Y yo quiero ser...Quimiómetra
(Por
María de la Cruz Ortiz Fernández)
Escucha música mientras lees, vete al final.
¿Cómo voy a
querer ser de mayor quimiómetra, si no sé lo que es? Esta pregunta te la puedes
hacer prácticamente con cualquier opción profesional que te sugiera tu entorno
escolar, familiar o social. Incluso en profesiones como médico, abogado, biólogo,
etc., que parecen estar bien definidas, encierran multitud de aspectos y
matices que difuminan su concreción en un proyecto vital. Concretar cómo se
quiere ser científico es una historia de profundización en uno mismo. Se trata
de recorrer individualmente las tierras interiores que nos han tocado en
suerte, y ahí barrenar buscando más allá del conocimiento consolidado. El mapa
para hacer este recorrido es la metodología científica y los procedimientos de
investigación. Pero el mapa describe el terreno, no es el terreno. Hay que
estar permanentemente alerta para que la historia científica que cada uno
construye tenga la suficiente fuerza inventiva para llegar más allá de donde
acaba la señalización tranquilizadora del mapa.
¿Qué es esta rama de la ciencia llamada Quimiometría?
Empezaba yo en
la Universidad por los años en los que esta disciplina comenzaba su andadura,
por supuesto que en esos años, mil novecientos setenta y pocos, no era
consciente de que me gustaba ser quimiómetra. Sólo una cosa tenía clara, me
gustaban mucho las matemáticas, los números y sobre todo querer saber más de la
ciencia en general. Por razones que no vienen al caso entre las disciplinas, de
ciencias, que me hubieran podido interesar sólo puede optar a cursar Química.
Comencé siendo aprendiz de química, me enteré que la Química se subdividía en
otras cuatro disciplinas: Orgánica, Inorgánica, Químico-Física y Analítica,
cada una de ellas explora y estudia aspectos muy distintos de la materia desde
el punto de vista químico. Mi camino se fue cada vez acercando más a los
números, a la información que estos proporcionaban, mi especialidad era la
Química Analítica y en ella comencé a investigar siempre tratando de adentrarme
en ese mundo que ahora ya sabía que se llamaba Quimiometría. En 1975 [1,2] se
acuña la palabra Quimiometría y se propone su definición como: “Una disciplina química que usa métodos
matemáticos, estadísticos y lógica formal para: i) diseñar o seleccionar
procedimientos experimentales óptimos; ii) Obtener la máxima información
relevante contenida en los datos químicos”.
La
Quimiometría, es una ciencia aplicada, un quimiómetra puede tener ideas bellas,
lógicas, elegantes, imaginativas, innovadoras pero carecen de valor si no son
aplicables al entorno disponible, sólo son buenas si ‘trabajan’. Por ello, cada
cuestión ha de responderse en los términos en que se nos plantea. Es mucho
mejor dar una respuesta aproximada a la cuestión correcta que una respuesta
exacta a la cuestión equivocada decía J.W. Tukey. Cuando interroga a la
realidad química, el quimiómetra maneja modelos, G.P.E. Box decía que todos los
modelos eran falsos pero que algunos eran útiles. Se trata siempre de ‘adecuar el
modelo al problema’, buscando modelos altamente predictivos. Como consecuencia,
la preocupación permanente del
quimiómetra es conseguir que sus predicciones sean reproducibles. Toda rama
respetable de la ciencia tiene su teoría -una colección de leyes axiomas,
corolarios y reglas- que guía al científico en el uso de los experimentos para
descubrir los secretos de la naturaleza. Como sugiere el dicho ‘la teoría guía,
el experimento decide’ teoría y experimentación se interfieren y apoyan
mutuamente en cualquier desarrollo científico. A quien se enfrenta por primera
vez a la Química Analítica, se le describe el análisis químico en su
perspectiva más amplia (análisis químico cuantitativo, cualitativo,
medioambiental, etc.). Además, como es una ciencia metrológica y las medidas
tienen incertidumbre se arma al estudiante con un curso de estadística
elemental. A partir de aquí se le instruye en un montón de técnicas analíticas examinando
los fundamentos físicos y químicos que subyacen a la instrumentación que
posteriormente utilizará. Sin embargo,
poco o nada se decía en las décadas de los 70-80 de cómo obtener
información relevante de los datos químicos y menos aún cómo utilizar la misma
en la toma de decisiones; ser capaz de tomar decisiones en ambiente de
incertidumbre se ha convertido en uno de los retos más importantes del
quimiómetra. En 1994 Books and Kowalski [3] muestran que existe una teoría guía
de la Química Analítica. Esta teoría se usará para especificar exactamente qué
información se puede extraer de los datos proporcionados por cualquier
instrumento o método analítico. Servirá para guiar al químico en la
optimización de las herramientas analíticas existentes y también para dirigir
la investigación analítica que intenta construir herramientas más poderosas.
Esta teoría habla del orden de la señal, porque tener números es una cosa,
entenderlos e interpretarlos correctamente otra (T.N. Goh). Se necesita “crear”
orden en los datos, detectar y modelar las estructuras subyacentes y esto es lo
que sabe hacer un quimiómetra.
¿Qué es el orden de la señal?
Una de
nuestras principales labores es determinar la cantidad de una sustancia ya sea
esta una droga, pesticida o cualquier
otra sustancia química de interés esto se hace con una función de calibrado y
por ello los quimiómetras decimos que somos calibrado-dependientes. Los instrumentos
químicos son cada vez más complejos, permiten obtener en poco tiempo un sinfín
de datos. Si al medir una determinada sustancia en el laboratorio obtenemos un
único número decimos que la señal es de orden cero, por ejemplo, cuando se mide
el pH de una disolución. Cuando al medir en un espectrofotómetro, una muestra, obtenemos un espectro que es un vector,
tenemos una señal de orden uno. Y si al hacer estas medidas disponemos de un
instrumento aún más complejo como puede ser un cromatógrafo acoplado a un
detector de masas (CG-MS, lo habrás visto en las series de TV cómo CSI en las
Vegas) lo que tenemos es una matriz de datos por cada muestra medida. Es una
señal de orden dos. Los instrumentos pueden proporcionar tantos datos que hacen
falta algoritmos potentes para extraer la información adecuada de los mismos.
Cuando los
calibrados se hacen con señales de orden dos, por cada muestra se tiene una
matriz de datos, los cuales se estructuran de una forma muy original, cada
patrón de calibrado es una matriz de estos datos a la cual se concatenarán las
de otros patrones en el rango de concentración que nos interesa. Al final, se
tiene un cubo de datos (lo llamamos tensor). Con este cubo, aplicando
algoritmos muy potentes, se construye un modelo de calibrado de tres vías.
Cuando se nos pide que determinemos la cantidad de un pesticida que hay en algún producto
alimentario se aplicará el modelo de tres vías a la matriz de datos registrada
para dicho producto. Además de la cuantificación se tiene la identificación
inequívoca del analito incluso si en la muestra problema hay otros analitos
interferentes que no estaban en los patrones de calibrado. Es obvio que esto
ocurrirá siempre que se manejen muestras complejas y legalmente es mandatorio
identificar inequívocamente y cuantificar sustancias prohibidas o con límite
máximo como son drogas de abuso, residuos tóxicos procedentes de tratamientos
veterinarios, pesticidas, sustancias que migran desde los materiales destinados
a estar en contacto con los alimentos, etc. Otro ejemplo que ilustra la
potencialidad de los calibrados de tres vías, es la información obtenida con la
técnica de fluorescencia de excitación-emisión. Con ella, por cada medida
también obtenemos una matriz de datos formada por los espectros de emisión registrados a varias
longitudes de onda de excitación. Los patrones de calibrado forman la tercera
vía del cubo. En este caso no nos limitamos a considerar que en la muestra
problema hay una sola sustancia fluorescente, sino que hay varias que lo son
(por ej. tres pesticidas). El problema es que el fluorímetro proporciona como
señal la envolvente de toda la intensidad fluorescente de la muestra. Tenemos
que ser capaces de separar la fluorescencia que pertenece a cada pesticida. Hay
algoritmos que hacen esto estupendamente, por eso a estas técnicas matemáticas
que separan sustancias cuando el instrumento químico no lo hace se las llama de
‘separación matemática’ por analogía con lo que hacen las técnicas químicas de
separación cromatográfica.
Otras ocupaciones de un quimiómetra
Otros desafíos
interesantes para el quimiómetra están relacionados con
el ‘Reconocimiento de Pautas’. Las muestras reales son objetos complejos, su
caracterización no puede hacerse determinando una única variable, por su
naturaleza deben ser descritos de forma multivariante. Como experto en
‘Análisis de Datos’ el quimiómetra tiene unas capacidades transversales que
utiliza para identificar objetos químicamente similares, detectar fraudes,
descubrir estructuras subyacentes en grandes conjuntos de datos, clasificar
objetos en base a múltiples medidas químicas y/o sensoriales. Mención especial
merece la capacidad de hacer modelos de categorías, por ejemplo para definir la
los niveles de calidad de alimentos a partir de determinaciones multivariantes
sobre ellos; en este caso es relevante proporcionar en predicción la probabilidad
de dar una falsa no conformidad y una falsa conformidad y llegar a un equilibrio entre ambas.
El quimiómetra
también se ocupa de la optimización de procesos industriales y de
procedimientos en el laboratorio. Utilizará la metodología del diseño de
experimentos para obtener la información requerida del modo más eficiente y con
la mayor precisión posible. Esta metodología permite reducir costes y ahorrar
reactivos tóxicos lo que redunda en un mayor cuidado del medio ambiente.
Referencias:
[1]B
.R.Kowalski, Measurement Analysis by Pattern Recognition, Anal Chem, (1975), 47, 1152A-1162A.
[2]B.
R.Kowalski, Chemometrics: Views and Proposition, J Chem Inf Comput
Sci, (1975), 15, 201-203.
[3]
K..S. Booksh, B. R. Kowalski, Theory of Analytical Chemistry, Anal Chem, (1994), 66, 782A-791A.
María de la Cruz Ortiz Fernández
Doctora
en Química.
Profesora
de Química Analítica en la Facultad de Ciencias.
Catedrática de Química
Analítica de la Universidad de Burgos.
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