Resumen de Análisis de los elementos minerales esenciales y tóxicos en tejidos vegetales

Juliana Padilla-Cuevas, Hernani T. Yee Madeira, Agustín Merino García, Claudia Hidalgo Moreno, J. Dionisio Etchevers Barra

• español

  Las técnicas para analizar los elementos esenciales o tóxicos para las plantas y los seres humanos, ha experimentado un acelerado desarrollo en los últimos tiempos, tanto en las convencionales o clásicas, que requieren la solubilización de la muestra, como en otras emergentes que no la requieren. Las técnicas convencionales avanzadas y las no destructivas se usan poco por los investigadores en genética, agronomía, nutrición, fisiología, biología, para evaluar la composición y calidad nutrimental de alimentos, cuantificar elementos metálicos esenciales y tóxicos, diagnosticar el estado nutrimental de los cultivos y estudiar alimentos funcionales. Estas técnicas analíticas se pueden aplicar, además, a suelos, abonos y fertilizantes. El objetivo de este ensayo es difundir las posibilidades de aplicación y los principios básicos de estas técnicas analíticas emergentes. La espectrometría de emisión por atomización con plasma inductivamente acoplado (ICP, Inductively coupled plasma) y la de ICP masas (ICP-MS, Mass spectrometry with inductive coupling plasma) tienen mayor interés que las técnicas clásicas usadas en los laboratorios de los países de escaso desarrollo, como las espectrometrías de emisión (AES, Atomic emission spectrometry) y absorción atómica (AAS, Atomic absorption spectrometry), que requieren solubilización de la matriz. La ICP-MS y la ICP tienen ventajas para el análisis simultáneo de contenidos totales de la mayoría de los elementos esenciales para el crecimiento de los vegetales. Entre las técnicas no destructivas de la matriz, la mayoría de las consideradas en este ensayo se basan en la interacción de los rayos X con la materia, como fotoemisión de rayos X (XPS, X-ray photoelectron spectrometry), emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE, Particle induced X-ray emission), fluorescencia de rayos X (XRF, X-ray fluorescence) y espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS, Energy-dispersive X-ray spectroscopy), similares en sus fundamentos. Estas técnicas, a diferencias de las anteriores, no requieren solubilizar la muestra o su preparación es mínima. Otras ventajas son su rapidez, la realización de análisis multielemental simultáneo, tamaño pequeño de muestra, adquisición de la distribución de elementos químicos en la muestra y generar mapas en dos dimensiones. Las cuatro técnicas descritas más arriba analizan contenidos totales. PIXE y XRF presentan mayor sensibilidad que las otras dos para cuantificar elementos traza en concentraciones de partes por millón, y estas dos más EDS se pueden acoplar a microscopios ad hoc para obtener la distribución de elementos químicos y hacer mapeos. La técnica XPS permite analizar fracciones iónicas en estudios de estados de oxidación de los elementos, pero las concentraciones en las muestras deben ser superiores a 0.1% en peso. Las aplicaciones de las técnicas no destructivas generan información complementaria a las clásicas y aportan conocimiento básico. Otras ventajas es que la preparación de las muestras requiere menos tiempo, excepto cuando se requieren mapeos. Su capacidad para ejecutar multianálisis permite reducir costos. En México y otros países hay grupos de investigación especializados en estas técnicas, pero es necesario desarrollar e implementar aplicaciones para realizar análisis de matrices biológicas como vegetales (semillas, hojas, etc.), alimentos, abonos y matriz orgánica de los suelos. Un conocimiento más profundo de estas técnicas permitirá la interacción de grupos de investigación y generar información para estudios de ciencia básica en agronomía y alimentos.

• English

  Conventional and classic techniques to analyze the essential or toxic elements for plants and humans, either the ones requiring solubilization of the sample and others emerging ones that do not need it, have undergone an accelerated development in recent times. Researchers in genetics, agronomy, nutrition, physiology, and biology rarely used advanced conventional and non-destructive techniques to assess the nutrient composition and quality of food, quantify essential and toxic metallic elements, in order to diagnose the nutritional status of crops and to study functional foods. These analytical techniques are applied to soils, fertilizers and manures also. Atomic emission spectrometry with inductively coupled plasma (ICP) and that of mass ICP (ICP-MS, Mass spectrometry with inductively coupled plasma) are of greater interest than the classical techniques used in laboratories in developing countries, such as emission spectrometry (AES, Atomic emission spectrometry) and atomic absorption spectrometry (AAS), which require matrix solubilization. The ICP-MS and the ICP allow the simultaneous analysis of the total contents of most of the essential elements for plant growth. Among the non-destructive techniques of the matrix, most of those considered in this essay are based on the interaction of X-rays with matter; such as X-ray photoemission (XPS, X-ray photoelectron spectrometry), particle-induced X-ray emission (PIXE), X-ray fluorescence (XRF) and dispersion spectrometry of X-ray energy (EDS, Energy-dispersive X-ray spectrometry), similar in their principles. These techniques, unlike the previous ones, do not require the solubilization of the sample or its preparation is minimal. Other advantages are their speed, the performance of simultaneous multi-element analysis, small sample size, acquisition of the distribution of chemical elements in the sample, and mapping in two dimensions. The four techniques described above analyze total contents. PIXE and XRF have higher sensitivity than the other two to quantify trace elements in concentrations of parts per million, and these two, in addition to EDS, can be coupled to ad hoc microscopes to obtain the distribution of chemical elements and mapping. The XPS technique allows the analysis of ionic fractions in studies of oxidation states of the elements, but the concentrations in samples must be greater than 0.1% by weight. The applications of nondestructive techniques generate complementary information to classic ones and provide fundamental knowledge. Besides, sample preparation requires less time, except when mapping is required. Its ability to run multi-analysis allows for reducing costs. In Mexico and other countries, there are research groups specialized in these techniques. Still, it is necessary to develop and implement applications to perform analyzes of biological matrices such as vegetables (seeds, leaves, and others), food, fertilizers, and soil organic matrix. More in-depth knowledge of these techniques allows the interaction of research groups and generate information for basic science studies in agronomy and food.