Optimización de un procedimiento de disolución de muestras de suelo para la determinación de contenidos totales de elementos traza utilizando un diseño de experimentos

Abstract

Los elementos traza, especialmente los metales pesados, se clasifican como los contaminantes ambientales antropogénicos más peligrosos debido a su naturaleza persistente y alta toxicidad. La determinación de sus concentraciones totales en sedimentos y suelos se realiza comúnmente para evaluar el grado de contaminación de los ambientes acuáticos y terrestres. La técnica ICP-MS se utiliza ampliamente para la determinación de elementos traza, ya que combina una alta sensibilidad y un amplio rango dinámico con capacidad multielemental. Antes de la determinación, las muestras de suelo y roca deben ser disueltas. La digestión ácida por microondas, MWD, es hasta la fecha el método más apropiado para la disolución de este tipo de muestras. Los métodos de digestión parcial que utilizan ácidos se consideran apropiados para el análisis pseudototal, pero no disuelven completamente los silicatos. Solo el método USEPA 3052, basado en el tratamiento de la muestra con ácidos nítrico, clorhídrico y fluorhídrico en un horno microondas permite una disolución total. A pesar de la gran cantidad de publicaciones sobre el análisis de elementos traza en suelos y rocas, existen conclusiones diferentes y a veces contradictorias sobre las condiciones óptimas y la eficiencia de la técnica, lo que apunta a la necesidad de optimizar el procedimiento de disolución. En este trabajo, la optimización del procedimiento de MWD para disolver muestras de suelos para la determinación de elementos traza totales por ICP-MS se ha llevado a cabo utilizando un diseño experimental de Taguchi. Los factores de control ensayados fueron: volúmenes de ácido nítrico (N), ácido fluorhídrico (F) y ácido clorhídrico concentrados (C), tiempo de digestión (t), temperatura (T) y método de eliminación del exceso de HF (E). Los seis factores se ensayaron a tres niveles para detectar efectos cuadráticos y se asignaron a seis columnas de diseño ortogonal L27(313) de Taguchi. Las columnas restantes del diseño experimental se utilizaron para estudiar las interacciones de los factores FT, FE y TE. Este diseño experimental se aplicó a la determinación, por ICP-MS, de 17 elementos traza en una muestra de suelo con contenidos certificados (CRM GBW07402 GSS-2, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, China). Los elementos se seleccionaron para representar grupos de diferentes características o reactividad: elementos tóxicos, elementos formadores de cloruros, elementos difícilmente solubilizables, elementos ligeros, elementos volátiles y tierras raras (As, Be, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Ga, Ni, Pb, Sb, Sn, Th, Tl, U, Y, Zn). El propósito del experimento fue minimizar el sesgo en la determinación de elementos traza maximizando las cantidades de elementos extraídos. Alícuotas de 0,25 g del CRM se digirieron en las diferentes condiciones fijadas por el diseño experimental y las disoluciones obtenidas se diluyeron con agua ultrapura. Los estándares de calibración y las muestras digeridas se midieron por ICP-MS en comparación con los estándares internos adecuados para mejorar la precisión. El Análisis de Varianza (ANOVA) de los resultados mostró qué factores tuvieron un efecto significativo en la disolución de muestra: E > F > C. Los factores t, N y T en general no fueron significativos. Sin embargo, las condiciones óptimas de MWD no fueron idénticas para los 17 elementos. Los niveles óptimos de los factores que produjeron la recuperación máxima de la mayoría de los elementos fueron: N3 (6 mL), F2 (2 mL), C3 (2 mL), t2 ( 15 min), T1 (180 ºC) y E2 (exceso de HF eliminado por evaporación) para Be, Cr, Cu, Ni, Sb, Tl, Zn o E3 (adición de 1,4 g de ácido bórico y 5 min MW de calentamiento a 180ºC) para As, Cs, Dy, Ga, Sn, Th, Tl, U, Y.