CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS NACIONAL UNIDAD ...
158
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD ZACATENCO PROGRAMA DE DESARROLLO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA LA SOCIEDAD. “Desarrollo de un detector de metales pesados disueltos en medios acuosos utilizando principios de fluorescencia. Propuesta de innovación” TESIS Que presenta: Marco Antonio González Cantellano Para obetener el grado de: DOCTOR EN CIENCIAS EN DESARROLLO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA LA SOCIEDAD Directores de tesis: Dr. Luis Manuel Montaño Zetina Dr. Carlos Hoyo Vadillo Ciudad de México Febrero 2016
Transcript of CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS NACIONAL UNIDAD ...
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
UNIDAD ZACATENCO
PROGRAMA DE DESARROLLO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA LA SOCIEDAD.
“Desarrollo de un detector de metales pesados disueltos en medios acuosos
utilizando principios de fluorescencia. Propuesta de innovación”
TESIS
Que presenta: Marco Antonio González Cantellano
Para obetener el grado de:
DOCTOR EN CIENCIAS EN DESARROLLO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA LA
SOCIEDAD
Directores de tesis: Dr. Luis Manuel Montaño Zetina Dr. Carlos Hoyo Vadillo
Ciudad de México Febrero 2016
“La luz nos puede decir mucho. La capacidad de ver los colores nos dice
si eso es peligroso, o si es glorioso, si debe comerse, o debe evitarse. El
color es más que un fenómeno natural; es un placer para deleitar
nuestro paso por la vida.”
ii
A M. Laura y Laurita,
mis guías de luz en los derroteros de la vida.
iii
Agradecimientos:
Al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN. En especial al Programa
DCTS, por darme la oportunidad de ser parte de su programa de doctorado.
A mis asesores, Dr. Luis Manuel Montaño Zetina y Dr. Carlos Hoyo Vadillo, por su
inestimable guía en la investigación y desarrollo de este proyecto.
A mi comité doctoral: Dr. David Elías Viñas, Dra. Paola Pérez Polanco, Dr. Eloy
Vázquez Labastida y Dr. Miguel Ángel Pérez Angón, por sus comentarios y sugerencias
para enriquecer este trabajo.
A Marcos Fontaine, por su ayuda en mis primeros pasos para entender qué es la
electrónica y cómo usarla, por permitirme invadir su laboratorio de Física Médica y por
su paciencia por todas las molestias que le causé.
A Flor Galván, por darme posada en su laboratorio de Farmacología, apoyarme en mis
experimentos y ensayos químicos y por los ratos agradables de su compañía.
A Emanuel Vázquez y Alán Zamora, por su gran apoyo en los momentos que más los
necesité.
A todos ellos, gracias.
iv
Algunos extractos de este trabajo han sido presentados y/o publicados en:
Latin-American Journal of Physics Education, ISSN-e 1870-9095, Vol. 9, Nº. 4, 2015 https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=5514757
“La espectroscopia y su
tecnología: Un repaso histórico y su importancia para el siglo XXI”
Decima Primera Semana Nacional de Ingeniería Electrónica 2015. Del 7 al 9 de octubre de 2015 en la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí Revista “Pistas Educativas” Vol. 36, Núm. 112 (2015). ISSN: 1405-1249 SENIE 2015 (XI Semana de Ingeniería Electrónica) http://www.itcelaya.edu.mx/ojs/index.php/pistas/article/view/413/400
“Desarrollo de un medidor
portátil para la detección de metales pesados disueltos en
medios acuosos utilizando principios de fluorescencia”
XI Simposio Internacional de Ingeniería Química 2016. Del 25 al 27 de mayo del 2016. http://www.simpoquimia.com/ VIII International Congress of Physics Engineering. November 7 to 11 2016 Mérida, Yucatán Ambos, en proceso de publicación.
“Diseño de un espectrómetro de bajo costo para detectar metales
pesados en medios acuosos utilizando principios de
fluorescencia por formación de quelatos”
“Construction of a low-cost detector to identify dissolved metals in aqueous media by
fluorescence spectroscopy: design and perspectives.”
“Spectroscopic technology; a
brief introduction to its history and trends in the twenty-first
century”
v
ÍNDICE Resumen ........................................................................................................................................... 1
Abstract ............................................................................................................................................ 1
Introducción ..................................................................................................................................... 2
Capítulo I. La espectroscopia y su tecnología .................................................................................. 4
1.1 La ciencia de la espectroscopia ......................................................................................... 4
1.1.1 Espectroscopia de absorción UV – Visible .............................................................. 11
1.1.2 Fluorescencia ............................................................................................................ 14
1.2 Evolución tecnológica de la espectroscopia .................................................................... 16
1.3 Tipos de espectroscopia ................................................................................................... 22
Resumen ..................................................................................................................................... 28
Capítulo II El mercurio disuelto en medios acuosos; un problema de salud pública ................. 29
2. 1 El origen de la contaminación por metales ................................................................... 29
2.1.1 Contaminación por mercurio ........................................................................................... 31
2.2 El mercurio en México .................................................................................................... 43
2.2.1 Sitios contaminados .................................................................................................. 48
2.2.2 Análisis de contaminantes ........................................................................................ 48
Resumen ......................................................................................................................................... 50
Capítulo III Propuesta de innovación ....................................................................................... 52
3.1 Estado del arte ................................................................................................................. 53
3.2 Desarrollo de la marcha analítica .................................................................................... 57
3.2.1 Agente quelante ........................................................................................................ 57
i
Procedimiento de preparación de muestras ............................................................................ 67
3.3 Caracterización electrónica del dispositivo. .................................................................... 69
3.3.1 El microprocesador central ....................................................................................... 70
3.3.2 El microprocesador secundario ................................................................................ 72
3.3.3 La fuente de emisión LED ....................................................................................... 73
3.3.4 El fotodetector .......................................................................................................... 75
3.3.5 El amplificador operacional ..................................................................................... 77
3.3.6 La fuente de alimentación ........................................................................................ 78
3.3.7 Diagrama electrónico ............................................................................................... 79
3.4 Construcción de prototipo ............................................................................................... 81
3.4.1 Desarrollo ................................................................................................................. 81
3.5 La lógica de programación del prototipo. ........................................................................ 92
3.5.1 El esquema básico .................................................................................................... 92
3.5.2 El microprocesador. ................................................................................................. 94
3.5.3 La interface ............................................................................................................... 95
3.5.4 La integración de los dispositivos ............................................................................ 98
Resumen ................................................................................................................................... 101
Capítulo IV Pruebas y validación ........................................................................................... 102
4.1 Selectividad. .................................................................................................................. 103
4.2 Linealidad. ..................................................................................................................... 103
4.2.1 Función respuesta. .................................................................................................. 104
4.2.2 Curva de calibración. .............................................................................................. 105
4.3 Sensibilidad. .................................................................................................................. 106
ii
4.4 Límites. .......................................................................................................................... 108
4.5 Exactitud. ....................................................................................................................... 110
4.6 Precisión. ....................................................................................................................... 112
4.7 Robustez. ....................................................................................................................... 114
4.8 Aplicabilidad. ................................................................................................................ 116
4.8.1 Incertidumbre. ........................................................................................................ 117
Resumen ................................................................................................................................... 119
Capítulo V Discusión ................................................................................................................ 120
Conclusión. ................................................................................................................................... 123
Referencias. .................................................................................................................................. 124
Anexos. ......................................................................................................................................... 130
iii
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Clasificación según la naturaleza de la especie química involucrada.
6
Figura 2: Estados energéticos del electrón tanto en orbitales como un suborbitales
7
Figura 3: Transiciones electrónicas
8
Figura 4: Absorción, Emisión, Quimioluminiscencia
9
Figura 5: Clasificación según la región del espectro
10
Figura 6: Desplazamiento de Stokes.
15
Figura 7: Los inicios de la espectroscopia y sus aplicaciones.
17
Figura 8: La evolución de la tecnología espectroscópica (resumen: de 1955 al 2014).
18
Figura 9: La tecnología espectroscópica: en la actualidad y algunas tendencias.
19
Figura 10: Hitos relevantes en el desarrollo de la tecnología espectroscópica (1452 – 2014).
20
Figura 11: Algunos fabricantes de tecnologías espectroscópicas y número de modelos al 2015.
21
Figura 12: Espectro de Absorción atómica de una lámpara fluorescente.
22
Figura 13: Espectro de Absorción UV- Visible de un compuesto orgánico.
23
Figura 14: Espectro en la región del infrarrojo de un una mezcla orgánica.
23
Figura 15: Espectro de rayos X de una muestra de aluminio a λ = 1.541 Armstrong.
24
Figura 16: Espectro óptico del plasma en el rango visible y ultravioleta.
25
Figura 17: Espectroscopia Raman de un gel mezclado con etanol.
25
Figura 18: Espectro de masas del Hg indicando la abundancia relativa de cada isótopo.
26
Figura 19: Espectro de fluorescencia de una mezcla de fluoresceína y fenolftaleína.
27
Figura 20 Espectro de Resonancia Magnética para el etanol.
27
iv
Figura 21: Ciclo del mercurio en medios acuosos y bajo condiciones de salinidad elevadas
31
Figura 22: Interacciones dinámicas del mercurio en el ambiente
34
Figura 23: Opciones para el control de las emisiones de mercurio al ambiente.
42
Figura 24: Comparativo de costos de análisis de metales en aguas bajo la norma NOM – 003- SEMARNAT -1997
Figura 25: Comparativo de costos de análisis de metales en aguas bajo la norma NOM –
127- SSA1- -1994 para agua potable. Cotizaciones a Noviembre de 2016
49
49 Figura 26: Marcas líderes en el desarrollo de equipos de alta tecnología para la detección de
metales utilizando diversas técnicas
54
Figura 27 Algunas marcas alemanas que desarrollan equipos de alta tecnología para la detección de metales utilizando diversas técnicas.
55
Figura 28: Algunas marcas norteamericanas que desarrollan equipos de alta tecnología para la detección de metales utilizando diversas técnicas.
56
Figura 29: Acción del agente quelante etilediaminotetracético sobre un metal.
59
Figura 30: Fórmula estructural de la 8-hidroxiquinoleina
61
Figura 31: Formación de un quelato de la 8-hidroxiquinoleina con Hg3 62 Figura 32: Sistema de reflujo utilizando.
63
Figura 33: Secuencia de la simulación de destilación para las mezclas binarias utilizadas para la cristalización de la oxina
64
Figura 34: Obtención de los productos de la destilación en función de las fracciones molares dela mezcla de 8-hidroxiquinoleina- tetracloruro de carbono en fase vapor con respecto a la mezcla alcohol - tetracloruro de carbono en fase líquida.
65
Figura 35: Avance del proceso de arrastre de vapor con recuperación de solvente y arrastre de soluto en mezcla.
Figura 36: Avance de separación por arrastre con vapor de la mezcla orgánica con 8-hidroxiquinoleina como soluto a una fracción molar de residuo a 0.05 ppm
65 66
Figura 37 Preparación de patrones de Hg2+ para la determinación de Hg
67
v
Figura 38: Espectro de barrido para la solución de Hg+2
68
Figura 39:Curva de emisión para la solución patrón de Hg
69
Figura 40: El microprocesador ATMega328P
71
Figura 41: Interfaz tipo pantalla resistiva: Vista frontal (izquierda), vista posterior(derecha).
73
Figura 42: Diodo emisor de luz UV de rango 390 - 410 nm.
74
Figura 43 a) Fotodiodo modelo S90232-02 de tres canales. b) Fotodiodo modelo S1226-8BQ de un solo canal
77
Figura 44: Respuesta del fotodiodo de tres canales para diferentes fuentes de luz UV en diferentes longitudes de onda.
77
Figura 45: Amplificador operacional CA3140.
78
Figura 46: Fuente de alimentación regulada
79
Figura 47: Diagrama electrónico del prototipo
80
Figura 48: Planteamiento conceptual del prototipo
82
Figura 49: Sensor de SiFe(CN)2 de tres canales
83
Figura 50: LED UV del rango 390 – 410 nm con regular de voltaje acoplado
84
Figura 51: Primer prototipo con celda para probeta de muestra, LED UV y detector
84
Figura 52: Circuito con amplificador operacional y buffer para caídas de tensión.
85
Figura 53: Primer prototipo completo, incluyendo sistema de adquisición de datos y pantalla analógica.
86
Figura 54: Modelo previo de diseño de la interface para el control del prototipo
87
Figura 55: Segundo prototipo con pantalla sensible al tacto como interface
87
Figura 56: Interface activa con tres canales y señal ponderada.
88
Figura 57: Fuente de alimentación bipolar de (+/-) 5 y 12 volts.
89
Figura 58: Arreglo dimensional de la estructura física del prototipo 89
vi
Figura 59: Celda de detección con fuente de emisión, detector y ranura porta probeta: fuera
del instrumento (a), y empotrado en el mismo (b)
89
Figura 60: El tercer prototipo a) armado y operando y b) con la fuente UV incidiendo en la probeta con la muestra.
91
Figura 61: El concepto del prototipo
92
Figura 62: Diagrama de bloque de la arquitectura del microprocesador
94
Figura 63: Sección de código para detección y conversión de señal en el microprocesador.
95
Figura 64: Software de modelado y editor para la interface en lenguaje C++
96
Figura 65: Primer diseño de interface
97
Figura 66: Diseño de interface para tres lecturas
97
Figura 67: Interface final para tres señales, control de encendido y respuesta de detección final
97
Figura 68: Diagrama entidad-relación de los diversos componentes controlados por software.
98
Figura 69: Flujo de datos de los diferentes elementos del dispositivo
99
Figura 70: Diagrama de flujo de operación del prototipo
100
Figura 71: Función Respuesta para [Hg]
105
Figura 72: Curva de calibración para el rango lineal de la Función Respuesta.
105
Figura 73: Cambios de la sensibilidad del método en función de la pendiente de la curva de calibración
107
vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Datos de emisiones atmosféricas de Mercurio.
37
Tabla 2: Usos del mercurio en productos de consumo industrial en EEUU contabilizados como desechos.
38
Tabla 3: Resultados del convenio de Minamata para el control sobre emisiones de mercurio.
40
Tabla 4: Resultados del convenio de Minamata para el control sobre emisiones de mercurio.
41
Tabla 5: Minas de mercurio en México.
43
Tabla 6: Servicios hospitalarios y odontológicos en México al 2015.
44
Tabla 7: Consumo generalizado de mercurio en México
44
Tabla 8: Producción minera de carbón y estimaciones de emisiones de mercurio 2010 -2014.
45
Tabla 9: Usos al 2012 de mercurio en procesos, aparatos, industrias u otras actividades.
46
Tabla 10: Aspectos técnicos del microprocesador ATMega328P
70
Tabla 11: Características técnicas del LED de alta potencia.
74
Tabla 12: LED´s utilizados como fuente de emisión.
83
Tabla 13: Módulos que componen al 3er prototipo.
90
Tabla 14: Características de los parámetros a evaluar en pruebas de validación analítica.
102
Tabla 15: Datos de la señal promedio durante cinco sesiones para diferentes concentraciones de [Hg].
104
Tabla 16: Resultado de diez mediciones de concentración de [Hg] de para la determinación del sesgo.
111
viii
Tabla 17: Concentraciones de Hg para una muestra patrón de 6 ppm durante diez
días.
113
Tabla 18: Determinación de las condiciones variables de temperatura, pH y potencia del LED para valores bajos y altos en siete análisis diferentes.
115
Tabla 19: Resultados de las condiciones variables para la determinación de la sensibilidad del instrumento.
116
Tabla 20: Incertidumbres asociadas a las mediciones de muestras patrón referidas a la curva de calibración
118
ix
Resumen
En este trabajo desarrollamos un equipo para la detección de mercurio disuelto en medios
acuosos utilizando un antagonista quelante para explotar los principios de fluorescencia del
complejo formado. Este prototipo responde a las necesidades de aplicar análisis ambientales
donde el manejo y uso de equipos e instrumentos patentados es oneroso o donde las
características tecnológicas de los mismos no permiten su portabilidad. El desarrollo y
operatividad de este prototipo se verificó en las diversas fases de pruebas y validación
llevadas a efecto con muestras patrón de mercurio. El alcance de este prototipo no es sólo
lograr la detección de este metal, sino el de los diversos metales disueltos en cuerpos de agua
que representan un problema de salud pública para nuestro país.
Abstract
In this work, we developed a mercury detection instrument dissolved in aqueous media using
a chelating antagonist to exploit the fluorescence principles of the formed complex. This
instrument responds to the needs of applying environmental analyzes where the management
and use of patented equipment and instruments is costly o where the technological
characteristics of the same do not allow their portability. The development and operation of
this instrument was verified in the various phases of tests and validation developed with
standard samples of mercury. The scope of this prototype it not only to achieve the detection
of this metal, but that of the various metals dissolved in bodies of water that represent a public
health problem of the community or country.
1
Introducción
La tecnología espectroscópica se ha convertido en una herramienta de primer orden para
detectar y estudiar, en forma detallada, la composición de elementos y complejos químicos
presentes en diferentes medios, tanto de fuentes naturales como de aquellos desarrollados por
el ingenio humano [1]. En uno de estos campos de aplicación, como es la ecología y
concretamente el análisis del agua, esta herramienta es usada no sólo para medir la calidad de
la misma, sino como instrumento que coadyuva en las decisiones para tomar acciones
referidas a la solución de la contaminación de cuerpos de agua donde, en algunas ocasiones,
se encuentren presentes metales pesados disueltos que significan un riesgo para la salud
pública [2].
La determinación de los contaminantes referidos a metales pesados en medios acuosos es
apoyada a través de los ordenamientos y normas americanos y europeos [3] [4], donde se
indica, de forma clara, los procedimientos de muestreo, conservación y estudio. Esto se
realiza bajo los esquemas de análisis instrumental donde la tecnología espectroscópica juega
un papel fundamental.
El uso de equipos con este tipo de tecnología implica que su adquisición, uso y
mantenimiento, sea dispendioso, además de presentar un inconveniente; llevarlo al lugar o
sitio donde se desee hacer el muestreo y/o análisis, es prácticamente incosteable. Este tipo de
equipos son fabricados para ser usados en ambientes controlados debido a su sensibilidad, a la
adición o uso de otros materiales o reactivos para su funcionamiento, a sus dimensiones y a su
peso. Existen en el mercado pocos equipos de tamaño compacto que puedan ser transportados
para realizar análisis presuntivos en los lugares de muestreo, y a pesar de esto, son equipos
costosos.
Discutir y desarrollar una propuesta tecnológica que permita implantar un prototipo de bajo
costo para determinar, sólo de forma presuntiva, algunos contaminantes del tipo metales
pesados disueltos en medios acuosos como el Hg y el Pb, es el objetivo de esta tesis.
2
Comenzamos, en el Capítulo I, con un abordaje sobre la teoría espectroscópica que da
sustento a las determinaciones de compuestos y elementos en mezclas o substancias de
estudio, además de describir un poco de su desarrollo histórico y de los últimos avances
tecnológicos en el desarrollo de equipos de laboratorio para el análisis de metales. En el
Capítulo II discutimos acerca del mercurio y de algunos metales pesados disueltos en medios
acuosos y cómo estos representan un problema de salud pública en la actualidad. En el
Capítulo III trabajamos sobre la propuesta de innovación desde el estado del arte que guarda
el desarrollo de equipos específicos para este tipo de contaminante hasta la construcción y
programación del prototipo. En el Capítulo IV presentamos los resultados de las pruebas
estadísticas y de validación desarrolladas para este prototipo. En el Capítulo V hacemos una
discusión sobre los resultados y alcances, tanto del desarrollo de la marcha analítica, como de
la implantación del prototipo; analizamos los resultados de diseño, la puesta en marcha y
validación del prototipo. Finalmente, presentamos las conclusiones acerca de la pertinencia
de este prototipo y sus áreas de oportunidad para trabajos futuros.
Siendo esta una propuesta de innovación, es claro que sólo es el primer paso de muchos que
tendrán que darse no sólo para su refinamiento, sino para una ulterior mejora e implantación.
3
Capítulo I. La espectroscopia y su
tecnología
La espectroscopia como ciencia derivada de la física y su ulterior uso en aplicaciones tan
diversas como la biología y la astronomía, es algo que ha madurado en los últimos 100 años.
Sus fundamentos, su historia y sus aplicaciones son un tema tan vigente que aún se desarrolla
ciencia y tecnología a su alrededor. Y con ello, se construye su historia.
1.1 La ciencia de la espectroscopia
En la constitución de la materia, los átomos, iones o moléculas sólo pueden adoptar
determinados estados caracterizados por cantidades discretas de energía. La ausencia de
cualquier tipo de estímulo implica que el átomo, molécula o especia química se encuentren
predominantemente en su estado energético más bajo, conocido como “estado fundamental”
[5] [6]. La aplicación de cualquier estímulo energético puede producir la absorción de esa
energía, derivando una transición de estado hacia una mayor energía. Por otra parte, un
átomo, ion, molécula o especie química que se encuentre excitado, puede volver a su estado
energético fundamental en forma de energía térmica mediante colisiones entre las diferentes
partículas, o bien, se puede emitir una radiación electromagnética en forma de fotones ya sea
con una energía igual a la de la transición entre el estado energético excitado de inicio a otro
de menor energía [7]. En cualquiera de las transiciones que tienen lugar entre los estados
energéticos dados, la cantidad de energía absorbida o emitida corresponde exactamente a la
diferencia energética entre los dos estados inicial y final [8]. Si estas transiciones energéticas
se realizan a través de la absorción o emisión de radiación electromagnética, la frecuencia de
dicha radiación se pude relacionar con la diferencia de energía entre los estados implicados en
la transición mediante la ecuación:
𝐸𝐸𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝐸𝐸𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑖𝑖𝑓𝑓𝑓𝑓 = ℎ 𝑣𝑣 (1)
4
La región del espectro electromagnético que se utiliza como herramienta para el análisis de
mezclas o sustancias se encuentra en el rango de los 190 a los 1100 nm, dividida básicamente
en tres regiones: el ultravioleta, el visible y el infrarrojo [8]. Cuando la materia es excitada
por la aplicación de energía térmica, eléctrica, nuclear o de radiación, esta absorbe una cierta
cantidad de esa energía a una frecuencia determinada. En algún momento, la materia se relaja
de nuevo a su estado original emitiendo, generalmente, energía a una frecuencia
electromagnética menor a la que fue absorbida, a esto se le conoce como espectrometría de
emisión [9]. Por otro lado, si se pone atención al espectro completo de emisión de una
sustancia y se observa la gama de radiación, se detectarán espacios obscuros que
corresponden a rangos de frecuencias absorbidas. A esto se le conoce como espectro de
absorción [8] [9].
El espectro resultante de absorción o emisión es interpretado a partir de la construcción de un
gráfico de la intensidad de la radiación emitida o absorbida contra la longitud de onda o
frecuencia. En la espectroscopia, la radiación emitida o absorbida es analizada al separarla en
sus distintos componentes de frecuencia para medir su intensidad, utilizando un instrumento
de alta tecnología conocido genéricamente como espectrómetro.
Los espectros de absorción y emisión son característicos de cada elemento de la tabla
periódica, es decir, cada elemento presenta un espectro característico lo cual le permite ser
identificado sin lugar a dudas. Esto no es privativo de los elementos; las mezclas o
compuestos también presentan espectros de absorción o emisión y son determinados a partir
de sus absorbancias aditivas a diferentes longitudes de onda [10].
Al categorizar los espectros de emisión y absorción de mezclas o compuestos, encontramos
información útil acerca de su estructura y composición [11]. La clave para la interpretación de
esta información espectral es el conocimiento de qué procesos atómicos y moleculares
ocurren cuando se interactúa con un cierto rango de energía en función de la especie química
a analizar (figura 1).
5
Especie química involucrada
Espectroscopia atómica
Las especies involucradas son átomos, por lo que sólo hay transiciones entre estados electrónicos. Los espectros atómicos son formados por líneas
Espectroscopia molecular
Al haber enlaces químicos entre las especies involucradas, las transiciones energéticas involucran a los niveles vibracionales y rotacionales. Los espectros moleculares están formados por bandas anchas.
Figura 1: Clasificación y características según la naturaleza de la especie química involucrada.
Fuente: elaboración propia.
Los procesos fundamentales que se suscitan en un elemento o compuesto a nivel
espectroscópico se dan básicamente en dos momentos; el primero en la absorción de energía y
en el segundo en la trasformación de esa energía. En la trasformación de esa energía existen
básicamente cinco escenarios: el primero, cuando la absorción de un fotón aumenta la energía
del sistema y cuando al emitirse ese fotón, disminuye la energía del sistema; el segundo,
cuando la absorción de un fotón aumenta el tamaño de un orbital y la emisión del fotón
disminuye el tamaño del orbital; el tercero, en el rango de infrarrojos, puede aumentar la
energía vibracional de una molécula: la molécula que vibra, puede emitir un fotón y disminuir
su frecuencia de vibración; el cuarto, la absorción de un fotón en el rango de microondas
puede aumentar la energía de rotación de una molécula, una molécula en rotación puede
emitir un fotón de microondas y así disminuir su tasa de rotación; y el quinto, la absorción de
un fotón puede aumentar la energía de traslación de una molécula, mientras que la emisión de
un fotón puede hacerla más lenta [12] [13].
6
Figura 2: Estados energéticos del electrón tanto en orbitales como un suborbitales Fuente: elaboración propia
Es claro que toda la información que encontraremos estará dada por lo que suceda en los
orbitales electrónicos. Los electrones ocupan diferentes estados de energía electrónica, en las
moléculas, los estados electrónicos se subdividen en estados vibracionales, los estados
electrónicos de vibración también se subdividen en estados rotacionales (figura 2), las
transiciones entre niveles electrónicos dan las líneas espectrales. Las transiciones entre
estados vibracionales dan espectros más complejos. Las transiciones entre estados
electrónicos de vibración – rotación dan lugar a espectros que presentan bandas anchas, y así,
el nivel de complejidad del espectro de absorción –emisión va generando mayor información
acerca de los elementos o compuestos estudiados.
Para cada uno de los niveles energéticos, los átomos, iones o moléculas que constituyen la
materia sólo pueden adoptar determinados estados caracterizados por cantidades discretas de
energía. Cada estado energético incluye varios estados vibracionales superpuestos, que a su
vez incorporan varios estados rotacionales [14]. Todas estas transiciones electrónicas pueden
clasificarse en seis grupos (figura 3).
Estados
rotacionales
Estados
electrónicos
Estados
vibracionales
7
Figura 3: Transiciones electrónicas Fuente: elaboración propia.
a) Transiciones rotacionales: la energía de la radiación incidente no es suficiente para
originar transiciones entre niveles vibracionales o electrónicos. El espectro está
constituido por líneas discretas, correspondientes cada una de ellas a una transición
determinada.
b) Transiciones vibracionales/rotacionales: tienen lugar desde el estado energético
fundamental hasta los diferentes estados rotacionales correspondientes a un estado
vibracional excitado; el resultado es un espectro formado por bandas anchas que
engloban, cada una de ellas, a todas las transiciones de estados rotacionales asociados
a un mismo estado vibracional.
c) Transiciones electrónicas/vibracionales/rotacionales: en ellas, la energía absorbida
es suficiente para generar saltos entre el estado fundamental y estados electrónicos
excitados que, al tener superpuestos los niveles vibracional y rotacional, originan una
8
multitud de líneas de absorción próximas entre sí, mismas que se muestran como
bandas anchas.
d) Relajación vibracional: tras la absorción, tiene lugar la pérdida de energía acumulada
en estados vibracionales y rotacionales superpuestos al estado electrónico excitado
correspondiente. Esta pérdida de energía tiene lugar sin emisión de radiación,
transfiriéndose de unas moléculas a otras mediante colisiones, disipándose en forma
de calor.
e) Desactivación sin emisión de radiación: la energía acumulada en los estados
electrónicos excitados puede perderse en forma de calor.
f) Fotoluminiscencia: cuando, tras la absorción y la pérdida de energía por relajación
vibracional, la molécula se encuentra en el estado vibracional inferior de un estado
electrónico excitado, puede relajarse hasta el estado electrónico fundamental
emitiendo el exceso de energía en forma de radiación electromagnética. Según el
proceso en el que se da esta emisión, se distingue entre fluorescencia1 y
fosforescencia2, siendo cada uno de estos, una técnica espectroscópica diferente.
Teniendo en cuenta que cada especie química tiene una distribución diferente de estados
energéticos, tanto electrónicos como rotacionales y vibracionales, las técnicas
espectroscópicas de análisis pueden aportar información sobre la muestra al medir la
intensidad y la frecuencia de la radiación que ha sido absorbida al ser irradiada. O bien,
midiendo la frecuencia e intensidad de la radiación emitida cuando el átomo o la especie pasa
del estado excitado al fundamental. En este sentido, podemos clasificar las técnicas
espectroscópicas según el fenómeno que deseamos estudiar [15].
Figura 4a: Absorción Figura 4b: Emisión Figura 4c: Quimioluminiscencia
Fuente: elaboración propia.
1 Se absorbe la energía de una fuente UV e inmediatamente se emite la radiación luminosa 2 La energía puede ser almacenada, retardando su posterior emisión de forma continua por minutos u horas.
9
En la espectroscopia de absorción se hace incidir una radiación electromagnética sobre una
muestra que la absorbe, cuya frecuencia corresponde a la diferencia de energía entre los
estados implicados. Se mide la atenuación que sufre el haz de radiación incidente una vez que
atraviesa la muestra (figura 4a).
Le espectroscopia de emisión mide la frecuencia e intensidad de la radiación
electromagnética emitida por la muestra después de haber sido sometida a un proceso de
excitación mediante alguna forma de energía no radiante como el generado por una llama, una
descarga eléctrica o un plasma (figura 4b).
En la espectroscopia de quimioluminiscencia (fluorescencia y fosforescencia) se mide la
emisión de radiación por parte de una especie excitada como consecuencia de una reacción
química (figura 4c).
También puede clasificarse en función de la región del espectro que se esté usando o
detectando (figura 5).
Según la región del espectro:
Microondas
Transiciones entre estados rotacionales
Infrarrojo
Transiciones vibracionales
Ultravioleta / visible
Transiciones electrónicas
Rayos X
Transiciones electrónicas en las capas más internas
Figura 5: Clasificación y tipos de transiciones según la región del espectro. Fuente: elaboración propia.
10
1.1.1 Espectroscopia de absorción UV – Visible
La espectroscopia de absorción ultravioleta – visible (atómica o molecular), se sustenta en la
absorción de radiación electromagnética de estas regiones del espectro para promover
transiciones entre el estado fundamental y estados excitados del nivel energético electrónico.
Se usa en la región UV de 180 a 380 nm, ya que la que se encuentra entre 10 y 180 nm es
absorbida por el oxígeno del aire, mientras que la región visible se extiende de los 380 a los
780 nm [16] [17].
La energía asociada es de magnitud suficiente para ser absorbida en transiciones entre los
niveles energéticos electrónicos. Para el caso de las especies poliatómicas, cada estado
electrónico engloba estados vibracionales, y esto a sus vez, estados rotacionales, por lo que
los espectros están formados por bandas anchas en las que están comprendidas todas las
transiciones vibracionales y rotacionales dentro de un estado electrónico determinado [10]
[16]. Así mismo, las diferencias energéticas entre el estado fundamental y los estados
excitados son únicas para cada especie, por lo que el análisis de las frecuencias absorbidas
aporta información sobre la identidad de los constituyentes de una muestra [10] [18].
Además, la cantidad de energía transferida desde una determinada longitud de onda a una
especie química concreta depende de la concentración de esa especie en la muestra analizada.
Esta relación proporciona un medio para cuantificar la presencia de un determinado analito3
en el caso de especies atómicas [17].
La medida de la intensidad de la radiación que ha sido absorbida se realiza indirectamente a
partir de la intensidad incidente (I0) y la transmitida (It) a través de la muestra. Para esto, la
transmitancia (T) se define como la relación entre la intensidad trasmitida Ii y la incidente Io:
3 Especie química, sustancia o elemento que se analiza.
11
𝑇𝑇 = 𝐼𝐼1𝐼𝐼0
(2)
Y la absorbancia como:
𝐴𝐴 = log 1𝑇𝑇
(3)
Es decir, a medida que la energía se transfiere desde la radiación electromagnética a la
materia, se produce una disminución de la transmitancia y un aumento de la absorbancia.
Los espectros de absorción, en los que se representa la absorbancia frente a la longitud de
onda, presentan bandas anchas y escasas, por lo que aportan información cualitativa limitada
para la identificación de especies químicas, no así para elementos químicos. El análisis
cuantitativo se basa en la ley de Lambert–Beer [19], que establece una proporcionalidad
directa entre la absorbancia y la concentración de la especie absorbente para radiaciones
monocromáticas, representada por la siguiente fórmula:
𝐴𝐴 = 𝜀𝜀 ∙ 𝑙𝑙 ∙ 𝑐𝑐 (4)
Donde 𝜀𝜀 representa la absorbancia específica o absorbatividad de la especie que absorbe; esto
depende de la naturaleza del cromóforo4 y de las condiciones experimentales. l es el paso
óptico y c es la concentración de la especie. Esta ley presenta en ocasiones algunas
desviaciones a la linealidad. Las desviaciones reales se dan a concentraciones altas por las
interacciones del soluto con el disolvente, otras son las desviaciones aparentes generalmente
dadas por el propio instrumental o las desviaciones químicas que se dan cuando existen
fenómenos de disociación, asociación o interacciones del soluto con el disolvente; es decir,
cualquier factor que modifique el equilibrio químico generará desviaciones en las lecturas
[20].
4 Sustancia que tiene muchos electrones capaces de absorber energía o luz visible, y excitarse para así emitir diversos colores, dependiendo de las longitudes de onda de la energía emitida por el cambio de nivel energético de los electrones, del estado excitado al estado fundamental o basal.
12
Esta técnica es posiblemente la más empleada ya que presenta un amplio rango de
aplicaciones para la determinación cuantitativa de un gran número de especies químicas en
disolución. La selectividad es alta basándose en la selección adecuada de la longitud de onda
que únicamente absorba el analito, de forma que no interfieran otros componentes de la
muestra, no siendo necesario en muchos casos realizar separaciones o tratamientos previos.
Además, presenta una alta sensibilidad que depende la capacidad de absorción del analito.
Muchas especies presentan alta absorbancia específica, con lo que pueden ser determinados
directamente. Cuando el analito no absorbe a un nivel suficientemente alto, se puede aumentar
la sensibilidad sometiéndolo a una reacción concreta que origine un producto de alta
absorbancia específica. Esta posibilidad es especialmente útil en el caso de los iones
metálicos, escasamente absorbentes, que pueden generar complejos fuertemente coloreados
por adición de un ligando adecuado [21].
Los espectros de absorción UV-Visible son, en general, menos útiles con fines cualitativos
que los espectros de otras regiones debido a que las bandas son muy anchas y por tanto poco
útiles en la identificación de moléculas. La identificación de una sustancia requiere la
comparación empírica de los detalles del espectro de la sustancia en cuestión con respecto al
compuesto puro. Deben ser considerados la existencia de máximos y mínimos, la relación de
las alturas, así como las longitudes de onda en las que aparecen. También se puede utilizar la
intensidad de absorción expresada en términos de absorbatividad específica o molecular. El
efecto del pH resulta útil también como prueba de identificación [16] [17].
La base de la aplicación de los métodos espectrométricos al análisis cualitativo es la ley de
Lambert–Beer que, como ya se describió, indica que la absorbancia de una muestra es
directamente proporcional a su concentración. Para esto, es necesario trabajar la longitud de
onda a la que la sustancia más absorbe para así conseguir máxima sensibilidad.
Posteriormente, tras la preparación de la muestra, se determina la relación absorbancia /
concentración. Lo habitual es utilizar varias disoluciones patrón, preparadas en las mismas
condiciones que la muestra y medir su absorbancia para obtener una curva de calibrado. Si no
es posible reproducir en los patrones las mismas condiciones de las muestras, se recurre al
método de las adiciones estándar [22]. Finalmente, se mide la absorbancia de la muestra y,
13
haciendo uso de la ecuación de calibración del método, se determina la concentración de la
especie absorbente.
Si en la disolución hay varias sustancias que absorben radiación, en muchas ocasiones puede
determinarse la concentración de la especie o especies de interés sin necesidad de
separaciones previas. La absorbancia es, generalmente, una propiedad aditiva, de manera que
su valor será el resultado de la contribución de cada uno de los componentes de la muestra
que absorba a una determinada longitud de onda [23].
1.1.2 Fluorescencia
La emisión de luz que es consecuencia de una absorción de radiación también se le conoce
como fotoluminiscencia. En ella, se pueden distinguir dos fenómenos diferentes: la
fluorescencia y la fosforescencia. En ambos casos, el proceso comienza con la excitación de
especies atómicas o especies químicas desde el estado electrónico fundamental a algún estado
electrónico excitado mediante la absorción de radiación. En el caso de que se trate de una
especie molecular, los estados electrónicos englobarán varios estados de nivel vibracional
[24].
La relajación o desactivación de una especie atómica o molecular desde el estado excitado
hasta el estado fundamental se puede realizar mediante una combinación de procesos no
radiantes exclusivamente, o bien, combinando procesos radiantes y no radiantes. La ruta que
se siga será aquella que minimice el tiempo de permanencia en el estado excitado.
14
Figura 6: Desplazamiento de Stokes. Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/Stokes_shift-_Rh6G.png/300px-
Stokes_shift-_Rh6G.png
La fluorescencia se produce cuando la desactivación mediante emisión de radiación desde el
estado excitado está favorecida a la desactivación a través de otros procesos no radiantes. La
energía asociada a esta emisión es menor que la correspondiente a la excitación, por lo que en
un espectro de fluorescencia, además de aparecer una sola banda, está situada a una longitud
de onda mayor que las bandas de excitación, correspondiendo a una menor frecuencia y por
tanto, a una menor energía. Esta diferencia entre las longitudes de onda de excitación y de
emisión es lo que se conoce como “desplazamiento de Stokes”5 (figura 6).
La emisión fluorescente observada en una determinada especie molecular está condicionada
por su propia estructura molecular, que pueden ser la presencia de grupos cromóforos
emisores de fluorescencia o fluoróforos, rigidez de la estructura y formación de complejos de
coordinación de la molécula con ion metálico. Además de factores dependientes del medio en
que se trabaje, como el pH, el oxígeno disuelto, la temperatura y la presión del medio o del
sistema.
5 Cuando el fotón emitido tiene menos energía que el fotón absorbido con una misma intensidad pero a longitud de onda mayor.
15
En una muestra diluida, la intensidad de la fluorescencia es directamente proporcional a la
concentración de la especie fluorescente y se corresponde con la ecuación:
𝐼𝐼𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑖𝑖𝑓𝑓𝑓𝑓𝑖𝑖𝑓𝑓𝑓𝑓 = 𝐾𝐾 𝑐𝑐 (4)
donde K representa la influencia de varios parámetros como: la absorbancia específica de cada
analito, el rendimiento cuántico, la longitud del paso óptico, las características del instrumento
o la intensidad del emisor. Cuanto mayor es la intensidad de la fuente, más moléculas pasarán
del estado fundamental al estado excitado, por lo que la señal de la fluorescencia será mayor,
dando lugar a una sensibilidad más alta. Es por ello que a altas concentraciones, la relación
no es lineal, originando un fenómeno de amortiguamiento en el que tiene lugar la
transferencia de energía no radiante de moléculas no excitadas a otras moléculas [25].
1.2 Evolución tecnológica de la espectroscopia
La espectroscopia tuvo sus inicios con las observaciones realizadas por Leonardo DaVinci
[26] al describir la descomposición de la luz del Sol al atravesar un vaso con agua. Este
fenómeno fue redescubierto y abordado de manera formal por Issac Newton al descomponer
la luz del Sol utilizando un prisma y proyectándolo en una pantalla obscura [27]. Fue el
primero en formular una explicación de su naturaleza y fundamentarla a partir de un
desarrollo matemático que dio inicio a uno de los debates científicos más largos acerca de su
naturaleza y comportamiento, y que culminó a principios del siglo XX con la demostración de
su comportamiento dual, a saber: onda y partícula [28] [29].
16
Figura 7: Los inicios de la espectroscopia y sus aplicaciones. Fuente: elaboración propia con información de Wikipedia al 2016.
Este fenómeno de la luz, como todo descubrimiento científico, transitó de ser una curiosidad
intelectual a una forma de describir la naturaleza de la materia a partir de su descomposición
en diferentes colores y, con el tiempo, a partir de su espectro electromagnético definido por la
longitud de onda que era absorbido o emitido en el estudio de dichas composiciones o
sustancias. En este sentido, la evolución de la espectroscopia dio el salto de ser un objeto de
investigación a convertirse en una herramienta para la investigación. Sus aplicaciones son tan
variadas y vastas que abarcan desde las ciencias físicas hasta las ciencias biológicas. Su
evolución ha sido uno de los desarrollos más complejos que, hasta nuestros días, la historia de
la tecnología aún no ha terminado de realizar un estudio formal acerca de su impacto en la
comunidad científica, en el desarrollo industrial o en la sociedad (figura 7) [30].
17
Figura 8: La evolución de la tecnología espectroscópica (resumen: de 1955 al 2014). Fuente: elaboración propia con información de Wikipedia al 2016.
El desarrollo de la tecnología espectroscópica comenzó su apogeo a partir de los años 60’s del
siglo XX. Sus aplicaciones comenzaron, de manera concreta, en los años 20 con la fabricación
de los primeros espectrómetros comerciales para la industria minera desarrollados por la
empresa Adam Hilger LTD, en Reino Unido [31]. Desde entonces, el desarrollo de la
industria ha requerido, además de mejores procedimientos, más y mejores aparatos que
permitan detectar y analizar compuestos y elementos presentes en infinidad de muestras o
materiales necesarios para la fabricación; tanto de productos de uso cotidiano, como del
desarrollo de instrumentos que sirven como herramientas para el análisis de dichos productos
(figura 8).
18
Figura 9: La tecnología espectroscópica en la actualidad y algunas tendencias. Fuente: elaboración propia con información de Wikipedia al 2016.
En la actualidad, la espectroscopia es considerada una herramienta de primer nivel para el
análisis y el control de calidad en la industria [32], un sistema instrumental indispensable en
el estudio y diagnóstico en las ciencias médico–biológicas [33] [34], así como una
herramienta de primer orden en las ciencias astronómicas [35], por mencionar algunos
derroteros que ha seguido esta disciplina (figura 10).
19
Figura 10: Hitos relevantes en el desarrollo de la tecnología espectroscópica (1452 – 2014). Fuente: elaboración propia con información de Wikipedia al 2016.
El grado de avance de las tecnologías espectroscópicas es tal que hoy existen un gran número
de fabricantes que desarrollan y comercializan equipos e instrumentos de alta tecnología
(figura 11). Dentro de estos, los desarrollos con mayor auge son los dirigidos al diagnóstico
médico y al análisis de materiales en la industria.
20
Figura 11: Algunos fabricantes de tecnologías espectroscópicas y número de modelos al 2015. Fuente: elaboración propia con información de las diferentes empresas al 2016.
Para el caso de la industria, los sistemas de control de calidad son los más necesitados de
tecnologías para un eficiente diagnóstico, ya sea directamente en los procesos industriales o a
partir de la toma de muestras para su análisis en laboratorio. Los equipos diseñados y
comercializados para diagnóstico y análisis en sistemas de calidad varían desde los sistemas
10 12
5 2
9 3
1 1
11 2
8 4
10 11
10 6
18 14
9
9 7
4 4
11 33
6 26
23
4 4
8
7 3
9 2
3 2
8 6
3 8
9 9
4 4
0 5 10 15 20 25 30 35
bibby
Eppendorf
Spectronic Instruments
VARIAN
HITACHI
SHIMADZU
UV-Visible
AB SCIEX
Waters Corporation
SHIMADZU
ThermoFisher Scientific
VARIAN
TOSHIBA
PHILIPS
SIEMENS
ThermoFisher Scientific
SHIMADZU
Aurora
Agilent
Atomic
Bruker
HITACHI
PHILIPS
SIEMENS
ThermoFisher Scientific
Raman
Modelos por fabricante
UV-Visible
Masses
X- ray
Infrared
Atomic
Tomography
Raman
21
de absorción atómica hasta los espectrómetros de plasma–masas o ICP-MS [36] [37]. Sus
tecnologías están de manera constante arrojando mejoras significativas, ya sea en el
mejoramiento de los límites de detección, menor tratamiento de la muestra para su análisis,
uso más eficiente de la energía, el desarrollo de una electrónica mejorada o la inclusión de
nuevos detectores [38]. Las tecnologías espectroscópicas siempre están evolucionando a la
par de las necesidades del mercado.
1.3 Tipos de espectroscopia
En la actualidad, existen diversos tipos de tecnologías espectroscópicas clasificadas según su
uso, y en la forma en que se emite y detecta la radiación incidente.
La espectroscopia atómica permite medir las concentraciones de un material en una mezcla y
determinar, hasta el momento, más de 70 elementos diferentes en solución o directamente en
muestras sólidas utilizadas en farmacología, biofísica o toxicológica (figura 12). Se utiliza
comúnmente en análisis de aguas, muestras geológicas, muestras orgánicas, metales,
aleaciones, petróleo y sus subproductos [39] [40].
Figura12: Espectro de Absorción atómica de una lámpara fluorescente. Fuente: http://imartin.webs.ull.es/tee.gif.
22
La espectroscopia ultravioleta-visible (UV/VI) está basada en la cantidad de energía que
puede absorber o transmitir una muestra en función de la cantidad de sustancia presente
(figura 13). Las técnicas de absorción suponen que cuando una radiación incide sobre una
muestra se produce una absorción parcial de esta radiación, lo que produce una
transformación entre los niveles energéticos de la sustancia, pasando ésta a un estado de
excitación que al regresar a su estado basal, emite una radiación de menor longitud de onda
[40] [41].
Figura 13: Espectro de Absorción UV- Visible de un compuesto orgánico. Fuente: http://triplenlace.com/2012/12/02/especrofotometra-uv-visible-i-el-color-de-los-objetos.
La espectrometría infrarroja (IR), se basa en el hecho de que los enlaces de las sustancias
tienen frecuencias de vibración específicas. A partir de la energía emitida por las vibraciones
de estos enlaces se determina el o los elementos contenidos en las muestras [42] (figura 14).
Figura 14: Espectro en la región del infrarrojo de un una mezcla orgánica. Fuente:http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401539/exe-espectros_de_la_regin_del_ir.html.
23
La espectroscopia de rayos X se utiliza para determinar las estructuras electrónicas y
cristalinas de los materiales bajo estudio mediante excitación por rayos X (figura 15). Utiliza
energías superiores a la radiación ultravioleta que permite una rápida interacción con los
electrones y son capaces de penetrar estructuras cristalinas [25].
Figura 15: Espectro de rayos X de una muestra de aluminio a λ = 1.541 Armstrong. Fuente: http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm03.html
La espectroscopia de plasma utiliza una mezcla gaseosa conductora de la electricidad que
contiene una concentración significativa de cationes y aniones. Generalmente se utiliza gas
argón el cual es excitado por una fuente de radio frecuencia, lo que la convierte en plasma de
altas temperaturas (figura 16). La muestra es transportada al seno del plasma donde es
totalmente disociada. La recombinación de los electrones de la muestra a sus estados basales
son fuente de emisión espectrométrica, la cual es recogida por una óptica y a través de un
software, se interpreta y definen los componentes presentes en la muestra [43].
24
Figura 16: Espectro óptico del plasma en el rango visible y ultravioleta. Fuente: http://www.plasmatreat.es/tecnologia_del_plasma/caracterizacion_del_plasma.html
La espectroscopia Raman se basa en el examen de la energía dispersada por un material al
incidir sobre él un haz de luz monocromático (figura 17). Una pequeña porción de esa
radiación es dispersada de forma inelástica experimentando ligeros cambios de frecuencia que
son característicos del material analizado e independiente de la frecuencia de la luz incidente
[23] [34].
Figura 17: Espectroscopia Raman de un gel mezclado con etanol. Fuente:https://www.notijenck.com.ar/notas/caracterizacion_del_plasma.htm
25
La espectroscopia de masas sirve para dilucidar estructuras químicas con base a la medición
de la relación masa/carga de especies moleculares (figura 18). Las determinaciones requieren
de la generación de especies cargadas eléctricamente, lo cual se logra por diferentes
metodologías como: el impacto electrónico, el bombardeo de átomos rápidos (FAB), y la
generación de iones enlazados. La medición de la relación masa/carga nos permite conocer el
peso molecular exacto de las muestras y es utilizada generalmente en la industria
farmacéutica y de alimentos [42] [40].
Figura 18: Espectro de masas del Hg indicando la abundancia relativa de cada isótopo. Fuente: http://www7.uc.cl/sw_educ/qda1106/CAP2/2A/2A3/.h
La espectroscopia de fluorescencia analiza la fluorescencia de una muestra que fue
previamente excitada por un haz de luz, generalmente luz ultravioleta (figura 19). Las
moléculas son excitadas mediante la absorción de una onda electromagnética desde su estado
electrónico fundamental a uno de los diversos estados electrónicos excitados, lo que provoca
la emisión del fotón [17] [25] [42].
26
Figura 19: Espectro de fluorescencia de una mezcla de fluoresceína y fenolftaleína. Fuente: http://www.vernier-iberica.com/spectrometro.html
La resonancia magnética nuclear, comúnmente conocida como espectrometría RMN, es una
técnica que utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos los cuales, una vez
excitados por radiofrecuencias, interactúan en el seno de un campo magnético y cambian su
orientación (figura 20). La interpretación de las variaciones de los diminutos campos
magnéticos permite determinar diferentes compuestos presentes en una muestra [17] [44].
Figura 20: Espectro de Resonancia Magnética para el etanol. Fuente: http://www.compoundchem.com/wp-content/uploads/2015/02/Ethanol.gif.
27
Resumen
La espectroscopia es una ciencia derivada de la física que ha evolucionado de ser un campo
de estudio per se, para convertirse en una herramienta para el estudio de muchos y muy
variados fenómenos: astronómicos, físicos y, sobre todo, biológicos. Es tal vez en el campo de
la biología donde ha tenido su mayor utilidad; sin embargo, la astronomía, la química, las
ciencias forenses, la ciencia de los materiales, y la antropología, entre otras, han sabido
aprovechar sus ventajas que como herramienta les ofrece para la detección, el diagnóstico, la
comparación y la interpretación de lo que ocurre con la materia, desde el nivel atómico hasta
los complejos moleculares tanto de células vivas como elementos presentes en estrellas y
galaxias. Los diversos tipos de tecnologías espectroscópicas han permitido conocer y
profundizar más acerca no sólo de la composición de la materia, sino de sus interrelaciones
con mezclas y compuestos. Esto ha derivado, por ejemplo, en el conocimiento de cómo son
las diversas interacciones moleculares, sus velocidades de reacción, cómo y cuándo se forman
los complejos o, en el área de la salud, ver prácticamente el interior de un ser vivo utilizando
procedimientos poco o nada invasivos. La espectroscopia, como ciencia y tecnología, no es un
área que tenga visos de agotarse. Al contrario, el desarrollo de nuevos y más sensible
detectores, fuentes de emisión más seguras, técnicas analíticas y equipos de alta tecnología,
serán la base para la invención de nuevos y más sofisticados equipos con mayor y mejor
desempeño y con costos relativamente más bajos. En este sentido, las empresas de alta
tecnología, aún tienen mucho que aportar al desarrollo de la espectroscopia.
28
Capítulo II El mercurio disuelto en
medios acuosos; un problema de salud
pública
Los problemas de salud en el mundo que tienen que ver con la tecnología son relativamente
recientes en casi todos los países. Cuando comenzamos a modificar nuestro entorno para
hacernos de bienes y servicios que nos permitieran mejorar nuestros niveles de vida, también
comenzamos a generar productos derivados de fuentes no renovables que, ya sea por un
desconocimiento o por falta de interés social o económico, comenzaron a mermar nuestra
calidad de vida sin darnos cuenta de ello de forma inmediata. Esto comenzó a volverse
evidente al detectarse cambios en las plantas, la calidad de los suelos, la muerte sin una
explicación aparente de gran cantidad de especies marinas y, sobre todo, la aparición de
síntomas o enfermedades que nunca se habían manifestado hasta después de la aparición y
usos de materiales y productos artificiales; incluyendo los medicamentos.
2. 1 El origen de la contaminación por metales
Los metales pesados disueltos en medios acuosos son relativamente nuevos. A partir de la
década de 1830 en la Inglaterra del siglo XIX, se comenzaron a reportar síntomas que
afectaban a los trabajadores de minas y de actividades relacionadas con ello [45]. Estos
trabajadores comenzaron a padecer de fiebres altas, dolores de cabeza, dolor de hígado,
problemas renales, pérdida de cabello, ceguera temporal, irritación de garganta, dolor
torácico, sabor metálico en la boca, irritación ocular y episodios de demencia o pérdida de la
29
realidad de manera momentánea. Sin explicación aparente, los precarios sistemas de salud de
la época no encontraron una explicación convincente del porqué de estos síntomas. Con el
tiempo, y el desarrollo de más y mejores procedimientos en la medicina, fue posible encontrar
una relación entre los síntomas que manifestaban no sólo los trabajadores de las industrias
minero metalúrgicas, sino también de poblaciones de pescadores y de empresas dedicadas al
curtido de pieles. En ellas, el común denominador era la explotación o el uso de minerales en
grandes cantidades que contenían sales de Cobre, Cadmio, Zinc, Plomo, Arsénico y Mercurio.
Estos, al ser procesados como productos de obtención directa de las minas para ser utilizados
como insumos intermedios en otras áreas, implicaban, en su manipulación, la exposición,
disolución y posterior contaminación hacia quienes los manejaban. En muchas industrias, el
lavado de los productos o de los materiales es algo común, y en el pasado, esta práctica no
requería de ninguna regulación. La condición de acidez o alcalinidad de los productos o
materiales utilizados aunado al contacto y disolución con el agua a la que eran puestos en
contacto, generó que los mismos comenzaran ser desechados en los sistemas de drenaje y
alcantarillado o simplemente que los mismos fueran transportados por fenómenos naturales
hacia cuencas, ríos, cuerpos de agua o hacia el mar. La acumulación de estos, una vez
disueltos, comenzó a mermar la salud de las diferentes poblaciones de ecosistemas a los que
estaban en contacto. Para cuando finalmente la comunidad médica se dio cuenta [46], los
metales disueltos ya se habían convertido en parte integral de los cuerpos de agua para uso
humano. En ese momento, la presencia de síntomas extraños que no estuvieran asociados a las
enfermedades conocidas hasta el momento, tendría que ver, seguramente con una exposición
prolongada a algún mineral, alimento o cuerpo de agua contaminado. Es en este momento,
cuando decimos que la contaminación se ha vuelto, de manera irreversible, un asunto de
contaminación por causas antropogénicas6.
6 Efectos, procesos o materiales que son el resultado de actividades humanas, a diferencia de los que tienen causas naturales sin influencia humana.
30
2.1.1 Contaminación por mercurio
La condición y naturaleza del mercurio le permite generar sedimentos en medios acuosos que,
una vez formados, presentan características de metal disuelto o combinado generando, en
muchas ocasiones, compuestos orgánicos que pueden o no ser procesados por los mismos
sedimentos, liberados como compuestos orgánicos o transferidos a especies vivas. El ciclo del
mercurio suele ser complejo y, como es sabido, su condición de toxicidad sólo es generada
cuando adquiere una forma compleja como el metil-mercurio [47] (figura 21).
Figura 21: Ciclo del mercurio en medios acuosos y bajo condiciones de salinidad elevadas. Fuente: elaboración propia con datos de Lamborg et al., 2002.
Hg(O) Hg Iónico
MHg
DMHg
Hg Particulado
y MHg
ESCAPE DEPOSICIÓN
SEDIMENTACIÓN
31
Muchas de las liberaciones por la movilización de impurezas de mercurio suelen darse, sobre
todo en países industrializados bajo los siguientes esquemas:
• Producción de energía y calor alimentada por carbón (la fuente más grande de emisiones
atmosféricas).
• Producción de energía a base de otros combustibles fósiles de carbón.
• Producción de cemento (mercurio de cal).
• Minería y otras actividades metalúrgicas que comprenden la extracción y elaboración de
materiales minerales vírgenes y reciclados, como por ejemplo:
o Hierro y acero
o Ferromanganeso
o Zinc
o Oro
o Metales no ferrosos
Otras formas, que no son impurezas, pero que son producto de la extracción y el uso
intencionado de mercurio son:
• Minería del mercurio
• Minería de oro y plata en pequeña escala (proceso de amalgamación)
• Producción alcalina de cloro
• Uso de lámparas fluorescentes, diversos instrumentos y amalgamas dentales
• Fabricación de productos que contienen mercurio, por ejemplo:
o Termómetros
o Manómetros y otros instrumentos
o Interruptores eléctricos y electrónicos
Además, la liberación del tratamiento de desechos, cremaciones, entre otros (provenientes
tanto de impurezas como de usos intencionados del mercurio) se da como:
32
• Incineración de desechos (municipales, médicos y peligrosos)
• Vertederos
• Cremaciones
• Cementerios (liberaciones al suelo)
El mercurio se da de manera natural en el medio ambiente y existe una gran variedad de
formas. Al igual que el plomo y el cadmio, el mercurio es un elemento constitutivo de la
Tierra, un metal pesado. En su forma pura, se le conoce como mercurio elemental o metálico
representado como Hg. Rara vez se le encuentra en su forma pura, como metal líquido y es
más común en compuestos y sales inorgánicas. El mercurio puede enlazarse con otros
compuestos como mercurio monovalente o divalente Hg (I) y Hg (II) o Hg2 respectivamente.
A partir de Hg (II) se pueden formar muchos compuestos orgánicos e inorgánicos de mercurio
[48] [49].
El mercurio se extrae como sulfuro de mercurio (mineral de cinabrio). Los yacimientos de
cinabrio han sido la fuente mineral principal para la extracción comercial del mercurio
metálico. La forma metálica se refina a partir del mineral del sulfuro de mercurio calentando
el mineral a temperaturas superiores a los 540o C. De esta manera se vaporiza el mercurio
contenido en el mineral para después captar y enfriar los vapores para formar el mercurio
metálico líquido [49].
Algunos de los compuestos inorgánicos de mercurio son: sulfuro de mercurio (HgS), óxido de
mercurio (HgO) y cloruro de mercurio (HgCl2). A estos compuestos también se les conoce
como sales de mercurio. La mayoría de los compuestos inorgánicos de mercurio son polvos o
cristales blancos, excepto el sulfuro de mercurio, que es rojo y se vuelve negro con la
exposición a la luz. Algunas sales de mercurio como el HgCl2 son lo bastante volátiles para
existir como gas atmosférico. Sin embargo, la solubilidad en agua y reactividad química de
estos gases inorgánicos o divalentes de mercurio hacen que su deposición a la atmósfera sea
mucho más rápida que la del mercurio elemental. Esto significa que la vida atmosférica de los
gases de mercurio divalentes es mucho más corta que la del gas mercurio elemental [50]
(figura 22).
33
Figura 22: Interacciones dinámicas del mercurio en el ambiente Fuente: elaboración propia con datos de Lamborg at al. 2002.
Cuando el mercurio se combina con carbono se forman compuestos conocidos como
compuestos orgánicos de mercurio u “organomercuriales”. Existe una gran cantidad de
compuestos orgánicos de mercurio (dimetilmercurio, fenilmercurio, etilmercurio,
metilmercurio), pero el más conocido de todos en el metilmercurio. Al igual que los
compuestos inorgánicos del mercurio, el metilmercurio y el fenilmercurio existen como sales
de cloruro de metilmercurio o acetato de fenilmercurio. Cuando son puros, casi todos los tipos
de metilmercurio y fenilmercurio son sólidos blancos y cristalinos. En cambio, el
dimetilmercurio es un líquido incoloro [49] [51] .
La principal vía de exposición el mercurio hacia el ser humano es el consumo de pescados y
mariscos contaminados. El mercurio es un elemento que está presente en forma natural en el
aire, el agua y los suelos. La exposición prolongada a este metal causa problemas de salud.
Puede ser tóxico para los sistemas nervioso e inmunitario, el aparato digestivo, la piel, los
34
pulmones, riñones y ojos y es considerado uno de los diez productos o grupos de productos
químicos que plantean especiales problemas de salud pública [52] (tabla 1).
El mercurio existe en varias formas: elemental e inorgánico (que está más expuesto en los
trabajos de la industria minero-metalúrgica) y orgánico, como el metilmercurio, que penetra
en el cuerpo humano vía los alimentos. Estas formas difieren por su grado de toxicidad y sus
efectos sobre los sistemas nervioso e inmunitario, el aparato digestivo, la piel, los pulmones,
riñones y ojos.
El mercurio, presente en forma natural en la corteza terrestre, puede provenir de la actividad
volcánica, la erosión de las rocas o la actividad humana. Esta última es la principal causa de
las emisiones de este metal a la atmósfera, procedentes sobre todo de la combustión de carbón
en centrales eléctricas, calefacciones, cocinas, procesos industriales, incineración de residuos
y de la extracción minera de metales [52].
Una vez liberado en el ambiente, ciertas bacterias pueden transformarlo en metilmercurio,
este se acumula entonces en peces y mariscos. Aunque las personas puedan verse expuestas a
cualquiera de las formas de mercurio en diversas circunstancias, las principales vías de
exposición son la ingesta de agua contaminada, el consumo de pescado y mariscos
contaminados y la inhalación de vapores desprendidos en procesos industriales [53].
Todos los seres vivos están expuestos a cierto grado de este compuesto. Generalmente, se
trata de niveles bajos, debido casi siempre a una exposición crónica por contacto prolongado,
ya sea intermitente o continuo. Pero en ocasiones nos vemos expuestos a niveles elevados
como ocurre en el caso de exposición aguda, debida por ejemplo, a un accidente industrial.
Entre los factores que determinan eventuales efectos sobre la salud, así como su gravedad,
están: la forma del compuesto de mercurio que se trate, la dosis, la edad o el estadío de
desarrollo de la persona expuesta y la vía de exposición. El mercurio elemental y el
metilmercurio son tóxicos para el sistema nervioso central y periférico. La inhalación de
vapores de estos compuestos es perjudicial para el sistema nervioso y para el sistema inmune,
el aparato digestivo, los pulmones y los riñones. Las sales de mercurio inorgánicas son
35
corrosivas para la piel, los ojos y el tracto intestinal, y al ser ingeridas, resultan tóxicas para
los riñones. Tras la inhalación o ingestión de distintos compuestos de mercurio o tras la
exposición cutánea a ellos, se pueden observar trastornos neurológicos y del comportamiento
con síntomas como temblores, insomnio, pérdida de la memoria, efectos neuromusculares,
cefalea o disfunciones cognitivas y motoras. Por ejemplo, en trabajadores expuestos durante
varios años a niveles atmosféricos de al menos 20 ug/m3 de mercurio elemental, se pudieron
observar signos subclínicos leves de toxicidad para el sistema nerviosos central; además se
han descrito efectos en los riñones que van de la proteinuria a la insuficiencia renal [52] [53].
Existen varias formas de prevenir los efectos perjudiciales para la salud, por ejemplo,
fomentar las energías limpias, dejar de utilizar mercurio en las minas auríferas7, terminar con
la minería del mercurio e ir eliminando progresivamente productos no esenciales que
contienen mercurio.
La combustión del carbón para la generación de electricidad y calor es una fuente importante
de mercurio. El carbón mineral contiene mercurio y otros contaminantes peligrosos de la
atmósfera que son liberados cuando el carbón se quema en las plantas generadoras de
electricidad, los quemadores industriales y las estufas domésticas (tabla 1).
Todas las cifras en toneladas métricas/ año
E.E.UU. R.U. Finlandia Dinamarca Suecia Noruega México
1994-2005 2005 2008 1992-2008 2008 2008 2004
Usos intencionales-Industria manufacturera
Cloro-álcali
6.5
0.01
0.12
4.9
fabricación de instrumentos
0.5
Producción secundaria de Hg
0.4
Aparatos eléctricos
0.3
0.01
Pilas
<.1
7 Referido a la producción de Oro.
36
Producción primaria de Hg
?
9.7
Usos intencionales-Utilización
de productos
Rotura de lámpara
1.4
<0.1
0.02
0.23
Uso de laboratorio, instrumentos
1
0.02
0.02
Preparaciones dentales
0.6
0.3
0.05
0.38
Tratamiento y eliminación de
desechos
Incineración de desechos
48.8
1.3
1.26
0.09
0.05
0.03
Cremación
<0.1
1.3
0.1
0.28
0.07
Vertederos
<0.1
0.4
Otros-Reciclado de lámparas, etc.
<0.1
0.09
0.2
0.01
Impurezas de Hg movilizadas -
industria manufacturera
Cemento
4.4
0.14
0.01 0.01
Pasta y papel
1.7
3.2
0.07
0.005 0.2
Metales no ferrosos
<0.2
0.8
0.16 13
Hierro, acero 0.07 0.11 0.1 0.09 Otros: negro de carbono, cal,
etc.
0.4?
4.2
0.49
0.21
0.005
0.76
Impurezas de Hg movilizadas-
combustión
Petróleo y gas natural
10.2 0.04
Calderas a leña 0.2 Otros (Energía geotérmica) 1.3
Total 144 13 0.62 2.2 0.9 1.1 31 Per capital (gramos) 0.5 0.2 0.1 0.4 0.1 1.3 0.3
Tabla 1: Datos de emisiones atmosféricas de Mercurio.
Fuente: Elaboración propia con datos de PNUMA, IOMC PROGRAMA INTERORGANISMOS PARA LA GESTION RACIONAL DE LAS SUBSTANCIAS QUIMICAS 2009.
37
El mercurio es un elemento que no se puede destruir, por tal razón el reciclado es una
alternativa viable. Su uso en minas auríferas de tipo artesanal es especialmente peligroso con
importantes consecuencias para la salud de las poblaciones vulnerables.
Este elemento como compuesto se encuentra presente en infinidad de productos; entre ellos,
las pilas secas, instrumental de medida como termómetros y barómetros, interruptores y relés
eléctricos, lámparas, amalgamas dentales, productos para aclarar la piel, cosméticos y
productos farmacéuticos (tabla 2).
Producto (cantidad de toneladas métricas )
1975 1980 1985 1989 1995 2000
Pilas alcalinas
34.8
143.5
319.5
380.4
* 18.1
Óxido de mercurio
261.0
241.0
2132.3
178.3
* 5.4
Otras
4.3
4.1
4.1
4.7
* 0.0
Subtotal
300.1
389.6
536.9
563.4
* 23.6
Iluminación Eléctrica
Lámparas fluorescentes
19.5
21.0
25.3
21.3
22.5
13.2
Lámparas de alta intensidad
0.3
1.0
0.6
0.7
0.9
1.1
Subtotal
19.8
22.0
25.9
22.0
23.4
14.2
Residuos de pintura
33,8
24,2
28.5
16.5
2.1
0.5
Termómetros para medir la fiebre
21.0
23.3
29.5
14.8
15.3
15.2
Termostatos
6.2
6.3
8,6
10.2
7.3
9.3
Pigmentos
24.9
20.9
22.9
9.1
2,7
1.4
Usos Odontológicos
8.8
6,4
5.6
3.6
2.6
2.1
Revestimiento especial del papel
0.5
1.1
1.6
0.9
0.0
0.0
Interruptores de luz de mercurio
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.3
Pilas para cargadores (film-packs)
2.1
2.4
2.5
0.0
0.0
0.0
Total de desechos
417.7
496.6
662.5
640.9
215,6
145.2
Tabla 2: Usos del mercurio en productos de consumo industrial en EEUU contabilizados como
desechos. Fuente: elaboración propia con datos de US EPA 2008.
38
Se están adoptando diversas medidas en países de primer mundo para reducir los niveles de
mercurio en ciertos productos o retirar progresivamente otros productos que lo contienen. En
el sector sanitario, los termómetros y tensiómetros que contienen mercurio, están siendo
remplazados por dispositivos alternativos.
En los servicios de atención a la salud de casi todos los países, se utilizan amalgamas
dentales. A partir de ello, en 2009, una consulta de expertos organizada por la OMS [46]
arrojó la conclusión de que una prohibición mundial y a corto plazo de las amalgamas
plantearía problemas de salud pública, pero que era necesario proseguir con su eliminación
gradual fomentando la prevención y dando alternativas a las amalgamas por otro tipo de
resinas de tipo poliméricas a base de sílice, así como el fomento a la actividad e investigación
para el desarrollo de nuevos materiales más duraderos, de mejor calidad y que no impliquen
un riesgo a la salud del paciente.
El uso de mercurio en ciertos medicamentos como el Tiomersal (etilmercurio), utilizado como
conservador en algunas vacunas, reviste escasa importancia en comparación con otras fuentes
de mercurio. No existen datos estadísticos de la cantidad de Tiomersal utilizadas actualmente
en las vacunas humanas que supongan un posible riesgo para la salud.
Algunos productos para aclarar la piel suelen tener cantidades importante de mercurio
inorgánico en su formulación. En este sentido, muchos países han prohibido productos de este
tipo que contienen mercurio ya que se han detectado problemas de sensibilidad cutánea y
posible desarrollo de cáncer de piel asociado a estos productos.
La liberación incesante del mercurio en el ambiente como resultado de las actividades
humanas, la presencia del metal en la cadena de producción alimentaria y sus efectos
negativos demostrados en los seres humanos despertaron el interés en el 2013 para que los
países miembros de la ONU, en auspicio con la OMS, adoptaran el “Convenio de
Minamata”8* sobre el mercurio [54] [55] (tabla 3).
8 Acuerdo global entre países miembros de la ONU para el control y la eliminación del mercurio en el medio ambiente, firmado el 10 de octubre de 2013 en Minamata, Japón.
39
Fase de producción y uso de ciclo de vida
Tipo de medida y finalidad
Situación de aplicación
Evitar o limitar el uso intencional del mercurio en procesos
Prohibiciones generales plicadas en muy pocos paises
Evitar o limitar la liberación de mercurio en procesos industriales
Aplicad en los países de la OCDE
Aplicar tecnologías de control de emisiones para limitar las emisiones de mercurio por el uso de
combustibles fósiles y el procesamiento de materiales mineros
Aplicada en algunos países
miembros de la OCDE
Evitar o limitar la liberación de mercurio de procesos hacia el sistema de tratamiento de aguas
residuales
Aplicada en algunos países miembros de la OCDE
Evitar o limitar el uso de tecnología obsoleta y exigir el uso de las mejores tecnologías disponibles
para reducir o evitar liberaciones de mercurio
Aplicada en algunos países miembros de la OCDE
Evitar o limitar la comercialización de productos que contienen mercurio
Prohibiciones generales aplicadas sólo en algunos países.
Son más comunes las prohibiciones o restricciones de
productos específicos como: baterías, lámparas, termómetros
y materiales clínicos Evitar la exportación de productos que contienen
mercurio
Aplica en muy pocos países
Evitar o limitar el uso de mercurio y productos con mercurio ya adquiridos
Aplica en muy pocos países
Limitar el contenido permisible de mercurio presente como impurezas en materiales de gran
volumen
Aplica en muy pocos países
Limitar el contenido permisible de mercurio en
alimentos comerciales.
Aplica en algunos países
miembros de la OCDE. Estos utilizan las directivas de las
OMS
Tabla 3: Resultados del convenio de Minamata para el control sobre emisiones de mercurio. Fuente: elaboración propia con datos de la OMS y del PNUMA 2013.
40
En el convenio, los países miembros se comprometen a aplicar una serie de medidas, entre
ellas, acabar con las emisiones de mercurio a la atmósfera y reducir paulatinamente los
productos que contienen este elemento (tabla 4) (Figura 23).
Fases de eliminación del ciclo de vida
Tipo de medida y finalidad
Situación de aplicación
Evitar, mediante una recolección eficiente de desechos, que el mercurio se libere directamente al
ambiente
Aplica en países miembros de la
OCDE
Evitar, mediante recolección y tratamiento por separado, que el mercurio en desechos de productos y procesos, se mezcle con desechos menos peligrosos
en el flujo general de desechos
Aplica en países miembros de la
OCDE
Evitar o limitar, mediante tecnologías de control de emisiones, las liberaciones de mercurio en el
ambiente que provienen de incineración y otros tratamientos de desechos domésticos, desechos
peligrosos y desechos médicos.
Aplica en países miembros de la
OCDE
Establecer valores límite pare l contenido permisible de mercurio en lodos de depuración esparcidos en
terrenos agrícolas
Aplica, o por adoptarse en los países miembros de la OCD
Restringir el uso de residuos sólidos de incineración en la construcción de carreteras, edificios y otros
usos.
Aplica en algunos países de la
OCDE
Evitar la recomercialización de mercurio utilizado o reciclado
Aplica en muy pocos países
Tabla 4: Resultados del convenio de Minamata para el control sobre emisiones de mercurio. Fuente: Elaboración propia con datos de OMS 2013.
41
Figura 23: Opciones para el control de las emisiones de mercurio al ambiente. Fuente: elaboración
propia.
En este sentido la OMS ha publicado datos sobre las consecuencias sanitarias de las diversas
formas de mercurio, pautas para determinar que poblaciones están en peligro de exposición,
herramientas para reducir esa exposición y directrices para sustituir los termómetros y
esfigmomanómetros9 con mercurio en la atención a la salud [56]. La OMS encabeza
proyectos para fomentar una buena gestión y eliminación de los desechos de la atención
sanitaria y ha facilitado la creación de un esfigmomanómetro exento de mercurio homologado
y de precio asequible.
9 Instrumento médico empleado para la medición indirecta de la presión arterial que utiliza mercurio líquido como sistema de columna de presión.
42
2.2 El mercurio en México
El México, no sólo se utiliza el mercurio en diferentes aparatos y procesos, también somos
productores de mineral de mercurio (cinabrio) en grandes cantidades según datos del Servicio
Geológico Mexicano de la Secretaria de Economía (tabla 5).
Estado
Minas de producen solo Hg
Minas que producen Hg y otros metales
Minas que producen Hg
Chihuahua
6
1
7
Durango
6
9
15
Estado de México
2
0
2
Guanajuato
1
0
1
Guerrero
1
3
4
Querétaro
14
3
17
San Luis Potosí
18
0
18
Zacatecas
18
1
19
TOTAL
66
17
83
Tabla 5: Minas de mercurio en México.
Fuente: Servicio Geológico Mexicano 2015.
El mayor consumo de mercurio en México está relacionado con la producción de cloro,
lámparas, amalgamas e instrumentos de medición. Aunque también, cabe mencionar, se
utiliza en menor medida en usos artesanales y religiosos. Estadísticas construidas a partir de
datos de la Secretaria de Economía en el 2015, indican que existen en el país, 10,781
odontólogos de los cuales, según la Asociación Dental Mexicana, el 70% de ellos utiliza aún
mercurio para la elaboración de amalgamas, lo que equivale aproximadamente a 200 gramos
43
de mercurio por año por profesional, mientras que el restante 30% utiliza materiales más
modernos como derivados del sílice (tabla 6).
Institución Entidad Hospitales Camas Consultorios dentales
Odontólogos
(IMSS) Ciudad de México 27,616 132 1,834
Interior de la Republica
7,683 691
(ISSSTE) Ciudad de México 99 Total 4154 108 946 Interior de la
Republica 9358 324
(SSA) Centro de Salud, todos los
centros de 3er nivel
Ciudad de México 2,012 185 356 Interior de la
Republica 54,064 2,009 2,084
Privados Ciudad de México 228 7,191 79 4,613 Interior de la
Republica 1944 34,456 359
Estatales PEMEX, SEDENA, Marina,
DIF
Ciudad de México 4,255 928 Interior de la
Republica 7,340
Cruz Roja
Ciudad de México 1 85 20 Interior de la
Republica 1831
Totales 2,271 45313
3,887 10,781
Tabla 6: Servicios hospitalarios y odontológicos en México al 2015.
Fuente: elaboración propia con datos de la Secretaria de Salud http://www.gob.mx/salud/#documentos_hosp.
Otros usos, además son derivados de las necesidades de diferentes ocupaciones (tabla 7).
Productos Cantidad Hg (Ton/Año)
Cloro-álcali 5.658 Termómetros y esfigmomanómetros
2.4
Odontología 1.51 Termostatos 0.152 Lámparas fluorescentes 1.0 Usos culturales 1.0
Total 11.72
Tabla 7: Consumo generalizado de mercurio en México. Fuente: elaboración propia con datos del Servicio Geológico Mexicano. Secretaria de Economía 2016
44
De lo anterior, se ha estimado la emisión de mercurio como producto de los procesos de
combustión para la generación de energía a partir del uso del carbón como se indica en la
tabla 8.
Año
Producción de
Carbón (Ton/año)
Estimado de
Emisiones (Kg Hg/año)
2010
11,432,222.00
1,557.07
2011
11,800,258.00
1,607.20
2012
13,745,528.00
1,872.14
2013
12,707,443.30
1,730.75
2014
12,378,788.40
1,685.99
TOTAL
62,064,239.70
8,453.15
Tabla 8: Producción minera de carbón y estimaciones de emisiones de mercurio 2010 -2014. Fuente: elaboración propia con datos del Anuario Estadístico. Servicio Mexicano de Geología 2016.
Sin embargo. El uso de mercurio en muchos productos aún es algo de uso común. A partir de
los tratados de Minamata y de acuerdo con la OMS, el uso de mercurio ha registrado una
disminución aunque sería ingenuo pensar que se descarte del todo su uso (tabla 9).
45
Aplicación
Indicadores sobre el uso actual en los países que se indican. Datos al
2012
Interruptores térmicos Interruptores micro electrónicos con contacto de mercurio
Uso generalizado, no eliminado.
Instructores el calzado deportivo con luz en la suela Prohibido o restringido en algunos países
Lámparas de descarga luminosa Prohibido o restringido en algunos países
Lámparas fluorescentes General
Otras lámparas con mercurio General
Productos químicos, electrodos y aparatos analíticos de laboratorio
General
Plaguicidas (Tratamiento de semillas y/o otros) General
Biosidas Para diferentes productos y procesos Australia, Belarus, Benin (no especificado), Burkina faso (no especificado), Costa de Marfil, Ghana, guinea (no especificado), India (no especificado), Irlanda
Fungicidas para la producción d papel Australia, Ghana, Guinea, India, Irlanda, Samoa, Tailandia (sustitución en curso), Trinidad y Tobago (sustitución en curso o terminado recientemente)
Conservadores en gotas oftálmicas En uso Desinfectantes; por ejemplo, en hospitales Muy probablemente todavía en uso Compuestos catalizadores de mercurio India (algunas medicinas a base de
hierbas), Lesotho (mercurio metalico)
Catalizadores para la producción de poliuretano y otros polímeros
India
Catalizadores en la producción, a base de acetileno de monómeros de cloruro de vinilo, acetato de vinilo y acetaldehído
Finlandia, Australia, Irlanda
Tabla 9: Usos al 2012 de mercurio en procesos, aparatos, industrias u otras actividades. Fuente: elaboración propia con datos del PNUMA y la OMS.
46
Aplicación
Indicadores sobre el uso actual en los países que se indican. Datos al
2012 Catalizadores para la producción de poliuretano y otros polímeros
India
Catalizadores en la producción, a base de acetileno de monómeros de cloruro de vinilo, acetato de vinilo y acetaldehído
Finlandia, Australia, Irlanda
Cremas y jabones para aclarar la piel
Benin, Irlanda.
Biosidas en cosméticos para los ojos
De uso común; restringido en algunos países
Faros (usos náuticos; estabilización de lentes) Canadá
Producción de cloro álcali (Cloro y soda cáustica) Todos los paises
Amalgamas dentales Todos los países Minería artesanal de oro y plata Australia, Brasil, China, Costa Rica,
Colombia, Ecuador, Perú, Rusia, Venezuela, Vietnam, Zimbabue
Pilas y baterías En uso pero prohibido en muchos países
Instrumentos de medición y control Todos los países fabricantes Termómetros médicos General pero prohibido o restringido
en algunos países Otros termómetros (control de máquinas marinas, laboratorios)
General pero prohibido o restringido en algunos países
Instrumentos para medir la presión sanguínea (esfigmomanometros)
General pero prohibido o restringido en algunos países
Manómetros industriales y meteorológicos En todos los países
Válvulas de presión (calefacción central, industria) Prohibido o restringido en algunos países
Giróscopos Prohibido o restringido en algunos países
Instructores eléctricos y electrónicos Prohibido o restringido en algunos países
Conmutadores de control de nivel (bombas de alcantarillado, timbres de puerta, señales de ferrocarril, portezuelas de maleteros de automóviles, refrigeradores, congeladores, alarmas de caídas de ancianos, etc.)
Prohibido o restringido en algunos países
Interruptores multipolares (por ejemplo, para excavadores) Prohibido o restringido en algunos países
Tabla 9 (continuación): Usos al 2012 de mercurio en procesos, aparatos, industrias u otras actividades. Fuente: elaboración propia con datos del PNUMA y la OMS
47
2.2.1 Sitios contaminados
Según la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA) uno de los lugares con
mayor índice de contaminación por metales, es la laguna Zacatecana con una extensión
aproximada de 120 hectáreas y a 10 km de la ciudad de Zacatecas. Ahí, existen cuatro plantas
que benefician jales10 por proceso de lixiviación11 con hiposulfito de sodio y que se
encuentran aguas debajo de la presa de la laguna Zacatecana. La separación de oro y plata
como productos y mercurio como subproducto, se realiza mediante un proceso térmico en el
cual se condensa el mercurio. La producción de estos jales se realizó por más de 300 años
hasta principios de este siglo, y los desechos eran arrojados a los cauces de los arroyos, los
cuales fueron arrastrados hacia los valles por las lluvias, formando depósitos muy importantes
con cantidades de alrededor de 180 g. de mercurio por tonelada de mineral; lo que al día de
hoy se estima como 900 toneladas de mercurio sólo en ese lugar [57] [58].
2.2.2 Análisis de contaminantes
Los análisis de metales pesados comprenden la aplicación de la norma NMX-AA-051-SCFI-
2001 que utiliza el método de absorción atómica para este fin [3]. En ella, se detallan el
método de toma de muestras, conservación y preparación para el análisis final. Sin embargo,
no es el único método. También aplica el método de Plasma por Acoplamiento Inductivo o
ICP que permite estimar concentraciones más bajas del contaminante con un nivel de
exactitud en ppb. Ambos métodos son los más utilizados al día de hoy y requieren una gran
inversión inicial referida al equipamiento e instalaciones. Uno de sus inconvenientes es que
las muestras requieren procedimientos de conservación y pretratamiento para su posterior
análisis, lo cual hace que los costos de análisis se vean incrementados (tabla 4) (Figura 24).
10 Los jales mineros son los apilamientos de rocas molidas que quedan después de que los minerales de interés como el plomo, zinc, cobre, plata y otros han sido extraídos de las rocas que los contienen. 11 Extracción de un material soluble de una mezcla utilizando un disolvente que lo convierte en un material no soluble y que, generalmente, tiende a ser menos denso que la mezcla solución de origen, permitiendo su remoción de una forma relativamente sencilla.
48
Figura 24: Comparativo de costos de análisis de metales en aguas bajo la norma NOM – 003- SEMARNAT -1997 para aguas residuaesl. Cotizaciones a Noviembre de 2016.
Para estos análisis es necesario el uso de equipos de alta tecnología con límites de detección
tan bajos que permiten identificar este tipo de contaminantes a nivel de trazas. Como es de
esperar, los costos tienden a incrementarse en la medida en que se utilicen tecnologías y
procedimientos más sofisticados para el tratamiento y análisis de muestras (figura 25).
Figura 25: Comparativo de costos de análisis de metales en aguas bajo la norma NOM – 127- SSA1- -1994 para agua potable. Cotizaciones a Noviembre de 2016.
$2,780.00
$1,800.00
$2,800.00
$4,500.00
$2,300.00
$4,800.00
$1,700.00
$3,500.00
$2,000.00
$0.00 $2,000.00 $4,000.00 $6,000.00
Empresas de análisis
ambientales
SEPTA
Proyectos y Estudios sobreContaminación IndustrialMérieux
Laboratorios ABC
Laboratorio H2O
Laboratorio EcoAmbiental, S. de R. L.de C. V.Laboratorio de analisis de aguaresidualCedimi
$3,900.00
$2,450.00
$2,600.00
$4,100.00
$2,800.00
$3,000.00
$6,000.00
$4,800.00
$2,300.00
$0 $2,000 $4,000 $6,000 $8,000
Empresas de análisis ambientales
Laboratorios ABC
Laboratorio H2O
Laboratorio EcoAmbiental
fertilab
El Crisol
Centro de DiagnósticoMicrobiológicoCedimi
Bioquality
AQM Laboratorios
49
Los costos derivados de los análisis de aguas no son baratos. En lugares donde se tenga la
presunción de que existen problemas de salud debido a contaminación de cuerpos de agua, el
muestreo y análisis suelen resultar costosos a largo plazo. Por ello es necesario generar
alternativas económicamente viables que permitan, al menos como una primera
aproximación, determinar si estos cuerpos de agua se encuentran realmente contaminados y,
una vez determinado esto, llevar a efecto los análisis rigurosos para tomar acciones que
permitan dar una respuesta a esta problemática. La decisión de llevar a efecto los análisis de
laboratorio estarán en función de lo que las pruebas presuntivas arrojen y, sobre todo, el costo
de llevar esos análisis a efecto. La necesidad de desarrollar equipos portátiles y con
procedimientos de bajo costo se hace cada vez más importante sobre todo en aquellas zonas
donde la explotación minera o el uso de reactivos que contengan mercurio o cualquier metal
pesado representen un serio problema de salud pública.
Resumen
La contaminación por metales pesados es un fenómeno que se ha acentuado desde el siglo
XX. Ahora, en pleno siglo XXI, la necesidad de nuevos materiales y el uso cada vez más
demandante de energías no renovables hace que muchos de estos contaminantes, en especial
el mercurio, se encuentren de forma habitual en la atmósfera, en suelos y cuerpos de agua. Su
deposición y su falta de control, aunado a falta de alternativas económicamente viables para
su sustitución, están generando serios problemas de salud para los seres vivos. Los servicios
de salud han comenzado a generar costos altos en atención y tratamiento de enfermedades
derivadas de la contaminación por metales pesados de las que no se tenía conocimiento hasta
mediados del siglo XX. Es claro que esto es consecuencia de las actividades humanas y que
su diagnóstico y tratamiento es costoso. En este sentido, generar alternativas para su
sustitución o la disminución de su impacto en el ambiente será algo crucial para este siglo
50
XXI. Abordar este problema en el área de la detección con el abatimiento de los costos será
una de las formas en las que estaremos contribuyendo para atacar eficientemente esta
situación. Una medida es la de proponer y diseñar instrumentos que auxilien en la detección
de este tipo de contaminantes con el aporte de la innovación donde dicha propuesta sea más
económica que lo ya existente en el mercado. La propuesta, el diseño y la implementación de
alternativas de innovación tecnológica para aportar soluciones a los problemas de la
contaminación y, en especial, a aquellos que representan problemas de salud, es algo no sólo
deseable, sino necesario.
51
Capítulo III Propuesta de innovación
La determinación de contaminantes a partir de análisis de laboratorio se presenta como algo
rutinario en países industrializados donde existen reglamentos y normas que regulan las
actividades industriales. Entre estos reglamentos, existen algunos que indican, de manera muy
específica, que tipo de contaminante puede ser emitido al ambiente y cuáles son los límites
máximos permisibles. Alrededor de estas normas, se ha generado toda una industria referida a
análisis ambientales que ofrecen sus servicios como respuesta a las necesidades de las mismas
industrias quienes tienen que reportar a la autoridad, de manera cotidiana, los contaminantes
que emiten al ambiente y el nivel en el que lo hacen. Los costos de estos análisis están en
función del tipo y norma con el que se desee realizar y reportar.
Como ya se mencionó, los costos de análisis son privativos para alguien que sólo desee saber
si cierto contaminante está presente o no en su ecosistema, medio o zona de trabajo. Esto es
debido a que se utilizan procedimientos que implican el uso de equipos de alta tecnología que
en un inicio, no fueron diseñados para ser transportados a las zonas de recolección de o toma
de muestras. Son equipamientos de alta tecnología diseñados para ser instalados y usados en
ambientes controlados con requerimientos de energía, temperatura y humedad muy
específicos.
A partir de que han existido situaciones de riesgo ambiental en comunidades donde los
niveles de vida están por debajo de un promedio generalizado, y donde algunas empresas,
desatendiendo las indicaciones o normas ambientales, contaminan de forma intencionada
suelos, cuerpos de agua y emiten descargas a la atmósfera, los riesgos de salud se han
incrementado de manera considerable. Determinar si una zona está en riesgo ambiental por las
emisiones contaminantes en atmósfera, agua o suelo, no es fácil de establecer. Deben
realizarse los análisis respectivos, y ello implica trámites, costos y, sobre todo, voluntad
política que no siempre es sencillo de gestionar. Una propuesta inmediata, al menos para
52
determinar en cuerpos de agua, si existe algún contaminante del tipo de metales pesados, es el
de proponer el desarrollo y construcción de un instrumento que, en un inicio, se transporte con
facilidad y que permita determinar la presencia del contaminante donde los costos sean los
más rentables. La propuesta de este instrumento debe contemplar costos de construcción y
operación accesibles, manejo seguro y eficiente y, sobre todo, que sea portátil; es decir, que
ayude, de manera íntegra y concreta, a la determinación pertinente y precisa de por lo menos
un contaminante del tipo metales pesados que represente un problema de salud pública.
Llevar esto a efecto, requiere de varias tareas concretas; desde visualizar una panorama
general del estado del arte que guarda esta propuesta, hasta las pruebas operación de dicha
propuesta de innovación [59].
3.1 Estado del arte
Los equipos utilizados en le determinación de metales no sólo se ajustan a lo indicado por las
normas internacionales para la evaluación de contaminantes. De hecho, los equipos tuvieron
sus primeros desarrollos en el ámbito académico y de investigación. Como ya se indicó, estas
tecnologías pasaron de ser un campo de estudio de las ciencias físicas a convertirse en una
herramienta para las demás ciencias. Al revelar su utilidad, pasaron de convertirse en una
serie de instrumentos sofisticados para usos académicos a instrumentos para auxiliar a las
diferentes industrias, siendo las primeras y más beneficiadas (y siguen siendo) las industrias
mineras y metal mecánica. Con posterioridad, las industrias alimentarias y las farmacéuticas
comenzaron a hacer uso de estas tecnologías hasta que, al día de hoy, son consideradas
herramientas de alta tecnología indispensables en todas las industrias de la transformación
[60] [61].
La variabilidad de estos equipos está en función de lo que se desea detectar, es decir, si son
metales alcalinos o alcalinotérreos, se utiliza generalmente absorción atómica e infrarrojo; si
entran dentro del grupo de los metaloides, se utiliza espectroscopia de plasma y ultravioleta.
Si se desea detectar complejos metálicos o asociados a marcadores fluorescentes, se utiliza
53
absorción atómica y fotométrica. Es decir, dependiendo de la necesidad, está el equipo que lo
resuelve.
Al 2016, las mejores empresas de alta tecnología dedicadas al desarrollo de equipos e
instrumentos para la detección de metales se concentran mayoritariamente, en Europa y
Estados Unidos. Por efectos de la globalización, muchas son parte de conglomerados que
abarcan dos o más de ellas. Sin embrago, las mejores (por su nivel de ventas) han decidido
mantener sus marcas como garantía de calidad en el mercado, y cómo tal, es como las
podemos identificar (figura 26).
Figura 26: Algunas marcas líderes en el desarrollo de equipos de alta tecnología para la detección de metales utilizando diversas técnicas.
Fuente: elaboración propia con datos al 2016.
12
16
26
15
15
13
8
14
12
0 5 10 15 20 25 30
ThermoFisher Scientific
Waters Corporation
GE General Electric Healthcare
Newport
Analytik Jena
Hamamatsu Photonics
YSI Life Science
Hamamatsu Photonics
Instrument Systems GmbH
Tipos de instrumentos de alta tecnología por marca en el mercado
Óptica
Fotómetros
Colorímetros
Raman
Atómica
inflaroja
Rayos X
Masas
UV
54
No es de sorprender que en aquellos países democráticos donde los gobiernos incentivan no
sólo la educación, sino la investigación académica e industrial, sean los que se encuentren a la
vanguardia en el desarrollo de estas tecnologías. Por ejemplo, Alemania (figura 27).
Figura 27: Algunas marcas alemanas que desarrollan equipos de alta tecnología para la detección de metales utilizando diversas técnicas. Datos al 2016.
2
2
5
7
1
8
3
2
4
9
2
3
2
23
2
2
2
3
15
3
1
4
5
2
3
1
3
12
2
2
3
5
2
4
12
3
3
A.KRÜSS Optronic
A·P·E
AMS Technologies AG
Analytik Jena
AQUALYTIC
Beltron
Eppendorf
EQ Photonics
Gigahertz-Optik
Hach
HighFinesse GmbH
Instrument Systems GmbH
J&M Analytische
LTB Lasertechnik
RGB Photonics
SIEMENS
Spectro / Ametek
Technigraf GmbH
TechnoTeam Bildverarbeitung
WTW
Equipos por empresa
Alemania
Óptica
Fotómetros
Colorímetros
Raman
Atómica
inflaroja
Rayos X
Masas
UV
55
Los Estados Unidos de Norteamérica son, como siempre, la potencia dominante. La
inmigración de las mejores mentes europeas previo y durante la Segunda Guerra Mundial
hacia ese país garantizó, tal vez sin que los propios estadounidenses los supieran, que sus
centros de investigación despegarán como jamás lo habían hecho. La visión, no sólo de
incentivar el conocimiento y tecnología, sino de comercializar el conocimiento, detonó en la
creación de empresas que, al día de hoy, siguen dominando el mercado (figura 28).
Figura 28: Algunas marcas norteamericanas que desarrollan equipos de alta tecnología para la detección de metales utilizando diversas técnicas. Fuente: elaboración propia con datos al 2016.
2 8
2
1 2
1
4 2 2
3 9
2
5 5
2 12
2
7 14
1 1
6
10
11
16
4
7 26
4
3
9 4
1
4
15 6
5 1
9 4
9
0
5
1
2 4
1
9
4 6
2 2 2
4
1
2
2 4
1
8
6
1
8
2
4 4
3
2 4
8
AB SCIEX
American Ultraviolet West
B&W Tek
beckman coulter
Block Engineering
Bruker
Guided Wave
Microtech Instruments, Inc.
Newport
Photo Research, Inc
Rigaku Raman
StellarNet
Teledyne Analytical Instruments
VARIAN
YSI Life Science
Número de equipos.
EUA
Óptica
Fotómetros
Colorímetros
Raman
Atómica
inflarroja
Rayos X
Masas
UV
56
Estas empresas desarrollan y comercializan sus equipos como instrumentos para laboratorio.
Sin embargo, sólo algunas empresas cuentan con algunos instrumentos de costos
relativamente bajos y de dimensiones menores que permiten, hasta cierto punto, que sus
equipos puedan o permitan su movilidad.
3.2 Desarrollo de la marcha analítica12
La marcha analítica hace referencia al diseño de la metodología para hacer reaccionar el
agente quelante13 que, en presencia del metal de interés, generará las condiciones
fisicoquímicas necesarias para la emisión de fluorescencia. Todo lo anterior, bajo condiciones
de alcalinidad controladas.
3.2.1 Agente quelante
Existen dos tipos de reactivos orgánicos; unos forman productos no iónicos ligeramente
solubles llamados “compuestos de coordinación” [51], y los otros forman productos en los
cuales los enlaces entre las especies inorgánicas y el reactivo son principalmente iónicos. Los
reactivos orgánicos que producen compuestos de coordinación poco solubles contienen, por lo
general, dos grupos funcionales. Cada uno de estos grupos es capaz de formar enlaces con un
catión al donar un par de electrones. Estos grupos funcionales se encuentra localizados en la
molécula de tal manera que la reacción resulta en un anillo de cinco o seis miembros; algunas
veces en un anillo aromático. Los reactivos que forman compuestos de este tipo son llamados
“agentes quelantes”, y sus productos son llamados “quelatos” [39] [48] [49].
La palabra “quelato” proviene del griego, y significa “garra”. Los quelatos metálicos son
aquellos complejos químicos que tienen la peculiaridad de atrapar o “agarrar” un compuesto o
12 Proceso metodológico de análisis químico de identificación de iones y de diseño para preparación de compuestos. 13 Sustancia química que tiene la propiedad de combinarse exclusivamente con diferentes iones de metales pesados, formando complejos estables.
57
ion metálico y con ello, generar estabilidad en su estructura. Los quelatos tienden a ser
compuestos muy estables, y son ampliamente usados en la agricultura como fertilizantes de
micronutrientes para suministrar a las plantas hierro, cobre, zinc y manganeso. Los iones
metálicos pueden presentarse en forma de minerales que son usados, entre otros, por las
plantas, y la deficiencia de estos iones en ellas, se caracteriza por la presencia de color
amarillento en sus hojas y crecimiento retardado. Tienen la propiedad de estar disponible
como elementos nutrientes para la planta bajo condiciones adversas (por ejemplo pH,
presencia de fosforo, aceites, etc), en las cuales los nutrientes metálicos normalmente
formarían compuestos insolubles.
Los reactivos o compuestos quelantes son también conocidos como compuestos
“antagonistas” o secuestradores de metales, ya que tienden a combinarse con estos y generar
complejos metálicos con formaciones espaciales específicas. Estos agentes quelantes poseen
algunas característica interesantes, como ser parcialmente solubles en medios acuosos y
poseer dos o más ligandos potenciales formando, generalmente, un anillo heterocíclico
polidentado que coordina iones centrales por dos o más átomos que entregan electrones, lo
que genera complejos de alta estabilidad.
Los quelatos metálicos son relativamente no polares y como consecuencia tienen
solubilidades que son bajas en medios acuosos pero altas en medios orgánicos. Por lo general
estos compuestos poseen bajas densidades y suelen ser de color intenso. Debido a que son
poco solubles, los compuestos de coordinación eliminan con facilidad su humedad a bajas
temperaturas.
Según su poder acomplejante, los agentes quelantes se clasifican en: 1) Fuertes: EDTA,
HEEDTA, DPTA, EDDHA, NTA (figura 29), 2) Medios: Poliflavonoides, Sulfonatos,
Ácidos Halímicos y Fúlvicos, Aminoácidos, Acido Glutáfico, Polifosfatos, 3) Débiles: Ácido
Cítrico, Ácido Ascórbico, Ácido Tartárico (Bertsch, 1995). Según su proceso de fabricación
y estabilidad, los quelatos se pueden clasificar en cuatro categorías básicas: 1) Quelatos
químicos totales. El metal esta 100% quelatado y protegido contra reacciones adversas
(EDTA, DPTA Y HEDTA). Son los quelatos más eficientes y estables. 2) Quelatos débiles.
58
El metal no está totalmente protegido contra reacciones adversas; es decir, el complejo se
puede disociar fácilmente (NTA, HEIDA, Ácido Cítrico y gluconatos. 3) Quelatos parciales o
físicos. El metal no está totalmente quelatado y se comporta más como una mezcla física de
una sal inorgánica entre un 10-50%. 4) Complejos Orgánicos. El metal está ligado a cadenas
largas de aminoácidos, lignosulfonatos, poliflavonoides y ácidos fenólicos.
Figura 29: Acción del agente quelante etilediaminotetracético sobre un metal.
Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_etilendiaminotetraac/File:Medta.png
Los agentes quelantes funcionan muy bien con aquellos compuesto donde el ion metálico es
más cercano a los periodos 4 y 5 de la tabla periódica debido a las fuerzas de enlace entre los
suborbitales electrónicos (mientras el periodo sea mayor, los suborbitales electrónicos son
mayores) y a las electronegatividades (mientras más electronegativo, se requiere mayor
energía para obligar a los electrones a enlazarse).
En este sentido, los quelatos metálicos, son candidatos excepcionales para generar
fluorescencia. La fluorescencia ha sido utilizada como una señal para rastrear la concentración
de metales en productos químicos, biológicos y en aplicaciones médicas [62] La 8-
hidroxiquinolina (8-HQ) es una de las más importantes quelantes para iones metálicos. Se
sabe que 8-HQ es en sí mismo débilmente fluorescente debido a un débil estado excitado
59
intramolecular debido a la transferencia de protones [63], y al unirse a un metal, bloquea este
canal, restaurando así la fluorescencia [64].
La 8-hidroxiquinoleina y sus derivados ocupan un lugar de importancia única en la química
analítica, tal vez sólo después de EDTA y sus análogos. De hecho, son pocos los reactivos
analíticos que han merecido monografías exclusivamente dedicadas a ellos [65] y nuevas
aplicaciones de oxina y sus derivados se están desarrollando continuamente [66] [67]. En este
sentido, son uno de los compuesto quelantes que generan un mayor número de complejos
metálicos con capacidad de generar fluorescencia. Sin embargo, uno de los inconvenientes de
este derivado de la oxina, es que los complejos formados son, en su mayoría, insolubles en
agua. Partiendo de esto, el compuesto 8-hidroxiquinolina-5-sulfónico (que es una forma
ligeramente ácida de la quinoleina) es el ligando de elección. Sus propiedades para formar
complejos son análogas a las de 8-HQ con las mismas constantes de acomplejamiento [68]
[69], pero con solubilidad ligeramente acuosa [70], que es suficiente para los problemas
derivados de la precipitación del complejo cuando este se forma al ligarse al metal.
Propiedades de fluorescencia del complejo metal-HQS han sido explotados en un trabajo
pionero en cromatografía de papel por Feigl y Heisig [71] y posteriormente en una serie de 10
artículos de Bishop, con estudios generales sobre aplicaciones de acomplejamiento [72]. Esto
también ha sido utilizado como un indicador fluorométrico y se han descrito procedimientos
de determinación de Mg [73] [74] y Cd [75]. Un procedimiento fluorométrico cinético fue
desarrollado para la determinación de Al a pH bajo y varios agentes oxidantes (Ag+ /
persulfato, MnOI y Ce (IV) [76] entre otros estudios.
Los quelatos metálicos son relativamente poco o nada polares y como consecuencia presentan
baja solubilidad en medios acuosos, pero altas en disolventes orgánicos. Por lo general estos
compuestos poseen bajas densidades y suelen ser de color intenso. Debido a que son poco
solubles, los compuestos de coordinación eliminan con facilidad su humedad a bajas
temperaturas.
La 8-hidroxiquinoleina (figura 30), posee características muy específicas como quelante de
algunos metales [77]. Es un compuesto orgánico de fórmula C9H7NO con un peso molecular
60
de 145.16 g/mol, con un punto de ebullición de 267 oC, punto de fusión de 72.5 – 74 oC y
solubilidad de 56 g/l, que forma quelatos con al menos un par de docenas de cationes. La
solubilidad de los 8-hidroxiquinolatos metálicos varía ampliamente de catión a catión, y son
dependientes del pH, ya que la 8-hidroxiquinoleina está siempre desprotonada durante una
reacción de quelación, y por lo tanto, podemos obtener un grado considerable de selectividad
al controlar el pH [78] [79].
Figura 30: Fórmula estructural de la 8-hidroxiquinoleina.
La 8-hidroxiquinoleina coadyuva a la rigidez estructural cuando se ha formado el quelato
metálico. Este aumento en la rigidez la proporciona el puente de cualquier grupo metilo
activo, sobre todo, si se encuentra en forma resonante [78] [80]. Cuando entra en resonancia y
se forma un anillo aromático y la fluorescencia puede verse favorecida. Además, la falta de
rigidez de una molécula puede provocar un aumento en la velocidad de conversión interna, lo
que provoca un aumento en la probabilidad de la desactivación no radiante. En este sentido,
una parte de la molécula no rígida puede sufrir vibraciones de baja frecuencia respecto a sus
otras partes. Tales movimientos individuales pueden explicar ciertas pérdidas de energía no
radiante como, por ejemplo, calor (figura 31).
61
Figura 31: Formación de un quelato de la 8-hidroxiquinoleina con Hg3
También, es importante el efecto del pH, ya que la fluorescencia de un compuesto aromático
con sustituyentes ácidos y básicos en el anillo depende del pH. Cuanto mayor es el número
de formas resonantes, mayor es la estabilidad del primer estado excitado, cuya consecuencia
es una emisión de fluorescencia en la región ultravioleta; sin mencionar que la influencia del
pH en la fluorescencia de ciertos compuestos, se ha utilizado para la detección de puntos
finales de valoración ácido – base [40].
El compuesto 8-Hidroxiquinoleina puede obtenerse comercialmente con un grado de pureza
del 80% o puede ser preparado a partir de la oxina grado Q.P. para uso de laboratorio [81].
Preparación de la Oxina.
La oxina es anfótera, es decir, se disuelve en diluciones alcalinas como oxinato y en
disoluciones ácidas como ion oxinium según la siguiente estequiometria de reacción:
H2Ox+ H+ + HOx + OH- Ox- + H2O
Esta tiende a disolverse en CHCl3, C6H6, CCl4 y otros disolventes orgánicos. Con numerosos
iones metálicos forma quelatos de estequiometria 1:1, 1:2 y 1:3 según la valencia del ión. La
oxina, disuelta en CHCl3 tiene su máxima absorción a 320 nm, la mayoría de los quelatos
metálicos son amarillos y sus absorbatividades molares no exceden de 1.104 M por lo que
62
estas determinaciones no pueden considerarse demasiado sensibles. Los derivados clorados y
bromados 5,7 dicloro y 5,7 dibromo 8-hidroxiquinoleina son también usados en fotometría;
sus complejos metálicos absorben a mayor longitud de onda y las reacciones son más
sensibles. Los derivados sulfónicos de la oxina forman complejos solubles en agua. Además,
la 8-mercaptoquinoleina tioxina es el derivado sulforado análogo de la oxina que también se
usa en fotometría.
Procedimiento de preparación de la 8-hidroxiquinoleina a partir de la oxina.
Se disolvieron 30 gr oxina en 130 ml de ácido acético glacial. 100 ml de CHCl3 y se llevó a
agitación constante a 70’C en sistema de reflujo con refrigerante de bolas durante 3.5 horas.
Una vez enfriado a temperatura ambiente, se adiciona 30 ml de etanol grado Q.P. y se afora a
1 lt en matraz volumétrico para lograr disolución completa (figura 32).
Figura 32: Sistema de reflujo utilizando.
63
Una vez lograda la disolución completa, se agita la mezcla y se toman 250 ml los cuales son
mezclado con 250 ml de agua grado MilliQ para lograr disolución de la muestras 1:1, se
somete a calentamiento y agitación por un espacio de 4 horas hasta lograr una disolución por
efectos de solvatación parcial de la mezcla alcohol-agua hacia el soluto quinoléico.
Posteriormente, se agregó 250 ml de tetracloruro de carbono y la mezcla agua-alcohol-
tetracloruro se sometió nuevamente a reflujo durante 3 horas.
Posteriormente se procedió a la separación de la mezcla orgánica por medio de una
destilación por arrastre de vapor (figura 33) Usamos esta técnica para separar la sustancia
orgánica insoluble en agua y ligeramente volátil de otra no volátil que se encuentra en la
mezcla, es decir, el alcohol del tetracloruro de carbono.
Figura 33: Secuencia de la simulación de destilación para las mezclas binarias utilizadas para la cristalización de la 8-hidroxiquinleina.
Para mantener la secuencia de destilación y evitar reacción reversibles de la 8-
hidroxiquinoleina a la correspondiente oxina, se mantuvieron vigentes las lecturas de valores
de las fases de vapor con respecto a la fase líquida (figura 34).
64
Figura 34: obtención de los productos de la destilación en función de las fracciones molares de la mezcla de 8-hidroxiquinoleina- tetracloruro de carbono en fase vapor con respecto a la mezcla
alcohol - tetracloruro de carbono en fase líquida.
Se mantuvo la fase de separación de componentes hasta lograr una solución total de destilado
de 500 ml con una masa total de 8-hidroxiquinoleina en la destilación del 98% (figura 35).
Figura 35: Avance del proceso de arrastre de vapor con recuperación de solvente y arrastre de soluto
en mezcla.
65
Una vez lograda la separación, se verifico la fracción molar para determinar su pureza (figura 36).
Figura 36: Avance de separación por arrastre con vapor de la mezcla orgánica con 8-hidroxiquinoleina como soluto a una fracción molar de residuo a 0.05 ppm.
Una vez lograda la fase de separación por arrastre de vapor, la solución 8-hidroxiquinoleina
fue recristalizada por reflujo a 80’C con agitación constante por espacio de 2 horas. Se
recuperaron los niveles de humedad perdidos por evaporación con la adición de agua grado
MilliQ. a la mezcla. Posteriormente, la misma se dejó evaporar a agitación constante hasta
sequedad, obteniéndose cristales blancos con un mínimo de humedad.
De los cristales en sequedad, se preparó una solución de concentración 1.5M que fue disuelta
en 250 ml de tetracloruro de carbono hasta dilución completa, se agregó solución buffer hasta
pH de 9.0 y se aforó a 1 lt, con agua destilada.
66
Procedimiento de preparación de muestras
Se prepararon una serie de patrones por adición de Hg de 1000 mg/l en medio ácido en
concentraciones de 0 a 12 mg/l y se agregó 9.7 mg de 8-hidroxiquinoleina disueltos en 5 ml
de etanol y 0.5 ml de tetracloruro de carbono. Posteriormente se adicionó solución buffer 0.5
a 1.5 ml para aumentar el pH a 9.0 y se dejó estabilizar por 2 minutos a agitación contante. La
preparación de estos patrones se realizó como lo indica el siguiente esquema (figura 37).
Figura 37 Preparación de soluciones patrón para la determinación de Hg
Las muestras se estabilizaron con adición de solución buffer hasta medir potenciales de
electrodo de 8.5 – 9 unidades de pH cada vez que fue requerido hacer alguna medición. Se
recuperaron los niveles de humedad perdidos por evaporación con la adición de agua grado
reactivo en las muestras patrón donde fue requerido.
0.5 y 5 ml de cada sol’n
67
Procedimos a generar un barrido espectrométrico con un espectrofotómetro de mesa marca
Cole Palmer modelo SQ - 2800 con rangos de barrido de 190 a 300 nanómetros para
identificar el espectro de emisión en la longitud de onda con mayor intensidad para las
diferentes muestras patrón de Hg; a saber: blanco reactivo, 4 ppm, 6 ppm, 8ppm y 12 ppm.
Los resultados del espectro de barrido se ilustran en la figura 38.
Figura 38: Espectro de barrido para la solución de Hg+2
Este espectro de barrido muestra una sensibilidad alta en la línea de 217.25 nm para
intensidad de señal de 37.5, 26, 22.2, 16.9 CPS en las muestras de 12, 8, 6 y 4 ppm de Hg
respectivamente.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
190 210 230 250 270 290
Seña
l (CP
S)
Longitud de onda (nm)
Hg 12 ppm
Hg 8 ppm
Hg 6 ppm
Hg 4 ppm
Blanco
68
Una vez obtenida la cuerva de emisión, se procedió a elaborar la curva de calibración (figura
39) para posteriormente, desarrollar el método de detección y de cuantificación.
Figura 39: Curva de calibración obtenida a partir de la curva de emisión de soluciones patrón de Hg.
3.3 Caracterización electrónica del dispositivo.
El prototipo nace con la finalidad de detectar una fluorescencia emitida por un fluoróforo.
Para esto, partimos de un diseño conceptual donde se necesita de una fuente de emisión y un
detector. Además, se requiere el diseño y la programación para los mecanismos de detección,
R² = 0.9804
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14
Seña
l (CP
S)
[Hg] ppm
Datos experimentales
Lineal (Datosexperimentales)
69
de emisión, de control y de interpretación de la señal. Es decir, desarrollar el modelado del
concepto utilizando las herramientas electrónicas y de programación para tal fin.
3.3.1 El microprocesador central
Dentro de la gama de microprocesadores existentes en el mercado, decidimos utilizar el
modelo ATMega328P. Este microprocesador es un dispositivo de mediana complejidad para
la implantación de proyectos de electrónica, cuyas características básicas se describen en la
tabla 10.
Concepto
Características
Voltaje de operación 5V Voltaje de alimentación 7 – 12 V Límite de voltaje de alimentación 6 – 20 V Entradas digitales 14 Entradas analógicas 6 Salidas digitales 6 Consumo de corriente por entrada/salida digital 20 mA máximo Consumo de corriente para salidas analógicas de 3.3 V 50 mA máximo Memoria Flash 32 KB Memoria SRAM 2 KB Memoria EEPROM 1 KB Velocidad de reloj 16 MHz
Tabla 10: Aspectos técnicos del microprocesador ATMega328P
Fuente: http://www.atmel.com/devices/ATMEGA328P.aspx
El microprocesador ATMega328 está diseñado bajo el concepto de “sistema embebido”, es
decir, una combinación de componentes integrados en un solo dispositivo que permite una
alta funcionalidad tanto en sus puertos de entrada como en sus puertos de salida hacia
cualquier dispositivo electrónico para aplicaciones dedicadas; en este caso, sólo la de
recepción y emisión de datos vía sus puertos de comunicación (figura 40).
70
Figura 40: El microprocesador ATMega328P de MricroChip. Fuente: http://www.atmel.com/devices/ATMEGA328P.aspx
El voltaje operativo del microprocesador fluctúa de 3.3 a 5 V, lo que supone que podemos
aplicar a un pin (“clavija o patilla”) sólo ese voltaje. Para la alimentación a circuitos
derivados y controlados a partir del ATMega328, es preferible trabajar en 5 volts debido a que
se utilizan sensores para este voltaje. En este sentido, el voltaje de entrada difiere del voltaje
operativo, y en el caso de este microprocesador, puede ser alimentado a 12 volts, ya que posee
su propio regulador interno de voltaje.
El microprocesador posee 14 pines de entrada/salida digital, de los cuales sólo 12 son
utilizados; esto es porque los pines 0 y 1 están asociados al puerto serie. Si conectamos una
carga a cualquiera de estos dos pines, entonces no habrá forma de comunicarse con la PC para
iniciar o mantener procesos de carga de código o comunicación serial. Además de que, como
opción de versatilidad, los pines analógicos pueden ser utilizados como pines digitales
tomando en consideración que el pin A0 (analog 0) se convierte en el D14 (digital 14), el A1
en el D15 y así sucesivamente. También, el microprocesador permite utilizar señales PWM
(Pulse Width Modulation) para el control de potencia entregada a través de una señal pulsante.
Estás no son señales analógicas, ya que la amplitud del voltaje no varía, de tal forma que el
voltaje promedio se ve reducido conforme se modifica el ancho de los pulsos.
Los pines analógicos de este microprocesador están asociados a un circuito ADC (Analog to
Digital Converter), lo que nos permiten leer señales de voltaje en el rango de 0 a 5 volts con
respecto a la tierra (GND), las cuales son exclusivamente de corriente directa.
71
El microprocesador posee una memoria Flash donde se almacena el código de programación.
Cuando se acerca al límite de almacenamiento (95%), se suelen presentar fallos en la carga,
aunque es difícil llegar al 85% de la capacidad de esta memoria sin que se active una alarma
de software advirtiendo de los límites de almacenamiento del código, así como en la memoria
SRAM que es similar a la RAM de una PC. Esta es una memoria de acceso aleatorio
dinámico que se activa en tiempo de ejecución para todos los procesos internos del
microprocesador, lo que limita el uso de las librerías y la capacidad de manejar datos, ya que
estos dependen directamente de la memoria SRAM.
El microprocesador viene integrado con un oscilador de 16 MHz que le permite llevar a efecto
las tareas en tiempo de ejecución. Este oscilador es responsable del conteo del tiempo en
función de la frecuencia. Mientras más alta sea la frecuencia de oscilación, se tendrá un
procesamiento más rápido de la información.
La información complementaria con respecto al diseño electrónico, lógico y de
procesamiento, se encuentra indicada en el anexo I.
3.3.2 El microprocesador secundario
El microprocesador secundario está referido a aquel hardware que sirve como interface de
comunicación entre el procesador central y el usuario. En este trabajo, utilizamos el
“Processor Diablo 16” de la marca 4D System, con memoria acoplada a un módulo de
visualización del tipo superficie resistiva que utiliza los cambios de corriente al momento de
ser pulsada.
Este procesador acoplado a la pantalla táctil presenta 5 vías de comunicación entre el
adaptador y el módulo de visualización (figura 41).
72
Figura 41: Interfaz tipo pantalla resistiva: Vista frontal (izquierda), vista posterior(derecha).
Para lograr la visualización de los elementos gráficos en la pantalla a fin de que funcione
como una interfaz básica entre el usuario y el prototipo, se han desarrollado librerías bajo el
modelado de objetos para facilitar la programación entre dispositivos. Se ha creado secciones
de comandos para construir elementos a partir de primitivas gráficas que permitan una rápida
comunicación con el procesador ATMega. Requiere, para un mejor funcionamiento, una
alimentación de 5 volts a partir de una fuente que no dependa del microprocesador principal.
También, se ha operado una interfaz de desarrollo para la programación del módulo de
visualización utilizando lenguaje C++ para ambientes 4DGL generando respuestas visuales de
diseño de interfaces del tipo ViSi-Genie donde se intenta minimizar el código base lo mejor
posible. Se utilizó un entorno de programación para puertos serie que nos permite la
comunicación del microprocesador conectado al puerto serie genérico que, a su vez, mantiene
una comunicación con el microprocesador ATMega.
3.3.3 La fuente de emisión LED
Se utilizó una fuente de emisión de luz UV de 1 watt de potencia. Este diodo emisor de luz, es
de diseño complejo, incluye una óptica de control de flujo luminoso y de disipación de calor
(figura 42).
73
Figura 42: Diodo emisor de luz UV de rango 390 - 410 nm.
Este diodo emisor de luz de alta potencia está integrado por un semiconductor de flujo
luminoso con terminales exteriores para alimentación del cátodo (+) y ánodo (-). Presenta un
recubrimiento con un encapsulado de silicón en el semiconductor emisor así como un sistema
de disipación de calor a partir de una base de aluminio en la parte inferior. Posee una óptica
primaria integrada por una lente semiesférica envolvente de resina termoplástica transparente
y una óptica secundaria integrada por diversos microlentes concentradores de flujo luminoso.
Sus características técnicas se indican en la tabla 11.
Concepto
Características
Vida promedio 50,000 hrs Flujo luminoso 55 lúmenes Índice de flujo luminoso 55 lúmenes / W Mantenimiento de flujo luminoso 75% Voltaje de operación 3.4 Volts Corriente de operación 350 mA Ángulo de apertura de haz luminoso 120o
Material de construcción Nitruro de Galio- Indio (InGaN)
Tabla 11: Características técnicas del LED de alta potencia.
Al utilizar este LED, estamos garantizando una emisión en el rango UV de 390 nm necesarios
para la generación de fluorescencia. Los detalles y especificaciones técnicas, están referidos
en el anexo II.
74
3.3.4 El fotodetector
El fotodetector es un fotodiodo o semiconductor que genera una corriente eléctrica o voltaje
cuando la unión P-N en el semiconductor es incidida por una fuente de luz. Es la expresión
práctica del efecto fotoeléctrico descrita por Albert Einstein. El término fotodiodo es
usualmente referido a sensores que son capaces de detectar la intensidad de la luz. Los
fotodiodos pueden ser clasificados en función del material de construcción o de su aplicación,
siendo los más usuales los de sustrato de sílice monocristalino. Estos fotodiodos de sílice
monocristalino presentan una muy buena linealidad con respecto a la luz incidente, bajo ruido
eléctrico, rango amplio de respuesta espectral, alta resistencia mecánica, dimensiones y peso
compacto y larga vida útil.
Los fotodiodos de sílice pueden abarcar zonas de detección desde el ultravioleta hasta el
infrarrojo cercano. Como nuestro problema a resolver se centra en detectar una fluorescencia
en la región ultravioleta, utilizamos dos tipos; uno que abarca rangos del ultravioleta al
infrarrojo, y un segundo que sólo abarca la región ultravioleta. Ya que cuentan con alta
sensitividad y baja corriente obscura, estos fotodiodos son los indicados para fotometría de
precisión y en general para la detección fotométrica hasta el rango de luz visible.
Los fotodiodos utilizados en el prototipo son los modelos S1226-8BQ (figura 43- a) y
S90232-02 (figura 43-b) fabricados por Hamamatsu Photonics. Estos fotodiodos presentan
respuestas espectrales de 0.2 a 0.5 mA/Watt entre los 190 y 400 nm de longitud de onda.
Figura 43: a) Fotodiodo modelo S90232-02 de tres canales. b) Fotodiodo modelo S1226-8BQ de un solo canal
75
El fotodiodo S9032-02 es un semiconductor de tres canales donde cada uno responde a un
rango diferente de longitudes de onda. El canal 1 tiene una respuesta espectral entre los 190 y
los 720 nm, con una sensitividad máxima en los 460 nm. El canal 2 presenta una respuesta
espectral entre los 480 y los 600 nm, con una sensitividad máxima en los 540 nm. Finalmente,
el canal 3 presenta una respuesta espectral ente los 590 y los 720 nm, con una sensitividad
máxima en los 620 nm.
Aunque lo que estamos buscando son respuestas espectroscópicas en el rango de los 380 a los
410 nm, también observamos respuestas en longitudes de onda mayores. Es importante
señalar que, aunque la respuesta espectral base es la referida a la región UV, las demás
señales no deben ser menospreciadas, ya que es posible que se den efectos de resonancia o de
emisión en otros rangos donde, de alguna u otra manera, se tienen repuestas de fluorescencia
o de absorbancia que podrían indicar alguna reacción de equilibro químico o de degradación
de los reactivos, así como alguna variación en el comportamiento del pH de la solución. Es
por ello que no se descartan las lecturas que el fotodiodo de tres canales arroje cuando recibe
la energía proveniente de la muestra irradiada.
Probamos la respuesta del fotodetector para diferentes fuentes de emisión, esto con el fin de
caracterizar la respuesta en función de la potencia de detección de diferentes longitudes de
onda. Buscamos, de esta forma, verificar que los fotodetectores siguen un comportamiento
característico y que su señal no se ve saturada a pesar de generar una alta incidencia de
emisión por parte de los diversas fuentes de luz UV que se usaron para este ensayo (figura
44).
76
Figura 44: Respuesta del fotodiodo para diferentes fuentes de luz UV en diferentes longitudes de onda
Las especificaciones técnicas, así como las respuestas espectrales de dichos fotodiodos, se
indican en el anexo III.
3.3.5 El amplificador operacional
Dentro del desarrollo de la instrumentación electrónica, uno de los dispositivos de mayor
utilidad es el conocido como amplificador operacional, que es versátil, compacto y de bajo
costo. Este dispositivo permite medir potenciales de salida sin arrastrar corriente apreciable.
Para el caso del prototipo, utilizamos el modelo CA3140 (figura 45), que es un amplificador
operacional de muestreo de carga y retención de corriente que amplifica teóricamente
alrededor de 300 veces la señal inicial a partir de un control de ganancia MOSFET y que
opera en un rango de 0.5 a 15 volts. Con esto, generamos un arreglo electrónico que nos
permita amplificar la señal alrededor de 40 veces de su valor inicial, logrando una lectura lo
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
mW
/cm
2)
mV
UV 410 - 415 nm
UV 420 - 430 nm
UV 390 - 410 nm
UV 420 - 460 nm
UV 410 - 420 nm
UV 440 -450 nm
77
suficientemente clara y confiable que pueda ser interpretada por el microprocesador y, a
partir del algoritmo diseñado para el control y la interpretación de señal, generar una respuesta
clara y confiable de la señal de salida. Las especificaciones técnicas se describen en el anexo
IV.
Figura 45: Amplificador operacional CA3140 marca Intersil. Fuente: http://www.intersil.com/en/products/amplifiers-and-buffers/all-
amplifiers/amplifiers/CA3140.html
3.3.6 La fuente de alimentación
La fuente de alimentación es un circuito rectificador que convierte la corriente alterna en
corriente continua con salidas de +5, -5, +10 y + 12 volts; todas ellas reguladas para evitar
caídas de tensión (figura 46).
78
Figura 46: Fuente de alimentación regulada.
Esta fuente de alimentación es acoplada al prototipo identificando y regulando las salidas de
voltaje con corrientes máximas de 1.5 mA de carga por cada salida. Son necesarias 5 salidas
reguladas para alimentar todos los dispositivos del prototipo evitando las caídas de tensión
cuando, por ejemplo, la fuente de emisión es encendida o cuando la interface es activada.
3.3.7 Diagrama electrónico
El diagrama electrónico, con todos los componentes acoplados, se describe en la figura 47.
79
Figura 47: Diagrama electrónico del prototipo
Los elementos, a nivel de diagrama son:
• Detector: Hamamatsu Photonics.
• Amplificadores operacionales: CA314DEZ
• Microprocesador: ATMega 3820/P
• Interfaz gráfica: 4D System modelo Diablo 16
Además, se indican los elementos resistivos y de alimentación de voltaje para los
amplificadores, el microprocesador y la interface gráfica.
80
3.4 Construcción de prototipo
El desarrollo del prototipo electrónico está basado en perfilar los mecanismos de control que
permitan excitar la muestra con una fuente UV, detectar la fluorescencia o señal generada a
partir de un sensor en el rango de los 290 - 410 nm e interpretarla [59]. En una primera fase,
comenzamos con un proceso de detección cualitativa; es decir, poder determinar si, a partir de
las lecturas de señal medida, podemos revelar o no al contaminante y, en una segunda fase,
determinar la cantidad de contaminante presente en dicha muestra. Es evidente que la
construcción del prototipo requiere de varias fases donde se ensamblen y prueben los diversos
componentes para verificar su operatividad; misma que debe ser integrada en el dispositivo de
manera tal que cada uno realice las tareas en función de cómo fue ensayado a nivel de
software de modelado para el diagrama electrónico.
3.4.1 Desarrollo
Se construyeron tres prototipos, cada uno consecuencia de mejoras en el prototipo anterior.
Describimos el desarrollo de cada uno y los componentes a manera de módulos que los
conforman. En la parte final del desarrollo, se lista una tabla de los diversos módulos que
conforman el prototipo final.
Trabajamos sobre el concepto preliminar de un dispositivo que detecte una emisión de
fluorescencia generada por una reacción fisicoquímica iniciada por una fuente UV de alta
potencia. Dicha emisión, una vez amplificada es interpretada por un microprocesador que,
acoplado a una interfaz gráfica (analógica o digital), nos indique cualitativa y
cuantitativamente el contaminante presente en el medio acuso analizado (figura 48).
81
Figura 48: Planteamiento conceptual del prototipo.
3.4.1.1 Primer prototipo
Utilizamos como dispositivo para la interpretación electrónica, al microprocesador ATMega
3820P por la versatilidad de sus conexiones, tanto analógicos como digitales. Se programan,
como paso preliminar en los tres prototipos, tres señales analógicas de entrada, una señal de
salida y una para la interpretación de datos, mismos que son mostrados en una pantalla
alfanumérica.
Trabajamos sobre dos propuestas para el dispositivo de captura de radiación no ionizante; una
fotorresistencia de sulfuro de cadmio (CdS) que genera señales de respuesta en el rango de
1.2 a 3.5 V, y un detector de radiación de ferricianuro de sílice (SiFe(CN)2) de tres canales de
alta sensibilidad que trabaja en el rango de 0.1 a 0.6 mV. (figura 49).
82
Figura 49: Sensor de SiFe(CN)2 de tres canales.
Como la interacción luz – materia es compleja, una fuente de longitud de onda corta nos
puede proporcionar mayor eficiencia para la detección. Sin embargo, las posibilidades de que
dicha energía se convierta en calor, son muy altas. Es por ello que, una vez determinada la
longitud de onda en la que nuestro analito puede ser excitado, es necesario medir las
respuestas de fluorescencia generadas [57, 58]. Esto nos lleva a la necesidad de encontrar las
diferentes respuestas que tienen diferentes fuentes de longitud de onda.
Previo a la definición del tipo de fuente a utilizar, se tomaron lecturas con LED´s de
diferentes longitud de onda; todas de 1 watt de potencia (tabla 12).
Longitud de onda del LED
Voltaje de operación
Min Max
375 – 380 azul 3.8 4.5 405 – 410 azul 3.8 4.5 420 azul 3.5 4.0 490 – 540 verde 2.0 3.5 550 – 600 amarillo 2.5 3.5
Tabla 12: LED´s utilizados como fuente de emisión.
83
Los LED´s presentan la misma conformación física. Es necesario, por las necesidades de su
consumo y por seguridad para no estropearlo, regular el voltaje de entrada a los rangos
máximos indicados en la tabla 1. Todos los LED´s usados en este prototipo son montados
sobre una base estándar para regular el voltaje (figura 50).
Figura 50: LED UV del rango 390 – 410 nm con regular de voltaje acoplado.
Se reciben tres señales de tipo analógico con rangos de 0.03 a 2.7 volts, una por cada rango de
detección. Todo el dispositivo es alimentado por una fuente de 5 volts para un consumo
máximo de 0.6 mA.
El contenedor de la muestra acuosa se monta sobre una base donde se instalan tanto el
detector como la fuente de emisión. Dicho contenedor se prefiere totalmente obscuro y sin
superficies reflejantes (figura 51).
Figura 51: Primer prototipo con celda para probeta de muestra, LED UV y detector.
84
La señal del detector es llevada a la electrónica de amplificación, que a su vez, está habilitada
por un circuito de retroalimentación para evitar caídas de tensión. Todo ello se encuentra
alimentado por una fuente de 5 volts (figura 52).
Figura 52: Circuito con amplificador operacional y buffer para caídas de tensión.
Todas estas fases, en un primer ensamblado, permiten operar al prototipo de manera tal que es
necesario verificar el correcto funcionamiento de los diferentes dispositivos. Se detectaron
algunas caídas de tensión leídas en el microprocesador lo que nos llevó a verificar si no
existían fallas en el LED de emisión o en el fotodetector, así como en el correcto
funcionamiento de la señal de salida del amplificador operacional.
La señal, una vez amplificada y estabilizada, es llevada a la electrónica de interpretación que
nos permite obtener una lectura presuntiva (en una primera fase) del analito buscado (figura
53).
85
Figura 53: Primer prototipo completo, incluyendo sistema de adquisición de datos y pantalla analógica.
3.4.1.2 Segundo prototipo
El segundo prototipo mejorado incluye la interface gráfica 4D System de control y de
interpretación de datos. Se utiliza, como interface de comunicaciones, una pantalla sensible al
tacto de 8.5 por 6 cm alimentada con 5 volts con dos canales de transmisión y recepción de
datos desde el microprocesador. Dicha pantalla es programada para recibir las señales e
interpretarlas. Además, se configura para encender y apagar el equipo, detectar las tres
señales en los tres rangos posibles y dar lectura a la señal más intensa previamente ponderada
(figura 54).
86
Figura 54: Modelo previo de diseño de la interface para el control del prototipo.
La electrónica mejorada incluye un filtro en la señal y la posibilidad de intercambiar las
fuentes de emisión en diferentes rangos de longitud de onda en el UV, pero no las fuentes de
detección. Es decir, estamos dejando fija la fuente de detección ya que, para este segundo
prototipo, no hemos considerado intercambiar el fotodetector por algún otro con mejor
respuesta. También no consideramos aún un cambio o mejora en la celda de detección que
contiene, además de la fuente de emisión y al fotodetector, la probeta con la muestra
previamente tratada (figura 55).
Figura 55: Segundo prototipo con pantalla sensible al tacto como interface
87
Como parte de las mejoras en el diseño y la programación, recogemos en la interface gráfica,
las señales de los canales utilizados para la lectura de la fluorescencia emitida por la muestra.
Se toma como predominante a aquella señal de mayor potencia y se realiza el análisis
estadístico cargado en el software del microprocesador con los demás canales, obteniendo así
una señal estadísticamente significativa (figura 56).
Figura 56: Interface activa con tres canales y señal ponderada.
3.4.1.3 Tercer prototipo
El tercer modelo del prototipo se desarrolló en dos fases; la primera consistió en la adecuación
y mejoramiento de la electrónica implantando la fuente de poder bipolar de +12, -5 y +5 volts
(figura 57), así como el arreglo dimensional en lo que ahora es la estructura física del
instrumento (figura 58).
88
Figura 57: Fuente de alimentación bipolar de (+/-) 5
y 12 volts.
Figura 58: Arreglo dimensional de la estructura física del prototipo.
La segunda fase consistió en el desarrollo de una nueva celda de detección, la cual cuenta con
la peculiaridad de poder intercambiar tanto el detector como la fuente de emisión UV. Dicha
celda se concibió como un cuerpo opaco con la menor superficie reflejante y con el espacio
necesario para la introducción de la muestra contenida en una probeta cúbica (figura 59).
Figura 59: Celda de detección con fuente de emisión, detector y ranura porta probeta: fuera del
instrumento (a), y empotrado en el mismo (b).
89
Finalmente, la conjugación de todas las fases nos da como resultado el tercer prototipo
terminado. Esta versión del instrumento engloba: fuente de poder regulada bipolar, electrónica
de emisión y control de radiación UV, celda de emisión UV - detección de fluorescencia UV,
electrónica de recepción – amplificación de señal y microprocesador de detección e
interpretación de señal (tabla 13). Todos estos elementos, a excepción de la fuente bipolar
regulada, están controlados por la pantalla sensible al tacto que funciona como interface entre
el usuario y el instrumento (figura 60).
Módulos construidos Aplicación
Fuente bipolar (+/-) 5 y 12 volts
Suministro y regulación de energía
Electrónica de emisión y radiación UV
Suministro de radiación UV no
ionizante con control de intensidad
Celda de emisión UV – detección fluorescencia
Zona de emisión de radiación UV
hacia la muestra acuosa y de detección de fluorescencia generada
por el analito buscado.
Electrónica de recepción – amplificación de señal.
Recepción de la señal emitida y
potenciada mediante amplificadores operacionales.
Sistema de microprocesador –
interpretación de señal
Recibe la señal amplificada y,
mediante un algoritmo previamente programado, interpreta la señal.
Interfaz gráfica Control del instrumento y presentación gráfica de los
resultados.
Tabla 13: Módulos que componen al 3er prototipo.
90
Figura 60: El tercer prototipo a) armado y operando y b) con la fuente UV incidiendo en la probeta con la muestra.
Las pruebas de detección cualitativa y cuantitativa para el Hg+2 se realizaron desde la puesta
en marcha del primer prototipo. La evolución en el diseño y mejora en la electrónica de
detección se concentró en el desarrollo de modelo de la interfaz gráfica de control y en la
celda de detección, misma que presentó mayor complejidad en su diseño debido a la
necesidad de contar con espacios no reflejantes y con una alineación entre emisor – muestra –
detector lo más precisa posible. Esto se logró midiendo las desviaciones en las lecturas de
salida del detector con respecto a la posición horizontal del emisor. En este sentido, la muestra
no requiere ajuste en cuanto a su ubicación, ya que se encuentra fija en la parte central de la
celda, y la radiación incide sobre una sección horizontal de la misma.
Finalmente, al poner en funcionamiento el prototipo, se procedió a la fase de ajustes para
verificar alteraciones en las señales recibidas en el detector. Todo lo anterior con el fin de
proceder a las pruebas de validación para el desarrollo del método de detección.
91
3.5 La lógica de programación del prototipo.
La utilización de un microprocesador supone, como es sabido, que el mismo requiera de un
serie de órdenes o comandos que le permitan realizar la función para la cual ha sido
construido. El prototipo, al ser un dispositivo electrónico, requiere de las instrucciones
necesarias para ejecutar las tareas para las cuales fue desarrollado. Cada paso en el
instrumento, desde el encendido, el reconocimiento del microprocesador, el control de la
fuente de poder, el control de la fuente de emisión, la recepción de la señal y los algoritmos de
interpretación de la misma requieren una serie de secuencias de programación que permitan el
buen desempeño del instrumento.
3.5.1 El esquema básico
El concepto del prototipo se basa en el modelo como el que se indica (figura 61).
Figura 61: El concepto del prototipo.
92
El microprocesador es el cerebro del prototipo. Aunque no lo estamos consideramos la parte
más importante, si es indicada como una parte vital del instrumento. En él, toda la
información, así como las instrucciones, están contenidas de tal forma que el sentido de los
datos y las instrucciones están definidos y construidos en la cantidad de instrucciones que son
grabadas en sus circuitos.
La fuente de emisión, es una fuente de luz UV controlada desde el microprocesador donde se
manipula la intensidad de la energía que despide en función del voltaje que se está
controlando para su funcionamiento.
El detector, es el sensor capaz de recibir la excitación a nivel de energía fotónica y capaz de
convertirla en energía eléctrica bajo el principio del efecto fotoeléctrico.
El amplificador operacional, es el dispositivo capaz de amplificar una señal recibida con
ayuda de una fuente externa de energía. La capacidad de amplificar la señal será dependiente
del tipo de amplificador que se utilice.
La fuente de poder, es el dispositivo capaz de suministrar una corriente y un voltaje regulados
a diferentes capacidades en función de las necesidades de los diferentes dispositivos que harán
uso de ello.
Finalmente, la interface, que juega el papel más importante en el desarrollo del prototipo, es
un dispositivo electroresistivo capaz de interpretar una señal eléctrica que se genera en su
superficie al incidir con una ligera presión sobre ella. A partir de esto, y con una serie de
órdenes de programación, esta interface puede recibir y dar una respuesta gráfica de los
diversos estados que guarda el desempeño del prototipo. Aunque sólo es físicamente una
pantalla del tipo resistivo, contienen una cantidad considerable de código de programación no
embebido pero si conectado vía una memoria RAM sustituible. El encendido, la lógica de
interpretación, el control del emisor de luz UV y los resultados, son enviados y presentados al
usuario en ella.
93
3.5.2 El microprocesador.
El microprocesador ATMega 328/P es un circuito integrado programable de arquitectura no
configurable [58], es decir, sus funciones son especificadas por el usuario a partir del
desarrollo y carga de instrucciones vía un lenguaje de programación. Su arquitectura (figura
62) implica la implantación de código de programación de manera tal que sólo es necesario el
diseño de interface para la comunicación y la carga de las instrucciones utilizando dos puertos
series programables genéricos (Tx y Px). A diferencia de otros microprocesadores, el diseño
de interfaces permite una comunicación más inmediata con los puertos de entrada/salida y no
necesita mayor complejidad en su lógica de programación.
Figura 62: Diagrama de bloque de la arquitectura del microprocesador Fuente: http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATMega328-
328P_datasheet.pdf
94
La programación del microprocesador se desarrolló en varias etapas:
Programamos los puertos A0, A1 y A4 para la adquisición de la señal que se recibe del
fotodetector de fluorescencia, la cual es convertida de bits/seg. a v/seg. Además,
programamos la potencia de emisión del LED a partir de un voltaje de salida regulado de 0 a
3.5 volts así como el control de la fuente de alimentación para observar la energía
suministrada (figura 63).
Figura 63: Sección de código para detección y conversión de señal en el microprocesador.
3.5.3 La interface
La programación de control de la interface requirió de dos momentos: el primero, el
desarrollo de las plantillas de visualización, y el segundo la implantación de la plantilla final
95
para comunicación con el microprocesador. Par esto, se utilizó de un editor de diseño para
lenguaje C++ (figura 64).
Figura 64: Sección de código para software de modelado y editor para la interface en lenguaje C++
Modelamos varios diseños, comenzando con la adquisición de la señal previo tratamiento
algorítmico (figura 65) pasando, en un diseño intermedio, por la adquisición de tres señales
previa interpretación de las mismas por parte del microprocesador (figura 66).
96
Figura 65: Primer diseño de interface Figura 66: Diseño de interface para tres
lecturas
Finalmente, se perfiló la interfaz incluyendo el control de encendido, las intensidades de las
señales con desplegados gráficos para señales de adquisición continua en lapsos de
visualización de pantalla de 5 segundos y control de intensidad del LED UV (figura 67).
Figura 67: Interface final para tres señales, control de encendido y respuesta de detección
final
El código desarrollado para la comunicación entre la interface gráfica y el microprocesador se
incluyen en el anexo V.
97
3.5.4 La integración de los dispositivos
Para la integración de los dispositivos, incorporamos un modelado como función principal
para el intercambio de datos, recepción de señal, interpretación y respuestas tanto del
microprocesador como del procesador gráfico de la interface (figura 68). La
intercomunicación entre dispositivos está regulada por las instrucciones previamente
desarrolladas en los algoritmos de interpretación (anexo1), intercomunicación con la interface
(anexo2), control de encendido (anexo3) y control de potencia del LED UV (anexo 4). La
comunicación entre dispositivos es permanente en el sentido de control y flujo de datos. Los
controles de regulación de corriente, para el caso de los fotodetectores no aplican, ya que se
busca captar toda la energía que se pueda recibir de la muestra irradiada. Para esto, la energía
recibida pasa por los amplificadores operacionales quienes entregan la señal al
microprocesador.
Figura 68: Diagrama entidad-relación de los diversos componentes controlados por software.
98
Los datos, tanto de acceso, como de control de interface y lectura de señal, se encuentran en
flujo permanente mientras los detectores estén encendidos. Las líneas de código que controlan
el encendido de la fuente de luz UV, también involucran la recepción de datos de los
fotodetectores. Aunque estos están permanentemente emitiendo por lo menos ruido eléctrico
por su propia naturaleza, la señal no es recibida o procesada hasta que el microprocesador
activa la recepción de la señal y la convierte en datos. Esta recepción es activada sólo hasta
que se envía la instrucción de encendido del LED UV. Cuando el LED UV se enciende, el
microprocesador activa los puertos de A0, A2 y A4 para dar entrada a las señales del
fotodetector. Sólo hasta ese momento, las señales son ingresadas y procesadas. Mientras el
LED no esté encendido, las señales de los fotodetectores no son procesadas por que no hay
datos que deban ser medidos (figura 69).
Figura 69: Flujo de datos de los diferentes elementos del dispositivo.
Finalmente, la lógica de funcionamiento del prototipo sigue la secuencia indicada en el
diagrama de flujo (figura 70).
99
Figura 70: Diagrama de flujo de operación del prototipo
La secuencia de reconocimiento de datos a partir de la interface gráfica no es dependiente del
inicio de los procesos del microprocesador. La independencia de ambos estriba en que las
funciones de cada uno están gobernadas por instrucciones en cuanto a las comunicaciones de
flujo de datos entre los detectores y los controles de emisión y potencia de la señal. El
procesamiento de la interface gráfica no depende del procesamiento de los datos del
microprocesador. Ambas partes reciben y envían datos previamente procesados. Esto significa
que si alguno de los microprocesadores sufriera una falla, el otro continuaría en funciones
procesando los datos recibidos. Es claro que no tiene sentido que sólo un procesador trabaje,
pero con esto, evitamos una falla generalizada del prototipo en cuanto a la independencia de
cada componente.
100
Resumen
Esta propuesta de innovación no pretende sustituir lo ya existente en el mercado. Al contrario,
se intenta mejorar lo que ya se conoce a partir de ideas nuevas que permitan hacer más
económico y eficiente lo que ya está en uso. Las potencias tecnológicas como Alemania y los
Estados Unidos son, y seguirán siendo, los competidores casi imposibles de superar. Pero
innovar no es privativo de nadie, y mucho menos, de quienes nos proponemos ser creativos.
La propuesta de innovación de este prototipo conlleva establecer la idea de lo que se desea
mejorar: la determinación de metales en medios acuosos a un menor costo e in situ. Desde el
desarrollo de la idea conceptual, pasando por la definición de los reactivos químicos y la
preparación de los mismos, los materiales electrónicos y sus pruebas de funcionamiento, la
construcción del prototipo, la programación de los microprocesadores, tanto el principal como
el secundario en el diseño de interfaces utilizando lenguajes de programación de 4a
generación y las pruebas de mejora hasta llegar a una versión del mismo que consideremos
totalmente operativa, es la propuesta que se logró en esta primera etapa .
101
Capítulo IV Pruebas y validación
La validación es un paso fundamental para asegurar que los resultados, generados por el
método de análisis que hemos desarrollado, sean confiables. Con esto, lo que se busca es
determinar, con fundamento estadístico, que el método implementado es el adecuado para los
fines a los que fue diseñado. En este sentido, la propuesta de implantación del prototipo nos
lleva al desarrollo de la validación de un método no normalizado; es decir, un método nuevo,
generando para ello datos experimentales que se utilizan para medir y comparar resultados
con los criterios estadísticos suficientes que permitan darle certeza a los resultados obtenidos,
lo que a su vez, puede llevarnos a demostrar que el método desarrollado es equivalente a otro
ya implementado, todo esto con características de desempeño y confiablidad demostrables
estadísticamente [82] [83] .
Nuestro prototipo es una propuesta nueva de diseño y de implementación, por lo que éste
requiere del desarrollo un método para el análisis de las muestras que es necesario definir y
documentar paso a paso para así constatar su veracidad a partir del proceso de validación. Los
parámetros de validación que se determinan para un método analítico son: selectividad,
linealidad, sensibilidad, límites, precisión, veracidad, robustez y aplicabilidad (tabla14).
Parámetro a evaluar
Características del parámetro
Selectividad Identificación del analito, Interferencias
Linealidad Rango lineal Sensibilidad Pendiente del rango lineal, Límites Crítico (LC), De detección (LOD),
De cuantificación (LOQ) Precisión Repetibilidad, Reproducibilidad Veracidad Sesgo, Recuperación Robustez Prueba de Youden y Steiner Aplicabilidad ----------------------------
Tabla 14: Características de los parámetros a evaluar en pruebas de validación analítica.
102
4.1 Selectividad.
La selectividad es el grado en el que el método puede cuantificar al analito en presencia de
interferencias. Para el caso de nuestro prototipo, la selectividad está en función del espectro o
longitud de onda de máxima absorción, sobre todo, cuando es comparado con algunas
interferencias posibles presentes en las muestras.
Las pruebas de selectividad consisten en analizar blancos reactivos a diferentes
concentraciones y compararlas con muestras testigos y otros blancos con variaciones en la
composición de las matrices (diversos solventes, algunos solutos, otros contaminantes). De
esta forma, se debe determinar cuáles son los parámetros que restringen la selectividad. En
este sentido, la selectividad estará definida, en gran medida, por los parámetros definidos y
medidos en la sección de “robustez del método” (sección 4.7).
4.2 Linealidad.
La linealidad es la capacidad del método de análisis, dentro de un determinado intervalo, de
dar una respuesta o resultados que sean proporcionales a la cantidad de analito que se habrá
de determinar en la muestra. Se realiza construyendo la Función Respuesta (también conocida
como recta de calibrado) con un mínimo de 5 valores. Luego de construir el gráfico, se debe
observar el comportamiento y establecer cualitativamente el rango lineal. Después de
establecer el comportamiento lineal del método, se construye la curva de calibración a partir
de los datos de concentración de estándares conocidos contra la lectura observada.
103
4.2.1 Función respuesta.
Se presentan los datos obtenidos para construir la Función Respuesta a diferentes
concentraciones de muestras patrón de Hg durante un periodo de cinco días (tabla 15).
No. mediciones
Señal (mV) mV Promedio [Hg] ppm Día 1 Día 2 Día 3 Día 4 Día 5
1 0.00 0.52 0.53 0.52 0.51 0.52 0.52 2 0.20 0.51 0.52 0.51 0.52 0.51 0.51 3 0.50 0.52 0.51 0.52 0.51 0.52 0.52 4 1.00 0.52 0.52 0.51 0.52 0.51 0.52 5 2.00 0.53 0.53 0.53 0.54 0.53 0.53 6 4.00 1.30 1.32 1.28 1.3 1.29 1.30 7 5.00 3.57 3.61 3.58 3.57 3.57 3.58 8 6.00 5.64 5.67 5.63 5.83 5.85 5.72 9 8.00 8.00 8.1 8.12 7.98 8.13 8.07
10 10.00 10.32 10.31 10.29 10.3 10.29 10.30
11 12.00 11.30 11.3 11.31 11.3 11.3 11.30
12 14.00 11.29 11.3 11.28 11.29 11.29 11.29
13 16.00 11.30 11.3 11.28 11.28 11.3 11.29
Tabla 15: Datos de la señal promedio durante cinco sesiones para diferentes concentraciones de
[Hg].
Con estos datos, obtenemos la gráfica de la Función Respuesta (figura 71).
104
Figura 71: Función Respuesta para [Hg] (datos tomados de la tabla 1).
4.2.2 Curva de calibración.
Con esta información, establecemos cualitativamente el rango lineal, donde se observa que el
comportamiento óptimo se encuentra entre los rangos de 2 a 12 ppm de [Hg]. A partir de esto,
generamos la Curva de Calibración graficando las lecturas del estándar de calibración a
diferentes diluciones contra la señal observada (figura 72).
Figura 72: Curva de calibración para el rango lineal de la Función Respuesta.
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00
Seña
l (m
Volts
)
[Hg] ppm
y = 1.0996x - 1.2573 R² = 0.9859
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00
Seña
l (m
Volts
)
[Hg] ppm
105
El coeficiente de correlación estimado es R2 = 0.9859. Aunque la literatura indica que una
correlación aceptable existe entre variables y valores cuando R2 >= 0.999 [58, 59], estamos
considerando válido el R2 obtenido para este prototipo.
4.3 Sensibilidad.
La sensibilidad es la relación entre la señal obtenida con respecto al objeto de medición. En
este caso, es la señal (mV) con respecto a la concentración.
En la regresión lineal, corresponde al cálculo de la pendiente “m” de la curva de calibración
(ec. 5):
𝑚𝑚 =∑𝑋𝑋𝑖𝑖𝑌𝑌𝑖𝑖− �
∑𝑋𝑋𝑖𝑖 ∑𝑌𝑌𝑖𝑖𝑛𝑛 �
∑𝑋𝑋𝑖𝑖2 −
�∑𝑋𝑋𝑖𝑖�2
𝑛𝑛
(5)
El valor de la sensibilidad obtenido “m” permite una adecuada discriminación de valores de
concentración con base a la lectura. Esto es, para el caso de una “m2”, mientras más próxima
al eje “Y” esté la recta, ligeros cambios en las concentraciones generan grandes variaciones
en las lecturas; mientras que para una “m3” grandes cambios en la concentración no son
significativos para la lectura como se ilustra en la figura 73.
106
Figura 73: Cambios de la sensibilidad del método en función de la pendiente de la curva de
calibración
El método es sensible cuando una pequeña variación en la concentración determina una gran
variación en la respuesta. La sensibilidad permite observar la capacidad de respuesta
instrumental frente una determinada cantidad de analito.
Para el caso de nuestro prototipo, el valor de la pendiente “m” de la curva de calibración
tomado de la ec. 1 es:
𝑚𝑚 = 1.0996
Una sensibilidad entre rangos donde 0.996 < m < 1.253 indica que los cambios en la señal
son proporcionales a los cambios en la concentración. En este sentido, el prototipo es poco
sensible en el intervalo lineal estudiado.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Lect
ura
Señal
m1
m3
m2
107
4.4 Límites.
En la determinación de los límites, se toman en consideración los siguientes parámetros:
“Valor crítico (LC)”, “Límite de detección” (LOD) y “Límite de cuantificación” (LOQ).
El “valor crítico” es el valor de la concentración neta que, en caso de superarse, da lugar
(para una probabilidad de error α) a la decisión de que la concentración o cantidad de analito
presente en la muestra es superior a la contenida en el material de referencia, dada la
siguiente ecuación:
.
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 𝑡𝑡 (1 − α; 𝑣𝑣) 𝑆𝑆0 (6)
dónde:
t = t de Student
1-α = probabilidad β v = grados de libertad So = desviación estándar de las lecturas del blanco reactivo.
Si : t (0.05,∞) = 1.645
Entonces:
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 1.645 ∗ 𝑆𝑆0
Para el caso del método, el promedio de las desviaciones estándar del blanco reactivo es:
So = 0.007. Por lo tanto, el “Valor crítico” es:
LC = 0.011 ppm
108
El “límite de detección” se define como la concentración real del analito que puede ser
detectada con fiabilidad y que puede ser distinguida del “ruido” del equipo y que es
significativamente diferente de la señal del blanco. Para efectos de medición, la
representamos como la señal del blanco más tres veces su desviación estándar.
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 𝑋𝑋 + 3𝑆𝑆𝑓𝑓 (7)
dónde:
X = concentración media
Sn = desviación estándar de las concentraciones
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 2.118 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑚𝑚
El “limite de cuantificación” es la magnitud mínima que puede determinarse con un nivel
estadísticamente aceptable de exactitud. Se expresa como la señal del valor de la medición
que producirá las estimaciones del blanco reactivo más la desviación estándar relativa entre
el 5 y el 8%. Para nuestro caso, estimamos seis veces la desviación estándar
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 𝑋𝑋𝑓𝑓 + 6 𝑆𝑆0 (8)
Para este método, el límite de cuantificación es:
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 2.163 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑚𝑚.
109
4.5 Exactitud.
La exactitud es el grado de concordancia entre el resultado del ensayo y el valor de referencia.
Esto implica una combinación de componentes aleatorios y errores sistemáticos en la
medición conocidos como sesgo.
En la exactitud se combina la veracidad y la precisión. La veracidad se refiere a la
coincidencia entre el valor obtenido de una serie de resultados y un valor de referencia
aceptado; en este caso, un estándar certificado, mientras que la precisión se establece en
términos de repetibilidad y reproducibilidad y hace referencia a que tan cercanos a alejados
están las mediciones realizadas.
La veracidad la determinamos por sesgo o recuperación.
El sesgo es la diferencia relativa entre los datos de un ensayo y el valor de referencia. Esto es,
el error sistemático total en contraposición al error aleatorio. Para determinar el sesgo,
utilizamos el material de referencia certificado, se mide el material de referencia entre el valor
conocido y la media del valor obtenido. Una diferencia sistemática importante en relación al
valor de referencia aceptado se refleja en un mayor valor del sesgo. Cuanto más pequeño es el
sesgo, mayor veracidad indica el método.
𝑠𝑠 = 𝑋𝑋 − 𝑋𝑋𝑓𝑓 (9)
dónde:
s = Sesgo
X = Promedio de las lecturas obtenidas
Xa = Valor certificado o valor de referencia
Para evaluar el sesgo, debemos realizar la prueba “t” de Student, en la cual tobservado < tcrítico:
110
𝑡𝑡𝑖𝑖𝑓𝑓𝑓𝑓𝑖𝑖. = (𝑋𝑋𝑓𝑓 − 𝑋𝑋) / (𝑆𝑆 ∗ √𝑛𝑛) (10)
dónde:
tcalc. = t de Student calculada
Xa = valor certificado en unidades de concentración.
X = promedio de valores leídos u observados en unidades de concentración.
S = desviación estándar.
n = número de lecturas realizadas.
Se busca “t” de Student teórico en tabla (Anexo 5) para grados de libertad “v” con el
porcentaje de seguridad deseado; usualmente (1 - α) para un error α de 0.05.
Para el caso de nuestras mediciones, con un estándar certificado de 8ppm se obtuvieron los
siguientes resultados (tabla 16):
Medición No.
Resultado de la
medición
Sesgo
1 8.1 -0.1 2 8.06 -0.06 3 7.96 0.04 4 8.09 -0.09 5 8.03 -0.03 6 8.01 -0.01 7 7.98 0.02 8 7.99 0.01 9 8.04 -0.04 10 8.02 -0.02
Tabla 16: Resultado de diez mediciones de concentración de [Hg] de para la determinación del sesgo.
Desviación estándar S = 0.05
111
Concentración certificada = 8ppm
Promedio de las mediciones = 8.028
Número de lecturas = 10
Sustituyendo en la ec. 10 obtenemos:
t = 0.17707
Debemos verificar si existe una diferencia significativa entre el valor obtenido de la medición
con respecto al valor de referencia. Para determinar el “t” crítico para grados de libertad n – 1,
un valor de α = 0.05 y dos colas, se busca en la tabla del anexo 5 el “t” crítico = 2.262
Cumpliéndose que tcalculada < tcrítica , es decir, no hay diferencias significativas. Con esto, se
observa que el sesgo obtenido para este método utilizado es aceptable, y por lo tanto, su
veracidad es también aceptable.
4.6 Precisión.
La precisión se establece en términos de reproducibilidad y repetibilidad.
La repetibilidad es cuando de obtienen los mismos resultados en análisis independientes
utilizando el mismo método en el mismo espacio de trabajo con el mismo analista y los
mismos reactivos; todo ello en intervalos cortos de tiempo, generalmente en días diferentes,
para así obtener las desviaciones significativas con respecto a la muestra certificada,
calculando para esto la desviación estándar (Sr) y el coeficiente de variación (CVr).
La reproducibilidad es el grado con el que obtienen los mismos resultados en condiciones
diferentes como: otro espacio de trabajo, diferentes condiciones de presión o temperatura, otro
analista u otros equipos. Debe, por lo menos, cambiarse una condición analítica y realizar las
mediciones obteniendo la desviación estándar (Sri), el coeficiente de variación (CVri) y
112
compararlo con el coeficiente de variación de Hortwitz (CVhri) [60] que es una medida de la
dispersión para mediciones asociadas.
Para el caso del prototipo, se realizaron las mediciones en un intervalo de diez días para diez
mediciones con un patrón de referencia de 6ppm de Hg, obteniéndose los siguientes
resultados (tabla 17):
Tabla 17: Concentraciones de Hg para una muestra patrón de 6 ppm durante diez días.
Promedio de las mediciones X = 5.95 ppm
Desviación estándar Sr = 0.23
Coeficiente de variación CVr = 3.91%
Coeficiente de variación de Horwits CVhr = 5.72%
Como CVr < CVhr se acepta que el método cumple con los criterios de repetibilidad y
reproducibilidad.
No. Resultado [Hg]
1 5.88 2 5.61 3 5.48 4 6.05 5 5.98 6 6.12 7 6.22 8 6.08 9 6.02 10 6.06
113
4.7 Robustez.
La robustez es la capacidad de un método analítico de no ser afectado por variaciones
pequeñas pero deliberadas en los parámetros del método, lo cual es un indicador de la
fiabilidad del procedimiento en un uso normal. El objetivo es optimizar el método analítico
desarrollado y describir bajo qué condiciones analíticas se pueden obtener resultados
confiables. En este sentido, el método es más robusto mientras menos se vean afectados los
resultados frente a una modificación en el método. Las modificaciones más significativas que
pueden afectar los resultados de un método son: los analistas, la temperatura, el pH, los
reactivos, el tiempo de reacción y la estabilidad de la muestra.
Para esta determinación, se aplica la “prueba de Youden y Steiner” [61] para la evaluación de
robustez de un método analítico. Este procedimiento permite evaluar siete variables con solo
ocho análisis de la muestra. Para esto, se deben identificar aquellos factores del método que
afectarían los resultados finales obtenidos. Estos factores están presentes en el método; por
ejemplo, la temperatura, el pH de la solución y el tamaño de la celda espectrométrica. Para
determinar la robustez, se procede a exponer a cada factor a un variación respecto de la
establecida en el método. Así, cada variable se estudia mediante un valor alto y un valor bajo
a partir de lo indicado de forma normal por el método analítico, y una vez establecidos estos
parámetros, se diseñan ocho pruebas de ensayo. A partir de los resultados se calcula el efecto
de cada una de las variables calculando la media de los cuatro análisis que contienen la
variable en su valor más alto y aquellas que contienen el valor más bajo. En este sentido, es
posible conocer el grado de influencia de cada variable en el método analítico si conocemos la
relación:
∆𝑋𝑋 = 𝑋𝑋 − 𝑥𝑥 (11)
dónde:
X = Valor alto del parámetro medido
x = Valor bajo del parámetro medido
114
Mientras ∆X crezca, mayor será la influencia de dicha variable sobre el método analítico.
Como criterio de aceptación para la robustez del método, se considera como aceptable que ∆X
sea menor a √2 veces la desviación estándar S.
∆(𝑋𝑋 − 𝑥𝑥) < √ 2 𝑆𝑆𝑓𝑓 (12)
Para este método y el prototipo, identificamos los siguientes elementos que pueden
considerarse como variables:
Potencia de LED.
pH de la solución.
Tiempo de respuesta.
Temperatura.
Para el caso de nuestro prototipo y el método, estos son los resultados para las variables
indicadas (tabla 18):
Condición variable Análisis
Tipo Clave Valor alto X
Valor bajo x
1 2 3 4 5 6 7
Potencia del LED A,a 3 volts 1 volt 3 3 3 1 1 1 1
pH B,b 9.1 8.5 9.1 9.1 9.1 9.1 8.5 8.5 8.5 Tiempo de
lectura C,c 30 seg. 3 seg. 30 30 3 3 30 30 3
Temperatura D,d 25'C 22'C 25 22 25 22 25 22 25
Resultados de la medición [Hg] ppm
5.64
5.79
6.02
4.15
4.17
4.12
4.21
Tabla 18: Determinación de las condiciones variables de temperatura, pH y potencia del LED para valores bajos y altos en siete análisis diferentes.
Desviación estándar Sr = 0.891 √2Sr = 1.335
115
Por lo tanto, sustituyendo en (12), obtenemos los resultados expresados en la tabla 19:
Condición Variable Resultados Diferencia Resultado
Valor alto X Valor bajo x Promedio X Promedio x P
A a 5.82 4.16 1.65 Sensible a la variable
B b 5.40 4.17 1.23 No tan sensible a la variable
C c 4.93 4.79 0.14 No sensible a la variable
D d 5.01 4.69 0.32 No sensible a la variable
Tabla 19: Resultados de las condiciones variables para la determinación de la sensibilidad del instrumento.
Por lo tanto, la potencia del LED, así como el pH deberán mantenerse, obligadamente, dentro
de los parámetros indicados por el método. Esto muestra que el prototipo y el método no son
los suficientemente robustos cuando se alteran algunas condiciones del sistema.
4.8 Aplicabilidad.
Se define a la “aplicabilidad” o ámbito de aplicación, como a aquella declaración donde se
indica, de manera clara, las especificaciones del rendimiento del método y que debe incluir:
la identidad del analito a analizar, el intervalo de concentraciones cubierto por la validación,
la aplicación prevista y sus criterios de incertidumbre.
116
4.8.1 Incertidumbre.
La incertidumbre en la medición es un parámetro asociado al resultado que indica la
dispersión de los mismos que pueden ser, de manera razonable, atribuibles al mesurando. En
este sentido, deben identificarse las fuentes de incertidumbre que afecten a las mediciones
como, por ejemplo: el muestreo (tipo de matriz, formas de almacenamiento), sesgos
instrumentales, pureza de los reactivos, condiciones de medición y criterios de cálculo [84].
La determinación de la incertidumbre comprende la determinación de las fuentes, expresar los
componentes en una incertidumbre estándar, combinar las diferentes incertidumbres y
determinar la incertidumbre expandida.
Cuando se posee el conocimiento acerca del comportamiento de las variables involucradas, y
se ha estimado la curva de calibración o curva de regresión, se estiman las incertidumbres a
partir de las curvas de regresión. En este sentido, la obtención de los parámetros para la
curva de regresión lineal están dadas por:
𝑚𝑚 = 𝑁𝑁∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑦𝑦𝑖𝑖 −∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖 ∑ 𝑦𝑦𝑖𝑖𝑁𝑁𝑖𝑖=1 𝑁𝑁
𝑖𝑖=1𝑁𝑁𝑖𝑖=1𝑁𝑁∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖
2−�∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑁𝑁𝑖𝑖=1 � 2𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 (13)
𝑏𝑏 = ∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖2 ∑ 𝑦𝑦𝑖𝑖𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 −∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖 ∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑦𝑦𝑖𝑖𝑁𝑁𝑖𝑖=1 𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 𝑁𝑁𝑖𝑖=1
𝑁𝑁∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖2−�∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 � 2𝑁𝑁𝑖𝑖=1
(14)
Al ser todos los datos un conjunto de parejas obtenidos de forma experimental, poseen una
incertidumbre asociada. Esta se evalúa a partir de las desviaciones entre los puntos
experimentales a las predicciones de la recta, todo esto caracterizado por las ecuaciones (13) y
(14). Así, generaremos un equivalente de la desviación estándar Sy:
117
𝑆𝑆𝑦𝑦 = �∑ (𝑦𝑦𝑖𝑖−𝑚𝑚𝑥𝑥𝑖𝑖−𝑏𝑏)2𝑛𝑛𝑖𝑖=0
𝑁𝑁−2 (15)
Una vez calculada la desviación estándar, determinamos la incertidumbre en la pendiente Sm
y en la ordenada al origen Sb con las expresiones:
𝑠𝑠𝑚𝑚 = 𝑠𝑠𝑦𝑦�𝑁𝑁
𝑁𝑁∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖2−�∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 � 2𝑁𝑁𝑖𝑖=1
(16)
Y
𝑠𝑠𝑏𝑏 = 𝑠𝑠𝑦𝑦�∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖
2𝑁𝑁𝑖𝑖=1
𝑁𝑁∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖2−�∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 � 2𝑁𝑁𝑖𝑖=1
(17)
La tabla 20 muestra los datos obtenidos de la parte experimental, mientras que la tabla 4
presenta los resultados después de aplicar las ecuaciones (16) y (17)
Operador Resultado Σ [Hg] 35.00 Σ [Hg]^2 245 Σ mV 31.58 S [Hg] mV 1105.23 m 1.096 b 1.2573
Sy 0.236 mV Sm 0.0718 mV/ppm Sb 0.183 ppm
Tabla 20: Incertidumbres asociadas a las mediciones de muestras patrón referidas a la curva de
calibración.
118
Estas son las incertidumbres que deben ser consideradas dentro de los reportes de campo
cuando se hagan mediciones de muestras representativas. Si el método cambia, o se ajusta a
mejores condiciones, deberán medirse nuevas incertidumbres asociadas al nuevo método.
Resumen
Las pruebas del prototipo para verificar la pertinencia de las mediciones fueron desarrollas a
partir de la evaluación de los parámetros de validación. La selectividad, linealidad,
sensibilidad, los límites de detección y cuantificación, la precisión, la veracidad y la robustez
son procedimientos empleados para la evaluación del desempeño ya sea de un nuevo producto
o de un nuevo método de análisis. Para este caso, aplica para ambas premisas. Al ser este una
nueva propuesta tanto de un equipo como de un método, se implementaron las pruebas de
validación para verificar que el aparato cumple con parámetros mínimos de calidad para los
que fue diseñado. Aunque consideramos que los resultados obtenidos en las pruebas de
validación son aceptables, es necesario generar más estudios de validación con otros
instrumentos de las mismas características para poder comparar resultados y así determinar
las incertidumbres asociadas en la preparación, manipulación y uso del instrumento.
119
Capítulo V Discusión
La validación es un paso fundamental para asegurar, entre otras cosas, que los resultados
medidos sean congruentes a lo esperado, que se ajustan a lo predicho a partir de los datos
iniciales y que explican de manera satisfactoria los resultados generados por el método que se
desarrolle para tal fin.
La fluorescencia de los complejos metálicos disueltos en medios acuosos es una propiedad
que puede utilizarse no sólo para la determinación cualitativa, sino también para la
determinación cuantitativa. En este sentido, los complejos metálicos de Cd, Zn, Cu, Pb y As
formados con soluciones quelantes pueden ser detectados, al menos intencionalmente, con el
mismo instrumento. La respuesta del instrumento a tales complejos debe todavía ser
explorada para determinar si es totalmente posible su detección y cuáles serían los límites de
detección medibles para el prototipo. Está claro que estos metales, que representan un
problema de salud pública en nuestro país, no se encuentran en forma pura. Estos elementos
los encontramos generalmente asociados a óxidos, sulfatos, nitratos, ácidos o compuestos
orgánicos, y estas combinaciones químicas representan un problema en la detección debido a
la interferencia que pueden generar con otros agentes químicos o por variaciones de la señal
debido a las mezclas.
En el caso de medios acuosos, cuando sabemos que la muestra tomada contiene metales
disueltos, es necesario adherir el procedimiento de digestión ácida si la muestra procede de un
cuerpo de agua no potable. Siempre se espera que los compuestos orgánicos disueltos o
suspendidos generen reacciones con los propios reactivos y que esto conlleve a dispersar la
energía aplicada por la fuente de emisión. Es importante eliminar estos compuestos orgánicos
que pueden generar interferencias en las muestras a analizar. A este respecto, debe tenerse en
cuenta los procedimientos de separación de mezclas o inhibición de reacciones con
compuestos orgánicos.
120
Aunque este prototipo sólo es probado en este momento para soluciones con Hg+2, es posible
ampliar los parámetros de detección usando una secuencia de sensores que cubre un rango
más amplio entre 210-420 nm. Esto no implica ajustes mayores en la estructura del prototipo,
sino algunos cambios en la recepción de la señal electrónica, con un cambio correspondiente
en el algoritmo de control del microprocesador. Hay algunas mejoras que podrían ser
implementadas pero pruebas adicionales de diferentes muestras de soluciones acuosas pueden
refinar los resultados para asegurar que las incertidumbres asociadas permanezcan dentro de
un parámetro significativo donde la repetibilidad y reproducibilidad no se encuentran muy
sesgadas.
Es importante destacar que la validación del método se definió como un parámetro
cuantitativo a pesar de que, en un inicio, sólo se diseñó para análisis cualitativos. En este
procedimiento se utilizaron concentraciones de ácido nítrico en preparación de muestras de
concentración 4 x 10-3 M. El método es nuevo, es decir, aunque la fluorescencia generada se
explote en la formación de quelatos, el hecho de que sea desarrollado para un prototipo lo
hace un nuevo método que sólo es comparable en términos de los resultados obtenidos a partir
de él. Con esto, estamos especificando que el método aún no está completo como para
considerarse como un procedimiento estándar. Todo esto se tomó en consideración para
desarrollar la validación prospectiva que implicó: establecer claramente el parámetro para
evaluar, definir la primera evidencia experimental para establecer criterios de elegibilidad,
desarrollar pruebas experimentales, evaluar los resultados y generar los informes de
validación.
En el desarrollo de nuevas mejoras con respecto a este prototipo se deben especificar más
detalles que deben contener al menos: 1) el grado cualitativo de validación, mejorando el
método, las matrices y los requisitos para su desarrollo, 2) el diseño experimental, mostrando
los reactivos testigos, los reactivos de referencia certificados, las matrices de las muestras, las
muestras no fortificadas y las muestras fortificadas, 3) las pruebas para los pasos a desarrollar,
4) el número de ensayos necesarios para la prueba, 5) los criterios de aceptabilidad para cada
validación de los parámetros y 6) los materiales y suministros. Es importante aclarar que, una
vez iniciado el proceso de validación, si se presentan cambios en cada uno de los puntos
121
anteriores, será necesario redefinir el método, ya que un cambio dado puede implicar una
desviación o un aumento en las incertidumbres asociadas con el método. Las evaluaciones del
desempeño del instrumento deben ser seguidas en cada paso del método; es decir, si cumple
con los criterios de aceptabilidad establecidos en el plan, podemos entonces considerar que el
método es válido, aunque esto no implica que el método desarrollado sea el más eficiente para
determinar cuantitativamente la concentración del analito. Para ello, es necesario desarrollar
trabajos interlaboratorios con propuestas de modelos similares a este desarrollo.
El prototipo construido todavía puede presentar mejoras sustanciales en su desarrollo
electrónico. Es evidente que se requieren más y mejores implementos para limpiar la señal del
detector y evitar desviaciones significativas en las lecturas que se reciben. El control de
potencia en el LED UV es otro inconveniente a superar, así como las variaciones de tensión
de (+/-) 0,03 V. Además, si se detectan fluctuaciones en el detector, entonces podemos
suponer que existe una reacción química reversible que hace que la formación de quelatos
metálicos se pierda, además de la sospecha de un defecto de diseño que comprometa su
estabilidad. Esta situación aún debe ser entendida y explorada para evitar errores
significativos, detección de falsos positivos o desviaciones en las lecturas.
Podemos considerar agregar un detector más que cubra un rango mayor que sólo el de un
fotodetector de un rango fijo. Esto nos permitiría hacer que el instrumento sea más versátil
para averiguar la existencia de otros analitos en otras longitudes de onda. No es el objetivo
para este desarrollo el incluir partes mecánicas que mueven o manipulan el detector, la fuente
de luz UV o un instrumento óptico, ya que la esencia de este prototipo es evitar el uso de
piezas móviles para que la construcción en su conjunto se genere con un mínimo de costos.
122
Conclusión.
Al lograr detectar las emisiones de fluorescencia de Hg +2 que van desde 2,16 a 11 ppm,
estamos más cerca de enfatizar la utilidad de este instrumento. El rango de fluorescencia que
puede ser detectado por el sensor, alimentado por el amplificador operacional asegura la
aplicabilidad para detectar compuestos disueltos en el agua a un precio bajo y, sobre todo,
porque el dispositivo es totalmente portátil. Este prototipo que es capaz de detectar
fluorescencia con un desarrollo electrónico económico, donde se puede medir una muestra
inorgánica acuosa de composición versátil para todas aquellas muestras capaces de ser
cuantificados por métodos espectrométricos en el intervalo ultravioleta del instrumento. La
portabilidad del instrumento, que es el valor añadido que le damos, nos permite visualizar la
aplicación directamente in situ donde sea necesario hacer estudios ambientales que requieran
acción inmediata para resolver un problema de contaminación en cualquier cuerpo de agua. A
pesar de los resultados, este prototipo tiene algunas limitaciones, ya que se requiere el
desarrollo de un desempeño extenuante más preciso que todavía no se ha realizado. Además
de más pruebas de validación, preferiblemente entre laboratorios, donde los resultados
intermedios se comparen con muestras certificadas y que permitan generar metodologías
similares en la preparación de compuestos quelantes y en la determinación cualitativa y
cuantitativa del analito buscado. También es necesario comparar los resultados con muestras
certificadas utilizando estándares aprobados para medir las incertidumbres asociadas e
identificar áreas de oportunidad cuando existan mejoras en el método. Este instrumento no
pretende reemplazar los estudios realizados con mayor profundidad por laboratorios y centros
certificados. Por el contrario, se presenta como una opción viable, incluso susceptible de ser
mejorada para el análisis presuntivo en áreas o lugares con problemas de salud, debido a la
contaminación con metales en cuerpos de agua donde sea necesario, y tal vez urgente, un
análisis rápido a niveles presuntivos y confirmativos de la presencia de estos contaminantes.
Todo esto, con el fin de generar acciones que permitan resolver, en el corto plazo, estos
problemas de salud pública.
123
Referencias.
[1] M. A. González Cantellano y Z. L. M. Montaño, «La espectroscopia y su tecnología; un repaso histórico y su importancia para el siglo XXI,» Latin American Journal of Physics Education, vol. 9, nº 4, pp. 4602-1, December 2015.
[2] H. Ivanlldo y H. Richard, «La contaminacion del agua,» de El medio ambiente., vol. 4, Madrid, OIT, 2012, p. 1475.
[3] SEMARNAT, «Norma Oficial Mexicana NMX-AA-051-SCFI-2001. Análisis de Agua. Determinación de contaminantes por absorción atómica en aguas naturales, potables, residuales y residuales tratadas. Metodo de prueba,» Diario Oficial de la Feredación, vol. 178, nº 79, p. 167, 14 Marzo 2001.
[4] HATCH, Water Analysis Handbook, Cleveland: HATCH, 2005.
[5] R. M. Eisberg, «Electrones y cuantos,» de Física. Biblioteca científica y tecnológica, vol. 2, New York, Aguilar, 2001, p. 689.
[6] R. M. Eisberg, «Los rayos X,» de Física. Biblioteca científica y tecnológica., vol. 5, New York, Aguilar, 2001, p. 689.
[7] H. E. White, «Óptica electrónica,» de Física Moderna, 2da ed., vol. 2, México, Limusa, 2003, p. 1251.
[8] R. Resnick, D. Halliday y K. Krane, «Rejillas y espectros,» de Física, Octava ed., vol. 2, México, Patria, 2009, p. 1195.
[9] R. Resnick, D. Halliday y K. Krane, «Ondas de luz,» de Física, vol. 2, México, Patria, 2009, p. 1198.
[10] A. Kraran, H. Haraldson y T. Sigfusson, «Spectroscopy of flames: luminescence spectra of reactive intermediates,» Journal of Chemical Education, vol. 77, nº 1345, p. 372, 2000.
[11] F. E. Stafford y J. H. Wortman, «Atomic Spectra,» Journal of Chemical Education, vol. 39, nº 630, 1962.
[12] V. F. Weisskopf, «How ligth interacts whit matter,» Scientific American, vol. 219, nº 60, p. 174, 1968.
[13] V. B. Thomsen, «Why do spectral lines have a linewith,» Journal of Chemical Education, vol. 72, nº 616, p. 126, 1995.
[14] R. Lovett y M. Parsons, «Converting atomic spectral line widths from frecuency to wavelength,» Journal of Chemical Education, vol. 54, nº 615, p. 142, 1997.
124
[15] L. B. Light, J. Huebner y R. Vergenz, «How does ligth adsorption intensity depend on molecular size,» Journal of Chemical Education, vol. 71, nº 105, p. 145, 1994.
[16] U. Gustafsson, J. Alnis y S. Svanberg, «Atomic espectroscopy with violet laser diodes,» American Journal of Physics, vol. 68, nº 660, p. 148, 2000.
[17] G. M. Hieftje, «Atomic emission spectroscopy. It last and last and last.,» Journal of Chemical Education, vol. 77, nº 557, p. 153, 2000.
[18] K. R. Logan, «Some experiments in atomic structure.,» Journal of Chemical Education., vol. 51, nº 411, p. 79, 1974.
[19] P. Lykos, «The Beer-Lambert law revisted.,» Journal of Chemical Education, vol. 69, nº 730, p. 83, 1992.
[20] W. D. Bare, «A more pedagogically sound treatment of Beer´s law: a derivation based on a corpuscular probability model,» Journal of Chemical Education, vol. 77, nº 929, p. 104, 2000.
[21] D. R. Malinin y J. H. Yoe, «Development of laws of colorimetry: a historical sketch.,» Journal of Chemical Education., vol. 38, nº 129, p. 75, 1961.
[22] D. W. Ball, The Basics of Spectroscopy, Washignton: Spie Press, 2001.
[23] G. M. Barrow, Introduction to Molecular Spectroscopy, Tokio: McGraw - Hill, 1982.
[24] Y. Tran y J. E. Whitten, «Florescence induced,» Journal of Chemical Education., vol. 78, nº 1093, p. 178, 2001.
[25] S. Duckett y B. Gilbert, Fundations of Spectroscopy, Oxford: Oxford University Press, 2000.
[26] C. Baroni, Leonardo da Vinci, New York: Reynald and Company, 1956, p. 412.
[27] I. Newton, OPTICKS, New York: Dover Publications, 1952.
[28] R. Oerter, «El fin del mund tal como lo conocemos,» de La teoria de casi todo, México, Fondo de Cultura Económica, 2008, p. 326.
[29] R. Oerter, «La extraña realidad de la electrodinámica cuántica,» de La teoría de casi todo, México, Fondo del Cultura Económica, 2008, p. 326.
[30] T. S. Kuhn, La tensión esencial, México: Fondo de Cultura Económica, 1993.
[31] G. Guide, «Grace´s Guide to British Industrial History,» 11 Junio 2011. [En línea]. Available: http://www.gracesguide.co.uk/Adam_Hilger. [Último acceso: 2016 Mayo 15].
[32] J. Albella, A. Cintas y T. Miranda, Introducción a la ciencia de los materiales, Madrid: Consejo Superior de Investigaciones Científicas, 1993.
125
[33] M. C. Taboada, «Antropología Física,» Junio 2009. [En línea]. Available: https://antropologiafisicaparaque.wordpress.com/2009/. [Último acceso: 8 Julio 2015].
[34] D. Pasto y D. Jhonson, Determinación de estrcuturas orgánicas, Barcelona: Reverte, 2003.
[35] H. Karttunen, P. Kroger y O. Heikki, «Radiation Machanisms,» de Fundamental Astronomy, 5ta ed., New York, Springer, 2006, p. 476.
[36] A. Technologies, «ICP-MS Systems,» Agilent Technologies, 12 Marzo 2015. [En línea]. Available: http://www.agilent.com/en-us/products/icp-ms/icp-ms-systems. [Último acceso: 19 Julio 2016].
[37] P. Elmer, «Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS)- Mass,» Perkin Elmer, 24 January 2014. [En línea]. Available: http://www.perkinelmer.com/es/category/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms-mass. [Último acceso: 21 Agosto 2016].
[38] T. Scientific, «iCAP Q ICP-MS,» Thermo Scientific, 20 Febrero 2015. [En línea]. Available: http://www.falcon.mx/analisis-elemental/icap-q-icp-ms/. [Último acceso: 19 Julio 2016].
[39] H. A. Laitinien y W. E. Harris, Chemical Analysis, 2nd ed., New York: McGraw - Hill, 1975.
[40] D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a ed., Belmont: CA: Brooks/Cole, 2007.
[41] H. Strobel y W. R. Heineman, Chemical Instrumentation: A Systematic Approach, 3a ed., Boston: Addison - Wesley, 1989.
[42] J. D. Ingle y S. R. Crouch, Spectrochemical Analysis, NJ: Prentice Hall, 1998.
[43] A. E. Montaser, Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, New York: McGraw - Hill, 1998.
[44] D. Freifelde, Técnicas de bioquímica y biología molecular., Sevilla: Reverte, 2003.
[45] J. Gribbin, Historia de la Ciencia, Barcelona: Crítica, 2003.
[46] J. Hartman, Contaminación de los mares, New York: Saimon and Matiz Inc., 2004.
[47] Lamborg, El ciclo del mercurio.
[48] R. T. Morrison y R. N. Boyd, Química Orgánica, 4ta ed., México: Pearsons, 1998, p. 1474.
[49] K. H. Büchel, H. Moretto y P. Wodistsch, Industrial Inorganic Chemistry, 2nd ed., Wiley - VCH, 2000.
126
[50] E. G. Brunke, «Atmosphric Chemistry,» Atmospheric Chemistry and Phisics, vol. 32, nº 893, p. 142, 2010.
[51] C. Housecroft y A. Sharpe, Inorganic Chemistry, Fourth ed., Pearsons, 2005.
[52] J. Poulin y H. Gibb, «Evaluación de la carga de morbilidad ambiental e nivel nacional y local,» Serie Carga de Mobilidad Ambiental, nº 16, p. 60, 2008.
[53] J. Weinberg, «International POP´s Elimination Network,» enero 2007. [En línea]. Available: www.ipen.org/sites/files/documents/ipen_mercury_booklet-es.pdf. [Último acceso: 14 Agosto 2016].
[54] T. C. o. t. T. E. o. Methylmercury, «NAP,» 2000. [En línea]. Available: http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=9899#toc. [Último acceso: 25 Junio 2016].
[55] OMS, «Mercury Convention Org,» [En línea]. Available: http://www.mercuryconvention.org/Portals/11/documents/conventionText/Minamata%20Convention%20on%20Merccury_s.pdf. [Último acceso: 24 January 2016].
[56] S. e. al., «Atmospheric Chemistry and Physics,» 2008. [En línea]. Available: http://www.atmos-chem-phys.org/8/1445/2008/acp-8-1445/acp-8-1445-2008.pdf. [Último acceso: 24 Enero 2016].
[57] A. y. Asociados, «Inventario de sitios en Méxxico con concetraciones elevadas de mercurio,» Comisión para la Cooperación Ambiental. Instituto Nacional de Ecología, México, 2001.
[58] C. d. R. Minerales, «Anuario estadístico de la mineria mexicana 2001,» Consejo de Recursos Minerales, México, 2002.
[59] M. A. González Cantellano y L. M. Montaño Zetina, «Desarrollo de un medidor portatil para la deteccción de metales pesados disueltos en medios acuosos utilizando principios de fluorescencia,» Revista Pistas Educativas, nº 112, p. 873, 2015.
[60] I. McNeil, An Encyclopedia of The Hostory of Technology, London: Routledge, 1990, p. 1006.
[61] J. H. Moore, Building Scienific Apparatus, Fourth ed., Cambrige: Cambrige University Press, 2009, p. 623.
[62] V. B., Molecular Fluorescence: Principles and Applications, Weinheim: Wiley-VCH, 2001.
[63] E. Bardez, I. Devol, B. Larrey y B. Valuer, Journal of Physic Chemical, vol. 101, p. 7786, 1997.
[64] K. Song y J. P. S. Kim, Organic Letters, vol. 8, p. 3413, 2006.
127
[65] R. G. W. Holllngshead, Oxine and Its Derivatives, London: Butterworths, 1996.
[66] M. A. Marshall y H. A. Mottola, Anal. Chem, vol. 57, pp. 375-376., 1985.
[67] J. W. Mclaren, A. P. Myktiuk, S. N. Willie y S. S. Berman, Analytical Chemical., vol. 57, pp. 2907-2911. , 1985.
[68] R. M. Smith y A. E. Martell, Critical Stabilify Constant, vol. 2, New York: Plenum, 1975, pp. 227-229. .
[69] A. E. Martell y R. M. Smith, Critical Stabilify Constants, vol. 5, New York: Plenum, 1985, p. 245.
[70] R. Berg, Anorg. Allg. Chem, vol. 61, p. 1232, 1982.
[71] F. Fiegl y G. B. Heislg, Anal. Chem. Acta , vol. 13, pp. 561-566, 1969.
[72] J. A. Bishop, Anal Chem. Acta, vol. 87, pp. 255-257, 1976.
[73] D. J. Schachter, Lab. Clin. Med., vol. 58, pp. 495-498, 1981.
[74] T. Pelczar y H. Siedlanowska-Krowczynska, Diagn , Lab, vol. 19, pp. 1257-1262, 1983.
[75] D. E. Ryan, P. A. E. y R. M. Cassidy, Anal. Chem. Acta, vol. 34, pp. 491-494, 1966.
[76] W. R. L. y J. D. J. Ingle, Analytical Chemistry, vol. 92, pp. 417-421, 1977.
[77] Q.-L. W. Y. B. Han Zhang, «8 - Methoxyquinoline based turn-on metal fluoroinophores,» Tetrahedron Letters, vol. 48, p. 3959, 2007.
[78] C. C. H., «Metal chelates as emiting materials of organic electroluminescence,» Coordination Chemistry Reviews, nº 171, p. 171, 1998.
[79] K. P. D. W. B. Soraka, «Fluorescence propieties of metal complexes of 8-Hydroxyquinoline-5-sulfonic acid and chromatographic applications,» Anales of Chemistry, nº 59, p. 629, 1987.
[80] G. V. I. S. C. D. P. Song, «Capillary scale liquid core waveguide based fluorescence detectors for liquid chromatography an flow analysis,» Talanta, nº 77, p. 901, 2008.
[81] B. D. P. P. F. Pérez, «La oxina como reactivo fotométrico,» de Análisis de elementos traza por espectrofotometría de absorción molecular visible, Sevilla, Universidad de Sevilla, 1983, p. 441.
[82] B. R. L. Dulfa, Validación de Métodos, Santiago de Chile: Instituto Nacional de Salud Pública, 2010, p. 70.
[83] A. Williams, A. De Halleux y S. Ellison, Cuantificación de la incertidumbre en mediciones analíticas, El Marques: CENAM, 2000, p. 99.
128
[84] W. A. Schmid y R. Lazo Martínez, «Guía para estimar la incertidumbre en la mediciones,» Centro Nacional de Metrología, El Marques, 2000.
129
Anexos.
I. Microprocesador ATMega 328. Características
130
2
II. LED de alta potencia.
i
ii
III. Fotodiodos
iii
iv
v
IV. Amplificador operacional
vi
vii
viii
ix
V. Sección de códigos de programación /* Lectura Analógica por el puerto serie AnalogReadSerial Lee una entrada analógica en el pin 0, imprime el resultado en el monitor serial. */ // La rutina de configuración se ejecuta una vez al presionar reset int flag = 0; // Mantiene el "estado de alimentación" del voltímetro. // flag =0 significa voltímetro "apagado", flag = 1 significa voltímetro está "encendido". int sensorPin1 = A0, sensorPin2 = A1, sensorPin3 = A2; // El temporizador del potenciómetro está conectado al pin A0 int voltMeter1, voltMeter2, voltMeter3, voltScope4; // Mantiene el valor de voltaje que se enviará al medidor angular int voltLED1, voltLED2, voltLED3, voltLED4; // Mantiene el valor de voltaje digital que se enviará a los dígitos del LED void setup() { //Inicializa la communicación serial a 9600 bits por segundo: // Para comunicarse con la pantalla, asegurar que el programa ViSi Genie tenga la misma velocidad en baudios genie.Begin(Serial); //Serial0 genie.AttachEventHandler(myGenieEventHandler); Serial.begin(9600); void loop() { // Lee la entrada analógica en el pin A0 int sensorValue1 = analogRead(A0); int sensorValue2 = analogRead(A1); int sensorValue3 = analogRead(A2); float voltLED1 = ((5.0 * sensorValue3) / 1023); // Se visualiza el valor leido hacia el puerto serial Serial.println(sensorValue1); Serial.println(sensorValue2); Serial.println(sensorValue3); Serial.println(voltLED1); delay(100); // espera entre lecturas para estabilidad static long waitPeriod = millis(); genie.DoEvents(); // Los eventos del objeto se reciben y se ponen en cola aquí. if (millis() >= waitPeriod) { if(flag == 1){ digitalWrite(12,1000); voltLED1 = ((5.0 * analogRead(sensorPin1) * 1000.0) / 1023); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x00, voltLED1); //escribe a Leddigits0 el valor de voltLED voltMeter1 = voltLED1/10; genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x00, voltMeter1); // escribe a Angularmeter0 el valor de voltMeter voltLED2 = ((5.0 * analogRead(sensorPin2) * 1000.0) / 1023); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x01, voltLED2); //escribe a Leddigits0 el valor de voltLED voltMeter2 = voltLED2/10; genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x01, voltMeter2); //escribe a Angularmeter0 el valor de voltMeter voltLED3 = ((5.0 * analogRead(sensorPin3) * 1000.0) / 1023); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x02, voltLED3); //escribe a Leddigits0 el valor de voltLED voltMeter3 = voltLED3/10; genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x02, voltMeter3); //escribe a Angularmeter0 el valor de voltMeter
x
voltLED4 = (voltLED1+voltLED2+voltLED3)/3; genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x03, voltLED4); voltScope4 = voltLED4/10; genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x03, voltScope4); } else if(flag == 0){ digitalWrite(12,0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x00, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x00, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x01, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x01, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x02, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x02, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0x03, 0); genie.WriteObject(GENIE_OBJ_SCOPE, 0x03,0); } // Realice una lectura manual desde Rockerswitch. Los resultados de esta llamada // estarán disponibles para myGenieEventHandler () después de que la pantalla haya respondido genie.ReadObject(GENIE_OBJ_ROCKERSW, 0x00); waitPeriod = millis() + 50; } } } //Subrrutina de comunicaciones y desplegado para interfaz gráfica #define RESETLINE1 4 // Reinicio del pin conectado al Display 1. #define RESETLINE2 2 // Reinicio del pin conectado al Display 2. void setup() { Serial.begin(200000); // Serial0 @ 200000 (200K) Baud display1.Begin(Serial); Serial1.begin(200000); display2.Begin(Serial1); display1.AttachEventHandler(myGenieEventHandler1); //Se Adjunta la función de usuario Event Handler para procesar eventos para la visualización 1 display2.AttachEventHandler(myGenieEventHandler2); // Lo mismo para el display 2 // Reinicia los displays pinMode(RESETLINE1, OUTPUT); pinMode(RESETLINE2, OUTPUT); digitalWrite(RESETLINE1, 1); // Reset Display 1 digitalWrite(RESETLINE2, 1); // Reset Display 2 delay(100); digitalWrite(RESETLINE1, 0); // unReset Display 1 digitalWrite(RESETLINE2, 0); // unReset Display 2 delay (3500); // Brightness ON. display1.WriteContrast(1); // Display ON display2.WriteContrast(1); // Display ON display1.WriteStr(0, "Hello Display 1"); display2.WriteStr(0, "Hello Display 2"); } void loop()
xi
{ static long waitPeriod = millis(); // Sincronización por tiempo static int gaugeAddVal1 = 1; // Ajuste del indicador de dilplay a 1 static int gaugeVal1 = 10; // Inicio del valor a 10 static int gaugeAddVal2 = 2; // Lo mismo para el display 2 static int gaugeVal2 = 50; // Inicio del Val2 a 50 para el display 2 display1.DoEvents(); // Esto llama a la biblioteca cada bucle para procesar las respuestas en cola de la pantalla 1 display2.DoEvents(); // Esto llama a la biblioteca cada bucle para procesar las respuestas en cola de la pantalla 2 if (millis() >= waitPeriod) { // Write to CoolGauge0 with the value in the gaugeVal variable display1.WriteObject(GENIE_OBJ_COOL_GAUGE, 0, gaugeVal1); gaugeVal1 += gaugeAddVal1; if (gaugeVal1 >= 99) gaugeAddVal1 = -1; if (gaugeVal1 <= 0) gaugeAddVal1 = 1; // Los resultados de esta llamada estarán disponibles para myGenieEventHandler () después de que la pantalla haya respondido display1.ReadObject(GENIE_OBJ_USER_LED, 0); display2.WriteObject(GENIE_OBJ_COOL_GAUGE, 0, gaugeVal2); gaugeVal2 += gaugeAddVal2; if (gaugeVal2 >= 99) gaugeAddVal2 = -2; if (gaugeVal2 <= 0) gaugeAddVal2 = 2; display1.ReadObject(GENIE_OBJ_USER_LED, 0); display2.ReadObject(GENIE_OBJ_USER_LED, 0); waitPeriod = millis() + 50; } } void myGenieEventHandler1(void) { genieFrame Event; display1.DequeueEvent(&Event); if (Event.reportObject.cmd == GENIE_REPORT_EVENT) { if (Event.reportObject.object == GENIE_OBJ_SLIDER) { if (Event.reportObject.index == 0) { int slider_val = display1.GetEventData(&Event); display2.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0, slider_val); Display 2 ! } } } if (Event.reportObject.cmd == GENIE_REPORT_OBJ) { if (Event.reportObject.object == GENIE_OBJ_USER_LED) { if (Event.reportObject.index == 0) bool UserLed0_val = display1.GetEventData(&Event); UserLed0_val = !UserLed0_val; display1.WriteObject(GENIE_OBJ_USER_LED, 0, UserLed0_val); } }
xii
} } // Función de controlador de eventos para la pantalla 2 void myGenieEventHandler2(void) { genieFrame Event; display2.DequeueEvent(&Event); if (Event.reportObject.cmd == GENIE_REPORT_EVENT) { if (Event.reportObject.object == GENIE_OBJ_SLIDER) { if (Event.reportObject.index == 0) { int slider_val = display2.GetEventData(&Event); display1.WriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS, 0, slider_val); } } } if (Event.reportObject.cmd == GENIE_REPORT_OBJ) { if (Event.reportObject.object == GENIE_OBJ_USER_LED) { if (Event.reportObject.index == 0) { bool UserLed0_val = display2.GetEventData(&Event); UserLed0_val = !UserLed0_val; display2.WriteObject(GENIE_OBJ_USER_LED, 0, UserLed0_val); } } } }
xiii
