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.