El procedimiento analítico para metales pesados en muestras de fertilizantes, incluyó la digestión de la muestra para reducir interferencias y aislar el elemento de interés (2g en balones aforados de 100mL) con 5mL de ácido clorhídrico, por medio de columnas de condensación a una temperatura de 200^oC por 30 minutos; una vez digerida se aforó y midió según la técnica correspondiente (AA), en comparación con la curva de calibración elaborada para cada metal implicado, en cinco niveles de concentración, en los rangos mostrados en el Cuadro 1. El método para análisis de metales pesados fue basado en lo que establece la Agencia de Protección del Medio Ambiente de Estados Unidos de Norteamérica (EPA); sin conocer la recuperación para la metodología en matrices fosfóricas y nitrogenadas (Agroanálisis Costa Rica, 2016).

Para evaluar la recuperación, se utilizó el método adición/recuperación, el cual consiste en enriquecer una muestra adicionando cantidades conocidas del analito. En este caso se realizó para el níquel, cromo, cadmio, plomo, arsénico, selenio y mercurio en dos matrices de fertilizantes diferentes (fosforada y nitrogenada), una vez determinado el contenido promedio se enriquecen muestras a tres niveles de concentración por triplicado. En el Cuadro 2 se detalla el contenido teórico para los metales pesados en ambas matrices.

Conocidos los valores teóricos se procedió a enriquecer las matrices según los factores antes establecidos. En el Cuadro 3 se despliegan las concentraciones para cada metal, a las cuales fueron enriquecidas tanto la matriz fosfatada como nitrogenada.

Debe contemplarse que los niveles de concentración se plantean dentro del rango de la curva de calibración del método (Cuadro 1).

Para el análisis de los metales se utilizó la técnica de espectroscopia de absorción atómica con llama para níquel, cromo, cadmio, plomo; horno de grafito para arsénico, selenio; y generador de hidruros para mercurio. El equipo utilizado es marca Perkin Elmer, provisto con automuestreador y utilizando tanto la lámpara de cátodo hueco, como la de descarga de electrones, por la misma variedad en la naturaleza de las especies en estudio. Una vez insertadas las muestras, las especies metálicas son identificadas y cuantificadas por interpolación con las curvas de calibración. Los reactivos empleados: HCl (37%), agua destilada y los respectivos estándares certificados para cada metal.

Cuadro 1:

Cuadro 2:

Cuadro 3:

Por último, para cada uno de los casos de estudio, se calculó el porcentaje de recuperación y la desviación estándar relativa (DSR) para evidenciar o no, la precisión entre los valores experimentales medidos en cada caso.

Al evaluar la recuperación de los metales pesados níquel, cromo, cadmio, plomo, arsénico, selenio y mercurio, para el método analítico de fertilizantes nitrogenados y fosfatados por espectroscopía de absorción atómica en llama, horno de grafito o generador de hidruros. Los resultados se resumen en los Cuadros 4 y 5 en los cuales se despliegan tanto los valores de recuperación como los de DSR (desviación estándar relativa) para los metales analizados en las matrices fosfatadas y nitrogenadas. Es importante destacar que para estos dos parámetros se siguen los criterios de aceptación establecidos por la AOAC para la validación de métodos analíticos donde %R: 80-110% y DSR: >2% (Sandoval, 2010).

Específicamente, en el Cuadro 4 se detallan los resultados obtenidos para la recuperación ensayada en la matriz fosfatada, así como los respectivos desvíos estándar relativos (DSR%).

De igual forma, el cuadro 5 presenta los resultados obtenidos para la recuperación ensayada en la matriz nitrogenada, así como los respectivos desvíos estándar relativos (DSR%).

Cuadro 4:

Cuadro 5:

Elementos analizados en llama: como se observa en los Cuadros 4 y Cuadro 5, tanto en la matriz fosforada como nitrogenada, para el cadmio se obtuvieron valores aceptables, debido a que la recuperación se mantuvo muy cercana al 100% (±5%), y la precisión fue menor al 2% entre las réplicas en cada nivel de concentración. Por otra parte, los resultados para el cromo fueron muy buenos, satisfaciendo los criterios de aceptación establecidos, lo cual evidencia que el método analítico es exacto y preciso, prácticamente para cualquier punto de la curva de calibración de ambos metales. Ambos casos se evidencian en la figura 1.

Fig. 1

En cuanto al níquel, la matriz fosfatada presentó resultados fuera de especificación como se muestra en la figura 2, de hecho en ningún nivel de concentración recuperó de manera óptima, con la tendencia de siempre estar por arriba del 110% establecido como máximo admisible. Es destacable que aunque tampoco sobrepasó el rango por mucho, los datos recolectados siempre fueron mayores a lo que se tenía estimado teóricamente; de igual manera el DSR sobrepasó los valores esperados para un buen análisis. Lo anterior demuestra que la capacidad que tiene el método analítico para determinar cuantitativamente la especie química que ha sido adicionada a la muestra no es la ideal, en el caso de la matriz fosforada.

Fig. 2

Como se observa, para la matriz nitrogenada los resultados si evidenciaron una recuperación óptima para el níquel, por lo que, basado en los resultados el método no es funcional para matrices fosfatadas de fertilizantes. Esto puede ser debido al efecto de la matriz, el cual consiste en una disminución o aumento de la respuesta instrumental del analito debido a la presencia de otros componentes. En otras palabras, para la misma concentración de analito, el análisis de una muestra real o de una disolución estándar del analito puro no proporciona la misma respuesta instrumental (Harris, 2006).

Las interrupciones por la matriz son debidas a la influencia que tiene el entorno que rodea a los átomos en estado fundamental que se pretende analizar y pueden llegar a generar interferencias por traslape de bandas moleculares, las cuales se materializan en el realce o disminución de las señales emitidas por el instrumento.

Para evaluar si realmente los resultados son generados por un tema del contenido de la matriz se puede llevar a cabo un blanco de muestra (tal como se hizo al contemplar la concentración cero en los rangos) con el cual se verifique si existe realmente una relación para obtener datos negativos desde el punto de vista de recuperación (Casanova, 2007).

De igual forma no se pueden obviar problemas instrumentales, que con frecuencia suelen aparecer. Los métodos de absorción son muy específicos debido a que las líneas de absorción son notablemente estrechas (0,002 a 0,005nm) y porque las energías de transición electrónicas son únicas para cada elemento, de ahí se genera la necesidad de contar con lámparas específicas para las especies a cuantificar (Manzano, 2003). La eficiencia de este componente va depender de su voltaje, cuando estos comienzan a fallar, los resultados evidencian una pobre linealidad (<0,995), baja precisión y exactitud e inconsistencia en los resultados (interferencias de emisión); lo que ocurrió con el níquel en la matriz fosforada, a diferencia de los demás metales.

Por último en cuanto a los metales de llama, se encuentra el plomo en donde se obtuvo un comportamiento constante para ambas matrices, como se puede apreciar en los Cuadros 4 y 5, la precisión para los 3 niveles de concentración es muy buena, manteniendo el DSR por debajo del 2%, sin embargo, para la recuperación ambas matrices tienen problemas a niveles bajos de concentración (Fig. 3), presentando porcentajes de recuperación por encima del 110% aceptable; no así para los otros dos niveles de contenido de plomo, donde se mantienen dentro del rango 80-110%.

Esta situación se puede generar a raíz de que las concentraciones enriquecidas son muy bajas (2,00ppm) y se acercan mucho al límite de cuantificación. El límite de cuantificación, se define como la cantidad más pequeña de un analito que se pueda cuantificar confiablemente por el instrumento, en este caso aún en niveles bajos de la curva de calibración, la medición presenta un sesgo importante (Arderiu, 1997). En este caso, las concentraciones son aceptables según la Norma de Fertilizantes y Enmiendas para uso Agrícola de Costa Rica (RTCR 485:2016) en donde se establece como límite máximo admisible de plomo 250mg/kg (5ppm).

Con respecto a las desviaciones estándar relativas obtenidas es que normalmente dicho parámetro de precisión desciende conforme se aumenta el nivel de concentración enriquecido, cabe destacar que no se obtuvieron valores alarmantes en ningún nivel. Como antes se indicó al estar más cercano al límite de cuantificación del método se da un aumento de las interferencias y por ende variaciones entre resultados. Para corroborar lo anterior se elaboraron muestras para ambas matrices enriquecidas con niveles inferiores de la curva de calibración tanto para níquel como cromo; en esos casos las DSR tuvieron valores de 6-13% para níquel y hasta un 43% para cromo, lo que comprueba que a bajos niveles de metales pesados (por debajo de la curva de calibración) no existe precisión alguna.

Fig. 3

En temas de linealidad, el criterio de aceptación cualitativo que se usa para determinar la linealidad es el coeficiente de correlación (Metas y metrólogos asociados, 2008). En este caso se esperaba que el coeficiente de correlación fuera mayor o igual a 0,995; dicho criterio se logró cumplir para todos los análisis realizados en el estudio de linealidad, sin embargo, debe destacarse que elementos como el níquel presentaron problemas ocasionales en este sentido.

Elementos analizados en horno de grafito y generador de hidruros: como se observa en los Cuadros 4 y 5 en términos de recuperación los valores son muy bajos o inclusive nulas del todo.

En este caso no es posible considerar una falla instrumental (a diferencia del níquel con la matriz fosforada), debido a tres razones principales: 1) la linealidad siempre fue ideal, inclusive mejor que en muchos de los análisis por la técnica de llama, lo que implícitamente demuestra que los patrones eran cuantificados con exactitud, 2) el equipo arrojaba concentraciones características adecuadas, y este es un parámetro importante utilizado para verificar la respuesta del instrumento, 3) las muestras utilizadas como control eran medidas a la perfección con una exactitud del ±10%.

A raíz de los descartes de problemas con el equipo, se llegó a la conclusión que la problemática radicó en el método en sí, simplemente no es adecuado para la cuantificación de selenio, arsénico y mercurio en las matrices consideradas en el estudio. Específicamente el problema se encuentra en la digestión, por el uso del ácido clorhídrico. Una preocupación importante cuando se digieren muestras, es la posibilidad de que una porción del analito pueda volatilizarse y perderse. Un gran número de compuestos forman cloruros volátiles que se pierden parcial o completamente de las disoluciones de ácido clorhídrico calientes. Entre estos elementos están los cloruros de estaño (IV), germanio (IV), antimonio (III), arsénico (III), hierro (III) y mercurio (II). Los oxicloruros de selenio y telurio también se volatilizan en cierto grado del ácido clorhídrico caliente (Skoog, Holler & West, 2015).

Lo anterior explicaría el por qué no se está recuperando prácticamente nada de esos metales, también señala que el ácido puede formar sales insolubles con la plata y mercurio, inclusive se destaca que el HCl es un excelente disolvente para muestras inorgánicas, sin embargo, su aplicación en muestras orgánicas es limitada por lo cual simplemente no es viable utilizarlo en análisis de fertilizantes o agroquímicos.

Dada la severidad que implica tener un método que no cuantifique metales pesados tan nocivos y peligrosos para el medio ambiente y salud de cultivos, animales e inclusive humanos, se debe sustituir el ácido clorhídrico por ácido nítrico y llevar a cabo pruebas para verificar la efectividad del cambio. El HNO₃ es un reactivo con alto poder oxidante y es ampliamente recomendado para matrices o muestras orgánicas y las únicas desviaciones que teóricamente puede presentar se dan con el oro, platino y aluminio debido a que parte del analito se pierde (sales insolubles). A partir de lo anterior se deduce que es el ácido idóneo para solventar la problemática detectada con los metales pesados analizados por las técnicas de absorción atómica horno de grafito y generador de hidruros (Skoog et al., 2015).