isótopos de especies no ha sido usado para estos
análisis.
Ha sido hecho algún marcado isotópico para el
plomo debido a las diferencias isotópicas de composición únicas
terrestres y que se producen de forma natural para este elemento.
Las relaciones isotópicas pueden hacerse coincidir con una fuente
particular, para determinar el origen del plomo. Estas mediciones no
son mediciones de especies, sino que dependen de las diferencias de
relaciones isotópicas del material natural que va a ser detectado.
Esta técnica ha sido usada también para esmaltes de cacharrería de
plomo para determinar el origen de objetos artísticos, sin embargo,
en este caso se determinaron también relaciones de isótopos que se
producen de forma natural. El plomo es un elemento no radiactivo
únicamente viable para ser evaluado como origen mediante el método
de la relación de isótopos, y sus cambios de relaciones de isótopos
cambian con la cantidad de uranio mezclado con el plomo en los
depósitos originales de las menas. La descomposición de uranio en
diferentes isótopos de plomo crea relaciones isotópicas únicas para
diferentes depósitos de plomo.
El desarrollo de instrumentos analíticos
modernos se ha dirigido a la determinación exacta de concentraciones
cada vez más bajas. Las técnicas han abordado la medición de
niveles mayores, menores, residuales y
ultra-residuales de elementos. A cada nivel de
análisis, estas técnicas se han ocupado principalmente de las
concentraciones en masas de los analitos.
La patente de EE.UU. 5.414.259 anterior del
solicitante describe un método para medir la especie elemental
presente en una muestra particular, no solamente su concentración
elemental en masa.
Puede ser deseado medir una especie por una
diversidad de razones que incluyen la caracterización y evaluación
de sistemas en la ciencia medioambiental, medicina, verificación de
procedimientos biológicos, nutrición e industria, por ejemplo. Como
la química en estos procedimientos es inherentemente específica para
las especies, es medida la presencia de elementos residuales al
nivel de las especies. Por ejemplo, el Cr(III) es un elemento
residual esencial para la salud humana, mientras que el
Cr(VI) es un veneno y un carcinógeno tanto para seres
humanos para otros animales. Cada una de estas formas es una especie
de cromo, y cada una tiene asociada con la misma reacciones
químicas únicas. La diferencia consiste en los estados de oxidación
de los elementos. Ejemplos de otras especies de interés potencial
son las combinaciones de iones inorgánicos y unidos por enlaces
covalentes a moléculas orgánicas como mercurio y
metil-mercurio. Otras son especies queladas
diferentes con ligandos diferentes y, todavía, otras son moléculas
orgánicas diferentes por completo. Hay muchas especies descritas en
la bibliografía química y es altamente deseable un método de
referencia general para distinguir muchas de ellas con el fin de
determinar si las alteraciones en sus concentraciones y abundancias
relevantes han cambiado durante el tratamiento y medición
química.
Han sido conocidos métodos para la
diferenciación de especies elementales. Véase Allen, H. E.; Huang,
C. P.; Bailey, G. W.; Bowers, A. R. Metal Speciation and
Contamination of Soil; Lewis Publisher: Boca Raton, Florida, 1995;
Batley, G. E. Trace Element Speciation: Analytical Methods and
Problems; CRC Press: Boca Raton, Florida, 1989; Das, A. K.;
Chakraborty, R.; Cervera, M. L.; de la Guardia, M. Mikrochim. Acta
1996,122,209-246; Kramer, J. R.; Allen, H.E. Metal
Speciation: Theory, Analysis and Application; Lewis Publishers:
Chelsea, Michigan, 1991; Krull, I. S. Trace Metal Analysis and
Speciation; Elsevier: Oxford, 1991; Van Loon, J. C.; Barefoot, R.
R. Analyst (London) 1992,117,563-570; Vela, N. P.;
Olson, L. K.; Caruso, J. A. Anal. Chem. 1993, 65,
585a-597a. Diversos problemas específicos que
provocan errores en el análisis de las especies son identificados en
la bibliografía. Actualmente, solamente las mediciones en masa de
las concentraciones totales de elementos pueden ser hechas de forma
rutinaria y exacta. Existen varios problemas potenciales con los
métodos de diferenciación de especies. Muchas especies son
reactivas y son transformadas o convertidas en otras especies
durante las etapas de toma de muestras, almacenamiento y medición.
También, las especies continúan reaccionado durante estos
procedimientos y pueden ser alteradas muchas veces antes de la
medición numérica. Adicionalmente, estos métodos clásicos no
corrigen la posible reacción de las especies con agentes
separadores. Como consecuencia, aunque el análisis a través de
estos métodos puede ser preciso y reproducible, los resultados de
estos análisis no son completamente fiables. Por ejemplo, el estado
de California ha promulgado una legislación relativa al análisis
del Cr(VI) en el agua, terrenos y residuos contaminados,
incluso aunque no hay métodos completamente exactos para hacer
estas mediciones. Para fines reguladores, por tanto, las soluciones
medioambientales han tenido que analizar de forma bastante
frecuente muestras en cuanto al cromo total y suponer que todo el
cromo puede estar en el estado de oxidación +6. Esto puede ser
seguro, pero es una solución poco sofisticada y desperdicia una
cantidad significativa de dinero en remedios innecesarios. Han sido
aplicados otros métodos con una exactitud desconocida, como un par
de métodos 3060 de US RPA RCRA (Decreto de conservación y
recuperación de recursos de la Agencia de Protección del Medio
Ambiente de los Estados Unidos), que es una extracción alcalina para
aislar Cr(VI) de terrenos y materiales sólidos, y 7196, que
es un método calorimétrico ultravioleta-visible
para la cuantificación de Cr(VI). Estos métodos tienen
desviaciones y son inexactos en varios tipos de matrices de
muestras, sin que haya forma de evaluar su propia exactitud, y
requieren otro método para validarlos. Hasta ahora no ha habido
ningún método de validación ni forma de evaluar las desviaciones de
estos métodos. Aunque algunos métodos pueden ser exactos para
algunas matrices e inválidos para otras, no ha habido hasta ahora
ninguna forma de decir cuál sirve método y cuál no para validar un
método para matrices específicas cuando sea apropiado.
Las metodologías tradicionales no analizan
exactamente las concentraciones de las especies. Por ejemplo, los
resultados recogidos en un reciente documento apreciaron una
degradación durante el procedimiento de extracción. Para
contrarrestar la degradación, se usaron tiempos de extracción más
cortos para extraer especies de estaño. Los métodos conocidos no
proporcionan medios para una corrección de la degradación de las
especies o para corregir o evaluar la ineficacia de la extracción.
Véase Donard, O. F. X.; Lalère, B.; Martin, F.; Lobinski, R. Anal.
Chem. 1995, 67, 4250-4254. Los métodos como estos
son usados para obtener un compromiso de acuerdo de las especies en
el que se supone una precisión congruente para la exactitud y en
donde los errores sistemáticos son ignorados en la certificación de
los materiales estándar de referencia. En estos casos, los errores
en los materiales estándar y en la validación de los métodos usados
en su certificación son reproducibles y transferibles y tienden a
quedar incorporados tanto en técnicas analíticas como en los
patrones certificados al usarlos. Las desviaciones sistemáticas no
pueden ser evaluadas debido al hecho de que no existe ningún grado
adicional de libertad en estos métodos para evaluar la exactitud de
los protocolos del método y los patrones producidos a partir de
estos protocolos.
Los métodos analíticos tradicionales requerían
una extracción completa antes de la detección analítica. Para
abordar este equilibrio entre la eficacia de la extracción y la
degradación de las especies se requiere una técnica que no esté
sometida a estas limitaciones cuantitativas. La descomposición de la
matriz para liberar las especies de la muestra, mientras conserva
las especies en sí, es una tarea compleja que requiere una
preparación intensiva. La separación de una especie de la otra es
también necesaria debido a la incapacidad de la mayoría de los
detectores para distinguir entre especies. La conversión de una
especie, como Cr(VI) durante el procedimiento de análisis,
ha sido conocida. Por ejemplo, el método EPA Method 3060A
(SW-846 EPA Method 3060A: Alkaline Digestion of
Hexavalent Chromium, Test Methods for Evaluating Solid Waste, 3rd
update; U.S. Environmental Protection Agency: Washington, DC, 1997)
usa una digestión alcalina para conservar Cr(VI) e intentar
resistir la reducción de Cr(VI) a Cr(III) durante el
procedimiento de extracción (James, B.R.; Petura, J. C.; Vitale, R.
J.; Mussoline, G. R. Environ. Sci. & Tech. 1995,
29,2377-2381; Vitale, R. J.; Mussoline, G. R.;
Peura, J. C.; James, B. R. J. o Environ. Qual. 1994, 23,
1249-1256; Vitale, R. J.; Mussoline, G. R.; Petura,
J. C.; James, B. R. Am. Environ. Lab. 1995, 7, 1). El grado de
éxito depende de la matriz, y no es conocido para qué matrices es
válido el método. Como consecuencia, el método es generalmente
empleado con inexactitudes conocidas existentes. El método EPA
Method 7196A (SW-846 EPA Method 7196A: Chromium,
Hexavalent (colorimetric), Test Methods for Evaluating Solid Waste,
3rd ed., U. S. Environmental Protection Agency: Washington, DC,
1996), un método de detección de UV-V para
Cr(VI), ha sido intensivamente usado para cuantificar
Cr(VI) detectando el complejo de color violeta
Cr(VI)-difenilcarbazida a pH 2 (Nazario, C.
L.; Menden, E. E. J. Am. Leather Chem. Assoc. 1990, 85, 212224).
Sin embargo, surgen varios problemas cuando este método es aplicado
a muestras con matrices complejas (Harzdorf, A. C. Int. J. Environ.
Anal. Chem. 1987,29, 249-261; Milacic, R.; Stupar,
J.; Kozuh, N.; Korosin, J. Analyst (London) 1992, 117,
125-130). Estos componentes de matrices coexistentes
como Fe^{2+} y alguna materia orgánica pueden interferir con el
Cr(VI), reduciéndolo durante las mediciones
(SW-846 EPA Method 7196A: Chromium, Hexavalent
(colorimetric), Test Methods for Evaluating Solid Waste, 3rd ed.,
U. S. Environmental Protection Agency: Washington, DC, 1996). Los
métodos conocidos no validan estos métodos para tipos específicos
de matices y muestras. Existen problemas similares para otros
métodos para la medición de especies para otras especies
reactivas.
Los métodos para una medición de especies
incluyen principalmente la separación física de las especies de
interés de otras formas del mismo elemento y el análisis de esta
submuestra (Fong, W.; Wu, J. C. G. Spectrosc. Lett. 1991, 24,
931-941; Beceiro Gonzalez, E.; Bermejo Barrera, P.;
Bermejo Barrera, A.; Barciela Garcia, J.; Barciela Alonso, C. J.
Anal. At. Spectrom. 8,649-1993, 653; Peraniemi, S.;
Ahlgren, M. Anal. Chim. Acta 1995, 315, 365-370
Beceiro Gonzalez, E.; Barciela Garcia, J.; Bermejo Barrera, P.;
Bermejo, B. Fresenius, J. Anal. Chem. 1992, 344,
301-305). Esta aproximación supone generalmente que
la conversión de especies es despreciable en las etapas posteriores
de tratamiento y análisis. Sin embargo, esto no es necesariamente
así. La separación de las especies de interés del resto de la
matriz puede complicar y prolongar el procedimiento analítico. Por
ejemplo, la cromatografía puede separar dos formas diferentes de Cr
en una mezcla antes de la presentación a detectores elementales,
como ICP-MS. Como cada especie puede reaccionar con
sus contornos e incluso con agentes separadores, la detección
después de una separación cromatográfica es solamente una
determinación de la distribución de las especies en ese momento
final e incorpora todos los desplazamientos que alteran la
concentración. Cada especie puede reaccionar con otros componentes y
reactivos de las muestras, y ser transformada durante las etapas de
almacenamiento y análisis (Behne, D. Analyst (London) 1992, 117,
555-557) por lo tanto, no hay ninguna forma fiable
de determinar el modo en que el cromo estaba realmente presente en
cada forma de especie cuando la muestra era originalmente tomada o
antes de cualquier etapa de manipulación en el método completo.
Estos problemas conducen a desviaciones e inexactitudes que limitan
el uso de estas mediciones en la toma de decisiones
medioambientales y para otros fines, como en tribunales, por
ejemplo.
ejemplo.
Un estudio de las bases de datos Analytical
Abstracts Database (Royal Society of Chemistry, Inglaterra) para el
cromo y para la formación de especies muestra que ha sido usada una
diversidad de aproximaciones diferentes para el análisis de
especies de cromo. Estas son principalmente electroquímica,
extracción y cromatografía. Los métodos electroquímicos pueden
distinguir entre las dos formas diferentes de cromo en una mezcla
sencilla, basándose en los diferentes potenciales de reducción de
las respectivas especies, pero los componentes de la matriz pueden
complicar las muestras, especialmente de compuestos orgánicos
residuales, e interferir con la medición y pueden observar
completamente la medición en muestras reales del medio ambiente.
(Hassan, S. S. M.; Abbas, M. N.; Moustafa, G. A. E. Talanta 1996,
43, 797-804; Paniagua, A. R.; Vaquez, M. D.; Tascon,
M. L.; Sanchez Batanero, P. Electroanalysis (N. Y.) 1993, 5,
155-163; Achterberg, E. P.; Van den Berg, C. M. G.
Anal. Chim. Acta 1994, 284, 463-471). Para matrices
de muestras más complejas, la cromatografía puede separar
físicamente Cr(III) de Cr(VI) antes de la detección
(Michalke, B. Fresenius, J. Anal. Chem. 1996, 354,
557-565; DeSmaele, T.; Moens, L.; Dams, R.; Sandra,
P. LC GClnt. O 1996, 9, 138-140, 142; Pobozy, E.;
Wojasinska, E.; Trojanowicz, M. J. Chromatogr., A 1996, 736,
141-150; Tomlinson, M. J.; Wang, J.; Caruso, J. A.
J. Anal. At. Spectrom. 1994, 9, 957-964). Además,
puede ser empleada también la extracción. Sin embargo, ninguno de
estos dos métodos convencionales de separación puede corregir
cualquier transformación de especies antes de la medición o durante
la misma.
El análisis de las especies de cromo se escogió
como un ejemplo para esta descripción. La SIDMS es importante
debido a las mediciones medioambientales de Cr(VI), así como
de otros tipos. También, solamente dos estados de oxidación son
predominantes en las muestras del medio ambiente, +3 (Cr^{3+}) y
+6 (CrO_{4}^{2-} y Cr_{2}O_{7}^{2-}), reduciendo así el
número de reacciones posibles. La química de reacción para cada
especie ha sido intensamente explorada. Véase de forma general
(Harzdorf, A. C. Int. J. Environ. Anal. Chem. 1987, 29,
249-261; Serfass, E. J.; Muraca, R. F. In Chromium:
Chemistry of chromium and its compound; Udy, M. J., Ed.; Reinhold
Publishing Corporation: New York, 1956; Vol. I, pp
53-75; Weckhuysen, B. M.; Wachs, I. E.;
Schoonheydt, R. A. Chem. Rev. 1996, 96, 3327-3349) y
es conocido por los expertos en la técnica. Además, la
diferenciación entre Cr(VI) y Cr(III) es muy
importante debido a sus toxicidades ampliamente diferentes. El
Cr(III) es un nutriente que se conoce que es importante en el
metabolismo de la glucosa, mientras que el Cr(VI) es
altamente tóxico para seres humanos y animales provocando algunos
tipos de cáncer (Paustenbach, D. J.; Meyer, D. M.; Sheehan, P. J.;
Lau, V. Toxicology and Industrial Health 1991, 7,
159-196; Nriagu, J. O.; Nieboer, E. In Avances in
Environmental Science & Technology; Nriagu, J. O., Ed.; John
Wiley & Sons: New York, 1988; Vol. 20; Burrows, D. Chromium
Metabolism and Toxicity; CRC Press, Inc.: Boca Raton, FL, 1983).
Esta diferencia de toxicidad es importante para el tipo y el coste
de remedio medioambiental para sitios contaminados. La presencia de
Cr(III) puede que no requiera una limpieza del medio
ambiente, aunque la presencia de Cr(VI) requiere un remedio.
El procedimiento de la presente invención es aplicable a muestras
que contienen dos especies interconvertibles, cada una de las
cuales puede ser también destruida o aumentada. Aunque esta
descripción emplea solamente dos especies específicas, la SIDMS no
está restringida a la medición de dos especies, ni a esta especie
específica sola.
A pesar del conocimiento y los procedimientos de
la técnica anterior que anteceden, continúa habiendo una necesidad
muy real y sustancial de un método para la cuantificación exacta de
especies reactivas de interés, método que compense la extracción,
separación, asilamiento o degradación incompleta de las especies,
así como los inconvenientes relacionados de la técnica anterior,
como la de un medio para validar métodos de exactitud
desconocida.
La presente invención ha resuelto los problemas
anteriormente descritos proporcionando metodologías únicas para su
solución.
El método proporciona la cuantificación de una o
más especies contenidas en una muestra con compensación de la
conversión entre especies y la separación incompleta. En una
realización preferida, un isótopo estable predeterminado es
convertido en un isótopo de especie enriquecida correspondiente a la
especie que va a ser medida en la misma. La muestra que contiene la
especie que va a ser medida es trazada y la especie isotópica
trazada y las especies que van a ser medidas se ponen en equilibrio.
Todas las especies son separadas de la muestra y son determinadas
las relaciones isotópicas para cada especie que va a ser medida.
Seguidamente son empleadas las relaciones isotópicas para deducir
matemáticamente la concentración de las especies mientras se
corrige la conversión entre especies y/o la separación incompleta.
El método puede ponerse en práctica sobre más de una especie que va
a ser medida simultáneamente. La muestra puede ser una muestra
acuosa, como una solución acuosa que contiene las especies, por
ejemplo, o puede ser una muestra sólida, como una matriz de terreno
en la que están ubicadas una o más especies. El método puede ponerse
en prácti-
ca para cuantificar Cr(III) y Cr(VI) y otras especies que posean múltiples isótopos del metal o ligando o molécula.
ca para cuantificar Cr(III) y Cr(VI) y otras especies que posean múltiples isótopos del metal o ligando o molécula.
La separación puede ser realizada por
cromatografía, como cromatografía de resolución en el tiempo u otros
medios de extracción adecuados, como estabilización de disolventes
u otros medios adecuados de separación. La espectrometría de masa,
como un espectrómetro de masas ICP u otros espectrómetros de masas
adecuados, puede ser empleada para determinar las relaciones de
isótopos.
El método de la presente invención puede ser
empleado también para validar métodos tradicionales u otros de
análisis de especies. Puede ser empleado también para analizar
especies y certificar materiales estándar y para preparar
materiales estándar trazados de las especies.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un método para medir especies moleculares, elementales,
iónicas o complejas, usando un trazador de isótopos de especies,
separación y medición de la fracción de dilución de isótopos para
proporcionar una determinación de la cantidad de las especies de
interés en la muestra.
Es un objeto adicional de la invención
proporcionar un método que efectúe una cuantificación exacta de las
especies de interés a pesar de la extracción incompleta,
solubilidad, separación, aislamiento o degradación de las
especies.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar un método para validar otros métodos de exactitud
desconocida, para tipos de matrices específicas y para alteraciones
del procedimiento para conservar especies.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar este método que facilitará la corrección del
aislamiento incompleto de la especie mediante el uso de una etiqueta
que une la especie trazada de isótopos con la especie que va a ser
medida.
Es otro objeto de la invención proporcionar este
método que permitirá la medición y la corrección de los cambios de
fases, transiciones insolubles y formas volátiles de las especies,
mientras se retiene la capacidad de cuantificar las especies.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar un método para efectuar una medición cuantitativa de
especies para una especie específica en una muestra, a partir de una
fracción desconocida de la muestra.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar este método que permite la conversión de especies y
corrige estas conversiones.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar este método que no solamente corrija las conversiones
de especies, sino que mejore la precisión y los limites de detección
de la medición.
Todavía, es otro objeto de la presente invención
proporcionar este método que permitirá una cuantificación exacta de
las especies reactivas de interés a partir de una muestra, a pesar
de la conversión durante su medición, manipulación, almacenamiento
o toma de muestras.
Es otro objeto proporcionar un método para
codificar patrones para permitir su uso después de una degradación
significativa de las especies, corrigiendo la degradación haciendo
mediciones por SIDMS y corrigiendo las especies que permanecen en
sus nuevas relaciones y concentraciones actuales.
Es otro objeto permitir la elaboración de
patrones de especies que han sido previamente trazadas con isótopos
estables separados en forma de especies, que permita el uso de estos
patrones posteriormente tras un almacenamiento y posible
degradación.
Es otro objeto permitir la evaluación de
especies en patrones por evaluación mediante SIDMS para verificar
la integridad actual de estos patrones en cuanto a la concentración
actual de especies únicas o múltiples.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar estos métodos que pueden ser empleados en la
validación de otros métodos de análisis de especies, que pueden ser
empleados con los métodos de la presente invención.
Todavía, es otro objeto de la invención
proporcionar métodos para analizar especies, para permitir la
certificación de materiales estándar que incluyen materiales
estándar con trazadores de especies.
Estos y otros objetos de la invención se
comprenderán más en detalle a partir de la siguiente descripción de
la invención, haciendo referencia a las ilustraciones anejas a la
presente memoria descriptiva.
Las Figuras
1(a)-1(f) son gráficos de la identidad
de un isótopo frente a la cantidad de isótopo para la determinación
simultanea de Cr(III) y Cr(VI).
Las Figuras 2(a) y 2(b) muestran
respectivamente la separación de la muestra trazada y los
cromatogramas de muestras isotópicamente trazadas de una solución
que contiene Cr(III) y Cr(VI).
La Figura 3 es un gráfico que muestra la
influencia de la corrección en tiempos muertos de las relaciones de
los isótopos medidas por espectrometría de masas.
La Figura 4 es un diagrama de flujo que muestra
la preparación y tratamiento de tres partes alícuotas de una
muestra de agua.
La Figura 5 es un diagrama de flujo que muestra
el tratamiento de una muestra de terreno mediante el método de la
invención y otro método.
La Figura 6 es una representación de la
influencia de una matriz de terreno sobre la recuperación de
Cr(VI), determinada mediante el método de la invención y
otro método.
Las Figuras
7(a)-7(c) representan una serie de
gráficos de la reducción de Cr(VI) trazado en extractos,
medida a diferentes intervalos de tiempo con respecto a la etapa de
acidificación.
La Figura 8 es un gráfico del tiempo frente al
porcentaje para diferentes grados de separación incompleta.
Las Figuras 9(a) y 9(b) muestran
gráficos con respecto a Cr(II) y Cr(VI) con
correcciones en cuanto a la separación incompleta.
La Figura 10 es un gráfico de la oxidación de
Cr(III) bajo diferentes condiciones que incluyen la
aplicación de energía microondas.
Como se usa en la presente memoria descriptiva,
el término "especie(s)", empleado con respecto a la
muestra que contiene la especie que va a ser analizada
cuantitativamente, se refiere a especies elementales, especies
iónicas, especies moleculares, especies queladas, especies complejas
como especies organometálicas y otras especies que están adaptadas
a una especie cuantitativa en un análisis de la presente
invención.
Como se usa en la presente memoria descriptiva,
la expresión "relación de especies elementales isotópicas" o
"relación de isótopos" se refiere a una relación de isótopos de
una "especie".
La SIDMS proporciona nuevos métodos que permiten
hacer estas mediciones con una exactitud, carácter reproducible y
fiabilidad actualmente más allá de la capacidad de los métodos
tradicionales de medición. En contraste con los métodos
tradicionales que intentaban evitar que las especies cambiaran
durante el análisis, la SIDMS permite que se produzcan reacciones
que transforman las especies y corrige matemáticamente estas
transformaciones. Este método es también una herramienta de
diagnóstico para evaluar las transformaciones de especies en más
métodos tradicionales, permitiendo su evaluación y validación. Esta
nueva aproximación está siendo desarrollada como un primer método
de referencia EP 6800 para ser publicada como
(SW-846 EPA Method 6800: Elemental and Speciated
Isotope Dilution Mass Spectrometry, Test Methods for Evaluating
Solid Waste, Update 4; 1998). Para ilustrar el método de SIDMS de
la presente invención para un análisis y una eficacia mejorada de la
validación y conceptos estándar, se describirán ejemplos de la
determinación simultanea de Cr(III) y Cr(VI) en agua,
residuos del tratamiento de menas de cromita (COPR) y extractos de
terrenos. Aunque son aplicables muchos métodos de separación de
especies y espectrómetros de masas a la SIDMS, por motivos de
conveniencia de la descripción, se considerarán el uso de
cromatografía de intercambio iónico para separar especies de
Cr(III) y Cr(VI) y espectrometría de masas por plasma
inductivamente acoplado (ICP-MS) para medir las
relaciones de isótopos para la demostración, así como extracciones
de microondas. El fácil acceso a la ICP-MS hace que
este método esté disponible para un gran número de laboratorios
analíticos.
La dilución de isótopos tradicional está basada
en la adición de una cantidad conocida de isótopo enriquecido a una
muestra. El equilibrio del isótopo trazado con el elemento natural
en la muestra altera la relación de isótopos medida. La
concentración del elemento puede ser calculada usando abundancias
isotópicas conocidas tanto trazadas como naturales, la cantidad de
trazador añadido a la muestra y la abundancia isotópica alterada
después del equilibrio, que incluye habitualmente la destrucción de
todas las especies. La ecuación para la IDMS (espectrometría de
masas de dilución y aislamiento) convencional se muestra a
continuación:
en la
cual
R_{M} es la relación de isótopos medida para
el isótopo A respecto al isótopo B;
A_{X} y B_{X} son las facciones atómicas de
los isótopos A y B en la muestra;
A_{s} y B_{s} son las facciones atómicas de
los isótopos A y B en el trazador;
C_{x} y C_{s} son las concentraciones del
elemento en la muestra y el trazador, respectivamente;
W_{x} y W_{s} son los pesos de la muestra y
el trazador, respectivamente. Reagrupando la Ecuación 1, la
concentración de la muestra puede ser calculada como:
La IDMS ha demostrado ser una técnica altamente
adecuada para la determinación de los metales totales en diversas
matrices (Lagerwaard, A.; Woittiez, J.R. W.; de Goeij, J. J. M.
Fresenius'J. Anal. Chem. 1995, 351, 786-789; Van
Raaphorst, J. G.; Haremaker, H. M.; Deurloo, P. A.; Beemsterboer, B.
Anal. Chim. Acta 1994, 286, 291-296; Fassett, J.
D.; Paulsen, P. J. Anal. Chem. 1989, 61, 643a-644a,
646a, 648a-649a). Tiene varias ventajas sobre otras
metodologías de calibración. La pérdida parcial del analito después
del equilibrio del trazador y la muestra no tendrá influencia sobre
la exactitud de la medición. Habrá menos influencia de las
interferencias físicas y químicas sobre la determinación porque
tienen efectos esencialmente idénticos sobre todos los isótopos del
mismo elemento. La relación de isótopos, el parámetro principal que
va a ser medido para la cuantificación en la IDMS, puede ser medida
con gran precisión, normalmente la desviación típica relativa (RSD)
es 0,5% sobre una ICP-MS. Otras correcciones como
la desviación de masas y la corrección de tiempos muertos pueden ser
medidas y corregidas. En general, las desviaciones en la
espectrometría de masas son medibles y predecibles en algunos
espectrómetros de masas y las relaciones de masas pueden ser medidas
dentro una exactitud de 1 parte en 10.000 para instrumentos como el
espectrómetro de masas de ionización térmica (TIMS). Por lo tanto,
la IDMS es considerada como un método de análisis
"definitivo". Es un método principal usado en la certificación
de materiales de referencia estándar (SRM) y en determinaciones de
pesos atómicos, debido a su elevada exactitud y capacidad de
medición definitiva (Moore, L. J.; Kingston, H. M.; Murphy, T. J.;
Paulsen, P. J. Environ. International 1984, 10,
169-173). Este método es también una parte del
método EPA 6800 para determinar la concentración total de
elementos. Este método EPA está previsto que sea publicado por la
entidad U.S. Government Printing Office en 1998.
El método de SIDMS de la presente invención
emplea una aproximación única al análisis de especies que difiere
de los métodos tradicionales para especies. Los métodos
tradicionales para especies intentan mantener cada especie estática
mientras se hace la medición conocida. Sin embargo, los métodos de
extracción de especies, aislamiento y análisis, miden
inherentemente las especies después de que se han producido las
conversiones. La SIDMS ha sido desarrollada para abordar la
corrección de las conversiones de especies, que no pueden ser
conseguidas por otros métodos conocidos. En la SIDMS, cada especie
es "marcada" con un trazador diferente enriquecido con
isótopos en la correspondiente forma de la especie. Por tanto, las
conversiones que se producen después del trazador son detectables y
pueden ser corregidas matemáticamente. Al mismo tiempo que la SIDMS
mantiene estas ventajas de la IDMS y una menor interferencia física
y química, es adicionalmente capaz de corregir la degradación de
las especies o la conversión entre las especies. Como una
herramienta de diagnóstico, la SIDMS permite también la evaluación
de los procedimientos que alteran las especies y permite la
evaluación y validación de otros métodos de análisis de especies
más tradiciones. Véase la patente de EE.UU. del mismo inventor
5.414.259.
Usando la IDMS para especies, la muestra puede
ser trazada con uno o más isótopos separados que han sido
químicamente convertidos en una especie única que es una diferencia
principal entre la SIDMS y la IDMS convencional. Los trazadores son
seguidamente equilibrados con las especies reactivas que se producen
de forma natural y son extraídos o separados por otros medios del
material de la muestra, al mismo tiempo que las especies que se
producen de forma natural. Las especies que se producen por
selección natural son marcadas con un isótopo altamente enriquecido
del mismo elemento. La especie enriquecida con isótopo es
químicamente indistinguible de la misma especie "natural". Una
vez equilibradas, las dos experimentan las mismas reacciones. Es
usado un método convencional de separación, como extracción o
cromatografía, para separar las especies. Tradicionalmente, cada
especie es completamente separada de la otra y aislada en una
solución independiente. Las relaciones de isótopos son evaluadas
para cada especie, a través del pico cromatográfico, para determinar
el alcance del cruce entre las diversas especies en el tiempo entre
el trazado y el análisis. Por lo tanto, es posible corregir la
degradación de las especies, o intercambiar entre especies
diferentes, en cada etapa en la toma de muestras y en el
procedimiento de análisis. Esto permite un nuevo cálculo exacto de
la(s) concentración(es) original(es) de las
muestras de las diferentes especies químicas, una correlación que no
se podía hacer previamente. La patente de EE.UU. 5.414.259 del
mismo solicitante describe un estudio en el que se realizaron
evaluaciones sin emplear una dilución de isótopos en especies. La
patente describe también la corrección para la transformación de
especies.
La SIDMS no requiere una separación completa
entre las especies. Como la ICP-MS no es específica
para las especies, las especies sin resolver pueden ser tratadas
igual que las que han sido convertidas en otras especies. Por lo
tanto, los mismos procedimientos y ecuaciones desarrollados para
corregir la conversión de especies pueden ser empleados para
corregir la separación incompleta como la extracción y aislamiento
incompletos.
La SIDMS tiene una aplicación y eficacia
mejorada más allá de las aplicaciones previamente descritas. En
primer lugar, es eficaz para corregir separaciones incompletas de
especies en métodos comunes de separación como extracción y
cromatografía. En segundo lugar, es aplicable como un método de
validación para permitir el uso de otros métodos después de que han
sido evaluados en cuanto a desviaciones y exactitud. En tercer
lugar, es aplicable como un método integrado en la preparación y
evaluación exacta de materiales estándar en las especies.
La presente invención proporciona una nueva
aplicación y mejora de la eficacia en la aplicación de SIDMS
mediante la extensión de la SIDMS para corregir la separación
incompleta de especies. La SIDMS no requiere una separación
completa entre las especies. Como los espectrómetros de masas no son
específicos para las especies, el uso de la separación sirve para
aislar las especies. Tradicionalmente, en la técnica anterior, han
sido usadas tanto extracción como cromatografía. Sin embargo, la
eficacia en la separación no ha sido corregida conjuntamente con la
corrección de la degradación y conversión de las especies. La SIDMS
tiene una eficacia mejorada del procedimiento, permitiendo la
separación incompleta de las especies y corrigiendo también la
mezcla de cada especie con otra.
Además, la presente invención permite preparar
un material estándar con un isótopo previamente marcado y natural
para validar otros métodos de análisis de especies. Permite la
determinación de la desviación de técnicas de procedimientos
analíticos separados y la desviación asociada con el procedimiento y
el efecto de materiales naturas de la matriz, que provocan
desviaciones en estos otros métodos. Puede ser realizada la
validación de otros métodos específicos, y la verificación de sus
mediciones permite usar sus datos cuando las desviaciones
desconocidas evitarían de lo contrario el uso de estos métodos.
El ensayo de la exactitud requiere materiales de
referencia estándar certificados para las especies, y el uso de
SIDMS permite la certificación de estos materiales y también la
nueva evaluación de estos materiales después de algún período de
tiempo. Preparando materiales de referencia de especies, el material
puede ser analizado mediante SIDMS cuando esté certificado y en
algún tiempo posterior puede ser determinada la exactitud del
material usando el mismo procedimiento de SIDMS. Esto permite el uso
de materiales que de lo contrario no serían exactos debido a la
composición de especies alteradas que va a ser usada después del
análisis por SIDMS. La exactitud estaría limitada a la exactitud de
las mediciones de relaciones isotópicas hechas mediante el
dispositivo de discriminación.
Las figuras
1(a)-1(f) muestran las abundancias
isotópicas tanto de Cr(III) como de Cr(VI) en una
muestra hipotética. La ilustración teórica de la aplicación de la
SIDMS a la determinación simultánea de Cr(III) y
Cr(VI) en las figuras 1(a) y 1(b) muestra las
abundancias de isótopos naturales iniciales de las especies
Cr(III) y Cr(VI) en 50 \mul de una solución de 200
ng/g de Cr en la que las concentraciones tanto de Cr(III)
como Cr(VI) son de 100 ng/g. Seguidamente la muestra es
doblemente trazada con un trazador de Cr(III) enriquecido en
Cr^{50} y un trazador de Cr(VI) enriquecido Cr^{53} y
transformada en las respectivas especies antes del trazado. Las
relaciones alteradas de isótopos pueden ser seguidamente medidas en
las especies tanto de Cr(III) como de Cr(VI). En las
figuras 1(c) y 1(d), la muestra es trazada con 100
ng/g de Cr^{50}(III) (en el que está enriquecido el
Cr^{50}) y 100 ng/g de Cr^{53}(VI) (en el que está
enriquecido el Cr^{53}), y no hay conversión entre Cr(III)
y Cr(VI). Estas relaciones de medidas de isótopos son usadas
en la determinación de la concentración de cada especie en el
momento del trazado. Un ejemplo de una interconversión del 20%
Cr(III) en Cr(VI) y Cr(VI) en Cr(III)
es ilustrado en la figura 1(e) y la figura y 1(f), que
presentan el reconocimiento visual de la interconversión. En las
figuras 1(e) y 1(f), un 20% de Cr(III) es
convertido en Cr(VI) y un 20 % de Cr(VI) es
convertido en Cr(III). Los diferentes grados de conversión
dan lugar a abundancias isotópicas diferentes, de forma que el
cambio de
las abundancias isotópicas relativas puede ser aplicado a la determinación de las especies y los grados de conversión.
las abundancias isotópicas relativas puede ser aplicado a la determinación de las especies y los grados de conversión.
En una realización preferida de la presente
invención, el procedimiento incluye proporcionar un trazador
isotópico para cada una de las especies naturales con respecto a
las cuales se hace una determinación cuantitativa. Las mediciones
de especies están basadas en la transformación del isótopo de la
especie enriquecida ("trazador") en la misma forma de especie
que la especie de interés. La concentración del trazador o los
trazadores isotópicos puede ser calibrada con el método de la
dilución inversa de isótopos. La muestra que contiene la especie o
especies que van a ser evaluadas puede ser proporcionada en una
solución acuosa. El trazador o trazadores isotópicos son
introducidos en la solución y se efectúa el equilibrio. La especie o
especies son seguidamente separadas, por ejemplo, por cromatografía
u otros métodos conocidos, después de lo cual puede ser empleado un
espectrómetro de masas con resolución de línea de base de los
isótopos para mediar las relaciones de isótopos que consisten en la
relación de Cr^{50}(III) a Cr^{52}(III) y
Cr^{53}(VI) a Cr^{52}(VI). Las mediciones de
isótopos se hacen separadamente para cada especie que va a ser
cuantificada. Los isótopos medidos pueden ser seguidamente
empleados para determinar la concentración de la especie o especies
así como las conversiones. Esto puede ser realizado
matemáticamente.
Para proporcionar una mejor compresión del uso
de SIDMS en la presente invención, se considerara en relación con
la determinación de Cr(III) y Cr(VI) en muestras
acuosas.
\vskip1.000000\baselineskip
Etapa
1
Se prepararon trazadores isotópicos para cada
una de las dos especies para Cr(III) y Cr(VI). Se usó
un trazador enriquecido en Cr^{50} para Cr(III) y un
trazador enriquecido en Cr^{53} para Cr(VI). Las
concentraciones de estos dos trazadores fueron calibradas con la
aproximación de dilución inversa de isótopos cuando se usó cromo
natural.
Etapa
2
Se recogió la muestra acuosa, seguidamente se
sometió a un trazado doble con trazador de Cr^{50}(III) y
trazador de Cr^{53}(VI). Para una mayor exactitud, el
trazado se hizo en peso usando el método descrito por Kingston, H.
M.; Pella, P. A. Anal. Chem. 1981, 53, 223-227.
Etapa
3
La muestra fue equilibrada con trazadores
isotópicos mezclando la muestra y los trazadores isotópicos en
formas acuosas.
Etapa
4
Un sistema de cromatografía de intercambio
aniónico conectado a un espectrómetro de masas inductivamente
acoplado (ICP-MS) físicamente separado de las
fracciones de Cr(III) y Cr(VI) en volúmenes diferentes
del eluyente. La figura 2(a) muestra los cromatogramas de
una muestra sin trazar y la figura 2(b) muestra los
cromatogramas de una muestra isotópicamente trazada. La figura
2(a) muestra los cromatogramas de la solución que contiene
Cr(III) y Cr(VI) con abundancias isotópicas naturales
y la figura 2(b) muestra los cromatogramas de la misma
solución trazada con los trazadores isotópicos Cr^{50}(III)
y Cr^{53}(VI).
Etapa
5
Cada punto de muestra en los tipos
cromatográficos contiene la distribución de isótopos de esas
especies, permitiendo mediciones repetidas de las relaciones de
isótopos para cada inyección. Las mediciones de las relaciones de
isótopos se hicieron separadamente para Cr(III) y para
Cr(VI) mediante el uso de una ICP-MS.
Etapa
6
Los isótopos medidos fueron empleados para crear
las relaciones y para determinar las concentraciones de especies
matemáticamente tanto para las concentraciones como para las
conversiones de las especies. El conjunto de ecuaciones (3) a (6)
para las SIDMS doblemente trazadas puede ser usado para calcular
definitivamente las concentraciones de Cr(III) y
Cr(VI) en la muestra acuosa y la cantidad de conversión entre
Cr(III) y Cr(VI) que se produjo después del
trazado.
Aunque la IDMS convencional requiere al menos
dos isótopos para una especie, la determinación simultánea de dos
especies interconvertibles por SIDMS emplea al menos tres isótopos.
Como el Cr tiene cuatro isótopos, se cumplió este requisito.
Preferentemente, el trazador isotópico está
altamente enriquecido y consiste completamente en especies que
permanecen en esa forma tras un almacenamiento indefinido.
El trazador isotópico debe ser capaz de ser
añadido a la muestra convenientemente. Por ejemplo, puede ser
necesario añadir el trazador isotópico como un material sólido a la
matriz sólida de la muestra. Esto requerirá una homogenización de
la muestra antes de la extracción o análisis. Sin embargo, para
muestras acuosas, el trazador isotópico debe ser preparado como una
solución, y la pulverización se puede hacer simplemente mezclando
la muestra y las soluciones de los trazadores isotópicos.
El trazador isotópico puede ser equilibrado con
las especies naturales si está en la misma forma química que el
analito. Preferentemente, la velocidad de equilibrio debe ser mucho
mayor que la velocidad de las conversiones de especies. Como SIDMS
puede corregir las conversiones de especies que se producen después
del equilibrio entre el trazador y la muestra, y el equilibrio debe
ser conseguido antes de que tenga lugar cualquiera de las
conversiones.
La concentración del trazador natural, en
comparación con el isotópico, debe ser elevada de forma que la
adición del trazador isotópico introduzca una cantidad mínima de
agente estabilizante que pueda afectar a la estabilidad natural del
analito. Preferentemente, pueden ser empleados medios para retrasar
las conversiones de las especies. Las conversiones de las especies
pueden degradar la exactitud y precisión de la determinación en
límites extremos como una conversión de 95%, por ejemplo.
Para la determinación simultanea de más de una
especie, se propone que no haya una pérdida significativa de las
especies debido a reacciones secundarias distintas de las
conversiones entre las especies verificadas. En el ejemplo, se
acidificaron soluciones para evitar la pérdida de Cr(III)
debida a hidrólisis.
Las especies serán parcialmente separadas de la
matriz y de todas las demás para permitir la medición de las
relaciones de isótopos de cada especie. En la presente invención,
las separaciones incompletas no degradan materialmente la exactitud
del método.
La presente invención proporciona una deducción
matemática con el fin de proporcionar los resultados cuantitativos
deseados independientemente de que la muestra resulte incompleta,
perdida, degradada, que sea insoluble o que se estén produciendo
conversiones. La determinación matemática empleará la relación
medida de especies trazadas para corregir la concentración de la
especie natural por separación incompleta, pérdida e insolubilidad
de la muestra, degradación y conversión.
Un conjunto de ecuaciones con cuatro variables,
permite la determinación matemática simultánea de Cr(III) y
Cr(VI). Además, la recuperación incompleta o las especies sin
resolver de la cromatografía pueden ser tratadas igual que las que
han sido convertidas en otras especies. Por lo tanto, los mismos
procedimientos y ecuaciones son aplicables para corregir las
separaciones incompletas. Esta aplicación es separadamente
demostrada en ejemplos posteriores. La derivación es realizada
preferentemente bajo las siguientes condiciones. En primer lugar,
han sido equilibrados isótopos de trazadores e isótopos de especies
naturales. En segundo lugar, no hay pérdida selectiva de la especie
que afectaría selectivamente solamente a una forma de especie, ya
sea la especie natural o la isotópicamente trazada. En tercer
lugar, solamente se producen las conversiones entre las especies de
interés. En cuarto lugar, cada trazador isotópico consiste
completamente en una especie (en este caso, todo el Cr en el
trazador de Cr^{50}(III) es Cr(III), y todo el Cr en
el trazador de Cr^{53}(VI) es Cr(VI). Aunque las
siguientes ecuaciones no son las únicas expresiones para SIDMS, han
sido optimizadas en este caso para el ejemplo de doble trazado.
Pueden ser empleados otros
métodos.
métodos.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
en
donde
R^{III}_{53/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{53} a Cr^{52} de Cr(III) en la muestra
trazada.
R^{VI}_{50/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{50} a Cr^{52} de Cr(VI) en la muestra
trazada.
R^{VI}_{53/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{53} a Cr^{52} de Cr(VI) en la muestra
trazada.
R^{III}_{50/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{50} a Cr^{52} de Cr(III) en la muestra
trazada.
^{50}A_{x} es la fracción atómica natural de
Cr^{50} en la muestra.
Cr^{III}_{x} es la concentración de
Cr(III) en la muestra (\mumol/g, desconocida)
W_{x} es el peso de la muestra en gramos
^{50}A^{III}_{s} es la fracción atómica
natural de Cr^{50} en el trazador isotópico:
Cr^{50}(III)
Cr^{III}_{s} es la concentración de
Cr(III) en el trazador de Cr^{50}(III)
(\mumol/g)
W^{III}_{s} es el peso del trazador en
Cr^{50}(III) en gramos
C_{x}^{VI} es la concentración de
Cr(VI) en la muestra (\mumol/g, desconocida)
\alpha es el porcentaje de Cr(III)
oxidado a Cr(VI) después del trazado (desconocido)
\beta es el porcentaje de Cr(VI)
reducido a Cr(III) después del trazado (desconocido)
Los expertos en la técnica serán capaces de
resolver las ecuaciones para C^{III}_{x}, C^{VI}_{x},
\alpha y \beta. Puede ser empleada una hoja de cálculo, como
Microsoft (MS) Excel para resolver este conjunto de ecuaciones.
Un medio matemático para resolver las ecuaciones
por aproximación incluye lo siguiente:
Simplificar las ecuaciones 3-6,
a saber:
Al comienzo del tanteo, pueden ser asignados
valores arbitrarios a N_{x}^{VI} y \alpha . Por ejemplo, a
ambos se les puede asignar el valor 0. A continuación es determinada
la expresión de N^{III}_{x} y \beta. Después de una
derivación cuidadosa, son obtenidas las siguientes ecuaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Las ecuaciones 8 y 9 se vuelven a escribir
como:
\vskip1.000000\baselineskip
Las soluciones son:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Estos dos valores pueden ser usados en lo
sucesivo para resolver N^{VI}_{x} y \alpha:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Las ecuaciones 13 y 14 se vuelven a escribir
como
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Las soluciones para las ecuaciones 15 y 16 se
proporcionan mediante:
A medida que se repite el cálculo, las variables
N_{x}^{III}, N_{x}^{VI}, \alpha y \beta convergerán
hasta valores constantes, y estos valores son las soluciones de las
ecuaciones.
El método de SIDMS de la presente invención
incluye pulverizar cada especie con especies enriquecidas con
isótopos diferentes. Como consecuencia, el método de dilución de
isótopos descrito en la presente memoria descriptiva es
fundamentalmente diferente de los de los documentos previos que
aplicaban la IDMS a la formación de especies (Van Raaphorst, J. G.;
Haremaker, H. M.; Deurloo, P. A.; Beemsterboer, B. Anal. Chim. Acta
1994, 286,291-296; Tanzer, D.; Heumann, K. G. Anal.
Chem. 1991, 63, 1984-1989; Heumann, K. G.; Rottmann,
L.; Vogl, J. J. Anal. At. Spectrom. 1994, 9, 13511355; Nusko, R.;
Heumann, K. G. Anal. Chim. Acta 1994, 286, 283-290).
En esos documentos, las especies diferentes fueron pulverizadas con
el mismo material enriquecido con isótopos en las correspondientes
formas de especies, y fue usada la ecuación convencional de IDMS en
el cálculo de la concentración a partir de la relación de isótopos
medida de cada especie. Aunque los límites de precisión y detección
fueron mejorados aplicando la técnica de dilución de isótopos, los
métodos anteriores no pueden corregir las conversiones entre las
especies. Sin embargo, el método de la presente invención tiene la
capacidad de corregir las conversiones de especies y la separación
incompleta, además de mejorar la precisión y los límites de
detección. El método de esta invención permite la conversión de
especies y puede corregir estas conversiones, la degradación y las
separaciones incompletas.
Los siguientes artículos son de interés con
respecto a la IDMS orgánica y las determinaciones orgánicas que
emplean marcadores isotópicamente marcados con C-13
y N-15, pero sin determinar las conversiones de
especies: George N. Bowers, Jr; John D. Fassett; Edward White, V,
"Isotope Dilution Mass Spectrometry and the National Reference
System" Analytical Chemistry, Vol. 65. No. 12, June 15, págs.
475R-479R, 1993; Michael J. Welch, Alex Cohen,
Harry S. Hertz, Kwokei J. Ng, Rober Schaffer, Pieter Van Der Lijn,
and Edward White V, "Determination of Serum Creatinine by Isotope
Dilution Mass Spectrometry as a Candidate Definitive Method",
Analytical Chemistry, 58, págs. 1681-1685, 1986;
Polly Ellerbe, Alex Cohen, Michael J. Welch, and Edward White V,
"Determination of Serum Uric Acid by Isotope Dilution Mass
Spectrometry as a New Candidate Definitive Method", Analytical
Chemistry, 62, págs. 2173-2177, 1990; Polly Ellerbe,
Stanley Meiselman, Lorna T. Sniegoski, Michael J. Welch, and Eward
White V, "Determination of serum Cholesterol by a Modification of
the Isotope Dilution Mass Spectrometric Definitive Method"
Analytical Chemistry, 61, págs. 1718-1723,1989.
Se proporcionan ejemplos adicionales que aplican
los métodos de la presente invención con diversas muestras como
muestras de agua sintética, agua potable, agua de ríos, extractos de
COPR y extractos de terreno. Dependiendo de la matriz, el
procedimiento de análisis puede ser ajustado para optimizar el
rendimiento, la precisión y la exactitud del método para todos los
tipos de matrices.
El método fue empleado con una espectrometría de
masas en plasma inductivamente acoplada (ICP-NS). Se
empleó un sistema VG PlasmaQuad (VG, Winford, Reino Unido) equipado
con una cámara de pulverización enfriada con agua y nebulizador de
ranuras en v. Se usó un multiplicador dinodal continuo como
detector. El instrumento se hizo funcionar bajo las siguientes
condiciones: potencia aplicada de plasma, 12347 W; caudal de gas
refrigerante 12,5 l/minuto; caudal de gas auxiliar, 2,0 l/minuto,
caudal de nebulizador, 0,71 l/minuto; velocidad de absorción de la
solución, 1 ml/minuto. El espectrómetro de masas fue ajustado a la
resolución de línea de base. Se midieron las relaciones de isótopos
de cromo Cr^{50}/Cr^{52} y Cr^{53}/Cr^{52}, usando el modo
de salto de picos. El instrumento funcionó en dos modos: el modo de
aspiración directa y el modo de resolución en el tiempo (TRA). Los
tiempos de residencia de cada canal para la aspiración directa
fueron: Cr^{50}, 5 minutos; Cr^{52}, 5 minutos y Cr^{53}, 5
minutos; el tiempo de residencia corto puede mejorar la precisión de
la medición de las relaciones de isótopos (Begley, I. S.; Sharp,
B., L. J. Anal. Atom. Spectrom. 1994, 9, 171-176).
Para el modo de TRA, el tiempo de barrido por corte de muestra fue
de 0,57 s y el correspondiente tiempo de residencia por canal fue
de 5,7 minutos. Se usó el modo de aspiración directa para medir el
tiempo muerto y cuantificar las concentraciones totales de los
trazadores isotópicos. El modo de TRA fue usado cuando la
cromatografía estaba conectada a la CIP-MS. Se
verificaron tres puntos por pico tanto para el modo de aspiración
directa como para el modo de TRA.
La corrección de los tiempos muertos se realiza
en las mediciones de las relaciones de isótopos (Russ, G. P., III;
Bazan, J. M. Spectrochim. Acta, Part B 1987,42b,
49-62; Russ, G. P. I. In Applications of
ICP-MS; Jarvis, K. E., Gray, A. L., Houk, R. S.,
Eds., 1992, pág. 90-114). Usando el modo de
aspiración directa, se determinó diariamente el tiempo muerto del
detector. Se preparó un conjunto de soluciones con diferentes
concentraciones de Cr a partir de SRM 979, y se preparó un patrón
certificado de abundancia isotópica
(Cr(NO_{2})_{3}\cdot9H_{2}O, NIST
Gaithersburg, MD) las soluciones contenían aproximadamente 0, 5, 10,
20, 30, 40, 50, 60 y 70 ng de Cr por g de solución,
respectivamente. Los datos iniciales fueron exportados y tratados en
la hoja de cálculo MS Excel empleando la herramienta "Solver"
en MS Excel para encontrar el tiempo muerto correcto. Se encontró
el tiempo muerto aparente que llevó a las diferentes relaciones de
isótopos medidas con soluciones de concentraciones diferentes hasta
una constante. En la práctica, la RSD de las relaciones de isótopos
medidas con concentraciones diferentes alcanzó un mínimo. La
corrección de los tiempos muertos y la corrección de las
desviaciones de las masas se realizaron en mediciones de relaciones
de isótopos y se hicieron según métodos estándar. (Russ, G. P.,
111; Bazan, J. M.; Spectrochim. Acta, Part B, 42b,
49-62, 1987; Jarvis, K. E.; Gray, A. L.; Houk, R.
S. In handbook of inductively coupled plasma mass spectrometry;
Blakie Academic & Professional: London, 1992, pág.
310-337). Las relaciones de isótopos fueron
empleadas para determinar el intervalo de la velocidad de recuentos
en el que no se produciría la pérdida de ganancia. Como se muestra
en la Figura 3, que expone las relaciones de Cr^{50}/Cr^{52}
como una función de la velocidad de recuentos, las relaciones de
isótopos medidas dependen del tiempo muerto. En la Figura 3, se
recoge la influencia de la corrección de tiempos muertos sobre las
relaciones de isótopos medidas con ICP-MS, equipada
con un multiplicador dinodal continuo. La pérdida de ganancia se
produce cuando la velocidad de recuento sobrepasa 5,8 x 10^{5}
s^{-1}. Cuando el tiempo muerto fue de 43,5 ns, las relaciones de
isótopos llegaron a un valor constante, hasta la velocidad de
recuento de 5,8 x 10^{3} s^{-1}. A está velocidad de recuento,
comenzó a producirse una pérdida de ganancia incorregible. Las
soluciones de las muestras fueron diluidas si la velocidad de
recuento era mayor que este valor.
Los factores de desviaciones de las masas fueron
determinados para cada par de isótopos con soluciones estándar
SRM979 cada cuatro minutos. La medición de los factores de
desviaciones de masas se hicieron siempre del mismo modo en que se
midió la muestra. La corrección de tiempos muertos se realizó antes
de la corrección de las desviaciones de masas.
Se usaron una bomba CostaMetric 4100Bio/MS
(Thermo Separation Products, Riviera Beach, FL) y una columna de
intercambio aniónico de Cr Cetac ANX 4605 (CETAC Corporation, Omaha,
NE) para separar Cr(III) y Cr(VI) mediante
cromatografía iónica. La salida de la columna fue conectada al
nebulizador de la ICP-MS con una pieza de tubo de
Teflón. Se preparó el eluyente de nitrato 0,06 M a partir del ácido
nítrico concentrado, destilado y posteriormente llevado a
ebullición. El pH del eluyente fue ajustado a 3 con hidróxido de
amonio concentrado y purificado. El caudal fue de 1,0 ml/minuto. Se
usó un bucle de muestras Symbol de 50 \mul para la inyección de
las muestras. Las áreas de los picos se calcularon después de la
corrección de los tiempos muertos en cada punto. Las áreas de los
picos con corrección de tiempos muertos fueron usadas para calcular
las relaciones de isótopos. Las relaciones de isótopos fueron
seguidamente corregidas de las desviaciones de masas.
La extracción se hizo en recipientes de Teflón
en sistemas de extracción de placas calientes y de microondas con
recipientes cerrados. Las placas calientes eran unidades de
laboratorio estándar (Fisher Scientific, Pittsburgh PA) y la
extracción con microondas se realizó en un sistema de
digestión/extracciones de recipiente cerrados especialmente
equipado, provisto de agitación (Milestone, Inc., Monro, CT). Se
usaron tanto aire limpio del laboratorio (clase 100) como entornos
de nitrógeno en la extracción de cromo.
Se usó agua desionizada (18 M\Omega cm^{-1})
preparada a partir de un sistema de agua ultrapura NANOpure de
Branstead (Dubuque, Iowa) en la preparación de todas las soluciones.
Se preparó ácido nítrico posterior a ebullición a partir de
alambiques de cuarzo (Milestone, Sorisole (BG), Italia) y se usó
para preparar el eluyente. Se preparó hidróxido de amonio haciendo
burbujear gas de amonio de pureza elevada a través de agua de
pureza elevada. Se preparó una solución de KMnO_{4} que contenía
aproximadamente 10 \mug de Mn por g de solución disolviendo
KMnO_{4} en agua desionizada. Además, se prepararon cinco
patrones, que incluían Cr^{nat}(III) y
Cr^{nat}(VI) con abundancias isotópicas naturales, trazador
isotópico de Cr^{50}(III) enriquecido en Cr^{50},
trazador isotópico de Cr^{53}(VI) enriquecido en Cr^{53}
y una solución patrón de Cr con abundancia isotópica certificada.
La preparación y la dilución de todas las diluciones se realizaron
en ambiente limpio de clase 100 o campanas limpias para reducir el
valor en blanco (Kingston, H. M.; Walter, P.J.; Chalk, S.;
Lorentzen, E.; Link, D. In Microwave-Enhanced
Chemistry: Fundamentals, Sample Preparations and Applications;
Kingston, H. M., Haswell, S. J., Eds.; American Chemical Society:
Washington, DC, 1997, pág 257-279).
La solución patrón de Cr^{nat}(III) se
preparó a partir de Cr metálico (99,995%, Aldrich Chemical Co.,
Milwaukee, WI) y la solución patrón de Cr^{nat}(VI) se
preparó a partir de K_{2}Cr_{2}O_{7} (NIST SRM 136e,
Gaithersburg, MD). La solución madre patrón de
Cr^{nat}(III) que contenía 1 mg de Cr por g de solución se
preparó disolviendo 0,1000 g de Cr metálico en una cantidad mínima
de HCl 6 M. La solución se diluyó con HNO_{3} al 1% hasta 100 g.
La solución madre patrón de Cr^{nat}(VI) que contenía 1 mg
de Cr por g de solución se preparó disolviendo 0,2829 g de
K_{2}Cr_{2}O_{7} en aproximadamente 80 ml de agua desionizada
y diluyendo hasta 100 g con agua desionizada.
Los materiales enriquecidos con isótopos fueron
adquiridos de la empresa Isotec Inc. (Miamisburg, OH). La Tabla 1
recoge las abundancias isotópicas analizadas de metal enriquecido
con Cr^{50} y óxido enriquecido con Cr^{53}.
El trazador isotópico de Cr^{50}(III)
que contenía aproximadamente 10 \mug de Cr por g de solución se
preparó usando cromo metálico enriquecido en Cr^{50}(lote
nº 2691, Isotec Inc, Miamisburg, OH) como material de partida. Se
pesaron 4 mg del metal en un recipiente de Teflón de 30 ml y se
añadieron 8 ml de HCl 6 M. El recipiente se calentó suavemente en
la placa caliente hasta que el sólido se disolvió y permanecían
solamente 1 a 2 ml de la solución. La solución seguidamente se
enfrió y se transfirió a una botella de Teflón de 500 ml. La
solución se diluyó con HNO_{3} al 1% hasta 400 g. La concentración
exacta del trazador de Cr^{50}(III) se calibró por
dilución inversa de isótopos.
El trazador isotópico de Cr^{53}(VI)
que contenía aproximadamente 10 \mug de Cr por g de solución se
preparó usando oxido de cromo enriquecido en Cr^{53}(Lote
nº 2691, Isotec Inc., Miamisburg, OH) como el material de partida.
Usando un recipiente de Teflón de 30 ml con una tapadera con tubos
de acceso, se pesaron 5,8 mg de óxido enriquecido en Cr^{53} en
el recipiente y se añadieron 8 ml de HClO_{4} concentrado
(67-80%, Óptima). El recipiente se calentó
lentamente en una placa caliente hasta que se formaron burbujas en
la parte inferior. La solución se calentó durante 6 horas hasta que
todo el sólido se disolvió y solamente permanecían 1 a 2 ml de la
solución. Después de que la solución se enfrió, se añadieron 10 ml
de agua desionizada seguidos de la adición de 50 \mul de
H_{2}O_{2} al 30% y 4,5 ml de NH_{4}OH concentrado. El
recipiente se calentó de nuevo lentamente hasta que la solución
entró en ebullición, oxidando todo el Cr a Cr(VI). La
solución se llevó seguidamente a ebullición durante 20 minutos para
separar el H_{2}O_{2} en exceso. La solución enfriada se
transfirió seguidamente a una botella de Teflón de 500 ml y se
diluyó con agua desionizada hasta 400 g. La concentración exacta
del trazador de Cr^{53}(VI) se calibro mediante dilución
inversa de isótopos.
El patrón de abundancia isotópica certificada (1
g de solución contenía aproximadamente 10 \mug de Cr) se preparó
disolviendo 31 mg de
Cr(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (SRM979) en
HNO_{3} al 1% en una botella de Teflón 500 ml.
Las soluciones de los trazadores isotópicos
fueron caracterizadas antes de ser usadas, incluyendo la
determinación de la concentración y distribución total entre las
especies. Las concentraciones totales de Cr en trazadores tanto de
Cr^{50}(III) como de Cr^{53}(VI) se calibraron con
solución estándar de Cr^{nat}(VI) mediante espectrometría
de masas de dilución inversa de isótopos convencional. No se
necesitó ninguna caracterización adicional para
Cr^{50}(VI) porque todo el Cr en esta solución estaba en
forma de Cr(III). Como estaban involucradas múltiples etapas
en la preparación del trazador de Cr^{53}(VI), la
compleción de la conversión de Cr(III) en Cr(VI) fue
verificada experimentalmente.
Para calibrar la concentración de Cr(VI)
en el trazador de Cr^{53}(VI), se pesaron 0,3 g de 10
\mug/g de patrón de Cr^{nat}(VI) y 0,3 g del trazador de
Cr^{53}(VI) (concentración nominal de 10 \mug/g) en una
botella de polietileno. La mezcla se diluyó seguidamente hasta 20 g
con agua desionizada y se usaron 70 \mul de HNO_{3} concentrado
para acidificar la solución a pH 1,7. La solución acidificada se
separó por cromatografía en forma de Cr(III) y
Cr(VI). Se midió la relación de isótopos de
Cr^{53}/Cr^{52} en la especie de Cr(VI) y se usó en el
calculo de la concentración de Cr(VI) empleando dilución
inversa de isótopos convencional. Los resultados experimentales
ratificaron que todo el Cr en el patrón de Cr^{53}(VI)
estaba en forma de Cr(VI).
Las siguientes soluciones se usaron en el método
estándar EPA RCRA 3060A para extraer Cr(VI) de matrices de
terrenos. La solución del extracto se hizo disolviendo 20 g de NaOH
(98%) y 30 g de Na_{2}CO_{3} anhidro (99,6%) en 500 ml de agua
desionizada y seguidamente se diluyó hasta 1 l.
Se recogió y se analizó una muestra de agua de
río del río Allegheny en Pittsburgh, PA. Se recogió agua corriente
del laboratorio de la universidad de Duquesne. Las muestras
analizadas para la determinación de las recuperaciones fueron
trazadas con Cr^{nat}(VI). Todas las muestras fueron
seguidamente isotópicamente trazadas con Cr^{53}(VI) y
Cr^{50}(III) y acidificadas a pH 1,7 a 2,0. Las muestras
fueron filtradas a través de membranas de filtración de nilón de
0,2 \mum (Alltech, Deerfield, IL) antes de la inyección. Las
muestras fueron analizadas antes y después de filtrar para evaluar
la conversión provocada por esta etapa en el procedimiento.
Se proporcionaron muestras de residuo del
tratamiento de menas de cromita (COPR) por la entidad Environmental
Standards, Inc. (Valley Forge, PA). Las muestras de terrenos fueron
recogidas del campo de una residencia en Pittsburgh, PA. Las
extracciones se realizaron en la placa caliente empleando sistemas
de recipientes cerrados en microondas. Se siguió el método 3060A
para extraer Cr(VI): 2,5 \pm 0,5 g de cada muestra de
sólido fueron pesados en probetas de vidrio de 250 ml y se
añadieron 50 ml de la solución de extracción de NaCO_{3} 0,8
M/NaOH 0,5 M. antes de la extracción, las muestras fueron agitadas
durante cinco minutos sin calentamiento. Las muestras fueron
seguidamente calentadas a 90-95ºC y agitadas durante
1 hora. Después de enfriar, la solución del extracto se filtró a
través de una membrana de policarbonato de 0,4 \mum (Poretics Co.,
Livermore, CA) y se ajustó a pH 7,5 \pm 0,5 usando ácido nítrico
concentrado. Se usó un conjunto de filtro de Teflón (Norton Co.)
para filtrar las muestras. Los extractos fueron seguidamente
transferidos a matraces volumétricos de polipropileno de 100 ml
(Nalgene) y se diluyeron hasta el volumen con agua desionizada. Para
el análisis mediante SIDMS, el procedimiento fue ligeramente
modificado como se expone en la sección correspondiente. Los
extractos de muestras fueron analizados también usando el método
EPA RCRA 7196A, un procedimiento calorimétrico de
UV-VIS que usa la formación de color con
difenilcarbazida (DPC).
Debido a la falta de materiales de referencia de
las especies, las muestras fueron trazadas con patrón de especies
naturales de Cr para validar la recuperación. Las muestras
seleccionadas fueron analizadas también para la determinación de
especies nativas de Cr. Para evaluar la capacidad de la SIDMS para
correlacionar la conversión de especies, después del trazador
isotópico, las muestra fueron tratadas para inducir la conversión o
se dejaron en condiciones normales sin aplicar ninguno de los
métodos para retrasar las conversiones. Las relaciones de isótopos
de cada especie fueron medidas mediante cromatografía de intercambio
aniónico/ICP-MS. Todos los datos obtenidos fueron
exportados a MS Excel y fueron tratados, y las relaciones de
isótopos con tiempos muertos corregidos y desviaciones de masas
corregidas fueron aplicadas a las ecuaciones 3-6 de
SIDMS para determinar las concentraciones iniciales de
Cr(III) y Cr(VI) y las conversiones entre ellos, así
como para separación incompleta.
Para demostrar el método de SIDMS de la presente
invención, fueron artificialmente sintetizadas muestras de agua y
fueron analizadas. Este experimento evaluó la capacidad de la SIDMS
para medir la conversión de las dos especies en una muestra
homogénea de agua con las dos especies experimentando la
transformación. Posteriormente se mezclaron patrones de una
cantidad medida de Cr^{nat}(III) y Cr^{nat}(VI) a
pH 3 para obtener una solución sintética de especies de Cr,
inmediatamente fueron doblemente trazadas con trazadores isotópicos
de Cr^{50}(III) y Cr^{53}(VI). La muestra trazada
fue dividida en tres partes alícuotas.
Como se muestra en la Figura 4, cada parte
alícuota de la muestra de agua sintética fue tratada de forma
diferente para inducir grados variables de conversiones entre
Cr(III) y Cr(VI). Se añadió KMnO_{4} a cada parte
alícuota para oxidar Cr(III). Cada parte alícuota contenía
concentraciones diferentes de KMnO_{4} para convertir cantidades
diferentes de Cr(III) en Cr(VI). Como el Cr(VI)
es inestable a pH bajo, aproximadamente una hora después de la
adición de KMnO_{4}, estas soluciones fueron acidificadas a pH 1
(ensayado usando papel para pH) con ácido nítrico concentrado para
inducir la reducción de Cr(VI).
Cada parte alícuota fue medida después de 1, 4 y
13 días de almacenamiento. La Tabla 2 recoge los resultados. Para
mostrar la diferencia fundamental entre los métodos de la presente
invención y los descritos en publicaciones anteriores que aplicaban
también dilución de isótopos en análisis de especies (Van Raaphorst,
J. G.; Haremaker, H. M.; Deurloo, P. A.; Beemsterboer, B. Anal.
Chim. Acta 1994, 286,291-296; Tanzer, D.; Heumann,
K. G. Anal. Chem. 1991, 63, 1984-1989; Heumann, K.
G.; Rottmann, L.; Vogl, J. J. Anal. At. Spectrom. 1994, 9,
1351-1355; Nusko, R.; Heumann, K. G. Anal. Chim.
Acta 1994, 286, 283-290), se emplearon tanto las
ecuaciones de la presente invención (ecuaciones
3-6) como la ecuación convencional de IDMS (Ecuación
2) para calcular las concentraciones. Usando SIDMS, se calcularon
las concentraciones de especies tanto en las soluciones originales
(en el momento del trazado) como en las soluciones finales (en el
momento de la medición). Las concentraciones en el momento de la
medición fueron los resultados que no pudieron ser obtenidos
mediante otros métodos tradicionales de especies, porque esos
métodos tradicionales son incapaces de detectar las conversiones que
se producen antes de la medición.
La Tabla 2 muestra que el método de SIDMS de la
presente invención corrigió satisfactoriamente la conversión de
cada especie. Como se muestra en las columnas 5 y 6, cada parte
alícuota experimento grados diferentes de conversión durante el
almacenamiento. Cuando se añadió menos KMnO_{4} a la parte
alícuota 1 que a la parte alícuota 2 y parte alícuota 3, solamente
una pequeña cantidad de Cr(III) se oxidó a Cr(VI).
Como el Cr(VI) es termodinámicamente inestable a pH bajo,
cuanto más largo fue el almacenamiento, fue mayor el Cr(VI)
que se redujo a Cr(III). Se apreciará que a pesar de los
diferentes grados de conversión, las concentraciones determinadas
mediante SIDMS fueron siempre cercanas a las concentraciones
verdaderas que fueron preparadas. Las columnas 7 y 8 muestran las
concentraciones reales de cada especie en el momento de la medición.
Estas concentraciones fueron calculadas a partir de las
concentraciones y conversiones verdaderas determinadas mediante
SIDMS. Cuando se comparan las concentraciones reales de cada parte
alícuota en el mismo día, se observará que estaba presente más
Cr(VI) en la parte alícuota 3 que en la parte alícuota 1.
Esta observación es congruente con la mayor cantidad de KMnO_{4}
añadida a la parte alícuota 3. Para cada parte alícuota medida en
días diferentes, las concentraciones de Cr(VI) se hicieron
inferiores durante el almacenamiento. Esto es congruente con el
hecho de que el Cr(VI) es fácilmente reducido a pH bajo.
El carácter significativo de la capacidad de la
SIDMS para determinar matemáticamente la conversión entre especies
es ilustrado comparando las concentraciones reales de la parte
alícuota 3 en un día y 13 días después del tratamiento. Debido a la
adición de KMnO_{4}, un 23,8% de Cr(III) fue oxidado a
Cr(VI) después de un día y 55,0 ng/g de Cr(III) y
83,3 ng/g de Cr(VI) serían determinados mediante los métodos
tradicionales de especies en ese día. La misma solución medida
después de 13 días mediante los mismos métodos da lugar a 72,5 ng/g
para el Cr(III) y 65,8 ng/g para el Cr(VI), con
solamente 4,1% y -4,2% de errores relativos para cada especie. No
hubo mucha conversión entre el Cr(III) y Cr(VI)
producida mediante los 13 días de almacenamiento. Basándose en el
tratamiento de las partes alícuotas, es conocido que se producían
dos reacciones separadas de redox después del trazador isotópico y
antes de la medición: la oxidación tuvo lugar después de la adición
de KMnO_{4} y la reducción se produjo durante el almacenamiento,
debido a la inestabilidad de Cr(VI) a pH bajo. Aunque los
métodos de SIDMS de la presente invención mostraron estas
transformaciones de especies, los métodos convencionales de la
técnica anterior no habrían proporcionado esta información. Según
los resultados de SIDMS, un 17,6% del Cr(III) fue oxidado a
Cr(VI) y un 22,1% del Cr(VI) fue reducido a
Cr(III) después del trazado. Como las concentraciones
iniciales de Cr(III) y Cr(VI) eran 69,67 ng/g y 68,63
ng/g, respectivamente, los errores positivos y negativos casi se
cancelaron unos a otros, dando lugar a concentraciones reales tanto
de Cr(III) como Cr(VI) en el momento de la medición
próximas a sus concentraciones iniciales en el momento del trazado.
Los métodos tradicionales de especies, que pueden medir solamente
las concentraciones de especies en el momento de la medición,
habrían conducido a conclusiones incorrectas sobre la conversión
bidireccional de especies descrita en la presente memoria
descriptiva.
El método de dilución de isótopos de especies de
la presente invención es fundamentalmente diferente de los de la
técnica anterior, que aplicaban las técnicas de dilución de isótopos
para la diferenciación de especies. En la técnica anterior, los
trazadores isotópicos para todas las especies tenían las mismas
abundancias de isótopos, y se usó la ecuación convencional de IDMS
en el cálculo de la concentración a partir de la relación de
isótopos medida de cada especie (Van Raaphorst, J. G.; Haremaker, H.
M.; Deurloo, P. A.; Beemsterboer, B. Anal. Chim. Acta 1994,
286,291-296; Tanzer, D.; Heumann, K. G. Anal. Chem.
1991, 63, 1984-1989; Heumann, K. G.; Rottmann, L.;
Vogl, J. J. Anal. At. Spectrom. 1994, 9, 1351-1355;
Nusko, R.; Heumann, K. G. Anal. Chim. Acta 1994, 286,
283-290). Aunque el límite de precisión y detección
fueron mejorados aplicando la técnica de dilución de isótopos, esos
métodos no abordaron las conversiones entre las especies. En esos
métodos, no se habría permitido que las diferentes especies se
interconvirtieran hasta que estuvieran completamente separadas. Las
columnas 9 y 10 de la Tabla 25 recogen los resultados obtenidos
usando la ecuación 2 de IDMS. Estas columnas muestran errores
sistemáticos. Cuantos mayores son las conversiones, mayores son los
errores relativos. El método de SIDMS de la presente invención, sin
embargo, tiene la capacidad de corregir las conversiones de
especies además de mejorar la precisión y los límites de detección
de la medición. Esto permite la conversión de especies y corrige
estas conversiones. Estos experimentos establecen que la conversión
entre Cr(VI) y Cr(III) hasta al menos un 80% pueden
ser corregidas exactamente.
Este ejemplo muestra que la SIDMS puede ser
usada para hacer determinaciones cuantitativas que son exactas a
pesar de la degradación, pérdida de muestras o conversión. El método
emplea ventajosamente la determinación matemática al efectuar esta
determinación.
El método de SIDMS de la presente invención ha
sido aplicado a la determinación de Cr(VI) en muestras reales
de agua natural. En este experimento, se recogieron muestra reales
de agua natural del río Allegheny (Pittsburgh, PA), agua corriente
regular (potable) (Pittsburgh, PA), y agua desionizada. Después de
la recogida, cada muestra fue dividida en dos partes alícuotas sin
filtrar con el fin de mantener todos los componentes de la matriz
en las muestras. Se usó una parte alícuota para la determinación de
la concentración nativa de Cr(VI). La otra parte alícuota
fue inmediatamente trazada con el patrón de Cr^{nat}(VI)
para conseguir una solución que tenga aproximadamente 50 ng de
Cr(VI) por g de solución. Las dos partes alícuotas fueron
seguidamente trazadas con trazadores isotópicos de
Cr^{50}(III) y Cr^{53}(VI) y se mezclaron a fondo.
Las concentraciones tanto de Cr^{50}(III) como de
Cr^{53}(VI) fueron de aproximadamente 50 ng/g. Después del
trazado isotópico, todas soluciones fueron acidificadas a pH 1,7 a
2,0 con ácido nítrico concentrado para evitar la pérdida de
Cr(III) durante el almacenamiento (CETAC Cr speciation
Booklet; Wiederin, D., Gjerde, D., Smith, F., Eds.; CETAC
Corporation: Omaha, NE, 1994, pág. 25). Las muestras preparadas
fueron almacenadas a temperatura ambiente durante un día antes de la
medición.
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La Tabla 3 recoge los resultados de las seis
muestras de agua preparadas. Según las mediciones y los cálculos de
SIDMS, la mayor parte del Cr(VI) en el agua de río y agua
potable se convirtió en Cr(III) durante un día de
almacenamiento. El Cr(VI) trazado en el agua desionizada, sin
embargo, permaneció bastante estable. Como un ejemplo, un 40,6% y
un 30,2% del Cr(VI) en las muestras de río fue reducido a
Cr(III); solamente un 4,2 y un 4,1% del Cr(VI) en
agua desionizada fue reducido durante el mismo período. Esto indica
que el agua de río y el agua potable contenían componentes
reductores en sus matrices que reducían Cr(VI) a
Cr(III) en la solución acidificada. Basándose en esta
información, solamente 35,7 ng/g del Cr^{nat}(VI) en la
muestra de río quedaba en el momento de la medición, que era
bastante inferior a la concentración trazada real de 50,8 ng/g.
Estos 35,7 ng/g es la concentración que sería informada mediante los
métodos tradicionales de medición de especies, suponiendo que no se
produjera una conversión adicional de especies durante la medición
con esos métodos. Usando el método de SIDMS de la presente
invención, pueden ser determinadas exactamente las concentraciones
del Cr(VI) en el momento del trazado y en el momento de
la
medición.
medición.
El COPR se conoce que contiene niveles elevados
de Cr(VI) y Cr(III) (James, B.R.; Petura, J. C.;
Vitale, R. J.; Mussoline, G. R. Environ. Sci. & Tech. 1995,
29,2377-2381; Vitale, R. J.; Mussoline, G. R.;
Peura, J. C.; James, B. R. J. o Environ. Qual. 1994, 23,
1249-1256; Vitale, R. J.; Mussoline, G. R.; Petura,
J. C.; James, B. R. Am. Environ. Lab. 1995, 7, 1). Para extraer la
muestra, se empleó el método EPA 3060A. Este método fue
desarrollado para extraer Cr(VI) de terreno y otros residuos
sólidos con una solución alcalina caliente que consistía en
Na_{2}CO_{3} 0,28 M y NaOH 0,5 M. Después de la digestión, los
extractos de muestras fueron filtrados y ajustados a pH 7,5\pm0,5
con ácido nítrico concentrado y diluido hasta 100 ml. Se usaron dos
métodos para cuantificar el Cr(VI) extraído. Uno era el
método de SIDMS de la presente invención, el otro era el método EPA
7196, que había sido seleccionado como un método de detección en el
método EPA 3060A. Según el método 7196A (método
SW-846 EPA 3060A: digestión alcalina de cromo
hexavalente, método de ensayo para evaluar un residuo sólido,
actualización 3; Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU.;
Washington, DC, 1997), los extractos fueron analizados añadiendo
SPC y el pH de la solución fue ajustado de 1,6 a 2,2 usando
H_{2}SO_{4} concentrado (calidad de metal residual, Fisher). El
Cr(VI) reacciona con DPC para producir un complejo
rojo-violeta que puede ser medido por
espectrometría
a 540 nm.
a 540 nm.
Varias etapas pueden provocar problemas en la
determinación de Cr(VI) usando la pareja de métodos 3060A y
71964A. Durante la extracción, el Cr(III) puede ser oxidado a
Cr(VI). En segundo lugar, el Cr(VI) puede ser
reducido a Cr(III) durante el ajuste del pH de 12 a 7,5. En
tercer lugar, los componentes reductores coexistentes en las
muestras pueden provocar una baja recuperación de Cr(VI)
usando el método 7196A (método SW-846 EPA 7196A;
cromo hexavalente, colorimétrico), métodos de ensayo para evaluar
residuos sólidos, 3ª ed. , agencia de protección del medio ambiente
de EE.UU.; Washington, DC, 1996). Como los trazadores isotópicos
fueron preparados en forma de soluciones acuosas, el procedimiento
de extracción no fue evaluado con el presente método de SIDMS. El
procedimiento de neutralización fue evaluado para muestras de
terrenos y muestras de terrenos que sufren efectos de matrices
reductoras mucho más graves que otras muestras. Solamente la
cuantificación mediante el método 7196A fue evaluada frente al
presente método de SIDMS para muestras de COPR.
Después de una extracción, filtración y ajuste
del pH, cada extracto fue dividido en dos partes alícuotas. Una
parte alícuota fue neutralizada a pH 7,5\pm0,5 y fue usada para la
determinación mediante el método 7196A, la otra parte alícuota fue
doblemente trazada con Cr^{50}(III) y Cr^{53}(VI)
y acidificada a pH 1,7 a 2,0 para la determinación mediante SIDMS.
La Tabla 4 muestra los resultados para tres muestras de COPR
cuantificadas mediante ambos métodos. Estas muestras abarcan el
intervalo de concentraciones bajas, medias y elevadas de
Cr(III). Debido a la heterogeneidad de las muestras, la
precisión para las repeticiones de cada muestra no fue como era
deseado para ambos métodos. Como consecuencia, se repiten los
resultados para cada uno y se obtiene la desviación típica (SD).
Comparando los resultados de cada repetición, ambos métodos
proporcionan resultados comparables. Por lo tanto, para muestras de
COPR, el presente método de SIDMS proporciona resultados
equivalentes al método 7196A para extractos de Cr(VI) usando
la extracción 3060A.
El método de SIDMS de la presente invención
proporciona información sobre la influencia de los efectos de la
matriz sobre estabilidad del Cr(VI) en los extractos
acidificados. El método de SIDMS de la presente invención permite
también la validación de los métodos de EPA ya que es un método
independiente que permite la determinación de la cantidad de
Cr(III) y Cr(VI) que ha sido o no ha sido convertida.
Los extractos de COPR1 isotópicamente trazados fueron medidos nueve
días después del trazado y se redujo un 9,1\pm1,5% de
Cr(VI). Los extractos de COPR3 fueron medidos un día después
del trazado y, se redujo un 60,0\pm8,0% de Cr(VI). Los
extractos de COPR4 fueron medidos también un día después del
trazado, y se redujo un 14,5\pm1,6% de Cr(VI). Cuanto
menor era la concentración nativa de Cr(VI), más rápidamente
se producía la reducción de Cr(VI) en los extractos
acidificados. En el experimento, para controlar la concentración de
Cr(VI) en la solución final hasta un valor apropiado, 50
ng/g a 150 ng/g, los tamaños de las muestras variaron dependiendo de
la concentración nativa de Cr(VI). Suponiendo que todas
estas muestras tenían el mismo nivel de matriz reductora, la
solución final de la muestra con concentración baja debía contener
más de los componentes reductores de la matriz. El COPR3 mostró una
reducción más rápida de Cr(VI). Se cree que los componentes
reductores de la matriz no afectaron al método 7196A porque la
selectividad del método 7196A es suficientemente elevada para estas
muestras. La disminución de la concentración de analito y el
aumento de la concentración de la matriz puede mostrar diferencias
entre el presente método y el método 7196A, ya que se encontró que
esto era cierto con las muestras complejas de terreno. Los
extractos de terrenos trazados con Cr(VI) natural fueron
usados para demostrar la posible desviación del método 7196A en la
cuantificación de Cr(VI) cuando la matriz producía
desviaciones significativas en desplazamientos de especies de cromo
e interferencias del método directo en el método 7196A.
Se analizó un terreno de superficie recogido de
un campo. La muestra fue secada a 105ºC durante cuatro horas,
seguidamente se retiraron manualmente las raíces de plantas y otras
partículas grandes. Después de estos tratamientos, la muestra fue
sellada en bolsas de polietileno y almacenada en un ambiente frió
(4ºC). No fue evaluada la posible alteración de especies de Cr
durante el secado, ya que los niveles nativos verdaderos de especies
de Cr no eran una preocupación en este experimento. Las muestras
fueron tratadas según el método 3060A. El procedimiento después de
la extracción fue alterado respecto al método de SIDMS de la
presente invención, para identificar la posible conversión de
Cr(VI) durante el ajuste del pH y las etapas de
cuantificación del método 7196A. Fueron diseñados dos experimentos
para comparar las SIDMS y el método EPA 7196A en la cuantificación
de Cr(VI) en extractos de terrenos. El primer experimento
mostró la desviación sistemática en el método 7196A. El segundo
experimento identificó las fuentes de desviación empleando SIDMS
como herramienta de diagnóstico. El gráfico de flujo de la figura 5
es el procedimiento para el segundo experimento. En el primer
experimento, solamente se prepararon las soluciones D y F de la
Figura 5 para comparar SIDMS y el método 7196A.
El primer experimento comparó el método 7196A y
la SIDMS (el método de la presente invención) usando cuatro
muestras. Las muestras 1 a 4 contenían extractos de terrenos
diferidos a partir de 0,153, 3,06 y 3,12 g de terreno. Después de
la extracción con el método 3060A, cada muestra fue trazada con
Cr^{nat}(VI) de forma que cada una contuviera 2,997,
3,033, 1,993 y 1,587 \mug de Cr(VI) por g de solución
respectivamente. Por tanto, la relación de la matriz (unidad: g de
terreno) a Cr(VI) (unidad: \mug de Cr/g) para cada muestra
fu de aproximadamente 0,05, 1,0 y 2,0. Se usaron diversas cantidades
de terreno con el fin de asegurar que los extractos tenían
diferentes niveles de matriz. Se tomaron muestras de una parte del
extracto trazado para un análisis por SIDMS, y el resto de la
solución de extracto fue ajustado a pH 7,5\pm0,5 con ácido nítrico
concentrado según el método 3060A. Los extractos de pH ajustado
fueron seguidamente analizados mediante el método 7196A. Como se
muestra en la Figura 5, la solución F fue analizada mediante SIDMS y
la solución D fue analizada mediante el método 7196A.
Las recuperaciones de cada método son mostradas
en la Figura 6, que compara la influencia de la matriz de terreno
sobre la recuperación de Cr(VI) determinada mediante el
método 7196A y el método de SIDMS de la presente invención. La
muestra 1 no contenía una matriz de terreno y las recuperaciones de
Cr(VI) obtenidas a partir de ambos métodos estaban en
consonancia uno con otro y eran próximas a un 100%. Sin embargo,
como se muestra en la figura 6, la matriz de terreno provocó
concentraciones bajas de Cr(VI) usando el método 7196A.
Cuanto mayor era la relación de matriz de terreno para
Cr(VI), esto suponía que menor era la recuperación de
Cr(VI). Las muestras 2 a 4 contenían cantidades crecientes
de matriz de terreno. Según el método 7196A, después de la adición
DPC a la muestra, la solución fue acidificada a pH
1,6-2,2 para producir un complejo color violeta
medible. La reacción de coloración supone la oxidación simultánea de
PC a difenilcarbazona, la reducción de Cr(VI) a
Cr(III) y la quelación del Cr(III) por
difenilcarbazona (Dionex en Dionex Ion Chromatography Recipe Book;
Dionex Corporation: Sunnyvale, CA, 1990; Vol. Technical Note 26, pág
7). A un pH elevado de 12, el Cr(VI) es bastante estable,
por lo que los reductores que coexisten en los extractos de terreno
no redujeron el Cr(VI). Sin embargo, cuando la solución fue
acidificada, los reductores de la matriz de terreno compitieron con
la DPC para reducir el Cr(VI). Algún Cr(VI) no pudo
reaccionar con la DPC para formar el producto color violeta que es
medido mediante el método UV-VI. Como consecuencia,
dado que algo de Cr(VI) no formo el producto medible, el
método dio lugar a una baja recuperación. Una observación detallada
de esta desviación ha sido descrita en otro lugar (Lu, Y.; Huo, D.;
Chalk, S.; Kingston, H. M. "Identification of Cr(VI) Biases
in EPA Method Pairs 3060A and 7196A" en progreso).
El método de SIDMS de la presente invención
indicó la mayor fuente de desviación en la cuantificación de
Cr(VI) en estas muestras usando el método 7196A y corrigió
estas conversiones. En el método de SIDMS las soluciones de
muestras fueron isótopicamente trazadas antes de la acidificación.
Aunque la solución de muestras isótopicamente trazadas fueron
acidificadas a un pH bajo de 1,7 a 2,0, la reducción de
Cr(VI) provoca que la matriz de terreno fuera
satisfactoriamente corregida, porque cualquiera de las conversiones
que se produjeron después del trazado pudieron ser corregidas
mediante SIDMS. La reducción de Cr(VI) se produjo rápidamente
después de la acidificación para algunas muestras. Las Figuras
7(a) a 7(c) son los cromatogramas de la muestra 4
(Figura 6). Las figuras 7(a)-7(c)
ilustran la muestra inmediatamente después de la acidificación de la
muestra trazada. Las figuras 7(b) y 7(c) fueron
adquiridas seis y dieciséis minutos después de la acidificación.
Estas figuras representan gráficamente solo el isótopo Cr^{53},
que era principalmente del trazador de Cr^{53}(VI) en esta
muestra. Se observa que el Cr(VI) fue reducido muy
rápidamente después de la acidificación. A partir de las Figuras
7(a) a 7(c), un 4,5%, 20,2% y 28,1% de Cr(VI)
fue reducido a Cr(III). Las concentraciones corregidas de
Cr(VI) fueron 166, 169 y 170 ng/g, respectivamente, de forma
congruente con la concentración verdadera de Cr(VI) trazado
en los extractos de terreno, que era de 170,9 ng/g.
El método de SIDMS de la presente invención
puede ser usado como una herramienta de diagnóstico y validación
para verificar las especies. Para hacer esto, las muestras fueron
isotópicamente trazadas antes y después de un tratamiento. Como un
ejemplo, en el segundo experimento, los extractos de terreno fueron
isotópicamente trazados (muestras C y F) y después (muestras B y E)
del ajuste del pH para verificar la posible alteración de las
especies durante el ajuste del pH. La figura 5 muestra los
procedimientos que se siguieron en este experimento. Las muestras
A, B, y C fueron usadas para determinar el Cr(VI) nativo. Las
muestras D y F fueron usadas para determinar la recuperación de
Cr(VI). Las muestras A, B, D y E fueron obtenidas siguiendo
el método de extracción EPS 3060A, en el que es necesaria una etapa
de ajuste del pH. Los métodos C y F omitían la etapa de ajuste del
pH, fueron sometidas directamente a SIDMS. Para comparar los
resultados, todos los números mostrados en la Tabla 5 fueron los de
los extractos originales. Cuando se comprara con los resultados
obtenidos usando el método de SIDMS de la presente invención, es
evidente la desviación del método 7196A. Según el método 7196A, el
Cr(VI) nativo en la muestra analizada no fue detectado (A).
Sin embargo, el método de SIDMS de los resultados de la presente
invención (B y C) indicó la existencia de Cr(VI) nativo en la
muestra. El Cr(VI) puede no haber sido detectado mediante el
método 7196A debido a que el límite de detección del método 7196A no
ha sido suficientemente bajo, o los componentes reductores de la
matriz pueden haber interferido con la medición. El límite de
detección del método 7196A es 0,01 \mug/g y el Cr(VI)
nativo en los extractos es 0,08 \mug/g, excluyendo la primera
posibilidad.
Como se muestra en el primer experimento, la
reducción de los componentes de la matriz del terreno permitió una
mejor recuperación de Cr(VI) usando el método 7196A: cuanto
mayor era la matriz, menor era la recuperación. Para la
determinación de Cr(VI), incluso aunque la concentración de
Cr(VI) puede ser suficientemente elevada para la
cuantificación de soluciones limpias, puede no ser detectada en
extractos de terrenos u otras matrices reductoras. En la
recuperación del Cr(VI) trazado determinada mediante el
método EPA 7196A (muestra D), la matriz de terreno más elevada
tenía solamente un 71,6%, indicando así la importancia del efecto de
la matriz. Basándose en este análisis, aproximadamente 57 \mug de
Cr(VI) no fueron detectados en esta muestra con el método
EPA 7196A, lo que era mucho mayor que el Cr(VI) nativo en los
extractos de terrenos. Por lo tanto, el efecto de la matriz con el
método EPA 7196A da lugar a una infraestimación del Cr(VI),
lo que es un defecto peligroso para los fines de evaluación de la
toxicidad. El método de SIDMS de la presente invención mejora la
cuantificación de Cr(VI) al menos en dos aspectos: (a)
limites de detección inferiores y (b) la capacidad de corregir las
conversiones de especies, que proporciona una medición más exacta y
reproducible.
El método de SIDMS de la presente invención
identificó y corrigió satisfactoriamente la reducción de
Cr(VI) que se produjo en la etapa de neutralización. Las
recuperaciones de la muestra F y muestra E fueron 99,3% y 95,2%,
respectivamente. Si se usaron los criterios (85%~115% de
recuperación) especificados en el método 7196, un 95,2% estaba
dentro de la especificación. Como las concentraciones de
Cr(VI) encontradas en R y F son significativamente
diferentes, es importante identificar las fuentes que provocan la
diferencia. Como se muestra en la Tabla 5, no se encontró
Cr(VI) en F, pero se detectaron 5,1\pm3,3 \mug de
Cr(III) en E. Si está cantidad de Cr(III) es tratada
como el Cr(VI) reducido, la cantidad total de Cr(VI)
en estas dos soluciones es comparable. Por lo tanto, la reducción
de Cr(VI) se produjo durante el ajuste del pH. La
determinación de Cr(VI) nativo en B y C apoya también esta
conclusión de que el Cr(VI) nativo detectado mediante el
método de SIDMS con trazador isotópico antes y después del ajuste
del pH era de 9,5 y 7,7 \mug, respectivamente. Aunque estos dos
números no son significativamente diferentes al nivel de confianza
del 95%, es razonable observar una concentración inferior obtenida
trazando la muestra después del ajuste del pH en lugar de antes,
debido a la matriz reductora. Consecuentemente, trazando
isotópicamente la muestra en diferentes fases, puede ser
identificada la alteración de las especies en cada etapa. Los
métodos tradicionales no pueden hacer esto porque solamente pueden
determinar la concentración de especies en las soluciones finales
tratadas.
Al contrario que los métodos tradicionales para
especies que retienen una separación completa, el método de SIDMS
de la presente invención permite la separación incompleta de las
especies. La resolución incompleta de las especies da lugar a
mezclas de especies que están siendo detectadas simultáneamente como
una especie mediante ICP-MS. En los métodos
tradicionales, la separación incompleta interfiere con una medición
exacta. Sin embargo, la SIDMS trata las especies sin disolver o
conjuntamente eluidas como si se hubieran interconvertido. Las
mismas ecuaciones de SIDMS que calculan las concentraciones
iniciales de especies en el momento del trazado pueden corregir
también la separación incompleta. Esta capacidad permite que se usen
condiciones experimentales suaves en la separación y evita el uso
necesario de condiciones extremas para conseguir la separación del
100% requerida por otros métodos para especies. Si hay una
separación incompleta en el presente método de SIDMS, la cantidad
de conversión incorporará tanto la conversión como la separación
incompleta de las especies.
Para confirmar que el método SIDMS de la
presente invención puede corregir la separación incompleta de las
especies, se hizo una preparación reciente de una solución acuosa
doblemente trazada de Cr(III) y Cr(VI) usando los
procedimientos previamente descritos en la presente memoria
descriptiva. Esta muestra sintética contenía 1495 ng/g de
Cr^{nat}(VI), 1499 ng/g de Cr^{53}(VI), 1517 ng/g
de Cr^{nat}(III) y 1584 ng/g de Cr^{50}(III). En
este experimento, la salida de la columna estaba desconectada de la
ICP-MS y el eluato fue recogido en tubos de ensayo
de polipropileno de 10 ml. La muestra sintética fue inyectada en la
columna para la separación, pero cada vez una fracción diferente
del eluato fue recogida como Cr(III) y el resto como
Cr(VI), ajustando un punto de tiempo de división diferente.
Esto dio lugar a una separación incompleta. La Figura 8 muestra el
cromatograma en el que el eluato de 10-40 segundos
fue recogido como Cr(III) y el de 40 segundos a 10 minutos
fue recogido como Cr(VI). Algo de Cr(III) fue
detectado como Cr(VI). El punto de tiempo de división para
este par de fracciones fue de 40 segundos. Fueron seguidamente
obtenidos los conjuntos de soluciones con puntos de tiempo de
división diferentes y dieron lugar a grados diferentes de separación
incompleta. Después la recogida, cada fracción fue diluida hasta
aproximadamente 10 ml con HO_{3} 0,06 M, y las relaciones de
isótopos fueron medidas mediante ICP-MS usando el
modo de aspiración directa.
Las Figuras 9(a) y 9(b) muestran
la concentración total real de Cr en cada recipiente así como las
concentraciones de Cr(III) y Cr(VI) corregidas en
cuanto a la separación incompleta. Las concentraciones verdaderas
indicadas en las figuras son diferentes de las descritas en el
párrafo anterior. Esto es debido a la dilución. Por ejemplo, como
el volumen de inyección era de 50 \mum y el eluato recogido fue
diluido hasta 10 ml, el factor de dilución era 200. Como la
concentración original de Cr^{nat}(III) era 1517 ng/g, si
todo el Cr(III) era separado del Cr(VI), la
concentración de Cr^{nat}(III) en el recipiente de
Cr(III) debería ser 7,58 ng/g. Este número fue tratado como
la concentración verdadera porque la solución diluida fue usada en
la medición de las relaciones de isótopos. Debido al efecto de
dilución, el número de la concentración original de cada especie,
del trazador tanto estándar natural como isotópico, fue dividido
por 200.
A pesar de la separación incompleta, las
concentraciones tanto de Cr^{nat}(III) como de
Cr^{nat}(VI) fueron satisfactoriamente deducidas con una
buena precisión. En las figuras 9(a) y 9(b), las
columnas ensombrecidas son las concentraciones iniciales
corregidas. Las columnas negras son las concentraciones reales de Cr
recogido. Las concentraciones reales son los números que serían
expresados mediante otros métodos convencionales para especies.
Normalmente, cuanto más largo sea el tiempo de recogida para
Cr(III), mayor es la concentración de Cr detectado como
Cr(III) y menor la concentración de Cr detectado como
Cr(VI). A pesar de los diferentes grados de separación, la
concentraciones deducidas usando el método de SIDMS de la presente
invención estaban siempre en consonancia con las concentraciones
verdaderas en el momento del trazado, después de la corrección en
cuanto al factor de dilución. En las figuras 9(a) y
9(b), están indicados también los intervalos de confianza de
95% de las concentraciones recogidas, pero no pueden ser observados
debido a la elevada precisión de los resultados. En este conjunto
de datos, las desviaciones típicas relativas (RSD) estaban dentro
del intervalo de 0,12% a 0,48%. Para la última recogida, cuando el
punto del tiempo de división era de 90 segundos, había solamente un
27% de Cr^{nat}(VI), que correspondía a 2,01 ng/g de
Cr^{nat}(VI), que fue recogido como Cr(VI), y las
RSD para Cr(III) y Cr(VI) fueron 0,38% y 0,41%
respectivamente.
Un uso adicional del presente método de SIDMS es
en la validación de más métodos eficaces para la extracción o
separación, que actualmente no son utilizables ya que no separaban
completamente separados o conservaban completamente las especies.
Por ejemplo, las extracciones con microondas en recipientes cerrados
a temperaturas superiores a las que se puede conseguir a presión
atmosférica son más eficaces, pero si se conoce que se produce una
degradación, entonces no podría ser usada esta extracción más eficaz
mediante los métodos tradicionales para especies que requieren una
retensión completa de las especies. Otros métodos requieren la
conservación de las especies, mientras que el método de SIDMS de la
presente invención puede optimizar la eficacia y la corrección de
la degradación, para aumentar la eficacia y la productividad de los
métodos de análisis. Un ejemplo es la extracción más rápida, que
tiene alguna degradación que es permitida mediante SIDMS, pero que
no puede ser usada por otros métodos, ya que las transformaciones de
especies son interpretadas en estos métodos como desviaciones y
errores, pero que en la SIDMS son métodos de separación eficaces que
tienen alguna corrección que pueda ser necesaria.
Un ejemplo de la eficacia ganada a través de la
SIDMS de la presente invención cuando es aplicado a la separación
de especies, en comparación con el método estándar EPA 3060A, es el
método de extracción hecho en una placa caliente y en un sistema de
extracción de microondas. La oxidación de Cr(III) a
Cr(VI) puede tener lugar en soluciones de pH elevado, y la
extracción 3060A del método EPA requiere un pH de 11,5 a 12 para una
extracción eficaz de Cr(VI). En estas soluciones de pH
elevado, el Cr(III) puede ser oxidado a Cr(VI) si
están presentes algunos oxidantes. El procedimiento estándar
requiere que la solución de extracción (NaOH 0,5 M y
Na_{2}CO_{3} 0,28 M) esté mantenida a una temperatura elevada
entre 90º y 95ºC durante 60 minutos. La ventaja de eficacia es
demostrada usando una extracción con microondas en un recipiente
cerrado a temperaturas superiores durante períodos de tiempo más
cortos con la misma cantidad de oxidación de Cr(III) a
Cr(VI). Fueron añadidos aproximadamente 200 \mug de
Cr(III) a un recipiente de Teflón cerrado para microondas o
una probeta y se realizó casi el mismo procedimiento de extracción
(calentamiento a 92ºC durante 60 minutos). La oxidación de
Cr(III) se observó para la totalidad de estos tres sistemas
(Figura 10) mostrando un 5,6% de oxidación de Cr(III) para el
método de placa caliente estándar (barra 1). Sin embargo, solamente
se produjo una oxidación de 1,7% de Cr(III) en el sistema de
microoondas de recipiente cerrado que calentaba a 92ºC durante 60
minutos con atmósfera de gas argón (barra 2) o con aire (barra 3).
La extracción con microondas a una temperatura superior de 120ºC
durante 60 minutos (barra 4) demuestra una extracción similar, pero
menor oxidación. Sin embargo, puede ser conseguida una extracción
similar en solamente 10 minutos usando 150ºC (barra 5) en un sistema
de recipiente cerrado en microondas con aproximadamente la misma
cantidad de oxidación. Se apreciará que en un sistema de microondas
cerrado empleado para una oxidación, la extracción puede ser
realizada en aproximadamente 5 a 30 minutos, preferentemente,
aproximadamente 10 a 20 minutos. Esto se hace preferentemente a una
temperatura de aproximadamente 90ºC a 150ºC y preferentemente de
aproximadamente 135ºC a 150ºC. En cada caso se produce la oxidación
y es corregida, pero en cada caso puede ser corregida usando el
método de SIDMS de la presente invención. Pueden ser usados otros
métodos eficaces de extracción con SIDMS como el método de detección
con una corrección de estas transformaciones que se producen
durante el procedimiento de separación.
Las pérdidas de componentes de especies
insolubles pueden ser corregidas mediante el uso de los métodos de
SIDMS de la presente invención. Por ejemplo, el dicromato de potasio
(K_{2}CrO_{4}) es altamente soluble, pero tanto el cromato de
bario (BaCrO_{4}) como el cromato de plomo (PbCrO_{4}) son
formas relativamente innobles de compuestos de Cr(VI). En
los experimentos se añadieron 0,0244 g de BaCrO_{4} que contenía
501 \mug de Cr(VI) y 0,017 g de PbCrO_{4} que contenía
2790 \mug de Cr(VI) a muestras que iban a ser extraídas
usando el método 3060A. El cromato de plomo es soluble en la
solución básica usada en la solución de extracción estándar,
probablemente como Pb(OH)_{4}^{-2}. Se encontró
que las formas tanto solubles en agua como innobles en agua de
Cr(VI) eran extraídas mediante el método EPA 3060A, pero que
cuando se hizo una neutralización a pH 7,5 al final de la
extracción, cuando era necesario, la mayoría de las formas
insolubles de Cr(VI) eran separadas de la solución con el
material de la muestra filtrada. Esto produciría errores
significativos en los métodos tradicionales, ya que la parte
separada de la solución en forma insoluble no sería medida en
absoluto. Para ilustrar la cantidad de Cr(VI) en solución en
forma de CrO_{4}^{-}, se hicieron experimentos con iones para
observar cuándo comenzaría la precipitación de CrO_{4}^{-}. El
error que se producía en otros métodos de recuperación total sería
diferente dependiendo de la cantidad de PdCrO_{4} en la muestra.
La precipitación en la solución de extracción del método conocido
EPA 3060A depende de la cantidad total de compuestos de cromatos
insolubles presentes.
Si permanecía suficiente Cr(VI) en
solución para un análisis mediante los métodos de SIDMS de la
presente invención y el trazador de especies isotópicas y el
componente natural estaban equilibrados durante el tiempo, los
compuestos eran insolubles a un pH elevado de 11,5 a 12, y las
mediciones mostraron una corrección de la recuperación del 100% y
proporcionaron valores correctos para las concentraciones verdaderas
de Cr(VI) en las muestras originales. Esto es una
demostración adicional de la capacidad única de la SIDMS para hacer
determinaciones exactas incluso con separaciones incompletas.
Como el análisis de muestras para la exactitud
de las concentraciones de especies requiere materiales de referencia
estándar analizados y certificados para la composición de especies
individuales, el uso de SIDMS permite la preparación de una
evaluación exacta de patrones de especies y su certificación. Los
materiales de referencia estándar deben ser almacenados y
transportados a sus destinos para hacer que su uso sea práctico.
Deben representar a también los materiales naturales reales que se
encuentran en la naturaleza con la totalidad de las complejidades
normales, como la interconversión de especies reactivas, fracciones
insolubles y extracciones y separaciones difíciles. En la
preparación y el almacenamiento de estos materiales, debe haber una
forma de evaluarlos exactamente sin desviaciones debidas (a) al
método de análisis, o (b) a los componentes de la matriz o (c) a la
degradación o (e) a la conversión del material de la especie. Estos
patrones deben ser preparados con trazadores de especies que
permitan analizarlos usando los métodos de SIDMS de la presente
invención. Esto permite también usarlos después de que se haya
producido alguna interconversión durante el almacenamiento,
condiciones de transporte o interacciones con los componentes de la
matriz. Si son proporcionadas la concentración inicial y la
información isotópica para el trazador de especies, el patrón puede
ser analizado usando los métodos de SIDMS y pueden ser hechas las
correcciones para las desviaciones del procedimiento. Esta
combinación de SIDMS y preparación estándar proporciona una nueva
herramienta significativa que hará posible la validación de otros
métodos. Justo como los errores en la muestra, como los terrenos,
han sido demostrados en la presente memoria descriptiva para los
métodos EPA 3060A y 7196A, podrían ser evaluados y validados cuando
se producen desviaciones en el terreno o cuando no se provoca
ninguna desviación por el método, como en el caso de las muestras de
COPR. El acoplamiento de esta técnica a la preparación y evaluación
estándar puede ser empleado para validar otros métodos y asegurar
la validez de los patrones de especies.
Los patrones por sí mismos son menos vulnerables
a los errores cuando los desplazamientos se producen en una
composición de especies durante la preparación, almacenamiento,
desplazamiento o evaluación del método. Las desviaciones inherentes
en el material o los métodos pueden ser corregidas y seguidamente
pueden ser preparados métodos que ayuden a las determinaciones de
la calibración y exactitud de otros métodos.
La presente invención puede ser empleada también
con una especie insoluble. Por ejemplo, el cromato de plomo es
soluble solamente en una etapa de separación, pero seguidamente
puede ser analizado por completo debido a la solubilidad residual
después de que la mayor parte haya entrado en solución.
El fundamento teórico y los datos experimentales
proporcionados en la presente memoria descriptiva apoyan la
eficacia de los métodos de SIDMS de la presente invención. Usando el
método de SIDMS, pueden ser eficazmente corregidas la conversión y
la separación incompleta de las especies. La SIDMS proporciona
también una herramienta valiosa para la conversión de especies
residuales durante todo el procedimiento de preparación/análisis de
las muestras. Las especies nuevas e intermedias pueden ser evaluadas
en cuanto a su carácter significativo en las transformaciones de
las especies. Pueden ser empleadas múltiples formas de trazadores de
especies para algunas especies. Este método proporciona una
herramienta de diagnóstico que permite la validación de otros
métodos de especies, y proporciona datos fiables para la medición de
las especies.
Se apreciará que los métodos de la presente
invención permiten una medición de la dilución de isótopos de
especies incluso con una separación incompleta de la especies. En la
presente invención, no es necesaria una separación de 100 por
ciento. Generalmente será preferido que se separe al menos un 5 por
ciento y lo más preferente al menos un 10 por ciento de la especie.
La invención puede tolerar que no se separe o que se pierda hasta
aproximadamente 90 a 95 por ciento de una especie. Si va a ser
medida una única especie, se efectúa la separación de la muestra
que contiene la especie. Si va a ser medida más de una especie, cada
especie será separada preferentemente tanto de la muestra que
contiene las especies como de cada una de las otras especies. Esto
es de aplicación a la forma tanto natural como trazada de cada
especie a partir de la forma natural y trazada de otras especies.
No hay necesidad tampoco de tener una parte igual de cada especie
que vaya a ser medida.
Aunque por motivos de claridad de la
descripción, en la presente memoria se ha recalcado los usos
medioambientales de la presente invención, la invención no está
limitada a ello. Numerosos usos adicionales, como procedimientos
industriales o de tratamiento y almacenamiento de alimentos, por
ejemplo, serán evidentes para los expertos en la técnica.
Por lo tanto, se apreciará que el método de la
presente invención proporciona una cuantificación exacta por
espectrometría de masas de dilución de isótopos de especies para una
o más especies. Esto se hace de una manera válida y fiable que está
adaptada para compensar la conversión y/o separación incompleta de
las especies. También facilita la validación de otros métodos y la
preparación y análisis de materiales de referencia estándar de
especies.
Aunque han sido descritas realizaciones
particulares de la invención con anterioridad para fines de
ilustración, será evidente para los expertos en la técnica que
pueden hacerse numerosas variaciones de los detalles sin apartarse
de la invención como se define en las reivindicaciones anejas.
Claims (31)
1. Un método de medición de la dilución de
isótopos de especies de una muestra, que comprende:
- \quad
- proporcionar una pluralidad de isótopos estables predeterminados;
- \quad
- preparar un trazador isotópico diferente para cada especie que va a ser medida, convirtiendo cada dicho isótopo estable en un isótopo enriquecido una en especie correspondiente a la especie que va a ser medida en dicha muestra;
- \quad
- trazar la muestra que contiene dicha especie que va a ser medida;
- \quad
- equilibrar dicha especie isotópicamente trazada con dicha especie que va a ser medida;
- \quad
- separar solamente una parte de dicha especie de dicha muestra con el fin de efectuar una separación incompleta;
- \quad
- hacer determinaciones de relaciones de isótopos para cada dicha especie que va a ser medida, deduciendo matemáticamente dicha concentración de especies usando dichas relaciones de isótopos determinadas y, si se ha producido una conversión de especies, corregir en cuanto a la conversión de especies; y
- \quad
- efectuar dicha deducción matemática mientras se corrige en cuanto a dicha separación incompleta de dicha especie de dicha muestra tratando la parte incompletamente separada de dicha especie como si se hubiera producido la conversión de especies.
2. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho método en más de una de dichas especies que van a ser medidas simultáneamente.
3. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 2, que incluye:
- \quad
- emplear dicho método para cuantificar Cr(III) y Cr(VI).
4. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 2, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha deducción matemática empleando las siguientes fórmulas:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
en
donde
R^{III}_{53/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{53} a Cr^{52} de Cr(III) en la muestra
trazada,
R^{VI}_{50/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{50} a Cr^{52} de Cr(VI) en la muestra
trazada,
R^{VI}_{53/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{53} a Cr^{52} de Cr(VI) en la muestra
trazada,
R^{III}_{50/52} es la relación medida de
isótopos de Cr^{50} a Cr^{52} de Cr(III) en la muestra
trazada,
^{50}A_{x} es la fracción atómica natural de
Cr^{50} en la muestra,
Cr^{III}_{x} es la concentración de
Cr(III) en la muestra (\mumol/g, desconocida),
W_{x} es el peso de la muestra en gramos,
^{50}A^{III}_{s} es la fracción atómica de
Cr^{50} en el trazador isotópico: Cr^{50}(III),
Cr^{III}_{s} es la concentración de
Cr(III) en el trazador de Cr^{50}(III)
(\mumol/g),
W^{III}_{s} es el peso del trazador en
Cr^{50}(III) en gramos,
C_{x}^{VI} es la concentración de
Cr(VI) en la muestra (\mumol/g, desconocida),
\alpha es el porcentaje de Cr(III)
oxidado a Cr(VI) después del trazado (desconocido),
\beta es el porcentaje de Cr(VI)
reducido a Cr(III) después del trazado (desconocido).
\vskip1.000000\baselineskip
5. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear un espectrómetro de masas para determinar dichas relaciones de elementos isotópicos.
6. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear cromatografía de resolución en el tiempo para efectuar dicha separación.
7. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho procedimiento en una muestra que ha experimentado una conversión de especies antes de la separación.
8. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- efectuar dicho equilibrio en unas solución acuosa.
9. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 2, que incluye:
- \quad
- emplear dicho procedimiento en una pluralidad de dichas especies que van a ser medidas y separar incompletamente dichas especies de otras especies en dicha muestra.
10. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 3, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha separación después de la reducción de una parte sustancial de Cr(VI) a Cr(III).
11. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho procedimiento en una muestra de terreno.
12. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho procedimiento en una muestra acuosa.
13. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho procedimiento en un residuo sólido de un sistema de tratamiento de menas de cromita.
\newpage
14. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- almacenar dicha muestra después de dicha etapa de equilibrado y antes de dicha etapa de separación.
15. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha deducción matemática simultáneamente con respecto a la más de una de las especies que van a ser medidas.
16. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 15, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha deducción matemática para cada especie independientemente de otras especies.
17. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 15, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha separación de aproximadamente 5 a 10 por ciento de cada una de dichas especies de dicha muestra y de dichas otras especies antes de efectuar dicha deducción.
18. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha separación mediante al menos un método seleccionado entre el grupo que consiste en cromatografía, extracción asistida con microondas, extracción con soxhilato, disolución en disolventes, disolución en ácidos, destilación por hidrólisis ácida o básica, centrifugación y extracción con disolventes.
19. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha separación mediante extracción asistida con microondas durante un período de aproximadamente 5 a 15 minutos.
20. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 19, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha separación de aproximadamente 90ºC a 150ºC.
21. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- después de efectuar dicha medición de la dilución de isótopos de especies de una muestra, comparar los resultados de dicha medición con mediciones hechas mediante otro tipo de ensayo para evaluar la validez de dicho otro tipo de ensayo.
22. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 21, que incluye:
- \quad
- efectuar una pluralidad de mediciones mediante dicho otro ensayo y efectuar dicha comparación para evaluar la validez de dicho otro tipo de ensayo.
23. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho método para preparar materiales estándar trazados de especies.
24. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- emplear dicho método para preparar materiales estándar.
25. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 23, que incluye:
- \quad
- crear dicho patrón trazado de especies trazando isótopos estables separados en forma de especies.
26. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 24, que incluye:
- \quad
- emplear dichos materiales estándar después de un almacenamiento.
27. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 24, que incluye:
- \quad
- emplear dicho método para corregir los desplazamientos de especies en dichos materiales estándar después de una degradación.
28. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 19, que incluye:
- \quad
- emplear en dicha extracción con microondas una extracción con microondas en recipiente cerrados.
29. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 21, que incluye:
- \quad
- emplear dicho método para validar dichos ensayos que no son independientemente capaces de compensar una extracción incompleta de especies o una conversión de especies.
30. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 1, que incluye:
- \quad
- realizar dicho método en una especie que, además de dicha separación incompleta, tiene una reducción adicional de dicha especie debido al menos a una causa seleccionada entre el grupo que consiste en pérdida, conversión y degradación y que tiene menos de 10 por ciento de dichas especies separadas.
31. El método de medición de la dilución de
isótopos de especies de la reivindicación 30, que incluye:
- \quad
- efectuar dicha separación de al menos aproximadamente 5 a 10 por ciento de dichas especies.
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