AUTOMATIZACIN EN QUMICA ANALTICA 1. Introduccin. 2. Definiciones y conceptos 3. Objetivos de la automatizacin en Qumica Analtica 4. Automatizacin de las distintas etapas del proceso analtico 5. 6. 7. Analizadores automticos. Clasificacin Analizadores continuos. Anlisis por inyeccin en flujo. Sensores qumicos

BibliografaM. Valcrcel, M. D. Luque de Castro. Automatic Methods of Analysis. Elsevier. Amsterdam. 1988. M. Valcrcel, M. S. Crdenas. Automatizacin y Miniaturizacin en Qumica Analtica. Springer-Verlag Ibrica. Barcelona. 2000. P.B. Stockwell. Automatic Chemical Analysis. Taylor & Francis. Londres 1996. M. Valcrcel, M. D. Luque de Castro. Anlisis por inyeccin en Flujo. Monte de Piedad y Caja de Ahorros de Crdoba. 1984

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INTRODUCCINLa AUTOMATIZACIN, sustitucin parcial o total de la participacin humana en el proceso de medida qumica, es una TENDENCIA, hoy consolidada, en Qumica Analtica. TENDENCIAS DE LA QUMICA ANALTICA AUTOMATIZACIN

MINIATURIZACIN

SIMPLIFICACIN

Ejemplo: recorte de prensa EL PAS, mircoles 17 de noviembre de 2004 ES EXTRAO EXPLORAR UN MUNDO QUE VES SLO COMO UN PUNTITO EN EL CIELO

OBJETIVOSConocer la terminologa utilizada en el mbito general de la automatizacin Ser capaz de evaluar crticamente las ventajas e inconvenientes derivados de la sustitucin de la participacin humana en los procesos analticos. Conocer las posibilidades de automatizacin de las diferentes etapas del proceso de medida qumica. Conocer las distintas configuraciones de los analizadores, comerciales o no, diseadas para tratar de llevar a cabo el proceso analtico de forma totalmente automtica: analizadores discontinuos, analizadores continuos y sensores.

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DEFINICIONES Y CONCEPTOS (1)MecanizacinProduccin de movimiento en lugar del operador humano Empleo de mecanismos para reemplazar, mejorar o extender el esfuerzo humano Toma de decisionesIN TE LI GE NC

OPERADOR HUMANOO RZ UE SF E ID NT SE OS

MECANIZACIN

INSTRUMENTACIN

IA

SISTEMAS AUTOMTICOS

AUTOMATIZACINSistema de retroalimentacin feed back

DEFINICIONES Y CONCEPTOS (3)

PROCESOANALIZADOR INSTRUMENTO APARATO

DISPOSITIVO

TCNICA

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DEFINICIONES Y CONCEPTOSInstrumentacinProduccin y suministro de informacin

Sistema utilizado para observar, medir o comunicar una propiedad que reemplaza o mejora la intervencin humana

empleo del instrumento:

AutomatizacinEmpleo combinado de dispositivos, aparatos e instrumentos para sustituir mejorar o ampliar el esfuerzo, los sentidos y la inteligencia humanos en el desarrollo de un proceso Toma de decisionesIN TE LI GE NC IA

OPERADOR HUMANOFU ES Z ER O ID NT SE OS

MECANIZACIN

INSTRUMENTACIN

SISTEMAS AUTOMTICOS

AUTOMATIZACINSistema de retroalimentacin feed back

DEFINICIONES Y CONCEPTOS (4)

TCNICAPROCESO DE MEDIDA QUMICAOPERACIONES PREVIAS MEDIDA Y TRANSDUCCIN DE LA SEAL TOMA Y TRATAMIENTO DE DATOS MAYOR NIVEL DE CONCRECIN

MTODO PROCEDIMIENTO

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OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIN EN QUMICA ANALTICAOBJETIVOS VENTAJAS INCONVENIENTES

INFORMACIN Produccin de ms y mejor informacin Rentabilizar al mximo los datos analticos generados CALIDAD Mejorar las propiedades analticas: precisin, exactitud, sensibilidad, selectividad. PRODUCTIVIDAD Aumentar la frecuencia de muestreo Reducir el consumo de muestra y reactivo. CAMPO de APLICACIN Hacer factible una tcnica o mtodo FACTOR HUMANO Reduccin de errores y costes debido al factor humano Mayor seguridad Estmulo personal

Menor control de Qumico sobre el proceso Sobrevaloracin de las posibilidades de automatizacin Restricciones legales Prdida de flexibilidad de herramientas y procesos

AUTOMATIZACIN DE LAS DISTINTAS ETAPAS DEL PROCESO ANALTICOEl PROCESO DE MEDIDA QUMICA (PMQ)

Operaciones previasMUESTREO TRATAMIENTO de MUESTRA REACCIN ANALTICA MEDIDA y TRANSDUCCIN de la SEAL ANALTICA ADQUISICIN y TRATAMIENTO de DATOS

OPERACIONES PREVIAS ALTERNATIVAS

ROBOTS SENSORES TCNICAS CONTINUAS DE SEPARACIN INTRODUCCIN DIRECTA DE MUESTRAS

NUEVOS TIPOS DE ENERGA (ultrasonidos, microondas, lser) ANALIZADORES DE PROCESOS MDULOS DE TRATAMIENTO MUESTRA

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MUESTREADORES AUTOMTICOS

Reactivo Jeringa de reactivo BRAZO MECNICO Jeringa de muestra Desecho Jeringa 1 2 3 4 Disolucin de lavado Desecho 1.MUESTRA DISOLUCIN de LAVADO

Aspiracin de un volumen de muestra. Introduccin de la muestra en la copa del analizador. Aspiracin de la disolucin de lavado. Descarga al desecho.

2. 3. 4.

AUTOMATIZACIN de las DOS LTIMAS ETAPAS

Salida A/DRegistrador

Toma y tratamiento de datos

Micropocesador

Ordenador

Lectura Registro Envo a unidad central Toma y tratamiento de datos Lectura Registro Envo a unidad central

Ordenador

Control de parmetros instrumentales

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AUTOMATIZACIN de las DOS LTIMAS ETAPAS

FUENTE

MONOCROMADOR

S

S

DETECTOR

AMPLIFICADOR

A/D

A/D

A/D

A/D

D/A INTERFASE PASIVA IMPRESORA

INTERFASE ACTIVA

ORDENADORTRATAMIENTO DE DATOS

SISTEMAS DE GESTIN DE LA INFORMACIN EN EL LABORATORIO: LIMS (Laboratory Information Management Systems) Sistema informtico integrado que combina la adquisicin de datos, su anlisis,la generacin de informes y funciones de gestin del laboratorio

Analizador 1

Instrumento 2 telfono

INTERNET Base de datos cientfico tcnicos

RED

Ordenador adquisicin datos Analizador 2 Instrumento 1 Base de datos Organizacin Base de datos Cliente

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ANALIZADORES AUTOMTICOS: CLASIFICACIN

Segn

GRADO DE AUTOMATIZACIN

AUTOMTICOS SEMIAUTOMTICOS

Segn TIPOS DE ANALIZADORES Segn

TRANSPORTE DE MUESTRA/REACTIVOS

DISCONTINUOS CONTINUOS ROBOTIZADOS

MUESTRA

Lquidos DE Slidos Gases

Segn

DISEO

Comerciales No Comerciales

ANALIZADORES AUTOMTICOSMuestra Reactivo Mezcla Tiempo Detector

Manualmente

Analizador discontinuo (tipo cinta)

Analizador continuo

Muestras balanza Robot reactivos

Analizador robotizadoDetector/ ordenador

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ANALIZADOR DISCONTNUO SECUENCIAL(No requieren manipulacin. Esta automatizado incluso el cierre y apertura)

Reactivos en rotor central

Pipetas para muestra y reactivos

Cubetas de reaccin Muestras (en rotor o en cinta)

Brazo de transporte

ANALIZADOR DISCONTINUOBandeja de reactivos

Cubeta

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ANALIZADORES ROBOTIZADOS

www.strobotics.com

www.mwg-biotech.com

COMPONENTES DE UN ANALIZADOR FIA

Tubos (tefln o PVC; = 0.5-0.8 mm) Conectores

Bomba Peristltica

Coil de reaccin INYECCIN

CARGA

Loop o bucle de inyeccin

Vlvula de inyeccin de dos posiciones (6 vas)

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COMPONENTES DE UN ANALIZADOR FIA (2) CELDAS DE FLUJOVoltametra/amperometra celda de capa fina A, R W R espectrofotometra

fluorimetra

W Bioanalytical Systems, Inc. www.bioanalytical.com

ANALIZADORES DE INYECCIN EN FLUJO (FIA; Flow Injection Analysis)Muestra Portador Bomba

Vlvula

Detector (con celda de flujo)

Registrador / ordenador T tr

Respuesta

H

Mta t

tiempo

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PRINCIPIOS DEL FIAEl FIA se basa en una combinacin de tres principios: 1. Inyeccin de la muestra 2. Dispersin controlada de la zona de muestra inyectada 3. Control reproducible del tiempo transcurrido desde la inyeccin hasta la deteccin Fenmenos de transporte que contribuyen a la dispersin: 1. Conveccin, para adaptarse a las condiciones de flujo laminar 2. DifusinFlujo laminar

Difusin axial

Difusin radial

COEFICIENTE DE DISPERSIN, D

Coeficiente de dispersin: D = C / Cmax

La seal obtenida en un sistema FIA es el resultado de dos procesos que se producen simultneamente: 1. Proceso fsico: Dispersin 2. Proceso qumico: reaccin analtica Ninguno de los dos procesos alcanza el equilibrio

FIA: MTODO CINTICO DE TIEMPO FIJO

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Parmetros instrumentales que afectan a D 1. Volumen de muestra inyectada, S(L). Al aumentar S disminuye D 2. Dimensiones de los tubos entre la vlvula de inyeccin y la celda de flujo: Dimetro interno (=0.5 mm) y longitud,L (cm)Al aumentar L aumenta D

3. Caudal, Q (mL/min). Al aumentar Q disminuye D Debe tenerse en cuenta el efecto de D sobre: 1. La sensibilidad 2. La velocidad de muestreo f(anchura de pico)CLASIFICACIN DE SISTEMAS FIA SEGN D

S= 60 L Q=1.5 mL/min

Sistemas con

Dispersin limitada Dispersin media Dispersin alta Dispersin reducida

D = 1-2 D =2-10 D > 10 D30 d. >60 d.

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SENSORES AMPEROMTRICOS. Sensor de oxgeno de Clark Proceso catdico: O2 + 2 H+ + 2 eProceso andico: 2 Ag(s) + 2 Cl-(aq)

-600 Eap./ mV

3.25 i./ A

H2O2 2AgCl(s) + 2 e-

Electrolito interno (KCl) nodo de Ag/AgCl Ctodo de Pt Membrana de Polmero (PTFE)

Caractersticas de respuesta Corriente de difusin estacionaria: i = nFA D Co* q= espesor de la membrana = porosidad de la memb. q = factor de tortuosidad

Tiempo de respuesta: test. = 2 2 (D/q) test 20 50 s

SENSORES AMPEROMTRICOS ENZIMTICOS 1. Basados en el empleo de enzimas oxidasas Seal (i/ A) Eapl = cte

E

SH2 + O2SH2 + E(FAD)

S + H2O2E(FADH2) + S E(FAD) + H2O2 Reaccin electrdica

1. Medida del perxido de hidrgeno generado

transductor

E(FADH2) + O2 H2O2

O2 + 2 H+ + 2 e-

Enzima inmovilizada

2. Empleo de un mediador de transferencia electrnica (Med)(el O2 se sustituye por un aceptor de electrones no fisiolgico)

e-

Medred

E(FAD)

E ox

SH2

SH2

Medox

E(FADH2)

Ered

S

S

Sensor Enzima y mediadorinmovilizados

Disolucin

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SENSORES AMPEROMTRICOS ENZIMTICOS 2. Basados en el empleo de enzimas deshidrogenasas E S + NADH + H+ DIFICULTADES Cintica lenta Mecanismo complejo Selectividad Estabilidad Reproducibilidad

SH2 + NAD+

NADH

electrodo

NAD+

+

2e-

+

H+

EMPLEO DE MEDIADORES DE TRANSFERENCIA ELECTRNICA

Medred

NAD+E

SH2

SH2

Medox

NADH

S

S

Electrodo

Disolucin

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