Diferentes aplicaciones de la instrumentación analítica

¿Qué es la instrumentación?

La instrumentación es la ciencia y la tecnología de los sistemas complejos que permiten medir magnitudes físicas cuyo objetivo es la obtención de datos que se transmiten a dispositivos de representación, registro o elementos de control.

¿Qué es la instrumentación analítica?

Como antecedente, podemos definir a la Química Analítica como la ciencia que desarrolla y mejora métodos e instrumentos para obtener información sobre la composición y naturaleza química de la materia. Dentro de la Química Analítica se incluye la Instrumentación analítica que se basa en las propiedades químico-físicas. La clasificación de la instrumentación analítica se realiza en base a la propiedad que se mide.

Los avances tecnológicos han provocado durante los últimos años que la Instrumentación Analítica, una de las ramas de la Química Analítica, se desarrolle de manera importante.

Tecnologías para estudiar nuestro mundo

Como proveedor líder en soluciones analíticas para identificar, cuantificar y caracterizar las numerosas sustancias y compuestos que conforman nuestro mundo, Agilent Technologies ha colaborado en distintas áreas. Entre las cuales se encuentran:

Instrumentación analítica para Análisis ambiental

En el mercado ambiental, las herramientas de Agilent permiten a los científicos probar los contaminantes biológicos y químicos en el aire, agua, alimentos y tierra. Alrededor del mundo, estas herramientas han contribuido decisivamente en los esfuerzos para proteger el medio ambiente y la salud humana.

En colaboración con líderes de la industria y la normatividad, Agilent aborda las cuestiones más importantes en el análisis del medio ambiente. Los clientes de la compañía son principalmente entidades gubernamentales, industrias y laboratorios independientes enfocados en el cumplimiento y aplicación de las reglamentaciones.

Recientemente Agilent ha desarrollado aplicaciones para la detección de varios problemas entre los cuales se encuentran:

• Alteraciones endocrinas por pesticidas en la tierra, los alimentos y el agua: Se cree que ciertos pesticidas alteran el sistema endocrino y causan trastornos tales como defectos de nacimiento y cáncer de seno. Agilent desarrolló un método de Cromatografía de gases/ espectrometría de masas (GC/MS) capaz de analizar rápidamente muestras de los 567 pesticidas y otros probables alteradores del sistema endocrino que causan preocupación mundial, ofreciendo un método más sencillo para supervisar estos químicos en el abasto de alimentos. 
• Hidrocarburos volátiles en el aire: Los hidrocarburos volátiles contribuyen al ozono a nivel de la tierra, uno de los principales componentes del smog urbano. Las normas europeas y norteamericanas ahora requieren el monitoreo continuo de estos compuestos en todos los centros urbanos. Agilent se unió con Markes International Ltd., para desarrollar un potente sistema basado en cromatografía de gases para el monitoreo automático, durante las 24 horas, de estos compuestos en el aire.

Pruebas de antidoping a deportistas

Durante más de 30 años, Agilent Technologies ha sido el principal proveedor de instrumentos analíticos para realizar pruebas de antidoping en el área deportiva. En 1972, Agilent proporcionó los equipos de pruebas antidoping para los primeros Juegos Olímpicos en los cuales se requirió efectuar este tipo de pruebas. Desde entonces, el equipo de Agilent ha desempeñado un papel fundamental en cada Olimpiada, así como en los principales eventos deportivos, como el Campeonato Mundial de Fútbol.

Asimismo, Agilent aporta la instrumentación para los laboratorios de control de antidoping que permiten a los científicos identificar, confirmar y cuantificar miles de substancias en una amplia variedad de muestras.

La Agencia Mundial Antidopaje (AMA) ha estipulado seis clases de substancias prohibidas: estimulantes, narcóticos, agentes anabólicos/esteroides, diuréticos, hormonas pépticas y compuestos afines, así como otras drogas restringidas. Estas clases incluyen más de 400 substancias y miles de compuestos  relacionados. Las asociaciones internacionales de deportes y las ligas deportivas profesionales usualmente observan las normas de la AMA, con ciertas excepciones.

Cada clase de droga aporta distintas ventajas en términos de rendimiento, por lo cual es común que se utilicen en ciertos deportes. Asimismo, cada clase de fármaco es más adecuado para un tipo específico de instrumento y análisis. Por ejemplo:

Diuréticos

Narcóticos

Las tres técnicas fundamentales en los laboratorios de pruebas antidoping son: cromatografía de gases (CG), cromatografía de líquidos (LC) y espectrometría en masas (MS). Estas tecnologías de punta son iguales que las empleadas para la seguridad nacional, investigación criminal/ forense, pruebas ambientales y seguridad alimenticia. Su extrema sensibilidad impide que los usuarios de fármacos eviten su detección. Por ejemplo, se pueden identificar esteroides anabólicos utilizados hasta 10 meses antes de la competencia.

Instrumentación analítica para Seguridad Alimenticia

Las pruebas de seguridad alimenticia incluyen análisis de aditivos, residuos, contaminantes y toxinas en productos y alimentos agrícolas, con un importante enfoque en el cumplimento y aplicación de las reglamentaciones. La necesidad de efectuar pruebas alimenticias aumenta rápidamente, impulsada por la liberalización del comercio mundial, un creciente entorno regulador y una mayor conciencia pública sobre cuestiones de seguridad alimenticia.

Instrumentación analítica para Seguridad Nacional

Agilent tiene una larga historia de colaboración con el gobierno de EEUU, otros gobiernos internacionales, instituciones militares, entidades de aplicación de leyes y agencias relacionadas con la salud en la detección, identificación confirmación y desactivación de agentes para una ofensiva biológica y química, así como compuestos industriales tóxicos.

Instrumentación analítica para Medicina Forense

Agilent es el principal proveedor mundial de sistemas de GC/MS para agencias gubernamentales, universidades, hospitales y laboratorios privados para el rastreo de drogas y toxicología.  Al igual que en la industria ambiental, los sistemas de cromatografía de líquidos/ espectrometría de masas (LC/MS) de Agilent se empiezan a emplear para análisis forenses como un complemento de la cromatografía de gases/ espectrometría de masas (GC/MS). 

De manera más práctica, los usos de la instrumentación analítica en la medicina forense han sido mostrados en diversas series de televisión, entre las cuales se encuentra el programa estadounidense C.S.I, serie que se transmite en televisión cerrada y cuyo desarrollo está orientado a la investigación policíaca de casos criminales resueltos en su totalidad gracias a  la investigación forense. En este programa se utilizan diversos equipos marca Agilent desarrollados para análisis puntuales de infinidad de muestras pequeñas como cabello, sangre o agua entre otras más, lo que en muchas ocasiones lleva a la instrumentación analítica a terrenos similares a la ciencia ficción por lo increíble de la precisión y certeza con la que trabaja permitiendo así una mejor y más rápida resolución de los casos.

Instrumentación analítica para la Industria Farmacéutica

La espectrometría de masas juega un importante rol en el ciclo de vida completo de un fármaco, desde el descubrimiento hasta el desarrollo, la manufactura, hasta el Aseguramiento/Control de Calidad (QA/QC). En el descubrimiento de fármacos, los sistemas de MS son apropiados para obtener información que identifique y caracterice los candidatos a fármacos producidos por química de combinación o extraídos de productos naturales. La LC/MS es una herramienta fundamental para verificar la calidad del compuesto de un fármaco durante su fabricación.

La calidad de un medicamento, la dosis terapéutica e inclusive el empaquetado se derivan de los análisis de instrumentación analítica con GC o LC.

Instrumentación analítica para Proteómica

La proteómica es el análisis de proteínas a gran escala para investigar enfermedades y descubrir fármacos. El análisis de MS es la herramienta principal para la investigación basada en proteómica.  Además de los instrumentos de espectrometría de masa (MS) para identificar y cuantificar las proteínas en muestras biológicas, Agilent desarrolló un conjunto integrado de potentes herramientas para ayudar a los investigadores a preparar, separar, analizar, identificar e interpretar las muestras de proteínas complejas.

Los genes son los bloques básicos de construcción de la vida, pero no cuentan la historia completa de cómo funciona un organismo. Las proteínas, los productos finales del ADN traducido, desempeñan un papel importante en la función de la célula y en los procesos farmacológicos. Cuando intervienen en una enfermedad, la mayoría de los químicos de los fármacos se unen a una proteína para causar un cambio en la célula, órgano o cuerpo.

La proteómica, el estudio de las proteínas, puede aportar información importante sobre los procesos biológicos al analizar el conjunto completo de las proteínas producidas por una célula, tejido u organismo. Este conocimiento puede acelerar el intercambio de información biológica para lograr fármacos avanzados para padecimientos comunes, como cáncer o trastornos cardiovasculares.

Además de las proteínas como objetivos adecuados para los fármacos, muchas de las nuevas medicinas prescritas hoy en día realmente se basan en proteínas (en vez de estar hechas de químicos).

Agilent Technologies, proveedor de equipos de instrumentación analítica

Agilent Technologies es la compañía líder en instrumentación a nivel mundial. Proporcionando las herramientas principales de medición electrónica y para la biociencia que promueven el desarrollo de sectores como la electrónica, comunicaciones, investigación científica, medio ambiente y petroquímica.

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Los cables coaxiales

El cable coaxial es un cable formado por dos conductores concéntricos:

Un conductor central o núcleo, formado por un hilo sólido o trenzado de cobre (llamado positivo o vivo),  un conductor exterior en forma de tubo o vaina, y formado por una malla trenzada de cobre o aluminio o bien por un tubo, en caso de cables semirrígidos. Este conductor exterior produce un efecto de blindaje y además sirve como retorno de las corrientes.
El primero está separado del segundo por una capa aislante llamada dieléctrico. De la calidad del dieléctrico dependerá principalmente la calidad del cable.  Todo el conjunto puede estar protegido por una cubierta aislante.
Existen múltiples tipos de cable coaxial, cada uno con un diámetro e impedancia diferentes. El cable coaxial no es habitualmente afectado por interferencias externas, y es capaz de lograr altas velocidades de transmisión en largas distancias. Por esa razón, se utiliza en redes de comunicación de banda ancha (cable de televisión) y cables de banda base (Ethernet).

El cable coaxial se reemplaza por la fibra óptica en distancias superiores a varios kilómetros, porque el ancho de banda de esta última es muy superior, lo que justifica su mayor costo y su instalación más delicada.

El cable coaxial es más resistente a interferencias y atenuación que el cable de par trenzado, por esto hubo un tiempo que fue el más usado.

La malla de hilos absorbe las señales electrónicas perdidas, de forma que no afecten a los datos que se envían a través del cable interno. Por esta razón, el cable coaxial es una buena opción para grandes distancias y para soportar de forma fiable grandes cantidades de datos con un sistema sencillo.

Los diferentes tipos de cables ofrecen distintas características de funcionamiento.
La variedad de velocidad de transmisión de los datos que un sistema de cableado puede soportar, se conoce como el ancho de banda utilizable. La capacidad del ancho de banda está dictada por las características de comportamiento eléctrico que los componentes del sistema de cableado tengan.

Esto es especialmente importante cuando se toman en cuenta futuras aplicaciones que impondrán mayores demandas sobre el sistema de cableado.
El funcionamiento del sistema de cableado deberá ser considerado no sólo cuando se está apoyando las necesidades actuales sino también cuando se anticipan las necesidades futuras. Hacer ésto permitirá la migración a aplicaciones de redes más rápidas sin necesidad de incurrir en costosas actualizaciones del sistema de cableado.

El cable coaxial fue el cable más utilizado en las redes locales debido a su alta capacidad y resistencia a las interferencias.  Su mayor defecto es su grosor, el cual limita su utilización en pequeños conductos eléctricos y en ángulos muy agudos.

TIPOS DE CABLE COAXIAL

CABLE COAXIAL FINO / DELGADO. Este cable se empezó a utilizar para reducir el costo de cableado. Su limitación está en la distancia máxima que puede alcanzar un tramo de red sin regeneración de la señal. Sin embargo el cable es mucho más barato y fino que el gruesoy, por lo tanto, solventa algunas de las desventajas del cable grueso.

El cable coaxial en general solo se puede utilizar en conexiones Punto a Punto

MODELOS DE CABLE COAXIAL

PAR TRENZADO
Es el tipo de cable más común y se originó como solución para conectar teléfonos, terminales y computadoras sobre el mismo cableado.  Cada cable de este tipo está compuesto por un serie de pares de cables trenzados. Los pares se trenzan para reducir la interferencia entre pares adyacentes. Normalmente una serie de pares se agrupan en una única funda de color codificado para reducir el número de cables físicos que se introducen en un conducto. El número de pares por cable son 4, 25, 50, 100, 200 y 300. Cuando el número de pares es superior a 4 se habla de cables multipar.

TIPOS DE CABLE TRENZADO

CABLE TRENZADO NO APANTALLADO (UTP): Es el cable de par trenzado normal y se le referencia por sus siglas en inglés UTP (Unshield Twiested Pair / Par Trenzado no Apantallado). Las mayores ventajas de este tipo de cable son su bajo costo y su facilidad de manejo. Sus mayores desventajas son su mayor tasa de error respecto a otros tipos de cable, así como sus limitaciones para trabajar a distancias elevadas sin regeneración.
Para las distintas tecnologías de red local, el cable de pares de cobre no apantallado se ha convertido en el sistema de cableado más ampliamente utilizado.

Las características generales del cable UTP son:
Tamaño: El menor diámetro de los cables de par trenzado no apantallado permite aprovechar más eficientemente las canalizaciones y los armarios de distribución. El diámetro típico de estos cables es de 0'52 mm.
Peso: El poco peso de este tipo de cable con respecto a los otros tipos de cable facilita el tendido.
Flexibilidad: La facilidad para curvar y doblar este tipo de cables permite un tendido más rápido así como el conexionado de las rosetas y las regletas.
Instalación: Debido a la amplia difusión de este tipo de cables, existen una gran variedad de suministradores, instaladores y herramientas que abaratan la instalación y puesta en marcha.
Integración: Los servicios soportados por este tipo de cable incluyen:
· Red de Area Local ISO 8802.3 (Ethernet) y ISO 8802.5 (Token Ring)
· Telefonía analógica
· Telefonía digital
· Terminales síncronos
· Terminales asíncronos
· Líneas de control y alarmas

CABLE APANTALLADO (STP): Cada par se cubre con una malla metálica, de la misma forma que los cables coaxiales, y el conjunto de pares se recubre con una lámina apantallante. Se referencia frecuentemente con sus siglas en inglés STP (Shield Twiested Pair / Par Trenzado Apantallado). El empleo de una malla apantallante reduce la tasa de error, pero incrementa el costo al requerirse un proceso de fabricación más costoso.

Proveedores de cables

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A continuación le presentamos a Comercializadora Monterrey Servicio y Asesoria (COMONSA), proveedor de todo tipo de cables

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Es difícil evaluar el porcentaje de análisis químicos que se realiza por medios instrumentales comparado con lo que llamamos "métodos tradicionales" (también conocidos como "por vía húmeda"). Dependiendo de los recursos disponibles y de las necesidades analíticas, seguramente existe todo un espectro de situaciones en las cuales métodos de ambos tipos coexisten en la operación diaria de laboratorios. Creo también que en la actualidad los métodos instrumentales predominan en la mayoría de los casos.

Los primeros instrumentos que tuve a mi disposición eran muy sencillos, generalmente tenían muy pocos controles y sus manuales de instrucción (de quizás no mas de 25 paginas) podían leerse en su totalidad en no mas de una hora. En contraste a lo anterior, hoy día encaramos situaciones muy diferentes. Los instrumentos aunque complejos y con mucha versatilidad, son superficialmente simples, no tienen muchos controles o indicadores visibles, generalmente todo es controlado por computadoras y los manuales son inmensos, usualmente en varios volúmenes, y desgraciadamente en ingles, o lo que es aun peor, mal traducidos de otros idiomas a el ingles. Una historia que he escuchado mucho entre mis colegas (en tono de burla y frustración) es que los manuales de instrumentos japoneses son traducidos del japonés, a el ruso, después a el hebreo, de vuelta al japonés y finalmente al ingles.

El químico de hoy día enfrenta opciones múltiples y situaciones complejas al adquirir o emplear un instrumento. Es el propósito de esta columna el ilustrar algunos aspectos de esas situaciones, y expresar ideas y recomendaciones sobre los puntos críticos de la adquisición, mantenimiento, y manejo de dicha instrumentación. Los comentarios aquí ofrecidos están basados en mi experiencia y en las observaciones que he podido hacer al hablar con usuarios de diversos países. Estas opiniones son también áreas que usualmente discuto al impartir cursos sobre diferentes temas analíticos. Los puntos que deseo tratar están resaltados en los párrafos a continuación.

No es conveniente adquirir demasiado o muy poco instrumento - El costo de la instrumentación puede ser muy considerable. Dependiendo del tipo de instrumento y de los deseos de uso, el gasto puede ser desde 15 o 30 mil dólares por limite bajo en los casos de cromatógrafos o espectrofotómetros simples, y hasta de 200 o 300 mil dólares o mas en los casos de espectrómetros muy complejos. Es por estas consideraciones que conviene definir bien las necesidades que se desean cubrir con la adquisición, y el explorar a fondo las opciones disponibles en términos de fabricantes y accesorios necesarios. También conviene recordar que la mayoría de la instrumentación es diseñada para satisfacer las necesidades científicas de laboratorios y países tecnológicamente avanzados. Hasta donde he conocido, muy poco se ha hecho por fabricar instrumentación simple y mejor adaptada a los requerimientos de países en desarrollo. Por estas razones es muy frecuente que la instrumentación que usualmente se adquiere tiene características y capacidades que sobrepasan los requerimientos reales del usuario típico. Un error común en este punto es el caso en donde se adquieren accesorios que nunca podrán utilizarse por ser superfluos o erróneos para las necesidades analíticas. Es responsabilidad de el comprador o analista el limitar lo superfluo o lujoso y optimizar lo necesario y básico en la adquisición.

Es por todas las razones arriba mencionadas que la decisión sobre compras debe hacerse responsablemente. Aquí influyen mucho las opiniones y asesoráis de los fabricantes de instrumentación cuando sugieren o definen el instrumento recomendable para un uso determinado. Sobre esto deseo mencionar que si bien esas opiniones son valiosas, no deben constituir el total de el criterio empleado en la adquisición, y debemos estar seguros que esas opiniones son en verdad útiles y adecuadas a nuestros propósitos. Cliente y vendedor deben establecer una línea de comunicación y confianza mutua que ayude a lograr éxito reciproco.

No olvidemos que los instrumentos requieren de algo mas que electricidad para funcionar - Si bien los instrumentos modernos son muy sofisticados y útiles, estos son solamente una parte de lo necesario para obtener resultados. Siempre se necesita de operadores capacitados, elementos de consumo, partes de repuesto, y de servicio técnico. Por esto, es una idea muy buena , el reservar algo de los presupuestos de compra de instrumentos, para la adquisición de todo aquello que es esencial para su operación y mantenimiento. No debemos permitir que un instrumento que cuesta 50 o 100 mil dólares no funcione por falta de algo que cuesta un 2 % o 3% del total. Con pena he observado situaciones en las que un instrumento moderno y costoso, no puede ser empleado por falta de implementos simples como son reactivos especiales, algún material o parte de consumo, o por la ausencia de personal capacitado y experto.

Aquí también conviene recordar que la educación universitaria generalmente no es suficiente para capacitar a los profesionales sobre el uso de instrumentos, y que aun cuando el usuario tiene una base adecuada de conocimientos, siempre va a tomarle tiempo el desarrollar experiencia con la instrumentación. Los cursos de análisis instrumental, ponen solamente una capa de conocimientos muy ligera y muy general en la preparación de los graduados. Afortunadamente, existen organizaciones como son las sociedades químicas, empresas privadas e institutos y universidades, dedicadas a impartir cursos de capacitación especializada, y a ofrecer ayuda técnica,. Este aspecto es también parcialmente cubierto por las empresas fabricantes de instrumentos, pero desgraciadamente muy pocas de ellas cuentan con personal de habla hispana realmente capacitado y con la experiencia adecuada para ser de utilidad a los usuarios.

Todo instrumento tiene una longevidad limitada - Si reducimos un instrumento de análisis a sus elementos básicos, vemos que es una combinación ingeniosa y funcional de partes mecánicas, componentes ópticos, circuitos electrónicos, y algoritmos de computación. Con el tiempo y el uso todas esas partes sufren deterioro y desgaste, o bien el instrumento se vuelve obsoleto cuando se introducen tecnologías mas avanzadas. Puede también suceder que cuando un instrumento esta aun en uso, su mantenimiento puede ser muy problemático por escasez de partes o por sufrir descomposturas muy frecuentes. Un caso que conozco bien, es el de uso y mantenimiento de los instrumentos de cromatografía. En mi experiencia, creo que es razonable esperar que un cromatógrafo de gases debe de funcionar por lo menos durante 15 o 20 años y uno de líquidos por 12 o 15, siempre que su empleo y mantenimiento haya sido el recomendado. Inevitablemente, todo instrumento necesita ser descartado y es nuestra responsabilidad el reconocer cuando ese momento ha llegado.

Después del ciclo de producción de un instrumento, las empresas fabricantes mantienen repuestos solamente por un periodo determinado, usualmente de 4 o 5 años. Al termino de este tiempo, los fabricantes solamente prometen "hacer un esfuerzo máximo por mantener partes" o algo parecido. Sobre este punto recuerdo una ocasión en la cual escuche de boca de personas de una de estas empresas, que "esfuerzo máximo" puede significar "no esfuerzo". Aun hoy día no entiendo bien como es que alguien puede distorsionar el lenguaje en esa forma.

Lo ultimo o mas avanzado en tecnología no es necesariamente la opción mas adecuada - Siempre es una tentación muy grande el obtener lo mas moderno y avanzado en tecnología al momento de adquirir un instrumento. En principio no hay nada erróneo en esto, pero puede haber problemas en hacerlo, y mi experiencia me ha mostrado la necesidad de ser cauteloso.

Hace algunos años tuve que hacer la decisión de adquirir 6 instrumentos por emplearse en un proyecto de biotecnología. El propósito era el análisis de 1000 muestras diarias y las partes criticas del plan incluían la instalación y funcionamiento de esos instrumentos a una fecha determinada. Al examinar las opciones del caso, el fabricante seleccionado ofreció lo ultimo en diseño y novedad en uno de los componentes de la instrumentación, los argumentos me convencieron, y la decisión fue tomada de efectuar la adquisición. Cuando las unidades se instalaron sucedió que en el lapso de aproximadamente 30 días, todas las unidades fallaron en ese componente supuestamente muy avanzado y novedoso, las fallas fueron tales que una unidad tuvo que ser reemplazada completamente. Eventualmente todos los problemas se solucionaron, pero la etapa inicial del proyecto tuvo que retrasarse. Si bien 30 días puede decirse no es un tiempo muy largo para resolver problemas cabe recordar que esto sucedió en un país donde todo esta a la mano, los envíos de partes de repuesto tardan 24 horas o menos, y donde existe contacto con un conjunto muy apreciable de expertos. En países en desarrollo, problemas de este tipo son seguramente mas difíciles de resolver.

El fabricante involucrado en el ejemplo anterior nunca explico el porque de las fallas, pero fue evidente que en las prisas por llevar algo nuevo a el mercado, los diseñadores no tuvieron tiempo suficiente para probar dichos componentes y el instrumento en total en donde estaban incorporados. Es por experiencias como esta que siempre recomiendo el esperar uno o dos años después de la introducción de un instrumento antes de adquirirlo. En ese tiempo, los problemas originales serán detectados y las soluciones serán adecuadamente comprobadas. También puedo agregar que un periodo de espera como este, seguramente no va a retrasar en mucho el progreso o trabajo que comúnmente hacemos, y si puede evitar problemas serios además de la frustración que estos implican.

En esta columna de artículos sobre Química Analítica el Dr. Esquivel discute muchos tópicos y problemas asociados a su especialidad. Si tiene algún comentario, sugerencia o preguntas específicas sobre algún problema, si desea contactar al autor o le interesa que se aborde algún tema en particular, favor de dejarnos sus comentarios o datos haciendo clic aquí.

Información sobre el Autor. - El Dr. J. Benjamín Esquivel H. ha trabajado como investigador durante 21 años en laboratorios industriales de análisis químicos. Así mismo ha ocupado posiciones académicas y con empresas fabricantes de instrumentación. Su especialidad profesional es el campo de las separaciones cromatográficas y la espectroscopia. Es conferencista frecuente en congresos internacionales donde imparte cursos de cromatografía y charlas de sesiones plenarias.