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¿A qué saben los metales?

Investigadores del Grupo de Sensores y Especiación Metálica (GISEM) del Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), han desarrollado una lengua electrónica para la determinación simultánea de metales pesados.

Las características organolépticas de todo lo que nos rodea están directamente relacionadas con su composición química. La presencia de diferentes sustancias a un determinado nivel de concentración es lo que comunica color, olor y sabor a lo que comemos, bebemos, a los productos de todo tipo que empleamos por ejemplo en el aseo diario y al aire que respiramos. Cada uno de esos compuestos posee unas propiedades individuales claramente definidas que son comunicadas a los materiales a los que se incorporan.

Nuestros sentidos, gusto, olfato, cuando entran por primera vez en contacto con una sustancia establecen una asociación entre las sensaciones percibidas y la presencia de esa entidad química. Esta información procesada y almacenada en nuestro cerebro nos permite identificar esos compuestos cuando volvemos a entrar en contacto con ellos. Cuando se encuentran mezclados en unas proporciones definidas producen un nuevo patrón sensorial único que nuestro cerebro “siente” y almacena y que nos permite saber qué estamos comiendo, bebiendo u oliendo y al mismo tiempo asociarlo a experiencias placenteras, negativas o peligrosas ya vividas.

Nuestros sentidos son los instrumentos analíticos más perfectos que podamos imaginar. Aunque tengamos los ojos cerrados sabemos que lo que estamos bebiendo es por ejemplo un zumo de naranja, podemos diferenciar si es natural o embotellado y entre estos últimos si es el de nuestra marca habitual. Lo que nosotros rápidamente identificamos poniéndole “nombre” y “apellido” es una suma de componentes en proporciones definidas, no sabemos la proporción exacta de cada uno de los elementos que contiene, azucares, vitaminas, etc., que contribuyen al sabor, olor o color pero sabemos sin ningún género de duda, que es “ese” zumo de naranja.

Basados en los principios de reconocimiento de los sentidos de los seres vivos se están desarrollando los denominados “sentidos electrónicos”. Estos instrumentos analíticos constan de un conjunto de sensores que actúan como receptores de la información de la muestra del mismo modo que los terminales nerviosos presentes en nuestras papilas gustativas captan la información de sabor dulce, salado, amargo con los matices que corresponde a lo que tenemos en la boca. La información, conjunto de señales, que es captada por los sensores es almacenada y procesada empleando sistemas de redes neuronales complejas que simulan el funcionamiento cerebral. Pero ¿cómo ese conjunto de sensores es capaz de llegar a establecer que estamos ante una mezcla de composición definida de sustancias? Necesita un entrenamiento, haber estado primero en contacto con los componentes individuales y con sus mezclas, es decir, necesita patrones de comparación.

Los sentidos electrónicos, denominados “lenguas electrónicas” cuando se aplican sobre muestras líquidas y “narices electrónicas” cuando extraen información de materiales gaseosos, constituyen una metodología analítica de bajo coste en relación a las convencionales que permite la obtención de resultados de forma rápida y sencilla con adecuada exactitud.

Estos dispositivos se están empleando en distintos ámbitos como por ejemplo para la clasificación de muestras clínicas o de bebidas como aguas, vinos, refrescos, cervezas, leches, té o café. En análisis ambiental los “sentidos electrónicos” adecuadamente diseñados permiten caracterizar el grado de contaminación o de toxicidad de una muestra y la determinación simultánea de la concentración de un número variable de sustancias. Actualmente se emplean esencialmente con fines cualitativos o clasificatorios, existiendo hasta el momento muy pocos trabajos donde una lengua electrónica se use para obtener información cuantitativa.

Las investigaciones llevadas a cabo por Mª Jesús Gismera, Sandra Arias, Mª Teresa Sevilla, Jesús R. Procopio, del Departamento de Química Analítica y Análisis Instrumental de la UAM), y publicadas en Electroanalysis, han logrado el desarrollo de una lengua electrónica potenciométrica para la determinación y cuantificación simultánea de metales pesados, basada en un conjunto de cuatro electrodos sensores de membrana sólida de pasta de carbón modificada. Los modificadores empleados contienen átomos de azufre dadores de modo que presentan características adecuadas para reaccionar con metales pesados aunque no de forma selectiva. De este modo, cada uno de los sensores es inespecífico, es decir, presenta una sensibilidad cruzada o selectividad parcial a los iones cobre, plomo, mercurio, plata y cadmio.

Tras evaluar la respuesta de los sensores en muestras individuales de cada uno de los metales y establecer que, efectivamente, el grado de sensibilidad cruzada o parcial de los mismos era adecuado para su empleo en una lengua electrónica, se valoró la respuesta de los mismos en disoluciones que contenían mezclas de metales. La interpretación de las señales del conjunto de sensores se realizó empleando distintos métodos matemáticos de reconocimiento de pautas como el de mínimos cuadrados parciales (PLS) y el de redes neuronales de retropropagación (ANN).

El modelo matemático a emplear, requiere ser alimentado por los datos provenientes de dos conjuntos de muestras: uno de muestras de calibración o entrenamiento para el aprendizaje y optimización del modelo y otro conjunto de muestras de validación para evaluar la capacidad de predicción del modelo optimizado.

El empleo de una red neuronal de retropropagación para la interpretación de las señales y la utilización de los sensores con superficie activada permiten obtener buenas correlaciones para los datos de entrenamiento o calibración y para los de validación para plata, cobre y mercurio, con muy buena exactitud y con imprecisión en la predicción de los datos inferior al 6.5%.

El sistema multisensor se ha empleado con éxito en la determinación de los tres metales en muestras sintéticas que contienen además otros iones metálicos y en una amalgama dental siendo necesaria una única medida de la muestra para cuantificar los tres metales.

Se presenta por tanto una herramienta sencilla y de bajo coste que permite realizar un análisis rápido y simultáneo de varios analitos siendo una alternativa a las metodologías más complejas empleadas comúnmente para caracterizar la contaminación o toxicidad de una muestra tanto en la industria como en el medioambiente.

Fuente: Universidad Autónoma de Madrid (UCCUAM)
Derechos: Creative Commons

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