agua ultrapura

Cómo conseguir los mejores resultados con agua ultrapura

Dr. Paul Whitehead, CChem, Director de laboratorios FRSC, ELGA R&D Facility.

El agua ultrapura (Tipo I) es la sustancia más pura utilizada en un laboratorio. Este artículo profundiza sobre la calidad e importancia del agua ultrapura y la

forma de mantener esta calidad durante su uso en el laboratorio.

Introducción

ara un laboratorio es vital disponer de agua pura para realizar las pruebas de investigación y ensa-yo. La presencia de elementos y otros compuestos

en partes por billón (ppb) o incluso de magnitud inferior en el agua pura, podría comprometer los resultados de los en-sayos por su interacción con las muestras, medios activos o componentes del sistema.

El agua 100% pura se compone exclusivamente de molécu-las de agua con iones de hidrógeno e hidroxilo que están en

equilibrio (10–7M a 25 °C), lo que le otorga una resistividad eléctrica característica de 18,2 MOhm.cm.

Pero el agua tiene la capacidad de disolver casi todo tipo de compuestos químicos y de albergar toda forma de vida, lo que implica que su calidad está continuamente bajo la amenaza de cinco tipos de impurezas: partículas en suspen-sión, compuestos inorgánicos, moléculas orgánicas, gases disueltos y microorganismos, incluyendo sus biomoléculas asociadas. Producir agua de alta pureza para su uso en el laboratorio, implica someter al agua potable a una serie de tratamientos de purificación para eliminar estos diferentes ti-pos de impurezas.

Pureza del agua ultrapura

Los niveles de impurezas detectables en el agua ultrapura de-penden en gran medida de la sensibilidad de las técnicas utili-zadas y el entorno en que la prueba se lleva a cabo. Según las técnicas actuales de ultratrazas, los niveles máximos de impu-rezas no gaseosas presentes en el agua ultrapura son inferiores a 1,5 µg/l (ppb) para compuestos orgánicos e inferiores a 1,0 µg/l para otros elementos e iones. Esto significa que el agua ultra-pura tiene un 99,99999975% de pureza.

P

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agua ultrapura

En la Tabla 1 se compara el nivel de im-pureza de un agua ultrapura con los tres disolventes de grado más puro que más se utilizan en el mercado para la investi-gación analítica y los ensayos: metanol, acetonitrilo y ácido acético.

Utilizando las últimas técnicas de ICP-MS, se comprueba que el agua ultra-pura carece de todos los elementos no gaseosos, la mayoría de ellos con límites de detección inferiores a 1 ng/l (ppt). Este nivel de contaminación es varios ór-denes de magnitud menor que todos los otros disolventes probados. La mayoría de los reactivos empleados en el labo-ratorio tienen niveles mucho más altos de impurezas que estos disolventes, ya que con frecuencia se encuentran en el rango de mg/l.

En las Tablas 2 y 3 se muestran los bajos de niveles de impurezas orgánicas volá-tiles y semivolátiles presentes en el agua ultrapura utilizando técnicas de purga y trampa GC-MS y desorción térmica GC-MS, respectivamente. Por lo general, los niveles de impurezas son inferiores a los límites de detección: <0,05 µg/l en com-puestos orgánicos volátiles y <0,025 µg/l en el caso de los semivolátiles. Estos niveles concuerdan con valores de car-bono orgánico total (COT) inferiores a 1 µg/l (ppb), siendo el COT un indica-dor comúnmente utilizado para medir la contaminación orgánica en el agua ultrapura.

El agua ultrapura, a 25 °C y 1 bar de presión atmosférica, contiene alrede-dor de 9 ppm de oxígeno disuelto y 14 ppm de nitrógeno. Estos elemen-tos pueden ser eliminados del agua ultrapura mediante la desgasificación a vacío, pero esta técnica no es ne-cesaria en gran parte de las aplica-ciones del laboratorio, ya que en el momento que el agua ultrapura entra en contacto con el aire, el oxígeno y el nitrógeno se disuelven en el agua en concentraciones en equilibrio con la atmósfera.

Para la eliminación en el agua ultrapu-ra de partículas y bacterias se utiliza la

Metanol (Puranol™ Acetonitrilo Ácido acético Agua Ultrapura grado semiconductor) (TraceSELECT Ultra®) (TraceSELECT®) (PURELAB Flex)

Aluminio <1.000 <1.000 <200 <1

Antimonio <500 <500 <50 <0,2

Arsénico <1.000 <1.000 <500 <2

Cadmio <500 <500 <10 <0,5

Calcio <30.000 <20.000 <1.000 <2

Cromo <1.000 <1.000 <100 <1

Cobre <1.000 <1.000 <200 <2

Hierro <1.000 <1.000 <500 <2

Plomo <500 <500 <10 <0,2

Magnesio <5.000 <1.000 <100 <1

Manganeso <500 <500 <20 <0,5

Mercurio <200 <1.000 <1.000 <5

Níquel <1.000 <1.000 <100 <2

Potasio <10.000 <10.000 <500 <5

Sodio <20.000 <20.000 <1.000 <2

Estaño <500 <1 <100 <0,5

Titanio <1.000 <1.000 <50 <0,5

Vanadio <500 <500 <10 <0,2

Zinc <10.000 <1.000 <200 <2

Bromuro <1.000 <2 <20

Cloruro <25.000 <25.000 <20

Flúor <10.000 <5 <30

Nitrato <25.000 <25.000 <20

Tabla 1. Comparación del nivel de impureza de un agua ultrapura con los solventes

más empleados en el mercado.

Resultado Resultado µg/l (ppb) µg/l (ppb)

Benceno <0,05 1,3-dicloropropano <0,05

Bromobenceno <0,05 2,2-dicloropropano <0,05

Bromoclorometano <0,05 1,1-dicloropropeno <0,05

Bromodiclorometano <0,05 cins-1,3-dicloropropeno <0,05

Bromoformo <0,05 trans-1,3-dicloropropeno <0,05

Bromometano <0,05 Etilbenceno <0,05

2-butanone (MEK) <0,05 Hexaclorobutadieno <0,05

n-butilbenceno <0,05 Hexano <0,05

sec-butilbenceno <0,05 Alcohol isopropílico <0,05

tert-butilbenceno <0,05 Isopropilbenceno <0,05

Tetracloruro de carbono <0,05 Isopropiltolueno <0,05

Clorobenceno <0,05 Metil-ter-butil-eter <0,05

Clorodibromometano <0,05 Naptaleno <0,05

Cloroetano <0,05 n-propilbenceno <0,05

Cloroformo <0,05 Estireno <0,05

Clorometano <0,05 1,1,1,2-tetracloroetano <0,05

2-clorotolueno <0,05 1,1,1,2-tetracloroetano <0,05

4-clorotolueno <0,05 Tetracloroetano <0,05

1,2-dibromo-3-cloropropano <0,05 Tolueno <0,05

1,2-dibromometano (EDB) <0,05 1,2,3-triclorobenceno <0,05

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ósmosis inversa, submicro y/o ultrafiltra-ción, mientras que para la eliminación de endotoxinas se emplea el intercam-bio iónico y los filtros electrostáticos o la ultrafiltración. Las pruebas bacterianas demuestran que el agua ultrapura con-tiene valores inferiores a 1 Unidades For-madoras de Colonias (UFC)/10 ml, que equivale a <0,1 µg /l COT.

¿Por qué utilizar agua ultrapura?

Aunque pueda parecer excesivo, el agua ultrapura tiene que estar libre de todas esas impurezas si se va a emplear para aplicaciones analíticas y experimentales. Afortunadamente, el agua ultrapura no es tan costosa, ya que su precio puede oscilar alrede-dor de 0,12 EUR por litro, incluyendo todos los costes de inversión y ope-ración.

Como el agua se puede utilizar en mu-chos aspectos de un análisis, incluyendo la preparación de blancos, muestras, diluciones, estándares, como eluyentes, lavado de instrumentos, etc., la pre-sencia de algún contaminante puede comprometer los resultados. La Figura 1 muestra las múltiples formas en las que la presencia de impurezas puede afectar a la fiabilidad y repetibilidad de los re-sultados de cromatografía iónica, tanto a corto como a largo plazo.

Los análisis de alta sensibilidad depen-den en gran medida de la alta pureza del agua, especialmente cuando hay que medir directamente concentra-ciones muy bajas o cuando se dispone de pequeñas cantidades de muestras, siendo necesario diluirlas antes del análisis.

El uso de agua ultrapura minimiza los niveles base, permitiendo a los inves-tigadores obtener resultados de alta sensibilidad en los análisis de trazas. Por ejemplo, mediante HPLC (véase Figura 2) (Referencia A) o mediante cromatografía iónica (IC) (véase Fi-gura 3).

Resultado Resultado µg/l (ppb) µg/l (ppb)

Acenafteno <0,025 hexaclorobutadieno <0,025

Acenaftileno <0,025 Hexaclorociclopentadieno <0,025

Antraceno <0,025 Hexacloroetano <0,025

Bencidina <0,025 Isoforona <0,025

Benzo (a) antraceno <0,025 2-metilnaftaleno <0,025

Benzo (b) fluoranteno <0,025 Naftaleno <0,025

Benzo (k) fluoranteno <0,025 2-nitroanilina <0,025

Alcohol bencílico <0,025 3-nitroanilina <0,025

Butil bencil ftalato <0,025 4-nitroanilina <0,025

Bis (2-cloroetoxi) metano <0,025 Nitrobenceno <0,025

Bis (2-etilhexil) ftalato <0,025 N-nitrosodimetilanilina <0,025

Bis (2-cloroisopropil) éter <0,025 N-nitrosodifenilanilina <0,025

Bisfenol A <0,025 Nonilfenol <0,025

4-bromofenil fenil éter <0,025 Fenantreno <0,025

Carbazol <0,025 Pireno <0,025

4-cloroanilina <0,025 Piridina <0,025

2-cloronaftaleno <0,025 1,2,4-triclorobenceno <0,025

4-clorofenil fenil éter <0,025 Ácido Benzoico <0,025

Criseno <0,025 4-cloro-3-metilfenol <0,025

Dibenzofuran <0,025 2-clorofenol <0,025

1,2-diclobenceno <0,025 Cresoles <0,025

1,3-diclobenceno <0,025 2,4-diclorofenol <0,025

1,4-diclobenceno <0,025 2,4-dimetil fenol <0,025

3,3’- diclorobencidina <0,025 2,4-dinitrofenol <0,025

Dietil ftalato <0,025 4,6-dinitro-2-metilfenol <0,025

Dimetil ftalato <0,025 2-metilfenol <0,025

Di-n-butil ftalato <0,025 4-metilfenol <0,025

2,6-dinitrotolueno <0,025 4-nitrofenol <0,025

Di-n-octylflalato <0,025 Pentaclorofenol <0,025

Fluoranteno <0,025 Fenol <0,025

Fluoreno <0,025 2,4,5-triclorofenol <0,025

Hexaclorobenceno <0,025 <0,025

Tabla 2. Compuestos orgánicos volátiles mediante técnicas de purga y trampa GC-MS.

Tabla 3. Compuestos semivolátiles mediante desorción térmica GC-MS.

Resultado Resultado

µg/l (ppb) µg/l (ppb)

dibromometano <0,05 1,2,4-triclorobenceno <0,05

1,2-diclorobenceno <0,05 1,3,5-triclorobenceno <0,05

1,3-diclorobenceno <0,05 1,1,1-tricloroetano <0,05

1,4-diclorobenceno <0,05 1,1,2-tricloroetano <0,05

Diclorodifluorometano <0,05 Tricloroeteno <0,05

1,1-dicloroetano <0,05 Triclorofluorometano <0,05

1,2-dicloroetano <0,05 1,2,3-tricloropropano <0,05

1,1-dicloroetano <0,05 1,2,4-trimetilbenceno <0,05

cis-1,2-dicloroetano <0,05 1,2,5-trimetilbenceno <0,05

trans-1,2-dichloroetano <0,05 Cloruro de vinilo <0,05

Diclorometano <0,05 o-xileno <0,05

1,2-dicloropropano <0,05 m-xileno y p-xileno <0,05

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Cómo mantener la pureza del agua

Los investigadores que necesiten agua ultrapura debe tener en cuenta que la pureza del agua puede verse comprometida si el equipo de producción se utiliza incorrectamente o si el agua se manipula de forma inadecuada durante su recogida y uso.

Es vital que el sistema de producción de agua ultrapura dispon-ga de un depósito de almacenamiento de agua, ya que así se podrá mantener su calidad de forma constante. Esto es posible si el equipo dispone de un filtro de venteo, se hace recircular el agua de forma periódica utilizando tecnologías de purificación, como la fotooxidación UV, la adsorción y el intercambio iónico, y además se realizan sanitizaciones periódicas del equipo para minimizar el crecimiento bacteriano (referencia B).

Habitualmente, en un laboratorio el agua ultrapura se obtiene de un equipo de purificación (como el equipo PureLab flex) y se al-macena en un depósito. En cuestión de segundos el agua empie-za a absorber el dióxido de carbono del aire, formando ácido car-bónico y reduciendo la resistividad del agua de 18,2 MOhm·cm a un mínimo de alrededor de 1,3 MOhm·cm (véase Gráfico 4).

La alta conductancia de los iones de hidrógeno del ácido per-mite que esta reacción se alcance con una concentración de CO

2 de tan solo 0,5 mg/l. Aunque el dióxido de carbono no

afecta a la calidad del agua en la mayor parte de las aplicacio-nes, su efecto sobre la resistividad puede enmascarar la conta-minación del agua por otros iones.

Figura 1. Los efectos de las impurezas del agua con técnica de

cromatografía de iones: (a) efectos sobre el sistema y (b) el

impacto potencial en resultados experimentales. El tamaño de

la caja indica la importancia del impacto (cualitativa).

Figura 2. Mejoras en la base de HPLC con detección UV a 210

mm con agua ultrapura con un COT muy bajo.

Figura 3. Análisis de ultratrazas de cationes con preconcentra-

ción de muestras de 20 ml.

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El mayor riesgo de contaminación del agua se produce en su distribución. Así, por ejemplo, si fijamos un tubo de plástico al punto de uso de dispensación de un equipo de producción de agua para llenar recipientes u otros envases de gran tamaño de forma fácil y cómoda, estaremos causando la contaminación de esa agua.

En la Figura 5 se puede apreciar cómo agentes orgánicos o plastificantes procedentes de la tubería pueden pasar al agua: análisis mediante GC-MS muestran que el agua ul-trapura que pasa a través de la tubería flexible de PVC puede estar contaminada con plastificante N-butil sulfo-namidas.

Una encuesta llevada a cabo entre usuarios de agua purificada de una compañía farmacéutica demostró que el promedio de recuento total de bacterias viables (TVC) en un agua obteni-da de 22 equipos purificadores sin tuberías instaladas fue de 0,7 UFC/ml, mientras que esta cifra ascendió a 26 UFC/ml para 7 equipos purificadores que sí tenían instalada una tubería adi-cional sobre el dispensador.

A la hora de dispensar el agua, también es importante re-ducir al mínimo el contacto del agua con el aire, ya que las impurezas del aire también pueden afectar su pureza. La Figura 6 (referencia C) compara la contaminación de la atmósfera entre las muestras de agua recogida con salpi-cadura (menor traza a) y sin salpicadura (mayor traza b). El análisis por cromatografía iónica demostró que los iones negativos, especialmente los iones nitrito, se detectaron en concentraciones más altas cuando la recogida de la muestra se hizo con salpicaduras.

Para garantizar al máximo su pureza, el agua ultrapura debe utilizarse lo más rápidamente posible tras su dispensación. Tras una encuesta sobre el uso frascos lavadores, Kuroki (referencia D) concluyó que más del 80% de los usuarios no rellenaban diariamente sus botellas con agua ultrapura. Por otro lado, los resultados de Horikiri (referencia E) también demostraron que para almacenar agua es preferible el uso de botellas de vidrio a las de plástico. Después de dos días de almacenamien-to en cada tipo de depósito, el análisis de agua ultrapura por LC-MS mostró, entre otras impurezas, que el di-n-octil ftalato

Figura 4. Efectos de la exposición al aire en la resistividad del agua ultrapura.

Figura 5. GC-MS de agua ultrapura: efecto del plastificante en la tubería.

técnicas de LABORATORIO 6 Nº 364 SEPTIEMBRE 2011

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estuvo presente en ambos recipientes, pero a niveles de ppb menores en el caso de la botella de vidrio (véase Figura 7). La inferior traza proviene del agua ultrapura inyectada con una solución mixta estándar de seis tipos de ésteres de ftalatos. Estos mismos problemas de contaminación se pueden producir si el agua purificada para la realización el análisis de alta sensi-bilidad se almacena y reutiliza con posterioridad a la apertura de las mismas.

Conclusiones

La utilización de agua ultrapura para la realización de análisis de alta sensibilidad garantiza a los investigadores la obtención de resultados precisos. Esta precisión analítica depende, sin embargo, del uso de un sistema de purificación de agua bien diseñado para mantener y monitorizar la pureza del agua den-tro del sistema, que disponga de un sistema de dispensación fácil de usar y de la adecuada recogida y uso del agua.

Referencias

A. Suzuki, Kawaguchi, Enami and Kuroki: Abstract of Procee-dings of 15th Environmental Chemistry Forum, 2006, 182-183. (3)

B. Clinical and Laboratory Standards Institute. Preparation and Testing of Reagent Water in the Clinical Laboratory; Appro-ved Guideline-Fourth Edition. CLSI document C3-A4 (2006)

C. Kuroki: Chromatography, 27(3), 125-9 (2006)D. Kuroki: Industrial Water, 2003, 541, 24-30. (2)E. Horikiri S., Fujita N., Kuroki Y. and Enami T. Abstracts of

Proceedings of 54th Mass Spectrometry Analysis General Forum, 2006, 458-459.

Todos los datos experimentales no documentados proceden de las instalaciones de I+D de ELGA, Lane End (UK).

www.veoliawaterst.eswww.elgalabwater.com

Figura 6. Ejemplos de contaminación por éster ftalatos en frascos lavadores (3).

Figura 7. Ejemplo de cromatografía iónica (aniones) de la contaminación atmosférica debido a las diferencias en el método de reco-

gida de agua: (a) con salpicaduras y (b) sin salpicaduras.