Equipos analizadores moleculares

La caracterización, identificación y descripción de la estructura de cualquier tipo de muestra desconocida es posible realizarla a través de modernos equipos de análisis molecular, que mediante diferentes tecnologías nos permiten obtener detalles de la constitución molecular de cualquier tipo de muestra.

La necesidad de un examen específico para los componentes de distintas sustancias, ha impulsado al desarrollo de métodos de análisis variados acordes a las características y aplicaciones particulares.

Entre las técnicas y equipos más usados para análisis molecular de sustancias tenemos las espectrometrías, cromatografías y espectrofotometrías.

En primer lugar tenemos la absorción atómica, que es una técnica ideal para la identificación y cuantificación de muchos elementos. Se pueden hacer análisis para la industria farmacéutica, industria alimenticia, petroquímica, así como, es util en toxicología, bioquímica y análisis de suelos y aguas, pudiendo determinar elementos potencialmente tóxicos como cromo, cobalto, níquel, plomo, cadmio o cesio.

Los Espectrofotómetros de Absorción Atómica se basan en el principio de cada átomo tiene su propia longitud de onda capaz de ser detectada usando diferentes tipos de métodos, siendo los más comunes la absorción atómica de llama.

Entre las principales ventajas que tienen estos equipos es que pueden analizar hasta 82 elementos y pueden detectar valores inferiores a partes por millón (ppm).

Estos equipos se manejan en forma muy simple, y las muestras que van a análisis requieren un preparación previa. La desventaja principal es que son capaces de analizar un elemento por vez y que las muestras deben estar en estado líquido.

Otro método de análisis molecular es la cromatografía líquida de alto rendimiento, que es una técnica muy utilizada para la medición de sustancias farmacológicas, pesticidas y otros elementos químicos.

El equipo que lleva a cabo esta técnica es el Cromatógrafo de Líquidos Espectrómetro de Masas (LCMS), que tiene una alta precisión y permite desarrollar ambas técnicas combinadas: cromatografía y espectrometría.

Por una parte, la cromatografía líquida permite separar a través de una columna de cromatrografía, las mezclas en sus diferentes componentes, lo cual es muy útil cuando la muestra tiene muchos elementos mezclados. Pero con la cromatografía es difícil lograr identificar los elementos ya separados. Para ello, se combina con la espectrometría de masas, que sí es capaz de hacer una identificación de los diferentes elementos constituyentes y adicionalmente realizar un análisis de sus detalles estructurales.

En definitiva, la combinación de estas dos técnicas, permite una mejor identificación, ya que la espectrometría de masas no es buena para identificar elementos que están contenidos en muestras mezcladas, pero es la técnica de elección para evaluar sustancias por separado.

Para el funcionamiento de ambas técnicas en un solo equipo, se debe contar con una interfaz que permita conectar los líquidos del cromatógrafo al espectrómetro.

En la actualidad, estos equipos tienen aplicaciones en ciencias forenses, dado que permite análisis de drogas, trazas y tóxicos en cantidad de muestra muy pequeña. También se usa para la realización de test de dopaje, estudios de bioequivalencia y biodisponibilidad y se pueden hacer determinaciones de peso molecular, estructura e identificación de sustancias incluso desconocidas. Igualmente es posible la determinación de herbicidas y otros tóxicos en la industria agroalimentaria, así como investigación de drogas y estudios de control de calidad.

Otro equipo de análisis molecular es el Espectrómetro de Transmisión de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR), que es actualmente el equipo de espectroscopia infrarroja más usado.  El principio de este tipo de equipos está basado en las propiedades de la radiación infrarroja, que al pasar por una muestra, parte es absorbida por las sustancias y otra parte se transmite, esto genera como resultado un espectro de luz único y que sirve como medio de identificación. Cada muestra o sustancia deja una huella espectral diferente lo que facilita la determinación exacta de su naturaleza. La transformada de Fourier genera espectros identificables y cuantificables.

Aunque se usa más frecuentemente sobre sustancias orgánicas, también está establecido su uso sobre algunas sustancias inorgánicas. Además, son capaces de procesar muestras en estado sólido o líquido.

Con estos equipos, se pueden realizar diferentes técnicas de FTIR, como lo son: la transmisión, reflexión difusa, reflexión total atenuada y la reflexión especular.

De esta forma, se logra hacer la identificación y monitoreo de compuestos, lo cual tiene muchas aplicaciones especialmente para los compuestos orgánicos y polímeros. También se puede hacer la verificación de identidad de sustancias y trabajar sobre sustancias desconocidas para su análisis.

En el caso de material biológico, esta técnica aporta tanto la estructura de la sustancia como la composición química, debido a que cada átomo constitutivo de la muestra deja un espectro específico e individual. Se puede utilizar para análisis de fluidos  humanos, bacterias, virus, hongos, células y tejidos, siendo tan específicos que aportan inclusive datos de composición de pared celular, moléculas intracelulares y composición del citoplasma.

Otro equipo de análisis molecular es el Espectrómetro de Fluorescencia de Rayos X (XFR), que nos ofrece un método de análisis alternativo para la detección de la composición química de muchos tipos de muestras.

Este método tiene la ventaja que no requiere de la preparación previa de las muestras y es muy seguro.  Se basa en la propiedad que tienen todos los elementos de emitir diferentes intensidades espectrales por rayos X.

Se pueden usar materiales sólidos, líquidos e incluso en estado gaseoso y permite detectar contenidos por debajo de 1 ppm. Una ventaja es que no destruye el material para hacer la evaluación, como ocurre con otras metodologías de determinación.

La mayoría de los espectómetros de fluorescencia de rayos X se pueden configurar para realizar diferentes tipos de análisis. No es un método destructivo y deja el material intacto sin perder ninguno de sus propiedades iniciales.

No usan sustancias químicas, por lo que es muy limpio, tiene bajo costo, hacen una determinación rápida, la interpretación de los resultados es muy simple y adicionalmente permite la determinación de varios elementos en forma simultánea.

La mayoría de estos equipos son portátiles y pueden analizar muestras de gran tamaño si fuese necesario.

Por último, tenemos el Cromatógrafo de Gases Espectrómetro de Masas (GCMS), que es un equipo de gran utilidad en algunos tipos de análisis molecular. La espectometría de masas es una técnica de análisis muy completa, que es usada en investigación para la identificación inequívoca y medición de concentración de sustancias. Es un método muy sensible, que aporta información isotópica y estructural, capaz de medir elementos más pequeños que ppm. En este proceso se ioniza la muestra.

Este tipo de equipo acopla los dos métodos: cromatografía y espectrometría de masas. Con el primero se separa la muestra, luego de la separación y la detección de los componentes, el único dato adicional que ofrece esta técnica es el tiempo de retención de los picos cromatrográficos, que son útiles cuando se examinan sustancias con muchos componentes. Por otra parte, el espectrómetro de masas  es inequívoco pero necesita un proceso de separación previa para ser eficaz.

La técnica combinada suma las ventajas de ambos métodos aunque se requiere se sistemas de conexión especiales.

Estos equipos tienen limitaciones en particular con el análisis de compuestos poco volátiles, sensibles a elevaciones de temperatura, o compuestos en forma iónica, ya que por su naturaleza son poco volátiles.

Tienen la ventaja de utilizar detectores más universales como los ionizadores de llama, además es un método más simple y rápido que la cromatografía líquida y mucho más sensible.

También es un método más económico pero su desventaja es que no puede evaluar elementos volátiles o semi-volátiles, que no sean  termoestables por encima de 350^oC.  

La selección del equipo adecuado pasa por tener claro las necesidades exactas y su uso, así como del presupuesto disponible.

Referencias

1.   Nikalje, Anna. (2018). Liquid Chromatography-Mass Spectrometry and Its Applications: A Brief Review. Archives of Organic and Inorganic Chemical Sciences. 1. 10.32474/AOICS.2018.01.000103.

2.   Jaggi, Neena & Vij, D.R. (2007). Fourier Transform Infrared Spectroscopy. 10.1007/0-387-37590-2_9.

3.   Sarria Villa, Rodrigo Andrés. (2017). Cromatografia de gases acoplado a espectrometría de masas.

4.   Gutierrez MC, Droguet M. La cromatografía de gases y la espectrometría de masas BOLETÍN INTEXTER (U.P.C.) 2002. Nº 122.