Aplicaciones típicas

Cuando se observan los campos en los que el IRMS puede ser empleado se nota que el IRMS es útil desde la industria alimenticia hasta las investigaciones forenses. Dado la amplia gama de aplicaciones, a muchas personas se les hace difícil observar la utilidad del IRMS, o sera que muchos se encuentran limitados a un área y por ello es difícil observar el panorama de forma completa.

En todo caso, el siguiente es un listado de aplicaciones típicas y debe ser ampliado buscando casos similares a los comentados.

Petróleo

La industria petrolera realiza análisis de IRMS principalmente por dos casos: Análisis del petróleo total (mediante EA) y análisis de fracciones (con GC). Con el estudio buscan observar si los pozos petroleros se encuentran vinculados entre si así como el origen del petróleo.

La industria petrolera normalmente mide C y solo en algunas ocasiones se interesan en H u otros elementos.

Miel

Principalmente empleado para identificar adulteración de Miel con azúcar, existe una norma AOAC con el método para el análisis de C por EA-IRMS y en la actualidad se esta trabajando en un método para C por LC-IRMS.

Tanto el LC-IRMS como el EA-IRMS puede ser empleado también para identificación de origen de la miel, un parámetro que puede ser fundamental en algunos casos.

Carbonatos

De especial interés en el caso de la geología, el análisis de carbonatos en rocas u otras muestras es un análisis clásico por IRMS. Este habla sobre la temperatura de formación del carbonato, si como el medio en el que fue formado.

Etanol en licores

De especial interés en las aduanas, el análisis IRMS de etanol en licores se realizar para verificar si licor no fue adulterado o si el mismo es la fuente (origen) del etiquetado. Es el Champang de la provincia de Champaña en Francia? Es el Tequila realmente del agave y en México o fue mezclado con etanol proveniente de la caña de azúcar?

Gas natural (Metano – CH₄)

Caso similar a los anteriores, el análisis de IRMS en metano se realizar para verificar si pozos del gas están vinculados entre si y mas importante aun, para conocer si el metano es generado debido al proceso natural de descomposición de la materia orgánica o es asociado al petróleo.

N₂O

Este análisis se ha realizado tradicionalmente en el aire mas un grupo en la Universidad de Princeton desarrollaron un método en el que se emplean bacteria para la conversión de las formas nitrogenadas en N₂O. El sistema emplea un espacio de cabeza de CF como entrada al IRMS.

Doping

Posiblemente todas las personas han escuchado sobre el caso de Neil Anstrom y su caso de uso de esteroides o Dopage; así mismo es posible que todos tengan presente casos de abuso de esteroides al observar los concursos de fisicoculturismo.

En todo caso lo importante es tener presente que existe una agencia mundial en contra del dopage (WADA) y que dicha agencia regula los métodos y las medidas que deben realizarse durante cada concurso/torneo.

Las medidas se realizan en un laboratorio certificado por la WADA, siendo que cada vez que existe un mundial de football, olimpiadas u otro evento de tal magnitud, se debe habilitar un laboratorio certificado por la WADA en la localidad del evento deportivo Un análisis esencial dentro del laboratorio certificado es un GC-IRMS. Las muestras son analizadas y se observa si los esteroides so producidos de forma natural (por el cuerpo humano) o no.

En este GC-IRMS miden solamente dC.

CO₂ en aire

Aquí se plantea principalmente una prueba medica en la que se toma una muestra del exhalado respiratorio (breath) de una persona para verificar si tiene un tipo de bacteria en el estomago. La prueba es muy sencilla y puede ser realizada con equipos IRMS básicos sin intervenciones quirúrgicas o pruebas invasivas.

Movimientos

Movimientos migratorios de animales, lugares en los que una persona ha vivido, rastreo de compuestos dentro de un sistema (ambiental u orgánico) y, mas recientemente, cadenas de distribución de drogas pueden ser determinadas con el uso de un simple EA-IRMS. Donde el análisis multielemental puede dar muchísima mas información y es altamente recomendado.

Las entradas y formas de medida

El IRMS solo sirve únicamente para medir el gas de monitoreo o cualquier muestra (que en forma gaseosa) se inyecte dentro del IRMS. Esto elimina la gran mayoría de muestras de interés, tales como sólidos y líquidos

El problema se soluciona de forma muy simple, al IRMS se le coloca una entrada la cual permite transformar la muestra a forma gaseosa y adicional mente separa los gases de forma que al IRMS entre solo el gas de interés (o ninguno que pueda interferir con el análisis).

Lo que abre la puerta a mencionar algo básico del IRMS y es que cada uno de los isotopos se mide en forma gaseosa. De forma que el H (dH) se mide como H₂, el C (dC) se mide como CO₂, el S (dS) se mide como SO_2, el N (dN) como N₂ o N₂O, mientras que el O (dO) se mide como CO.

Para la medida de H se estarían buscando masas 2 y 3 (posibles mezclas de H¹ y H²), para la medida de C serian las masas 44 y 45 (C¹² + 2O¹⁶ y C¹³ + 2O¹⁶), cálculos similares se realizan para la medida de los otros elementos.

Cabe mencionar que en el IRMS se miden solo esos 5 elementos (CHNOS), a excepción de algunas pocas aplicaciones de Br metilado, por lo que un equipo que cubra masas de hasta 100 u.m.a. puede cubrir todo el intervalo de medida haciendo equipos con masas superiores a 100 u.m.a. algo innecesario.

Análisis Elemental (EA)

El EA es una entrada natural para el IRMS ya que el procedimiento del EA implica la producción del gas elemental en la forma que el IRMS requiere.

La producción de CO₂ y SO₂ se realiza mediante una combustión, mientras que la del N₂ implica una combustión seguido de una reducción y la de H₂ y CO se realiza mediante pirólisis.

Los EA también hacen una separación de los gases producidos ya que el detector suele se un TCD (detector de conductividad térmica), por lo que se requiere de la separación para la apropiada cuantificación elemental, así que por donde se observe, el EA es una muy buena entrada para el IRMS.

Con el EA se pueden medir muestras solidas o liquidas, con posibilidad de inyección de gases, mas esa opción es poco empleada en el EA ya que los gases se suelen medir mediante GC.

El EA-IRMS permite hacer un análisis del delta (d) relacionado con la muestra entera (o bulk) sin separación de los componentes de la muestra.

Cromatografia de Gases (GC)

El GC permite la separación de los componentes de la muestra, ya que como toda cromatografia hace una separación de las moléculas dentro de la muestra. Es por ello que es empleada en el análisis es compuestos específicos (specific compounds).

En algunos casos las muestras pueden ser inyectadas directamente dentro del GC, en otros es necesario realizar una derivatización de los analitos para formar compuestos volátiles Todo esto acorde con un GC tradicional.

 

A la salida del GC se ubica una interfase que permite convertir los compuestos en el gas adecuado de análisis en el IRMS, es decir, CO₂, H₂, N₂... Esta interfase es el corazón del GC-IRMS y es la que permite obtener o no buenos resultados. Es también, en gran medida, la que limita el análisis ya que permite el análisis de un elemento a la vez. Resultando en que de querer analizar C y H en una muestra mediante GC-IRMS, es necesario hacer una inyección para medida de C, modificar la interfase y realizar la inyección para la medida de H. Esto implica que los laboratorios tienen que organizarse para realizar la medida de un elemento a la vez. Es posible que esto cambie en el futuro, con los grandes avances de la ciencia y la instrumentación, mucho software y algo de quimiometria hace que todo sea posible.

En todo caso, los últimos avances en GC-IRMS son básicamente de software, dejando a la disposición del análisis de IRMS todas esas bondades (triviales) que el software de GC tiene (mapeo de picos, calibraciones, etiquetado de picos...)

Espacios de cabeza

Existen dos tipos de espacios de cabeza para conectar al IRMS, uno que trabaja a flujo continuo (CF) y otro conocido como Dual Inlet (DI) que trabaja en vacío

El DI es mas preciso que el CF ya que en el CF el He empleado como gas de arrastre hace una dilución de la muestra durante el transporte.

El ejemplo típico es el análisis de Carbonatos, donde se adiciona ácido fosfórico a la muestra para liberar el carbonato en forma de CO₂.

Otras reacciones se emplean para liberar un gas en forma útil para medir en el IRMS, así como también casos donde la muestra debe ser equilibrada o solo es de interés el análisis de la parte volátil de la misma. Etanol en licores es un ejemplo de muestra equilibrada y análisis de volátiles, mientras que el análisis de carbono inorgánico disuelto (DIC) es un ejemplo de una reacción en la que se emplea el espacio de cabeza.

Cromatografia Liquida (LC)

El LC sumamente empleado en la industria de alimentos y farmacéutica se ha limitado a básicamente una aplicación en LC-IRMS, el análisis de C en miel.

Similar al GC-IRMS, el corazón del LC-IRMS esta en la interfase la cual tiene muchas mas funciones que la interfase del GC ya que debe realizar la conversión sumado a un severo secado del gas.

En LC-IRMS se emplea agua como fase móvil implicando que son pocos los compuestos que pueden ser analizados y que algunos equipos requieran de cambio de filamento con mucha frecuencia.

El motivo por el cual se requiere agua como fase móvil en LC-IRMS puede ser deducido. Las fases móviles tradicionales emplean solventes y buffer, los cuales tienen señal isotópica haciendo que la linea base sea demasiado alta para el análisis

Otras entradas (Análisis de gases)

Hay otras entradas menos empleadas y las cuales son básicamente para casos en los que se hace inyección directa de gases dentro del IRMS. Tal es el caso del análisis de gases naturales en el aire.

Otros términos

Esta sección esta dedicada a esos pocos términos que se escuchan una y otra vez en el mundo del IRMS y que son importantes para entender las aplicaciones.

C3 y C4

Ya se había comentado sobre el C3 y el C4, estos son términos empleados para describir dos tipos de plantas (las plantas C3 y las C4). A diferencia de lo que un químico podría pensar, no se refiere a que son plantas que tienen 3 átomos de C y otras basadas en 4 átomos de carbono, no!

El C3 y C4 se refiere a como la planta absorbe el CO₂ durante la fotosíntesis para fijar el C, por lo que es de gran utilidad en el análisis de C y diferenciación entre plantas.

Los mecanismos de absorción se presentan en la siguiente figura:

En el C4 existe un paso adicional para la absorción del CO₂ lo que produce un fraccionamiento del C diferente entre las plantas C3 y las plantas C4.

Ejemplos de plantas C3 son las plantas con flores (de las que las abejas toman el polen para la miel), mientras que las C4 son plantas mas fibrosas como la caña de azúcar

Gas de referencia o monitoreo

Incursionando en el análisis diario de IRMS, se encuentra la necesidad de emplear un gas que tradicionalmente se ha llamado referencia. Este gas se utiliza para verificar el comportamiento del equipo así como evitar la necesidad de medir el patrón durante cada análisis

La realidad del trabajo diario es que todos miden algún patrón diariamente, durante la medida de las muestras. Y dado que los nuevos software permiten hacer la calibración directamente con dicho patrón medido diariamente, lo mejor es llamar a este gas como gas de monitoreo.

Este nuevo nombre también ayuda a evitar la confusión de algunas personas nuevas en el área de IRMS, las cuales buscan (sin éxito o a un elevado costo) un gas de referencia con certificado isotópico. Al fin y al cabo, algo llamado referencia debe tener un certificado.

Es por ello que en este escrito llamaremos a este gas como gas de monitoreo.

Calibración

Se ha comentado que a diferencia de los MS mas conocidos en el mundo de la química, el IRMS necesita ser calibrado; esto se debe a que los resultados siempre son relativos a una referencia (patrón o estandard) especifico para el elemento empleado.

Existen listados de patrones certificados, especialmente recuerdo la de la Universidad de Indiana quienes incluso sacan patrones para GC-IRMS. Cabe resaltar que muchos laboratorios fabrican sus propios patrones secundarios a partir de los pocos patrones primarios que existen.

Los patrones primarios se pueden listar en:

• SMOV (H y O)
• PDB (C y O)
• Aire (N)
• CDT (S)

Ellos son empleados para definir el punto cero (0) de la calibración, por lo que los resultados finales hablan de cuan enriquecida o empobrecida esta la muestra respecto al patrón empleado. Ya que todos trabajan con los mismos patrones para definir el punto cero (0), los resultados son representativos y pueden ser comparados entre laboratorios.

Finalmente, siempre se tiene que tener presente que una buena calibración debe realizarse con patrones en varios puntos del intervalo de calibración, así como con sustancias de naturaleza similar a la muestra a medir. Si se va a medir petroleo, lo mejor es tener un patrón de petroleo.

Esta regla general de la química analítica se aplica en el IRMS, mas puede ser difícil de alcanzar dado a las limitaciones en la cantidad de patrones. Se hace entonces lo mejor posible por trabajar con patrones de naturaleza similar a la muestra en intervalos diferentes de la calibración para tener la mejor calibración posible.

Fraccionamiento

Un poco mas adentro del tema del IRMS, seguro que llegan a escuchar el termino Fraccionamiento. Este se refiere a como la diferencia en masa Isotópica hace que los átomos se comporten de forma diferente y por ello la abundancia de los mismos es diferente según el medio.

Mejor que decirlo es buscar ejemplos. El fraccionamiento habla sobre la separación que ocurre (de forma natural) en los isotopos.

Supongamos ahora que tenemos una harina de trigo. Dicha harina esta compuesta de partículas e diferente tamaño por lo que si se hace un tamizado de la misma, algunas mas grande se van a quedar sobre el tamiz mientras que las mas pequeñas pasan. Este proceso de tamizado es normalmente utilizado durante la cocción de harina de trigo (para panadería o pastelería) ya que permite separar la harina de impurezas o granos/grumos que pueda tener.

Algo similar ocurre con los isotopos, los mas livianos pueden moverse con mayor facilidad que los mas pesados y por ello se fraccionan/separan.

Ejemplos típicos:

1. Tenemos agua común y el agua conocida como pesada. El agua pesada no es mas que agua en la que los isotopos de H son mas pesados (normalmente de 2 u.m.a. en lugar de 1), por ello el agua pesada es mas difícil de evaporar y va quedando acumulada en los lagos y ríos de las zonas mas frías del planeta, mientras que en las zonas calientes (como el trópico) el agua pesada se evapora con mayor facilidad y por consiguiente la lluvia de dicha zona es rica en agua pesada.
2. El CO₂ absorbido por las plantas puede diferir dependiendo del tipo de planta, clasificación conocida como C3 y C4 que veremos en otra sección; esto permite que se pueda identificar si la miel es adulterada con azúcar
3. El proceso de fabricación industrial de esteroides hace que la relación isotópica difiera de la observada por esteroides naturales. Este permite determinar si realmente un deportista ha hecho dopaje.
4. La relación isotópica en el cuerpo humano difiere entorno al lugar en donde habita, es por ello que el IRMS se emplea en reconocer donde ha vivido una persona, al punto de poder observar mudanzas entre localidades, especialmente en el cabello donde queda un historial relacionado con el tiempo.

El IRMS (instrumento)

Se ha dicho que e IRMS es un MS super sencillo, y lo es. Es un MS de campo magnético con detección especifica de átomos/moléculas predefinida en detectores (o copas) espaciados entre si.

Esto implica que no se puede hacer un `barrido` de masas para obtener un espectro de masas. Con el IRMS solo se detectan masas especificas y a la final, eso es lo buscado por los que hacen análisis de isotopos estables.

Volviendo al ejemplo de las uvas, supongamos que al IRMS entran dos uvas (una mas grande que la otra y por ello una mas pesada que la otra). Como las uvas tienen pesos diferentes ellas van a reaccionar al campo magnético del equipo de forma diferente, es decir, se van a mover de forma diferente. Como si la mas pequeña (y liviana) se moviera mas rápido que la grande, y por ello cada una sigue un camino diferente y llega a una copa diferente un en carril de carrera diferente.

Los fabricantes del instrumento se encargan de optimizar el tamaño de la copa, de forma que sea lo suficientemente grande como para que reciba el mayor numero posible de uvas y a la vez lo suficientemente pequeña como para que reciba uvas de un solo peso. Es por ello que la resolución de este tipo de MS es irrelevante y viene a ser mas importante la forma y posiciones de las copas.

A su vez, el fabricante del IRMS (junto con el analista) debe asegurarse de que el haz de cada una de las uvas de diferente peso llegue al centro de la copa que le corresponde. Eso se realiza variando el campo magnético entre otros parámetros

Luego, el software hace el resto calculando la cantidad de uvas que llegan a cada copa y relaciona la cantidad de unos con otros. Operaciones matemáticas que van y vienen (las cuales están bien expuestas en la literatura) para obtener un numero de relación (ratio) entre dos isotopos. Un numero positivo sera producto de un enriquecimiento en el isotopo mas pesado respecto del estandard, mientras que un numero negativo sera una muestra empobrecida respecto del isotopo mas pesado.

Isotopos

Los isotopos son átomos del mismo elemento con diferente masa atómica De allí que el peso atómico del hidrógeno (H) sea 1,001 en lugar de simplemente 1, o el oxigeno 16,06 en lugar de simplemente 16.

Eso es todo, no hay mucho a donde ir... Solo que entender el mundo a nivel atómico puede ser un poco mas complejo, porque, ok... hay H que pesa 1 y también hay H que pesa 2 u.m.a (unidades de masa atómica), sin mencionar que también existe un H que pesa 3; en que me afecta que el H pese mas o menos?

Entonces, para dar respuesta a esa y otras preguntas imaginemos que los átomos son como racimos de uvas.

Existen uvas blancas (verde o amarillas, como las vean, esas con las que hacen el vino blanc de blanc), también hay uvas rosadas y negras, para simplificar.

Supongamos que tenemos una racimo de uvas rosadas. Usted fácilmente podría notar que las uvas dentro del racimo son diferentes, unas mas grandes que las otras implicando que unas pesan mas que las otras.

Todas son uvas rosadas mas a la vez son diferentes, son isotopos, y si las pesáramos una por una encontraríamos que las uvas que pesan 2,00 g son mas abundantes (80%) que las que pesan 3,00 g (15%) y mas aun que las extremadamente grandes pesando 4,00 g (5%), lo que nos indica que en promedio las uvas rosadas pesan 2,25 g es decir:

peso promedio = (2*0,80)+(3*0,15)+(4*0,05) = 2,25

 

De allí que el peso promedio de las uvas rosadas tenga decimales, tal cual los átomos en la naturaleza. Estas diferencias en abundancia es conocida como `Abundancia Isotópica` y es otro de los términos importantes en ese tema.

Existen dos tipos de isotopos, uno que nos compete (los estables) y otro que es tema de otro tipo de análisis, esos son los isotopos inestables.

Los isotopos estables son estables (como su nombre lo indica), implicando que no cambian en el tiempo, se mantienen iguales durante el paso de los anos/siglos.

Por su parte, los isotopos inestables (o radiactivos) cambian con el tiempo decayendo en un isotopo u átomo estable.

Seguramente podrán recordar a Mari Curie y sus trabajos con el Radio, o al datamiento con Radio Carbono (como en el polémico sudario de Turin). Todos ellos trabajan con Isotopos inestables o Radio Isotopos, llamado así ya que irradian parte de su masa para decaer en un átomo o isotopo estable.

Imaginemos que tenemos a alguien en una hamaca en la playa, esa persona esta sumamente cómoda y estable, nadie la sacara de allí En cambio tenemos a otra persona cansada de llevar una carga que desea soltar la carga y caer dentro de la hamaca. La primera persona esta estable y la segunda esta inestable.

Concluyendo este tema, queda decir que en el IRMS solo de analizan los isotopos estables (las personas que ya están en la hamaca).

Introducción

Que piensa al observar el termino IRMS o si alguien le pregunta sobre un análisis de IRMS o un equipos de IRMS?

Muchas personas piensan en Espectrometria de Masas (MS) e Infrarrojo (IR), sobre todo si es alguien del área de la química donde el IRMS es relativamente poco conocido; mas como ustedes pueden inferir, el IRMS no es un espectrometro de masas con infrarrojo.

La verdad, a nivel instrumental, el IRMS es un simple MS, incluso, es el MS mas simple que puede haber ya que es un MS de campo magnético. Sumado a eso, en el análisis de isotopos estable (lo que hace el IRMS) es irrelevante muchos de los parámetros típicos de un MS (tales como la resolución).

En lugar, se vuelven relevantes otros parámetros que para un análisis por MS común son irrelevantes, tales como la calibración del equipo.

Entonces, que es el IRMS? y sobre todo, para que sirve?

Empezando por lo básico, definamos que un IRMS es un Espectrómetro de Masas de Relación Isotópica (por siglas en ingles como casi todo en la ciencia); y sirve para un montón de cosas!

En una ocasión le pedí a un colega^* (experto en IRMS) que me dijera (en una palabra o frase) que significa Análisis de Isotopos Estables, por su puesto que su primera respuesta fue `huella dactilar` (tal cual un IR), sin embargo, el IRMS va mas allá de una simple `huella dactilar` ya que realmente lo que da como respuesta es un numero, que puede ser negativo! (primera sorpresa para un químico analitio), así que como un numero puede ser una `huella dactilar`?

Pues si pero no... y mejor ese tema lo competamos mas adelante.

Les comento que luego de varias conversaciones con este colega experto en IRMS logramos tener un listado mas completo de frases o palabras que rápidamente pueden ser asociadas con el Análisis de Isotopos Estables (o IRMS para simplificar) tal y como se presenta:

 

• Origen/Fuente (ubicación geografía; natural o sintético; adulteración)
• Proceso/Transformaciones (movimiento de sustancias en un sistema)

Teniendo eso en cuenta, se me hace pensar que personas un poco mas ajenas a la ciencia se pueden preguntar... Ok, ya sabemos que el IRMS se refiere a Relación de Isotopos Estables, mas que son los Isotopos? Como es ese MS super sencillo y básico? Y como convierto ese listado de palabras/frases en algo de utilidad, es decir, en que me sirve?

Como dicen que el tiempo es dinero (y el conocimiento también) espero ir desarrollando respuestas a esas preguntas en lo largo de diferentes secciones, todas en un lenguaje sencillo pensando en las personas ajenas a la ciencia; teniendo en cuenta que el IRMS es mas conocido en el mundo de la Geología (por lo que muchos químicos también estarán ajenos al tema) y que los nuevos equipos de IRMS llegan a tal nivel de automatización que pueden ser utilizados por un analista/operador y ya no requiere de alguien en nivel de investigación, es decir push and go! Por lo que pido disculpas a aquellas personas de ciencia que puedan observar este lenguaje como muy simple.

*Gracias a Fabian Batista.