Analizadores Continuos: Tipos, Técnicas y Aplicaciones

Analizadores Continuos

La concentración de analito se mide sin interrumpir un flujo de líquido o de gas¹. Las muestras se introducen de forma secuencial a intervalos en el flujo². Los reactivos se introducen por canales que confluyen con el principal³. El flujo pasa por una célula de flujo (parte del sistema de detección)⁴. La señal tiene forma de curva continua con línea base sin analito⁵. Tienen concepción modular y no compacta como los anteriores.

Flujo segmentado

No necesitan válvula de inyección, la muestra se aspira secuencialmente. Entre cada muestra existen burbujas de aire que segmentan el flujo establecido:

• Evitan la contaminación entre muestras.
• Impiden la dilución del bolo de muestra.
• Facilitan la mezcla entre la muestra y los reactivos.

Flujo no segmentado

El flujo no está segmentado por burbujas.

• La muestra es inyectada o aspirada de forma secuencial.
• No se alcanza el equilibrio físico ni químico en la detección.
• Son los más versátiles, simples y baratos.

Tipos en función de cómo se lleve a cabo la introducción de la muestra

• Analizadores Continuos de Flujo Completamente Continuo:

  Determinación de la DQO en aguas.

• Analizadores Continuos de Flujo Detenido (STOPPED-FLOW):

  El flujo se detiene mientras tiene lugar la medida de la señal.
  • Se basan en la inyección simultánea de la muestra y los reactivos.
  • Éstos son impulsados a gran velocidad hacia la célula de flujo.
  • El proceso completo dura unos segundos.
  • Se emplean fundamentalmente para medidas cinéticas rápidas.

• Análisis por inyección en flujo (FIA):

  Se inyecta un volumen de muestra en un sistema en flujo continuo, que se dispersa al pasar por el sistema aunque puede controlarse perfectamente ya que depende del las características hidrodinámicas del sistema. Esta dispersión define la forma de la señal que se obtendrá en el detector al paso de la muestra.

El flujo es de tipo laminar por dos mecanismos:

1. Transporte por convección que origina perfil parabólico.
2. Transporte por difusión debido a gradientes de concentración.

• Volumen de inyección -> a mayor volumen mayor dispersión.
• Velocidad flujo -> a mayor velocidad menor dispersión (debe dar tiempo a completar la reacción).
• Longitud de tubo de reactor -> mayor longitud mayor dispersión.
• Diámetro del tubo -> mayor diámetro mayor dispersión.
• Configuración del sistema -> puntos de mezcla de muestra y reactivos.

Un sistema FIA tiene los siguientes componentes principales:

1. Bomba peristáltica (de varios canales) Flujos (0.0005-40 mL/min)
   • Prácticamente libre de pulsaciones.
   • Caudal controlado por velocidad del motor (>30 rpm).
   • Diámetro interno de tubo (0.25-4 mm).
2. Válvula de inyección (A veces existe un separador de fases)( Válvula de 6 vías) Permite introducir en el flujo del sistema, un volumen exactamente medido de la muestra con gran reproducibilidad y sin interrumpir el mismo.
3. Reactores de teflón.
4. Célula de flujo:
   • Espectrofotómetros de absorción molecular.
   • Fluorímetros.
   • Sistemas electroquímicos.
   • Refractómetros.

Diferencias entre Analizadores Continuos de Flujo Segmentado y No Segmentado (FIA)

1. En flujo segmentado se aspira la muestra y en FIA se inyecta.
2. El volumen necesario de muestra es mayor en el flujo segmentado (0.2 - 2 mL) que en los sistemas FIA (50 - 150 μL).
3. En flujo segmentado se trabaja con caudales mayores.
4. En FIA menor diámetro de tubo (0.3 - 1 mm) que en los de flujo segmentado (2 mm).
5. El consumo de reactivos es mucho menor en los sistemas FIA.
6. En los de flujo segmentado son necesarias etapas de lavado.
7. Los sistemas FIA son mucho más versátiles (medidas cinéticas, valoraciones…).
8. El tipo de señal es diferente.

Técnicas de detección

Espectroscopía

• Molecular:
  • Absorción UV-Vis e infrarroja.
  • Fluorescencia y Quimioluminiscencia.
  • Refractometría.
• Atómica:
  • Espectrofotometría de absorción atómica.
  • Fotometría de llama.
  • ICP.

Técnicas electroanalíticas

• Potenciometría.
• Voltamperometría.
• Conductimetría.

En el 60% de los casos se emplea la espectrofotometría UV-Vis seguida de la potenciometría.

Analizadores robotizados

“Manipulador, multifuncional, programable y reprogramable diseñado para mover materiales, elementos, herramientas o montajes especiales, a través de movimientos variables definidos para llevar a cabo diversas tareas”.

• A través de una mano (pinza), toma la muestra y los productos resultantes de las distintas operaciones y los transfiere de un módulo a otro de la estación robotizada. Los movimientos del robot se controlan mediante un programa informático que controla todos los dispositivos, aparatos e instrumentos de los que recibe la correspondiente señal.

Operaciones unitarias de laboratorio que realiza un robot:

1. Pesada.
2. Adición de reactivos.
3. Transferencia de líquidos.
4. Manipulación de tubos.
5. Agitación.
6. Calentamiento.
7. Centrifugación.
8. Técnicas continuas de separación.
9. Introducción directa de alícuotas de muestra tratada al instrumento.

Ventajas:

• Aumento de la precisión.
• Mayor productividad.
• Automatización de operaciones con riesgo para el operador.
• Facilidad de adaptación de metodologías manuales.
• Mayor seguridad del personal.
• Posibilidad de trabajar con materias peligrosas.

Limitaciones:

• Elevado precio.

Analizadores de procesos

Son dispositivos automáticos adaptados a un entorno concreto y diseñados para llevar a cabo de forma continua o periódica la medida de uno o más parámetros físicos o químicos a lo largo de una línea de un proceso industrial.

• Tienen sistemas de muestreo automáticos (toman la muestra, la preparan y trasladan hasta el analizador en el menor tiempo posible); con los resultados obtenidos se toman decisiones respecto al desarrollo del proceso.
• Llevan a cabo operaciones de seguimiento del sistema en evolución (monitorización).
• Facilitan el control automático.
• Pueden modificar su funcionamiento en el caso de que los resultados lo requieran.
• Son continuos: en general incorporan analizadores de flujo continuo.

Sensores

Idealmente un sensor es un dispositivo que responde de forma directa, reversible, continua, rápida y segura a los cambios de concentración de una especie química o bioquímica de una muestra compleja que no ha sufrido tratamiento previo. Un sensor ideal elimina las etapas de muestreo y operaciones previas, y lleva a cabo la medida y transducción de la señal analítica.

Microzona sensible donde tiene lugar una reacción química o bioquímica que está conectada o integrada con un transductor físico que puede ser óptico, electroquímico, térmico, piezoeléctrico o másico. Esta conexión a un instrumento permite transformar la respuesta del sistema en información analítica que se genera “in situ” y a un tiempo real.

Un sensor debe reunir una serie de propiedades:

• Las propiedades analíticas básicas: Proporcionar bajos LD y LQ // Alta selectividad // Elevada precisión // Fiabilidad de la respuesta generada.
• Su funcionamiento: Reversible // Regenerable // Con respuesta a tiempo real.

Tipos de sensores

Según la zona de selectividad química:

• Sensores químicos propiamente dichos.
• Biosensores.

Según la naturaleza de la transducción de señal:

• Sensores electroquímicos (amperométricos, potenciométricos, conductimétricos).
• Sensores ópticos (fibra óptica con un reactivo).
• Sensores piezoeléctricos (variación de la frecuencia de resonancia).
• Sensores térmicos.
• Sensores de masa.

Sensores químicos

Sensores voltamperométricos

Se emplean cuando hay al menos una sustancia electroactiva responsable de la transferencia electrónica en los electrodos de medida. Su fundamento se centra en que en unas condiciones experimentales dadas, la difusión de una especie electroactiva hacia el electrodo origina un paso de corriente. (SENSOR VOLTAMPEROMÉTRICO DE OXÍGENO DE CLARK).

Sensores Potenciométricos

Son electrodos de membrana, selectivos de iones. // Se basan en medidas de potencial entre ER y un EI. // Funcionan transfiriendo iones desde un lado a otro de la membrana. // Miden actividades iónicas del ión libre.

Membranas no cristalinas:

• Electrodo de membrana de vidrio.- constituidos por un electrodo interno de referencia (plata/cloruro de plata) y una membrana de vidrio (constituida por metales alcalinos y silicato en diferentes proporciones. Ejemplos: Electrodo de pH y los sensibles a cationes (potasio,sodio, amonio, litio, etc).
• Electrodo de membrana líquida.- la membrana es un intercambiador de iones líquido permanentemente enclavado en un material plástico, fijado al cuerpo del electrodo. En este electrodo se crea un potencial en la interfase entre la disolución que contiene el analito y el intercambiador iónico líquido, que se une selectivamente al ion analito. Se han desarrollado para la medida potenciométrica de numerosos cationes polivalentes, así como, para ciertos aniones.

Electrodo de membrana cristalina:

Constituidos por una membrana sólida iónicamente conductora. // Los puntos aniónicos de la superficie del vidrio responden a cationes y los puntos catiónicos a aniones. Ejemplos: El electrodo cristalino más conocido es el de fluoruro // Cloruro, bromuro, yoduro y sulfuro // Mezclas de PbS, CdS y CuS con Ag₂S proporcionan membranas selectivas a Pb²⁺, Cd²⁺ y Cu²⁺.

Sonda sensible a gases:

Utilizan una membrana permeable al gas. Una capa amortiguadora delgada sirve para atrapar el analito en forma gaseosa y convertirlo en alguna especie iónica que pueda detectarse potenciométricamente. Es una célucla galvánica cuyo potencial es función de la concntración del gas en la disolución. Ejemplo: El amoníaco gaseoso por formación del ión amonio (con un electrodo selectivo de iones amonio) o por desplazamiento del pH (con un electrodo que responde al pH). El amoníaco disuelto de la muestra se difunde a través de una membrana de fluorocarbono hasta que se establece un equilibrio reversible entre el nivel de amoníaco de la muestra y la disolución interna. NH₃ + H₂O «NH₄⁺ + OH^-

En la disolución interna se forman OH^- que se miden con el elemento sensor interno (electrodo de vidrio, pH) y es proporcional al nivel de amoníaco en la muestra.