HDT 31: EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE LOS LABORATORIOS DE LATINOAMERICA QUE MIDEN TRAZAS DE METALES EN AGUA MEDIANTE MUESTRAS DE CONTROL

Masashi Taguchi
María Luisa C. de Esparza **

El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, preocupado por la calidad de los datos analíticos de los tóxicos metálicos en muestras ambientales, esta promoviendo programas de intercalibración de estándares y muestras sintéticas. Hace algunos años evaluó a 49 laboratorios de la Región latinoamericana dentro del Programa PRELAB y, posteriormente, 44 dentro del Programa de Control de Calidad Analítica entre Laboratorios realizado por el Programa de Naciones Unidas GEM S/AGUA.

Adicionalmente, usando estándares biológicos ambientales, en el Perú se ha evaluado la calidad analítica de diez laboratorios. En diferentes oportunidades se les entregó las muestras sintéticas o los estándares certificados, con instrucciones sobre la manipulación y preparación de las mismas, indicándose que deban analizarías dentro de su rutina de trabajo.

Los primeros resultados indicaron tina baja eficiencia y sirvieron para identificar algunos errores sistemáticos que fueron corregidos. Estos ensayos ayudaron a mejorar la calidad de los datos y algunos de los laboratorios mejoraron su nivel a tal punto que sirven de ejemplo, estimulo y para el entrenamiento de otros laboratorios de la Región que todavía presentan serias deficiencias en su calidad analítica, así como para promover el uso de programas de control de calidad analítica internos y entre laboratorios dentro de su rutina diaria, a fin de incrementar la seguridad y confiabilidad de los datos generados, los cuales sirven de base para el desarrollo de estudios e investigaciones sobre el medio ambiente, programas de vigilancia de calidad del agua y desarrollo de tecnologías no convencionales apropiadas para nuestros países.

1. Introducción

La generación de datos analíticos reportados por un laboratorio es parte integrante de cualquier programa de medición y muestreo. En nuestros países poco a poco se está creando conciencia de la necesidad de vigilar y controlar la calidad del agua, especialmente de aquella destinada al consumo humano, así como también la promoción de estudios de control de la polución procedente de diferentes fuentes, con énfasis en el impacto del vertimiento de sustancias tóxicas en el ambiente.

Como es conocido, las muestras del ambiente están influenciadas por los componentes que afectan el medio de donde se toman. Su control permite preservar el medio ambiente y prevenir potenciales transformaciones futuras.

Una de las preocupaciones de las autoridades, investigadores y profesionales de salud es el grado de confiabilidad de los datos que se reportan en los diferentes estudios, y constantemente surge la duda de si éstos sor comparables o no con los de otros lugares y si se deben tomar medidas correctivas en base a estos datos cuando no se tiene seguridad de su validez.

Esta situación se ha creado debido a la poca disponibilidad de profesionales con experiencia y entrenamiento adecuados, suscitada por el cambio continuo de profesionales de las entidades del Gobierno al sector privado, por los escasos fondos destinados al mantenimiento de los equipos y a la falta de reactivos y materiales de la calidad necesaria.

Por otro lado las autoridades no asignan dentro de sus planes, programas concretos y actividades definidas en los que participen los laboratorios, pues debido a la falta de confianza que tienen en ellos temen invertir y hacer gastos que no reporten beneficios.

Otro de los factores que afecta la exactitud de los análisis es que no se han establecido los métodos adecuados para el análisis de metales, dando por ello resultados variables en cada laboratorio, lo cual impide hacer un seguimiento de los cambios a través del tiempo, de cualquier elemento que se tiene interes en investigar.

La única manera de solucionar este problema es colaborar en la capacitación de los profesionales que trabajan en los laboratorios para hacer que puedan reportar resultados analíticos garantizados y de confiabilidad reconocida, de tal modo que no haya temor por part de las autoridades a gastar tiempo y dinero inútilmente.

Las metodología para llevar a cabo programas internos de control en cada laboratorio han sido desarrolladas por la "Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)" ^(1), por el "Water Research Centre"⁽²⁾ de Gran Bretaña, por la "Environmental Agency´´⁽⁴⁾ de Japón y la "International Atomic Energy Agency´´^(4,5) de Mónaco, quienes efectúan ejercicios de intercalibración de muestras ambientales con sistemas que permiten establecer la exactitud de los datos y también identificar fuentes de error con fines correctivos.

En el año 1976 el CEPIS organizó un programa de control de calidad entre laboratorios dentro del programa PRELAB⁽⁶⁾, con el objetivo de colaborar con los países para elevar la calidad analítica de los laboratorios de la Región, mediante divulgación e intercambio de información entre todos los laboratorios participantes. Como parte de ello se distribuyeron muestras sintéticas a cada laboratorio, solicitándoles reportasen los resultados de la medición de parámetros minerales fisicoquímicos, nutrientes y metales, lo cual sirvió para establecer un diagnóstico de la situación sobre la calidad analítica.

En el año 1983, dentro del programa GEMS/AGUA⁽⁷⁾, se distribuyeron muestras en las que debían medir un amplio espectro de parámetros. Se adjunta el resumen de los resultados para análisis de trazas de metales, en los cuales se puede apreciar la poca capacidad de los laboratorios para la medición de parámetros, especialmente de elementos tóxicos y la pobre aceptabilidad de los resultados de éstos.

El objetivo del presente trabajo es colaborar con las entidades de los Gobiernos a evaluar y elevar la calidad analítica de sus laboratorios que trabajan en actividades de medición y muestreo de aguas, de tal manera que éstos puedan asegurar la validez de los datos reportados por cada uno de ellos.

Para la evaluación del grado de confiabilidad de los datos reportados por laboratorios del Perú y de Latinoamérica que trabajan con muestras ambientales, se utilizaron muestras estándar de la EPA (Environmental Protection Agency, de Estados Unidos), del CRM (Certified Reference Material) y del NIES (The National Institute for Environmental Studies, de Japón) ^(8,9).

Otros objetivos son: 1) promover el uso de métodos normales de muestreo y análisis; 2) promover que los principios y la práctica del control. de calidad analítica se generalice en todas las actividades rutinarias del laboratorio⁽¹⁰⁾, lo que ayudaría a identificar problemas y serviría como medio para una evaluación interna de cada laboratorio; 3) promover el intercambio de información y experiencia entre los laboratorios que tienen actividades analíticas con muestras de agua, en los países de Latinoamérica.

Mediante estas acciones se espera: 1) incrementar la confiabilidad y conocimiento de las técnicas analíticas en los laboratorios de la Región; 2) ayudar a los laboratorios de los países a determinar los parámetros de control y vigilancia de la calidad del agua; 3) apoyar el establecimiento de nuevos sistemas de vigilancia y control de calidad de agua y reforzamiento del sistema existente; 4) apoyar a programas de investigación en el campo ambiental.

2. Materiales y métodos

2.1 Muestras estándar de control (EPA-G01))

Muestras No. 1 y 2

Se proporcionan los concentrados para dos muestras diferentes. Cada muestra deberá prepararse diluyendo una cantidad medida de un concentrado especifico hasta un volumen requerido con agua pura del laboratorio (equivalente al Agua de Reactivo Tipo II como se especifica en el Estándar D 1193-77 de ANSI/ASTM). Se pueden realizar análisis individuales de las muestras 1 y 2 para los siguientes parámetros: A1, As, Be, CD, CR, Co, Cu, Fe, Pb, Mn, Hg, Ni, Se, V y Zn. Cuando se diluyen de acuerdo con las instrucciones, las concentraciones de estos elementos serán menores a 2,000 microgramos por litro.

Los concentrados son preparados con cantidades exactas de metales espectrográficamente puros o compuestos de metales que han sido preservados con la adición de ácido nítrico bidestilado.

2.2 Muestras estándar de control (EPA GEMS-WP 475)

Muestras No. 4, 5 y 6

Estas muestras (11) se preparan a partir de cantidades exactas de metales o compuestos de metales espectrográficamente puros y son preservadas por la adición de HNO3 bidestilado. La concentración de las trazas de metales y la estabilidad de estas soluciones han sido verificadas con mucha exactitud. Estas muestras están contenidas en ampollas de vidrio y en cada una de ellas se puede analizar Al, As, Be, Cd, Cr, Co, Cu, Fe, Pb, Mn, Hg, Ni, Se, V y Zn. Cada una de estas ampollas tiene concentraciones diferentes de los elementos (muestras No. 4, 5 y 6).

2.3 Muestras de C.R.M. (Certified Reference Material)

a. Pepperbush Plant (Clethra barbinervis Sieb. et Zucc.)

Las hojas de pepperbush⁽⁸⁾ fueron recolectadas en la ciudad de Ashi (Japón) en 1975. Fueron lavados aproximadamente 100 kg de estas hojas con agua destilada y secadas en una estufa con aire, a 80 C, durante la noche. Las hojas se trituraron y pasaron por un tamiz de nylon de malla 80 177 um) para ser colocadas luego en frascos de vidrio. En cada frasco se tiene 14 g, habiéndose obtenido un total de 1,150 frascos. Las muestras contienen 16 elementos de valores certificados (K, Ca, Mg, Mn, Zn, Fe, Ba, Na, Rb, Sr, Co, Cu, Ni, Cd, Pb, As) y cinco valores referenciales (P, Cr, Cs, Ta, Hg).

b. Pond sediment

Este sedimento⁽⁹⁾ fue recolectado en un pequeño lago en la universidad de Tokyo (Japón) en 1977. La muestra húmeda (aproximadamente 500 g) fue pasada por un tamiz de 2 mm y filtrada con papel No. 2.

Fue secada por 2-3 semanas a temperatura ambiente, triturada y pasada por un tamiz de malla 200. La muestra fue luego homogeneizada y colocada en botellas de vidrio. Cada botella contiene 20 g, obteniéndose 2,000 botellas, las cuales fueron esterilizadas con radiación de Co de 2 megarads. Las muestras contienen 13 elementos de valores certificados (A1, Fe, Ca, K, Na, Zn, Cu, Pb, Cr, Ni, Co, As, Cd) y 12 valores referenciales (Si, Ti, P, Mn, V, Sr, Rb, Sc, La, Br, Sb, Hg).

Para el análisis de los elementos en las muestras de CRM se utilizaron las siguientes técnicas: espectrofotometría de absorción atómica (AAS), espectrometria de emisión por llama (FES), espectrometria de fluorescencia por rayos X (XRF), análisis instrumental por activación neutrónica (INAA), espectrometría de emisión por plasma (ICP), espectrometria de masa por dilución de isótopo (IDMS), análisis por activación neutrónica con separación radioquimica (RNAA), análisis instrumental por activación del fotón (IPAA), espectrofotometría (SP), espectrofluirmetria (SF), gravimetría (Grav), potenciometria (Pot) y análisis por dilución de isótopo subestequimétrico (Sub IDA).

3. Experimento

3.1 Dentro del programa GEMS/AGUA, a principios del año 1983, se distribuyeron a 44 participantes del proyecto GEMS y PRELAB, dos muestras sintéticas (EPA Gol) de agua. Los laboratorios participantes del programa están ubicados en todos los paises de Latinoamérica. Lasconcentraciones de metales a medir estuvieron dentro de los niveles en los cuales se encuentran comúnmente en el agua.

La muestra fue preparada de la siguiente manera:

Para iniciar el análisis se abrió la ampolla 1 rompiendo la tapa por la parte más angosta del cuello. Se agregó aproximadamente 900 ml de agua pura de laboratorio en un frasco volumétrico de 1000 ml. Se pipeteó 1.0 ml de grado reactivo de ácido nítrico y 10.0 ml del concentrado 1 dentro del frasco, llenándolo hasta su volumen total con agua pura del laboratorio, mezclándolo bien. La muestra 1 estuvo lista para ser analizada.

Para preparar la muestra 2 se repitió el procedimiento anterior usando la Ampolla 2. Se deberá analizar un agua pura del laboratorio para tener un antecedente de pureza. Los estándares y el agua pura deberán contener 0.15% del grado reactivo de ácido nítrico (1.5 ml a 1 litro).

3.2 A cada uno de los 10 laboratorios de Perú, que participaron en este Proyecto, se le proporcionaron las muestras Nos. 4, 5 y 6 de la EPA.

Cada muestra fue diluida y analizada por separado. La dilución se efectuó como sigue:

Muestra 4: Se pipeteó 1.0 ml de HNO3 concentrado, de grado reactivo y 10  ml de la muestra, en una fiola de 1000 ml y se enrasó con agua   bidestilada.

Muestra 5: Se repitió lo anterior, usando la muestra 5.

Muestra 6: Se repitió lo anterior, usando la muestra 6. 

Estas muestras fueron analizadas por espectrofotometría de absorción atómica (EAA), siguiendo el método acostumbrado en cada laboratorio.

3.3 A cada laboratorio se le repartió 1 g de la muestra 2.3 a. (Pepperbúsh Plant) la cual fue digerida con HNO3 y H202, llevándose a un volumen de 50 ml con solución de HNO3 0.5 N, para luego leerse en el EAA.

3.4 A cada laboratorio se le repartió 1 g de la muestra 2.3 b. (Pond Sediment). Se le agregó HNO3, H202, llevándose a un volumen de 50 ml con solución de HNO3 0.a5 N y se efectuó la lectura mediante EAA.

En el análisis de mercurio, además de los reactivos ya indicados se adicionó SnC12 y H2S04 1:1 para la reducción, utilizando para su lectura el método de vapor frio en el EAA.

4. Resultados a nivel de latinoamérica

4.1 Del EPA GO1.

Los resultados se muestran en la Tabla 1.

4.2 Intercalibración de las muestras 'de agua EPA GEMS-WP 475

Para conocer el nivel del analista se repartieron muestras de la EPA y el resultado se indica en la Tabla 2 (a, b), de la cual se observa que:

• Los resultados se distancian demasiado del valor verdadero.

• Existe una diferencia muy grande entre los valores encontrados de todos los laboratorios. Si no se contabilizan los resultados del laboratorio cuyos valores están muy alejados del promedio, se obtiene un C.V. menor del 50% para la mayoría de las intercalibrac iones.

• A medida que la concentración del elemento es mayor, los resultados se acercan al valor verdadero, por lo que se deduce que el análisis se hace difícil cuando las concentraciones son menores.

Tabla 1. Resultados de la intercalibración de las muestras de agua Epa-G01

 En estos resultados no se incluyen los datos que están fuera de los límites de aceptabilidad

Tabla 2a. Resultado de los análisis de la intercalibración en metales de muestras standard E.P.A. 

 Tabla 2b. resultado de los análisis de la intercalibración en metales de nuestras standard E.P.A.

 4.3 Intercalibración de las muestras ambientales de C.R.M.

En la Tabla 3 (a, b), se muestran los resultados de los análisis de C.R.M. (Pepperbush y Pond sediment). Se observa que los valores difieren un poco y en algunos casos mucho, del valor verdadero, lo cual se debe a que el pretratamiento de la muestra (digestión), es un poco difícil y los analistas no están muy adiestrados en este tipo de tratamiento, por lo cual se han sumado errores en el desarrollo de las técnicas. También se observa que los resultados para un mismo elemento difieren entre los laboratorios, sin notarse tendencias a subir o bajar las concentraciones.

De los coeficientes de variación que se reportan para los análisis de los diferentes parámetros se puede notar que existe mayor dificultad en las determinaciones de más baja concentración.

Los C.V. de concentraciones altas varían entre 62.8-99.4% y los C.V. de concentraciones bajas entre 62.8-234%, excepto el valor del Pb en baja concentración y Hg en alta, con el valor promedio de las determinaciones muy diferentes del valor real. Cuando las concentraciones son altas los valores reportados son menores que los valores reales. Cuando las concentraciones son bajas, la tendencia es que los valores reportados sean mayores que los reales.

5. Discusión

Para conocer el por qué de la diferencia de resultados en las muestras de la EPA, se visitaron los laboratorios que intervinieron en la intercalibración y, consultando con los analistas, se identificaron las siguientes causas:

• Contaminación del ambiente del laboratorio: Debido a la falta de lluvias en la ciudad, el aire acarrea polvo que ingresa al laboratorio pues éste no se encuentra herméticamente aislado. La contaminación también se lleva en el calzado.
• En las campanas de extracción se acumulan los contaminantes provenientes de todas las determinaciones y pueden contaminar otros análisis.
• Contaminación de los reactivos. Algunas veces se usan reactivos de baja calidad o antiguos.
• Limpieza del material. Se debe tener cuidado en el lavado del material de vidrio. Por ejemplo, para análisis de cromo hay laboratorios que usan mezcla sulfocrómica para el lavado. Se debe tener cuidado de que el agua no esté contaminada con metales. Por ejemplo, cuando el agua atraviesa por tuberías viejas el contenido de plomo y hierro puede aumentar.

 Tabla 3a. Resultado de análisis de certified reference material (C.R.N) Pepperbush (NIES N°1)

 * Todos estos resultados han sido realizados por duplicado, el valor que se presenta en la tabla la son valores promedio de cada laboratorio. En estos resultados, no se considera el porcentaje de humedad.

Tabla 3b. Resultado de análisis de certified reference material   (C.R.M) Pond sediment (NIES N°2)*

* Estos resultados han sido realizados por duplicado, el valor que se presenta en la tabla 3B son valores promedio de cada laboratorio, no se considera el porcentaje de humedad.
** Estos valores son solo referenciales.

• La lectura alta que se obtuvo para la muestra en blanco nos hizo pensar en las consideraciones enunciadas anteriormente.

• La manipulación de las muestras; la mezcla no homogénea en las diluciones; el uso de soluciones estándares antiguas; y cuando se usa la parte no lineal en las curvas de calibración.

En el caso de las muestras preparadas de antemano, se obtuvieron mejores resultados. Esto se pudo deber a que: a) la concentración de los elementos a determinar fue más alta que en las muestras de la EPA, además de haberse seguido en el análisis las principales reglas básicas; b) en el ejercicio de precisión se puede decir que si los laboratorios tienen cuidado en la técnica de dilución se puede obtener un C.V. menor del 3%.

En el análisis que se efectuó en Japón se utilizó uno de los laboratorios más confiables. Este resultado no varió mucho de los resultados logrados en los laboratorios nacionales. Este buen resultado pudo deberse a la continua práctica de análisis de muestras de agua.

Estos trabajos de intercalibración entre laboratorios empezaron en Japón a partir de 1975 con el Programa de Environmental Agency (E.A.) (¹²), participando desde entonces 200 laboratorios.

En las muestras de agua se deben controlar los errores de dilución, mezcla, las condiciones de las soluciones estándar las curvas de calibración y las condiciones del equipo. En las muestras ambientales deben controlarse además los errores de la descomposición de la muestra.

De los 44 laboratorios que participaron en el programa de distribución de soluciones para Control de Calidad Analítica externa (ver la Tabla 4), muy pocos son los que tenían capacidad para efectuar las mediciones más importantes de trazas metálicas. Así podemos ver que existen tres grupos de parámetros. El primero, considera las determinaciones que pueden ser realizadas por diez o más laboratorios: A1, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, In. En el segundo grupo figuran los elementos que pueden ser medidos en menos de diez laboratorios: Be, Co, Hg, Se, V. Y un tercer grupo, para el cual no hay capacidad instalada de rutina y que son: Sb, Ag, T1, Mo, Sr, Ti. La mayoría de metales (50 y 82%) en niveles altos, excepto Cd y V, entran dentro de los límites aceptables (20% de error).

A niveles bajos los datos reportados entre el 50 y 100% están dentro de los limites de aceptación del 20% con excepción de Be, Ni, V.

Tabla 4. Resumen de datos reportados
Laboratorios con datos reportados MH

6. Conclución

Este estudio de intercalibración de los laboratorios del Perú y Latinoamérica permitió conocer la realidad de la técnica analítica de metales en trazas, la falta de información sobre análisis de metales (por ejemplo, revistas científicas), falta de comunicaciones entre los laboratorios, falta de recursos económicos de las instituciones, teniendo como consecuencia que los laboratorios cuenten con material e instrumentos que no satisfacen la demanda.

Para elevar el nivel técnico del analista y superar la problemas mencionados anteriormente es necesaria la colaboración de todos los analistas ejecutando continuas intercalibraciones.

Además se recomienda a los profesionales y técnicos de los laboratorios a implementar programas internos tales como el señalado en el Anexo I.

Dentro de los programas de vigilancia de la calidad del agua, así como de los diferentes estudios de contaminación de cuerpos de agua y protección de los mismos, se debe considerar el tiempo y materiales requeridos que permitan garantizar la calidad de los datos generados.

Se recomienda intensificar la detección de posibles fuentes de error y el modo de corregir los problemas así como participar en reuniones donde se discutan soluciones a los problemas que afectan la calidad analítica.

Anexo I: Programa de control de calidad de un laboratorio de aguas

I. Control de calidad preanalítico

1. Control del muestreo

1.1 Frecuencia de muestreo
1.2 Preservación de las muestras
1.3 Transporte
1.4 Blanco de campo 

2. Control de los instrumentos

2.1 Balanzas
2.2 Potenciómetros
2.3 Espec trofotómetros
2.4 Turbidimetros
2.5 Conductímetros
2.6 Autoclaves
2.7 Incubadoras
2.8 Microscopios 

3. Control del lavado de material y seguridad en el laboratorio

3.1 Capacitación de los auxiliares
3.2 Información apropiada del tipo de limpieza de la vidriería y materiales de acuerdo al uso que se les va a dar.

4. Servicios de laboratorio

4.1 Calidad del agua destilada
4.2 Agua fría y caliente
4.3 Gas combustible (propano)
4.4 Sistema de energía eléctrica estable

5. Valoración de las soluciones estándar

5.1 Evaluación de las soluciones estándar
5.2 Comparación de soluciones estándar
5.3 Prueba para establecer si la diferencia observada entre las dos soluciones estándar es significativamente mayor al 5%
5.4 Analizar curvas de calibración para los diferentes parámetros 

6. Selección de los métodos analíticos

Para cada método analítico establecer lo siguiente:

6.1 Metodología de trabajo
6.2 Limites de detección
6.3 Rango de operación
6.4 Exactitud del método
6.5 Productividad
6.6 Disponibilidad de instrumentos, sustancias químicas
6.7 Disponibilidad de personal capacitado
6.8 Costo y confiabilidad (del instrumento y de mantenimiento)

II. Control de calidad interno

7. Determinación de la exactitud de los análisis Mediante el análisis de:

7.1 Blancos dobles
7.2 Estándares dobles
7.3 Muestras dobles
7.4 Muestras enriquecidas dobles 

8. Determinación del limite de detección

9. Detección de errores dentro del lote y entre_ lotes de análisis (análisis de varianzas)

10. Elaboración y uso de gráficas de control

III. Control de la consistencia de los datos

11. Balances iónicos 

12. Interrelación de parámetros

IV. Control externo

13. Comparación de estándares 

14. Comparación de muestras sintéticas 

15. Comparación de muestras naturales

V. Intercambio de información con otros laboratorios

Bibliografía

1. EPA, Handbook for analytical quality control in water and wastewater laboratories. U.S.A.

2. Wilson, A.L. Manual on analytical quality control for the water industry. Water Research Centre, Technical Report 1978.

3. Yamagata, N. Estimation of analytical data, Estimation and method of environmental analysis. T. Kiba, et al De. Tokyo Univ. Pab., 223, 1982.

4. Fukai, R., et al. Interlaboratory comparability of measurements of trace elements in marine organisms: Results of intercalibration exercise on oyster homogenate. Oceanologica Acta, 1, 391-196, 1978.

5. Fukai, R. Intercalibration of analytical methods on marine environmental samples. Progress Report 13 )1976), 15 (1977), 18 (1978),

6. Kinrchmer, C. Programa de PRELAB. Documento Técnico, CEPIS 1976.

7. GEMS/WATER. Operational guide. WHO, OMM, PNUMA.

8. Okamoto, K. Preparation, analysis and certification of pepperbush standard reference material. Research Report From NIES-Japan, 18, 102, 1980.

9. Okamoto, K. Preparation, analysis and certification of pond sediment certified reference material. Research Report From NIES-Japan, 38, 112, 1982.

10. Kirchmer, C. Analytical quality control. Roy F. Waston, Inc. West chester, Pa. 19380, U.S.A., 1984.

11. U.S. EPA. Water pollution quality control samples: Instructions for trace metals analysis. GEMS - WP 475, 1984.

12. Anbe, M. Certified reference material for water sample. Estimation and method of environmetal analysis. T. Kiba, et al De. Tokyo Univ. Pab, 210, 1982.

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