Laboratorios y técnicas analíticas

Las propiedades químicas de las sustancias tienen una importancia extraordinaria. Sólo hay que mirar a nuestro alrededor: investigación en materiales e ingredientes activos, supervisión de procesos industriales, diagnosis médica, observación del medio ambiente o detección de grano genéticamente modificado. La instrumentación que se emplea en el análisis químico tiene la misión de determinar la estructura y la composición exactas de las sustancias, cualitativa y cuantitativamente. Las técnicas analíticas y de laboratorio más avanzadas permiten a los usuarios identificar el tipo y la cantidad de una sustancia con una certeza casi absoluta. Permiten determinar si una cierta sustancia se encuentra presente o no, si se ha producido o no una reacción química y, si se ha producido, cuál ha sido su resultado. Y, teniendo en cuenta la enorme cantidad de compuestos químicos posibles y de sustancias naturales, la tarea no es sencilla.

Aunque la aplicación concreta es el factor determinante a la hora de seleccionar una técnica analítica u otra, hay una regla general: cada vez más, los usuarios se decantan por sistemas analíticos y de laboratorio conectados en red, automatizados y de alto rendimiento, capaces de responder a los desafíos químicos y analíticos del mundo actual. Los sistemas deben ofrecer una eficiencia, selectividad y sensibilidad máximas, combinadas con un diseño muy robusto. Además, deben cumplir e incluso superar los requisitos impuestos por las normas y reglamentos nacionales sobre calidad, seguridad y protección del medio ambiente. Y ese cumplimiento debe estar garantizado a largo plazo.

Con frecuencia, los usuarios se apoyan en sistemas de gestión asistidos por ordenador para facilitar y controlar los procesos analíticos y para distribuir los resultados a través de una red. Estos sistemas de gestión de la información de laboratorio (LIMS) son hoy día herramientas imprescindibles que hacen posible que los usuarios se ajusten a los requisitos nacionales e internacionales. Todos y cada uno de los pasos deben ser trazables, empezando por el pesaje de las muestras; debe ser posible consultar el estado de las muestras en cualquier punto del proceso y modificar los parámetros de medición. Estos requisitos no se limitan a la introducción en el mercado de nuevos medicamentos o productos químicos.

La norma 21 CFR parte 11 exige que exista una documentación completa de los pasos manuales, como la administración de disolventes o reactivos a la muestra o la modificación del método, y no es fácil cumplir este requisito. Cumplirlo puede ser muy costoso, en términos de esfuerzo y costes, y más cuanto más aumentan los volúmenes de muestras. Dependiendo del tipo y la complejidad de las operaciones analíticas, puede ser preciso confiarlas a personal altamente cualificado (y por tanto caro). Seguramente por ello, la necesidad de ahorrar tiempo, esfuerzo y dinero sea la fuerza que impulsa el desarrollo y la mejora de nuevos métodos y equipos.

Para que cualquier clase de muestra revele información acerca de la composición de una sustancia, primero hay que invertir una cantidad de esfuerzo relativamente importante. El esfuerzo preciso es particularmente grande cuando se trabaja con matrices de muestras, y ese es con frecuencia el caso en la biotecnología, la tecnología genética y las ciencias de la vida. Los expertos opinan que estos campos son los que ofrecen más potencial para la innovación. Cuando los usuarios piensan en simplificación y automatización, tienden a poner la vista en la preparación de las muestras (muchas veces en conexión con la inyección de muestras) porque, tradicionalmente, esta labor abarca un gran número de operaciones manuales. Cada uno de estas operaciones se presta a cometer errores y, por otro lado, ofrecen un potencial máximo para reducir el coste del análisis químico.

Los usuarios son especialmente partidarios de automatizar los procesos analíticos cuando pasa mucho tiempo entre la extracción de la muestra y la disponibilidad de resultados utilizables. Sobre todo si esos resultados son cruciales para los procesos aguas abajo como ocurre, por ejemplo, en los procesos industriales o en el seguimiento de contaminantes ambientales. En casos como estos, la solución pasa por desarrollar técnicas de análisis en línea, enviar un flujo continuo de datos del proceso o disponer de análisis rápidos que den resultados enseguida.

Tampoco ha disminuido la tendencia hacia robots de laboratorio multifuncionales, de alto rendimiento, que trabajan con volúmenes mínimos de muestras. Para obtener resultados utilizables, los usuarios tienen que sudar lo suyo y consumir grandes cantidades de disolventes. Muchos de esos disolventes son tóxicos, por lo que eliminarlos puede ser laborioso y caro. Por eso el mercado busca sistemas rentables y con impactos medioambientales mínimos. Por ejemplo, un instituto de ensayos de Hamburgo empezó a utilizar una técnica de extracción acelerada de disolventes (ASE) y un robot industrial de altas prestaciones para detectar la presencia de policlorofenol, un compuesto cancerígeno, en productos textiles. Los resultados del análisis pasaron a obtenerse en una hora, frente a las dieciséis que se necesitaban anteriormente por cada muestra. El instituto redujo su consumo anual de disolventes en un 93% con lo que, de paso, se ahorró 21.400 euros al año.

La aportación de un robot de laboratorio depende de sus prestaciones mecánicas, por ejemplo, de las opciones de manipulación de muestras que ofrezca, de lo que puedan hacer sus brazos funcionales y del número de direcciones en las que pueda trabajar. Pero también es importante la “inteligencia” del sistema o, dicho de otro modo, hasta qué punto pueda el software de control “meterse en la piel” del contexto analítico (el sistema de análisis en su conjunto). Y, para reducir el número de errores de manipulación a un mínimo absoluto, la facilidad de uso es un elemento clave.

La demanda de una mayor velocidad de procesamiento de las muestras está impulsando la innovación, en especial en el campo de la cromatografía, que es la técnica de análisis más antigua. Aunque esta tecnología ha alcanzado de sobra su edad adulta, los métodos de separación cromatográficos y, en particular, la cromatografía de gases (GC) capilar y la cromatografía líquida de alta resolución (HPCL) se emplean en prácticamente todos los laboratorios de análisis químico, sobre todo en combinación con las técnicas de selección de masas.

Conceptos como la cromatografía de gases rápida (Fast GC) o la cromatografía líquida rápida (Fast LC), que se han empezado a escuchar recientemente en el mundillo de los laboratorios, ejemplifican el intento de reducir los tiempos de análisis al mínimo sin sacrificar la calidad de los resultados. En GC, las aplicaciones rápidas son viables en la medida en que es posible reducir la longitud y el diámetro interno de las columnas. El desarrollo de nuevos materiales de relleno de las columnas basados en nanotubos o nanopartículas podría mejorar el rendimiento de los sistemas cromatográficos, pero es una tecnología todavía en pañales.

Para aumentar la capacidad de análisis de muestras complejas, los usuarios están recurriendo cada vez más a la combinación de distintas técnicas, como análisis del espacio de cabeza, extracción LVI, termodesorción directa, microextracción en fase sólida (SPME) o extracción por sorción con barras magnéticas agitadoras. Estas técnicas pueden combinarse con cromatografía multidimensional (GC-xGC), una técnica en la que se conectan columnas con diferente polaridad, y con la selección de masas, sobre todo MS/MS. Este método perite capturar iones y refragmentarlos para investigarlos posteriormente en condiciones de aislamiento.

Hay un desarrollo en el campo de la HPLC, denominado cromatografía líquida a temperatura controlada (TPLC) que puede sonar exótico, pero que actualmente se emplea con frecuencia en la GC. Hay varios fabricantes que ofrecen sistemas de LC, ya sean nuevos o actualizaciones de otros ya existentes, que permiten efectuar separaciones a distintas temperaturas o con distintos gradientes de temperatura. Con ello, puede mejorarse la capacidad de separación y la resolución, además de reducir significativamente el consumo de disolventes orgánicos caros o tóxicos. En este sentido, un fabricante de aromas artificiales ha desarrollado un método de cromatografía líquida y determinación de sabor en un horno de columna con temperatura programable. Este método emplea un eluyente que no contiene disolventes orgánicos. Las pruebas de sabor del eluyente se efectúan en paralelo a la identificación de los analitos, mediante un detector estándar.

También existen distintos métodos de análisis estructural y control de calidad. La espectroscopia infrarroja (IR) y Raman están muy extendidas, y la espectroscopia láser se está convirtiendo en una alternativa cada vez más popular cuando se superan los límites de otros métodos. La espectrometría de masas es una de las técnicas analíticas más importantes y universales. Las nuevas generaciones de detectores con circuitos integrados son capaces de identificar simultáneamente distintas masas, incluso la masa de grandes moléculas. La espectrometría de masas con fuente de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS) está consolidándose como la mejor solución para la determinación de radioisótopos, gracias al desarrollo de instrumentos multicolector cada vez más manejables y con mejores prestaciones.

Una calibración eficiente y precisa sigue siendo fundamental, motivo por el cual el análisis por dilución isotópica se emplea prácticamente en todos los segmentos de análisis por espectrometría de masas. La masa molecular del patrón no interfiere con las señales del analito. Eso permite a los usuarios reducir el número de pasos cromatográficos y ganar tiempo, ya que el patrón se añade directamente a la muestra en lugar de actuar como un patrón externo clásico, que requeriría un tiempo adicional de funcionamiento del aparato.

El análisis por dilución isotópica mediante espectrometría de masas pone de manifiesto otra tendencia interesante. En el pasado, el desarrollo de tecnologías sofisticadas se producía en grandes saltos, y dependía de la innovación en equipos o técnicas analíticas. Pero ahora, el foco de atención es el nivel molecular o, dicho de otro modo, la química de los componentes de interés. Con frecuencia, es posible utilizar reacciones de formación de derivados para crear sustancias aptas para el análisis cromatográfico. De este modo, resulta posible identificar concentraciones minúsculas con alta especificidad.

La situación es distinta en el caso de la espectrometría de absorción atómica. Esta técnica permite identificar simultáneamente varios elementos mediante el empleo de fuentes de espectro continuo más potentes. Esto podría llevar al desarrollo de nuevas técnicas, habida cuenta de que los equipos son relativamente baratos y el consumo de argón inferior, lo que ofrece a los usuarios el beneficio de unos costes más bajos. Los equipos podrían ser asequibles para los pequeños laboratorios, que podrían ampliar sustancialmente su espectro de análisis.

Los atentados terroristas de los últimos años han estimulado el desarrollo y el uso de tecnologías de seguridad, que se emplean para detectar armas químicas y toxinas, o para detectar explosivos en zonas de alta seguridad, como las de facturación de los aeropuertos. El creciente interés por los espectrómetros de movilidad iónica (IMS) es un reflejo de los esfuerzos por detectar explosivos. La espectrometría de movilidad iónica se basa en la movilidad de las moléculas en un gas a contracorriente sometido a un campo eléctrico. Las moléculas pueden ionizarse empleando una fuente radiactiva de Ni-63. Se mide el tiempo de vuelo y el usuario sabe enseguida si la sustancia de interés se encuentra presente o no. La sensibilidad es extremadamente alta y, para algunas sustancias, es incluso mejor que la de GC-MS. El intervalo de sensibilidad abarca normalmente entre 0,01 y 1.000 ppm. La IMS es hasta cierto punto comparable con la espectrometría de masas de tiempo de vuelo, con la ventaja de que trabaja a presión atmosférica.

Otras novedades están directamente relacionadas con el esfuerzo por decodificar el genoma humano y combatir enfermedades. A la tecnología genética y la biotecnología les interesa fundamentalmente descubrir datos genéticos y duplicarlos. Una rama relativamente nueva de las ciencias de la vida, la proteómica, se interesa por la totalidad de las proteínas de una célula. Si nos fijamos en una célula en un momento cualquiera, descubrimos que no está expresando ni de lejos la totalidad de proteínas que podría. La mayoría de los genes de la célula no se leen nunca. Y, a la inversa, distintas proteínas pueden tener su origen en un mismo gen. Estos genes están compuestos por módulos que pueden combinarse de varias formas para formar moléculas mensajeras. Los mecanismos de lectura de los ribosomas producen después las distintas proteínas. Este es el procedimiento que permite a las células del sistema inmune producir rápidamente anticuerpos contra una gran variedad de patógenos. Todo ello ha llevado a una serie de científicos a concluir que el complemento proteínico completo que podría llegar a expresarse y modificarse en una célula, o sea, el proteoma, tiene más importancia biológica que el genoma.

Las matrices fluorescentes proporcionan un método normalizado para analizar las biomoléculas en la investigación del proteoma. Por ejemplo, permite detectar proteínas y enzimas en matrices complejas. Sin embargo, la espectrometría de masas también es una importante herramienta analítica en el laboratorio de proteómica, porque aporta más información acerca de la composición y la estructura de una muestra pequeña que ninguna otra técnica. La técnica MALDI-MS (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry), al igual que LC/MS, permite procesar altos flujos de muestras con alta resolución. La resonancia de ion ciclotrón por transformada de Fourier de alta resolución también tiene relevancia, sobre todo en las etapas finales del análisis de proteínas, porque su resolución másica y su precisión en cien veces superior a la de otras técnicas de MS.

La tendencia hacia el minilaboratorio continúa, y es una característica típica del análisis de genes y del proteoma. Mediante la tecnología ‘lab-on-chip’, los científicos llevan varios años tratando de embutir un laboratorio completo en un microchip. La fuerza motriz de este novedoso segmento de la tecnología es, cómo no, la necesidad de ahorrar tiempo y dinero, pero también la de minimizar el uso de material de muestra, que resulta caro y que, además, sólo se encuentra disponible en cantidades limitadas. Hay muchas expectativas. El tiempo dirá si es posible construir un laboratorio universal de bolsillo y, si, resulta que sí, cuánto tardaremos en verlo hecho realidad. Los primeros pasos son prometedores. Ya existen en el mercado varias micromatrices que se emplean para análisis de expresión genética.

La tecnología ‘lab-on-chip’ ya se está utilizando, por ejemplo, en aplicaciones en las que se efectúan ensayos completos con detección de microfluidos mediante chips. Un buen ejemplo es la determinación de los niveles de azúcar en sangre de los pacientes diabéticos. Sin embargo, no es posible analizar los procesos intracelulares por medio de sensores. En estos casos, la propia célula se emplea como sensor, inyectándola proteínas fluorescentes para disponer de una indicación visual de lo que está pasando en ella.

Los científicos todavía están esperando un avance revolucionario en la tecnología ‘lab-on-chip’. El sueño es determinar el genoma completo de cada individuo para detectar mutaciones puntuales de forma individual. Con todo, el análisis del genoma individual sólo será una realidad si su coste consigue reducirse a unos 1.000 dólares, que es la cifra que se suele mencionar en la industria y que supone un recorte radical, si se piensa que el coste actual de este tipo de análisis es de varios millones de dólares.