Sobre espectros de dopaje que rondan los Juegos Olímpicos de Río2016

Estamos por iniciar uno de los eventos más emocionantes y esperados por la humanidad, Los Juegos Olímpicos, y antes de su arranque el tema del dopaje es protagonista. El escándalo que ha salpicado a la delegación rusa, causándole la eliminación automática de más de la cuerta parte de su delegación, hace prometer que este será un punto de discusión en las actuales contiendas. Es lamentable ver cómo los iconos del trabajo duro y la disciplina flaquean por el reconocimiento y el dinero, mostrando en muchos casos el triste estado de nuestra sociedad. Para empeorar la situación la búsqueda de claridad en las contiendas implica entre otras el empeño de materiales, equipo y gente que podrían estar realizando contribuciones relevantes a la humanidad.

article-2215727-15711b70000005dc-899_634x470

Tal vez el caso más famoso de dopaje. Lance Armstrong quien confesara luego de ser acusado en 2013. El dopaje sistemático en su equipo muestra lo difícil que aveces es revelar este tipo de tretas.

14690569079523

Para poner a punto el laboratorio de la Universidad Federal de Río de Janeiro y lograr la certificación necesaria para los juego Olímpicos fueron invertidos en  60 millones de dolares.

La ciencia tristemente entra en las dos caras de la moneda: Por un lado la búsqueda del superhumano ayudado por agentes externos mueve equipos enteros de científicos con motivaciones tal vez no muy sanas. Estos, a la hora de hacer fraude en competencias deben, además, ser capaces de lograr ayudas lo suficientemente imperceptibles para no ser detectadas por las pruebas anti dopaje; Por el otro lado también hay científicos trabajando en sistemas que permitan revelar fraudes con mayor precisión, aunque en este caso el resultado es sólo uno de las muchas aplicaciones que la técnica puede tener.

maradona-enfermera

Diego Maradona el mundial de fútbol de 1994 momentos antes de que le fuera tomada la muestra que revelaría la presencia de cinco sustancias prohibidas en su orina.

madscientist

 

Mientras la toma de muestras de orina y sangre para las pruebas son bien conocidas por todos, el procedimiento de revelación y análisis posterior es algo que en general ignoramos. En esta entrada trataré de dar un pequeño sabor de cómo trabajan los reveladores de dopaje para los juegos  Olímpicos de Río de Janeiro, siendo una oportunidad más para descubrir un poco de ciencia. Para esto debemos primero hablar de Espectros… sí espectros.

Espectros que no son fantasmas

La detección de agentes de dopaje se realiza a través de espectros.  La palabra espectro tiene básicamente dos significados en el español donde la más conocida es la de fantasma. Sin embargo, también así se llama al conjunto de distintas posibilidades que un fenómeno o situación puede tener. Por ejemplo el espectro de edades en un salón de clase usualmente barre un periodo de alrededor de dos años, y ese espectro cambia de curso en curso. Así para el último año de escuela el espectro estará entre los 16 y los 17 años, mientras que para el primero de la básica estará entre los 6 y los 7 años. Para la escuela entera el espectro se amplia a todo el rango desde los 6 a los 17. De modo que una persona puede, conociendo la edad de un niño, saber más o menos su curso. Esto último es lo que denominamos un filtro, que se encarga de escoger sólo un rango en el espectro de tal forma que los valores que caen dentro del rango permitido por el filtro corresponden a un curso dado. Este es precisamente el truco que vamos a utilizar con el dopaje aunque no con edades sino con distancias y radios de giro como ya veremos.

A la palabra espectro los científicos le hemos dado una particularidad extra pues no solo nos interesa cuales son las posibilidades sino además cual es la recurrencia de cada una. Así por ejemplo sabemos que en el último año pueden haber niños que por una u otra razón llegaron con menos edad, por ejemplo 14 o 15 años, lo que ampliaría el espectro, sin embargo, estos casos son menos frecuentes que los de 16 y 17 años. En forma más precisa las edades más frecuentes son 16 y 17, una información valiosa si queremos saber más sobre el espectro. En efecto con esta información podemos, por ejemplo, distinguir mejor el último curso del penúltimo. En ambos casos su espectro cubre las edades de 15 a 17, pero en el penúltimo curso la edad 15 es mucho más frecuente.

Para un científico un espectro entonces son las posibilidades de una medida junto con la probabilidad, o frecuencia, que cada una de estas tenga. En términos estadísticos esto es lo que se denomina histograma, tan famoso en época de elecciones.

H-Histo1_clase350

En un curso de fotografía se han arreglado los participantes por sus edades en intervalos de 10 años. Casi la tercera parte de las personas tienen entre 30 y 39 años. El 72 por ciento de los participantes tiene entre 20 y 49 años.

Existen gran variedad de espectros y cada uno a la vez tiene un gran abanico de aplicaciones prácticas y científicas. El espectro que hoy no atañe es el de masas en una muestra dada, por ejemplo de orina o sangre.

El espectrómetro de masas

El aparato con que se obtiene un espectro es denominado espectrómetro o espectroscopio, aunque este último usualmente se restringe a los espectros concernientes a la radiación electromagnética como la luz visible. Para el análisis de pruebas para dopaje se utiliza el espectrómetro de masas que distingue partículas o moléculas por su masa, o mas precisamente por el valor dado de la razón masa carga eléctrica m/q, y se aprovecha el hecho que la masa prácticamente identifica cada molécula y elemento conocido. La técnica tiene variantes con distintos detalles dependiendo de la aplicación especifica  pero el punto general es la utilización de la interacción de las moléculas con un campo electromagnético donde el más usual el uno magnético, caso que expongo ahora brevemente.

En ausencia de campos eléctricos una partícula con carga q interactua con el campo magnético experimentando una fuerza, fuerza de Lorentz, dada por:

\vec F=\frac{1}{c}q \vec v \times \vec B,

donde c es la velocidad de la luz en el vacío y \vec v es la correspondiente de la partícula. El producto “\times” es una operación entre los vectores \vec v y \vec B que indica que la fuerza que la partícula experimenta es perpendicular a ambos. De la famosa segunda ley de Newton, \vec F=m \vec a, vemos entonces que la aceleración \vec a, que es el cambio en el tiempo de la velocidad, es perpendicular a la velocidad. Se concluye, entonces, que la magnitud de la velocidad no puede cambiar, pues esto indicaría una aceleración en la dirección de la velocidad, y los cambios de velocidad se evidencian sólo en un cambio en su dirección. Suponiendo que \vec B no cambia en el tiempo tenemos que la magnitud de la aceleración también permanece constante en el tiempo. Tenemos entonces un movimiento donde la rapidez (magnitud de la velocidad) es constante y el cambio de su dirección, dado por la aceleración, también es constante en el tiempo. Este es precisamente el movimiento que experimenta una partícula en una trayectoria circular con rapidez constante así que concluimos que las partículas se mueven en círculos.

chap1_freebody1

Una fuerza de magnitud constante siempre perpendicular a la velocidad causa un movimiento circular uniforme.

Podemos saber el radio del círculo para la trayectoria utilizando la expresión para la aceleración centrípeta como ya lo hiciéramos antes en nuestra cita con Sandra Bullock . Con a_c=v^2/r tenemos de la segunda ley que

m\frac{v^2}{r}=\frac{1}{c}q v B,

de modo que

v=\frac{q}{m} \frac{r B}{c}.

En realidad la velocidad de cada partícula depende de la masa pues cuando son aceleradas antes de entrar al espectrómetro su aceleración es inversa a su masa, nuevamente por la segunda ley de Newton. La aceleración se realiza por medio de un voltaje V que brinda a las partículas una velocidad dada por:

v^2=2\frac{q }{m}V.

Finalmente tenemos entonces

\frac{q}{m} =\frac{2 V c^2}{B^2}\frac{1}{r^2},

Ya que todas las moléculas experimentan el mismo voltaje y campo magnéticos, con c una constante universal, tenemos una relación uno a uno entre la razón q/m y el radio de la trayectoria. Usualmente para aplicaciones de análisis de muestras las moléculas se bombardean con electrones de modo que algunos son atrapados por estas que quedan ionizadas. En general sólo toman un electrón lo que indica que la carga de las moléculas también es la misma para todas e igual a la carga del electrón y los radios de las trayectorias quedan determinadas exclusivamente por la masa de las partículas.

 

Las trayectorias de las dependen de su masa. Las partículas más masivas tienen radios de giro mayores, lo que permite distinguir las distintas partículas por su posición en el detector.

Así, como hiciéramos con los niños y sus cursos escogiendo un rango de edades para evidenciar el curso correspondiente, si queremos conocer la masa de las partículas involucradas debemos escoger un rango de radios (distancias). El detector se encarga de evidenciar la localización de cada partícula y por tanto su masa, mientras un contador graba la recurrencia de cada dato. El resultado entonces se puede graficar haciendo un histograma que nos muestra un espectro de masas como este.

mass smoker

Espectro de masas para una muestra de piel de un fumador regular luego de consumir café. Se revela la presencia de Nicotina (m/z 163) y cafeína (m/z 195). Tomado de link.

Un caso más complejo es el del espectro del viento solar tomado por la sonda SOHO .

soho mass sun

En el espectro de masas del viento solar se revelan elementos como Oxigeno (masa 16), SIlicio (masa 28), Calcio (masa 40) y Hierro (masa 56). Tomado de link.

En los anteriores el análisis se realiza comparando calibraciones previas que permiten revelar la presencia de elementos según los picos observados. Dicho esto se tienen dos características que hacen más práctico un espectrómetro: su sensibilidad, que permite detectar elementos muy poco abundantes, y su resolución, que permite distinguir picos causados por dos partículas de masa similar. En el mundo de la trampa por dopaje se busca siempre lograr que la abundancia de los elementos prohibidos en la sangre y orina, sea inferior a los que pueden ser detectados. De no ser posible esto entonces se trata de camuflar estos elementos de modo que no puedan ser distinguidos de los permitidos, aprovechando que las sustancias organicas en general tienen masas muy similares. Por fortuna, los avances tecnológicos también logran mejorar las técnicas cada Olimpiada, así por ejemplo se cuentan por decenas los casos de muestras archivadas que en años pasados pasaron las pruebas sin problema y ahora se observan dopadas. La resolución del espectrómetro está dada por la distancia mínima entre picos que se pueden diferenciar, y para dos masas la distancia entre picos está dada por:

r_1^2-r^2_2=\frac{2cV}{qB^2 }(M_2-M_1).

Para aumentar esta diferencia podemos o bien disminuir el campo magnético B, lo que implicaría trayectorias más amplias y por tanto un equipo más grande, o aumentar el voltaje V. Cuando se llega a el límite práctico de esta simple complementación se opta entonces por combinar distintas fases de medición, por ejemplo rompiendo las moléculas luego de la primera fase de medición de modo que es posible revelar su estructura interna. Todos estos y más serán implementados en el laboratorio de la Universidad Federal de Río de Janeiro en la actual versión de los Olímpicos, donde serán analizados más de 6000 muestras de sangre y orina durante las justas, implementando un espectrómetro tipo cuadrupolar.

En este caso la situación en ligeramente distinta pero nuevamente es la interacción entre las cargas y el campo lo que divide espacialmente las partículas según su masa,

Nunca antes se había logrado un nivel de detección como el que se tiene ahora, por lo que no sería de extrañar el aumento de los deportistas hallados en la trampa, aunque todos esperamos que luego de la situación con Rusia este no sea el caso. Por el contrario, ojalá en estos Olímpicos los protagonistas sean sólo los deportistas, que con su trabajo diario, arduo  y apasionado nos motivan a todos a buscar el máximo nivel en cada cosa que hacemos.

Nos estamos leyendo.

Debo agradecer la atenta lectura, correcciones y sugerencias de Daniel Gallego del Institudo Catalán de Investigaciones Químicas.

Para tener más detalles sobre las técnicas utilizadas en el equipo anti dopaje de Rio2016 mira este artículo.

Aquí puedes encontrar una introducción técnica sobre las trampas cuadrupolares de los espectrómetros.

Un espectrómetro con resolución similar, el Orbitrap, que utiliza información sobre la rapidez de los giros para obtener la misma información.

Una idea de los difícil que aun es detectar la mayoría de agentes prohibidos nos la dan las cifras de este artículo de Scientific American.

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s