Mila milioi detektatzeko

Roa Zubia, Guillermo

Elhuyar Zientzia

Badira 300 urte baino gehiago gizakia ohartu zela gauza txikiak garrantzitsuak direla. Mikroskopio batetik begiratu zuenetik, hain zuzen ere. Geroztik, gauza txikiena bilatzeari ekin zion, eta lan horretan ari da oraindik ere. Bidean, atomoak eta molekulak aurkitu zituen; dena zegoen atomoz eta molekulaz eginda. Haiek detektatzea bilakatu da gizakiaren erronka nagusietako bat. Gaur egun, mila milioi molekulako talde txikiak detektatzen dira. Nahikoa.

Mila milioi detektatzeko
2007/03/01 | Roa Zubia, Guillermo | Elhuyar Zientziaren Komunikazioa
(Argazkia: Artxibokoa)

Urari begiratzen diotenean, giza begiek likido garden bat ikusten dute. Baina kimikarien begi txikiez begiratuz gero, dena aldatzen da. Ura ez da ura, baizik eta milioika substantzia kimikoen nahaste konplexu bat. Era berean, ardoa ez da ardoa, gazta-pusketa bat ez da gazta, eta kirolari bat ez da kirolari bat. Molekula askoren nahasteak dira.

Uraren kasua ur-botilen etiketan adierazita dago, adibidez. Uraz gain, likidoan, kloruro-ioiak daude, sulfatoak, nitratoak eta abar; baita etiketan zehazten ez diren beste substantzia asko ere. Eta, batzuetan, uretan ustez ez dauden ioiak ere adierazita daude. "Sodiorik gabeko ura". Zer esan nahi du horrek? Sodio-ioi bat ere ez dagoela? Normalean ez; esan nahi du sodioa, egotekotan, ez dagoela detektatzerik. Praktikan gauza bera da; ezin dena detektatu ez da existitzen. Baina, agian, arazoa da analisia egiteko zer teknika erabili den.

Kimikariek ez dute molekula bakar bat detektatzen. Ezin dute. Ezta bi molekula ere; edo hamar; edo mila. Gutxienez, mila milioi molekula inguru izan behar dituzte substantzia bat detektatzeko. Mila milioi asko dirudi, baina huskeria bat besterik ez da molekulez ari bagara. Askoz molekula gehiago dago ia edozein tokitan.

Txikiak eta ugariak

Adibide bat: urez betetako saiodi bat. Ur-molekula molekula txikia da, baina oso ugaria. Ur-molekulak ikusi ahal izateko, saiodia hamar milioi aldiz handitu beharko genuke, hamar zentimetro izatetik, mila kilometro izateraino, gutxienez. Tamaina horretako saiodi baten mutur bat Bilbon balego, adibidez, bestea Cadizen egongo litzateke, gutxi gorabehera. Ur-molekulak proportzio berean handituko balira, bi milimetro luze izango lirateke. Hori bai, zaila izango litzateke molekulak bereiztea, oso azkar mugituko liratekeelako. Baina ideia bat egiteko balio du: pentsa bi milimetroko zenbat molekula sartzen diren mila kilometro luze den saiodi batean.

Amadeo Avogadro fisikariak aurkitu zuen zenbatekoa den kopuru hori: 18 mililitro uretan 6,023 x 10 23 molekula; ia koatrilioi bat. Milioi batek sei zero eta bilioi batek hamabi zero dituzte; Avogadroren zenbakiak, biribilduta, berriz, hogeita hiru zero ditu. Oso kopuru handia da; tanta bat uri bilioi bat molekula kenduz gero, itxuraz ez litzateke nabarituko aldaketa (ur-tanta batean hamazazpi trilioi molekula daude, gutxi gorabehera).

(Argazkia: Artxibokoa)

Egia esan, uraren molekula oso txikia da; molekula organikoak askoz handiagoak dira, eta, hala ere, gauza bera gertatzen da: urdaiazpiko xerra bati bilioi bat molekula kenduz gero ere, jabea ez litzateke galdutakoaz jabetuko. Alde horretatik ikusita, mila milioi molekula detektatu ahal izateak mirari bat dirudi.

Molekulak banatu

Uraren adibide berari jarraituta, detekzio-mugaren arazoa azter daiteke. Imajinatu ur-molekulen oihan horretan berun-atomoak daudela nahasita, hau da, ura kutsatuta dagoela, 50 ppm-ko kontzentrazioan (laginaren milioi bat gramotan 50 gramo berun daude). Uraren eta berunaren pisuak jakinda, kalkula daiteke 231.100 ur-molekula inguru dagoela berun-atomo bakoitzeko. Gainera, ur-molekulak berun-atomoak baino handiagoak dira. Beraz, beruna detektatzeak ia ezinezkoa dirudi. Nola egin liteke?

Argi dago molekulak ikustea ez dela detekzio-metodo aproposa --eta ikusi ahal izateko teknikak badaude--; izan ere, kasu horretan, berun-atomoak aurkitzeaz gain, jakin beharko litzateke zenbat ur-molekula dagozkion bakoitzari.

Baina beste zerbait ere egin daiteke: detektatzen hasi baino lehen, molekulak taldetan banatu. Tamainaren arabera, karga elektrikoaren arabera, jokabide kimikoaren arabera... berdin du. Molekulak taldetan banatutakoan, talde bakoitzak identifikatu beharreko molekula gutxiago izango ditu, eta detekzio zehatzagoa egin ahal izango da hasierako laginarekin baino.

Ur-edalontzi bateko molekula-kopurua hogeita lau zifrako zenbaki bat da.
Artxibokoa

Gaur egun dauden detekzio-metodo zehatzenetan, horixe egiten da: lagina likido edo gas batekin nahasi, eta kromatografo batean sartu. Kromatografoa molekulak banatzeko tresna bat da; horren barruan, molekulek 'trabaz' betetako ibilbide bat egin behar dute; molekula batzuek azkar osatzen dute ibilbidea, eta beste batzuei kosta egiten zaie. Ibilbidearen irteeran, molekulak taldetan banatuta azaltzen dira, ibilbidea osatzen behar izan duten denboraren arabera. Irteera horretan detektagailu bat jarriz gero, irten ahala egin dakioke talde bakoitzari analisia.

Likidoa edo gasa

Zenbat eta banaketa hobea izan, orduan eta zehatzagoa izaten da geroko analisia. Kontua da asmatzea zein kromatografok egingo duen bereizketa onena. Zalantza gas- eta likido-kromatografoaren artean izaten da. Ustez, lagina gasarekin nahastea eta lagina bera gas bihurtzea, aukera hobea da likidoarekin nahastea baino. Azken batean, bolumen jakin bateko lagin batek molekula gutxiago ditu gasa bada.

Baina, gauza guztietan bezala, arazoak izan daitezke. Molekula guztiak ez dira egokiak gas-egoeran egoteko; adibidez, oso handiak badira. Gainera, gas bihurtzeko, lagina berotu egin behar da, eta molekula guztiek ez dute prozesu hori gainditzen: asko degradatu egiten dira lurrundu baino lehen. Alde horretatik, likidoa erabilgarriagoa da. Disoluzio bat egitea erraza da, disolbatzaile egokia aukeratuz gero.

Beraz, detektatu beharreko substantziaren arabera, kromatografo bat edo beste bat erabiltzen da banaketa egiteko. Eta gauza bera gertatzen da detektagailuekin. Egokiena aukeratu beharra dago, detektatu beharreko substantziaren arabera. Detektagailu batzuk oso espezializatuak dira; substantzia jakin bat detektatzeko balio dute, baina besteekin ez dira zehatzak, edo ez dute balio izaten.

Substantzia-kantitate txikienak detektatzeko rankingean, gaur egun, hiru aipatu behar dira: FID, ECD eta masa-espektrometroa. Izen horien atzean munduko detektagailurik zehatzenak daude, molekulen arrastoak bilatzeko dauden detektiberik onenak. Hirurak gas-kromatografoekin batera erabiltzen dira. Baina ez beti. Masa-espektrometroak eta likido-kromatografiak osatutako bikotea ere arrakasta handia ari da lortzen azkenaldian.

Bolumen berean, likido batek gas batek baino molekula gehiago ditu. Horrek detekzioari eragiten dio: molekula- kantitate txikiak detektatzea zaila da likidoetan, beste molekulen nahaste batean galduta daudelako.
Artxibokoa

Ezin zehatzago

Lau metodoek ematen dituzte emaitza harrigarriak. Hainbat arrazoirengatik, zaila da laurak konparatzea, baina, deigarriena aukeratu beharko bagenu, gas-kromatografoa/ECD bikotea izango litzateke. ECD detektagailua izugarri zehatza da: substantzia baten pikogramo bakar batzuk detekta ditzake (pikogramo bat gramo baten bilioirena da). Binil kloruroa detektatzeko erabiliko bagenu, esate baterako, mila milioi molekula inguru nahikoa lirateke ECDk detektatzeko.

FIDek eta masa-espektrometroak gas-kromatografoarekin osatzen dituzten bikoteak ez dira hain zehatzak. Nanogramoak detektatzera 'besterik' ez dira iristen; konparazio baterako, bilioi bat molekula behar dituzte binil kloruroaren arrastoak aurkitzeko.

Eta zenbateko arrakasta du likido-kromatografoak? Normalean, kromatografoak detekta dezakeen pisua eman beharrean, kontzentrazioa ematen dute saltzaileek. Daturik baikorrenak harrigarriak dira: ekipo batzuk gai dira litroko 500 pikomoleko kontzentrazioak aurkitzeko, hau da, binil kloruroaren adibideari eutsiz gero, hamar milioi molekula detektatuko lituzkete litro bat disoluziotan.

Erabiltzailearen bertsioa

Zaila edo erraza? Ehunka bolatxoren arteko bakarra da berdea; bakar hori aurkitzea da detekzioaren helburua. Koloreak lagundu egiten du detektatzen, baina beste bolatxoen kopuruak trabak jartzen ditu.
Artxibokoa

Zenbakiak kontu handiz hartu behar dira. Aipatutako datu horiek saltzaileen datuak dira, eta metodoaren detekzio-mugak adierazten dituzte. Baina errealitatea beti da konplexuagoa.

Metodo bakoitzak kondizio jakin batzuetan ematen ditu detekzio-mugak. Eta molekula jakin batzuk neurtuta. ECD detektagailua oso ona da substantzia halogenodunekin (horregatik da adibide ona binil kloruroa, kloroa duelako). FIDek, berriz, karbonodun molekulak detektatzen ditu (asko dira, baina beste askok ez dute karbonorik).

Hala ere, alderantzizkoa ere esan daiteke. Gaurko teknikek asetzen dute substantziak detektatzeko gizarteak duen zehaztasun-beharra.

Detektagailu zehatzenak
ECD (Electron Capture Detector)
Detektagailu horrek elektroiak bonbardatzen dizkie detektatu beharreko molekulei, eta molekula horiek harrapatu egiten ditu. Zenbat eta elektroi gutxiago geratu aske, orduan eta molekula gehiago dago.
FID (Flame Ionization Detector)
Karbonodun molekulak detektatzen ditu FIDek. Molekulak hidrogenoarekin nahasi eta erre egiten ditu. Erreketa horrek ionizatu egiten ditu molekulak, karga elektrikoa ematen die, alegia. Ionizatutako molekulak elektrodo batek jasotzen ditu. Elektrodo horretan zenbat eta potentzial-diferentzia handiagoa izan, orduan eta molekula gehiago zeuden laginean.
Masa-espektrometroa
Metodo honetan ere, oinarrizko ideia ioiak detektatzea da. Horretarako, analizatu beharreko molekulak ioi bihurtzen ditu espektrometroak, elektroi-sorta batez bonbardatuta. Oso energia altukoa talka da; izan ere, molekula asko puskatu egiten ditu. Elektroi bat galduta eta batzuk puskatuta, molekulak eremu magnetiko batean sartzen dira. Molekula bakoitzak ibilbide jakin bat egiten du eremuaren barruan, duen masaren eta kargaren arabera. Hain zuzen ere, masa-espektrometroak masaren eta kargaren arteko proportzioa neurtzen du. Datu hori nahikoa da hasierako molekulen masak --eta haien puskenak-- jakiteko.
(Argazkia: G. Roa)
Denerako tresna
(Argazkia: G. Roa)
Roland Wensink aditua da likido-kromatografia/masa-espektrometria teknikan, eta ThermoFisher Scientific enpresan egiten du lan. Ekipoak instalatu eta martxan jartzen ditu munduko edozein tokitan, eta, horregatik, azken teknologiez gain, detekzio-tekniken aplikazioak ere ezagutzen ditu.
Teknologiari dagokionez, gaur egun ohikoa da kromatografo/espektrometro bikoteari tresna gehiago gehitzea. Masa-espektrometroaren atzean tresna gehiago jar daitezke, beste masa-espektrometro bat, adibidez.
"Molekulen identifikazioan laguntzen du", dio Wensinkek. "Lehen espektrometroaren ustezko emaitza baiezta dezake bigarrenak. Bestalde, lehenengoak iragazki-lana egin dezake, hau da, detektatu duen ioi jakin bat elikatu daiteke bigarrenean, eta molekula horri buruzko informazio gehiago lortu".
Gainera, tresnen konbinazio hutsa baino teknika konplexuagoak ere erabil daitezke. Adibidez, masa-espektrometrotik irteten denari gas batekin erreakzionarazi dakioke.
Gas-kromatografo bat (aurrean) masa-espektrometro bati lotuta (atzean).
(Argazkia: ThermoFisher Scientific)
"Erreakzioan, molekula berriak sortuko dira, eta emaitza bigarren gas-kromatografo batean sartuta analiza daitezke. Erreakzioaren produktuen arabera, jatorrizko laginean zer zegoen jakin daiteke."
Teknika horiek oso erabilgarriak dira nahaste konplexuak analizatzeko. Esaterako, odola analizatuz gero, proteina askoren nahastea dago; nahiz eta kromatografo zehatz bat erabili, masa-espektrometroaren emaitza milaka seinaleren nahaspila da. Arazoa ez da molekula jakin baten kopurua txikia dela, baizik eta haren seinalea oihan baten barruan galduta dagoela.
"Substantzia baten purutasuna neurtzeko ere erabiltzen dira; izan ere, merkatuan dauden ekiporik garestienak horretarako erabiltzen dira: erreakzio batean albo-produkturik izan den jakiteko. Eta molekulen masa zehaztasun handiz neurtzen dutenez, isotopoak bereizteko ere balio dute. Adibidez, gai dira molekula organikoetan karbono-13a duten molekulen proportzioak neurtzeko."
Roa Zubia, Guillermo
3
229
2007
3
036
Fisika; Kimika
Artikulua
26

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.