Técnicas de Muestreo y Preparación de Muestras en Análisis Químico

UD 5 - Toma y Preparación de la Muestra

1. Introducción

La toma de muestra es una de las operaciones básicas de mayor interés en análisis químico. Para conocer la composición de una sustancia, hay que tomar una o varias muestras representativas de ella y analizarlas. El objetivo de la toma de muestra es obtener de una partida determinada de producto una muestra representativa para poder comprobar, a partir de ésta, las características físicas y químicas del producto.

Definiciones

• Muestreo: Proceso mediante el cual se toma una fracción representativa del material cuya composición es de interés.
• Porción: Cantidad de producto extraído de una parte cualquiera de una partida.
• Unidad de muestreo: Es el elemento seleccionado para el análisis.
• Muestra simple: Es aquella tomada en un tiempo y lugar determinado para su análisis individual.
• Muestra bruta: Es el conjunto de unidades de muestreo.
• Muestra: Cantidad de producto de una partida obtenida por mezcla y homogeneización de varias porciones, cuyas características son, con aproximación suficiente, las de la partida.
• Muestra de laboratorio: Es el material resultante de la reducción y homogeneización de la muestra bruta.
• Ejemplar de muestra: Cada una de las partes obtenida por reducción de una muestra.
• Muestra de análisis: Es la porción de la muestra de laboratorio con la cual se realizan los análisis químicos.
• Partida a granel: Cantidad de producto de igual procedencia y análogo aspecto externo, cuyas características se aceptan como únicas por ambas partes.
• Partida envasada: Cantidad de producto contenido en un conjunto de envases idénticos y debidamente etiquetados cuyas características se aceptan como únicas por ambas partes.

2. Etapas del Muestreo

Etapa pre analítica: Método de muestreo, toma de muestra, división de la muestra, envasado y almacenamiento de la muestra.

La muestra que se toma debe ser homogénea y representativa del promedio de la sustancia a analizar. El proceso de toma de muestra se hace en varias etapas:

• Recogida: Se recoge una cierta cantidad grande del material seleccionado de una manera sistemática, de distintas partes de la masa.
  • Si el material se compone de partículas sólidas, hay que triturar y moler la porción recogida con objeto de reducir el tamaño y conseguir una mezcla.
  • En el caso de pequeñas cantidades de muestra líquida se prepara una pequeña cantidad de la misma por mezcla y agitación de todo el producto.
• Separación: La muestra se separa en dos partes. Una de estas partes ha de ser grande y la otra pequeña, pero de tal manera que esta última proporcione el material suficiente para el análisis o prueba a efectuar y que al mismo tiempo tenga la misma composición media que la porción grande.

Etapa analítica: Prueba analítica y registro de resultados.

Etapa post analítica: Informe.

3. Métodos de Muestreo o de Preparación de Muestra: Criterios Generales

La toma de muestras o muestreo se realiza de formas distintas y específicas según el tipo de sustancia que queramos analizar, aunque existen unas normas generales:

• Para sustancias líquidas y sólidos en pequeñas cantidades hay que homogeneizar, agitar y separar una muestra.
• Para los productos a granel se toman muestras en distintos puntos, se homogeneizan y se analiza una parte. Para las aleaciones se sacan virutas en diversos puntos.
• Para los líquidos en grandes cantidades se toman muestras a diversas alturas, en diversos puntos o a distintas horas, según lo que nos interese analizar.

Posteriormente, las muestras se etiquetan para identificarlas y son procesadas para su almacenamiento y análisis. Siempre se debe guardar parte de la muestra, por si es necesario un análisis de confirmación o un contraanálisis.

3.1. Muestras Sólidas

La preparación de muestras sólidas se lleva a cabo por dos métodos generales.

3.1.1. Muestreo a mano:

Implica la toma de muestra por una persona utilizando una herramienta sencilla para tal fin.

1. Al Azar: Es el método más sencillo para preparar una muestra, pero también el menos exacto. Consiste en tomar pequeñas porciones iguales, al azar o a intervalos regulares a mano o con un cucharón o una pala. En general, el muestreo al azar sólo deberá aplicarse cuando el material sea muy homogéneo y únicamente cuando bastan resultados no muy exactos.
2. Muestreo por cuarteo: Es uno de los métodos más empleados para el muestreo a mano y se utiliza por lo general para subdividir una muestra bruta con el fin de obtener la porción que necesitamos para el análisis. El procedimiento consiste en formar una pila de material, se divide en cuatro partes y se desprecian los cuartos opuestos. Los dos cuartos que quedan se mezclan para formar otra pila, que también se divide en cuatro partes y se rechazan los cuartos opuestos. Esto se repite hasta lograr una muestra adecuada para el laboratorio. Este método puede usarse para toda clase de materiales sólidos. Presenta el inconveniente de que no proporciona una muestra exactamente representativa.

https://www.youtube.com/watch?v=EJzODtqy15U

3. Muestreo a paladas: Se emplea para grandes productos a granel, como el carbón, minerales, cemento, harinas... Este método consiste en que, a partir de la pila inicial de material, se van formando nuevas pilas, desechando al formarlas una palada sí y una no. Este procedimiento puede emplearse para subdividir la muestra bruta con el fin de obtener una muestra del tamaño apropiado para el análisis. Este método es más exacto porque se toman más porciones para reunir la muestra.
4. Muestreo con un tubo: Se emplea un tubo que obliga a penetrar en el material del cual hay que obtener la muestra y al extraerlo saca en su interior un núcleo de material para la muestra. Solo es aplicable a los materiales finamente divididos que permitan penetrar al tubo dentro de la masa. Se utiliza para tomar muestra de granos.

3.1.2. Procedimiento mecánico:

Este procedimiento ofrece ventajas cuando se manipulan de manera continua grandes cantidades de materiales de una misma clase. Lo realiza un tomador de muestras automático y continuo, que recoge de forma permanente una pequeña parte de la muestra procedente de un molino en marcha que se va llenando progresivamente con material representativo de la producción total, silos que se están vaciando... La cantidad de muestra tomada por el tomamuestras está previamente fijada.

Vídeo de un tipo muestreador automático:

McLanahan | Sistemas de muestreo de cinta transversal

3.2. Muestras Líquidas

La toma de muestras líquidas se puede llevar a cabo por varios métodos. Es muy importante que la muestra mantenga exactamente las mismas características que el líquido que se desea analizar.

1. Muestreo con botella o vaso: Se usa una botella para coger la muestra, se cierra la abertura por medio de un tapón bien ajustado que puede quitarse por medio de un hilo cuando se ha sumergido la botella en el líquido hasta la profundidad deseada. Acto seguido se quita el tampón tirando del hilo y el líquido penetra en la botella. Este método de muestreo es aplicable a la toma de muestra en tanques, vagones cisterna...

https://www.youtube.com/watch?v=2KgpBOjJjkc

2. Muestreo continuo de líquidos: Este procedimiento se aplica en la toma de muestra de tuberías. Se inserta a través de la pared de la tubería un tubo de poco diámetro con un grifo en su extremo exterior y de esta manera se deriva para la muestra una pequeña parte del líquido que circula. Puesto que el gasto de corriente no es uniforme en todos los puntos de la sección transversal de la tubería, se acostumbra a insertar tres pequeños tubos, obteniendo así una muestra más uniforme.
3. Método de la pipeta: Se utiliza cuando se ha de obtener pequeños volúmenes de muestra. Se usa una pipeta bien de vidrio o de metal. La pipeta se introduce dentro del recipiente hasta el punto deseado mientras se mantiene cerrado su extremo superior. Una vez que ha llegado el extremo inferior a la profundidad deseada se quita el tapón o dedo y el líquido penetra en la pipeta.
4. Líquidos de distinta densidad y viscosidad: Se usa una sonda para líquidos, tomando muestras en distintas profundidades.

Tanto para muestras sólidas como para muestras líquidas debe tenerse muy en cuenta el estado del material. Hay que comprobar que:

• La capa superficial es idéntica al material que está debajo.
• Si la capa superficial es distinta, este cambio puede deberse a la exposición a los agentes atmosféricos (hay material que se oxida en contacto con el aire); por lo tanto, hay que coger la muestra de la parte interna del material.
• En el caso de haber transportado el material en vagones, camiones... si el material no es homogéneo, tienden a irse las partículas más finas al fondo; por lo tanto, hay que homogeneizar bien la muestra.

4. Métodos Prácticos Empleados (Toma de muestra)

1. Metales y Aleaciones

Las muestras de los metales y las aleaciones se toman taladrando la pieza con una broca, sin emplear ningún lubricante. Cualquier impureza superficial deberá eliminarse antes de recoger la muestra. Para que la muestra sea representativa se sacan virutas o limaduras de varios puntos de la barra.

2. Pruebas Bacteriológicas

Debe tomarse la muestra en una botella previamente esterilizada con vapor de agua y deben tomarse precauciones especiales para que la muestra no se contamine.

3. Toma de Muestra de Agua

Se debe conseguir una muestra representativa de la misma para poder determinar sus características físicas y químicas. Este método se aplicará tanto a muestras de aguas de manantiales, pozos, ríos, lagos, redes de distribución de aguas, depósitos...

Las muestras que obtenemos pueden ser:

• Muestras simples: Aquellas tomadas en un tiempo y lugar determinado para su análisis individual.
• Muestras compuestas: Son las obtenidas por mezcla y homogeneización de una serie de muestras simples (un número determinado) recogidas en el mismo punto en diferentes tiempos.
• Muestras integradas: Son las obtenidas por mezclas de muestras simples recogidas en puntos diferentes simultáneamente (a la misma hora).

Una vez obtenidas las muestras, se envasan convenientemente y se etiquetarán de manera correcta para su perfecta identificación.

Exceptuando el material específico que puede utilizarse para determinaciones especiales, los recipientes en que se recojan las muestras deberán ser de vidrio o material plástico. Deberán poderse cerrar y sellar herméticamente. Todo el material deberá estar escrupulosamente limpio, debiendo estar enjuagado previamente con agua destilada.

• En redes de distribución: Al igual que en pozos y fuentes, es necesario dejar fluir el agua durante el periodo de tiempo que se estime conveniente para conseguir que la muestra sea representativa.
• En ríos: Al igual que en embalses, será preciso considerar diversos factores como la profundidad, flujo de corriente, distancia de la orilla... recomendándose recoger muestras integradas (distintas muestras a distinta profundidad, distancia, flujo...) y si no es posible se toma una muestra simple en el centro de la corriente.

En caso necesario, la muestra se dividirá en el número necesario de partes, constituyendo cada una de ellas un ejemplar de la muestra para el laboratorio. El volumen de la muestra estará en función del número de ensayos a realizar.

El tiempo entre la recogida y el análisis debe ser lo menor posible, para obtener así los mejores resultados posibles.

5. División de una Muestra Sólida (Preparación de la muestra)

Antes del análisis, la muestra homogeneizada se somete a:

• Trituración y tamizado: La muestra se tritura mediante martillos o bolas; después se tamiza para recoger sólo el material que pasa por un tamiz de 25 mallas/cm².
• Almacenado de muestras: La muestra triturada y tamizada se conserva en frascos bien secos y etiquetados. En la etiqueta se indica el tipo de material, la procedencia, la fecha de toma y otros datos que ayuden a identificar los componentes de la muestra. Una pequeña porción de la muestra se destinará a realizar los ensayos pertinentes, debiéndose conservar la parte restante para posteriores comprobaciones si fuese necesario.
• Cantidad de muestra para el análisis: De la muestra reservada para ensayos se pulverizan aproximadamente 2 gramos en un mortero de porcelana y posteriormente se repite la operación en un mortero de ágata, para obtener partículas más pequeñas. Partimos de una cantidad de muestra conocida, que variará dependiendo del tipo de análisis que se vaya a realizar (microanálisis o macroanálisis).

El análisis de una muestra puede ser cualitativo (nos indica los componentes de la muestra analizada) o cuantitativo (indica las cantidades en que se encuentran los componentes). Si la muestra es desconocida, primero se realiza el análisis cualitativo para conocer sus componentes y luego el cuantitativo, ya que las técnicas son diferentes según contenga productos orgánicos o inorgánicos. El análisis cualitativo aprovecha las propiedades específicas de las especies químicas en determinadas condiciones para poder identificarlas.

6. Conservación de las Muestras

Con independencia del tipo de muestras de que se trate, nunca puede conseguirse la estabilidad completa de todos sus componentes.

6.1. Conservación de la Muestra antes del Análisis

a) Naturaleza de los cambios en la muestra: Se determinan algunos casos:

• Algunos cationes se pierden por adsorción en las paredes de los envases de vidrio o por intercambio iónico con ellas. Entre estos cationes se encuentran aluminio, cadmio, cromo, cobre, hierro, plomo, el manganeso, plata y zinc, por lo que, en estos casos es mejor utilizar un envase diferente y limpio, y acidificar con ácido nítrico hasta un pH inferior a 2.0 para reducir al máximo la precipitación y la adsorción en las paredes del envase.
• Hay que determinar la temperatura, el pH y los gases disueltos en el momento de hacer la toma. Al cambiar el equilibrio pH-alcalinidad-dióxido de carbono, el carbonato de calcio puede precipitar y dar lugar a una disminución de los valores del calcio y de la dureza total.
• El hierro y el manganeso son muy solubles en sus estados de menor oxidación, pero relativamente insolubles en sus estados de mayor oxidación; por tanto, estos cationes pueden precipitar o disolverse si se encuentran en un sedimento, dependiendo del potencial redox de la muestra.
• La actividad microbiológica puede ser la responsable de los cambios en el contenido de nitrato- nitrito-amoniaco, de la disminución de la concentración de fenol y de DBO (demanda bioquímica de oxígeno) o de una reducción de los sulfatos a sulfitos. El cloro residual es reducido a cloruro. Pueden perderse por oxidación los sulfuros, los sulfitos, los iones ferrosos, el yoduro y el cianuro. Pueden aumentar, disminuir o cambiar de calidad el color, el olor y la turbidez.
• El sodio, la sílice y el boro pueden lixiviarse a partir del vidrio del envase.
• El cromo (VI) puede ser reducido a Cr (III). En el caso de que existan compuestos orgánicos volátiles, se evitará su pérdida llenando el envase por completo con la muestra, para lo cual se hará rebosar éste antes de taparlo o sellarlo.

b) Intervalo de tiempo entre la toma y el análisis: Cuanto menor sea el tiempo que transcurre entre la toma de muestra y su análisis, más fiable será el resultado del mismo. Es imposible establecer con exactitud el tiempo máximo que puede transcurrir entre la toma de muestra y su análisis. Los cambios debidos al crecimiento de microorganismos se retrasarán mucho si se mantiene la muestra en la oscuridad y a baja temperatura.

6.2. Técnicas de Conservación

Para reducir al máximo la posible volatilización o biodegradación entre la toma de muestra y el análisis, se debe mantener la muestra a la menor temperatura posible, sin que llegue a congelarse. Las muestras se analizarán lo antes posible una vez llegadas al laboratorio. Si no es posible hacerlo de manera inmediata, se recomienda conservarlas a 4^oC en la mayoría de los casos. Solo se utilizarán conservantes químicos cuando se haya demostrado que no van a interferir en el análisis. En caso de que se utilicen, deberán añadirse al envase antes de poner la muestra. No existe ningún método de conservación que sea totalmente satisfactorio. Los métodos de conservación son relativamente limitados y están diseñados para retardar la acción de los microorganismos y retrasar la hidrólisis de los compuestos y complejos químicos y reducir la volatilidad de los componentes. Los métodos de conservación se limitan al control del pH, la adición de productos químicos, el uso de envases ámbar u opacos, la refrigeración, la filtración y la congelación.

6.3. Envases

En general, los envases están hechos de plástico o vidrio, y según los casos puede resultar preferible uno u otro de los materiales. Para muestras que contienen compuestos orgánicos conviene evitar los envases de plástico, salvo los fabricados con polímeros fluorados como el politetrafluoretileno (TFE).

7. Métodos de Muestreo o de Preparación de Muestra para Agua

Para poder hacer un análisis de agua, primero hay que realizar el muestreo de un agua.

7.1. Toma y Conservación de la Muestra

El objetivo de la toma de muestras es la obtención de una porción de material cuyo volumen sea lo suficientemente pequeño como para que pueda ser transportado con facilidad y manipulado en el laboratorio sin que por ello deje de representar con exactitud al material de donde procede. Al igual que para cualquier otro tipo de muestra, en la toma de muestra debe tenerse en cuenta que la muestra no debe deteriorarse ni contaminarse antes de llegar al laboratorio. Antes de llenar el envase con la muestra hay que lavarlo dos o tres veces con el agua que se va a recoger, a menos que el envase contenga algún tipo de conservante o decolorante. En el caso de muestras que han de ser transportadas, lo mejor es dejar un espacio de alrededor del 1% de la capacidad del envase para permitir la expansión térmica. La toma debe realizarse con cuidado, con objeto de garantizar que el resultado analítico represente la composición real. Entre los principales factores que influyen sobre los resultados se encuentran la presencia de materia suspendida o de turbidez, el método elegido para la recogida y los cambios físicos y químicos producidos por la conservación o la aireación. En la toma y tratamiento de muestras de agua no hay directrices generales que cubran todas las situaciones, pudiéndose dejar al analista la elección de la técnica más idónea para conseguir que la muestra recogida sea homogénea. En general, se separa toda cantidad significativa de materia suspendida mediante decantación, centrifugación o filtración adecuada. A menudo es posible tolerar un grado pequeño de turbidez si se sabe por experiencia que no pueden presentarse interferencias. Si la turbidez es notable, hay que decidir si se filtra o no la muestra.

7.2. Toma de Muestra de Distintas Procedencias (Ríos, Lagos, Pozos...)

• Antes de recoger muestras de un sistema de abastecimiento, hay que dejar que el agua corra por las tuberías con objeto de asegurar que la muestra es representativa del suministro, teniendo en cuenta el diámetro y longitud de la conducción y velocidad del flujo.
• La recogida de muestras de un pozo se hará después de haber bombeado una cantidad suficiente como para asegurar que la muestra representa al agua del subsuelo. A veces es necesario bombear a una velocidad determinada para conseguir un descenso de nivel que permita determinar las zonas de donde proviene el aporte al pozo.
• Cuando se analizan muestras recogidas en río o arroyo, los resultados pueden variar según la profundidad, la velocidad de corriente, la distancia de la orilla y la separación entre ambas orillas. Si se dispone del equipo adecuado se hará una toma integral desde la superficie al fondo en la zona media de la corriente o de un lado al otro a una profundidad media. Si sólo puede hacerse una toma pequeña, se hará en el centro de la corriente a una profundidad media. Los lagos y pantanos presentan considerables variaciones debidas a causas normales, como la estratificación estacional, la cantidad de lluvia caída, el desagüe y el viento. La elección del lugar, la profundidad y la frecuencia de las tomas de muestra se hará dependiendo de las condiciones locales y del objetivo del estudio. En cualquier caso, se evitará la espuma superficial. Hay que evitar las áreas de turbulencia excesiva, a causa de la posible pérdida de componentes volátiles y presencia de vapores tóxicos. No hay que recoger muestras en vertederos, ya que su localización tiende a favorecer la obtención de compuestos no miscibles más ligeros que el agua. En general, se hará la toma bajo la superficie en áreas tranquilas.

7.2.1. Tipos de muestras

a) Muestras de sondeo: Estrictamente hablando, una muestra recogida en un lugar y un momento determinados sólo puede representar la composición de la fuente en ese momento y lugar.

b) Muestras compuestas: En la mayoría de los casos, se refiere a una mezcla de muestras sencillas recogidas en el mismo punto en distintos momentos. Con este objeto, se considera como estándar para la mayoría de los análisis una muestra compuesta que represente un periodo de 24h. Las porciones individuales se recogen en envases de abertura amplia, con un diámetro de al menos 35mm en la boca y con una capacidad de 120mL. Se recogen estas muestras cada hora (media hora o 5min) y se mezclan una vez concluida la toma.

c) Muestras integradas: En algunos casos, la información necesaria se obtiene mejor analizando mezclas de muestras individuales recogidas en distintos puntos al mismo tiempo o con la menor separación temporal posible.

7.2.2. Métodos de toma de muestra

a) Toma manual: En la toma manual se supone que no se utiliza equipo alguno, pero este procedimiento puede resultar demasiado costoso en tiempo y dinero para programas de toma rutinaria de muestras o a gran escala.

b) Toma automática: Mediante la toma automática se pueden eliminar los errores humanos en la manipulación, se reducen los costes laborales y se proporciona la posibilidad de hacer tomas con mayor frecuencia. Los aparatos automáticos de toma de muestras se programan de acuerdo con las necesidades específicas de dicha toma. Hay que controlar con precisión la velocidad de bombeo y el tamaño de los tubos según el tipo de muestra que quiera recogerse.

Para la mayoría de los análisis físicos y químicos se necesitan muestras de 2L. Para determinadas pruebas pueden requerirse volúmenes mayores.