miércoles, 17 de enero de 2018

Yo quiero ser Quimiómetra - María de la Cruz Ortiz Fernández

Y yo quiero ser...Quimiómetra
(Por María de la Cruz Ortiz Fernández)

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¿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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