El muestreo en el análisis químico de contaminantes. Obtención y preparación de muestras

Saludos estimados amigos.

En mi anterior post cuando hablaba sobre el analito y los métodos de análisis químico hice referencia a una etapa muy importante del proceso analítico, “el muestreo”, es por ello que a fin de profundizar la importancia de esta etapa quise compartir con ustedes la siguiente información.

El muestreo es una actividad que requiere planificación. Fuente: @yusvelasquez.

Quizás nos haya pasado más de una vez, sobre todo cuando nos iniciamos en la investigación, que luego de realizar un análisis sobre cierta muestra para determinar la concentración de algún contaminante, nos encontremos con que los resultados que hemos obtenido no tienen la exactitud necesaria para que sean confiables o nos permitan llegar a un resultado significativo. Ante esta situación empezamos a recapitular que habrá salido mal con el método de análisis aplicado, revisamos la preparación de los reactivos, la calibración de los equipos o que no existan interferencias imprevistas, y si entonces, todo está bien con el método analítico solo podemos llegar a una conclusión, existen errores en la toma de la muestra.

Una muestra se considera errónea cuando perdemos parte del analito durante su recolección, cosa que ocurre cuando hemos elegido mal el sitio o el momento para realizar la toma de muestra, o no consideramos bien los aspectos del transporte y preservación de la muestra. Pasa mucho con los efluentes industriales que tienen horas pico de descarga, por ejemplo, en la mañana cuando apenas se inician las labores son reducidos, pero pasadas unas horas de actividad se incrementan, disminuyendo nuevamente al final de la jornada. Por lo que se deben recoger y analizar varias muestras y establecer un intervalo de confianza dentro del cual se tiene la media verdadera de la totalidad del efluente.

Errores comunes en el muestreo. Fuente: @yusvelasquez.

Entonces, el solo hecho de tomar una muestra introduce un error sistemático, y si la muestra no representa con exactitud a la población de la cual se ha tomado, por muy bien que efectuemos el procedimiento de análisis en el laboratorio, se obtendrán resultados inexactos. Y como les decía, muchas veces el analista se concentra solo en disminuir los errores del método químico aplicado, y si no toma en cuenta las desviaciones en la toma de la muestra, todos sus esfuerzos serán simplemente en vano. Así que cualquier procedimiento de análisis que vayamos a aplicar a fin de determinar la concentración del analito en una muestra problema, parte por diseñar primeramente el plan de muestreo.

Plan de muestreo

Cuando nos trazamos el objetivo de realizar un estudio de caracterización de contaminantes en algún efluente o cuerpo receptor, establecer el tamaño de la muestra y donde será recolectada es fundamental. Por ejemplo, si deseamos determinar la concentración de cierto contaminante en un cuerpo de agua, no podemos elegir únicamente tomar una muestra superficial, o tomar la muestra directamente en el foco de descarga donde quizás aun no se ha realizado una mezcla completa. Es por ello que para realizar un análisis cuantitativo se debe realizar un plan de muestreo que asegure una muestra representativa del todo.

Es por ello que se deben considerar los siguientes aspectos:

• El lugar de muestreo.
• El tipo de muestra a recoger.
• la cantidad de muestra necesaria.

El plan de muestreo incluye estos tres aspectos básicos. Fuente: @yusvelasquez.

¿Donde recoger la muestra?

El error en las muestras se introduce cuando estas no son idénticas en composición a la de la población de la cual procede. Cuando realizamos un análisis, por ejemplo, a un alimento para comprobar que cumple con una norma, se puede recoger una muestra individual de un lote de producción, ya que las características en las que fue producido deben garantizar la homogeneidad de todo el lote; sin embargo, un rio, un lago o la atmosfera por lo general presentan una heterogeneidad en el tiempo y en el espacio. Por ejemplo la concentración del oxigeno disuelto en un lago presenta heterogeneidad temporal, ya que esta depende de la temperatura, y esta puede variar durante el día o las estaciones. Entonces para recoger adecuadamente una muestra debemos establecer primeramente el tipo de muestreo a realizar.

Muestreo aleatorio

Nuestro plan de muestreo idealmente debe proporcionar una evaluación sin sesgo de las características de la población bajo estudio, esto lo podemos lograr cuando realizamos un muestreo de forma aleatoria. Pero no es algo tan simple, recoger muestras al azar sin seguir un plan de muestreo puede introducir errores no intencionados por el investigador. La mejor forma de seguir un muestreo aleatorio es dividir la población en unidades iguales, asignar un número a cada unidad y utilizando una tabla de números aleatorios se eligen las unidades donde se recogerán las muestras. Por ejemplo, digamos que vamos a determinar cierto contaminante en una parcela de terreno de 10x10 m y que nuestros recursos solo nos permiten analizar 10 muestras, ¿donde las recogemos? Bueno, podemos dividir la parcela en unidades de 1x1 y asignarles un número del 1 al 100, mediante Excel es muy sencillo hacer el sorteo de las unidades a muestrear, para ello se utiliza la función aleatorio y luego se orden los números de menor a mayor con la función filtro.

Ejemplo de una distribución aleatoria de la recolección de muestras sobre un terreno. Fuente: @yusvelasquez.

Muestreo sistemático

Mediante este sistema se obtienen muestras a intervalos regulares de tiempo o en el espacio. Por ejemplo, para determinar la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) en un efluente industrial que presenta cierta heterogeneidad a lo largo de una jornada laboral, las muestras se recolectan en el punto de descarga de forma sistemática estableciendo un intervalo regular de tiempo para su captación. En la siguiente imagen se puede observar los resultados de un muestreo realizado en una jornada de 8 horas en una planta de productos lácteos.

Cantidad de efluente producido según actividad desarrollada en una industria quesera. Fuente: @yusvelasquez.

En la imagen se muestra la variación del caudal del efluente según el tipo de actividad, lo que demuestra la variación de la concentración del analito en el efluente, por lo que una sola muestra no mostrará una media real del mismo.

Muestreo por criterio

Este tipo de muestreo es el opuesto del aleatorio, ya que se basa en la información disponible sobre la población para seleccionar las muestras, esto tiene la ventaja de que al disponer de información se puede establecer un número reducido de muestras, sin embargo, al introducir suposiciones sobre la población, tiene la desventaja de mayor probabilidad de sesgo por parte del investigador. Por ejemplo, para determinar la bioacumulación de metales pesados en la fauna de un cuerpo de agua, el investigador puede establecer según su criterio que especies integrarán la muestra.

Muestreo sistemático por criterio

Este tipo es una combinación de los anteriores. Se utiliza mucho en los estudios ambientales en los que se prevé alguna distribución espacial o temporal de los contaminantes. Por ejemplo, cuando se considera estudiar la dispersión de material particulado procedente de una chimenea, se puede suponer que este se moverá en la misma dirección que la del viento predominante, entonces las muestras se pueden recolectar mediante un muestreo sistemático a partir de una rejilla donde se establezcan las unidades de muestreo con el criterio de establecer estas unidades siguiendo la misma dirección del viento predominante.

Muestreo estratificado

Este es el tipo de muestro que realizamos cuando dividimos la población objeto a estudio en diferentes categorías o estratos separados, por ejemplo, cuando deseamos analizar la calidad del aire urbano, se pueden tomar muestras aleatoriamente en determinados lugares de una ciudad, o se puede dividir la población de esta en diferentes estratos y tomar muestras en cada uno de los segmentos. Esta forma tiene la ventaja de asegurar más homogeneidad en cada estrato, por lo que se puede esperar una mejor varianza que la procedente de un muestreo aleatorio.

Muestreo por conveniencia

Este tipo de muestreo tiene una consideración aparte, ya que no sigue un patrón preestablecido y los lugares para la recogida de muestra se seleccionan por conveniencia o accesibilidad, lo que no forma parte de un criterio para minimizar los errores de muestreo. Por ejemplo, para analizar la calidad del agua de un acuífero subterráneo se pueden utilizar pozos existentes para ahorrar recursos, o como en una oportunidad me ocurrió, para tomar muestras de agua de una laguna se seleccionaron los puntos de acceso más favorable (es decir, por donde la maleza nos lo permitió).

Pocos accesos a una laguna limitaron el muestreo a los puntos más convenientes. Fuente: @yusvelasquez.

¿Qué tipo de muestra tomar?

Una vez que hemos establecido los lugares de donde se tomaran las muestras, lo siguiente es decidir qué tipo de muestra se va a recoger. Las muestras pueden ser de tres tipos:

Muestra simple o puntual: se recolecta en un punto y momento dado, es decir, es una muestra única. Si la concentración de cierto contaminante en un cuerpo receptor es bastante homogénea en el tiempo y en el espacio, tomar un conjunto de muestras simples de forma aleatoria permitirá tener una buena representación del comportamiento del contaminante.

Recolección de una muestra puntual en una tanquilla de canalización de flujo. Fuente: @yusvelasquez.

Muestra compuesta: consiste en la recolección de un grupo de muestras simples que se combinan para formar una sola. Aunque al combinar las muestras se pierde la información sobre el comportamiento del analito durante el periodo de tiempo del muestreo hay ocasiones en las que resulta conveniente realizar la mezcla, por ejemplo, una empresa que tiene instalado un sistema de tratamiento de sus aguas residuales debe informarle al ente regulador en materia ambiental sobre las características del efluente tratado, para ello no recoge múltiples muestras que analiza por separado para obtener un promedio, ya que eso ocupa muchos recursos, en su lugar toma varias muestras que combina y analiza como si fuera una sola, reportando así un valor medio de las características de la descarga.

Conjunto de muestras simples de un efluente que se combinan para formar una muestra compuesta. Fuente: @yusvelasquez.

Muestra in situ o en continuo: en este caso la muestra no se extrae como tal de la población a estudiar, para ello se coloca un sensor analítico que reporta en el instante la concentración del analito, lo que permite tener una valoración de forma continua. Por ejemplo, hay parámetros que deben registrarse en el propio sitio de toma de muestra, como la temperatura, el pH o el oxigeno disuelto; para ello se sumerge una sonda en el cuerpo de agua o en el mismo envase donde fue recolectada la muestra que se llevará al laboratorio para otros análisis.

Monitoreo in situ de la concentración de oxígeno disuelto en un estanque. Fuente. @yusvelasquez.

¿Qué cantidad de muestra tomar?

Quizás nos preocupe la cantidad de recursos que podemos utilizar del laboratorio para hacer un análisis y por ello tomamos una muestra pequeña de la población, sin embargo si no está bien considerado el tamaño de la muestra esto también puede ser una causa de error, ya que en muestras muy pequeñas quizás la composición del analito difiera considerablemente del conjunto estudiado o es apenas perceptible.

Consideramos la siguiente imagen, si la muestra es muy pequeña tenemos grandes posibilidades de recogerla en una zona donde la concentración es baja (cuadro amarillo), mientras que si la muestra es más grande (cuadro verde) hay mayor probabilidad de que sea más representativa.

Ilustración de la dispersión de un contaminante y el tamaño de la muestra. Fuente: @yusvelasquez.

Por otro lado, algunos métodos de análisis normalizados ya definen el tamaño de la muestra a tomar, por ejemplo, el método para determinar sólidos sedimentables en una muestra de agua determina que se debe recolectar como méminimo 1 L de muestra, si usáramos menos para el análisis quizás no registraríamos ningún resultado o un valor menor al real.

Determinación de sólidos sedimentables. Fuente: @yusvelasquez.

Así que siempre será necesario hacer una revisión de los métodos de análisis que se van a utilizar antes de hacer la toma de las muestras, porque quizás podamos correr el riesgo de tener que regresar al sitio de muestreo por más muestra.

Manipulación y preservación de las muestras

Además de recoger la muestra, otro factor importante es poder preservarla hasta su análisis, ya por lo general el sitio de muestreo se encuentra lejos del laboratorio donde se realizaran los análisis.

Existen ciertos parámetros para los cuales hay que considerar ciertas condiciones que garanticen la conservación del analito durante su traslado y posterior análisis en el laboratorio.

Consideraciones a tomar en cuanta para algunos parámetros fisicoquímicos en muestras de agua. Fuente: adaptado de los métodos estandar para análisis de aguas y aguas residuales.

Como ven en la imagen anterior, antes de recolectar la muestra debemos tener presente algunos aspectos importantes para garantizar que a su llegada al laboratorio sea representativa de las condiciones de la población de la cual se extrajo, y tener presente la forma como será conservada; ya que por el tiempo que tenemos a disposición el laboratorio deberemos planificar cuales análisis realizar primero y cuales pueden aguardar.

Entonces mis amigos, aunque parece que el trabajo más importante se realiza en el laboratorio, debemos considerar esta etapa del análisis químico como fundamental si queremos garantizar la exactitud de los métodos analíticos que vamos a implementar.

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Bueno amigos, hasta aquí el presente post, espero que les sea de gran utilidad, ya que ningún método analítico será mejor que la muestra que se ha tomado. ¡Hasta un próximo post!

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Referencias

Whitten, K. (1985). Química General.

Skoog W., Holler C. Química analítica. 7ma edición.

APHA-AWWA-WEF (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.