Un equipo de investigación de la Universidad de Sevilla ha desarrollado un método para el análisis de muestras pequeñas con imágenes hiperespectrales, que miden colores imperceptibles por el ojo humano. La técnica es más rápida y eficaz que otros sistemas utilizados para el análisis en el control agroalimentario, por ejemplo, en proteínas de semillas de uvas. Además, es extrapolable a otros sectores que requieren detectar compuestos en muestras reducidas como la medicina, la industria farmaceútica o actividades orientadas a la restauración de obras de arte, entre otras.

El nuevo método se basa en el uso de imágenes hiperespectrales que permiten ver y capturar información en muchos colores, tanto visibles como invisibles para el ojo humano, en forma de longitudes de onda. Es usado en muchas áreas, desde la monitorización de cultivos o ecosistemas, hasta la supervisión de objetos ocultos en ciencias forenses o arqueología. De esta manera, una cámara hiperespectral ofrece información a través de cientos de canales, no solo el rojo, verde y azul de una cámara convencional. Esto permite extraer muchos más datos de las muestras y relacionarlos con sus características físicas y químicas.

De izquierda a derecha los investigadores de la Universidad de Sevilla Berta Baca Bocanegra, Francisco José Rodríguez Pulido, Julio Nogales Bueno, José Miguel Hernández Hierro y Francisco José Heredia Mira, responsables del estudio.

Sin embargo, el estudio con este tipo de sistemas está limitado a objetos que no dejan traspasar la luz. En muestras pequeñas, esto no sucede y, en ocasiones, no es posible obtener grandes cantidades de un producto para analizarlo. Ahora, los investigadores presentan en el artículo ‘Use of hyperspectral imaging devices for the measurement of small granular samples: Evaluation of grape seed protein concentrates’, publicado en la revista LWT – Food Science and Technology, cómo lograr la información necesaria con tan solo una reducida cantidad de la materia que quieren estudiar, mediante el uso de una cápsula que han creado.

Así, el método desarrollado usa estas técnicas hiperespectrales para sustituir a espectroscopios convencionales, unos dispositivos que necesitan una mayor cantidad de muestra para proporcionar unas medidas adecuadas. Los expertos han diseñado también un tubo de ensayo que logra dar la profundidad necesaria e impedir que la luz la traspase, por lo que solo es necesaria una pequeña cantidad de materia para analizarla. “Podemos compararlo a cuando pones un folio sobre un foco. La luz se filtra. Pero si colocamos un paquete de 100, logramos que no se vea nada. De la misma manera, la cápsula portamuestras que hemos creado consigue que la luz no penetre y que la captura de la imagen ofrezca información exacta de su composición”, indica a la Fundación Descubre el investigador de la Universidad de Sevilla Julio Nogales, autor del artículo.

La luz imperceptible que ilumina los resultados

La luz es una forma de energía que se propaga por medio de ondas electromagnéticas y puede viajar a través de diferentes medios materiales. La reflexión de esas ondas hace que la luz sea visible y se traduce, dependiendo de la composición de los objetos, en los colores del arcoiris, que van desde el violeta hasta el rojo. Sin embargo, hay tipos de luz que el ojo humano no puede alcanzar, como la infrarroja y la ultravioleta, o los rayos X y gamma. Para observarlos, se necesitan dispositivos que sí son capaces de registrarlos. Es el caso, por ejemplo, del análisis de la presencia de sangre en las investigaciones forenses con el luminol, una sustancia que activa los restos ante la presencia de luz ultravioleta.

Una imagen hiperespectral devuelve una distribución de energía concreta que determina qué tipo de compuestos están presentes en la materia que se mide.

Así, cuando se toma una imagen hiperespectral de cualquier objeto, la fotografía que devuelve es una distribución de energía concreta, que determina qué tipo de compuestos están presentes en la materia que se mide. Cada píxel ofrece información detallada sobre los elementos que la conforman. De esta manera, si se quieren encontrar trazas de cualquier compuesto, como podrían ser hormonas o proteínas en alimentos, esta técnica puede realizar el análisis de una manera sencilla y eficiente, tan solo con una imagen hiperespectral. 

Para resolver el problema de la filtración o refracción de la luz en una muestra pequeña, los expertos diseñaron una cápsula que consiste en un cono, verificando su utilidad con dos equipos hiperespectrales diferentes. Uno de ellos permite medir luz visible y una pequeña porción del espectro infrarrojo. El otro trabaja íntegramente con luz infrarroja. Así, han establecido una profundidad de 1,5 milímetros para muestras en un espectro visible, mientras que son necesarios 4,5 para poder trabajar en el infrarrojo. En el centro del cono se concentra el producto sin que haya traspaso de luz.

Los expertos han diseñado también un tubo de ensayo que logra dar la profundidad necesaria e impedir que la luz la traspase.

Los expertos han validado el método con el contenido de proteínas en semilla de uvas. De esta manera, han certificado que los resultados obtenidos son exactos y extrapolables a la determinación de la composición de cualquier otro producto o compuesto. Lo han logrado, partiendo de muestras que van, aproximadamente, desde 0,1 a 1 gramos, lo que amplía las posibilidades de aplicar esta técnica a otras áreas, como el análisis forense de drogas o de salud, entre otros. Así, continúan sus investigaciones para reafirmar los resultados obtenidos en este estudio con otros compuestos.

Los trabajos se han financiado mediante el proyecto de excelencia ‘Obtención de agentes afinantes para uso enológico a partir de orujos de uva seleccionados por métodos espectroscópicos‘ de la Consejería de Universidades, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y los proyectos ‘Funcionalidad tecnológica de péptidos antioxidantes de subproductos enológicos. Interacciones multiligando con fenoles e implicación en procesos oxidativos de envejecimiento’ y ‘Uso de nuevos bioestimulantes de residuos enológicos para prevenir los efectos del cambio climático sobre la maduración de uvas de vinificación’ del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.

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Referencias

Julio Nogales Bueno, Francisco José Rodríguez Pulido, Francisco José Heredia, José Miguel Hernández Hierro y Berta Baca Bocanegra. ‘Use of hyperspectral imaging devices for the measurement of small granular samples: Evaluation of grape seed protein concentrates’.  LWT-Food Science and Technology. 2024

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