La metrología en el interior de las células

Físicos de la Universidad Autónoma de Barcelona han conseguido la “fórmula” para construir un termómetro cuántico a escala manométrica. Su precisión sería tan alta que permitiría detectar fluctuaciones ínfimas de la temperatura en zonas tan pequeñas como el interior de las células o en diminutos circuitos electrónicos. Los investigadores establecen cuál es la fluctuación más pequeña de la temperatura que se puede llegar a medir con esa total precisión.

Investigadores del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y de la Universidad de Nottingham (Reino Unido) establecieron en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters: “Recipe for a Quantum Thermometer” los límites de la Termometría, es decir, cuál es la fluctuación más pequeña de la temperatura que se podría llegar a medir. 

El objetivo de la investigación era delimitar una estructura cuántica capaz de medir temperaturas. De acuerdo a los científicos, sólo un puñado de átomos son suficientes para actuar como termómetro midiendo el movimiento de otros átomos.

Figura1: El termómetro cuántico ayudará a medir con más precisión las temperaturas dentro de las células.

“Lo que hicimos fue delimitar la caracterización de unas sondas que estimen la temperatura con una precisión máxima, así como el margen de error que acompañaría a cada medición de la temperatura”, dijo Geraldo Adesso, de la Universidadad de Nottingham.

“Para ello, hemos combinado herramientas de termodinámica y metrología cuántica que estudian los movimientos ultra precisos de los sistemas cuánticos. Hemos encontrado relaciones muy hermosas y llenas de significado entre los dos campos”, agregó.

Los autores han estudiado cuál sería la sensibilidad de termómetros hechos de un puñado de átomos, lo suficientemente pequeños como para exhibir comportamientos típicamente cuánticos. De hecho, plantean el mejor termómetro a nanoescala que permiten las leyes de la física.

Los investigadores han caracterizado en detalle este tipo de sondas térmicas, unos dispositivos que proporcionarían una estimación de la temperatura con una precisión sin precedentes. Para ello, han combinado las herramientas de la termodinámica y de la metrología cuántica, que trata de las medidas ultraprecisas en sistemas cuánticos.

Los físicos han buscado cuál sería la precisión máxima que se podría conseguir en una situación real, en la que el tiempo para medir podría ser muy breve debido a limitaciones experimentales inevitables. En la investigación también han observado que estos termómetros podrían mantener una sensibilidad constante en un amplio rango de temperaturas, a cambio de sacrificar parte de esta precisión.

Futuras aplicaciones en células y nanocircuitos

Para los autores de la investigación "conseguir un nanotermómetro suficientemente sensible a esta escala representaría un gran paso para la nanotecnología, con aplicaciones en biología, química, física, e incluso, en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades". Los resultados pueden ayudar a los científicos a empujar  los límites de la tecnología para poder medir dentro de las células o en circuitos electrónicos diminutos.

En el estudio participaron los investigadores del Departamento de Física de la UAB Luis A. Correa, autor principal, y Mohamed Mehboudi; la investigadora ICREA en el mismo departamento, Anna Sanpera; y el investigador de la Universidad de Nottingham Gerardo Adesso.

BIBLIOGRAFÍA:

F. Seilmeier, M. Hauck, E. Schubert, G. J. Schinner, S. E. Beavan, and A. Högele, “Optical Thermometry of an Electron Reservoir Coupled to a Single Quantum Dot in the Millikelvin Range,” Phys. Rev. Applied 2, 024002 (2014)

Florian Haupt, Atac Imamoglu, and Martin Kroner, “Single Quantum Dot as an Optical Thermometer for Millikelvin Temperatures,” Phys. Rev. Applied 2, 024001 (2014)

G. Kucsko, P. C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P. K. Lo, H. Park, and M. D. Lukin, “Nanometre-scale thermometry in a living cell,” Nature 500, 54 (2013)

Incidencia de la metrología en el campo de la medicina

La medicina se puede definir como el conjunto de conceptos, procedimientos y recursos materiales, con los que se busca prevenir y curar las enfermedades. En la que el diagnóstico correcto y el tratamiento adecuado del paciente no dependen únicamente del conocimiento y la experiencia de los médicos sino también de la precisión y la funcionalidad de los dispositivos médicos utilizados.

La metrología en la medicina se caracteriza por procedimientos que miden cantidades físicas o químicas y discuten los valores mensurables químicos y biológicos. En un gran número de situaciones médicas, la funcionalidad adecuada de los dispositivos médicos es crucial para los pacientes. Por lo tanto, es necesario realizar pruebas tan estrictas e independientes de las funcionalidades de los dispositivos médicos como sea posible para poder obtener el diagnóstico y tratamiento del paciente más preciso y confiable. Por esta razón se destaca la necesidad de introducir la metrología en la medicina y la definición de normas estándar para las inspecciones de dispositivos médicos. 

Tomando en cuenta que el campo de la medicina es bastante amplio, varios dispositivos médicos se han introducido en el sistema de metrología como es el caso de desfibriladores, monitores de pacientes, respiradores, máquinas de anestesia, máquinas de diálisis, incubadoras pediátricas y neonatales, ultrasonidos terapéuticos, bombas de perfusión y perfusores, equipos de imagenología, entre otros. 

Para un mayor entendimiento tomaremos como referencia el caso de los equipos de imagenología ya que las instituciones de salud, al ofrecer estudios de imagenología, hacen referencia a la densidad de flujo magnético con la que operan sus resonadores magnéticos (medida en teslas) y la relacionan con la calidad diagnóstica de los mismos. Así, los hay de 1 T, 1,5 T y 3 T. No obstante, las instituciones dejan poco claro el significado de tales medidas y la implicación que tienen sobre la imagen obtenida. Es importante saber que el tesla (T) es la unidad de densidad de flujo magnético o inducción magnética incorporada perteneciente al Sistema Internacional de Unidades (SI). El tesla es definido como weber por unidad de área (Wb/m2), la cual mide el valor de la densidad de flujo magnético en un punto dado del espacio en un instante dado. En el caso de equipos médicos, su límite es de 3 T; en comparación, la densidad de flujo magnético en nuestro planeta tiene valores de alrededor de 50 µT (50 millonésimas de tesla).

Con el propósito de dar confiabilidad y uniformidad a las mediciones de densidad de flujo magnético realizadas y que los resultados de dichas mediciones sean equivalentes sin importar el instrumento, el lugar o la persona que las efectúe, es necesario que los instrumentos que se utilizan para realizar las mediciones (magnetómetros o teslámetros) estén referidos a patrones de medida cuyos valores sean aceptados internacionalmente.

Alrededor del mundo, varios Institutos de Metrología realizan trabajos de investigación y desarrollo tecnológico para establecer los patrones de medida, que son referencia de medida a nivel nacional para diversos sectores productivos y de salud. Un ejemplo de esto es la bobina de Helmholtz y un magnetómetro de resonancia magnética nuclear que constituyen el patrón de medida correspondiente a la densidad de flujo magnético. De no contar con estas referencias, los magnetómetros utilizados para asegurar el adecuado funcionamiento de los equipos de resonancia magnética nuclear podrían dar lugar a resultados equivocados que pudieran poner en riesgo la salud de los pacientes.

La incidencia de la metrología en este ámbito llega a tal punto que países invierten grandes presupuestos en el cuidado del estado físico de sus atletas basados en diagnósticos interpretados a partir de las imágenes entregadas por los dispositivos médicos. En el caso del futbol profesional los jugadores deben ser sometidos a pruebas médicas para determinar su salud y establecer por ejemplo el desgaste de sus articulaciones, la recuperación de lesiones previas, y en base a su historial clínico contratar o no  a nuevos jugadores. 

Ilustrando de mejor manera el impacto de la metrología en la sociedad se observa en el diagnóstico de las lesiones más comunes del fútbol profesional, atletas olímpicos, etc.; un aspecto por momentos imperceptible pero fundamental en el aseguramiento, en este caso, de la correcta operación de un instrumento de diagnóstico por imágenes, ya que de esto depende el rendimiento, y salud de los atletas. 

BIBLIOGRAFÍA:

http://www.revistadeacuerdo.org/wp-content/uploads/2017/05/Cuando-Tesla-diagnostica_De-acuerdo_Edicio%CC%81n-2_Fu%CC%81tbol.pdf  

http://www.elhospital.com/temas/Medicion,-aliada-estrategica-para-asegurar-la-calidad-de-diagnosticos-y-tratamientos-medicos+115548

Impacto de la metrología química en el cuidado del medio ambiente

El medio ambiente es vital para nuestro bienestar, pero la actividad humana lo afecta negativamente, es por ello, que la OrganizaciónMeteorológica Mundial (OMM) creó el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático  (IPCC) y el Programa de la Naciones Unidad para el Medio Ambiente (PNUMA) para proporcionar una fuente  objetiva de información científica sobre el cambio climático. Esta información se basa en la vigilancia de las mediciones de la calidad del ambiente.

La demanda de nuevos y mejores materiales provoca el desarrollo de nuevos compuestos químicos. Los subproductos de procesos industriales de manufactura y combustión pueden presentarse como contaminantes por ejemplo: residuos sólidos, liberaciones al aire, agua y suelo; los mismos que antes de ser liberados al ambiente deben cumplir con valores límites fijados en normas, reglamentos ambientales, leyes (Ley de Gestión Ambiental

Grupos vulnerables a proteger de las sustancias peligrosas.

Las mediciones químicas deben cumplir con exactitud y veracidad, ya que la calidad del ambiente coloca en constante riesgo a diferentes grupos como:

·         Seres humanos

·         Especies de la biota acuática, terrestres

·         Organismos polinizadores

·         Organismos predadores y últimos eslabones de la cadena alimentaria (que bioacumulan y biomagnifican las sustancias a las que se exponen).

Necesidad de mediciones comparables

Establecer la comparabilidad de los resultados para eliminar dudas sobre la veracidad de resultados de un laboratorio, es cada vez más necesaria, debido al aumento de la demanda de resultados químicos y físicos confiables por parte del comercio, sector industrial, entes reguladores y fiscalizadores, convirtiendo muy necesaria la demostración de la capacidad de un laboratorio. El puente que permite establecer la comparabilidad y trazabilidad de las medidas a nivel nacional e internacional son la participación en ensayos de aptitud y el uso adecuado de materiales de referencias certificados (MRC) en el caso de mediciones químicas.

Importancia y Complejidad de las mediciones químicas

En Metrología Química  se tiene como objetivo determinar la cantidad de una entidad química específica en una matriz dada. Las mediciones químicas son multidimensionales se encuentran en escalas de > 10⁵ o < 10^-1

Entre las mediciones que se realizan se encuentran:

·   Causantes del deterioro de la capa de ozono: clorofluorocarbonos para producir espumas sintéticas para empaques, aislantes, mobiliario y otros usos.

·   Monitoreo mundial de los gases de efecto de invernadero (como el bióxido de carbono y el metano).

·   Sustancias tóxicas persistentes: como plaguicidas para la producción agrícola.

Mediciones y métodos necesarios para la evaluación del cambio climático

La mitigación efectiva del calentamiento global inducido por los gases efecto invernadero requiere de mediciones precisas y comparables para:

·         Determinar con exactitud los niveles de emisión y sus límites.

·         Monitoreo de los niveles de GHG sobre sus fuentes y sumideros

·         Evaluar el impacto de las estrategias de mitigación

Bibliografía

Q.F. Elizabeth Ferreira, Impacto de la Metrología Química en el cuidado de la salud y el medio ambiente y en el Comercio.

ISO 17025, Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y calibración.

IPCC Quinto informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre cambio climático: Cambio climático 2014 Impactos, adaptación y vulnerabilidad