Quimiometría en Química Analítica Área Química Analítica General Departamento de Química Analítica Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Universidad Nacional de Rosario 2009

Quimiometría: aplicación de métodos computacionales a problemas químicos

Técnicas quimiométricas Calibración uni- y multivariada Clasificación Diseño y optimización de experimentos

Técnicas quimiométricas para análisis cuantitativo: calibración uni- y multivariada

Concentracióndel analito Datos instrumentales multivariados para mezclas complejas de multicomponentes Algoritmo Concentracióndel analito Perfiles (cinéticos, espectrales, cromatográficos, de pH, etc.) de los componentes puros

Calibración univariada o de orden cero Muestra Juego de una vía Absorbancia o emisión a una longitud de onda Potencial de electrodo ión selectivo Área de una banda cromatográfica

Concentración del analito en la incógnita Calibración univariada de orden cero Señal Señal de la incógnita Concentración Concentración del analito en la incógnita

Calibración multivariada de primer orden Muestra Juego de dos vías Espectros de luminiscencia, de absorción UV-vis, MIR, NIR etc. Voltamperogramas Cromatogramas, electroferogramas, etc.

Calibración multivariada de segundo orden Juego de tres vías Muestra Matrices de excitación-emisión, de excitación (o emisión)-tiempo de decaimiento de luminiscencia Matrices absorbancia (o luminiscencia)-pH (o tiempo) Matrices de RMN bidimensional Matrices por técnicas en tándem (LC-DAD, LC-MS, LC-F, EC-DAD, EC-MS, GC-MS, MS-MS)

Matriz excitación-emisión de fluorescencia para tres antibióticos fluoroquinolónicos

Matriz absorción-pH para el ácido benzoico

Matriz absorción-tiempo de reacción para la hidrólisis de amoxicilina catalizada por Cu(II)

Matriz emisión-tiempo de retención para una mezcla de fluoroquinolonas Long. de onda Tiempo de retención

Calibración multivariada de tercer orden Muestra Juego de cuatro vías EEM en función del pH, tiempo de reacción o tiempo de decaimiento RMN tridimensional Datos tridimensionales por técnicas en tándem (GC-MS-MS,GC-GC-MS, LC-LC-DAD)

Características de las calibraciones Ventaja de primer orden Orden Analitos Componentes no calibrados Exactitud Detección 0 Uno No No 1 Varios No Sí 2 Varios Sí Sí 3 Varios Sí Sí Selectividad Ventaja de segundo orden Datos de orden superior

Trabajos publicados sobre calibración de orden superior Escandar, GM, Faber, NM, Goicoechea, HC, Muñoz de la Peña, A, Olivieri, AC, Poppi, RJ, Trends Anal. Chem. 26, 752 (2007)

Algoritmos para procesar datos de segundo orden

PARAFAC Rasmus Bro (Universidad Real de Veterinaria y Agricultura, Dinamarca) Bro, R, Chemom. Intell. Lab. Syst. 38, 149 (1997) MCR Romà Tauler (CSIC, Barcelona, España) Tauler, R, Chemom. Intell. Lab. Syst. 30, 133 (1995) PLS Svandte Wold (Universidad de Umea, Suecia) Öhman, J, Geladi, P, Wold, S, J. Chemometrics 4, 79 (1990)

Calibración de primer orden

El espectro electromagnético Rayos X Ultravioleta Visible Infrarrojo Microondas Radio Longitud de onda Frecuencia

Espectro infrarrojo Cercano Medio Lejano A MW Al visible 700 nm 2800 nm 20000 nm 106 nm 14000 cm-1 3500 cm-1 500 cm-1 10 cm-1 Espectro NIR: entre 4000 y 12000 cm-1

Espectro infrarrojo típico de un compuesto orgánico: bandas fundamentales y sobretonos de baja frecuencia Se emplea como huella dactilar, especialmente a < 1500 cm-1

Frecuencias de estiramiento

Frecuencias de deformación

Espectroscopía de absorción en el infrarrojo cercano (NIR) E = (n + 1/2)hn01 E = (n + 1/2)hn02 Armónico o sobretono (2n01) Banda de combinación (n01 + n02) n = 0 Un único fotón excita ambas vibraciones n = número cuántico vibracional

Absorción NIR Son armónicos y combinaciones de frecuencias de absorción fundamentales, por ejemplo C=O (1800 cm–1) y C-O (1200 cm–1) se combinan para absorber a 1800 + 2×1200 = 4200 cm–1.

Absorción NIR del agua IR NIR 3280 cm1 3490 cm1 1645 cm1 Banda intensa a 1940 nm = 5150 cm1 n3 + n2 = 51351

Ventajas de la espectroscopía NIR Instrumental más simple que IR (celdas de vidrio, detectores de semiconductores). Medidas en tiempo real mediante FT o DAD. Uso de fibras ópticas para determinaciones en campo. Análisis no invasivo de material intacto. Mayor penetración en materiales respecto de UV-visible para medidas de reflectancia.

Desventajas de la espectroscopía NIR Muy poco selectiva. Requiere algoritmos matemáticos para obtener selectividad (PLS).

Determinación de glucosa en sangre

Electrodo de Clark (1962) Glucosa Ácido glucónico Se oxida a O2 y se mide la corriente

Penetración en el material Cuando la luz se refleja en un material, penetra en él una distancia del orden de la longitud de onda Reflectancia Luz incidente Penetración en el material

Estructura de la piel (en zonas de piel delgada) Epidermis (0,05 mm) Dermis (0,3 mm) Tejido subcutáneo

Análisis no invasivo de glucosa en sangre mediante NIR

Comparación de NIR con el método de referencia

Espectros NIR Glucosa e interferentes Suero El algoritmo PLS separa las contribuciones de los componentes, haciendo posible la cuantificación del analito de interés.