1. Ciencia

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
equilibrio (10–7M a 25 °C), lo que le otorga una resistividad
eléctrica característica de 18,2 MOhm.cm.
P
ara un laboratorio es vital disponer de agua pura
para realizar las pruebas de investigación y ensayo. 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 ensayos por su interacción con las muestras, medios activos o
componentes del sistema.
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 suspensión, 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 tipos de impurezas.
El agua 100% pura se compone exclusivamente de moléculas de agua con iones de hidrógeno e hidroxilo que están en
Pureza del agua ultrapura
Los niveles de impurezas detectables en el agua ultrapura dependen en gran medida de la sensibilidad de las técnicas utilizadas y el entorno en que la prueba se lleva a cabo. Según las
técnicas actuales de ultratrazas, los niveles máximos de impurezas 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 ultrapura tiene un 99,99999975% de pureza.
técnicas de LABORATORIO
1
Nº 364 SEPTIEMBRE 2011
agua ultrapura
En la Tabla 1 se compara el nivel de impureza de un agua ultrapura con los tres
disolventes de grado más puro que más
se utilizan en el mercado para la investigación analítica y los ensayos: metanol,
acetonitrilo y ácido acético.
Aluminio
Antimonio
Arsénico
Cadmio
Calcio
Utilizando las últimas técnicas de ICPMS, se comprueba que el agua ultrapura 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 órdenes de magnitud menor que todos los
otros disolventes probados. La mayoría
de los reactivos empleados en el laboratorio 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 volátiles 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 compuestos orgánicos volátiles y <0,025 µg/l
en el caso de los semivolátiles. Estos
niveles concuerdan con valores de carbono orgánico total (COT) inferiores a
1 µg/l (ppb), siendo el COT un indicador comúnmente utilizado para medir
la contaminación orgánica en el agua
ultrapura.
El agua ultrapura, a 25 °C y 1 bar de
presión atmosférica, contiene alrededor de 9 ppm de oxígeno disuelto y
14 ppm de nitrógeno. Estos elementos pueden ser eliminados del agua
ultrapura mediante la desgasificación
a vacío, pero esta técnica no es necesaria en gran parte de las aplicaciones 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 ultrapura de partículas y bacterias se utiliza la
Metanol (Puranol™
Acetonitrilo
grado semiconductor) (TraceSELECT Ultra®)
Cromo
Cobre
Hierro
Plomo
Magnesio
Manganeso
Mercurio
Níquel
Potasio
Sodio
Estaño
Titanio
Vanadio
Zinc
Bromuro
Cloruro
Flúor
Nitrato
<1.000
<500
<1.000
<500
<30.000
<1.000
<1.000
<1.000
<500
<5.000
<500
<200
<1.000
<10.000
<20.000
<500
<1.000
<500
<10.000
<1.000
<25.000
<10.000
<25.000
Ácido acético Agua Ultrapura
(TraceSELECT®) (PURELAB Flex)
<1.000
<200
<500
<50
<1.000
<500
<500
<10
<20.000
<1.000
<1.000
<100
<1.000
<200
<1.000
<500
<500
<10
<1.000
<100
<500
<20
<1.000
<1.000
<1.000
<100
<10.000
<500
<20.000
<1.000
<1
<100
<1.000
<50
<500
<10
<1.000
<200
<2
<25.000
<5
<25.000
<1
<0,2
<2
<0,5
<2
<1
<2
<2
<0,2
<1
<0,5
<5
<2
<5
<2
<0,5
<0,5
<0,2
<2
<20
<20
<30
<20
Tabla 1. Comparación del nivel de impureza de un agua ultrapura con los solventes
más empleados en el mercado.
Resultado
µg/l (ppb)
Benceno
Bromobenceno
Bromoclorometano
Bromodiclorometano
Bromoformo
Bromometano
2-butanone (MEK)
n-butilbenceno
sec-butilbenceno
tert-butilbenceno
Tetracloruro de carbono Clorobenceno
Clorodibromometano
Cloroetano
Cloroformo
Clorometano
2-clorotolueno
4-clorotolueno
1,2-dibromo-3-cloropropano
1,2-dibromometano (EDB)
técnicas de LABORATORIO
2
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
Nº 364 SEPTIEMBRE 2011
1,3-dicloropropano
2,2-dicloropropano
1,1-dicloropropeno
cins-1,3-dicloropropeno
trans-1,3-dicloropropeno
Etilbenceno
Hexaclorobutadieno
Hexano
Alcohol isopropílico
Isopropilbenceno
Isopropiltolueno
Metil-ter-butil-eter
Naptaleno
n-propilbenceno
Estireno
1,1,1,2-tetracloroetano
1,1,1,2-tetracloroetano
Tetracloroetano
Tolueno
1,2,3-triclorobenceno
Resultado
µg/l (ppb)
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
agua ultrapura
dibromometano
1,2-diclorobenceno
1,3-diclorobenceno
1,4-diclorobenceno
Diclorodifluorometano
1,1-dicloroetano
1,2-dicloroetano
1,1-dicloroetano
cis-1,2-dicloroetano
trans-1,2-dichloroetano
Diclorometano
1,2-dicloropropano
Resultado
Resultado
µg/l (ppb)
µg/l (ppb)
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
1,2,4-triclorobenceno
1,3,5-triclorobenceno
1,1,1-tricloroetano
1,1,2-tricloroetano
Tricloroeteno
Triclorofluorometano
1,2,3-tricloropropano
1,2,4-trimetilbenceno
1,2,5-trimetilbenceno
Cloruro de vinilo
o-xileno
m-xileno y p-xileno <0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
Tabla 2. Compuestos orgánicos volátiles mediante técnicas de purga y trampa GC-MS.
Acenafteno
Acenaftileno
Antraceno
Bencidina
Benzo (a) antraceno
Benzo (b) fluoranteno
Benzo (k) fluoranteno
Alcohol bencílico
Butil bencil ftalato
Bis (2-cloroetoxi) metano
Bis (2-etilhexil) ftalato
Bis (2-cloroisopropil) éter
Bisfenol A
4-bromofenil fenil éter
Carbazol
4-cloroanilina
2-cloronaftaleno
4-clorofenil fenil éter
Criseno
Dibenzofuran
1,2-diclobenceno
1,3-diclobenceno
1,4-diclobenceno
3,3’- diclorobencidina
Dietil ftalato
Dimetil ftalato
Di-n-butil ftalato
2,6-dinitrotolueno
Di-n-octylflalato
Fluoranteno
Fluoreno
Hexaclorobenceno
Resultado
µg/l (ppb)
Resultado
µg/l (ppb)
<0,025
hexaclorobutadieno
<0,025
Hexaclorociclopentadieno
<0,025
Hexacloroetano
<0,025
Isoforona
<0,025
2-metilnaftaleno
<0,025
Naftaleno
<0,025
2-nitroanilina
<0,025
3-nitroanilina
<0,025
4-nitroanilina
<0,025
Nitrobenceno
<0,025
N-nitrosodimetilanilina
<0,025
N-nitrosodifenilanilina
<0,025
Nonilfenol
<0,025
Fenantreno
<0,025
Pireno
<0,025
Piridina
<0,025
1,2,4-triclorobenceno
<0,025
Ácido Benzoico
<0,025
4-cloro-3-metilfenol
<0,025
2-clorofenol
<0,025
Cresoles
<0,025
2,4-diclorofenol
<0,025
2,4-dimetil fenol
<0,025
2,4-dinitrofenol
<0,025
4,6-dinitro-2-metilfenol
<0,025
2-metilfenol
<0,025
4-metilfenol
<0,025
4-nitrofenol
<0,025
Pentaclorofenol
<0,025
Fenol
<0,025
2,4,5-triclorofenol
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
<0,025
Tabla 3. Compuestos semivolátiles mediante desorción térmica GC-MS.
técnicas de LABORATORIO
3
Nº 364 SEPTIEMBRE 2011
ósmosis inversa, submicro y/o ultrafiltración, mientras que para la eliminación
de endotoxinas se emplea el intercambio iónico y los filtros electrostáticos o la
ultrafiltración. Las pruebas bacterianas
demuestran que el agua ultrapura contiene valores inferiores a 1 Unidades Formadoras 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 alrededor de 0,12 EUR por litro, incluyendo
todos los costes de inversión y operación.
Como el agua se puede utilizar en muchos aspectos de un análisis, incluyendo
la preparación de blancos, muestras,
diluciones, estándares, como eluyentes,
lavado de instrumentos, etc., la presencia 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 resultados de cromatografía iónica, tanto
a corto como a largo plazo.
Los análisis de alta sensibilidad dependen en gran medida de la alta pureza
del agua, especialmente cuando hay
que medir directamente concentraciones 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 investigadores 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 Figura 3).
agua ultrapura
Figura 1. Los efectos de las impurezas del agua con técnica de
Figura 2. Mejoras en la base de HPLC con detección UV a 210
cromatografía de iones: (a) efectos sobre el sistema y (b) el
mm con agua ultrapura con un COT muy bajo.
impacto potencial en resultados experimentales. El tamaño de
la caja indica la importancia del impacto (cualitativa).
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 disponga 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).
Figura 3. Análisis de ultratrazas de cationes con preconcentración de muestras de 20 ml.
Habitualmente, en un laboratorio el agua ultrapura se obtiene de
un equipo de purificación (como el equipo PureLab flex) y se almacena en un depósito. En cuestión de segundos el agua empieza a absorber el dióxido de carbono del aire, formando ácido carbónico y reduciendo la resistividad del agua de 18,2 MOhm·cm
a un mínimo de alrededor de 1,3 MOhm·cm (véase Gráfico 4).
técnicas de LABORATORIO
La alta conductancia de los iones de hidrógeno del ácido permite que esta reacción se alcance con una concentración de
CO2 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 aplicaciones, su efecto sobre la resistividad puede enmascarar la contaminación del agua por otros iones.
4
Nº 364 SEPTIEMBRE 2011
agua ultrapura
Figura 4. Efectos de la exposición al aire en la resistividad del agua ultrapura.
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.
A la hora de dispensar el agua, también es importante reducir 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 salpicadura (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.
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 ultrapura que pasa a través de la tubería flexible de PVC
puede estar contaminada con plastificante N-butil sulfonamidas.
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 almacenamiento en cada tipo de depósito, el análisis de agua ultrapura por
LC-MS mostró, entre otras impurezas, que el di-n-octil ftalato
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 obtenida 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 adicional sobre el dispensador.
Figura 5. GC-MS de agua ultrapura: efecto del plastificante en la tubería.
técnicas de LABORATORIO
5
Nº 364 SEPTIEMBRE 2011
agua ultrapura
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 recogida de agua: (a) con salpicaduras y (b) sin salpicaduras.
Referencias
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 sensibilidad se almacena y reutiliza con posterioridad a la apertura
de las mismas.
A. Suzuki, Kawaguchi, Enami and Kuroki: Abstract of Proceedings of 15th Environmental Chemistry Forum, 2006, 182183. (3)
B. Clinical and Laboratory Standards Institute. Preparation and
Testing of Reagent Water in the Clinical Laboratory; Approved 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.
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 dentro del sistema, que disponga de un sistema de dispensación
fácil de usar y de la adecuada recogida y uso del agua.
técnicas de LABORATORIO
Todos los datos experimentales no documentados proceden de
las instalaciones de I+D de ELGA, Lane End (UK).
www.veoliawaterst.es
www.elgalabwater.com
6
Nº 364 SEPTIEMBRE 2011