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. Los Laboratorios Técnicos Nacionales de Arnold O. Beckman (posteriormente Beckman Instruments) 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. Aproximadamente 30.000 espectrofotómetros DU se fabricaron y vendieron entre 1941 y 1976.
El espectrofotómetro de DU , a veces denominado espectrofotómetro UV-Vis porque medía tanto el espectro ultravioleta (UV) como el visible , se considera una tecnología verdaderamente revolucionaria. Producía 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 DU de Beckman fue esencial para varios proyectos de investigación secretos críticos durante la Segunda Guerra Mundial , incluido el desarrollo de la penicilina y el caucho sintético .
Antes del desarrollo del espectrofotómetro de 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 sometían a una serie de procesos cualitativos complicados y que consumían mucho tiempo para separar e identificar sus componentes. La determinación de las concentraciones cuantitativas de esos componentes en la muestra implicaba pasos adicionales. Los procesos podían implicar 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, utilizando métodos húmedos y secos podía llevar décadas. [4] : 59–60
Los métodos espectroscópicos para observar la absorción de la 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 involucrado. Una fuente de luz blanca emitiría luz en múltiples longitudes de onda en un rango de frecuencias. Se podría utilizar 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 se absorberían, 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 en ejercicio. A partir de 1904, Frank Twyman , de la empresa de fabricación de instrumentos londinense 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 se adaptaban bien a los tipos de problemas que resolvían los químicos. [9] : 124
En la década de 1940, los químicos académicos e industriales se interesaron cada vez más por los problemas relacionados con la composición y detección de moléculas biológicas . Las moléculas biológicas, incluidas las proteínas y los ácidos nucleicos , absorben energía luminosa tanto en el rango ultravioleta como en el visible . [10] El espectro de la 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 "espectrofotómetro" Cenco y el espectrofotómetro Coleman modelo DM, no podían utilizarse de manera eficaz para examinar longitudes de onda en el rango ultravioleta. [11] [12]
El conjunto de equipos necesarios para medir la energía luminosa que llega más allá del espectro visible hacia el ultravioleta podía costarle a un laboratorio hasta 3.000 dólares, una cantidad enorme en 1940. [2] : 149 Se tomaban lecturas repetidas de una muestra para producir placas fotográficas que mostraran el espectro de absorción de un material en diferentes longitudes de onda. Un humano experimentado podía compararlas con las imágenes conocidas para identificar una coincidencia. Luego, la información de las placas tenía que combinarse para crear un gráfico que mostrara el espectro en su conjunto. 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
El DU fue desarrollado en los Laboratorios Técnicos Nacionales (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 estaba 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. [16]
Recientemente, Coleman Instruments había acoplado un medidor de pH a una unidad de fototubo óptico para examinar el espectro visual (el Coleman Model DM). [10] Beckman ya había desarrollado un medidor de pH exitoso para medir la acidez de las soluciones, el producto innovador de su empresa. Al ver el potencial de aprovechar su experiencia existente, Beckman se propuso crear un instrumento integrado fácil de usar que registrara e informara longitudes de onda específicas que se extendieran hasta 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 detectaran. Esto tenía el potencial de aumentar la precisión y la confiabilidad del instrumento, así como su velocidad y facilidad de uso. [2] : 149–151
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 de vidrio Fery como monocromador . [17] : 16 [18] El tungsteno se utilizó para 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 eran útiles en el rango de luz visible pero daban 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
Rápidamente 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 los 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 del Modelo B debe distinguirse de un modelo de espectrofotómetro de producción posterior, también conocido como Modelo "B". El Modelo "B" de producción se introdujo en 1949 como una alternativa más económica y sencilla de utilizar que el Beckman DU. [21] Utilizaba un prisma de vidrio Fery como cromador y funcionaba en un rango más estrecho, aproximadamente de 320 milimicrones a 950 milimicrones, y de 5 a 20 Å . [22] : 183–184 [23] [24] [25]
Luego se construyeron tres instrumentos del Modelo C, mejorando la resolución de longitud de onda del instrumento. El compartimiento de celda rotatoria del Modelo B fue reemplazado por una cámara de muestra lineal. El mecanismo de barra tangente fue reemplazado 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 manera más fácil y confiable, sin requerir un operador altamente capacitado. 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
Los 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 acoplado directamente del medidor de pH y combinó los componentes ópticos y electrónicos en una sola carcasa, lo que lo hizo más económico. [10]
Pasar de un prototipo a la producción del Modelo D implicó desafíos. Beckman se acercó originalmente a Bausch and Lomb para que fabricara 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. Era difícil obtener cuarzo de gran tamaño y alta calidad óptica adecuado para crear prismas. Procedía de Brasil y era muy solicitado para osciladores de radio en tiempos de guerra . Beckman tuvo que obtener una lista de prioridad en tiempos de guerra para el espectrofotómetro para tener acceso a suministros de cuarzo adecuados. [17] : 17
Beckman había intentado previamente encontrar una fuente de lámparas de hidrógeno fiables , buscando una mejor sensibilidad a las longitudes de onda en el rango ultravioleta de la que era posible con el tungsteno. Como se describió en julio de 1941, el espectrofotómetro de Beckman podía utilizar un "tubo de descarga de hidrógeno de cátodo caliente" o una fuente de luz de tungsteno indistintamente. [26] : 684–685 Sin embargo, Beckman todavía no estaba satisfecho con las lámparas de hidrógeno disponibles. Los Laboratorios Técnicos Nacionales diseñaron su propia lámpara de hidrógeno, un ánodo encerrado en una ventana delgada 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 que se encontraba 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 utilizaba el fototubo experimental RCA, se mostró 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, que tenía una cara posterior reflejada, de modo que la luz pasaba por la cara frontal dos veces. [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 primer modelo que entró en producción. Se vendieron unas pocas unidades del modelo D a partir de julio de 1941, antes de que fuera reemplazado por el DU. [2] : 153–155 [17] : 17–18
Cuando RCA no pudo satisfacer la demanda de Beckman de fototubos experimentales, National Technical Laboratories nuevamente tuvo 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 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 Al igual que había hecho con el medidor de pH, Beckman había reemplazado una serie de equipos complicados con un único 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]
En general, se supone que la "DU" del nombre era una combinación de la "D" por el Modelo D en el que se basaba y la "U" por el espectro ultravioleta. Sin embargo, se ha sugerido que la "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 la del espectrofotómetro Cary 14 , otro espectrofotómetro UV-Vis líder de la época. [32]
Desde 1941 hasta 1976, cuando se dejó de fabricar, 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 usaban 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 lo largo 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]
"La luz de la lámpara de tungsteno se enfoca mediante el espejo condensador y se dirige en un haz 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 hasta el espejo colimador. La luz que cae 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 vuelta a través del prisma, sufriendo más refracción a medida que emerge del prisma. La longitud de onda de luz deseada se selecciona girando el selector de longitud de onda que ajusta la posición del prisma. El espectro se dirige de vuelta al espejo colimador que centra la longitud de onda elegida en la rendija de salida y la muestra. La luz que pasa a través de la muestra golpea el fototubo, lo que provoca una ganancia de corriente. La ganancia de corriente se amplifica y se registra en el medidor nulo". Sistema óptico modelo DU [36] : 3
Aunque la fuente de luz predeterminada para el instrumento era tungsteno, se podía sustituir por una lámpara de hidrógeno o mercurio dependiendo del rango óptimo de medición para el que se iba 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
Como se anunciaba en la edición de noticias de 1941 de la American Chemical Society, 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 para la mayor parte de su rango espectral. El mecanismo de rendija se podía ajustar de forma continua de 0,01 a 2,0 mm y se afirmaba que tenía 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 sobre el % de transmisión y la densidad. [37]
El portamuestras contenía hasta 4 celdas. [36] : 3 [37] Las celdas se podían mover hacia el camino de la luz a través de un control externo, lo que permitía al usuario tomar múltiples lecturas sin abrir el compartimiento de celdas. [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 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 de soluto de acuerdo con la ley de Beer . Esto hace posible la determinación cuantitativa de la cantidad de una sustancia en solución. [38]
El usuario también podía cambiar de fototubos sin quitar el portamuestras. Un anuncio de 1941 indicaba que había tres tipos de fototubos disponibles, con una sensibilidad máxima 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 todavía oscilaba entre 200 y 2000 milimicrones. [36] : 4 y estaba disponible un "juego de accesorios ultravioleta". [36] : 25 Este cambio en el 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 IR-4 entre 1953 y 1956. [2] : 165 [39] : 6–7
El espectrofotómetro Beckman fue el primer instrumento sencillo de usar que contenía los componentes ópticos y electrónicos necesarios para la espectrofotometría de absorción ultravioleta en una única carcasa. [2] : 153 El usuario podía insertar una bandeja de celdas con celdas estándar y de muestra, marcar 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 con un medidor simple. [40] Se podía tomar una serie de lecturas en diferentes longitudes de onda sin alterar 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 trabajar tanto en las regiones ultravioleta como visible del espectro, el modelo DU produjo espectros de absorción precisos que se podían obtener con relativa facilidad y replicar con precisión. [41] La Oficina Nacional de Normas 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 [12] lo hizo accesible al laboratorio promedio. [44] : 501 En comparación, en 1943, el espectrofotómetro GE Hardy costaba $6,400. [39] : 6 Práctico y confiable, el DU se estableció rápidamente como un estándar para el equipo de laboratorio. [35] : 141
Atribuido a haber "provocado un gran avance en la espectroscopia óptica", [5] : 10 el DU de Beckman ha sido identificado como "una herramienta indispensable para la química" [2] : 207 y "el modelo T de los instrumentos de laboratorio". [12] Se fabricaron y vendieron aproximadamente 30.000 espectrofotómetros DU entre 1941 y 1976. [5] : 11 [45]
El DU permitió a los investigadores realizar análisis más sencillos de sustancias al tomar rápidamente mediciones 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, implicaba 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 pudo determinar directamente en cuestión de minutos. [39] : 6
El Instituto de Investigación Scripps y el Instituto Tecnológico de Massachusetts atribuyen al DU la mejora tanto de la precisión como de 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 con una precisión del 99,9 % de una sustancia en cuestión de minutos, en lugar de las semanas que se necesitaban antes para obtener resultados con una precisión de 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 El premio Nobel Bruce Merrifield es citado 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 a la empresa sobre una base financiera segura y le permitieron expandirse. [47]
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 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 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 DU arrojó mejores resultados en cuestión de minutos. [48] El espectrofotómetro de 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]
El espectrofotómetro de DU también fue una herramienta importante para los científicos que estudiaban y producían la nueva droga maravillosa 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 efectiva que las sulfamidas , [52] : 312 y que su uso reducía la mortalidad , la gravedad del traumatismo de las heridas a largo plazo y el tiempo de recuperación. [2] : 158 Sin embargo, no se entendía su estructura, los procedimientos de aislamiento utilizados para crear cultivos puros eran primitivos y la producción utilizando técnicas conocidas de cultivo de superficie era lenta. [52] : 312
En el Laboratorio de Investigación Regional 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 los investigadores de penicilina utilizaron un modelo temprano del espectrofotómetro Beckman DU 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 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]
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 El benceno y los butadienos se utilizaron en la producción de caucho sintético . [58] El caucho, utilizado en neumáticos para jeeps, aviones y tanques, escaseaba críticamente porque Estados Unidos estaba privado de 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 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
Gerty Cori y su marido 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 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 de DU, que había utilizado en el laboratorio de Severo Ochoa en la Universidad de Nueva York . El "nuevo y escaso" DU de Beckman, prestado a Ochoa por la Sociedad Filosófica Americana , era muy apreciado y estaba en constante uso. Kornberg lo utilizó para purificar la aconitasa , una enzima del ciclo del ácido cítrico . [62] [63]
"La enzima podría analizarse 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 continuó estudiando 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 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 . Demostró además que las cantidades relativas de guanina, citosina, adenina y timina variaban entre especies. En 1952, Chargaff conoció a Francis Crick y James D. Watson , con quienes discutió sus hallazgos. Watson y Crick se basaron en sus ideas en su determinación de la estructura del ADN. [67]
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 en departamentos de biología, fisiología vegetal y ciencia agrícola, 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, trabajo que tuvo implicaciones significativas para la dieta humana. [71] El espectrofotómetro DU también fue utilizado 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]
El equipo de Beckman desarrolló con el tiempo modelos adicionales, así como una serie de accesorios o complementos que podían utilizarse para modificar la DU para diferentes tipos de trabajo. Uno de los primeros accesorios fue un accesorio 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] 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 usaba un desplazamiento no lineal y el DK-2 usaba un desplazamiento lineal para registrar automáticamente los espectros. [76] : 21
El DR incorporaba un "operador robot" que reajustaba los mandos del 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 los mandos. Tenía un registrador gráfico móvil para representar gráficamente los resultados, con puntos rojos, verdes y negros. [16] El precio de los espectrofotómetros con registro era sustancialmente más alto que el de las máquinas sin registro. [72]
El DK era 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 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 los instrumentos científicos, como el espectrofotómetro UV-Vis Spectronic 2000 de Bausch & Lomb, para mejorar la adquisición de datos y proporcionar control del instrumento. [29] En la actualidad, se tienden a utilizar espectrofotómetros especializados diseñados para tareas específicas en lugar de "máquinas multipropósito" generales como el DU. [5] : 1 [78]
El espectrofotómetro de DU se utilizó ampliamente en la producción en masa de penicilina.
La DU satisfizo una necesidad y fue un éxito inmediato. Se mantuvo insuperable en su campo durante 35 años.
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mientras que el Beckman DU con su capacidad UV fue capaz de dar una medición mucho más precisa del contenido de vitamina A en solo unos minutos.
El espectrofotómetro mejoró los ensayos biológicos de un proceso que llevaba semanas y lograba una precisión del 25 por ciento a uno que llevaba minutos y lograba una precisión del 99,9 por ciento.
Este dispositivo simplificó y agilizó para siempre el análisis químico, al permitir a los investigadores realizar una medición cuantitativa con una precisión del 99,9 % de una sustancia en cuestión de minutos, a diferencia de las semanas que se necesitaban anteriormente para obtener resultados con una precisión de solo el 25 %.
... hoy en día se prefiere generalmente la medición mucho más fácil y precisa mediante un espectrofotómetro, por ejemplo del tipo Beckman DU...
En 1941, comenzaron a vender el espectrofotómetro Beckman DU, que fue un caballo de batalla en innumerables laboratorios durante décadas.
La investigación fue parte de una misión nacional: hacer que la penicilina estuviera disponible para todas nuestras fuerzas armadas y, mediante el secreto, evitar su uso por parte de Alemania y Japón. En el plazo de un año, 17 compañías farmacéuticas estaban trabajando en la penicilina.
secreto militar estadounidense.
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