El espectrofotómetro DU o Beckman DU , introducido 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 en función de su espectro de absorción , el patrón de luz absorbida en diferentes longitudes de onda. Arnold O. Beckman 's Laboratorios Técnica Nacional(más tarde Beckman Instruments) desarrolló tres modelos prototipo internos (A, B, C) y un modelo de distribución limitada (D) antes de pasar a la producción comercial completa con el DU. Se fabricaron y vendieron aproximadamente 30.000 espectrofotómetros DU entre 1941 y 1976.
A veces denominado espectrofotómetro UV-Vis porque mide tanto el espectro ultravioleta (UV) como el visible , el espectrofotómetro DU se considera una tecnología verdaderamente revolucionaria. Produjo resultados más precisos que los métodos anteriores para determinar la composición química de una sustancia compleja y redujo sustancialmente el tiempo necesario para un análisis preciso de semanas u horas a minutos. El Beckman DU fue esencial para varios proyectos críticos de investigación secreta durante la Segunda Guerra Mundial , incluido el desarrollo de penicilina y caucho sintético .
Fondo
Antes del desarrollo del espectrofotómetro DU, el análisis de una muestra de prueba para determinar sus componentes era un proceso largo, costoso y, a menudo, inexacto. Un laboratorio húmedo clásico contenía una amplia variedad de aparatos complicados. [1] Las muestras de prueba se procesaron a través de una serie de procesos cualitativos complicados y lentos para separar e identificar sus componentes. La determinación de concentraciones cuantitativas de esos componentes en la muestra implicó pasos adicionales. Los procesos podrían involucrar técnicas para 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, podría realizarse en menos de treinta minutos. [2] : 26 La determinación de estructuras orgánicas complejas como la clorofila utilizando métodos secos y húmedos podría 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 sería absorbida en diferentes longitudes de onda, dependiendo de la composición de materia del medio involucrado. 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. Hacer brillar la luz a través de una muestra de un material haría que algunas longitudes de onda de luz fueran 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 involucrado. [6] [7] [8]
Los métodos espectroscópicos fueron utilizados predominantemente 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 practicantes. A partir de 1904, Frank Twyman, de la firma londinense de fabricación de instrumentos Adam Hilger, Ltd., intentó desarrollar instrumentos espectroscópicos para químicos, pero su base de clientes estaba formada consistentemente por físicos en lugar de químicos. [9] : 113–118 En la década de 1930 había desarrollado un nicho de mercado en la metalurgia , donde sus instrumentos estaban bien adaptados a los tipos de problemas que los químicos estaban resolviendo. [9] : 124
En la década de 1940, tanto los químicos académicos como los industriales estaban cada vez más interesados en problemas relacionados con la composición y detección de moléculas biológicas . Las moléculas biológicas, incluidas las proteínas y los ácidos nucleicos , absorben la energía luminosa tanto en el rango ultravioleta como en el visible . [10] El espectro de la luz visible no era lo suficientemente amplia para permitir a los científicos para 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 "espectrofotómetro" Cenco y el espectrofotómetro Coleman Model DM no se pudieron utilizar de manera eficaz para examinar longitudes de onda en el rango ultravioleta. [11] [12]
El conjunto de equipos necesarios para medir la energía de la luz que llega más allá del espectro visible hacia el ultravioleta podría costarle a un laboratorio hasta $ 3,000, una gran cantidad en 1940. [2] : 149 Se tomaron lecturas repetidas de una muestra para producir placas fotográficas que muestran la espectro de absorción de un material a diferentes longitudes de onda. Un humano experimentado podría compararlos con las imágenes conocidas para identificar una coincidencia. Luego, la información de las placas tuvo que combinarse para crear un gráfico que mostrara el espectro como un todo. En última instancia, la precisión de tales enfoques dependía del desarrollo preciso y consistente de las placas fotográficas, y de la agudeza visual humana y la práctica en la lectura de las longitudes de onda. [2] : 150–151
Desarrollo
El DU se desarrolló 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, los Laboratorios Técnicos Nacionales desarrollaron tres modelos prototipo 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 dirigido por Howard Cary , quien luego cofundó Applied Physics Corporation (más tarde Cary Instruments ), que se convirtió en uno de los competidores más fuertes de Beckman Instruments. [15] Otros científicos incluyeron a Roland Hawes y Kenyon George. [dieciséis]
Coleman Instruments había acoplado recientemente un medidor de pH con una unidad de fototubo óptico para examinar el espectro visual (el modelo Coleman DM). [10] Beckman ya había desarrollado un medidor de pH exitoso para medir la acidez de las soluciones, el producto revolucionario de su empresa. Al ver el potencial para aprovechar su experiencia existente, Beckman se propuso crear un instrumento integrado fácil de usar que registraría e informaría longitudes de onda específicas que se extienden hacia el rango ultravioleta. En lugar de depender del desarrollo 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 que se detectaron. 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 de espectrofotómetro Beckman, el Modelo A, fue creado en National Technologies Laboratories en 1940. Utilizaba una fuente de luz de tungsteno con un prisma Fery de vidrio como monocromador . [17] : 16 [18] El tungsteno se utilizó para los filamentos de luz incandescente porque era fuerte, resistía el calor y emitía una luz constante. [19] Los tipos de fuentes de luz diferían en el rango de longitudes de onda de luz que emitían. Las lámparas de tungsteno fueron útiles en el rango de luz visible pero dieron poca cobertura en el rango ultravioleta. Sin embargo, tenían la ventaja de estar fácilmente disponibles porque se usaban como faros de automóviles . [17] : 17 Se utilizó un amplificador externo del medidor de pH Beckman y una fotocélula de tubo de vacío para detectar longitudes de onda. [17] : 16
Modelo B (prototipo)
Rápidamente se advirtió que un prisma dispersivo de vidrio no era adecuado para su uso en el espectro ultravioleta. [2] : 153 [17] : 16 El vidrio absorbió radiación electromagnética por debajo de 400 milimicrones en lugar de dispersarla. [20] En el Modelo B, un prisma de cuarzo fue sustituido por el vidrio anterior. [2] : 153 [17] : 16
Se utilizó un mecanismo de barra tangente para ajustar el monocromador. El mecanismo era muy sensible y requería un operador calificado. [17] : 16 Sólo se fabricaron dos prototipos del Modelo B. Uno fue vendido: en febrero de 1941, al departamento de Química de la Universidad de California en Los Ángeles . [2] : 153
El prototipo del Modelo B debe distinguirse de un modelo de producción posterior de espectrofotómetro que también se denominó Modelo "B". El modelo de producción "B" se introdujo en 1949 como una alternativa menos costosa y fácil de usar al Beckman DU. [21] Utilizaba un prisma Fery de vidrio como cromador 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)
Luego se construyeron tres instrumentos Modelo C, mejorando la resolución de longitud de onda del instrumento. El compartimento de la celda giratoria del Modelo B se reemplazó por una cámara de muestra lineal. El mecanismo de la barra tangente fue reemplazado por un mecanismo de accionamiento de desplazamiento, [17] : 16 que podría controlarse con mayor precisión para restablecer el prisma de cuarzo y seleccionar la longitud de onda deseada. [10] Con este nuevo mecanismo, los resultados podrían obtenerse de manera más fácil y confiable, sin requerir un operador altamente calificado. Esto estableció el patrón 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)
Los modelos prototipos A, B y C acoplaron un medidor de pH Beckman externo al componente óptico para obtener 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, haciéndolo más económico. [10]
Pasar de un prototipo a la producción del Modelo D implicó desafíos. Beckman se acercó originalmente a Bausch y Lomb sobre la fabricación de prismas de cuarzo para el espectrofotómetro. Cuando rechazaron la oportunidad, National Technical Laboratories diseñó su propio sistema óptico, que incluía un mecanismo de control y un prisma de cuarzo. Fue difícil obtener cuarzo grande, de alta calidad óptica, adecuado para crear prismas. Provenía de Brasil y tenía una demanda de osciladores de radio en tiempos de guerra . Beckman tuvo que obtener una lista de prioridades en tiempos de guerra para que el espectrofotómetro tuviera acceso a suministros de cuarzo adecuados. [17] : 17
Beckman había intentado anteriormente encontrar una fuente de lámparas de hidrógeno fiables , buscando una mejor sensibilidad a las longitudes de onda en el rango ultravioleta de lo que era posible con el tungsteno. Como se describió en julio de 1941, el espectrofotómetro Beckman podría usar un "tubo de descarga de hidrógeno de cátodo caliente" o una fuente de luz de tungsteno indistintamente. [26] : 684–685 Sin embargo, Beckman todavía estaba insatisfecho con las lámparas de hidrógeno disponibles. National Technical Laboratories diseñó su propia lámpara de hidrógeno, un ánodo encerrado en una fina ventana de vidrio soplado. [17] : 17 En diciembre de 1941, el diseño interno se estaba utilizando en la producción del Modelo D. [2] : 154-155
El diseño del instrumento también requería un fototubo más sensible que el disponible comercialmente en ese momento. Beckman pudo obtener pequeños lotes de un fototubo experimental de RCA para los primeros instrumentos del Modelo D. [17] : 17
El espectrofotómetro Modelo D, que utiliza el fototubo RCA experimental, se mostró en la Conferencia de Verano sobre Espectroscopía 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 diseños para un modificado en comparación auto-colimación de cuarzo Fery prisma, un espejo de cuarzo colimado Littrow prisma , y varias rejillas. [26] : 683 El prisma de Littrow era un medio prisma, que tenía una cara reflejada. [18] [27] : 31–34 Se informó que el uso de una fuente de luz de tungsteno con el prisma de cuarzo Littrow como monocromador minimiza la dispersión de la luz dentro del instrumento. [26] : 686
El Modelo D fue el primer modelo en entrar en producción real. Se vendió una pequeña cantidad 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
Cuando RCA no pudo satisfacer la demanda de Beckman de fototubos experimentales, los Laboratorios Técnicos Nacionales nuevamente tuvieron que diseñar 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 Modelo DU UV-Vis. [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 " utilizados en los laboratorios químicos modernos, [30] se vendió por $ 723 en 1941. [12]
Generalmente se asume que el "DU" en el nombre era una combinación de "D" para el Modelo D en el que se basaba y "U" para el espectro ultravioleta. Sin embargo, se ha sugerido que "DU" también puede hacer referencia a la fraternidad de Beckman en la Universidad de Illinois, Delta Upsilon , cuyos miembros se llamaban "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
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 un solo haz. [16] : 11 [33] Los espectrofotómetros DU utilizaron 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 en todo el espectro. Esto permitió al usuario trazar el espectro de absorción de luz de una sustancia para obtener una característica estandarizada de "huella dactilar" de un compuesto. [2] : 151 [34] [35] Todos los espectrofotómetros UV-Vis modernos se basan en los mismos principios básicos que el espectrofotómetro DU. [29]
"La luz de la lámpara de tungsteno es enfocada por el espejo de condensación y dirigida en un rayo hacia el espejo de entrada con rendija diagonal. El espejo de entrada desvía la luz a través de la rendija de entrada y hacia el monocromador hacia el espejo de colimación. La luz que cae sobre el espejo de colimación es paralela y reflejada al prisma de cuarzo donde sufre refracción. La superficie posterior del prisma está aluminizada para que la luz refractada en la primera superficie se refleje a través del prisma, experimentando una refracción adicional a medida que emerge del prisma. La longitud de onda deseada de La luz se selecciona girando el selector de longitud de onda que ajusta la posición del prisma. El espectro se dirige de regreso al espejo de colimación que centra la longitud de onda elegida en la ranura de salida y la muestra. La luz que pasa a través de la muestra incide en el fototubo, provocando una ganancia de corriente . La ganancia de corriente se amplifica y registra en el medidor nulo ". Sistema óptico modelo DU [36] : 3
Aunque la fuente de luz predeterminada para el instrumento era tungsteno, se podría sustituir una lámpara de hidrógeno o mercurio según el rango óptimo de medición para el que se usaría el instrumento. [36] : 3 La lámpara de tungsteno era adecuada para transmitir longitudes de onda entre 320 y 1000 milimicrones; la lámpara de hidrógeno de 220 a 320 milimicrones y la lámpara de mercurio para verificar la calibración del espectrofotómetro. [36] : 6
Como se anunció en la edición de noticias de 1941 de la American Chemical Society, el espectrofotómetro Beckman utilizó un prisma de cristal de cuarzo autocolimante para un monocromador, capaz de cubrir un rango desde el ultravioleta (200 milimicrones) al infrarrojo (2000 milimicrones), con un ancho de banda nominal. de 2 milimicrones o menos para la mayor parte de su rango espectral. El mecanismo de rendija se podía ajustar continuamente de 0,01 a 2,0 mm y decía tener menos del 1/10% de luz parásita en la mayor parte del rango espectral. Presentaba una escala de longitud de onda fácil de leer, que informaba simultáneamente el% de transmisión y la información de densidad. [37]
El portamuestras tenía capacidad para 4 celdas. [36] : 3 [37] Las celdas se pueden mover a la trayectoria de la luz a través de un control externo, lo que permite al usuario tomar varias lecturas sin abrir el compartimento de la celda. [36] : 3 Como se describe en el manual del DU, las mediciones de absorbancia de una muestra se realizaron en comparación con un blanco o estándar , "una solución idéntica en composición a la muestra, excepto que el material absorbente que se está midiendo está ausente". [36] : 24 El estándar podría ser una celda llena de 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 patrón en el haz de luz. Esto permite obtener la relación, transmitancia . Para medidas cuantitativas, la transmitancia se convierte en absorbancia, que es proporcional a la concentración de soluto según la ley de Beer . Esto hace posible la determinación cuantitativa de la cantidad de una sustancia en solución. [38]
El usuario también puede cambiar entre fototubos sin quitar 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 1954 DU se diferencia en que afirma ser útil de 200 a 1000 milimicrones, [36] : 2 y no menciona el fototubo ultravioleta. [36] : 3 El selector de longitud de onda, sin embargo, todavía osciló entre 200 y 2000 milimicrones. [36] : 4 y un "juego de accesorios ultravioleta" estaba disponible. [36] : 25 Este alejamiento del uso del DU para la medición infrarroja es comprensible, ya que en 1954 Beckman Instruments comercializaba un espectrofotómetro infrarrojo separado. Beckman desarrolló el espectrofotómetro infrarrojo IR-1 durante la Segunda Guerra Mundial y lo rediseñó como IR-4 entre 1953 y 1956. [2] : 165 [39] : 6-7
Usar
El espectrofotómetro Beckman fue el primer instrumento único fácil de usar que contenía los componentes ópticos y electrónicos necesarios para la espectrofotometría de absorción ultravioleta dentro de una sola carcasa. [2] : 153 El usuario podría insertar una bandeja de celdas con celdas estándar y de muestra, marcar la longitud de onda de luz deseada, confirmar que el instrumento se configuró correctamente midiendo el estándar y luego medir la cantidad de absorción de la muestra, leyendo la frecuencia de un simple medidor. [40] Se podría tomar una serie de lecturas a diferentes longitudes de onda sin alterar la muestra. [41] El método de escaneo manual del espectrofotómetro DU fue 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] Trabajando tanto en la región ultravioleta como en la visible del espectro, el modelo DU produjo espectros de absorción precisos que podrían obtenerse con relativa facilidad y reproducirse con precisión. [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 incluyeron su alta resolución y la minimización de la luz parásita en la región ultravioleta. [12] Aunque no era barato, su precio inicial de $ 723 [12] lo puso a disposición del laboratorio promedio. [44] : 501 En comparación, en 1943, el espectrofotómetro GE Hardy costaba 6.400 dólares. [39] : 6 Práctico y confiable, el DU se estableció rápidamente como un estándar para equipos de laboratorio. [35] : 141
Impacto
Se le atribuye haber " logrado un gran 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 de uranio empobrecido fueron fabricados y vendidos entre 1941 y 1976. [5] : 11 [45]
El DU permitió a los investigadores realizar un análisis más fácil de sustancias tomando rápidamente medidas en más de una longitud de onda para producir un espectro de absorción que describe 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 las ratas con el aceite durante 21 días, luego cortarles la cola y examinar su estructura ósea. Con la tecnología UV de DU, el contenido de vitamina A del aceite de hígado de tiburón podría determinarse directamente en cuestión de minutos. [39] : 6
El Instituto de Investigación Scripps y el Instituto de Tecnología de Massachusetts le dan crédito al DU por mejorar tanto la precisión como 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 minutos, a diferencia de las semanas requeridas anteriormente para obtener resultados de solo el 25%". [42] [43]
El químico orgánico 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 de uranio empobrecido 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 estableció a la empresa sobre una base financiera segura y le permitió expandirse. [47]
Vitaminas
El desarrollo del espectrofotómetro tuvo relevancia directa para la Segunda Guerra Mundial y el esfuerzo bélico estadounidense. El papel de las vitaminas en la salud fue motivo de gran preocupación, 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 las ratas con un alimento durante varias semanas y luego realizar una biopsia para estimar los niveles de vitamina A ingeridos. Por el contrario, examinar una muestra de alimento con un espectrofotómetro de uranio empobrecido arrojó mejores resultados en cuestión de minutos. [48] El espectrofotómetro DU podría usarse 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 de uranio empobrecido también fue una herramienta importante para los científicos que estudiaban y producían el nuevo fármaco maravilloso penicilina . [10] El desarrollo de la penicilina fue una misión nacional secreta, que involucró a 17 compañías farmacéuticas, con el objetivo de proporcionar penicilina a todas las fuerzas estadounidenses involucradas en la Segunda Guerra Mundial. [52] : 312 [53] Se sabía que la penicilina era más eficaz que las sulfonamidas , [52] : 312 y que su uso reducía la mortalidad , la gravedad del traumatismo prolongado de la herida y el tiempo de recuperación. [2] : 158 Sin embargo, su estructura no se entendía, los procedimientos de aislamiento utilizados para crear cultivos puros eran primitivos y la producción utilizando técnicas de cultivo de superficie conocidas era lenta. [52] : 312
En el Laboratorio de Investigación Regional del Norte en Peoria, Illinois , los investigadores recolectaron y examinaron más de 2,000 muestras 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 los investigadores de penicilina en Peoria utilizaron un modelo temprano del espectrofotómetro Beckman DU. [52] : 316 El laboratorio de Peoria logró 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 producían 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 del petróleo crudo , se utilizó en la producción de TNT para uso militar. [2] : 158-159 [17] : 19 Se utilizaron benceno y butadienos en la producción de caucho sintético . [58] El caucho, utilizado en neumáticos para jeeps, aviones y tanques, era un suministro críticamente escaso porque los Estados Unidos se vieron privados de los suministros extranjeros de caucho natural. [2] : 158-159 La Oficina de la Reserva de Caucho organizó a investigadores en universidades y en la industria para trabajar en secreto 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 la refinación de petróleo y la producción de gasolina. [2] : 159 [4] : 17
Ensayos de enzimas e investigación de 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 . Hicieron varios descubrimientos críticos para comprender el metabolismo de los carbohidratos , incluido 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 en sangre 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, incluida la fosforilasa. [61]
Otro investigador que pasó seis meses en 1947 en el laboratorio de Cori, "el lugar más vibrante de la bioquímica" en ese momento, 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 American Philosophical Society , era muy apreciado y en constante uso. Kornberg lo usó para purificar la aconitasa , una enzima en el ciclo del ácido cítrico . [62] [63]
"La enzima podría ensayarse en unos pocos minutos acoplándola a la isocitrato deshidrogenasa y midiendo el NADH formado utilizando 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 miden 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 pasó a estudiar nucleótidos en la síntesis de ADN, aislando la primera enzima polimerizadora de ADN ( ADN polimerasa I ) en 1956 y recibiendo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 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 de uranio empobrecido en la década de 1940 para medir las concentraciones relativas de bases en el ADN. [66] : 260, 290–302 Basado en esta investigación, formuló las reglas de Chargaff . [67] En el primer análisis cuantitativo completo de ADN, informó 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 timina. unidades. 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 , y discutió sus hallazgos con ellos. Watson y Crick se basaron en sus ideas para determinar la estructura del ADN. [67]
Biotecnología
La espectroscopia ultravioleta tiene una amplia aplicabilidad en biología molecular , particularmente en el estudio de la fotosíntesis . [68] Se ha utilizado para estudiar una amplia variedad de plantas con flores y helechos [69] por investigadores de departamentos de biología, fisiología vegetal y ciencias agrícolas, así como genética molecular. [70]
Particularmente útil para detectar dobles enlaces conjugados, la nueva tecnología hizo posible que investigadores como Ralph Holman y George O. Burr estudiaran las grasas dietéticas, un trabajo que tenía implicaciones significativas para la dieta humana. [71] El espectrofotómetro de uranio empobrecido también fue utilizado en el estudio de los esteroides [72] [73] por investigadores como Alejandro Zaffaroni , [74] que ayudaron a desarrollar la píldora anticonceptiva , el parche de nicotina y los corticosteroides . [75]
Modelos posteriores
El equipo de Beckman finalmente desarrolló modelos adicionales, así como una serie de accesorios o aditamentos que podrían usarse para modificar el DU para diferentes tipos de trabajo. Uno de los primeros accesorios fue un accesorio de llama con un foto multiplicador más potente para permitir al usuario examinar llamas como 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 de Wilbur I. Kaye , quien lo desarrolló modificando el DU para ampliar su alcance al infrarrojo cercano. [16] Hizo el trabajo inicial mientras estaba en Tennessee Eastman Kodak , y luego fue contratado por Beckman Instruments. [76] Los DK introdujeron una función de grabación automática. El DK-1 utilizó un desplazamiento no lineal y el DK-2 utilizó un desplazamiento lineal para registrar automáticamente los espectros. [76] : 21
El DR incorporó un "operador de robot" que restablecería las perillas en el DU para completar una secuencia de mediciones en diferentes longitudes de onda, tal como lo haría un operador humano para generar resultados para un espectro completo. Utilizaba una lanzadera lineal con cuatro posiciones y una superestructura para cambiar las perillas. Tenía un registrador de gráficos en movimiento para trazar los resultados, con puntos rojos, verdes y negros. [16] El precio de los espectrofotómetros registradores era sustancialmente más alto que el de las máquinas que no registraban. [72]
El DK fue diez veces más rápido que el DR, pero no tan preciso. [16] Utilizaba un fotomultiplicador, que había introducido una fuente de error. [76] : 21 La velocidad del DK lo hizo preferido al DR. [16] Kaye finalmente desarrolló el DKU, combinando características infrarrojas y ultravioleta en un solo instrumento, pero era más caro que otros modelos. [76]
El último espectrofotómetro DU se produjo el 6 de julio de 1976. [77] En la década de 1980, las computadoras se estaban incorporando a instrumentos científicos como el espectrofotómetro Spectronic 2000 UV-Vis de Bausch & Lomb, para mejorar la adquisición de datos y proporcionar control de instrumentos. [29] Los espectrofotómetros especializados diseñados para tareas específicas ahora tienden a usarse en lugar de "máquinas para todo uso" generales como el DU. [5] : 1 [78]
Referencias
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enlaces externos
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