Preparación de muestras de alimentos mediante homogeneización y digestión ácida húmeda asistida por microondas para la determinación de múltiples elementos con ICP-MS

El análisis elemental es un proceso analítico para determinar la composición elemental de varias muestras. Se puede utilizar para controlar la ingesta de metales en el cuerpo humano (especialmente metales pesados¹) ya que sus altas concentraciones pueden causar problemas de salud no deseados. Los metales pesados también son uno de los principales contaminantes ambientales, por lo tanto, es necesario el control de su presencia en el medio ambiente². Además, el análisis elemental puede emplearse para determinar el origen geográfico de los productos alimenticios³ y para controlar la calidad de los alimentos y los recursos hídricos⁴. Además, se utiliza para la determinación de micro y macronutrientes en los suelos⁵ y para obtener información sobre los procesos geológicos a lo largo de la historia mediante el examen de la composición química de minerales y sedimentos⁶. También se han realizado estudios para determinar la presencia de metales raros en residuos eléctricos y electrónicos para su posterior regeneración de metales⁷, para evaluar el éxito de los tratamientos farmacológicos⁸ y para verificar la composición elemental de los implantes metálicos⁹.

La espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) y la espectroscopia de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) son técnicas comúnmente utilizadas para el análisis elemental de diversas muestras¹⁰. Permiten la determinación simultánea de múltiples elementos con límites de detección (LOD) y límites de cuantificación (LOQ) tan bajos como ng/L. En general, ICP-MS tiene valores de LOD¹¹ más bajos y un rango de concentración lineal más amplio en comparación con ICP-OES¹². Otras técnicas para determinar la composición elemental son la espectrometría de emisión óptica de plasma inducida por microondas¹³ y varias variantes de espectroscopia de absorción atómica (AAS), incluida la espectroscopia de absorción atómica de llama, la espectroscopia de absorción atómica electrotérmica², la espectroscopia de absorción atómica de vapor frío y la espectroscopia de absorción atómica de generación de hidruros¹⁴. Además, la determinación elemental con bajo LOD y LOQ es posible con diferentes métodos electroanalíticos, especialmente con voltamperometría de stripping anódico^15,16. Por supuesto, existen otros métodos para determinar la composición elemental de las muestras, pero no se emplean con tanta frecuencia como los métodos mencionados anteriormente.

La determinación elemental directa de muestras sólidas es factible utilizando espectroscopía de ruptura inducida por láser y fluorescencia de rayos X¹⁷. Sin embargo, para la determinación elemental con ICP-MS, ICP-OES y AAS es necesario convertir las muestras sólidas en estado líquido. Para ello, la digestión ácida se realiza utilizando ácidos y reactivos auxiliares (en la mayoría de los casos_H2O2). La digestión ácida se realiza a temperatura y presión elevadas, convirtiendo la parte orgánica de la muestra en productos gaseosos y convirtiendo los elementos metálicos en sales solubles en agua, disolviéndolos así en la solución¹⁸.

Hay dos tipos principales de digestión ácida, la digestión de vasos abiertos y la digestión de vasos cerrados. La digestión en recipiente abierto es rentable¹⁴ pero tiene limitaciones, como la temperatura máxima de digestión, que coincide con la temperatura de ebullición de los ácidos a presión atmosférica. La muestra se puede calentar en placas calefactoras, bloques calefactores, baños de agua, baños de arena² y microondas¹⁹. Al calentar la muestra de esa manera, gran parte del calor generado se pierde en el entorno²⁰, lo que prolonga el tiempo de digestión¹⁴. Otras desventajas de la digestión en recipientes abiertos incluyen un mayor consumo de productos químicos, la mayor posibilidad de contaminación del ambiente circundante y la posible pérdida de analitos debido a la formación de componentes volátiles y su evaporación de la mezcla de reacción²¹.

Los sistemas de recipientes cerrados son más convenientes para la digestión de muestras orgánicas e inorgánicas en comparación con los sistemas de recipientes abiertos. Los sistemas de recipientes cerrados utilizan una variedad de fuentes de energía para calentar las muestras, como el calentamiento por conducción y las microondas²². Los métodos de digestión que utilizan microondas incluyen la combustión inducida por microondas²³, los sistemas de cámara de reacción única²⁴ y la digestión ácida húmeda asistida por microondas (MAWD) de uso ^común25,26. MAWD permite la digestión a temperaturas de funcionamiento más altas, que oscilan entre 220 °C y 260 °C y presiones máximas de hasta 200 bar, dependiendo de las condiciones de trabajo del instrumento²⁷.

La eficiencia y la tasa de MAWD dependen de varios factores, incluyendo la composición química de las muestras, la temperatura máxima, el gradiente de temperatura, la presión en el recipiente de reacción, la cantidad de ácidos añadidos y la concentración de ácidos utilizados²⁸. En MAWD, la digestión ácida completa se puede lograr en unos pocos minutos debido a las condiciones de reacción elevadas en comparación con las digestiones más duraderas en sistemas de recipientes abiertos. Se requieren volúmenes y concentraciones más bajos de ácidos en MAWD, lo que está en línea con las pautas actuales de química verde²⁹. En MAWD, se necesita una cantidad menor de muestra en comparación con la digestión en recipiente abierto para realizar la digestión ácida, por lo general, hasta 500 mg de muestra son suficientes 30,31,32. Se pueden digerir grandes cantidades de muestras, pero requieren una mayor cantidad de productos químicos.

Dado que el instrumento para MAWD controla automáticamente las condiciones de reacción y la persona no entra en contacto directo con los productos químicos durante el calentamiento, MAWD es más seguro de operar que las digestiones de recipientes abiertos. Sin embargo, la persona siempre debe proceder con precaución al agregar productos químicos a los recipientes de reacción para evitar que entren en contacto con el cuerpo y causen daño. Los recipientes de reacción también deben abrirse lentamente, ya que la presión se acumula en su interior durante la digestión ácida.

Aunque la digestión ácida es una técnica útil para la preparación de muestras para la determinación elemental, la persona que la realiza debe ser consciente de sus posibles limitaciones. La digestión ácida puede no ser adecuada para todas las muestras, especialmente aquellas con matrices complejas y aquellas que son altamente reactivas o podrían reaccionar explosivamente. Por lo tanto, la composición de la muestra siempre debe evaluarse para seleccionar los productos químicos y las condiciones de reacción apropiados para una digestión completa que disuelva todos los elementos deseados en la solución. Otras preocupaciones que el usuario debe tener en cuenta y abordar son las impurezas y la pérdida de analitos en cada paso de la preparación de la muestra. La digestión ácida debe realizarse siempre de acuerdo con normas específicas o mediante protocolos.

El protocolo que se describe a continuación proporciona instrucciones para la homogeneización de muestras de alimentos en un mezclador de tamaño de laboratorio, un procedimiento para limpiar los componentes del mezclador, pesar adecuadamente la muestra, agregar productos químicos, realizar la digestión ácida mediante MAWD, limpiar los recipientes de reacción una vez completada la digestión, preparar las muestras para la determinación elemental y realizar una determinación cuantitativa de múltiples elementos con ICP-MS. Siguiendo las instrucciones que se dan a continuación, se debería poder preparar una muestra adecuada para la determinación elemental y realizar las mediciones de las muestras digeridas.