30 años del primer analizador químico secuencial

Primer acto. Francia, principios de la década del 1980. Quien a la postre sería el fundador de nuestra compañía, Jordi Subirana, se encuentra junto a un grupo de investigadores y emprendedores franceses e italianos, dando forma a lo que sería posteriormente la revolución en la analítica aplicada a la enología. En ese momento, sin darse cuenta, estaban plantando una semilla que pronto germinaría al otro lado de los Pirineos.

Segundo acto. Gavà (Barcelona), mediados de la década del 1980. Jordi Subirana cruza la frontera hacia España con una maleta cargada de sueños y una ilusión: llevar la democratización y el progreso científico a los laboratorios de las bodegas españolas. Por aquellos años el concepto de laboratorio en una bodega era muy distinto al actual. La mayoría de las bodegas aún dependían de los servicios analíticos de la Red de Estaciones Enológicas creadas en 1893 y cuyas competencias fueron transferidas a las CCAA cerca de un siglo después, en 1982. En los laboratorios abundaba el material de vidrio (matraces, balones, probetas, columnas de destilación y refrigeración), los mecheros Bunsen ardían a diario cual refinería de petróleo para obtener la graduación alcohólica y los niveles de dióxido de azufre total, y los técnicos se multiplicaban con una destreza impresionante entre destilaciones, valoraciones y medidas en los colorímetros, o espectrofotómetros en el mejor de los casos. Aquello era una compañía de danza ilustre, con los movimientos perfectamente aceitados, pero siempre al borde de una caída que estropeara la performance.

Subirana venía de Francia con una premisa: automatizar los procesos en el laboratorio. No era el primero en pensarlo, pero sí fue de los primeros en adaptar una visión que tuvieron décadas antes varios científicos e ingenieros del mundo hospitalario. Es lo que hoy se conoce como innovación aplicada: trasladar los conocimientos de otra área a un nuevo nicho no relacionado directamente con el anterior. Así, en 1986 crea Tecnología Difusión Ibérica, más conocida por sus siglas: TDI.

En aquellos momentos existía un debate entre los dos métodos de automatización más extendidos en laboratorios de hospitales alrededor del mundo. En 1959, Hans Baruch concibió en Estados Unidos el primer analizador químico automático discreto, el Robot Chemist. Un par de años antes, el Dr. Leonard Skeggs, sentó las bases del AutoAnalyzer, un analizador por flujo continuo que fue fabricado inicialmente por la compañía Technicon. Las diferencias entre uno y otro método radicaban fundamentalmente en cómo las muestras y los reactivos eran procesados y cómo la reacción química se llevaba a cabo.

Los analizadores de flujo continuo se caracterizan porque la reacción química se lleva a cabo en la misma línea de conducción de muestras y reactivos, permitiendo por un lado la ejecución de diversas operaciones (mezcla, reacción, destilación, enfriamiento, calentamiento, separación por destilación y/o diálisis, etc.), pero limitando la velocidad de testeo a como máximo unas decenas de muestras a la hora. Presentaba varios inconvenientes para su aplicación masiva en bodegas, como: requerimiento de un amplio espacio en la mesada, problemas de fugas por la gran cantidad de circuitos necesarios, limitaciones a un reducido número de análisis ya que cada parámetro requería de un canal propio para la determinación, necesaria presencia del personal a cargo del equipo, etc. Pronto fue fácil darse cuenta que esta tecnología no sería adecuada para todas las bodegas, no sólo por su alto precio sino también por su poca adaptabilidad. Aún así, TDI fue pionera en la comercialización de estos equipos en enología durante los primeros 5-6 años de su historia.

Sin embargo, en 1992 y a la vista de las dificultades encontradas, TDI comienza a investigar la posibilidad de utilizar los analizadores químicos discretos, también denominados secuenciales. En estos equipos, la reacción química entre muestras y reactivos se lleva a cabo en un sitio especialmente diseñado: la cubeta de reacción. En ella, se mezclan muestras y reactivos en la proporción necesaria y se dejan durante un cierto tiempo. De esta manera, la diversidad de parámetros a analizar viene limitada únicamente por el número de reactivos que es posible cargar en el analizador y la velocidad de muestreo depende del número de cubetas de reacción que tenga el equipo.

Ya en 1994, TDI introduce al mercado español el primer analizador químico secuencial: el VPI. Con las limitaciones propias de la época permitió a los laboratorios de las bodegas realizar análisis rápidos, precisos y económicos sin que fuesen necesarias grandes inversiones. Posteriormente, vinieron otros analizadores como el Lisa 200 en 1995, el Enochem en 1997 pensado para bodegas medianas y el Jolly en 1999, un semiautomático pensado para las bodegas más pequeñas.

Finalmente, en 2008, se comienza con la comercialización de los analizadores químicos de la gama Miura. Estos analizadores, con la evolución propia de los últimos 16 años, introdujeron conceptos innovadores como la distribución rotatoria, la estación de lavado automático de las cubetas y otros relacionados con el software. Actualmente, esta gama está compuesta de cuatro analizadores:

• Miura Micro: analizador compacto y económico, de cubetas desechables, capaz de realizar hasta 60 análisis/hora.

• Miura One: analizador compacto, con estación de lavado, capaz de realizar hasta 90 análisis/hora.

• Miura 200: analizador de alto rendimiento, con estación de lavado de cubetas incluida, que permite una velocidad de análisis de hasta 140 análisis/hora.

• Miura 200 DA: el analizador de mayor capacidad, pensado para bodegas y laboratorios con alta carga de trabajo. Es capaz de realizar hasta 240 análisis/hora gracias a su segundo brazo robótico incorporado.

Más allá del avance de la tecnología en estos 30 años, principalmente en el campo de la miniaturización de la robótica, de la electrónica y de la óptica, toda la gama de analizadores secuenciales discretos comparte la misma manera de trabajar. Quizás el mayor avance ha ocurrido en la formulación de los reactivos, ya que la liberación de patentes, el descubrimiento de nuevos estabilizantes y la mejora en la producción de enzimas de diagnóstico ha permitido pasar de reactivos liofilizados (con sus complejas etapas de preparación y su limitada vida útil) a la gama actual de reactivos TDI, la mayoría de ellos pronto al uso y con estabilidades que superan ampliamente el año.

Un analizador automático secuencial no es ni más ni menos que un espectrofotómetro al cual se le han automatizado una gran parte de las secuencias de laboratorio: dispensación de muestra y reactivos, seguimiento de la reacción química, lectura de absorbancias y cálculo de las concentraciones incógnitas. Evidentemente, para llegar a la gama actual de analizadores ha habido una evolución desde el colorímetro de filtros antiguo, pasando por el semiautomático hasta el completamente automático. Sin embargo, podemos hablar fundamentalmente de 3 partes principales en todos ellos.

Seguimiento de la reacción

En primer lugar, tenemos que entender el funcionamiento de una reacción química como método de determinación de un parámetro. En la analítica de vinos existen dos tipos de métodos fundamentales: los métodos enzimáticos y los métodos colorimétricos. Los primeros se basan en la utilización de una enzima, una suerte de catalizador biológico que se encarga de acelerar una determinada reacción química en la que interviene el analito de interés, de manera que se forma un producto que es fácilmente medible a través de su seguimiento por espectrofotometría en la zona del ultravioleta. En los métodos colorimétricos, en cambio, se utilizan compuestos de naturaleza orgánica mayoritariamente que reaccionan con la molécula a analizar y que, como producto de reacción, generan un compuesto coloreado fácil de monitorizar por espectrofotometría en la zona del visible.

En el seguimiento de la reacción química, la calibración y el cálculo de la concentración deseada del analito de interés es fundamental la aplicación de la ley de Lambert-Beer que establece que la absorbancia de una muestra a una determinada longitud de onda es directamente proporcional a su concentración. Para esto, es necesario disponer de un sistema completo de espectrofotometría que contenga una fuente de iluminación, filtros y un método de lectura. Las lámparas, usualmente halógenas, se encargan de emitir el haz de luz en una amplia región del espectro UV-Vis, con una vida útil estimada de 2.000 horas de uso. Por su parte, el sistema de filtros se encarga de que el rayo de luz que llega a la cubeta de reacción sea lo más monocromático posible. Con este objetivo, se emplea una rueda de filtros con longitudes de onda seleccionadas en el rango 340-700 nm, cubriendo así todo el espectro de aplicaciones para la determinación de parámetros básicos en la enología. El ancho de banda que deja pasar cada filtro es relativamente pequeño, usualmente menor a 5 nm, asegurando así la correcta aplicación de las leyes que gobiernan la interacción luz-materia. Una vez el haz de luz monocromática pasa por la cubeta de reacción, parte de los fotones son absorbidos por la mezcla reaccionante. Así, cuando el rayo llega al fotodetector, se mide la intensidad de salida de la cubeta y se la compara con la intensidad de luz que llega cuando existe transparencia (blanco de cubeta).

En los analizadores más antiguos, la zona de reacción y la zona de lectura eran diferentes. Mientras todas las reacciones se llevaban a cabo en cubetas individuales dentro de una zona de incubación a temperatura controlada, la lectura se solía realizar en una celda o cubeta de flujo única por la que se hacía pasar la mezcla de reacción al final del tiempo determinado en la programación. Hoy en día, tanto la reacción como la lectura final, se realizan en la misma cubeta de reacción. Un sistema de motor y correa comandado por el procesador realiza el movimiento rotacional de las cubetas, permitiendo así que todas ellas vayan pasando en el orden establecido a través del punto de dispensación de muestra y reactivos y, pasado el debido tiempo de reacción, por delante del sistema óptico de seguimiento y detección.

En ambos casos, la ventaja de los analizadores automáticos frente a los espectrofotómetros tradicionales es la velocidad de análisis y la rapidez y sencillez del cálculo de las concentraciones incógnita.

Dispensación de muestras y reactivos

Ahora que ya sabemos cómo realizar la determinación del analito, debemos analizar cómo manipular reactivos y muestras. En los analizadores semiautomáticos y en los espectrofotómetros estas etapas se realizaban de forma manual, con lo que se consumía tiempo del operario a cargo del laboratorio. Los analizadores secuenciales subsanaron este problema a través de la implicación de la robótica en el diseño. Todos los analizadores automáticos, desde el VPI a la gama Miura, tienen al menos un brazo robótico acabado en una aguja muy fina, que se encarga de repetir sistemáticamente las siguientes acciones: aspirar los volúmenes necesarios de muestra y reactivos, dispensarlos en la cubeta de lectura óptica y llevar a cabo la homogeneización.

Para llevar a cabo la dispensación de muestra y reactivos es necesaria la utilización de una jeringa o diluidor que, en el caso de la gama Miura, es un pistón cerámico que permite dispensar con altísima precisión y repetitividad volúmenes en el rango de 2-450 µL (según sea muestra o reactivo). La calidad de los materiales con que se fabrica el diluidor es fundamental para que el equipo pueda ejercer su función innumerables veces al día, sin presentar fallos ni pérdidas de precisión durante largos períodos de tiempo.

Para evitar la contaminación cruzada entre reactivos y muestras, la aguja del brazo es sometida a procesos de limpieza automática entre muestra y muestra, y entre muestra y reactivo, de manera de evitar la contaminación por arrastre de materia, fenómeno conocido como carry-over.

Una vez que la mezcla de muestra y reactivo ha sido dispensada en la cubeta de lectura, es el mismo brazo quien se encarga de la homogeneización, a través de un sistema de aspiración y descarga convenientemente adaptado para evitar la formación de burbujas que pudieran alterar la lectura de la absorbancia. Una vez homogeneizada la mezcla, se procede a realizar el seguimiento espectrofotométrico de la reacción. Para que las enzimas o el reactivo colorimétrico puedan ejercer su función en tiempos relativamente cortos es necesario mantener las cubetas de reacción a una temperatura constante e igual a 37 °C. Esto se logra a través de sistemas de calefacción por circulación de aire, mucho mejores en eficiencia y seguridad que los antiguos calentadores por agua. La gama de analizadores Miura asegura así una temperatura de reacción de 37,0 ± 0,1 °C.

Un detalle a tener en cuenta es que, mientras el sistema de calentamiento de las cubetas asegura la homogeneidad de temperatura, los reactivos suelen mantenerse en condiciones de refrigeración para asegurar su conservación, elevar su vida útil y mantener así la estabilidad de las calibraciones. Este salto térmico se resuelve técnicamente a través de un sistema de precalentamiento de la mezcla de muestra y reactivos en el brazo robótico, de manera de asegurar que al entrar en la cubeta estén muy cerca de la temperatura óptima.

Un detalle diferencial entre los distintos tipos de analizadores automáticos es que la cubeta de reacción puede ser desechable o reutilizable, según si el analizador posee o no un sistema automático de vaciado y lavado de las cubetas.

Software de cálculo

Finalmente, pero sin restar importancia al resto de funciones, todos los analizadores automáticos se completan con un software que comanda el equipo y a través de una interfaz permite al usuario realizar operaciones rutinarias como: posicionar reactivos y muestras, ejecutar calibraciones de los distintos parámetros, pasar controles de calidad y analizarlos estadísticamente, ejecutar uno o más análisis sobre una o varias muestras a través de la confección de listas de trabajo, revisar resultados actuales y anteriores, generar reportes e imprimir informes.

Esta interfaz permite que, una vez cargada la lista de trabajo y posicionados las muestras y reactivos necesarios, la presencia del operador ya no sea necesaria. De esta manera, queda liberado para otras cuestiones dentro del laboratorio y la bodega. Así, se optimizan tiempos y se mejora la gestión diaria del personal y sus actividades.

Esta función es el factor diferencial de un sistema automático frente a los espectrofotómetros tradicionales e incluso los semiautomáticos.

Si bien el funcionamiento de cualquier analizador es relativamente sencillo, no todos los analizadores son iguales por dos motivos principales. En primer lugar, la fiabilidad y precisión de cada analizador dependerá de la calidad de los materiales empleados en la fabricación de las piezas clave (pistón cerámico, aguja del brazo robot, cubetas, lámpara, filtros, fotómetros). En segundo lugar, no cualquier analizador químico automático puede ser empleado para el análisis de muestras tan complicadas como el vino. Por caso, se debe tener en cuenta que los sistemas de homogeneización y los tiempos de reacción son muy diferentes en el campo de la enología respecto al diagnóstico clínico y, así, su aplicación directa está lejos de ser tan fácil como parece. Por lo tanto, el cliente debería confiar sólo en aquellos analizadores de probada respuesta en enología, los únicos capaces de poder brindar resultados fiables.

TDI fue y sigue siendo una compañía pionera en la investigación y el desarrollo de analizadores y reactivos para la analítica en enología. Los más de 38 años de experiencia nos dejan un saber hacer acumulado que, no solamente nos avala como proveedores, sino que nos permite asegurar el correcto funcionamiento de todos nuestros analizadores para la aplicación enológica.

Si posee una necesidad analítica y desea saber cómo resolverla, no dude en comunicarse con nosotros vía mail (info@t-d-i.es), a través de la web www.tdianalizadores.com o de nuestras redes sociales, y juntos podremos encontrar la mejor solución.