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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