La Espectrofotometría: Un Pilar en el Análisis Cuantitativo y la Formación de Ingenieros Bioquímicos

La espectrofotometría es un conjunto de técnicas de análisis cruciales para determinar la concentración de sustancias químicas en disolución. Su funcionamiento se basa en el empleo de energía electromagnética a longitudes de onda previamente seleccionadas. Esta metodología se ha consolidado como una herramienta indispensable en laboratorios de análisis químico, clínico y medioambiental, así como en la formación de ingenieros bioquímicos, donde la comprensión profunda de sus principios y aplicaciones es vital.

Fundamentos de la Espectrofotometría

Un haz de radiación electromagnética, generalmente con longitud de onda característica de las regiones ultravioleta, visible o infrarroja, se hace pasar a través de la disolución que contiene el analito. Parte de la radiación es absorbida por las moléculas presentes y parte es transmitida. La absorción de radiación ultravioleta, visible o infrarroja tiene interés en el análisis para la identificación de especies tanto orgánicas como inorgánicas.

Tipos de Espectrofotometría

• Espectrofotometría Ultravioleta-Visible (UV-VIS): Esta técnica utiliza radiaciones electromagnéticas de las regiones ultravioleta y visible del espectro y se emplea extensamente en el análisis cuantitativo en laboratorios químicos y clínicos.
• Espectroscopia de Absorción Infrarroja (IR): Especialmente la correspondiente a la región media del infrarrojo (entre aproximadamente 2,5-25 μm de longitud de onda), es una herramienta muy poderosa para la identificación y determinación de las estructuras de compuestos orgánicos e inorgánicos. También desempeña una función muy importante en el análisis cuantitativo, sobre todo, en el análisis medioambiental.

En la espectrofotometría se utiliza principalmente la absorción de radiación electromagnética en la zona del ultravioleta, visible e infrarroja del espectro, aunque también puede producirse absorción de radiación electromagnética en otras regiones del espectro.

Interacción de la Radiación con la Materia

La radiación electromagnética puede ser descrita tanto en términos de partículas (denominadas fotones) como de ondas (teoría dual onda-corpúsculo). Cuando una molécula absorbe un fotón, la energía de este fotón pasa a la molécula, aumentando su energía. Se dice entonces que la molécula ha pasado de un estado fundamental de energía a un estado excitado. Puesto que la energía de los fotones absorbidos dependen de la frecuencia de la radiación electromagnética, dependiendo de la región espectral y de la longitud de onda seleccionada, los efectos que tendrán sobre la molécula serán diferentes.

• La absorción de fotones de radiación de microondas estimula el movimiento rotacional de las moléculas.
• La radiación infrarroja afecta al movimiento vibracional de las moléculas cuando la absorben.
• Las radiaciones visible y UV hacen que los electrones pasen a orbitales de mayor energía.

En la espectrofotometría se mide la cantidad de luz absorbida como función de la longitud de onda utilizada. La absorción de las radiaciones ultravioletas, visibles e infrarrojas depende de la estructura de las moléculas y es característica de cada sustancia química.

Leyes Fundamentales de la Espectrofotometría

Existen una serie de leyes fundamentales que permiten relacionar la cantidad de energía electromagnética absorbida con la concentración de las especies químicas que la absorbe.

Ley de Lambert

Esta ley se cumple para cualquier medio homogéneo, sólido, líquido (incluidas las disoluciones) y gaseoso, siempre que no sea dispersivo. El signo negativo en la ecuación indica que se produce una disminución de la intensidad luminosa. En el caso de las disoluciones químicas con sustancias absorbentes, la concentración de dicha sustancia tiene un gran efecto sobre la variación de la intensidad luminosa del haz de radiación electromagnética.

Ley de Lambert-Beer

Aunque fue Beer quien relacionó la cantidad de radiación transmitida a través de una disolución con la concentración de las sustancias absorbentes, al estar basada en una ley anterior, a menudo se referencia a ella como Ley de Lambert-Beer o incluso, en reconocimiento al primer científico que la vislumbró, como Ley de Bouguer-Lambert-Beer. Esta ley afirma que "a mayor concentración, mayor absorbancia", y que si se mantiene la distancia o recorrido óptico constante, la relación con la concentración de sustancia absorbente es lineal. Este aspecto es muy importante en el análisis químico cuantitativo, ya que permite determinar la concentración en disolución de aquellas sustancias que presentan algún tipo de absortividad, bien a la radiación infrarroja, visible o ultravioleta.

La absorbancia es una magnitud adimensional, sin unidades, pues proviene del cociente de una magnitud física. El paso óptico, 'b', se expresa en cm, ya que la mayoría de las celdas utilizadas en espectrofotometría UV-VIS tienen uno o dos centímetros, y unos pocos milímetros en espectrofotometría infrarroja. Si la concentración se expresa en g/L, 'k' (a veces sustituido por ɑ) se denomina absortividad específica y tiene unidades de L·g-1·cm-1. Si se expresa en unidades internacionales (M), 'k' (o ɑ) se sustituye por ɛ (epsilon) y la magnitud recibe el nombre de absortividad molar, siendo sus unidades M-1·cm-1. Como la absortividad depende de la longitud de onda empleada, a menudo se indica esta como un subíndice y la unidad de longitud. En el exponente, el signo negativo se debe a que la energía radiante decrece a medida que el recorrido aumenta.

Orígenes y Avances de la Espectrofotometría

Las primeras aplicaciones de la espectrofotometría de absorción molecular tuvieron sus comienzos en el primer tercio del siglo XIX, con el empleo de la colorimetría, denominada así por utilizar exclusivamente radiación visible como fuente de radiación. En los primeros colorímetros, la determinación de la concentración de analitos se llevaba a cabo visualmente, comparando el color de la muestra con el de una serie de patrones mediante tubos de Nessler empleando un instrumento llamado colorímetro.

A comienzos de ese mismo siglo se descubrió la radiación ultravioleta y la infrarroja, pero su uso en espectrofotometría, al no ser posible detectarla visualmente, como en el caso de la radiación visible, no tuvo aplicación alguna en espectrofotometría al no disponerse de un método práctico para detectarlas. No obstante, la situación cambió a finales del primer tercio del siglo XX, cuando se descubrieron los detectores fotoeléctricos, capaces de detectar radiación ultravioleta y visible, y los termopares, que permitían detectar la radiación infrarroja.

Parámetros Ópticos Clave: Transmitancia y Reflectancia

Además de la absorbancia, otros parámetros ópticos son fundamentales en la espectrofotometría:

• Reflectancia: La proporción de radiación incidente reflejada por una muestra o material para ciertas longitudes de onda. Puede ser difusa o especular.
• Transmitancia: La fracción o porcentaje de radiación incidente que atraviesa una muestra para unas longitudes de onda dadas. La medida de la transmitancia permite saber si un material transmite o no el UV, la transparencia en el espectro visible, el color (en el caso de materiales translúcidos), etc. Es posible distinguir entre transmitancia regular y difusa en función de cómo se evalúe la transmitancia.

Los ensayos de espectrofotometría permiten a las empresas evaluar con precisión propiedades ópticas clave como la transmitancia, reflectancia o absorbancia de sus materiales. En Eyco, por ejemplo, se llevan a cabo ensayos ópticos conforme a normas técnicas reconocidas a nivel nacional e internacional, asegurando así la fiabilidad, trazabilidad y repetibilidad de los resultados. Utilizan espectrofotómetros calibrados que cubren el rango de 200 a 2500 nm (UV-VIS-NIR), operando siempre bajo condiciones controladas. Esto permite evaluar con precisión la reflectancia, transmitancia y absorbancia en diferentes materiales, tanto sólidos como líquidos.

La Espectrofotometría en la Formación de Ingenieros Bioquímicos

El aprendizaje de las matemáticas se vive a menudo de manera descontextualizada. Este trabajo se realiza en la comunidad de ingenieros bioquímicos y tiene como objetivo estudiar la práctica espectrofotométrica, específicamente la curva de calibración, en la escuela y en un laboratorio de investigación desde un enfoque socioepistemológico.

En la universidad, el estudiante requiere cursar inicialmente asignaturas del campo de las ciencias básicas los dos primeros años, con la promesa de que las matemáticas le serán “útiles” para el ejercicio de la ingeniería. Las prácticas han sido constituidas de tal forma que realizan procesos algorítmicamente; en caso de existir situaciones emergentes a nivel de procesos de laboratorio, el estudiante no siempre resuelve de la mejor manera, no hacen uso de las herramientas matemáticas.

En la formación de ingenieros es imprescindible la instrucción práctica; es decir, la participación del estudiante en procesos técnicos y de innovación del campo de su especialización. Esto difícilmente es posible hacerlo circunscrito en el contexto escolarizado. Si bien el estudio desde la escuela, los objetivos, contenidos y métodos de aprendizaje son importantes, enseñar en y para la escuela nos aísla de la realidad de la comunidad. Este trabajo considera que atender la formación de ingenieros es mirar más allá del aula, en un horizonte de escenarios donde las prácticas de los ingenieros tienen intencionalidades propias; trasladarse al lugar donde toman vida las prácticas es aquello que otorga sentido a esta investigación. Estudiar las prácticas en los diversos escenarios propios de su gestación, en el sitio de su producción, distinguir las prácticas recurrentes, de las esenciales y secundarias.

Enfoque Socioepistemológico y Dipolos Modélicos

La presente investigación se desarrolla en el marco de la socioepistemología, una aproximación teórica que permite tratar los fenómenos de producción y difusión del conocimiento desde una perspectiva múltiple, al incorporar el estudio de las interacciones entre la epistemología del conocimiento, su dimensión sociocultural, los procesos cognitivos asociados y los mecanismos de institucionalización vía la enseñanza.

El concepto de “práctica” connota hacer algo en un contexto histórico y social que otorga una estructura y un significado a lo que hacemos. En ese sentido, la práctica es siempre una práctica social. Incluye tanto los aspectos explícitos como los implícitos, lo que se dice y lo que se calla, lo que se presenta y lo que se da por supuesto.

La modelación es una práctica de articulación de dos entes para actuar sobre uno de ellos, llamado lo modelado, a partir del otro, llamado el modelo. La articulación de un ente inicial, un modelo con otro ente, lo modelado da lugar a una nueva entidad a la que se denomina dipolo modélico. En la configuración de este dipolo modélico intervienen los argumentos que se esgrimen, las herramientas que se utilizan, los procedimientos y las intenciones. Es decir, de la práctica de modelación emergen dipolos modélicos conformados por dos polos (esferas) y finas corrientes de atracción: los argumentos, las herramientas, las intenciones y los procedimientos. Estas fuerzas de atracción viven tensionando el modelo con lo modelado. En esta tensión distinguimos la atracción entre los polos sobre la separación.

Deconstrucción y Reconstrucción de Prácticas

Para ello se precisa deconstruir la práctica social de modelación del análisis espectrofotométrico, identificando la configuración de dipolos modélicos primeramente en estudiantes de sexto semestre que ejercen la práctica, ya que estos tienen conocimiento de la espectrofotometría, linealidad y estadística. Asimismo, también es necesario identificar la configuración dipolo modélica del investigador por su experiencia en un contexto no escolar. Finalmente, después de haber identificado la constitución de la práctica en estas comunidades, se requiere reconstituir la práctica social de modelación del análisis espectrofotométrico en la escuela poniendo en escena un diseño de aprendizaje con estudiantes de primer semestre, toda vez que los estudiantes de este nivel ya han aplicado algorítmicamente y con ejemplos hipotéticos la linealidad.

Deconstruir no es regresar hacia un elemento simple, y tampoco es destruir. Insinúa que ello implica reconstruir cuando explica que deconstruir es desestructurar para entender. Derrida nos habla de la deconstrucción como una manera de señalar las premisas de construcción de algo. Por ello, una lectura deconstructivista debe centrar su atención en ambigüedades, ironías, silencios, antinomias, alegorías y coincidencias de los discursos; es decir, la labor de análisis debe orientarse hacia un conjunto de aspectos, rasgos o elementos antes considerados subjetivos o azarosos. La deconstrucción es una invitación a invertir la jerarquía de nuestra percepción y valoración, mismas que han terminado por convertirse en costumbre intelectual. En esta investigación se toman los elementos teóricos de la deconstrucción para adecuarlos a unas etapas de investigación. Desde nuestra aproximación, la deconstrucción de las prácticas que viven en escenarios particulares da la pauta que han de seguir intervenciones en el aula mediante diseños de aprendizaje basados en estas prácticas.

Etapas para la Investigación y Deconstrucción de Prácticas

1. Etapa I: Proyección de la Comunidad y sus Prácticas
   • Fase 1: Conocer la historia de la comunidad, el perfil profesional, laboral o artesanal. Para comunidades de profesionales, conocer los objetivos y el currículo de la profesión, así como analizar artículos científicos.
   • Fase 2: Identificar los espacios en que viven las prácticas de comunidades específicas.
   • Fase 3: Identificar las problemáticas atendidas con la asesoría de profesionistas, investigadores, profesores y personas con experiencia. Se realiza un estudio in situ de las prácticas recurrentes, observando cómo los actores las ejercen, incluyendo a los actores en formación.
2. Etapa II: Estudio de la Práctica Seleccionada
   • Fase 1: Desestructurar para comprender las formas de configuración del dipolo y el papel de la matemática como herramienta. Se realiza una revisión histórica de las entidades en práctica y se investiga por qué se ejerce la práctica de cierta forma.
   • Fase 2: Caracterizar la práctica contribuye a la fase de deconstrucción, mirando la relación entre la experiencia y la intencionalidad que subyace al ser ejercida.
3. Etapa III: Elaboración del Diseño de Aprendizaje
   • Fase 0: Establecer las condiciones generales y los objetivos del diseño, con énfasis en la matemática como herramienta para el ejercicio de la práctica y no como objeto.
   • Fase 1: La experimentación puede plantearse en tres ambientes, con la intención de intervenir.
   • Fase 2: Se pretende que los estudiantes articulen sus argumentos, intenciones, procedimientos y herramientas, revelando el dipolo modélico que ya tienen configurado en su práctica constituida.
   • Fase 3: Inducir la configuración de un nuevo dipolo modélico que permita al estudiante reconocer la herramienta matemática en uso y su manipulación.

Esta investigación se sitúa en comunidades de ingenieros bioquímicos. El ingeniero bioquímico se caracteriza por su actividad en el laboratorio y la experimentación. Así, en los diversos escenarios de su pertenencia, en el laboratorio preparan soluciones y realizan análisis cualitativos y cuantitativos de corte biológico, químico y físico. En esta etapa se hace una revisión del plan de estudio, la retícula y los contenidos de los programas de estudio. Asimismo, esta etapa se fortalece con el reconocimiento de los escenarios escolares y con entrevistas a profesores y personal administrativo. La espectrofotometría es uno de los métodos de análisis óptico más usado en la comunidad de ingenieros bioquímicos. El espectrofotómetro es un instrumento que permite comparar la radiación absorbida o transmitida por una solución que contiene una cantidad desconocida de soluto y una que contiene una cantidad conocida de la misma sustancia.

tags: #curvas #de #fermentacion #espectrofotometria