Determinación del cobre(II) por espectrometría de absorción atómica de llama tras su perconcentración mediante una técnica de microextracción líquido-líquido dispersiva altamente selectiva y respetuosa con el medio ambiente

Los iones de Cu(II) reaccionaron con el salofén, y se formó un complejo entre ellos en las condiciones experimentales (Fig. 1) (Zeeb et al. 2011). El complejo Cu-salofén en medio ácido se extrajo en el disolvente orgánico. Para alcanzar una señal analítica y un factor de enriquecimiento elevados, se optimizaron los efectos de diferentes parámetros como el pH de la solución, el tipo y el volumen del disolvente de extracción, el tipo y el volumen del disolvente de dispersión y la concentración del agente quelante. Para la optimización de los parámetros mencionados, se utilizó la estrategia de optimización univariante.

Efecto del pH

El valor del pH juega un papel importante en la formación del complejo Cu-salofén y en la posterior extracción. Por esta razón, se llevaron a cabo una serie de experimentos ajustando el valor del pH de 1,5 a 7,0. Los resultados obtenidos (Fig. 2) muestran que la señal analítica para el cobre es casi constante en el rango de pH de 1,5 a 4. Así, basándose en los resultados obtenidos y para obtener una alta selectividad, se eligió el pH = 2,0 como pH óptimo.

Selección del disolvente de extracción

El tipo de disolvente de extracción tiene un efecto significativo en la eficacia de la extracción. El disolvente de extracción debe tener una baja solubilidad en agua, su densidad debe ser mayor que la del agua, y el disolvente debe tener la capacidad de extraer los compuestos de interés (Naseri et al. 2008). En este sentido, se investigaron las eficiencias de diferentes disolventes como el tetracloruro de carbono, el cloroformo y el diclorometano. Dado que la solubilidad de los disolventes de extracción en el agua es diferente, fue necesario añadir una cantidad excesiva del disolvente de extracción para recuperar un volumen constante de la fase sedimentada (60 ± 3 μL). Por lo tanto, se inyectaron por separado 80, 110 y 140 μL de tetracloruro de carbono, cloroformo y diclorometano con 1,30 mL de acetona (como disolvente dispersante) en 10,0 mL de las soluciones de muestra para conseguir un volumen total de 60 μL de la fase sedimentada. Los resultados obtenidos (Fig. 3) mostraron que las eficiencias de extracción del tetracloruro de carbono, el cloroformo y el diclorometano fueron del 58%, 94% y 51%, respectivamente. En consecuencia, se seleccionó el cloroformo como el mejor disolvente de extracción.

Efecto del volumen de disolvente de extracción

También se investigó el efecto del volumen de disolvente de extracción preparando mezclas de 1,30 mL de acetona y diferentes volúmenes de cloroformo. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1. Como se puede ver en esta tabla, la señal analítica y la eficiencia de extracción fueron casi constantes en el rango de volúmenes de 70-120 μL de cloroformo, y luego disminuyeron gradualmente. Esto se debe al hecho de que para un volumen de disolvente de extracción superior a 120 μL, la solución turbia resultante no era estable, y el tamaño de las gotas de cloroformo era grande. Por lo tanto, el área superficial entre el disolvente de extracción y la fase acuosa disminuía, lo que provocaba una disminución de la transferencia de masa y una extracción eficiente del complejo Cu-salophen de la fase acuosa al cloroformo. Así, para asegurar un volumen de cloroformo suficiente para la extracción de una mayor concentración de cobre, se seleccionaron 120 μL de cloroformo como volumen óptimo, y la fase sedimentada fue de 70 μL.

Hay que tener en cuenta que al estudiar el efecto del volumen de disolvente de extracción, ya que el volumen de la fase sedimentada era variable, las soluciones se diluyeron hasta 200 μL utilizando diferentes volúmenes de etanol, como disolvente de dilución. Por lo tanto, fue necesario investigar el efecto del volumen del disolvente diluyente en la señal analítica. En este sentido, en una serie de muestras de agua de 10,0 mL a pH = 2,0 que contenían 50,0 μg L-1 de iones de Cu(II), se extrajo el complejo Cu-salophen inyectando una mezcla que contenía 1,30 mL de acetona y 120 μL de cloroformo. Tras la centrifugación, se transfirieron 50,0 μL de la fase sedimentada a un vial, al que se añadieron 0,0, 20, 40, 60 y 80 μL de cloroformo. A continuación, se añadieron 150, 130, 110, 90 y 70 μL de etanol, respectivamente, a las soluciones mencionadas hasta alcanzar los volúmenes totales de 200 μL. Estas soluciones se aspiraron a FAAS. Los resultados obtenidos fueron los mismos (Tabla 2). Por lo tanto, los cambios en la relación entre el volumen de la fase sedimentada y el volumen de etanol no tuvieron ningún efecto sobre la señal analítica.

Selección del disolvente de dispersión

En el método DLLME, el disolvente de dispersión debe ser miscible con el agua y el disolvente de extracción. Por lo tanto, se investigó el efecto de los disolventes miscibles, como la acetona, el metanol, el etanol y el acetonitrilo, sobre la señal analítica (eficiencia de extracción) de los iones de Cu(II) utilizando mezclas de 1,30 mL de los disolventes mencionados (como disolvente dispersor) y 120,0 μL de CHCl3 (como disolvente de extracción). Las señales analíticas (eficiencias de extracción) obtenidas para la acetona, el metanol, el etanol y el acetonitrilo fueron de 0,140 (94%), 0,108 (72%), 0,118 (78%) y 0,098 (65%), respectivamente (Fig. 4). La máxima señal analítica (eficiencia de extracción) de los iones Cu(II) se obtuvo utilizando acetona, como disolvente dispersor. Por lo tanto, se utilizó acetona como disolvente dispersor en todos los experimentos posteriores.

Efecto del volumen de disolvente dispersante

Después de seleccionar la acetona como disolvente dispersante, su volumen es uno de los factores importantes que intervienen en la DLLME y que debe optimizarse. Para ello, se prepararon soluciones con diferentes volúmenes de acetona (0,88-1,88 mL) que contenían 120 μL de CHCl3 y se sometieron a los procedimientos similares de DLLME. Los resultados obtenidos (Fig. 5) mostraron que la señal analítica (eficiencia de extracción) aumentó con el incremento del volumen de acetona hasta 1,50 mL, tras lo cual se mantuvo constante. Cuando se utilizaba un volumen bajo de acetona, ésta no podía dispersar adecuadamente el CHCl3 y no se formaba una solución turbia estable. En consecuencia, la eficacia de la extracción se redujo. Sin embargo, con un aumento gradual del volumen de disolvente del dispersor, debido a la formación de gotas más pequeñas de cloroformo, aumentó la superficie entre el disolvente de extracción y la fase acuosa. Este fenómeno condujo a un aumento de la eficacia de la extracción. Por lo tanto, basándose en los resultados obtenidos y con el fin de crear una solución turbia más estable, se seleccionó 1,68 mL de acetona como volumen óptimo.

Efecto de la concentración de salofén

Se estudió el efecto de la concentración de salofén, como agente complejante, sobre la señal analítica en la extracción de iones de Cu(II) por DLLME en el rango de concentración de 5.0 × 10-6-3,0 × 10-5 M. Los resultados obtenidos mostraron que la señal para los iones Cu(II) aumentaba con el incremento de la concentración de salofén hasta 1,5 × 10-5 M, y luego se mantenía constante (Fig. 6). En este trabajo, se eligió una concentración de salofén de 2,0 × 10-5 M como concentración óptima para evitar cualquier interferencia.

Efecto del tiempo de reacción para la formación del complejo

El tiempo de reacción para la formación del complejo puede definirse como el tiempo transcurrido entre la adición de la solución de salofén a la solución de muestra y la inyección del disolvente de extracción (cloroformo) disuelto en el disolvente dispersante (acetona). Esto se estudió en el intervalo de tiempo de 0 a 15 minutos (Fig. 7). Los resultados obtenidos mostraron que la reacción fue rápida, por lo que el tiempo de reacción no tuvo ningún efecto sobre la señal analítica.

Efectos del tiempo de extracción y del tiempo de centrifugación

El tiempo de extracción es uno de los factores más importantes que intervienen en todos los procedimientos de extracción. En la DLLME, el tiempo de extracción se define como el intervalo de tiempo entre la inyección de la mezcla de disolventes orgánicos (dispersante y disolventes de extracción) y el inicio de la centrifugación. El efecto del tiempo de extracción se evaluó en el rango de 1-20 min bajo condiciones experimentales constantes. Los resultados obtenidos (Fig. 8) indicaron que el tiempo de extracción no tuvo una influencia significativa en la señal analítica. Estos resultados mostraron que tras la formación de la solución turbia, la superficie entre el disolvente de extracción y la fase acuosa era infinitamente grande y que el complejo Cu(II)-salofén resultante se transfería al disolvente de extracción rápidamente. Por lo tanto, el método DLLME propuesto es independiente del tiempo, lo que puede ser una de sus ventajas más importantes.

El tiempo de centrifugación también se evaluó entre 1 y 10 min a 5000 rpm. Los resultados obtenidos mostraron que la señal analítica aumentó con el incremento del tiempo de centrifugación hasta 3 min, y luego se mantuvo constante, indicando una completa separación del cloroformo hacia el fondo del tubo de centrifugación. Para garantizar la sedimentación (separación completa) del disolvente de extracción, se seleccionó un tiempo de centrifugación de 5 minutos en todos los experimentos posteriores. En el método propuesto, el paso que más tiempo consumía era la centrifugación de la solución de la muestra en el procedimiento de extracción.

Efecto de la fuerza iónica

Se estudió la influencia de la fuerza iónica en la extracción del complejo Cu-salophen utilizando nitrato de potasio como agente de salado en el rango de concentración de 0-1,0 M. Los resultados obtenidos mostraron que la concentración de sal no tenía influencia en la señal analítica (eficiencia de extracción). En todas las concentraciones de KNO3, la eficiencia de extracción fue del 100% (Fig. 9). Estos resultados implicaron la posibilidad de aplicar el método DLLME para la separación de cobre de soluciones salinas.

Estudio de las interferencias

La técnica FAAS tiene una alta selectividad pero algunas especies pueden interferir con el paso de extracción y cambiar la eficiencia de extracción del cobre. Para investigar el efecto de los posibles iones interferentes, se trataron soluciones que contenían 50,0 μg L-1 de iones de Cu(II) y diferentes cantidades de iones extraños según el procedimiento recomendado. Se consideró la concentración tolerable de iones extraños, es decir, la concentración a la que se midió menos de ± 5% de desviación en la señal analítica en comparación con el caso en el que el ion interferente estaba ausente. Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 3. Estos resultados mostraron que la mayoría de los iones no interferían aunque estuvieran presentes en cantidades 1000 veces mayores que el cobre.

Los iones Hg2+, Sn2+ y Pb2+ reaccionaron con los iones fosfato (es decir., el ion de la solución tampón) y se precipitó.

Parámetros analíticos

Las características analíticas del método propuesto se calcularon bajo las condiciones optimizadas. Para un volumen de muestra de 10,0 mL, la curva de calibración exhibió una linealidad en el rango de 3,0-120 μg L-1 bajo las condiciones óptimas. La ecuación de regresión para la determinación del cobre fue ΔA = 2,9003C + 1,8 × 10-2, donde ΔA es la señal analítica (la diferencia entre la absorbancia de la muestra y las soluciones en blanco (∆A = As – Ab) a 324,8 nm) y C es la concentración de iones de cobre(II) en la solución (μg mL-1). El coeficiente de correlación (R2) de la ecuación de la curva de calibración obtenida fue de 0,9998, lo que indicó una buena linealidad en el rango de concentración mencionado. El límite de detección basado en una relación señal/ruido de 3 (3σ) fue de 0,6 μg L-1. La ecuación obtenida por aspiración directa en FAAS sin el procedimiento de preconcentración fue ΔA = 0,059 C + 1,3 × 10-2 (R2 = 0,9997 y un rango lineal de 0,250-10,0 μg mL-1). El factor de enriquecimiento (EF), calculado como la relación entre la pendiente de la curva de calibración de los analitos después de la extracción y la de antes de la misma (Şatıroğlu y Arpa 2008), resultó ser de 49 para 10,0 mL de la solución de la muestra.

A partir del volumen de la fase orgánica (200 μL) y del volumen de la muestra (10,0 mL), se determinó un factor de preconcentración de 50. La igualdad del factor de preconcentración y el factor de enriquecimiento indica la finalización de la extracción cuantitativa.

Dado que en los métodos reportados se utilizaron diferentes volúmenes de la solución de muestra, los factores de enriquecimiento obtenidos en estos métodos no se comparan. Por lo tanto, se prefiere el factor de consumo sobre el factor de enriquecimiento. El índice de consumo (CI) se define como el volumen de muestra acuosa (en mL) consumido para alcanzar una unidad de EF: CI = Vs/EF, donde Vs es el volumen de muestra acuosa (Lemos et al. 2007). Para el método propuesto, este parámetro se obtuvo como 0,20 mL. Un valor bajo para este parámetro indica una eficiencia favorable del método.

Para investigar la reproducibilidad del método propuesto, seis mediciones replicadas de 5,0, 20,0 y 50,0 μg L-1 de iones de Cu(II) dieron las desviaciones estándar relativas de 4,1%, 1,5% y 1,8%, respectivamente.

En la Tabla 4 se presenta un resumen de las características analíticas del método DLLME para la determinación de cobre.

Análisis de muestras reales

Análisis de muestras de agua

El método propuesto se aplicó para determinar los iones Cu(II) en muestras de agua de grifo (Shahrood y Jajarm, Irán) y agua de manantial (manantial de Ali en Damghan, Irán) mediante la técnica de adición estándar. También se estudiaron las recuperaciones de cobre de las muestras de agua enriquecidas con iones Cu(II). Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 5. Se obtuvieron recuperaciones satisfactorias para los iones de cobre(II) enriquecidos, lo que confirma la precisión y la aplicabilidad del método DLLME-FAAS propuesto para la determinación del cobre en muestras de agua.

Análisis de una muestra de arroz

Con el fin de evaluar la aplicabilidad del método propuesto para la determinación de cobre en muestras de alimentos, se seleccionó y analizó un tipo de arroz del norte de Irán. Para ello, se disolvieron 10,00 g del arroz según el procedimiento reportado por Zeeb et al. 2011 y se transfirieron a un matraz volumétrico de 100 mL. A continuación, se transfirieron 20,0 mL de la solución de muestra de arroz preparada, 1,25 mL de la solución tampón de fosfato (pH = 2,0) y 50 μL de la solución de salofeno (0,010 M) a un matraz aforado de 25 mL y se diluyeron hasta la marca con agua bidestilada. La concentración de cobre en 10,0 mL de esta solución se determinó por el método propuesto utilizando la técnica de la curva estándar. Los resultados de los experimentos de recuperación para diferentes cantidades de Cu se resumen en la Tabla 6. Estos resultados indican que las recuperaciones en el rango de 96-105% son razonablemente buenas para el análisis de trazas, y los valores t calculados son menores que los valores críticos t al nivel de confianza del 95%. Los resultados obtenidos confirman la validez del método desarrollado.