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espectrofotómetro DU

Espectrofotómetro DU, Laboratorios Técnicos Nacionales, 1947 El espectrofotómetro DU o Beckman DU , presentado en 1941, fue el primer instrumento científico comercialmente viabl...

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Espectrofotómetro DU, Laboratorios Técnicos Nacionales, 1947

El espectrofotómetro DU o Beckman DU , presentado en 1941, fue el primer instrumento científico comercialmente viable para medir la cantidad de luz ultravioleta absorbida por una sustancia. Este modelo de espectrofotómetro permitió a los científicos examinar e identificar fácilmente una sustancia determinada basándose en su espectro de absorción , el patrón de luz absorbida en diferentes longitudes de onda. Los Laboratorios Técnicos Nacionales de Arnold O. Beckman (más tarde Beckman Instruments) desarrollaron tres prototipos propios (A, B, C) y un modelo de distribución limitada (D) antes de iniciar la producción comercial a gran escala del DU. Se fabricaron y vendieron aproximadamente 30 000 espectrofotómetros DU entre 1941 y 1976.

A veces denominado espectrofotómetro UV-Vis por medir tanto el espectro ultravioleta (UV) como el visible , el espectrofotómetro DU se considera una tecnología verdaderamente revolucionaria. Ofrecía resultados más precisos que los métodos anteriores para determinar la composición química de una sustancia compleja y reducía sustancialmente el tiempo necesario para un análisis preciso, de semanas u horas a minutos. El Beckman DU fue fundamental para varios proyectos de investigación secretos cruciales durante la Segunda Guerra Mundial , incluido el desarrollo de la penicilina y el caucho sintético .

Fondo

Antes del desarrollo del espectrofotómetro DU, el análisis de una muestra para determinar sus componentes era un proceso largo, costoso y a menudo impreciso. Un laboratorio húmedo clásico contenía una amplia variedad de aparatos complejos. [ 1 ] Las muestras se sometían a una serie de procesos cualitativos engorrosos y laboriosos para separar e identificar sus componentes. La determinación de las concentraciones cuantitativas de esos componentes en la muestra implicaba pasos adicionales. Los procesos podían incluir técnicas de reacciones químicas , precipitaciones , filtraciones y disoluciones . [ 2 ] : 150 [ 3 ] La determinación de las concentraciones de impurezas conocidas en una sustancia inorgánica conocida, como el hierro fundido, podía realizarse en menos de treinta minutos. [ 2 ] : 26 La determinación de estructuras orgánicas complejas, como la clorofila, mediante métodos húmedos y secos podía llevar décadas. [ 4 ] : 59–60

Los métodos espectroscópicos para observar la absorción de radiación electromagnética en el espectro visible se conocían ya en la década de 1860. [ 4 ] : 65 [ 5 ] : 5 Los científicos habían observado que la luz que viaja a través de un medio se absorbería en diferentes longitudes de onda, dependiendo de la composición de la materia del medio en cuestión. Una fuente de luz blanca emitiría luz en múltiples longitudes de onda en un rango de frecuencias. Se podría usar un prisma para separar una fuente de luz en longitudes de onda específicas. Al hacer brillar la luz a través de una muestra de un material, algunas longitudes de onda de luz serían absorbidas, mientras que otras no se verían afectadas y continuarían transmitiéndose. Las longitudes de onda en el espectro de absorción resultante diferirían dependiendo de la composición atómica y molecular del material en cuestión. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Los métodos espectroscópicos eran utilizados principalmente por físicos y astrofísicos . Las técnicas espectroscópicas rara vez se enseñaban en las clases de química y eran desconocidas para la mayoría de los químicos en ejercicio. Alrededor de 1904, Frank Twyman, de la empresa londinense de fabricación de instrumentos Adam Hilger, Ltd., intentó desarrollar instrumentos espectroscópicos para químicos, pero su clientela estaba compuesta sistemáticamente por físicos en lugar de químicos. [ 9 ] : 113–118 Para la década de 1930, había desarrollado un nicho de mercado en metalurgia , donde sus instrumentos se adaptaban bien a los tipos de problemas que resolvían los químicos. [ 9 ] : 124

En la década de 1940, tanto los químicos académicos como los industriales se interesaron cada vez más en los problemas relacionados con la composición y la detección de moléculas biológicas . Las moléculas biológicas, incluidas las proteínas y los ácidos nucleicos , absorben energía lumínica tanto en el rango ultravioleta como en el visible . [ 10 ] El espectro de luz visible no era lo suficientemente amplio como para permitir a los científicos examinar sustancias como la vitamina A. [ 11 ] La caracterización precisa de muestras complejas, en particular de materiales biológicos, requeriría la lectura precisa de las frecuencias de absorción en las secciones ultravioleta e infrarroja (IR) del espectro , además de la luz visible. Los instrumentos existentes, como el "Espectrohotelómetro" Cenco y el Espectrofotómetro Coleman Modelo DM, no podían utilizarse eficazmente para examinar longitudes de onda en el rango ultravioleta. [ 11 ] [ 12 ]

El conjunto de equipos necesarios para medir la energía luminosa que se extiende más allá del espectro visible hacia el ultravioleta podía costar a un laboratorio hasta 3000 dólares, una suma enorme en 1940. [ 2 ] : 149 Se tomaban lecturas repetidas de una muestra para producir placas fotográficas que mostraban el espectro de absorción de un material en diferentes longitudes de onda. Una persona con experiencia podía compararlas con las imágenes conocidas para identificar una coincidencia. Luego, la información de las placas debía combinarse para crear un gráfico que mostrara el espectro en su conjunto. En última instancia, la precisión de estos métodos dependía del revelado preciso y consistente de las placas fotográficas, así como de la agudeza visual y la práctica de la persona en la lectura de las longitudes de onda. [ 2 ] : 150–151

Desarrollo

El DU fue desarrollado en National Technical Laboratories (más tarde Beckman Instruments ) bajo la dirección de Arnold Orville Beckman , un químico e inventor estadounidense. [ 13 ] [ 14 ] A partir de 1940, National Technical Laboratories desarrolló tres prototipos internos (A, B, C) y un modelo de distribución limitada (D) antes de pasar a la producción comercial completa con el DU en 1941. [ 5 ] : 6 El equipo de investigación de Beckman fue liderado por Howard Cary , quien posteriormente cofundó Applied Physics Corporation (más tarde Cary Instruments ), que se convirtió en uno de los competidores más fuertes de Beckman Instruments. [ 15 ] Otros científicos fueron Roland Hawes y Kenyon George. [ 16 ]

Coleman Instruments había acoplado recientemente un medidor de pH con una unidad de fototubo óptico para examinar el espectro visible (el modelo DM de Coleman). [ 10 ] Beckman ya había desarrollado un medidor de pH exitoso para medir la acidez de soluciones, el producto estrella de su empresa. Al ver el potencial de aprovechar su experiencia existente, Beckman se propuso crear un instrumento integrado y fácil de usar que registrara e informara longitudes de onda específicas que se extendieran hasta el rango ultravioleta. En lugar de depender del revelado de placas fotográficas o de la capacidad visual de un observador humano para detectar longitudes de onda en el espectro de absorción, se utilizarían fototubos para registrar e informar las longitudes de onda específicas detectadas. Esto tenía el potencial de aumentar la precisión y confiabilidad del instrumento, así como su velocidad y facilidad de uso. [ 2 ] : 149–151

Modelo A (prototipo)

El primer prototipo del espectrofotómetro Beckman, el Modelo A, fue creado en los Laboratorios de Tecnologías Nacionales en 1940. Utilizaba una fuente de luz de tungsteno con un prisma de Fery de vidrio como monocromador . [ 17 ] : 16 [ 18 ] El tungsteno se utilizaba para los filamentos de luz incandescente porque era resistente, soportaba el calor y emitía una luz constante. [ 19 ] Los tipos de fuentes de luz diferían en el rango de longitudes de onda de la luz que emitían. Las lámparas de tungsteno eran útiles en el rango de luz visible, pero ofrecían una cobertura deficiente en el rango ultravioleta. Sin embargo, tenían la ventaja de ser fácilmente accesibles, ya que se utilizaban como faros de automóviles . [ 17 ] : 17 Se utilizaba un amplificador externo del medidor de pH Beckman y una fotocélula de tubo de vacío para detectar las longitudes de onda. [ 17 ] : 16

Modelo B (prototipo)

Cristales de cuarzo de calidad óptica

Pronto se comprendió que un prisma dispersivo de vidrio no era adecuado para su uso en el espectro ultravioleta. [ 2 ] : 153 [ 17 ] : 16 El vidrio absorbía la radiación electromagnética por debajo de 400 milimicrones en lugar de dispersarla. [ 20 ] En el Modelo B, se sustituyó el vidrio anterior por un prisma de cuarzo . [ 2 ] : 153 [ 17 ] : 16

Se utilizó un mecanismo de barra tangente para ajustar el monocromador. El mecanismo era muy sensible y requería un operador experto. [ 17 ] : 16 Solo se fabricaron dos prototipos del Modelo B. Uno se vendió en febrero de 1941 al departamento de Química de la Universidad de California en Los Ángeles . [ 2 ] : 153

El prototipo Modelo B debe distinguirse de un modelo de producción posterior del espectrofotómetro que también se denominaba Modelo "B". El Modelo "B" de producción se introdujo en 1949 como una alternativa más económica y sencilla al Beckman DU. [ 21 ] Utilizaba un prisma de Fery de vidrio como cromatógrafo y operaba en un rango más estrecho, aproximadamente de 320 milimicrones a 950 milimicrones y de 5 a 20 Å . [ 22 ] : 183–184 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]

Modelo C (prototipo)

Posteriormente se construyeron tres instrumentos del Modelo C, mejorando la resolución de longitud de onda del instrumento. El compartimento de celda rotatoria del Modelo B se reemplazó por una cámara de muestra lineal. El mecanismo de barra tangente se reemplazó por un mecanismo de accionamiento de desplazamiento, [ 17 ] : 16 que podía controlarse con mayor precisión para restablecer el prisma de cuarzo y seleccionar la longitud de onda deseada. [ 10 ] Con este nuevo mecanismo, los resultados podían obtenerse de forma más fácil y fiable, sin necesidad de un operador altamente cualificado. Esto sentó las bases para todos los instrumentos de prisma de cuarzo posteriores de Beckman. [ 17 ] : 16 Aunque solo se construyeron tres prototipos del Modelo B, todos se vendieron: uno a Caltech y los otros dos a empresas de la industria alimentaria. [ 2 ] : 153

Modelo D (producción limitada)

Espectrofotómetro fotoeléctrico de cuarzo, Cary & Beckman, 1941 [ 26 ] : 687

Los prototipos A, B y C acoplaban un medidor de pH externo de Beckman al componente óptico para obtener las lecturas. Al desarrollar el modelo D, Beckman tomó el circuito amplificador de acoplamiento directo del medidor de pH y combinó los componentes ópticos y electrónicos en una sola carcasa, lo que lo hizo más económico. [ 10 ]

El paso del prototipo a la producción del Modelo D implicó desafíos. Inicialmente, Beckman contactó a Bausch and Lomb para la fabricación de prismas de cuarzo para el espectrofotómetro. Al rechazar la oferta, los Laboratorios Técnicos Nacionales diseñaron su propio sistema óptico, que incluía tanto un mecanismo de control como un prisma de cuarzo. El cuarzo de gran tamaño y alta calidad óptica, adecuado para la fabricación de prismas, era difícil de obtener. Procedía de Brasil y tenía una gran demanda para los osciladores de radio en tiempos de guerra . Beckman tuvo que obtener una prioridad de producción en tiempos de guerra para el espectrofotómetro a fin de acceder a suministros de cuarzo adecuados. [ 17 ] : 17

Beckman había intentado previamente encontrar una fuente de lámparas de hidrógeno fiables , buscando una mayor sensibilidad a las longitudes de onda en el rango ultravioleta que la que se podía lograr con el tungsteno. Como se describió en julio de 1941, el espectrofotómetro de Beckman podía usar indistintamente un "tubo de descarga de hidrógeno de cátodo caliente" o una fuente de luz de tungsteno. [ 26 ] : 684–685 Sin embargo, Beckman seguía insatisfecho con las lámparas de hidrógeno disponibles. Los Laboratorios Técnicos Nacionales diseñaron su propia lámpara de hidrógeno, un ánodo encerrado en una delgada ventana de vidrio soplado. [ 17 ] : 17 En diciembre de 1941, el diseño propio se estaba utilizando en la producción del Modelo D. [ 2 ] : 154–155

El diseño del instrumento también requería un fototubo más sensible que el que estaba disponible comercialmente en ese momento. Beckman logró obtener pequeños lotes de un fototubo experimental de RCA para los primeros instrumentos del Modelo D. [ 17 ] : 17

El espectrofotómetro Modelo D, que utilizaba el fototubo experimental RCA, se presentó en la Conferencia de Verano sobre Espectroscopia del MIT en julio de 1941. El artículo que Cary y Beckman presentaron allí se publicó en el Journal of the Optical Society of America . En él, Cary y Beckman compararon diseños para un prisma de Fery de cuarzo autocolimador modificado, un prisma de Littrow de cuarzo colimado por espejo y varias rejillas. [ 26 ] : 683 El prisma de Littrow era un semiprisma con una cara posterior espejada, de modo que la luz pasaba dos veces por la cara frontal. [ 18 ] [ 27 ] : 31–34 Se informó que el uso de una fuente de luz de tungsteno con el prisma de Littrow de cuarzo como monocromador minimizaba la dispersión de la luz dentro del instrumento. [ 26 ] : 686

El modelo D fue el primero en entrar en producción. Se vendió un pequeño número de instrumentos del modelo D a partir de julio de 1941, antes de que fuera reemplazado por el DU. [ 2 ] : 153–155 [ 17 ] : 17–18

Modelo DU

Célula de absorción y compartimento del fototubo desmontados, Cary & Beckman, 1941 [ 26 ] : 687

Cuando RCA no pudo satisfacer la demanda de Beckman de fototubos experimentales, los Laboratorios Técnicos Nacionales tuvieron que diseñar nuevamente sus propios componentes internamente. [ 17 ] : 18 Desarrollaron un par de fototubos, sensibles a las áreas roja y azul del espectro, capaces de amplificar las señales que recibían. [ 28 ] : 230 Con la incorporación de los fototubos sensibles a los rayos UV de Beckman, el Modelo D se convirtió en el espectrofotómetro UV-Vis Modelo DU. [ 17 ] : 18 Su designación como espectrofotómetro "UV-Vis" indica su capacidad para medir la luz tanto en el espectro visible como en el ultravioleta. [ 29 ]

El DU fue el primer instrumento científico comercialmente viable para medir la cantidad de luz ultravioleta absorbida por una sustancia. [ 2 ] : 148 [ 5 ] : 10 Como había hecho con el medidor de pH, Beckman había reemplazado una serie de equipos complicados con un solo instrumento fácil de usar. Uno de los primeros instrumentos totalmente integrados [ 17 ] : 11 o " cajas negras " utilizadas en laboratorios químicos modernos, [ 30 ] se vendía por $723 en 1941. [ 12 ]

Generalmente se asume que las siglas "DU" en el nombre eran una combinación de "D", por el Modelo D en el que se basaba, y "U", por el espectro ultravioleta. Sin embargo, se ha sugerido que "DU" también podría hacer referencia a la fraternidad de Beckman en la Universidad de Illinois, Delta Upsilon , cuyos miembros eran llamados "DU". [ 31 ]

Una publicación en la literatura académica comparó la calidad óptica del DU con el espectrofotómetro Cary 14 , otro espectrofotómetro UV-Vis líder de la época. [ 32 ]

Diseño

Espectrofotómetro modelo DU: vista explosionada, manual de Beckman, 1954.

Desde 1941 hasta 1976, cuando se descontinuó, el espectrofotómetro Modelo DU se construyó sobre lo que era esencialmente el mismo diseño. [ 12 ] Era un instrumento de haz único. [ 16 ] : 11 [ 33 ] Los espectrofotómetros DU utilizaban un prisma de cuarzo para separar la luz de una lámpara en su espectro de absorción y un fototubo para medir eléctricamente la energía de la luz a través del espectro. Esto permitía al usuario trazar el espectro de absorción de luz de una sustancia para obtener una "huella dactilar" estandarizada característica de un compuesto. [ 2 ] : 151 [ 34 ] [ 35 ] Todos los espectrofotómetros UV-Vis modernos se construyen sobre los mismos principios básicos que el espectrofotómetro DU. [ 29 ]

Diagrama del sistema óptico del modelo DU, manual de Beckman, 1954.

La luz de la lámpara de tungsteno se enfoca mediante el espejo condensador y se dirige en un haz hacia el espejo de entrada de la rendija diagonal. El espejo de entrada desvía la luz a través de la rendija de entrada y hacia el monocromador, hasta el espejo colimador. La luz que incide sobre el espejo colimador se vuelve paralela y se refleja hacia el prisma de cuarzo, donde sufre refracción. La superficie posterior del prisma está aluminizada, de modo que la luz refractada en la primera superficie se refleja de nuevo a través del prisma, sufriendo una refracción adicional al salir del mismo. La longitud de onda deseada se selecciona girando el selector de longitud de onda, que ajusta la posición del prisma. El espectro se dirige de nuevo al espejo colimador, que centra la longitud de onda elegida en la rendija de salida y la muestra. La luz que atraviesa la muestra incide sobre el fototubo, provocando una ganancia de corriente. Esta ganancia de corriente se amplifica y se registra en el medidor de nulo. Sistema óptico modelo DU [ 36 ] : 3

Aunque la fuente de luz predeterminada para el instrumento era de tungsteno, se podía sustituir por una lámpara de hidrógeno o de mercurio dependiendo del rango de medición óptimo para el que se fuera a utilizar el instrumento. [ 36 ] : 3 La lámpara de tungsteno era adecuada para la transmitancia de longitudes de onda entre 320 y 1000 milimicrones; la lámpara de hidrógeno para 220 a 320 milimicrones, y la lámpara de mercurio para comprobar la calibración del espectrofotómetro. [ 36 ] : 6

Anchos mínimos de banda espectral, Cary y Beckman, 1941

Tal como se anunciaba en la edición de 1941 del boletín informativo de la Sociedad Química Estadounidense, el espectrofotómetro Beckman utilizaba un prisma de cristal de cuarzo autocolimador  como monocromador, capaz de cubrir un rango desde el ultravioleta (200 milimicrones) hasta el infrarrojo (2000 milimicrones), con un ancho de banda nominal de 2 milimicrones o menos en la mayor parte de su rango espectral. El mecanismo de rendija era ajustable de forma continua de 0,01 a 2,0 mm y, según se afirmaba, presentaba menos del 0,10 % de luz parásita en la mayor parte del rango espectral. Contaba con una escala de longitud de onda de fácil lectura que informaba simultáneamente  sobre el porcentaje de transmisión y la densidad. [ 37 ]

El portamuestras contenía hasta 4 celdas. [ 36 ] : 3 [ 37 ] Las celdas podían moverse a la trayectoria de la luz a través de un control externo, lo que permitía al usuario tomar múltiples lecturas sin abrir el compartimento de la celda. [ 36 ] : 3 Como se describe en el manual de la DU, las mediciones de absorbancia de una muestra se hicieron en comparación con un blanco , o estándar , "una solución idéntica en composición con la muestra excepto que el material absorbente que se está midiendo está ausente". [ 36 ] : 24 El estándar podía ser una celda llena con un solvente como agua destilada [ 36 ] : 24 o un solvente preparado de una concentración conocida. [ 27 ] : 30–31 En cada longitud de onda se realizan dos mediciones: con la muestra y con el estándar en el haz de luz. Esto permite obtener la relación, transmitancia . Para mediciones cuantitativas la transmitancia se convierte en absorbancia que es proporcional a la concentración del soluto según la ley de Beer . Esto permite la determinación cuantitativa de la cantidad de una sustancia en solución. [ 38 ]

El usuario también podía cambiar entre fototubos sin retirar el portamuestras. Un anuncio de 1941 indica que había tres tipos de fototubos disponibles, con máxima sensibilidad a los rangos de luz roja, azul y ultravioleta. [ 37 ]

El espectrofotómetro DU de 1954 se diferencia en que afirma ser útil de 200 a 1000 milimicrones, [ 36 ] : 2 y no menciona el fototubo ultravioleta. [ 36 ] : 3 Sin embargo, el selector de longitud de onda seguía abarcando de 200 a 2000 milimicrones. [ 36 ] : 4 y estaba disponible un "juego de accesorios ultravioleta". [ 36 ] : 25 Este cambio respecto al uso del DU para la medición infrarroja es comprensible, ya que en 1954 Beckman Instruments comercializaba un espectrofotómetro infrarrojo independiente. Beckman desarrolló el espectrofotómetro infrarrojo IR-1 durante la Segunda Guerra Mundial y lo rediseñó como el IR-4 entre 1953 y 1956. [ 2 ] : 165 [ 39 ] : 6–7

Usar

Espectrofotómetro Beckman DU en uso

El espectrofotómetro Beckman fue el primer instrumento único y fácil de usar que contenía los componentes ópticos y electrónicos necesarios para la espectrofotometría de absorción ultravioleta en una sola carcasa. [ 2 ] : 153 El usuario podía insertar una bandeja de celdas con celdas estándar y de muestra, seleccionar la longitud de onda de luz deseada, confirmar que el instrumento estaba configurado correctamente midiendo el estándar y luego medir la cantidad de absorción de la muestra, leyendo la frecuencia en un medidor simple. [ 40 ] Se podía tomar una serie de lecturas en diferentes longitudes de onda sin perturbar la muestra. [ 41 ] El método de escaneo manual del espectrofotómetro DU era extremadamente rápido, reduciendo los tiempos de análisis de semanas u horas a minutos. [ 39 ] : 6 [ 42 ] [ 43 ]

Fue preciso tanto en el rango visible como en el ultravioleta. [ 29 ] Al operar en las regiones ultravioleta y visible del espectro, el modelo DU produjo espectros de absorción precisos que podían obtenerse con relativa facilidad y replicarse con exactitud. [ 41 ] La Oficina Nacional de Estándares realizó pruebas para certificar que los resultados del DU eran precisos y repetibles, y recomendó su uso. [ 2 ] : 156

Otras ventajas incluían su alta resolución y la minimización de la luz dispersa en la región ultravioleta. [ 12 ] Aunque no era barato, su precio inicial de 723 dólares [ 12 ] lo hizo accesible al laboratorio promedio. [ 44 ] : 501 En comparación, en 1943, el espectrofotómetro GE Hardy costaba 6400 dólares. [ 39 ] : 6 Práctico y fiable, el DU se estableció rápidamente como un estándar para equipos de laboratorio. [ 35 ] : 141

Impacto

Un cartel de la Segunda Guerra Mundial animaba a los investigadores a "Dar todo de sí en este trabajo".

Se le atribuye haber "provocado un avance en la espectroscopia óptica" [ 5 ] : 10. El Beckman DU ha sido identificado como "una herramienta indispensable para la química" [ 2 ] : 207 y "el Modelo T de los instrumentos de laboratorio" [ 12 ] . Aproximadamente 30 000 espectrofotómetros DU fueron fabricados y vendidos entre 1941 y 1976 [ 5 ] : 11 [ 45 ].

El DU permitió a los investigadores realizar análisis de sustancias con mayor facilidad, tomando mediciones rápidas en más de una longitud de onda para producir un espectro de absorción que describiera la sustancia completa. Por ejemplo, el método estándar de análisis del contenido de vitamina A del aceite de hígado de tiburón , antes de la introducción del espectrofotómetro DU, consistía en alimentar a ratas con el aceite durante 21 días, luego cortarles la cola y examinar su estructura ósea. Con la tecnología UV del DU, el contenido de vitamina A del aceite de hígado de tiburón se podía determinar directamente en cuestión de minutos. [ 39 ] : 6

El Instituto de Investigación Scripps y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) atribuyen al DU la mejora tanto en la precisión como en la velocidad del análisis químico. El MIT afirma: «Este dispositivo simplificó y agilizó para siempre el análisis químico, al permitir a los investigadores realizar una medición cuantitativa de una sustancia con una precisión del 99,9 % en cuestión de minutos, en comparación con las semanas que se requerían anteriormente para obtener resultados con una precisión de tan solo el 25 %». [ 42 ] [ 43 ]

El químico inorgánico y filósofo de la ciencia Theodore L. Brown afirma que "revolucionó la medición de señales luminosas de muestras". [ 46 ] : 2 Se cita al premio Nobel Bruce Merrifield diciendo que el espectrofotómetro DU es "probablemente el instrumento más importante jamás desarrollado para el avance de la biociencia ". [ 12 ] El historiador de la ciencia Peter JT Morris identifica la introducción del DU y otros instrumentos científicos en la década de 1940 como el comienzo de una revolución kuhniana . [ 4 ] : 80

Para la empresa Beckman, el DU fue uno de los tres inventos fundamentales —el medidor de pH , el espectrofotómetro DU y el potenciómetro helipot— que establecieron la empresa sobre una base financiera segura y le permitieron expandirse. [ 47 ]

Vitaminas

El desarrollo del espectrofotómetro tuvo una relevancia directa para la Segunda Guerra Mundial y el esfuerzo bélico estadounidense. El papel de las vitaminas en la salud era de gran importancia, ya que los científicos querían identificar alimentos ricos en vitamina A para mantener sanos a los soldados. Los métodos anteriores para evaluar los niveles de vitamina A implicaban alimentar a ratas con un alimento durante varias semanas y luego realizar una biopsia para estimar los niveles de vitamina A ingeridos. En cambio, examinar una muestra de alimento con un espectrofotómetro DU proporcionaba mejores resultados en cuestión de minutos. [ 48 ] El espectrofotómetro DU podía utilizarse para estudiar tanto la vitamina A como sus carotenoides precursores , [ 49 ] y rápidamente se convirtió en el método preferido de análisis espectrofotométrico. [ 11 ] [ 50 ] [ 51 ]

Penicilina

El espectrofotómetro DU también fue una herramienta importante para los científicos que estudiaban y producían la nueva y maravillosa penicilina . [ 10 ] El desarrollo de la penicilina fue una misión nacional secreta, en la que participaron 17 compañías farmacéuticas, con el objetivo de proporcionar penicilina a todas las Fuerzas Armadas de EE. UU. que participaban en la Segunda Guerra Mundial. [ 52 ] : 312 [ 53 ] Se sabía que la penicilina era más eficaz que las sulfamidas , [ 52 ] : 312 y que su uso reducía la mortalidad , la gravedad de los traumatismos por heridas a largo plazo y el tiempo de recuperación. [ 2 ] : 158 Sin embargo, no se comprendía su estructura, los procedimientos de aislamiento utilizados para crear cultivos puros eran primitivos y la producción mediante técnicas de cultivo en superficie conocidas era lenta. [ 52 ] : 312

En el Laboratorio Regional de Investigación del Norte en Peoria, Illinois , los investigadores recolectaron y examinaron más de 2000 especímenes de mohos (así como otros microorganismos ). [ 54 ] Un extenso equipo de investigación incluyó a Robert Coghill , Norman Heatley , Andrew Moyer , Mary Hunt , [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] Frank H. Stodola y Morris E. Friedkin . Friedkin recuerda que un modelo temprano del espectrofotómetro Beckman DU fue utilizado por los investigadores de penicilina en Peoria. [ 52 ] : 316 El laboratorio de Peoria tuvo éxito en aislar y producir comercialmente cepas superiores del moho, que eran 200 veces más efectivas que las formas originales descubiertas por Alexander Fleming . [ 55 ] Al final de la guerra, las compañías farmacéuticas estadounidenses estaban produciendo 650 mil millones de unidades de penicilina cada mes. [ 55 ] Gran parte del trabajo realizado en esta área durante la Segunda Guerra Mundial se mantuvo en secreto hasta después de la guerra. [ 2 ] : 158 [ 53 ]

hidrocarburos

El espectrofotómetro DU también se utilizó para el análisis crítico de hidrocarburos . Varios hidrocarburos fueron de interés para el esfuerzo bélico. El tolueno , un hidrocarburo en el petróleo crudo , se utilizó en la producción de TNT para uso militar. [ 2 ] : 158–159 [ 17 ] : 19 El benceno y los butadienos se utilizaron en la producción de caucho sintético . [ 58 ] El caucho, utilizado en neumáticos para jeeps, aviones y tanques, tenía una escasez crítica porque Estados Unidos estaba aislado de los suministros extranjeros de caucho natural. [ 2 ] : 158–159 La Oficina de Reserva de Caucho organizó a investigadores en universidades y en la industria para trabajar secretamente en el problema. [ 59 ] La demanda de caucho sintético hizo que Beckman Instruments desarrollara espectrofotómetros infrarrojos . Los espectrofotómetros infrarrojos eran más adecuados que los espectrofotómetros UV-Vis para el análisis de hidrocarburos C 4 , particularmente para aplicaciones en refinación de petróleo y producción de gasolina. [ 2 ] : 159 [ 4 ] : 17

Ensayos enzimáticos e investigación del ADN

Gerty Cori y su esposo Carl Ferdinand Cori ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1947 en reconocimiento a su trabajo sobre las enzimas . Realizaron varios descubrimientos cruciales para la comprensión del metabolismo de los carbohidratos , incluyendo el aislamiento y descubrimiento del éster de Cori , la glucosa 1-fosfato y la comprensión del ciclo de Cori . Determinaron que la enzima fosforilasa cataliza la formación de glucosa 1-fosfato, que es el paso inicial y final en las conversiones de glucógeno en glucosa y de glucosa sanguínea en glucógeno. Gerty Cori también fue la primera en demostrar que un defecto en una enzima puede ser la causa de una enfermedad genética humana. [ 60 ] El espectrofotómetro Beckman DU se utilizó en el laboratorio de Cori para calcular las concentraciones de enzimas, incluyendo la fosforilasa. [ 61 ]

Otro investigador que pasó seis meses en 1947 en el laboratorio de Cori, "el lugar más dinámico de la bioquímica" en aquel entonces, fue Arthur Kornberg . [ 62 ] Kornberg ya estaba familiarizado con el espectrofotómetro DU, que había utilizado en el laboratorio de Severo Ochoa en la Universidad de Nueva York . El "nuevo y escaso" Beckman DU, prestado a Ochoa por la Sociedad Filosófica Estadounidense , era muy apreciado y se utilizaba constantemente. Kornberg lo usó para purificar la aconitasa , una enzima del ciclo del ácido cítrico . [ 62 ] [ 63 ]

"La enzima podía analizarse en pocos minutos acoplándola a la isocitrato deshidrogenasa y midiendo el NADH formado mediante el espectrofotómetro Beckman DU, un instrumento que transformó la bioquímica." [ 63 ] : 113

Kornberg y Bernard L. Horecker utilizaron el espectrofotómetro Beckman DU para ensayos enzimáticos que medían NADH y NADPH . Determinaron sus coeficientes de extinción, estableciendo una base para mediciones cuantitativas en reacciones que involucran nucleótidos . Este trabajo se convirtió en uno de los artículos más citados en bioquímica. [ 63 ] : 115 Kornberg continuó estudiando los nucleótidos en la síntesis de ADN, aislando la primera enzima polimerasa de ADN ( ADN polimerasa I ) en 1956 y recibiendo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina junto con Severo Ochoa en 1959. [ 64 ]

Las bases del ADN absorbieron luz ultravioleta cerca de 260  nm. [ 10 ] Inspirado por el trabajo de Oswald Avery [ 65 ] sobre el ADN, Erwin Chargaff utilizó un espectrofotómetro DU en la década de 1940 para medir las concentraciones relativas de bases en el ADN. [ 66 ] : 260, 290–302 Basándose en esta investigación, formuló las reglas de Chargaff . [ 67 ] En el primer análisis cuantitativo completo del ADN, informó de la correspondencia casi igual de pares de bases en el ADN, con el número de unidades de guanina igual al número de unidades de citosina , y el número de unidades de adenina igual al número de unidades de timina . Además, demostró que las cantidades relativas de guanina, citosina, adenina y timina variaban entre especies. En 1952, Chargaff conoció a Francis Crick y James D. Watson , discutiendo sus hallazgos con ellos. Watson y Crick se basaron en sus ideas en su determinación de la estructura del ADN. [ 67 ]

Biotecnología

La espectroscopia ultravioleta tiene una amplia aplicabilidad en biología molecular , particularmente en el estudio de la fotosíntesis . [ 68 ] Ha sido utilizada para estudiar una amplia variedad de plantas con flores y helechos [ 69 ] por investigadores en departamentos de biología, fisiología vegetal y ciencias agrícolas, así como en genética molecular. [ 70 ]

Particularmente útil para detectar enlaces dobles conjugados, la nueva tecnología permitió a investigadores como Ralph Holman y George O. Burr estudiar las grasas dietéticas, un trabajo que tuvo implicaciones significativas para la dieta humana. [ 71 ] El espectrofotómetro DU también se utilizó en el estudio de esteroides [ 72 ] [ 73 ] por investigadores como Alejandro Zaffaroni , [ 74 ] quien ayudó a desarrollar la píldora anticonceptiva , el parche de nicotina y los corticosteroides . [ 75 ]

Modelos posteriores

Espectrofotómetro ultravioleta Beckman modelo DK1

El equipo de Beckman desarrolló posteriormente modelos adicionales, así como varios accesorios o complementos que podían utilizarse para modificar la DU para diferentes tipos de trabajo. Uno de los primeros accesorios fue un complemento de llama con un fotomultiplicador más potente que permitía al usuario examinar llamas como las de potasio , sodio y cesio (1947). [ 16 ] : 11 [ 28 ] : 230

En la década de 1950, Beckman Instruments desarrolló el DR y el DK, ambos espectrofotómetros ultravioleta de doble haz. El DK recibió su nombre en honor a Wilbur I. Kaye , quien lo desarrolló modificando el DU para ampliar su rango al infrarrojo cercano. [ 16 ] Realizó el trabajo inicial mientras trabajaba en Tennessee Eastman Kodak y posteriormente fue contratado por Beckman Instruments. [ 76 ] Los DK introdujeron una función de grabación automática. El DK-1 utilizaba un desplazamiento no lineal y el DK-2 un desplazamiento lineal para registrar automáticamente los espectros. [ 76 ] : 21

El DR incorporaba un "operador robótico" que reiniciaba los mandos de la DU para completar una secuencia de mediciones en diferentes longitudes de onda, tal como lo haría un operador humano para generar resultados de un espectro completo. Utilizaba un carro lineal con cuatro posiciones y una superestructura para cambiar los mandos. Tenía un registrador gráfico móvil para representar los resultados con puntos rojos, verdes y negros. [ 16 ] El precio de los espectrofotómetros registradores era sustancialmente más alto que el de las máquinas no registradoras. [ 72 ]

El DK era diez veces más rápido que el DR, pero no tan preciso. [ 16 ] Utilizaba un fotomultiplicador, lo que introdujo una fuente de error. [ 76 ] : 21 La velocidad del DK lo hizo preferible al DR. [ 16 ] Kaye finalmente desarrolló el DKU, que combinaba características infrarrojas y ultravioletas en un solo instrumento, pero era más caro que otros modelos. [ 76 ]

El último espectrofotómetro DU se fabricó el 6 de julio de 1976. [ 77 ] En la década de 1980, se incorporaron computadoras a instrumentos científicos como el espectrofotómetro UV-Vis Spectronic 2000 de Bausch & Lomb, para mejorar la adquisición de datos y proporcionar control del instrumento. [ 29 ] Ahora se tienden a utilizar espectrofotómetros especializados diseñados para tareas específicas en lugar de "máquinas de uso general" como el DU. [ 5 ] : 1 [ 78 ]

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