An

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Análisis Instrumental

• Unidad 1

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Introducción

• Los ingenieros y los científicos disponen de una
  serie impresionante de poderosas y selectivas
  herramientas en el campo de la Bilogía y de la
  Física, para obtener información cualitativa y
  cuantitativa acerca de la composición y
  estructura de la materia.
• La clase de Análisis Instrumental es un ejemplo
  de esta unión interdisciplinaria en donde la
  tecnología interviene fuertemente en los procesos
  de análisis de la materia.
• Es necesario que el alumno de las ciencias de la
  salud, entiendan los principios fundamentales en
  los que se basan estos sistemas de medidas.

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Objetivo

• El objetivo de esta materia es proporcionar al
  alumno una introducción a los principios de los
  métodos de análisis espectroscópicos,
  electroanalíticos y cromatográficos.
• También se presentará los tipos de instrumentos
  actualmente disponibles, así como sus ventajas y
  limitaciones.

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La tecnología en la salud

• Presentación de cómo la tecnología ha
  influenciado las ciencias de la salud
• Presentación

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Clasificación de los métodos analíticos

• Los métodos analíticos se suelen clasificar en
• Clásicos (métodos de química húmeda)
• Instrumentales
• Esta clasificación es en gran medida una
  clasificación histórica, los métodos clásicos
  precedieron en un siglo o más a los métodos
  instrumentales

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Métodos clásicos (el pasado).

• Separación de los componentes de interés de una
  muestra (analitos), mediante
• Precipitación
• Extracción
• Destilación
• Análisis Cualitativos
• Seguidamente los componentes ya separados se
  trataban con reactivos dando origen a productos
  que se podían identificar por su color, punto de
  ebullición o de fusión, su solubilidad, su olor,
  su actividad óptica o su índice de refracción.
• Análisis Cuantitativos
• La cantidad de analito se determinaba mediante
  medidas gravimétricas o volumétricas.

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Métodos instrumentales

• A principios del siglo XX, los químicos
  comenzaron a usar fenómenos distintos para
  resolver los problemas analíticos
• Las propiedades físicas
• Conductividad
• El potencial del electrodo
• La absorción o emisión de luz
• La relación masa/carga y la
• Fluorescencia
• A estos métodos más modernos para la separación y
  determinación de especies químicas se les conoce,
  en conjunto como métodos instrumentales de
  análisis.

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Tipos de Métodos Instrumentales
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Comentarios

• La mayor parte de las propiedades requieren de
  una fuente de energía para estimular una
  respuesta medible que procede del analito.
• Se observa que las seis primeras entradas de la
  tabla están relacionadas con las interacciones
  del analito y la radiación electromagnética, las
  otras cuatro son eléctricas y las ultimas cuatro
  tienen propiedades diversas.
• No siempre es fácil elegir el método óptimo
• Tampoco es necesariamente cierto que los
  procedimientos instrumentales utilicen aparatos
  más sofisticados y más costosos (eje. Balanza
  analítica electrónica para determinaciones
  gravimétricas es más complejo y costoso)

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Procedimientos instrumentales

• Además de los numerosos métodos señalados en la
  segunda columna de la tabla 1, existe un grupo de
  procedimientos instrumentales que se utilizan
  para separar y resolver compuestos afines. La
  mayoría de ellos están relacionados con la
  cromatografía y la electroforesis.

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Instrumentos para el análisis

• Un instrumento para el análisis químico
  transforma la información relacionada con las
  propiedades físicas o químicas del analito en
  información que pueda ser manipulada e
  interpretada por un ser humano.
• Se puede considerar como un dispositivo de
  comunicación entre el sistema objeto de estudio y
  el científico.
• La siguiente figura muestra un diagrama en
  bloques del proceso completo de una medida
  isntrumental

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Instrumento para el análisis
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Proceso

• Se proporciona un estímulo, generalmente en forma
  de energía electromagnética, eléctrica, mecánica
  o nuclear
• El estímulo provoca una respuesta del sistema
  objeto de estudio, esta respuesta se rige por las
  leyes naturales de la Física y la Química
• La información resultante radica en el fenómeno
  que surge de la interacción del estímulo con el
  analito.

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Ejemplo

• Ejemplo Pasar una banda estrecha de longitudes
  de onda de luz visible a través de una muestra,
  para medir la capacidad de absorción del analito.
  Se determina la intensidad de la luz antes y
  después de su interacción con la muestra y la
  relación entre ellas proporciona la medida de la
  concentración del analito.
• En general, los instrumentos para el análisis
  químico constan solamente de unos cuantos
  componentes básicos, como se ve en la siguiente
  tabla

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Componentes de los instrumentos
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Dominio de los datos

• En el proceso de medida colaboran una amplia
  variedad de dispositivos que transforman la
  información de una forma a otra.
• Para nuestro estudio de cómo funcionan los
  instrumentos es importante entender la manera en
  la que se codifica la información, o se
  transforma de un sistema de información a otro.
• Los diferentes modos de codificar la información
  en forma eléctrica se denomina dominio de los
  datos.

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Dominio de los datos
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Dominios no eléctricos

• El proceso de medida empieza y termina en
  dominios no eléctricos. Las propiedades físicas y
  químicas que son de interés concreto radican en
  estos dominios de los datos.
• Entre estas propiedades se encuentran
• La longitud de onda
• La densidad
• La composición química
• La intensidad de la luz
• La presión
• Etc.
• Es posible realizar una medida completa en
  dominios no eléctricos?

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Ejemplo de medición en dominios no eléctricos

• La determinación de la masa de un objeto usando
  una balanza mecánica de brazos iguales
• Conlleva a la comparación de la masa del objeto
  con unos pesos patrones
• La información que representa la masa del objeto
  en unidades patrón es codificada directamente por
  el investigador.
• Otros ejemplos?

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Comentarios

• A menudo, este tipo de medida, en dominios no
  eléctricos se asocian con los métodos analíticos
  clásicos.
• No obstante han surgido diversos instrumentos
  electrónicos los cuales recogen la información en
  dominios no eléctricos, la procesa en dominios
  eléctricos y finalmente la presentan otra vez en
  dominios no eléctricos.
• Hay que recordar que la información buscada
  empieza en las propiedades del analito y termina
  en un número, siendo ambos dominios no
  eléctricos.
• El objetivo último de todas las medida es que el
  resultado numérico final debe ser, de algún modo,
  proporcional a la propiedad física o química
  inherente al analito

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Dominios eléctricos

• Las distintas modalidades de codificar la
  información como cantidades eléctricas se pueden
  subdividir en dominios analógicos, dominios del
  tiempo y dominios digitales.
• Observa que el dominio digital abarca tres
  dominios eléctricos y uno no eléctrico.
• Cualquier proceso de medida puede representarse
  como una serie de conversiones entre distintos
  dominios.
• La siguiente figura es un ejemplo de esta
  declaración

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(No Transcript)
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Comentarios

• Energía aplicada energía electromagnética
  (LASER)
• La radiación interacciona con las moléculas de
  quinina del agua tónica para producir una emisión
  fluorescente en una región del espectro
  característica de la quinina y cuya magnitud es
  proporcional a su concentración.
• La intensidad de la emisión fluorescente, que
  pertenece a un dominio no eléctrico, se codifica
  a un dominio eléctrico con un dispositivo
  denominado transductor de entrada (fotodetector)
• La señal se convierte a corriente eléctrica
  (dominio eléctrico
• El voltímetro digital sirve para convertir los
  datos de dominios eléctricos a no eléctricos y se
  denomina transductor de salida

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Dominios Analógicos

• En los dominios analógicos la información se
  codifica como la magnitud de una cantidad
  eléctrica (tensión, intensidad de corriente,
  carga o potencia).
• Son cantidades continuas en amplitud y tiempo
• Se pueden medir de manera continua, o en momentos
  específicos de tiempo.
• Son susceptibles al ruido eléctrico

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Ejemplo de señales analógicas
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Dominios del tiempo

• En los dominios del tiempo, la información se
  almacena como las variaciones de la señal
  respecto al tiempo

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Dominios del tiempo

• En los instrumentos que producen señales
  periódicas, el número de ciclos de una señal por
  unidad de tiempo es la frecuencia, y el tiempo
  necesario para cada ciclo es su periodo.
• Ejemplos
• Espectroscopia Raman
• Análisis instrumental por activación neutrónica

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Dominios digitales

• En el dominio digital, los datos se codifican en
  un esquema de dos niveles (sistema binario)
• La característica común a todos estos
  dispositivos es que sólo puede estar en una de
  las dos únicas posiciones posibles.

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Datos digitales
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Serie y paralelo

• Los datos, dentro los instrumentos analíticos y
  en las computadores, se transmiten mediante
  transmisiones de datos en paralelo (distancias
  cortas)
• Para transmisiones a larga distancia entre los
  instrumentos u otras computadoras la
  comunicación se realiza utilizando modems u otros
  sistemas de transmisión de datos en serie.

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Detectores, transductores y sensores

• Estos términos se usan frecuentemente como
  sinónimos, pero tienen un significado con matices
  diferentes.
• Detector
• Dispositivo mecánico, eléctrico o químico que
  identifica, registra o indica un cambio en alguna
  de las variables de su entorno, tal como la
  presión, la temperatura, la carga eléctrica, la
  radiación electromagnética, la radiación nuclear,
  las partículas o las moléculas. Un ejemplo es el
  detector de UV utilizado, a menudo, para indicar
  o registrar la presencia de los analitos eluidos
  en cromatografía de líquidos.

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Detectores, transductores y sensores

• Transductor
• Son los dispositivos que convierten la
  información en dominios no eléctricos a dominios
  eléctricos y viceversa. Como ejemplo tenemos a la
  fotodiodos, fotomultiplicadores, elementos
  piezoeléctricos, termistores y otros.
• Sensor
• Un sensor es un dispositivo capaz de transformar
  magnitudes físicas o químicas, llamadas variables
  de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las
  variables de instrumentación dependen del tipo de
  sensor y pueden ser por ejemplo temperatura,
  intensidad luminosa, distancia, aceleración,
  inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,
  torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica
  obtenida puede ser una resistencia eléctrica
  (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como
  en un sensor de humedad), una tensión eléctrica
  (como en un termopar), una corriente eléctrica
  (como un fototransistor), etc. Un sensor se
  diferencia de un transductor en que el sensor
  está siempre en contacto con la variable a medir
  o a controlar.

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Otros elementos del instrumental

• Dispositivos de lectura
• Es un transductor que convierte la información
  que procede de un dominio eléctrico a otro que
  sea comprensible para el observador
• Microprocesadores y computadoras en los
  instrumentos
• La mayoría de los instrumentos analíticos en la
  actualidad disponen de uno o más dispositivos
  electrónicos que se encargan de adquirir,
  procesar, almacenar y transmitir la información

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(No Transcript)
35
Selección de un método analítico

• Unidad 1

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Es difícil la selección

• La dificultad reside en la gran variedad de
  métodos y herramientas que se disponen para
  realizar los análisis.
• En esta parte de la unidad 1, ponemos a
  consideración algunos criterios para hacer la
  elección adecuada.

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Definición del problema

• Qué exactitud se requiere?
• De cuanta muestra se dispone?
• En qué intervalo de concentración está el
  analito?
• Qué componentes de la muestra interfieren?
• Cuáles son la propiedades físicas y químicas de
  la matriz de la muestra?
• Cuántas muestra hay que realizar?

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Parámetros de calidad Criterios Cuantitativos
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Tras características a tener en cuenta en la
elección del método

• Velocidad
• Facilidad y comodidad
• Habilidad del operador
• Costo y disponibilidad del equipo
• Costo por muestra

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Precisión

• La precisión de los datos analíticos se define
  como el grado de concordancia mutua entre los
  datos que se han obtenido de una misma forma.
• Indica la medida del error aleatorio, o
  indeterminado de un análisis.
• Los parámetros de calidad de la precisión son
• La desviación estándar absoluta
• La desviación estándar relativa
• El coeficiente de variación y
• La varianza

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Sesgo

• El sesgo mide el error sistemático, o determinado
  de un método analítico
• Se puede considerar que la media de 20 a 30
  análisis replicados es una buena estimación de la
  media de la población de la concentración de un
  analito en una muestra cuya concentración
  verdadera es xt
• En general, al desarrollar un método analítico,
  todos los esfuerzos se dirigen hacia la
  identificación de la causa del sesgo y a su
  eliminación o corrección, una forma puede ser el
  calibrado del instrumento.

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Sensibilidad

• Es una medida de la capacidad de un instrumento o
  método, de diferenciar pequeñas variaciones en la
  concentración del analito.
• Dos factores limitan la sensibilidad
• La pendiente de la curva de calibrado y
• La reproducibilidad o precisión del sistema de
  medida.
• Entre dos métodos que tengan igual precisión,
  será más sensible aquel cuya curva de calibrado
  tenga mayor pendiente.

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Qué gráfica tiene mayor sensibilidad?
a
b
c
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Límite de detección

• Es la mínima concentración o la mínima masa de
  analito que se puede detectar para un nivel de
  confianza dado

Intervalo lineal
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Selectividad

• La selectividad de un método analítico indica el
  grado de ausencia de interferencia con otras
  especies que contienen la matriz de la muestra.
• Por lo general, ningún método analítico está
  totalmente libre de estas interferencias y, con
  frecuencia, hay que realizar diversas etapas para
  minimizar sus efectos.
• Tarea Responder el cuestionario de la unidad 1