Equipos para análisis químicos ¿Para qué sirven y cómo funcionan?

En el mundo de la ingeniería, la química, medicina, la construcción y otras áreas especializadas es frecuente el uso de equipos diseñados específicamente para realizar análisis químicos de materiales o sustancias.

Estos equipos para análisis químicos son muy complejos y en el mercado existe una amplia variedad de modelos para todo tipo de estudio, así como en una amplia variedad de precios.

Para entender su uso, debemos repasar primero el concepto de química analítica, que es la base teórica e investigativa por la cual llegamos a realizar análisis químicos en todas las ramas de la industria moderna.

La química analítica es el estudio y aplicación de instrumentos y métodos que permiten identiicar, cuantificar y separar los componentes de la materia.

Llevada al mundo real, esta ciencia utiliza numerosas técnicas y equipos para realizar esta identificación, separación y cuantificación de elementos.

¿Qué son cada uno de estos pasos? Pues la separación es el proceso que aísla cada uno de los componentes químicos de una muestra.

Por su parte la identificación permite clasificarlos, mientras que la cuantificación nos indica en qué proporción y cantidad están presentes.

En ocasiones se puede usar un método específico o una combinación de dos o más de ellos.

Muchos equipos para análisis químico se basan en dos principios combinados para lograr un altísimo nivel de exactitud.

Los equipos para análisis químico pueden usar principios desde principios clásicos aplicados desde hace siglos hasta tecnologías modernas y muy complejas.

Entre los procesos más básicos se encuentran la precipitación, la extracción y la destilación de las muestras, cuyos componentes son luego identificados en base a su olor, color, punto de ebullición o de fusión o reactividad y otras características básicas.

Equipos para análisis químicos más modernos utilizan rayos X o gama, luz infrarroja y sensores capaces de detectar millonésimas de partes de un elemento particular dentro de una muestra.

Veamos varios de los equipos para análisis químicos más usados hoy en día.

Espectrofotómetros de absorción atómica

Los espectrofotómetros de absorción atómica permiten detectar las sustancias presentes en una determinada mezcla, así como el grado de concentración en que se encuentra cada una.

El método de la espectroscopia de absorción atómica (AAS por sus siglas en inglés) es un método muy usado en la química analítica, principalmente para hacer estudios de sustancias en las áreas de la farmacología, toxicología y biofísica.

Los espectrofotómetros de absorción atómica más modernos permiten detectar la presencia y concentración de más de 70 elementos a la vez, ya sea dentro de muestras sólidas o disueltas en soluciones.

La primera aplicación de la espectroscopia de absorción atómica para el análisis químico fue hecho en el siglo XIX por los científicos alemanes Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff, descubridores del cesio (Cs) y el rubidio (Rb)

¿Cómo se usan los espectrógrafos de absorción química?

Estos equipos analizan muestras atomizadas en una solución líquida, o en gases obtenidos de la precombustión de la sustancia a analizar.

Los gases obtenidos por precombustión o la muestra líquida se exponen a haces de luz muy potentes en varias longitudes de onda.

La muestra queda desolvatada y la excitación de sus átomos a diferentes longitudes de onda permite determinar cuáles sustancias están presentes en la misma.

Cromatógrafo de Líquidos con Espectrómetro de Masas (LCMS)

Los cromatógrafos de líquidos con espectómetro de masas (LCMS por sus siglas en inglés) son equipos muy precisos que permiten analizar la composición usando dos mecanismos especiales.

En primer lugar, combinan la capacidad de separación de materiales con gran peso molecular a partir de la obtención de microgotas desde el material analizado, que luego son analizadas a nivel molecular por un espectrómetro de masas.

En una primera etapa se calientan las muestras para producir gases que contienen particulas de los componentes de la muestra, que luego son rociados para enfriarlos, produciendo microgotas que al evaporarse liberan moléculas ionizadas.

Estas moléculas ionizadas son separadas en el espectómetro de gases, que dará una identificación muy detallada de todos elementos presentes en la muestra.

Los cromatógrafos de líquidos con espectrómetro de masas son muy utilizados en la investigación farmacéutica, el análisis de alimentos, estudios de contaminación ambiental y en la medicina forense.

Espectrómetros de transmisión de Infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)

Los espectómetros de transmisión en infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) se basan en el principio de la identificación de materiales en muestras a partir del espectro de reflexión de los grupos funcionares de sustancias orgánicas e inorgánicas.

Se utilizan con mucha frecuencia en los laboratorios de control de calidad, laboratorios forenses y de investigación química.

Son especialmente eficientes para la evaluación de muestras de plásticos y polímeros, productos farmacéuticos, aceites y derivados del petróleo, productos alimenticios y muestras medioambientales tanto orgánicas como inorgánicas.

Con el uso de potentes haces de luz infrarroja se obtienen lecturas espectrográficas de las muestras, en el rango de los 2,5 a 14 micrómetros.

Su principal ventaja es que también permiten analizar muestras biológicas y observar el estado bioquímico de una muestra y conseguir información de las moléculas presentes en el interior de una célula o tejido.

Espectrómetro de Fluorescencia de Rayos X (XFR)

Los espectrómetros de fluorescencia de Rayos X (XFR) permiten analizar la composición química de una muestra que ha sido bombardeada con rayos gamma o rayos X de longitud de onda corta.

El material bombardeado es excitado a nivel molecular, lo que provoca una ionización de sus átomos.

Al ocurrir esta ionización, ocurre la eyección de uno o más electrones de los átomos de los diferentes materiales que componen la muestra.

Esta ionización provoca una emisión de fotones, generando una fluorescencia que es inmediatamente analizada por un espectrómetro, el cual identificará y medirá cada elemento presente.

Se utilizan rayos X o rayos gama porque estos tienen suficiente capacidad energética como para provocar el desprendimiento de electrones desde los átomos de la sustancia analizada.

Los espectrómetros de fluorescencia de Rayos X son ampliamente usados en el análisis químico y el análisis de elementos en las áreas de la construcción, geología, arqueología, ciencia forense y metalurgia.

De hecho, es especialmente valiosa en el análisis de materiales cerámicos y metales usados para la industria de la construcción moderna.

Cromatógrafos de Gases con Espectrómetro de Masas (GCMS)

Los cromatógrafos de gases con espectrómetro de masas (GCMS) utilizan principios parecidos a los sistemas LCMS o cromatógrafos de líquidos con espectrómetro de masas.

Sin embargo, en este caso se trata de equipos que utilizan los gases emitidos por las muestras como medio de separación, en lugar de usar microgotas.

De esta forma, combinan la gran capacidad de separación de elementos que ofrece la cromatografía de gases con la alta sensibilidad y capacidad de detección, identificacion y cuantificación de un detector de masas.

Esto les permite cuantificar y analizar trazas de elementos en mezclas simples o complejas con un alto nivel de exactitud.

Los cromatógrafos de gases con espectrómetro de masas son muy usados en la industria petroquímica, pues permiten detectar fácilmente todo tipo de hidrocarburos poliaromáticos.

También son valiosos en el análisis de muestras biológicas y vegetales, sobre todo a la hora de investigar niveles de contaminación con pesticidas.

Otro uso frecuente es en la ciencia forense, pues permiten catalogar y medir todo tipo de elemento químico presente en materia orgánica, como medicamentos, esteroides, sustancias estupefacientes, proteínas, péptidos, vitaminas, oligonucleótidos, vitaminas y una enorme variedad de elementos volátiles.