Análisis Instrumental: Definición, métodos y ejemplos

¿Qué es el análisis instrumental?

El análisis instrumental es un campo de la química analítica que investiga analitos utilizando instrumentos científicos. Cubre una amplia gama de técnicas, que incluyen espectroscopia, espectrometría de masas, cristalografía, análisis electroquímico, análisis térmico, separaciones y microscopía para investigar y comprender de manera integral los sistemas químicos.

En química, los análisis instrumentales abarcan todos los procesos naturales e inducidos por el hombre para medir la composición química, la concentración, la estructura molecular y la estructura atómica de la materia. Con la información recopilada a partir de las diversas técnicas de química analítica, los investigadores pueden decidir el siguiente paso a seguir en la investigación de su proyecto particular.

El análisis instrumental es importante porque proporciona métodos precisos y eficientes para el alcance del análisis cualitativo al identificar los productos de una reacción química, como analizar la orina de un atleta en busca de una droga que mejore el rendimiento o determinar la distribución espacial del plomo en la superficie de una sustancia en el aire. partículas.

Métodos de análisis instrumental

Los investigadores aplican análisis instrumentales para investigar la estructura molecular, la concentración y las impurezas de las sustancias, lo que les permite obtener datos precisos y completos sobre diversos materiales, desde productos farmacéuticos hasta muestras ambientales. Existen diversas técnicas de análisis de instrumentación que se pueden utilizar para propósitos específicos. Por ejemplo, en la espectroscopia UV-visible, la concentración de una sustancia se puede determinar evaluando su absorción de luz en longitudes de onda predeterminadas.

Espectroscopia

La espectroscopia es el estudio de cómo la materia interactúa y responde a diversas formas de radiación electromagnética (como la luz, las ondas de radio y los rayos X) mediante el análisis de cómo la radiación cambia o se absorbe. La disciplina de la espectroscopia tiene aplicaciones incluso al campo de la astronomía, así como a toda la ciencia y la tecnología.

Por ejemplo, la espectroscopia nuclear incluye técnicas como la resonancia magnética nuclear (RMN), que investiga el entorno nuclear de los átomos en una molécula, ayudando en la determinación de la estructura, como se ve en la química orgánica. Además, la RMN de protones es una herramienta esencial para el análisis cualitativo de compuestos orgánicos, inorgánicos y bioquímicos.

La espectrometría de masas es una herramienta útil para medir la masa y la carga de moléculas en una muestra. Ayuda a identificar compuestos desconocidos mediante la determinación del peso molecular, cuantificar compuestos conocidos y determinar la estructura y propiedades químicas de las moléculas. Por ejemplo, la investigación en biología, especialmente la proteómica, utiliza espectrometría de masas por electropulverización para encontrar y medir proteínas y péptidos.

Cristalografía

La cristalografía es una técnica centrada en descubrir la disposición, el enlace y la estructura geométrica de los átomos en sólidos cristalinos. Tradicionalmente, era valioso en mineralogía y química para identificar sustancias mediante propiedades ópticas. En su forma moderna, la cristalografía se basa en gran medida en el análisis de patrones de difracción de rayos X o electrones generados cuando estos haces interactúan con cristales, revelando la estructura atómica y molecular de los materiales. Este método es crucial para comprender la disposición interna de los átomos dentro de los cristales y se usa ampliamente en diversas disciplinas científicas, incluidas la química, la biología y la ciencia de los materiales, para dilucidar las estructuras de compuestos y materiales.

Por ejemplo, la cristalografía de rayos X permite a los químicos revelar las estructuras internas y los patrones de enlace en minerales, moléculas e incluso macromoléculas intrincadas como proteínas y ADN. Aprovecha las distancias interatómicas dentro de los sólidos cristalinos para crear un patrón de difracción de la luz de rayos X, dadas sus longitudes de onda cortas de alrededor de 1 angstrom. Este método sigue siendo indispensable para descubrir las estructuras de diversos compuestos y materiales.

Análisis electroquímico

El análisis electroquímico es una técnica que emplea estimulación eléctrica para examinar la reactividad química de una superficie de muestra o de una solución. Tiene diversos propósitos, incluida la ayuda en la selección de materiales durante la fase de diseño y la predicción de mecanismos de falla y vida útil durante los procesos operativos. Esta técnica implica la aplicación de un voltaje para inducir cambios químicos o la medición de parámetros eléctricos como la corriente y el potencial para extraer información valiosa sobre el analito, lo que la convierte en una herramienta versátil para comprender y controlar procesos químicos.

Por ejemplo, en química ambiental, el análisis electroquímico se puede utilizar para detectar y cuantificar contaminantes en el agua. Al medir la respuesta de la corriente durante la oxidación o reducción electroquímica de contaminantes específicos, como metales pesados ​​o compuestos orgánicos, se pueden determinar sus niveles de concentración, contribuyendo a la evaluación de la calidad del agua y la seguridad ambiental.

Análisis térmico

El análisis térmico comprende técnicas que investigan cómo evolucionan las características de un material bajo cambios de temperatura controlados. Desempeña un papel vital en el análisis instrumental y ofrece información valiosa sobre propiedades como las transiciones de fase, el comportamiento de descomposición y la estabilidad térmica de sustancias. Se utiliza ampliamente en la caracterización de materiales, el control de calidad y la investigación, particularmente en los campos de los polímeros, los productos farmacéuticos y la cerámica.

Por ejemplo, en el análisis termogravimétrico (TGA), el peso de una muestra se mide continuamente mientras se calienta. Este método es útil para determinar la descomposición, oxidación y pérdida de disolvente o agua de la muestra. Se utiliza ampliamente en la caracterización de materiales, el control de calidad y la investigación, particularmente en los campos de los polímeros, los productos farmacéuticos y la cerámica.

Separaciones

La separación es una de las herramientas más fundamentales disponibles para un analista instrumental para aislar e identificar los componentes de una mezcla compleja. La importancia de las técnicas de separación es evidente en una amplia gama de aplicaciones, incluido el análisis ambiental, el control de calidad farmacéutica y el monitoreo de la seguridad alimentaria. Esto se logra mediante el uso de una variedad de técnicas cromatográficas y electroforéticas.

Por ejemplo, en la cromatografía líquida, una técnica de separación común, se hace pasar una mezcla a través de una columna llena con una fase estacionaria. Esta técnica se utiliza para separar una muestra en sus partes individuales. La separación se produce en base a las interacciones de la muestra con las fases móvil y estacionaria. Esto permite el análisis y la cuantificación precisos de cada componente, lo que los hace esenciales en diversos campos, desde la detección de contaminantes en el agua potable hasta la cuantificación de ingredientes activos en productos farmacéuticos.

Microscopía

La microscopía es una técnica que emplea microscopios para examinar objetos a escalas de longitud microscópica y nanoscópica. Esta técnica se utiliza en análisis instrumental para observar y comprender muestras que van más allá de la resolución visual a simple vista.

Por ejemplo, la microscopía electrónica de barrido (SEM) es una técnica de análisis instrumental que utiliza un haz de electrones enfocado para escanear la superficie de una muestra. Es una técnica versátil para obtener imágenes de alta resolución e información detallada de la superficie de las muestras. SEM proporciona información valiosa sobre la topografía y la composición elemental de diversos materiales, lo que lo hace indispensable en campos como la ciencia de materiales, la biología y la ciencia forense.

Ejemplos de análisis instrumental

Algunos ejemplos de análisis instrumental y sus aplicaciones en la vida real son:

• Cromatografía de gases (GC): la industria farmacéutica utiliza la cromatografía de gases para ayudar a producir productos puros en grandes cantidades. Este método se utiliza para garantizar la pureza del material producido, eliminando inconsistencias en los productos farmacéuticos. La industria también utiliza la cromatografía de gases para analizar compuestos y detectar trazas de contaminantes.
• Cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC): la HPLC se utiliza a menudo para analizar muestras biológicas de personas con diagnósticos existentes. Al identificar metabolitos específicos en pacientes con Parkinson y enfermedades cardíacas, los investigadores pueden usarlos como biomarcadores para ayudar con el diagnóstico temprano de futuros pacientes. Esta técnica se utiliza para cuantificar los ingredientes activos de los medicamentos, garantizando la seguridad y eficacia del producto.
• Resonancia magnética nuclear (RMN): la espectroscopia de RMN se utiliza ampliamente en la industria para mapear estructuras de proteínas, perfilar aminoácidos, identificar carotenoides y cuantificar metabolitos. Se utiliza en el campo del descubrimiento de fármacos para determinar la estructura tridimensional de compuestos orgánicos, facilitando el desarrollo de fármacos.
• Espectrometría de masas: la espectrometría de masas es aplicable en diversos campos, incluida la toxicología forense, la metabolómica, la proteómica, la industria farmacéutica/biofarmacéutica y la investigación clínica. Las aplicaciones específicas de la espectrometría de masas incluyen pruebas y descubrimiento de fármacos, detección de contaminación de alimentos, análisis de residuos de pesticidas, determinación de proporciones isotópicas, identificación de proteínas y datación por carbono.

Resumen de la lección

El análisis instrumental es un campo de la química analítica que investiga analitos utilizando instrumentos científicos. El análisis instrumental incluye técnicas como espectroscopia, espectrometría de masas, cristalografía, análisis electroquímico, análisis térmico, separaciones y microscopía. Estas técnicas se pueden utilizar para investigar e identificar sistemas químicos proporcionando información sobre la composición química, la concentración y las estructuras moleculares y atómicas de una muestra. Al hacerlo, estas técnicas facilitan y optimizan el análisis cualitativo. Técnicas como la resonancia magnética nuclear (RMN) en espectroscopia y la cristalografía de rayos X en cristalografía proporcionan información sobre la estructura molecular que puede corroborar las identidades de las moléculas en una variedad de disciplinas científicas. La espectroscopia implica la interacción de la radiación electromagnética y la materia y puede usarse en muchos campos como la astronomía, la física, la química y la geología. La cristalografía se ocupa de la disposición de los átomos y moléculas en los sólidos cristalinos y la naturaleza de las fuerzas que los mantienen unidos. La disposición de átomos y moléculas se puede determinar mediante difracción de rayos X.

El análisis electroquímico utiliza estimulación eléctrica para impulsar una reacción química y observar el reactivo formado para obtener información sobre la reacción y la formación del producto. La eliminación de reactivos selectivos puede facilitarse mediante técnicas de separación que utilizan diferencias en las propiedades físicas y químicas. Las diferencias en la ebullición y la absorción pueden ayudar a separar las incógnitas en componentes selectivos. El análisis térmico permite a los científicos examinar las características de un material mientras está sujeto a cambios controlados de temperatura. El análisis termogravimétrico (TGA) es una técnica poderosa que permite examinar la pérdida de peso de un material en función del cambio de temperatura. Por último, la microscopía tiene la capacidad de examinar una muestra bajo un microscopio a escalas de longitud microscópicas e incluso nanoscópicas. Otros ejemplos de técnicas experimentales incluyen la cromatografía de gases (GC), la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) y la espectrometría de masas. Estas técnicas encuentran aplicaciones en diversas industrias, desde la farmacéutica hasta el análisis ambiental, lo que demuestra su papel fundamental en el avance del conocimiento científico y el progreso tecnológico.