A medida que se acercan las fiestas, muchos de nosotros tomaremos un avión para visitar a amigos y familiares, o simplemente para desconectar de todo. A algunos les harán una prueba con un hisopo en el aeropuerto para detectar explosivos en la ropa y el equipaje. ¿Cómo funciona este proceso?
La respuesta es la cromatografía —una rama de la química de separación— junto con la espectrometría de masas (que abordaré en un artículo posterior).
La palabra «cromatografía» se traduce aproximadamente del griego como «la ciencia de los colores». El motivo de este nombre resulta evidente al darse cuenta de que la mayoría de las personas ha realizado accidentalmente un sencillo experimento de cromatografía.
Si alguna vez has derramado agua sobre una lista de la compra escrita a mano y luego la has levantado para que escurra el agua, probablemente habrás observado que la tinta se difunde por el papel y que el color del bolígrafo está compuesto por varios pigmentos (si no lo has hecho, puedes realizar el experimento: prueba con un par de bolígrafos de distintas marcas, pero del mismo color). Esta separación es la cromatografía.
Hay varios tipos de separación cromatográfica. Todos tienen en común que una mezcla de materiales que se deben separar (los analitos) se hace pasar por un material sólido (denominado matriz), lo que provoca la separación de los analitos.
Podría parecer que la cromatografía no es más que filtración o separación por tamaño de partícula. En algunos casos, eso es casi exactamente lo que ocurre (la cromatografía de exclusión por tamaño suele denominarse cromatografía de filtración en gel).
Sin embargo, la mayoría de los métodos cromatográficos funcionan mediante algún otro efecto químico, no solo por el tamaño de los materiales que se separan, entre ellos (aunque no exclusivamente):
cromatografía de fase normal , como la tinta sobre el papel
cromatografía de fase inversa , que se usa a menudo en experimentos de laboratorio universitarios
cromatografía de gases , como la que se emplea en los detectores de bombas de los aeropuertos
cromatografía, que se utiliza para purificar fármacos.
Cada uno de estos métodos puede realizarse con un solo disolvente, como cuando se deja caer agua sobre una lista de la compra —lo que se conoce como isocrático (del griego, «igual poder»)— o con una mezcla cambiante de disolventes (lo que se conoce como gradiente).
Entonces, ¿cómo funciona?
En términos técnicos, la separación cromatográfica se debe a la afinidad diferencial del analito por el disolvente y la matriz sólida. Pero ¿qué significa esto en realidad?
Tendrás que tenerme paciencia en esta parte.
¿Alguna vez has ido de compras con alguien que se detiene a mirar cosas mientras tú intentas recorrer la tienda lo más rápido posible?
Esa atracción diferencial por lo que te rodea es lo que impulsa la cromatografía. Recorres los pasillos y apenas interactúas con los productos a la venta, mientras que tu acompañante siente mucha más afinidad por los estantes y se detiene con frecuencia. Cuando tú llegas a la salida, esa persona todavía está a mitad de la tienda: ¡os habéis separado!
Eso es lo que les ocurre a las moléculas. El disolvente fluye sobre la matriz (en el ejemplo de la lista de la compra, el papel) y transporta los analitos. La afinidad relativa del analito por la matriz, en comparación con el disolvente, determina la separación.
Si un compuesto es totalmente insoluble en el disolvente, permanece fijado a la matriz (quizá lo hayas visto al derramar agua sobre una lista de la compra escrita a lápiz). Si el analito es muy soluble, puede desplazarse tan rápido como el disolvente.
El ejemplo de la lista de la compra se llama cromatografía planar. La tinta que asciende parece desafiar la gravedad al moverse por el papel debido al efecto capilar. En la cromatografía de alta resolución, más habitual, la matriz es una columna por la que se hace pasar el disolvente, por gravedad o mediante bombeo.
El uso de una columna facilita cambiar la proporción de disolventes mediante una bomba capaz de mezclar varios materiales (por lo general, una mezcla de agua y un disolvente orgánico soluble, como el acetonitrilo).
En una separación en gradiente, el analito tiene mucha más afinidad por la matriz que por la mezcla inicial de disolventes. A medida que cambia la mezcla de disolventes, el analito se disuelve en ella y sale de la columna, separado de los materiales que son solubles en distintas proporciones de disolventes.
A veces es gas, gas, gas
En la cromatografía de gases, la configuración es un poco distinta. Los analitos son gases o líquidos volátiles (pensemos en productos petroquímicos, aceites vegetales y armas químicas). Estos compuestos suelen ser apolares e hidrófobos; en otras palabras, no se mezclan bien con el agua.
Los compuestos se evaporan en un gas portador inerte (de forma análoga a disolverlos en un disolvente). El gas portador transporta el compuesto por una matriz hidrófoba contenida en una columna enrollada (a menudo de decenas de metros de longitud, pero de apenas unos micrómetros de anchura).
Para mejorar la separación y permitir el análisis de materiales con un punto de ebullición más alto (hasta unos 300C), la columna se coloca en un horno. Cambiar la temperatura del horno afecta a la separación de forma similar a cambiar la mezcla de disolventes en la cromatografía líquida.
Control de calidad
Cuando se separan compuestos coloreados, resulta bastante evidente si el proceso ha funcionado. Pero ¿cómo se sabe si se han separado dos compuestos incoloros o cantidades microscópicas de analito?
Hay varias formas de detectar los analitos, según sus propiedades químicas o físicas. Algunas de las más comunes son:
absorbancia ultravioleta o infrarroja (longitudes de onda ópticas no visibles)
fluorescencia no visible
conductividad o pH (el grado de acidez de la solución)
recoger muestras y realizar pruebas químicas
espectrometría de masas.
Probablemente, la más útil de estas técnicas sea la espectrometría de masas, ya que permite al analista determinar exactamente qué compuesto está observando sin necesitar conocimientos previos sobre lo que contenía la mezcla original de analitos.
Un mundo en constante evolución
Aunque la cromatografía instrumental es una tecnología madura (los primeros instrumentos se fabricaron justo después de la Segunda Guerra Mundial), con frecuencia surgen nuevas aplicaciones.
Algunas son cuestión de escala. Las empresas farmacéuticas que producen anticuerpos monoclonales (utilizados a menudo en tratamientos contra el cáncer) recurren a la cromatografía de afinidad para purificar sus productos. A escala industrial, estas columnas pueden medir decenas de centímetros de diámetro y varios metros de longitud (los sistemas habituales de laboratorio tienen unos pocos milímetros de diámetro y miden entre 5 y 30 cm de largo). detectar cocaína en billetes mediante los sistemas de cromatografía de gases que suelen verse en los aeropuertos como detectores de bombas y drogas.
Y los instrumentos de cromatografía a bordo de la sonda Philae están realizando experimentos aún más apasionantes: detectaron sustancias químicas orgánicas en el cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Martin Boland es profesor titular en la Universidad Charles Darwin
Imagen: Todd Silvestri, vicepresidente de Tecnología de Implant Sciences, sostiene un detector portátil de rastros de explosivos QS-H150 durante un acto de prensa en Nueva York el 17 de noviembre de 2014. REUTERS/Carlo Allegri.