Cómo conseguir los mejores resultados con agua ultrapura

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Autor: 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. El presente artículo profundiza sobre la calidad e importancia del agua ultrapura y la forma de mantener esta calidad durante su uso en el laboratorio.

Introducción

Para un laboratorio resulta vital disponer de agua pura para la realización de 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.

El agua 100% pura se compone exclusivamente de moléculas de agua con iones de hidrógeno e hidroxilo que están en equilibrio (10-7M a 25º 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 5 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.

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 el 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.

Tabla 1: Comparación del nivel de impureza de un agua ultrapura con los solventes más empleados en el mercado.

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.

Utilizando las últimas técnicas de ICP-MS, se comprueba que el agua ultrapura está libre 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.

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

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.

  

Tabla 3: Compuestos semivolátiles mediante desorción térmica GC-MS

El agua ultrapura, a 25 ºC 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 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 € por litro, incluyendo todos los costes de inversión y operación.

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).

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 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 la figura 2 (Referencia A) o mediante cromatografía iónica (IC), ver figura 3.

Figura 2: Mejoras en la base de HPLC con detección UV a 210mm con agua ultrapura con un COT muy bajo

Figura 3: Análisis de ultratrazas de cationes con preconcentración de muestras de 20 ml

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 es manipulada de forma inadecuada durante su recogida y uso.

Es de vital importancia 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 4: Efectos de la exposición al aire en la resistividad del agua ultrapura

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 el gráfico 4).

La alta conductancia de los iones de hidrógeno del ácido permite que esta reacción se alcance con una concentración de CO2 de tan sólo 0,5 mg/l. Aunque el dióxido de carbono no afecta a la calidad del agua para la mayor parte de las aplicaciones, su efecto sobre la resistividad puede enmascarar la contaminación del agua por otros iones.

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 ultrapura que pasa a través de la tubería flexible de PVC puede estar contaminada con plastificante N-butil sulfonamidas.

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

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.

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

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 estuvo presente en ambos recipientes, pero a niveles de ppb menores en el caso de la botella de vidrio (ver 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.

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.

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.

Referencias

A. Suzuki, Kawaguchi, Enami and Kuroki: Abstract of Proceedings 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; 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.

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

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