Ana María de Juan Capdevila: la matemática oculta detrás del análisis químico moderno
Cuando un espectrómetro analiza una muestra compleja —un medicamento con varios principios activos, un suelo contaminado con metales pesados, un aceite de oliva en busca de adulteraciones— los datos en bruto que genera son matrices de miles de números que ningún ojo humano puede interpretar directamente. Hace falta una disciplina que traduzca esa avalancha numérica en información química significativa. Esa disciplina es la quimiometría, y una de sus figuras más relevantes en el ámbito internacional es Ana María de Juan Capdevila, catedrática del Departamento de Ingeniería Química y Química Analítica de la Universitat de Barcelona, cuya trayectoria científica ha contribuido de forma decisiva a convertir el análisis matemático de señales espectrales en una herramienta de uso cotidiano en laboratorios de investigación e industria de todo el mundo.
La quimiometría: cuando la química necesita las matemáticas
La química analítica del siglo XXI no se parece a la imagen que el imaginario popular tiene del laboratorio: el científico con probeta y matraces midiendo colores y precipitados. Los instrumentos analíticos modernos —espectrómetros de infrarrojo cercano, espectrómetros de masas, sistemas de cromatografía acoplados a detectores multidimensionales— generan en segundos cantidades de datos que habrían requerido semanas de trabajo manual en el laboratorio clásico. El problema no es ya la medida, sino la interpretación: ¿cómo extraer de esa marea de datos la respuesta a una pregunta química concreta?
La quimiometría es la respuesta a esa pregunta. Se trata de la disciplina que aplica métodos matemáticos y estadísticos —álgebra lineal, análisis multivariante, descomposición tensorial, inteligencia artificial— al diseño de experimentos químicos y a la extracción de información química a partir de datos instrumentales. Lejos de ser una herramienta auxiliar, la quimiometría se ha convertido en un componente nuclear del análisis moderno: sin ella, técnicas como la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR), la resonancia magnética nuclear (NMR) o la espectrometría de masas de alta resolución no podrían explotar todo su potencial analítico.
Ana María de Juan Capdevila ha dedicado su carrera a este campo, con especial atención a dos áreas que se han convertido en sus señas de identidad científica: la resolución de curvas multivariante (Multivariate Curve Resolution, MCR) y la calibración multivariante aplicada a datos espectrales. Ambas áreas abordan el mismo problema central desde perspectivas complementarias: cómo descomponer señales analíticas complejas, producidas por mezclas de compuestos o por procesos que evolucionan en el tiempo, en sus componentes individuales con significado químico.
MCR-ALS: una metodología que se ha convertido en estándar internacional
El aporte más reconocido de Ana María de Juan Capdevila a la quimiometría internacional es su trabajo en el desarrollo y la aplicación del método MCR-ALS (Multivariate Curve Resolution — Alternating Least Squares), una técnica matemática que permite descomponer datos espectrales obtenidos de mezclas o de procesos químicos en evolución en los perfiles de concentración y en los espectros puros de sus componentes, sin necesidad de información previa sobre la composición de la muestra.
El MCR-ALS resuelve uno de los problemas más fundamentales del análisis de mezclas: cuando se mide la señal espectral de una muestra que contiene varios compuestos simultáneamente, la señal observada es la superposición de las contribuciones individuales de cada componente. Separar esas contribuciones —obtener el «espectro puro» de cada compuesto y conocer cómo varía su concentración— es matemáticamente un problema mal condicionado si no se introducen restricciones físicas y químicas apropiadas. MCR-ALS resuelve el problema de manera iterativa, incorporando restricciones como la no negatividad de las concentraciones o de las señales espectrales, la unimodalidad de los perfiles cromatográficos o el cierre de masa de los sistemas reactivos.
El software MCR-ALS desarrollado por el grupo de De Juan Capdevila en la Universitat de Barcelona —disponible gratuitamente para la comunidad científica y con millares de descargas en todo el mundo— se ha convertido en una herramienta de referencia utilizada en laboratorios de más de cincuenta países. Su aplicación abarca desde la monitorización de reacciones químicas en tiempo real hasta el análisis de imágenes hiperespectrales de tejidos biológicos, desde el control de calidad de fármacos hasta el estudio de la degradación de obras de arte.
Espectroscopía e imágenes hiperespectrales
Una de las aplicaciones más fascinantes de la quimiometría moderna, y una de las líneas de investigación más activas de Ana María de Juan Capdevila, es el análisis de imágenes hiperespectrales. Una imagen hiperespectral es una imagen en la que cada píxel contiene no un solo valor de intensidad luminosa sino un espectro completo —puede ser infrarrojo, Raman, de fluorescencia o de cualquier otra técnica espectroscópica—. El resultado es un cubo de datos tridimensional: dos dimensiones espaciales y una dimensión espectral que puede contener cientos o miles de variables por píxel.
Las imágenes hiperespectrales tienen aplicaciones extraordinarias en medicina —análisis de tejidos tumorales, distribución de fármacos en células—, en farmacia —mapeo de la distribución de principios activos en comprimidos—, en restauración artística —identificación de pigmentos y barnices en obras de arte— y en alimentación —detección de adulteraciones y control de calidad de productos—. Sin embargo, su análisis plantea retos matemáticos mayúsculos: un solo experimento puede generar matrices de millones de espectros que no pueden procesarse manualmente.
El grupo de Ana María de Juan Capdevila ha desarrollado y adaptado métodos quimiométricos específicamente diseñados para el análisis de imágenes hiperespectrales, permitiendo extraer información espacial y química simultáneamente de forma automatizada. Este trabajo ha tenido aplicaciones directas en proyectos de conservación del patrimonio cultural —análisis de pinturas medievales y manuscritos iluminados— y en proyectos biomédicos de caracterización de tejidos.
Calibración multivariante y modelos de predicción
La segunda gran línea de investigación de Ana María de Juan Capdevila es la calibración multivariante: el desarrollo de modelos matemáticos que permiten predecir propiedades químicas o físicas de una muestra a partir de su señal espectral, sin necesidad de análisis químico destructivo. Esta es la base de la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) aplicada al control de calidad industrial, una de las técnicas analíticas más ampliamente usadas en la industria alimentaria, farmacéutica y petroquímica.
En calibración multivariante, el desafío no es solo construir un modelo que prediga correctamente en las muestras de calibración, sino asegurarse de que el modelo sea robusto, transferible y válido para nuevas muestras analizadas en condiciones distintas —diferente instrumento, diferente temperatura, diferente lote de muestras—. De Juan Capdevila ha trabajado en metodologías de diagnóstico y mejora de la transferibilidad de modelos espectrales, un problema de enorme relevancia práctica en la industria, donde los modelos NIR deben funcionar con fiabilidad en entornos de producción variables.
Trayectoria académica y reconocimiento internacional
Ana María de Juan Capdevila desarrolla su actividad investigadora y docente en el Departamento de Ingeniería Química y Química Analítica de la Universitat de Barcelona, donde es catedrática desde que alcanzó esa categoría. Su grupo de investigación, especializado en quimiometría analítica, ha formado a numerosos doctores que se han incorporado a instituciones académicas e industriales de España y del extranjero, extendiendo así la influencia de la escuela quimiométrica barcelonesa a escala internacional.
Su posición en la comunidad científica internacional queda reflejada en indicadores objetivos: sus publicaciones acumulan miles de citas en bases de datos internacionales, sus índices bibliométricos la sitúan entre los investigadores españoles más citados en el campo de la química analítica, y sus artículos han aparecido en las revistas de mayor impacto de la disciplina —Analytica Chimica Acta, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, TrAC Trends in Analytical Chemistry, Analytical Chemistry— durante más de dos décadas.
Ha sido invitada a impartir conferencias plenarias y seminarios en los principales congresos internacionales de quimiometría y química analítica, incluyendo los Chemometrics in Analytical Chemistry (CAC), los Colloquium Spectroscopicum Internationale y los congresos de la división de química analítica de la European Chemical Society. Su participación en comités científicos y editoriales de revistas especializadas complementa su papel como formadora de opinión dentro de la comunidad quimiométrica internacional.
Colaboraciones internacionales y proyectos europeos
La investigación de Ana María de Juan Capdevila se ha desarrollado en un contexto de colaboraciones internacionales intensas. Ha mantenido vínculos de trabajo continuados con grupos de investigación de Bélgica, Países Bajos, Italia, Argentina, Brasil y Estados Unidos, entre otros. Estas colaboraciones no son meramente nominales —intercambios de artículos en coautoría— sino que han dado lugar a estancias de investigación, proyectos conjuntos con financiación europea e internacional, y la creación de redes científicas duraderas.
Ha participado en proyectos financiados por el Programa Marco europeo y por agencias nacionales de financiación de la investigación, tanto como investigadora principal como en equipos colaboradores. Sus proyectos han abordado aplicaciones que van desde el análisis de alimentos hasta el control de procesos industriales, desde la caracterización de materiales del patrimonio cultural hasta el análisis biomédico de imágenes de tejidos.
Su papel en redes internacionales como el Grupo de Quimiometría y Técnicas Qualimétricas de la Real Sociedad Española de Química (RSEQ) y su participación en iniciativas europeas de estandarización de métodos analíticos ilustran una dimensión menos visible pero igualmente importante de su trayectoria: la construcción de comunidad científica y la transferencia de conocimiento metodológico más allá del laboratorio.
Formación y docencia: una escuela quimiométrica en Barcelona
La labor docente de Ana María de Juan Capdevila abarca la enseñanza de química analítica y quimiometría en los grados y másteres de la Universitat de Barcelona, así como la dirección de tesis doctorales que han producido investigadores capaces de aplicar y extender los métodos quimiométricos en entornos académicos e industriales. La formación de jóvenes investigadores en una disciplina tan especializada como la quimiometría es en sí misma una contribución de largo plazo: cada doctora o doctor que sale del grupo lleva consigo un conjunto de herramientas metodológicas y una visión del análisis químico que difunde en su institución de destino.
Ha impartido cursos y talleres de quimiometría —especialmente de MCR y calibración multivariante— en universidades y centros de investigación de Europa y América Latina, contribuyendo a la formación de investigadores en países donde la disciplina tiene menor arraigo histórico. Esta labor docente internacional es una extensión natural de la vocación formadora que caracteriza a los grandes grupos de investigación universitaria.
El legado de una disciplina en construcción
La quimiometría es una disciplina relativamente joven —sus bases matemáticas se consolidaron en los años setenta del siglo XX— y sigue evolucionando rápidamente con la incorporación de métodos de inteligencia artificial, aprendizaje profundo y análisis de datos masivos. En este contexto de cambio acelerado, la contribución de Ana María de Juan Capdevila representa algo más que un conjunto de publicaciones y metodologías: representa una forma de pensar el análisis químico que integra el rigor matemático con la comprensión profunda de la química subyacente.
Su insistencia en que los modelos matemáticos deben tener sentido químico —que los componentes matemáticos de una descomposición MCR deben corresponder a especies químicas reales con espectros físicamente interpretables— ha contribuido a mantener la quimiometría anclada en la realidad del laboratorio analítico, evitando la deriva hacia modelos «caja negra» cuya utilidad práctica resulta limitada. Esa tensión creativa entre la potencia matemática y la credibilidad química es, quizá, la aportación más duradera de su trabajo a la disciplina que ha hecho suya a lo largo de décadas de investigación.