AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACI ÓN EN QUÍMICA ANALÍTICA
1. 2. 3. 4.
Introducción. Definiciones y conceptos Objetivos de la automatización en Química Analítica Automatización de las distintas etapas etapas del del proceso analítico 5. Analizadores automáticos. Clasificación 6. Analizadores continuos. Análisis por inyección en flujo. 7. Sensores químicos
Bibliografía
M. Valcárcel, M. D. Luque de Castro. “ Automatic Methods of Analysis”. ”. Elsevier. Amsterdam. 1988.
M. Valcárcel, M. S. Cárdenas. “ Automatización y Química Analítica”. Analítica”. Springer-Verlag Ibérica. Barcelona. 2000.
Miniaturización en
P.B. Stockwell. “ Automatic Chemical Analysis”. Taylor & Francis. Londres 1996. M.
Valcárcel, M. D. Luque de Castro. “ Análisis por inyección en Flujo”. Monte de Piedad y Caja de Ahorros de Córdoba. 1984
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INTRODUCCIÓN La AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN,, sustitución parcial o total de la participación p articipación humana en el proceso de medida química, es una TENDENCIA, hoy consolidada, en Química Analítica. TENDENCIAS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
AUTOMATIZACIÓN
MINIATURIZACIÓN
SIMPLIFICACIÓN
Ejemplo: recorte de prensa EL PAÍS, miércoles 17 de noviembre de 2004 “ES EXTRAÑO EXPLORAR UN MUNDO QUE VES SÓLO COMO UN PUNTITO EN EL CIELO”
OBJETIVOS
Conocer la terminología utilizada en el ámbito general de la automatización
Ser capaz de evaluar críticamente las ventajas e inconvenientes derivados de la sustitución de la participación humana en los procesos analíticos.
Conocer las posibilidades de automatización de las diferentes etapas del proceso de medida química.
Conocer las distintas configuraciones de los analizadores, comerciales o no, diseñadas para tratar de llevar a cabo el proceso analítico de forma totalmente automática: analizadores discontinuos, analizadores continuos y sensores.
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DEFINICIONES Y CONCEPTOS (1) Mecanización Producción de movimiento en lugar del operador humano “Empleo de mecanismos para reemplazar, mejorar o extender el esfuerzo humano ” Toma de decisiones
OPERADOR HUMANO O R Z U E F E S
MECANIZACIÓN
S D O T I N S E
INSTRUMENTACIÓN
I N T E L I G E N C I A
SISTEMAS AUTOMÁTICOS
AUTOMATIZACIÓN Sistema de retroalimentación “feed back”
DEFINICIONES Y CONCEPTOS (3)
PROCESO ANALIZADOR INSTRUMENTO APARATO
DISPOSITIVO
TÉCNICA
3
DEFINICIONES Y CONCEPTOS Instrumentación Producción y suministro de información
empleo del instrumento:
“Sistema utilizado para observar, medir o comunicar una propiedad que reemplaza o mejora la intervención humana ”
Automatización “Empleo
combinado de dispositivos, aparatos e instrumentos para sustituir mejorar o ampliar el esfuerzo, los sentidos y la inteligencia humanos en el desarrollo de un proceso ”
Toma de decisiones
OPERADOR HUMANO O R Z U E F E S
MECANIZACIÓN
S D O T I N S E
INSTRUMENTACIÓN
I N T E L I G E N C I A
SISTEMAS AUTOMÁTICOS
AUTOMATIZACIÓN Sistema de retroalimentación “feed back”
DEFINICIONES Y CONCEPTOS (4)
TÉCNICA PROCESO DE MEDIDA QUÍMICA OPERACIONES PREVIAS
MEDIDA Y TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL
TOMA Y TRATAMIENTO DE DATOS
MAYOR NIVEL DE CONCRECIÓN
MÉTODO PROCEDIMIENTO
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OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN EN QUÍMICA ANALÍTICA OBJETIVOS VENTAJAS
INCONVENIENTES
INFORMACIÓN Producción de más y mejor información Rentabilizar al máximo los datos analíticos generados CALIDAD Mejorar las propiedades analíticas: precisión, exactitud, sensibilidad, selectividad. PRODUCTIVIDAD Aumentar la frecuencia de muestreo Reducir el consumo de muestra y reactivo. CAMPO de APLICACIÓN Hacer factible una técnica o método
Menor control de Químico sobre el proceso
Sobrevaloración de las posibilidades de automatización
Restricciones legales
Pérdida de flexibilidad de herramientas y procesos
FACTOR HUMANO Reducción de errores y costes debido al factor humano Mayor seguridad Estímulo personal
AUTOMATIZACIÓN DE LAS DISTINTAS ETAPAS DEL PROCESO ANALÍTICO El PROCESO DE MEDIDA QUÍMICA (PMQ)
Operaciones previas MUESTREO
TRATAMIENTO de MUESTRA REACCIÓN ANALÍTICA
MEDIDA y TRANSDUCCIÓN de la SEÑAL ANALÍTICA
ADQUISICIÓN y TRATAMIENTO de DATOS
OPERACIONES PREVIAS ALTERNATIVAS
NUEVOS TIPOS DE ENERGÍA ROBOTS (ultrasonidos, microondas, láser) SENSORES TÉCNICAS CONTINUAS ANALIZADORES DE DE SEPARACIÓN PROCESOS INTRODUCCIÓN DIRECTA MÓDULOS DE TRATAMIENTO DE MUESTRAS MUESTRA
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MUESTREADORES AUTOMÁTICOS Reactivo Jeringa de reactivo BRAZO MECÁNICO Jeringa de muestra
1
2
Jeringa
3 4
Desecho
Disolución de lavado Desecho 1. 2.
MUESTRA DISOLUCIÓN de LAVADO
3. 4.
Aspiración de un volumen de muestra. Introducción de la muestra en la copa del analizador. Aspiración de la disolución de lavado. Descarga al desecho.
AUTOMATIZACIÓN de las DOS ÚLTIMAS ETAPAS Salida A/D Registrador
Toma y tratamiento de datos
Micropocesador
Lectura Registro Envío a unidad central
Ordenador
Toma y tratamiento de datos Ordenador
Lectura Registro Envío a unidad central
Control de parámetros instrumentales
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AUTOMATIZACIÓN de las DOS ÚLTIMAS ETAPAS
FUENTE
MONOCROMADOR
A/D
A/D
A/D
S
DETECTOR
S
AMPLIFICADOR
A/D
D/A INTERFASE PASIVA
INTERFASE ACTIVA
IMPRESORA
ORDENADOR TRATAMIENTO DE DATOS
SISTEMAS DE GESTIÓN DE LA INFORMACIÓN EN EL LABORATORIO: LIMS (Laboratory Information Management Systems)
Sistema informático integrado que combina la adquisición de datos, su análisis,la generación de informes y funciones de gestión del laboratorio Analizador 1
Instrumento 2 teléfono
INTERNET Base de datos científico técnicos
RED
Ordenador adquisición datos Analizador 2 Instrumento 1
Base de datos Organización
Base de datos “Cliente”
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ANALIZADORES AUTOMÁTICOS: CLASIFICACIÓN
Según
Según TIPOS DE ANALIZADORES Según
Según
GRADO DE AUTOMATIZACIÓN
AUTOMÁTICOS SEMIAUTOMÁTICOS
TRANSPORTE DE MUESTRA/REACTIVOS
DISCONTINUOS CONTINUOS ROBOTIZADOS
MUESTRA
Líquidos DE Sólidos Gases Comerciales No Comerciales
DISEÑO
ANALIZADORES AUTOMÁTICOS Muestra Reactivo Mezcla Tiempo Detector
Manualmente Analizador discontinuo (tipo cinta) Analizador continuo Muestras balanza Robot
reactivos
Analizador robotizado Detector/ ordenador
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ANALIZADOR DISCONTÍNUO SECUENCIAL Reactivos en rotor central (No requieren manipulación. Esta automatizado incluso el cierre y apertura)
Cubetas de reacción
Pipetas para muestra y reactivos
Brazo de transporte
Muestras (en rotor o en cinta)
ANALIZADOR DISCONTINUO Bandeja de reactivos
Cubeta
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ANALIZADORES ROBOTIZADOS
www.strobotics.com
www.mwg-biotech.com
COMPONENTES DE UN ANALIZADOR FIA
Tubos (teflón o PVC; φ = 0.5-0.8 mm) Conectores
Bomba Peristáltica
CARGA
Coil de reacción INYECCIÓN
Loop o bucle de inyección Válvula de inyección de dos posiciones (6 vías)
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COMPONENTES DE UN ANALIZADOR FIA (2) CELDAS DE FLUJO Voltametría/amperometría celda de capa fina
espectrofotometría
A, R W
R
fluorimetría
W
Bioanalytical Systems, Inc. www.bioanalytical.com
ANALIZADORES DE INYECCIÓN EN FLUJO (FIA; Flow Injection Analysis) Muestra Portador Bomba
Detector (con celda de flujo)
Válvula
Registrador / ordenador tr
T
a t s e u p s e R
H
M ta
∆t
tiempo
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PRINCIPIOS DEL FIA El FIA se basa en una combinación de tres principios: 1. Inyección de la muestra 2. Dispersión controlada de la zona de muestra inyectada 3. Control reproducible del tiempo transcurrido desde la inyección hasta la detección Fenómenos de transporte que contribuyen a la dispersión: 1. Convección, para adaptarse a las condiciones de flujo laminar Flujo laminar
2. Difusión
Difusión axial
Difusión radial
COEFICIENTE DE DISPERSIÓN, D
Coeficiente de dispersión: D = C° / Cmax
La señal obtenida en un sistema FIA es el resultado de dos procesos que se producen simultáneamente: 1. Proceso físico: Dispersión 2. Proceso químico: reacción analítica Ninguno de los dos procesos alcanza el equilibrio
FIA: MÉTODO CINÉTICO DE TIEMPO FIJO
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Parámetros instrumentales que afectan a D 1. Volumen de muestra inyectada, S(µL). Al aumentar S disminuye D 2. Dimensiones de los tubos entre la válvula de inyección y la celda de flujo: Diámetro interno ( φ=0.5 mm) y longitud,L (cm) Al aumentar L aumenta D
3. Caudal, Q (mL/min). Al aumentar Q disminuye D Debe tenerse en cuenta el efecto de D sobre: 1. La sensibilidad 2. La velocidad de muestreo f(anchura de pico)
S= 60 µL Q=1.5 mL/min
CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS FIA SEGÚN D Dispersión limitada Dispersión media Dispersión alta Dispersión reducida
Sistemas con
D = 1-2 D =2-10 D > 10 D<1
(FIA como transporte) (FIA con conversión) (se necesita dilución) (con preconcentración)
FIA con DISPERSIÓN LIMITADA (D = 1-2) bomba
M
portador
1
a
Para mantener dispersión limitada residuos debe limitarse la distancia entre inyector y detector
D
D Se utiliza dispersión limitada:
Zn 213,9 nm
b
5 min.
1. 1
0.5
1,3
10 s
2
S
S
Medidas con electrodos selectivos (pH). Medidas de conductividad
2. Inyección automática de muestra en instrumentos de absorción atómica, ICP.
0
Modo normal de aspiración Sistema FIA
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FIA CON DISPERSIÓN MEDIA (D = 2-10)
Se utilizan cuando el analito debe reaccionar con diferentes reactivos Para formar un producto detectable (FIA con conversión) Se obtienen los típicos Fiagramas Con concentraciones en el máximo que corresponderían al 50% - 10% de las introducidas originalmente en El sistema Para obtener dispersión media se debe insertar un “coil” de reacción. En ocasiones se desarrollan sistemas multicanal, con varios puntos de confluencia de distintas corrientes de reactivos entre el inyector y el detector
FIA CON DISPERSIÓN MEDIA - FIA MONOCANAL Determinación espectrofotométrica de ClHg(SCN)2 + 2 ClHg(SCN)2 Fe3+
SCN- + Fe3+
HgCl2 + 2 SCNFe(SCN)2+
desecho
Volumen inyectado: 30 µL Velocidad de muestreo: 120 muestras/hora
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FIA con CONVERSIÓN (FIA multicanal) Ejemplo en el que se aprovechan efectos de discriminación cinética SCN- + 5-Br-PADAP + Oxidante ml/min Portador acuoso
2 MH+
Producto coloreado (metaestable)
M (50µl)
mezcla
0,81
5-Br-PADAP 0,80 Dicromato 0,23
reacción
30 cm
residuos
D 60 cm 570 nm
B Patrones
Señal del analito
No-fumadores
µmol/l
Fumadores fumadores
o t c e t e d l e d a t s e u p s e R
s b A m 0 1
Señal de fondo (background)
tiempo
10 min
0,25 A
Barrido
SISTEMAS FIA - GENERACIÓN DE HIDRUROS Carrier HX
Gas (al atomizador)
Muestra
Separador gas/líquido
NaBH4 Gas de purga
Generación de hidruros: As3+, Sb3+, Sn4+ Atomización: AsH3 , SbH3 , SnH4
BH4-
Líquido (desecho)
AsH3 , SbH3 , SnH4
As, Sb, Sn
Reacciones laterales/interferencias: Descomposición del reactivo(NaBH4) en medio ácido Me2+ (Ni, Cu, Co)
BH4HX
Me0 (lento)
0 AsH3, SbH3, SnH4 Me As, Sb, Sn + nH2
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FIA CON DISPERSIÓN ALTA
Da lugar a una gran dilución de la muestra inyectada
Para obtener D alto: inyectar un pequeño volumen de muestra y utilizar Tubos de mezcla entre inyector y detector largos. Se utiliza para procesar muestras muy concentradas, diluyéndolas en el sistema hasta que la concentración del analito quede dentro del intervalo de respuesta lineal del detector.
SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA ON-LINE
Diálisis
Corriente donora Corriente aceptora
F
FIA CON DISPERSIÓN REDUCIDA SISTEMAS CON PRECONCENTRACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA ON-LINE
Intercambio iónico Muestra
Eluyente F Columna con cambiador iónico
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SISTEMA FIA CON EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO EN CONTINUO La muestra (S) se inyecta en una corriente de portador acuoso Aq ( ) que se une en ( a ) con una corriente de fase orgánica ( Org ). La mezcla de ambas se produce en ( b, segmentador ). En un separador ( c ) se descarta la fase acuosa y la fase orgánica se conduce a una celda de flujo (F).
desecho
S Aq
a c
b
Org
F
desecho
La elección de los materiales de los distintos componentes y su orientación son críticos. Debe tenerse en cuenta que la fase acuosa se adhiere al vidrio y la orgánica se adhiere al teflón. En el segmentador la fase orgánica entra por un tubo de vidrio y se adhiere a un tubo de teflón (1)
SISTEMA FIA CON EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO EN CONTINUO
SEGMENTADOR
SEPARADOR con forma de T fase orgánica mas densa que la acuosa
org
Una fina tira de teflón (2) sirve de guía para la fase Org a través de la T de vidrio desecho
aq
SEPARADOR DE MEMBRANA Si la fase orgánica es menos densa que la acuosa org Membrana de teflón
2 org
desecho
aq
org
La membrana de teflón permite que sólo la fase Org penetre a través de sus poros hidrofóbicos. La fase Aq se descarta.
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SISTEMAS DE FLUJO DETENIDO (“STOPPED-FLOW”) T R
DETECTOR
Los sistemas de flujo detenido se basan en parar una porción del bolo de muestra en la celda de flujo. Si la reacción de transformación del analito no alcanza el equilibrio de camino al detector, se puede obtener una porción de la curva cinética a medida que el producto de reacción (amarillo) se va acumulando en la celda de flujo. Finalmente, se restaura el flujo y la muestra se impulsa hacia el deshecho, recuperándose la línea de base. Cuando se inyecta la muestra, se pone en marcha un reloj electrónico (T ). En estos sistemas se seleccionan tanto el tiempo que transcurre desde la inyección de la muestra hasta que se detiene el flujo (tiempo de retardo), como el tiempo de parada.
SISTEMAS DE FLUJO DETENIDO (“STOPPED-FLOW”) (2) ANALYTE
BLANK
El analito (rojo) se dispersa en la corriente de reactivo (azul) en el camino al detector mientras que el producto (amarillo) se va formando. Por tanto es esencial que el tiempo de retardo sea reproducible en los diferentes ensayos. Se mide la pendiente del fiagrama durante el tiempo de parada.
Tiempo de retardo
DELAY TIME
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SENSORES QUÍMICOS
Esquema general de un sensor químico ELEMENTO DE RECONOCIMIENTO
TRANSDUCTOR
ELECTRÓNICA
Un sensor es un dispositivo que responde de forma directa, continua, rápida, selectiva y reversible a los cambios de concentración de una especie química en una muestra compleja, idealmente sin tratamiento previo de la misma. Consta de un elemento de reconocimiento molecular (que produce una interacción selectiva (específica) con el analito), en contacto físico con un transductor.
Elementos de reconocimiento molecular empleados en el desarrollo de sensores Componentes de reconocimiento molecular
Bióticos
Bioafinidad
Abióticos
Biocatalíticos
Reactivos Nucleótidos Células inmunológicos ADN/ARN Enzimas Tejidos
Cambiadores líquidos
Ligandos neutros
Membranas sólidas
Polímeros Molecularmente impresos
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analito Proceso de reconocimiento selectivo Transducción Energía
Electroquímicos
Piezoeléctricos (de masa)
Ópticos
Térmicos
Amperométrico Potenciométrico Conductimétrico
Respuesta-Procesamiento de datos Secuencia de procesos en la operación de un sensor químico. Se resumen los distintos tipos de transductor que pueden ser utilizados
SENSORES POTENCIOMÉTRICOS DE GASES Son celdas electroquímicas compuestas por: 1. Un electrodo de membrana sensible a un ión y un electrodo de referencia, en contacto con un electrolito interno. 2. Una membrana polimérica permeable a gases, que separa el electrolito interno de la disolución de prueba. Electrodo de referencia
Disolución de prueba Analito CO2
Electrodo selectivo Electrolito interno
Membrana permeable a gases
Reacción en electrolito interno CO2 + 2 H2O HCO3- + H3O+
SO2 NO2
SO2 + 2 H2O 2NO2 + 3H2O
H2S
H2S + 2H 2O
123,4 mV
HSO3- + H3O+ NO2- + NO3- + 2H3O+ S2- + 2H3O+
Electrodo selectivo Electrodo vidrio (pH) Electrodo vidrio (pH) Electrodo vidrio (pH) o electrodo de NO3Electrodo de Ag2S
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SENSORES POTENCIOMÉTRICOS DE GASES. Sensor de CO2
CO2(aq) + H 2O
Membrana de vidrio sensible a H+ Electrolito interno
HCO3-(aq) + H+(aq)
(NaHCO3/NaCl)
Membrana polimérica Microporosa (PTFE)
CO2(g)
Aire atrapado
CO2(aq)
Disolución de prueba
Función de respuesta del sensor de CO2 CO2(aq)
Dlon. de prueba
CO2(g)
Poros membrana
CO2(aq) + H 2O Keq =
Equilibrio global:
CO2(aq)
Electrolito interno
CO2(aq) + H2O
HCO3-(aq) + H+(aq)
(aH+)i [HCO3-]i
;
[CO2]x
HCO3-(aq) + H+(aq)
Dlon. de prueba, x
[HCO3-] i ≈ cte.
Electrolito interno, i
(aH+)i =
⇒
Keq [HCO3-]
[CO2]x i
Respuesta del sensor de CO2 E = C + 0.05916 log (a H+)i
E = C + 0.05916 log
Keq [HCO3-]i
[CO 2]x
E = L + 0.05916 log [CO2]x
BIOSENSORES POTENCIOMÉTRICOS. Sensor de Urea (NH2)2CO
Ureasa
Transductor (Electrodo selectivo) pH NH4+
2 NH3 + CO2
Interferencias
Tiempo de respuesta
Rango de linealidad
1 min
5×10-5-10-3 M
35 s
5×10-5-10-1 M
Control pH (tampón dil.) K+ (Na+)
Capa de enzima inmovilizada Métodos de inmovilización del enzima Encapsulación en membranas de diálisis Inclusión en gel de poliacrilamida Inclusión + enlace covalente En ácido poliacrílico Entrecruzamiento con albúmina (glutaraldehido)
Estabilidad del sensor 10 d. 21 d. >30
d.
>60
d.
21
SENSORES AMPEROMÉTRICOS. Sensor de oxígeno de Clark
-600
Proceso catódico: O2 + 2 H+ + 2 eProceso anódico: 2 Ag(s) + 2 Cl-(aq)
3.25
Eap./ mV
i./ µA
Electrolito interno (KCl)
H2O2 2AgCl(s) + 2 e-
Ánodo de Ag/AgCl Cátodo de Pt Membrana de Polímero (PTFE)
Características de respuesta Corriente de difusión estacionaria: D q Co*
ε δ
i = nFA
δ= espesor de la membrana ε= porosidad de la memb.
q = factor de tortuosidad
Tiempo de respuesta: test.
2
δ = 2 (D/q)
test ≈ 20 – 50 s
SENSORES AMPEROMÉTRICOS ENZIMÁTICOS 1. Basados en el empleo de enzimas oxidasas E
Señal (i/ µA) Eapl = cte
SH2 + O2
S + H2O2
1. Medida del peróxido de hidrógeno generado SH2 + E(FAD) transductor
E(FADH2) + O2 H2O2
Enzima inmovilizada
E(FADH2) + S E(FAD) + H2O2
O2 + 2 H+ + 2 e- Reacción electródica
2. Empleo de un mediador de transferencia electrónica (Med) (el O2 se sustituye por un aceptor de electrones no fisiológico)
Medred
eMedox
E
ox
E(FAD)
E(FADH2) Ered
Sensor
SH2
S
Enzima y mediador inmovilizados
SH2
S
Disolución
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SENSORES AMPEROMÉTRICOS ENZIMÁTICOS 2. Basados en el empleo de enzimas deshidrogenasas DIFICULTADES Cinética lenta Selectividad
E SH2 + NAD+
NADH
S + NADH + H+
electrodo
NAD+
Mecanismo complejo
+ 2e- + H+
Estabilidad Reproducibilidad
EMPLEO DE MEDIADORES DE TRANSFERENCIA ELECTRÓNICA Medred
NAD+
SH2
SH2
E
Medox
NADH
Electrodo
S
S
Disolución
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