Análisis Manual y Automatizado en laboratorios de Química

Un viejo amigo

Todo el mundo se ha beneficiado de alguna manera de la ciencia moderna. Podemos ir al supermercado y comprar alimentos que tengan una etiqueta que detalle su contenido, como el número de calorías y los gramos de carbohidratos, proteínas y grasas. Contamos con medicamentos que deben cumplir con estándares de control de calidad. Queremos beber agua limpia y respirar aire limpio. Muchos de estos beneficios provienen del campo de la química analítica, que es un viejo amigo que existe desde hace cientos de años.

¿Qué es la química analítica?

La química analítica es la ciencia de qué y cuánto. Si bien esto puede parecer una simplificación excesiva, no lo es, porque de eso se trata. Es una rama de la ciencia en la que se desarman muestras y se analizan sus componentes tanto de forma cualitativa como cuantitativa. De esta manera, se pueden identificar muestras desconocidas y se pueden purificar y refinar muestras conocidas.

En el pasado, las técnicas de química analítica se realizaban manualmente y el equipo de laboratorio incluía elementos como buretas, pipetas, matraces volumétricos de vidrio y mecheros Bunsen. Los científicos trabajaron cuidadosa y lentamente para descubrir los componentes y sus cantidades en las muestras que buscaban analizar. Sin embargo, a lo largo de décadas y siglos, los equipos de laboratorio evolucionaron hasta convertirse en instrumentos más sofisticados, a menudo automatizados, que daban resultados más rápidos y eficientes con menos esfuerzo humano.

Técnicas clásicas (manuales)

Las técnicas clásicas que se hacían (y a veces todavía se hacen) manualmente pueden ser cualitativas, cuantitativas o ambas. Las técnicas cualitativas describen las características generales de una muestra o analito (el ‘qué’), mientras que las técnicas cuantitativas brindan información numérica sobre la cantidad de analito (¿cuánto?). Algunos de estos métodos clásicos se utilizan simplemente para identificar una muestra, mientras que otros se utilizan para separarla en sus componentes. Algunos de los métodos incluyen:

• Titulación: este importante método cuantitativo se utiliza para determinar la concentración molar de una solución. En otras palabras, se utiliza para saber qué cantidad de algo hay en una solución. Esto se hace agregando gradualmente un reactivo de concentración conocida a la muestra mientras se mide el volumen del reactivo agregado. Una vez que se determina el volumen que provoca una reacción, el científico puede calcular la concentración de la solución de muestra. La titulación se realiza a menudo para analizar ácidos y bases.
• Destilación: se trata de una técnica de separación cualitativa en la que un componente de una muestra líquida se evapora de la solución y luego se condensa en otro recipiente. Esto funciona si hay una diferencia en la volatilidad entre los componentes de la solución.
• Coulometría: esta técnica utiliza corriente eléctrica. Es cuantitativo y mide la cantidad de corriente que se utiliza o se produce a partir de una reacción. Esto, a su vez, determina la masa del componente.
• Gravimetría: esta técnica cuantitativa consiste en separar una muestra mediante precipitación u otra técnica y luego pesar el componente aislado que ha precipitado. Esto determina qué cantidad del componente hay en la muestra.

Técnicas automatizadas e instrumentales

Un método de química analítica está automatizado si uno o más de los pasos involucrados en el proceso se realizan sin la participación de un analista humano. Tanto la Primera Guerra Mundial como la Segunda Guerra Mundial crearon una mayor demanda de todo tipo de productos que debían procesarse rápidamente mediante química analítica, por lo que los métodos automatizados rápidamente se hicieron más populares a pesar de que eran más caros. Las técnicas automatizadas comunes incluyen:

• Titulación automatizada: aunque la titulación manual todavía se usa ampliamente en los laboratorios de química, la titulación que tiene varios pasos automatizados o que está completamente automatizada se está volviendo más popular.
• Cromatografía: los tipos automatizados de cromatografía, como la cromatografía de gases (GC) y la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC), se utilizan para separar un analito pasándolo por algún tipo de fase estacionaria que separa los diferentes componentes del analito. Los componentes pasan a diferentes velocidades, dependiendo de cuánto tiempo permanezcan en la fase estacionaria.
• Electroforesis: esta técnica utiliza un campo cargado eléctricamente para separar los componentes del analito.
• Espectrometría: esta técnica utiliza un instrumento llamado espectrómetro para aislar partículas de analito de diferentes masas o energías. Estas partículas se exponen a un campo eléctrico o magnético y, en función de su tamaño, se desvían de forma característica, lo que permite su identificación por comparación con elementos o compuestos conocidos.

Ventajas del análisis automatizado

Las técnicas analíticas automatizadas tienen una gran ventaja tanto en la química general como en áreas especializadas de la química, como las aplicaciones de laboratorio clínico. El uso de técnicas automatizadas reduce la necesidad de personal humano en el laboratorio. Las pruebas se pueden ejecutar de forma rápida, precisa y consistente, sin errores humanos. Los procesos analíticos automatizados que utilizan instrumentos digitales también suelen ser compactos y ahorran espacio en el laboratorio. Con la automatización, el rendimiento es alto, lo que resulta en un procesamiento de muestras más rápido.

Ejemplo: valoración manual versus automática

Si bien la titulación manual es económica y conveniente, puede no ser lo suficientemente precisa a menos que la realice un químico capacitado. La titulación automatizada tiene la ventaja de ser más consistente y con resultados reproducibles. La titulación automatizada también es más segura porque la bureta está encerrada dentro de la maquinaria para que nadie quede potencialmente expuesto a materiales nocivos. Con la titulación automatizada, se pueden analizar más muestras en un período de tiempo más corto, por lo que, aunque es más costosa que la titulación manual, con el tiempo resulta rentable.

Ejemplo: hematología

Un estudio realizado en 2019 que comparó métodos manuales de análisis de muestras de hematología con métodos automatizados encontró que los métodos automatizados arrojaron resultados que eran tan precisos como los manuales, y que aliviaron la carga de trabajo del personal del laboratorio y ahorraron tiempo a los pacientes. Los tipos de pruebas hematológicas que se realizaron incluyeron mediciones de hemograma, como glóbulos rojos, glóbulos blancos, recuentos de plaquetas y porcentajes de glóbulos blancos específicos.

Ejemplo: inmunoensayos

También se pueden utilizar métodos automatizados para inmunoensayos, que son métodos analíticos que se basan en la interacción de anticuerpos con antígenos. Un ejemplo es el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas o prueba ELISA. Un estudio realizado en 2005 que comparó los resultados de ferritina sérica para diagnosticar la anemia por deficiencia de hierro mediante pruebas ELISA tanto manuales como automatizadas mostró que el ensayo ELISA automatizado tenía mejor precisión, un rendimiento de muestra más rápido y menos dependencia de un operador humano.

Resumen de la lección

La química analítica es la ciencia de qué y cuánto porque implica analizar muestras en busca de sus componentes. Esto se puede hacer cuantitativamente, lo que significa que mide las cantidades de analitos, o cualitativamente, lo que significa que se encuentran las características generales. Se utilizan métodos tanto manuales como automatizados. Algunos métodos clásicos o manuales incluyen:

• Titulación: se utiliza para descubrir la concentración de un componente en una solución.
• Destilación – Esta es una técnica de separación cualitativa que utiliza evaporación y condensación.
• Coulometría – Esta es una técnica cuantitativa que utiliza una carga eléctrica.
• Gravimetría – Esta es una técnica cuantitativa que utiliza la precipitación química de una sustancia.

Algunos de los métodos automatizados incluyen:

• Titulación automatizada: esta es una titulación realizada mediante pasos automatizados computarizados.
• Cromatografía: este método separa los componentes de un analito haciéndolos pasar por una fase estacionaria.
• Electroforesis: este método utiliza un campo cargado eléctricamente para separar los componentes del analito.
• Espectrometría: un instrumento hace que las partículas de analito se desvíen según su tamaño.

En general, los métodos analíticos automatizados ahorran tiempo, utilizan menos personal y son más precisos y eficientes. Se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, incluidos los inmunoensayos, que son métodos que se basan en la interacción de anticuerpos con antígenos.