Análisis de agua ultrapura – ¿Qué tan limpia es su agua ultrapura?

La analítica de agua pura y agua ultrapura es un tema muy amplio con requisitos y límites muy diversos en los diferentes sectores industriales. En las centrales nucleares, entre otras cosas, se supervisa continuamente el contenido de boro en el agua ultrapura. Las contaminaciones metálicas en agua ultrapura para la industria de semiconductores deben detectarse de manera segura en niveles bajos de ppt. El agua farmacéutica se examina especialmente en busca de contaminaciones microbiológicas. Cuando en la analítica de trazas, por ejemplo, se debe detectar cloruro en niveles de ppt, es importante mantener el cloruro, que es omnipresente en el eluente, lo más bajo posible. El parámetro ampliamente conocido de la conductividad específica del agua ultrapura de 18,2 MΩ·cm solo puede ser un primer indicio en la evaluación de la calidad del agua ultrapura analizada.

En esta breve visión general, se describen, de manera ejemplar y ampliamente conocida, algunos métodos analíticos para la investigación del agua ultrapura. Dependiendo de la cuestión planteada, existen además numerosos métodos específicamente adaptados a cada campo de aplicación. Por ejemplo, en biología molecular, es necesario proporcionar agua ultrapura sin contaminaciones con fragmentos de ADN o ARN. Este parámetro se detecta, por ejemplo, mediante análisis de PCR. Las siguientes investigaciones realizadas por el Fraunhofer IPA se aplican, entre otras, a la analítica de agua ultrapura:

• Contaminación microbiológica (bacterias, hongos, esporas)
• Carbono total (inorgánico y orgánico)
• Conductividad como parámetro sumatorio de todas las sustancias iónicas
• Cromatografía de iones para la determinación cuantitativa de iones individuales
• Cromatografía de gases para la determinación cuantitativa de contaminantes orgánicos

La determinación del carbono total no se trata en este artículo, sino que se abordará en una de las próximas entregas.

Conductividad

Una medición de conductividad mide la conductividad específica del agua ultrapura. Este método es muy robusto y económico, y se emplea generalmente en línea de forma estándar en sistemas de agua ultrapura. La conductividad total medida se suma de las conductividades específicas de cada ion presente (conductividad equivalente iónica κ; en [S·cm²·mol⁻¹] o [Ω⁻¹·cm²·mol⁻¹]). A partir de las conductividades molar de los iones respectivos, se puede calcular la conductividad específica de una solución salina. Es importante tener en cuenta la temperatura durante la medición, ya que la mayoría de los instrumentos la registran y la ajustan en consecuencia. La salida se realiza a una temperatura de referencia, por ejemplo, T = 25 °C. Se conocen las siguientes unidades: resistencia específica en Ω·cm y conductividad específica en S·cm⁻¹. La mayoría de las veces, el valor medido se expresa como resistencia específica, donde se cumple: 1 S·cm⁻¹ = 1 Ω⁻¹·cm⁻¹. En la siguiente tabla se muestran, de manera ejemplar, las principales conductividades equivalentes de iones (3).

El cloruro de potasio (KCl) tiene, a 25 °C, una conductividad molar de 74 + 76 = 150 cm²·Ω⁻¹·mol⁻¹. Una solución de 1 mM de cloruro de potasio (que equivale a aproximadamente 75 mg/l) presenta, a 25 °C, una conductividad de 1,5E-4 cm⁻¹·Ω⁻¹ o 150 μS/cm. En la práctica, el valor es ligeramente menor, con 147 μS/cm, debido a que la conductividad equivalente de los iones se basa en una dilución teórica infinita (Ley de Kohlrausch (4) o Teoría de Debye-Hückel-Onsager (5)). Los límites de conductividad para las diferentes calidades de agua ultrapura están definidos, entre otros, en la Farmacopea Europea (1), en la norma ISO 3696 (6), en la hoja de ruta de la IRTS (7) y en ASTM D1193-06 (8). Es importante tener en cuenta que el agua, incluso en estado absolutamente puro, presenta una baja conductividad propia debido a su propiedad como amfótero. Esta se sitúa en torno a 18,2 MΩ·cm o 0,55 μS/cm a 25 °C.

Cromatografía de iones

Cuando el análisis de la conductividad, como parámetro sumatorio de todas las sustancias iónicas presentes en el agua a analizar, no resulta suficiente por falta de detalle, se emplea la cromatografía de iones con enriquecimiento para medir iones en niveles de ppt. En este método, el agua ultrapura a analizar se introduce mediante un muestreador automatizado en una columna de enriquecimiento. Todas las sustancias iónicas (ya sean cationes o aniones, dependiendo de la columna de enriquecimiento y análisis utilizada) son retenidas en la columna de enriquecimiento. De este modo, en comparación con las muestras convencionales, se puede analizar un volumen mucho mayor de muestra, ya que, mediante el enriquecimiento y la elución posterior, se puede obtener un pico muy definido a pesar de los volúmenes grandes a analizar. En la cromatografía propiamente dicha, los iones se separan en la columna de análisis según su movilidad en el tiempo y, posteriormente, se analizan generalmente mediante un detector de conductividad de alta sensibilidad. Para cuestiones específicas, existen otras tecnologías de detección, como la detección UV/VIS, la detección amperométrica y técnicas acopladas, por ejemplo, con un espectrómetro de masas (9). No se abordarán aquí detalles instrumentales como la supresión química utilizada en el análisis de aniones. Basándose en una calibración y en el tiempo de retención específico de cada ion (tiempo de permanencia en la columna de análisis), se puede determinar la concentración de cada ion mediante comparación de áreas de los picos.

Se ejemplifica la influencia del volumen de prelavado antes de la toma real en una estación de muestreo de la planta de agua ultrapura de la institución, mediante cromatografía de iones con enriquecimiento y detección de conductividad con supresión química. Para el análisis de aniones en trazas, se utilizó un sistema basado en el 850 Professional IC junto con el 858 Professional Sample Processor, dos dosificadores 800 Dosing y el software MagIC-Net (Metrohm AG, Herisau, Suiza) (Figura 1).

Se optó por un enriquecimiento de aniones con detección de conductividad en presencia de supresión química. Las curvas de calibración se generaron automáticamente a partir de una solución madre y diferentes volúmenes de enriquecimiento, utilizando el muestreador. De este modo, se logró una alta precisión, excluyendo posibles recontaminaciones mediante un lavado externo e interno de la aguja del muestreador después de cada inyección. Se obtuvieron los siguientes resultados:

Se pudo demostrar que, aunque la medición en línea en la planta de agua ultrapura indicaba un valor de 18,2 MΩ·cm, en una estación de muestreo ejemplar se detectaron diferentes aniones durante un tiempo de prelavado de hasta 5 minutos. En esta estación, se recomienda un tiempo de prelavado de diez minutos para obtener agua ultrapura sin contaminaciones. Como ejemplo: 1 μg/l de cloruro tras cinco minutos de prelavado desde una solución de cloruro de potasio de 1 μg/l (que equivale a 0,013 μmol/l KCl) produce, por ejemplo, una conductividad teórica de 0,0024 μS/cm (ver Tabla 1). Además, la pureza del recipiente de muestra utilizado también influye significativamente y debe considerarse en controles en blanco. Las contaminaciones iónicas en componentes técnicos (aquí, ejemplarmente, un tornillo Allen de 4 mm de diámetro y 10 mm de longitud) pueden cuantificarse de manera excelente mediante cromatografía de iones. En general, no se recomienda utilizar recipientes de vidrio para análisis en trazas, debido a la lixiviación de iones por parte del agua ultrapura muy agresiva. Son adecuados, entre otros, recipientes de polipropileno de alta pureza (PP). Todos los recipientes de PP (para la preparación del eluente, manejo y almacenamiento de muestras) se almacenan continuamente en agua ultrapura, que se reemplaza en intervalos de tiempo definidos.

Cromatografía de gases / Espectrometría de masas

Las moléculas que contaminan el agua ultrapura pueden ser introducidas en la columna de un cromatógrafo de gases (GC) mediante diferentes procedimientos. Dependiendo de la propiedad de las moléculas (tamaño, interacción con la matriz estacionaria de la columna, etc.), migran a diferentes velocidades a través de la columna y llegan al detector en distintos momentos. Cuando se emplea un espectrómetro de masas (MS) como detector, las moléculas a analizar se fragmentan, por ejemplo, mediante impacto de electrones. Según la relación masa/carga del fragmento molecular (generalmente cargado positivamente), estos son detectados. De este modo, en cada momento del cromatograma del GC se obtiene un espectro específico del MS. Se pueden emplear los siguientes procedimientos:

• Inyección en líquido

En este método, se inyecta un volumen determinado del agua ultrapura a analizar en un cromatógrafo de gases (GC), donde se vaporiza en su inyector.

• Espacio muerto (Headspace)

En este método, el agua ultrapura se coloca en un vaso de vidrio limpio para GC (Headspace-gläschen), que se cierra con un septum. Se establece un equilibrio entre la fase líquida y la gaseosa para cada componente. La temperatura puede modificar significativamente este equilibrio, desplazándolo hacia la fase gaseosa. Luego, se extrae una parte del gas mediante una jeringa hermética y se introduce en el inyector del GC.

• Trampa de espacio muerto (Headspace-Trap)

En contraste con el análisis por espacio muerto, en este método el vaso se ventila continuamente con gas ultrapuro (helio o nitrógeno, etc.). El gas de lavado pasa por una trampa enfriada, donde se retienen todos los compuestos orgánicos de un espectro determinado, dependiente de la temperatura de la trampa. Tras finalizar la ventilación, la trampa se calienta rápidamente hasta 40 K/s. Los compuestos retenidos se liberan de forma instantánea y se conducen directamente al cromatógrafo de gases. Esta técnica tiene una sensibilidad de detección mucho mayor que la técnica clásica de espacio muerto.

Las imágenes, tablas y referencias cruzadas se encuentran en el documento PDF adjunto

Bibliografía

1. Ph. Eur. Farmacopea Europea, 7ª edición. Estrasburgo: Dirección Europea para la Calidad de los Medicamentos y Atención Sanitaria, 2010.
2. Bogosian, Gregg y Bourneuf, Edward V. Una cuestión de vida o muerte bacteriana. EMBO. 2001, Vol. 2, 9, pp. 770-774.
3. Eith, Claudia, et al. [Libro autor] Kai-Henning Viehweger. Práctica de cromatografía de iones. 2ª edición. Herisau: Metrohm AG, 2007.
4. Kohlrausch, Friedrich. Pequeña guía de física práctica. 1ª edición Leipzig: Teubner Verlag, 1870.
5. Debye, P. y Hückel, E. Sobre la teoría de los electrolitos. I. Disminución del punto de congelación. Zeitschrift für Physik. Leipzig: S. Hirzel Verlag, 1923. 24, pp. 185-206.
6. ISO 3696. Agua para uso en laboratorios analíticos; especificaciones y métodos de prueba. Berlín: Beuth Verlag, 1987.
7. Hoja de ruta internacional de tecnología para semiconductores. Mejora del rendimiento. s.l.: www.irts.net, 2003.
8. ASTM D1193-06. Especificación estándar para agua de reactivos. West Conshohocken: ASTM International, Sociedad Americana de Pruebas y Materiales, 2011.
9. Bogenschütz, German, et al. Técnicas avanzadas de detección en cromatografía de iones. Herisau: Metrohm AG, 2006.