Métodos de análisis del suelo
Las dificultades que entraña la determinación de los diferentes elementos en muestras orgánicas e inorgánicas no están asociadas fundamentalmente con la fiabilidad de las técnicas instrumentales, sino con la elección de los métodos para la preparación de las muestras, lo cual constituye uno de los procesos más críticos del análisis. En la elección de la técnica analítica se debe tener en cuenta la sensibilidad, precisión y exactitud de la misma.
Tanto los elementos más abundantes como los elementos traza se encuentran en diferentes compartimentos del suelo, las formas principales en las que se encuentran los elementos en el suelo son, las siguientes:
- Formando parte de la red cristalina de los minerales primarios, heredados del material de partida y secundarios, formados como consecuencia de los procesos de alteración.
- Adsorbidos a óxidos e hidróxidos de hierro, aluminio y manganeso.
- Complejados o incluidos en la estructura de macromoléculas.
- Retenidos por los residuos animales y vegetales.
- Formando parte del complejo de cambio y, por lo tanto, asociados a las arcillas y compuestos húmicos del sistema coloidal.
- En fase soluble, formando parte de la solución del suelo.
Para obtener la concentración total de un elemento es necesario extraer todas las formas del mismo que se pretende determinar, incluyendo las que forman parte de la red cristalina de los minerales primarios y secundarios (silicatos, arcillas, carbonatos, etc.).
Usualmente, los reactivos más usados en análisis de elementos en suelos han sido una mezcla de ácido fluorhídrico y perclórico (HF + HClO4) o bien, el agua regia (HNO3 + HCl). En algunos tipos de suelos los valores de elementos totales liberados por estos dos agentes pueden presentar amplias diferencias, de modo que cuando ocurre esto el agua regia proporciona valores inferiores. Ello hace que sea difícil comparar valores de elementos totales obtenidos por métodos de extracción diferentes.
El análisis total de los elementos presentes en el suelo se puede llevar a cabo mediante dos diferentes métodos, un método semicuantitativo, la fluorescencia de rayos X (FRX), así como con un método cuantitativo, la espectroscopia de emisión inducida por plasma argón (ICP-MS).
Método semicuantitativo
Fluorescencia de Rayos X (FRX)
La técnica de fluorescencia de rayos X (FRX) está basada en el principio de que si un átomo es bombardeado con fotones de alta energía, algunos de sus electrones son expulsados. Como otros electrones rellenan los niveles vacantes de energía ocupados por los electrones expulsados, ellos emiten un cuanto de radiación característica de ese tipo particular de átomo, de aquí que cada elemento tenga una serie propia de características de emisión o de líneas de fluorescencia por rayos X.
Para realizar el análisis de los elementos a partir de las muestras de suelo se puede emplear la fluorescencia de rayos X. Mediante esta técnica analítica se pueden determinar metales como el Cu, Mn y Zn,Ti y Zr a una concentración normal en el suelo. También pueden determinarse otros metales pesados y metaloides (As, Cr, Ni y Pb), pero en el caso del Cd, Hg y Sn se requiere una pre-concentración previa de la muestra.
Algunas aplicaciones de la FRX son, las siguientes:
- Determinación cualitativa rápida de los elementos presentes en un material desconocido sin prácticamente preparación de la muestra y determinación semicuantitativa usando factores sencillos de corrección.
- Detección de todos los elementos de la tabla periódica por debajo del B desde el límite de detección de unas pocas p.p.m. hasta el 100%.
- Determinación cuantitativa de todos los elementos de una muestra (excluyendo a los elementos con número atómico por debajo de 5).
- Composición en superficie (1 µm) comparada con el volumen (> 10 µm) usando líneas de emisión con diferente profundidad de penetración en determinadas muestras (cerámicas).
La FRX ofrece un número impresionante de ventajas. Generalmente, el método no es destructivo y, por lo tanto, puede utilizarse sin dañar la muestra. Otra ventaja sería la precisión y rapidez del procedimiento. No obstante, presenta también algunos inconvenientes; por ejemplo, no es un método tan sensible como otros métodos ópticos. En el más favorable de los casos, se pueden medir concentraciones de unas pocas p.p.m.; además, los métodos de FRX no se consideran adecuados para los elementos ligeros de modo que las dificultades en la detección y en la medida aumentan progresivamente por debajo del número atómico 23 (Vanadio). Otra desventaja de este procedimiento es el elevado costo de los instrumentos. Pese a ello, las técnicas de análisis de rayos X son las más empleadas en análisis de suelos.
Método cuantitativo
Espectometría de Masas-Plasma (ICP-MS)
Muchos métodos analíticos requieren que la muestra esté en solución. Esto puede ser un inconveniente cuando se trabaja con muestras de suelo, porque los componentes orgánicos e inorgánicos del mismo requieren diferente tratamiento para su disolución. El método más fácil es la disolución de la muestra tras previo calentamiento, puesto que toda la materia orgánica es destruida. Un tratamiento secuencial de las muestras de suelo con HF y HNO3 es, a menudo, efectivo a pesar de que los residuos inorgánicos deben ser tratados de nuevo con HF y HNO3 hasta su completa disolución.
El método de extracción utilizado, siguiendo el procedimiento oficial para análisis de suelos empleado por la Agencia para la Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA – “United States Environmental Protection Agency”), fue el método EPA-SW-846-3051. Mediante el mismo se produce la oxidación de la materia orgánica empleando ácido nítrico y sometiendo a la muestra a condiciones de elevada temperatura y presión. De esta forma, no se logra solubilizar la fracción silicatada de la muestra por lo que no se puede cuantificar la cantidad real de los elementos presentes en el suelo aunque disuelve aquellos no enlazados a silicatos. Sin embargo, la mayoría de los metales pesados presentes como contaminantes en los suelos pertenecen a este último tipo; por ello, se emplea para determinar la cantidad de metales en suelos que han sido contaminados antropogénicamente.
Las técnicas de digestión en microondas a 8.000°C se encuentran entre los métodos más recientes para disolver las muestras de suelo. Sus principales ventajas radican en que: resulta más difícil la contaminación de la muestra, se produce una disolución más completa de ésta y una menor pérdida de elementos volátiles. Su principal desventaja es la gran cantidad de tiempo necesario para que se complete el proceso de digestión.
La determinación por ICP-masas se consigue sometiendo el flujo de un gas a presión atmosférica a la acción de un campo magnético inducido por una corriente de alta frecuencia. El gas usado, denominado gas plasmógeno, es habitualmente el argón, aunque para determinadas aplicaciones se puede usar combinado con una baja proporción de algún otro gas. Debido a las altas temperaturas del plasma, se minimizan las interferencias matriciales. El argón es empleado por ser un material fácilmente encontrado en alto grado de pureza y por desarrollar un ambiente químicamente inerte.
Además, el propio argón (Ar) junto con un flujo de agua son los responsables de la refrigeración del sistema. El ICP es una buena fuente de iones, en la que el gas o aerosol de la muestra introducida es volatilizado, automatizado e ionizado a muy alta temperatura. Puesto que la fuente de iones (ICP) trabaja a presión atmosférica y el analizador de masas y el detector lo hacen en régimen de alto vacío, ha sido desarrollada una interfase que permite la transferencia de iones al espectrómetro de masas encargado de analizarlos. En esta interfase se forma un chorro de iones que finalmente se dirige al sistema analizador, que puede ser de dos tipos: el de sector magnético y los cuadrupolares, siendo estos últimos los más extendidos por su mayor simplicidad, velocidad de barrido y menor costo. Los analizadores cuadrupolares actúan como filtro, de manera que sólo aquellos iones que cumplan una determinada relación carga/masa pasan a través de ellos y llegan al detector. El sistema de introducción de la muestra es la nebulización neumática, donde la muestra líquida interacciona con una corriente de gas en un nebulizador generándose un aerosol que pasa a través de una cámara de spray en donde las gotas grandes son eliminadas y las pequeñas son conducidas al plasma.
