Evaluación de la calidad en las mediciones de vapores orgánicos. Actualización del Programa Interlaboratorios de control de calidad PICC-VO

Introducción

La realización de las mediciones de la concentración de un agente químico peligroso, para evaluar el riesgo de exposición por inhalación, debe llevarse a cabo de forma que se garantice la fiabilidad de los resultados. Para ello, y en relación con el análisis de las muestras, el laboratorio que realice los análisis debería tener establecido un sistema de gestión de la calidad que le permita realizar el seguimiento de la validez de sus resultados. Tal y como establece la norma UNE-EN ISO 17025 [1], uno de los elementos que permite al laboratorios realizar dicho seguimiento es la participación en comparaciones Interlaboratorios o programas de ensayos de aptitud o Interlaboratorios. Un aspecto importante a considerar por el laboratorio en la selección de un programa de ensayos de aptitud es que las muestras o ítems del programa de ensayos de aptitud sean similares en matriz, mensurandos y concentraciones con el tipo de muestra de rutina.

El Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, INSHT, ha desarrollado específicamente para los laboratorios de higiene industrial el Programa Interlaboratorios de Control de Calidad, PICC [2]. Las muestras suministradas dentro del programa son similares a las muestras reales tomadas para realizar mediciones de agentes químicos en el campo de la prevención de riesgos laborales, con los analitos típicos y representativos de las familias de análisis más habituales. Dentro de los distintos programas que se incluyen en él se encuentra el programa específico de Vapores Orgánicos (PICC-VO), cuyo objetivo es evaluar el desempeño de los laboratorios en el análisis de vapores orgánicos captados en tubos de carbón activo (TCA), mediante desorción con disolvente y determinación por cromatografía de gases. Actualmente dicho programa incluye como agentes químicos Benceno, Tolueno, m-Xileno y Tricloroetileno en tubos de carbón activo 100/50 mg. Sin embargo, puesto que dentro de la definición de compuestos orgánicos volátiles (COV) se incluyen todos aquellos compuestos orgánicos que se presentan en estado gaseoso a la temperatura ambiente o que son muy volátiles a dicha temperatura, se consideró la necesidad de ampliar el PICC-VO a un número mayor de agentes químicos orgánicos volátiles, con el fin proporcionar a los laboratorios una herramienta más completa para realizar el seguimiento de la validez de los resultados, y cubrir en cierta medida, la ausencia de materiales de referencia para este tipo de compuestos.

Por otra parte, la norma UNE-EN ISO/IEC 17043 [3] establece que las muestras o ítems de ensayo que se empleen en un ensayo de aptitud, deberían cumplir con unos requisitos de homogeneidad y estabilidad apropiados que permitan asegurar que cada participante recibe muestras comparables, y que estas permanecen estables durante el periodo establecido para realizar el ensayo de aptitud. Dichos criterios se establecen para que las diferencias entre los distintos ítems de ensayos que los laboratorios deben analizar no contribuyan significativamente a la variabilidad de los resultados y a la evaluación del desempeño de los laboratorios.

El objetivo de este proyecto es estudiar si los tubos de carbón activo cargados con una mezcla compleja de compuestos orgánicos cumplen con los requisitos necesarios para ser utilizados como muestras de control en el PICC-VO, así como determinar la variabilidad esperable en este tipo de análisis que permita establecer, para los distintos compuestos, las desviaciones estándar aplicables en la evaluación de la aptitud de los laboratorios cuando estas muestras se incluyan en el Programa Interlaboratorios de Control de Calidad de Vapores Orgánicos, del INSHT.

Metodología

Selección de los agentes químicos a incluir en los tubos de carbón activo

El primer paso para desarrollar el proyecto fue seleccionar los agentes químicos susceptibles de ser incluidos dentro del programa. La selección se realizó siguiendo los criterios detallados a continuación:

• 1. Agentes químicos clasificados como de alta prioridad en el proyecto europeo BC/CEN/ENTR/000/200216 "Analytical methods for chemical agents” [4].
• 2. toma de muestra en el mismo soporte de muestreo, tubos de carbón activo de dos secciones de 100 mg y 50 mg.
• 3. preparación de las muestras, mediante desorción con sulfuro de carbono para todos los compuestos.
• 4. Debe existir al menos un método totalmente validado para su análisis [5], [6].

Teniendo en cuenta estos criterios se preseleccionaron 20 sustancias susceptibles de incorporase al proyecto, pertenecientes a los grupos: hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos cíclicos, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos aromáticos clorados, hidrocarburos alifáticos halogenados, éteres y ésteres.

Una vez realizada la preselección, se estudió la viabilidad del análisis simultáneo de todos los compuestos por cromatografía de gases con detector de ionización de llama (FID) utilizando dos columnas de diferente polaridad, tal y como se indica en el método MTA/MA-032/98 [7].

Intervalo de carga de los agentes químicos.

El intervalo de carga de los agentes químicos se estableció teniendo en cuenta los requerimientos para los métodos de medida establecidos en las normas UNE-EN 482:2012 [8] y UNE-EN 1076:2010 [9], de forma que:

· El intervalo de medida debe cubrir como mínimo, al menos las concentraciones de 0,1 veces a 2 veces el valor límite de larga duración.

· El volumen de muestra recomendado debe ser menor que dos tercios del volumen de ruptura.

Una vez fijado el intervalo de carga de los compuestos preseleccionados, se estudió si los lotes de muestras incluyendo todos los compuestos preseleccionados tenían la homogeneidad necesaria para ser utilizadas en un programa de ensayos de aptitud. Dado que en el programa las muestras se preparan por adición líquida y teniendo en cuenta el volumen máximo que se puede adicionar a los TCA asegurando dicha homogeneidad, fue necesario descartar alguno de los compuestos preseleccionados. El criterio seguido fue eliminar aquellos compuestos con menor número de medidas realizadas y/o un valor límite ambiental de los más altos, manteniendo la representación más amplia posible de todos los grupos preseleccionados.

Homogeneidad y estabilidad de las muestras

Se estudió la homogeneidad y la estabilidad de las muestras cargadas con los compuestos seleccionados para un periodo mínimo de 45 días desde su preparación. Para ello se prepararon lotes de muestras, con distintas mezclas de los compuestos preseleccionados. Se analizaron 10 TCA de cada lote inmediatamente después de la preparación, almacenándose la mitad de las muestras restantes de cada lote refrigeradas y el resto a temperatura ambiente.

Cada 15 días, y hasta sobrepasar los 45 días de almacenamiento, se analizaros 10 TCA de cada combinación lote y temperatura de almacenamiento. Aquellos compuestos que no cumplían con el requisito de homogeneidad (coeficiente de variación menor de 1,8 % para las muestras analizadas en condiciones de repetibilidad) o el requisito de estabilidad (fijado en una diferencia máxima entre el periodo máximo de almacenamiento y el análisis inmediato de un - 4,0 %) se eliminaron del proyecto.

Desarrollo del proyecto.

Los compuestos finalmente seleccionados y los intervalos de carga se detallan en la tabla 1. En el caso particular del benceno el intervalo de carga no cubre el intervalo de medida de 0,1 veces a 2 veces el valor límite ambiental de exposición diaria (VLA-ED), ya que el límite inferior del intervalo se encuentra condicionado por el límite de cuantificación.

Tabla 1. Compuestos presentes en la muestras utilizadas en el proyecto.

Una vez definidas las características de las muestras, se invitó a los laboratorios inscritos en el Programa Interlaboratorios de Control de Calidad de Vapores Orgánicos, PICC-VO, a participar en el proyecto realizando el análisis de las muestras. Se contó con la colaboración de 64 laboratorios. La figura 1 muestra la distribución de los participantes por países. El 80 % de dichos laboratorios realizan análisis de muestras en el campo de la Higiene Industrial. El resto desarrollan su actividad principalmente en medioambiente.

Figura 1. Distribución por países de los laboratorios participantes en el proyecto de ampliación del PICC-VO

Entre 2011 y 2013 se envió cuatrimestralmente, coincidiendo con las rondas del PICC-VO, una muestra cargada con la mezcla de compuestos orgánicos de la tabla 1. Los laboratorios dispusieron de un mes para realizar el análisis de las dos secciones por separado según el método que cada laboratorio tuviera establecido y enviar los resultados al laboratorio coordinador del ensayo. Junto con los resultados, se solicitó información sobre las condiciones de análisis de las muestras.

Al finalizar la parte analítica del proyecto, se habían enviado a los laboratorios para su análisis 9 ítems de ensayo distintos, cada uno de los cuales contenía una mezcla con los 11 agentes químicos seleccionados, en una concentración comprendida dentro del intervalo de carga.

Resultados

La participación media por ítem ensayado fue de 50 laboratorios, con un máximo de 53 laboratorios y una participación mínima de 46 laboratorios. El porcentaje de resultados emitidos por los laboratorios fue de un 93 % para los hidrocarburos aromáticos y los compuestos organoclorados, y del 82 % para los hidrocarburos aromáticos y ésteres. La ausencia de resultados se debe, en el 20 % de los casos, a las condiciones cromatográficas utilizadas en el análisis de las muestras, que no permitieron separar adecuadamente algunos de los compuestos incluidos en la muestra. La tabla 2 presenta un resumen de las condiciones cromatográficas empleadas por los laboratorios participantes. En un 6% de los casos se detectó la presencia de compuestos en la segunda sección del tubo, cuyo resultado se sumó al obtenido en la primera sección. La figura 2 presenta la distribución de los resultados obtenidos para los 9 ítems de ensayo, agrupados por compuesto químico, y normalizados frente a su correspondiente mediana, calculada una vez eliminados los resultados obviamente erróneos.

Tabla 2. Condiciones cromatográficas empleadas en el análisis de las muestras

Figura 2. Diagrama de cajas de los resultados normalizados frente a su mediana de los 9 ítems ensayados, agrupados por compuesto químico.

Para cada compuesto e ítem de ensayo, el conjunto de resultados remitidos por los laboratorios se ajusta a una distribución normal (Test de Kolmogorov-Smirnov; Sig. > 0,126), por lo que se pueden utilizar la media y la desviación estándar como estimadores de la población. En el cálculo de las correspondientes medias y desviaciones estándar se excluyeron los valores detectados como anómalos mediante el test de Grubbs. La desviación estándar relativa de los resultados correspondientes al primer envío, resultó ser significativamente superior a la obtenida en el resto de los envíos (Test de Cochran, α = 0,05) para 7 de los 11 compuestos ensayados. Dado que una muestra de características similares a la del primer envío se ensayó en un envío posterior con mejores resultados, los resultados del primer envío se excluyeron del estudio. No se han encontrado diferencias significativas en la dispersión de los resultados en el resto de los envíos.

Figura 3. Relación entre la desviación estándar y la media para los 11 compuestos ensayados. Para permitir la comparación grafica de los mismos, los valores de las medias y las desviaciones estándar se representan divididas entre el semirango del intervalo de carga.

Existe una correlación lineal (r > 0,84) entre las desviaciones estándar de los resultados y las medias obtenidas para cada compuesto (Figura 3). El ajuste por mínimos cuadrados mostró, en todos los casos, que la ordenada en el origen no era significativamente diferente de cero (Sig. > 0,072), por lo que la relación entre la desviación estándar y la media para cada compuesto puede describirse mediante una ecuación del tipo: a = bx, es decir, el coeficiente de variación puede considerarse constante para cada compuesto en el intervalo ensayado. Los intervalos de carga ensayados y los coeficientes de variación promediados, CV_p, se encuentran reflejados en la tabla 3.

Tabla 3. Intervalo de medias obtenidas para los 8 ítems de ensayo, excluido el correspondiente al primer envío, y coeficiente de variación promediado, CV_p, obtenidos para cada compuesto y sesgo respecto a la cantidad teórica adicionada.

Los valores medios obtenidos en cada caso se compararon con los valores teóricos adicionados. El sesgo medio para cada compuesto se recoge en la tabla 3. Para el benceno, el sesgo encontrado es positivo en todos los ítems ensayados. En el resto de los casos, mayoritariamente el sesgo es negativo. Sin embargo, teniendo en cuenta la incertidumbre del valor teórico y de la media de los resultados, no existen diferencias significativas entre la media de los resultados y el valor teórico adicionado salvo en un 9 % de los casos (a = 0,05). Las diferencias son significativas en cuatro concentraciones del benceno, dos del clorobenceno y dos del acetato de butilo.

Al finalizar la parte analítica del proyecto, los TCA sobrantes de cada lote de preparación se analizaron por el laboratorio del Centro Nacional de Verificación de Maquinaria, y en condiciones de repetibilidad, para verificar la estabilidad de las muestras. El sesgo con respecto al valor diana no supera el -4,5 % en muestras almacenadas refrigeradas durante dos años.

Discusión de resultados

Los resultados obtenidos en este estudio ponen de manifiesto la importancia de seleccionar adecuadamente las condiciones cromatográficas, que permitan separar y cuantificar los distintos compuestos cuando se analizan muestras con una mezcla compleja de vapores orgánicos. En el caso de no emplearse un detector de masas, es altamente recomendable la utilización de dos columnas de distinta polaridad que permitan identificar inequívocamente el compuesto detectado. Algunos de los resultados que obviamente eran erróneos son consecuencia directa de cuantificar como un compuesto picos no resueltos correspondientes a dos sustancias diferentes.

Por otro lado, el 60 % de los resultados detectados como anómalos en el Test de Grubbs corresponden a laboratorios que no utilizan estándar interno en su análisis. Considerando la información remitida por los laboratorios, la utilización de un estándar interno es más habitual en los laboratorios nacionales que en los internacionales. Esto es debido a que la utilización de estándar interno es una recomendación que figura en los métodos de toma de muestra y análisis, MTA, publicados por el INSHT. Se ha estudiado el efecto del uso de estándar interno en la dispersión de los resultados. Si bien la diferencia no es significativa, si se puede apreciar que la dispersión de los resultados cuando no se usa estándar interno es ligeramente mayor que cuando si se emplea.

Los coeficientes de variación obtenidos en los hidrocarburos aromáticos, a excepción del benceno, y en los compuestos halogenados están en buen acuerdo con los que se aplican actualmente en el PICC-VO para el tolueno, m-xileno y tricloroetileno. En el caso particular del tricloroetileno, el coeficiente obtenido en esta prueba es ligeramente superior al coeficiente de variación aplicado en el PICC-VO para evaluar dichos resultados. Esta diferencia puede asociarse al hecho de haber reducido considerablemente el intervalo de carga para adecuarlo a la disminución del VLA-ED de este compuesto en 2011. Lo mismo ocurre con el benceno, cuyo intervalo de carga es inferior al utilizado en el PICC-VO y está próximo a los límites de detección, por lo que es lógico esperar que el coeficiente de variación en este intervalo sea más alto. Las dispersiones observadas para los hidrocarburos alifáticos y los ésteres, aun siendo superiores a las de los hidrocarburos aromáticos y los compuestos clorados, están en buen acuerdo con las obtenidas en otros programas de ensayos de aptitud de características similares [10].

El sesgo encontrado para el Benceno, y que no se observa en las muestras del PICC-VO, parece estar relacionado con una incompleta separación del resto de los compuestos durante el análisis, es decir, causado por las interferencia generadas por la presencia de compuestos que pueden coeluir con él. Así, por ejemplo, el benceno puede coeluir con el ciclohexano cuando se utiliza una columna apolar si no se seleccionan correctamente las condiciones de análisis. Sin embargo no se han observado diferencias significativas ni correlaciones entre los resultados del benceno y las condiciones cromatográficas utilizadas. Por otra parte, los sesgos negativos, aunque no significativos, encontrados para el clorobenceno y los ésteres pueden estar relacionados con la recuperación analítica, ya que son del mismo orden que los que figuran en los métodos de toma de muestra y análisis para estos compuestos [11], [12]. No se dispone de información sobre si los resultados están o no corregidos, y por lo tanto estos resultados se analizarán en un estudio posterior.

En relación con la estabilidad de las muestras, se ha observado la migración de los compuestos de la primera a la segunda sección del TCA, especialmente de los ésteres, cuando el tubo está más cargado y la temperatura ambiente es más alta. Sin embargo, tanto los resultados de los laboratorios participantes como los estudios internos realizados por el laboratorio coordinador han demostrado que no existen perdidas significativas de los compuestos cuando se tienen en cuenta las dos secciones del TCA. El sesgo asociado al almacenamiento se mantiene inferior al 4,5 % para muestras almacenadas a temperatura ambiente durante 45 días. Por tanto, la muestra en su conjunto puede considerarse estable a efectos de un programa de ensayos de aptitud y ser utilizada como muestra de control con la recomendación de analizar las dos secciones juntas.

Por tanto, los estudios internos de homogeneidad y de estabilidad, como el desarrollo de este proyecto han demostrado que los TCA cargados con la mezcla compleja de vapores orgánicos pueden considerarse válidos para ser empleados como muestras de control dentro del PICC-VO. Los parámetros de control que se pueden establecer para evaluar los resultados son:

1. El valor asignado, X*, determinado por consenso de los participantes y calculado según el método estadístico robusto detallado en la norma ISO 13528;
2. La desviación estándar aplicable para la evaluación de los resultados, σ_p, para cada caso se establece a partir de los coeficientes de variación obtenidos en este estudio y de los resultados de estabilidad de las muestras. Así, se puede establecer un CV para la evaluación de resultados del 10 % para el benceno, los hidrocarburos aromáticos y los ésteres, y un CV del 7 % para los hidrocarburos aromáticos restantes y los compuestos organoclorados.

Para cada compuesto e ítem ensayado en este proyecto, se ha calculado el valor asignado y su incertidumbre de acuerdo con el algoritmo indicado en la norma ISO 13528. En todos los casos la incertidumbre obtenida es inferior a 0,3 veces la desviación estándar aplicable en la evaluación, σ_p. Es decir, la contribución de la incertidumbre del valor asignado  a la evaluación de los resultados y no es necesario tenerla en cuenta.

Los resultados de los análisis, x, realizados por los laboratorios participantes se han transformado en valores z, Vz, de acuerdo con la indicado en la norma ISO 13528 y aplicando para ello las desviaciones estándar anteriormente indicadas. El cálculo de Vz se realiza da acuerdo con la ecuación

El 80 % de los resultados obtienen un |Vz| ≤ 2, por lo que se pueden clasificar como aceptables (Figura 4). Este resultado está en buen acuerdo los obtenidos en el PICC-VO y en programas similares.

Figura 4. Histograma de los valores z, Vz, obtenidos al transformar los resultados de los laboratorios, agrupados por grupo de compuestos.

Conclusiones

· Las muestras cargadas con una mezcla compleja de vapores orgánicos pueden ser utilizadas como muestras de control dentro del Programa Interlaboratorios de Control de Calidad de Vapores Orgánicos.

· El uso de muestras cargadas con mezclas complejas de vapores orgánicos como muestras de control abre la posibilidad de evaluar el desempeño de los laboratorios ante interferencias, ya que si las condiciones cromatográficas no son adecuadas, no se obtiene la separación necesaria entre las señales de los compuestos para cuantificarlos correctamente.

· Al no existir diferencias significativas entre las condiciones de análisis, los resultados de cada compuesto, independientemente del método analítico y las condiciones cromatográficas empleadas, pueden tratarse como pertenecientes a una misma población.

· La evaluación de los resultados puede realizarse mediante la transformación de los mismos en valores de z, aplicando los siguientes parámetros de control:

1. El valor asignado obtenido por consenso de los participantes, utilizando el procedimiento descrito en la norma ISO 13528 para obtener una media robusta.
2. Una desviación estándar relativa para la evaluación de los resultados del 10 % para el benceno, hidrocarburos alifáticos y ésteres, y del 7 % para el resto de los hidrocarburos aromáticos y los compuestos organoclorados.

· El 83 % de los resultados emitidos por los laboratorios obtendrían una clasificación de aceptables utilizando los parámetros de control indicados.

Agradecimientos

Las autoras agradecen a los laboratorios participantes la colaboración prestada en éste proyecto.

Una versión preliminar de este artículo se presentó en el congreso ORPconference 2014

Referencias bibliográficas

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• 7. MTA/MA032/A98. Determinación de vapores orgánicos en aire Método de adsorción en carbón activo / Cromatografía de gases. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo. 1998
• 8. UNEEN 482:2012. Exposición en el lugar de trabajo. Requisitos generales relativos al funcionamiento de los procedimientos de medida de los agentes químicos. AENOR. 2012
• 9. UNEEN 1076:2010. Exposición en el lugar de trabajo. Procedimientos de medida de gases y vapores que utilizan muestreadores por aspiración. Requisitos y métodos de ensayo. AENOR. 2010
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