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Aplicacion-de-tecnicas-nucleares-para-la-determinacion-de-elementos-traza-en-aerosoles--biomonitores-vs -filtros

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA 
DE MÉXICO 
 
 
 
 
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN CIENCIAS QUÍMICAS 
 
 
 
 
 
 
APLICACIÓN DE TÉCNICAS NUCLEARES PARA LA DETERMINACIÓN 
DE ELEMENTOS TRAZA EN AEROSOLES: 
BIOMONITORES VS. FILTROS 
 
 
 
 
TESIS 
PARA OPTAR POR EL GRADO DE 
 
DOCTOR EN CIENCIAS 
 
 
PRESENTA 
 
MIGUEL ÁNGEL MARTÍNEZ CARRILLO 
 
 
 
 
 
 
TUTORA: DRA. CORINA SOLÍS ROSALES 
 
 2011 
 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
DERECHOS RESERVADOS © 
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL 
 
Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal 
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 
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objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para 
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo 
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Debo reconocer el apoyo que me otorgaron todos los que de alguna u otra forma 
colaboraron en la elaboración de esta tesis, esos compañeros de viaje que procedieron tan 
generosamente. Agradezco a: 
 
la Dra. Corina Solís Rosales, la jefa, por todo el trabajo, tiempo y empeño que volcó en este 
proyecto. Bajo su notabilísimo influjo, he imaginado esta tesis, escrita ya y que de algún 
modo me justifica. Faltan pormenores, rectificaciones, ajustes; hay partes que no me han 
sido reveladas aún; hoy la vislumbro tal y como la presento. 
 
la Dra. Keila Isaak-Olivé, la Dra. Elba Ortiz Romero-Vargas, Dr. Carlos A. Lucho, y el Dr. 
Javier Miranda, por su valiosa contribución al diseño y ejecución del proyecto de 
investigación. 
 
Karim López y Francisco Jaimes por la ayuda con los análisis PIXE en el Pelletron del 
IFUNAM; Fís. Belem Méndez y al Dr. Ghiraldo Murillo por la asistencia con los análisis 
PIXE en el ININ. 
 
Dr. Carlos Longoria, a la M. en C. Carmen López por su contribución con los análisis con 
activación neutrónica en el reactor Triga-Mark III del ININ. Así como a Juan Vidal Molina 
de Axa y Sabino Hernández Cortés del ININ. 
 
Q.F.B Josefina Tenopala, la Dra. Josefina de Gyves y Rosa María Viñas, verdaderas 
desfacedoras de entuertos, por su valiosísimo respaldo y ayuda desinteresada. 
 
la Dra. Alicia Negrón, la Dra. Guillermina Burillo, Isabel Gamboa de Buen y el Dr. Juan 
Manuel Navarrete por sus valiosas comentarios durante la revisión de la tesis. 
 
CONACyT por asistirme con una beca completa (No. de registro 80527) y servicios 
médicos durante mis estudios de doctorado. 
 
al Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM) y al Instituto Nacional de Investigaciones 
Nucleares (ININ) por todos los recursos y facilidades que me prestaron para la realización 
de los análisis e investigación. 
 
a la DGAPA por su apoyo a través los proyectos IN219609 e IN112609. 
 
y finalmente a CONACyT por los recursos otorgados a los proyectos de Ciencias Básicas 
2007- 280281 y 2008-106559. 
 
 
JURADO ASIGNADO 
 
 
 
Presidente Dra. Alicia Negrón Mendoza 
Vocal Dra. Sofía Guillermina Burillo Amezcua 
Vocal Dr. Juan Manuel Navarrete Tejero 
Vocal Dr. Javier Miranda Martín del Campo 
Secretario Dra. María Isabel Gamboa de Buen 
 
 
 
 
 
 Lugar donde se realizó el trabajo de investigación: 
Laboratorio de preparación de muestras, Departamento de Física 
Experimental, Instituto de Física, UNAM 
 
 
 
 
 
 
 
Tutora Sustentante 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La dedicatoria es el modo más grato y más sensible de pronunciar un nombre: 
Ana M. Sosa. 
R 
 
CONTENIDO 
RESUMEN/ABSTRACT 
INTRODUCCIÓN 1 
1. ANTECEDENTES 2 
 1.1 AEROSOLES 4 
 1.1.2 COMPOSICIÓN DE AEROSOLES 7 
 1.1.3 IMPACTO DE LOS AEROSOLES EN LA SALUD 8 
 1.1.4 AEROSOLES INORGÁNICOS 10 
 1.2 MUESTREO DE AEROSOLES 11 
 1.2.1 MÉTODOS DE MUESTREO ESTANDARIZADOS 12 
 1.2.2 MÉTODOS DE MUESTREO ALTERNATIVOS: BIOMONITORES 13 
 1.3 ESTRATEGIAS PARA LA GESTIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE 15 
 1.4 ZONA DE ESTUDIO: LA REGIÓN TULA-TEPEJI 19 
 1.4.1 DATOS AMBIENTALES DE TULA-TEPEJI 20 
 REFERENCIAS 24 
2. OBJETIVOS Y ALCANCES 26 
 OBJETIVO GENERAL 27 
 OBJETIVOS PARTICULARES 27 
 ALCANCES 28 
 HIPÓTESIS 28 
3. TÉCNICAS ANALÍTICAS 29 
 3.1 JUSTIFICACIÓN 30 
 3.2 PIXE 31 
 3.2.1 PRINCIPIOS 32 
 3.2.2 INSTRUMENTACIÓN 37 
 3.2.3 CÁMARA AL VACÍO 40 
 3.2.4 DETECTORES DE RAYOS X 42 
 3.2.5 EXACTITUD, PRECISIÓN Y LÍMITES DE DETECCIÓN 42 
 
 
 
 
R 
 
CONTENIDO (CONT.) 
 3.3 ANÁLISIS POR ACTIVACIÓN NEUTRÓNICA 43 
 3.3.1 PRINCIPIOS 44 
 3.3.2 EQUIPO DE IRRADIACIÓN 47 
 3.3.3 CUANTIFICACIÓN 47 
 3.3.4 MÉTODO ABSOLUTO 48 
 3.3.5 MÉTODO RELATIVO 49 
 3.3.6 MÉTODO K0 49 
 3.3.7 SISTEMA DE DETECCIÓN Y CONTEO 51 
 3.3.8 INFLUENCIA DE LA MATRIZ 52 
 3.3.9 EXACTITUD, PRECISIÓN Y LÍMITES DE DETECCIÓN 52 
 3.4 SEM-EPMA 53 
 3.4.1 PRINCIPIOS 54 
 3.4.2 INSTRUMENTACIÓN 55 
 3.4.3 EPMA 57 
 3.4.4 DETECTORES 58 
 3.4.5 LIMITACIONES 58 
 REFERENCIAS 60 
4. METODOLOGÍA 61 
 4.1 ZONA DE MUESTREO: TULA-TEPEJI 62 
 4.2 FILTROS 63 
 4.2.1 MUESTREO 63 
 4.2.2 ANÁLISIS SEM-EPMA 65 
 4.2.3 ANÁLISIS PIXE 65 
 4.3 BIOMONITORES 66 
 4.3.1 MUESTREO 67 
 4.3.2 PREPARACIÓN DE BIOMONITORES 68 
 4.3.3 ANÁLISIS SEM-EDS 69 
 4.3.4 ANÁLISIS PIXE 69 
 4.3.5 ANÁLISIS AAN 70 
 REFERENCIAS 71 
 
 
 
 
 
 
R 
 
CONTENIDO (CONT.) 
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 72 
 5.1 FILTROS 73 
 5.1.1 ANÁLISIS SEM-EPMA 73 
 5.1.2 ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO 76 
 5.1.3 PIXE 79 
 5.1.4 DISTRIBUCIÓN TEMPORAL 79 
 5.1.5 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL 82 
 5.1.6 FACTORES DE ENRIQUECIMIENTO 83 
 5.1.7 ANÁLISIS POR COMPONENTES PRINCIPALES 85 
 5.2 BIOMONITORES 95 
 5.2.1 ANÁLISIS SEM-EPMA 96 
 5.2.2 ANÁLISIS PIXE 100 
 5.2.3 FACTORES DE ACUMULACIÓN RELATIVA 106 
 5.2.4 ANÁLISIS POR ACTIVACIÓN NEUTRÓNICA 112 
 5.2.5 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL 115 
 5.2.5 FACTORES DE ACUMULACIÓN RELATIVA 116 
 REFERENCIAS 123 
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 125 
ANEXOS i 
 Revista Mexicana de Física 2010, 56, 62-66. ii 
 Microchemical Journal 2010, 94, 48-52. vii 
 Microchemical Journal 2010, 96, 386-390. xii 
 Revista Mexicana de Física 2011, 57, 75-79. xvii 
PRESENTACIONES EN CONGRESOS xxii 
ÍNDICE DE FIGURAS I-1 
ÍNDICE DE TABLAS I-3 
 
R 
 
RESUMEN 
El propósito general de esta investigación es aplicar las técnicas nucleares de análisis 
emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE) y activación neutrónica (AAN) al 
análisis elemental de aerosoles atmosféricos captados por filtros y biomonitores en el 
corredor industrial Tula-Tepeji, una de las zonas más contaminadas de México. La 
evaluación e interpretación de los datos analíticos de filtros y biomonitores mediante 
modelos de receptor o métodos de trazas permite identificar fuentes de emisión. 
Se muestra que la respuesta del biomonitor Tillandsia usneoides al gradiente de 
concentración de contaminantes en el aire de la región de estudio se corresponde, a nivel 
cualitativo con los del monitoreo estandarizado con filtros. La comparación entre ambos 
métodos de monitoreo comprueba la utilidad y alcance del uso de éste biomonitor para la 
estimación de las concentraciones elementales del material particulado suspendido en la 
atmósfera de Tula-Tepeji y la detección e identificación de fuentes emisoras. 
ABSTRACT 
The aim of this research is to apply the nuclear techniques Particle-induced X-ray 
emission (PIXE) and Neutron Activation Analysis (NAA) to the elemental analysis of 
atmospheric aerosols collected on filters and biomonitors at the Tula-Tepeji industrial 
corridor, one of the most polluted areas of Mexico. The evaluation and interpretation of 
analyticaldata obtained from filters and biomonitors through receptor model or trace 
method allow emission sources identification. 
It is shown that the T. usneoides biomonitor response to the gradient concentration of 
pollutants on the air of the region studied corresponds, at the qualitative level, with those 
of the standardized monitoring with filters. Comparison between both monitoring methods 
evidences usefulness and scope of the application of this biomonitor to estimate elemental 
concentrations of particulate matter suspended in the atmosphere of Tula-Tepeji and 
detection and identification of emission sources. 
 
R 
 
INTRODUCCIÓN 
La invención y el descubrimiento científico y tecnológico han impulsado la 
industrialización de las actividades destinadas a satisfacer las necesidades humanas. Pero 
un efecto no previsto de dicha industrialización ha sido la degradación del ambiente y su 
capacidad para regenerarse. 
La contaminación atmosférica, es uno de los problemas ambientales más graves y quizá, 
de mayor impacto a nivel global cuya complejidad proviene de las características del 
medio y la naturaleza diversa de las sustancias contaminantes, uno de los retos de la 
química atmosférica. 
En este contexto, las técnicas nucleares han resultado una herramienta muy útil para el 
análisis de material particulado suspendido en el aire, que es uno de los contaminantes 
atmosféricos de mayor complejidad. Estas técnicas son multielementales, de gran 
sensibilidad, rapidez y no son destructivas. Aunque una de sus limitantes es son atómicas 
y sólo permiten cuantificar elementos totales. 
En este trabajo emprendemos el estudio del material particulado suspendido en el aire de 
Tula-Tepeji, una de las zonas más contaminadas de México, a través del análisis elemental 
con técnicas nucleares. Uno de nuestros objetivos es aportar información sobre las 
características de los aerosoles en una región sobre la que existen pocos estudios similares. 
Además de la caracterización elemental de los aerosoles se analiza el experimento 
consistente en el muestreo de material particulado con un biomonitor vegetal. La 
aplicación de las técnicas nucleares además de cuantificar los contaminantes en la planta, 
proporciona información sobre su capacidad para responder a un ambiente con diferentes 
gradientes de concentración de contaminantes. 
Los resultados y discusión sobre los muestreos estandarizados y con biomonitores y la 
interpretación de los datos analíticos para la identificación de fuentes emisoras nos 
permiten señalar las ventajas del uso del biomonitoreo en estudios ambientales basados en 
modelos de receptores en Tula-Tepeji. 
R 
 2 
 1. ANTECEDENTES 
Uno de los desafíos más grandes que enfrenta la humanidad es la preservación de las 
condiciones que hacen habitable a la Tierra. La creciente industrialización de las 
actividades humanas en pos de un mayor bienestar material ha puesto en riesgo la 
capacidad de renovación y recuperación del ambiente, comprometiendo la calidad del 
agua, del suelo y del aire. Y aunque estas alteraciones ocurren principalmente en grandes 
zonas urbanas existe la amenaza de que se extiendan a todo el planeta. 
La movilidad de sustancias extrañas en el agua y en el suelo es limitada así que su 
deterioro ocurre con relativa lentitud y a nivel más bien local. Pero en el aire, fenómenos 
como el agujero en la capa de ozono y el cambio climático han ocurrido en tiempos cortos 
y a escala global. La atmósfera es una capa relativamente delgada (alrededor de 100 km), 
en la que más de la mitad de su masa se concentra en los primeros seis kilómetros y el 
75% en los primeros once. Sus características han hecho posible la vida en la Tierra; pero 
se cree que el impacto de la antropósfera sobre ella tiene el potencial de cambiar 
drásticamente no solamente su naturaleza, sino la de toda la Tierra1. 
 
1 El Dr. Paul J. Crutzen (Department of Atmospheric Chemistry, Max Planck Institute), ha predicho que el impacto de la 
antropósfera sobre la atmósfera puede ser tan grande que conseguiría marcar el inicio de una nueva Época geológica: el 
Antropoceno que daría fin al Holoceno actual. 
R 
 3 
Lejos de ser un sistema cerrado y estático, la atmósfera intercambia continuamente gran 
cantidad de sustancias y energía. Y a pesar de que muchos de sus componentes sufren 
reacciones químicas y fotoquímicas el resultado es una mezcla cuya composición se ha 
mantenido más o menos constante desde el inicio de la Etapa biológica hace unos 1500 
millones de años debido a que los organismos fotosintéticos mantienen un balance 
positivo de oxígeno generado contra oxígeno consumido. 
Sin embargo, la actividad del hombre está modificando la composición de la atmósfera 
con la emisión de sustancias contaminantes. Se cree que el cambio puede ser tan drástico 
como el ocurrido con la aparición de los primeros organismos fotosintéticos. 
Los contaminantes atmosféricos son todas aquellas especies capaces de alterar y deteriorar 
la composición de la atmósfera, con efectos negativos medibles sobre el ambiente y la 
salud. En el caso de los contaminantes químicos se trata de sustancias presentes en 
diferentes estados de agregación: gases inorgánicos, vapores orgánicos y material 
particulado o aerosoles. 
Considerando sólo el caso de los aerosoles, su efecto más notorio es la reducción y 
distorsión de la visibilidad. No es el único: intervienen en los procesos de formación de 
nubes y precipitaciones [1]; el balance radiativo de la Tierra [2] y la salud de la población 
[3], entre otros. Por razones obvias, el efecto sobre la salud es el tema más sensible y de 
mayor interés. 
Pese a conocerse estos y muchos otros efectos de los aerosoles, se desconocen los 
mecanismos exactos responsables de ellos. Los aerosoles, a diferencia de la mayoría de los 
contaminantes químicos, no son una especie química simple, son mezclas de partículas 
con orígenes, tamaños y composición diferente. Existen indicios de que la composición 
química de los aerosoles desempeña un papel importante en todos estos fenómenos. 
Este primer capítulo tiene como propósito hacer un planteamiento general del problema de 
los aerosoles, sus métodos de muestreo, una breve descripción de los modelos de 
dispersión y de receptor así como la situación ambiental de la zona Tula-Tepeji, como 
caso de estudio. Al final se hace un planteamiento del trabajo objeto de esta tesis. 
R 
 4 
1.1 AEROSOLES 
Los aerosoles2 atmosféricos son el resultado de la suspensión de material sólido 
particulado en la atmósfera baja, la troposfera, con tamaños de partícula de entre 1x10-2 
µm y 10 µm. El tamaño de las partículas de los aerosoles está gobernado por los procesos 
físicos o químicos que les dieron origen y se expresa en términos del diámetro 
aerodinámico3. Estas partículas sólidas ingresan a la troposfera a través de dos vías: 
Inyección directa de partículas a través de procesos como la combustión de 
biomasa, de hidrocarburos fósiles, polvo generado en minas a cielo abierto, obras 
de construcción, remoción de tierra, de cuerpos de agua o vegetación, erupciones 
volcánicas, pulverización de aguas marinas y el polvo cósmico que ingresa a la 
Tierra. Todo este material sólido se clasifica como aerosoles primarios. 
A través de la conversión gas-partícula de especies químicas en fase gas o vapor 
emitidas a la atmósfera, capaces de generar compuestos menos volátiles que a su 
vez forman nuevas partículas. O bien a través de la condensación en la superficie 
de partículas ya existentes mediante reacciones químicas o fotoquímicas; los 
corpúsculos sólidos formadas a través de este mecanismo se conocen como 
aerosoles secundarios. 
El segundo proceso de formación de aerosoles es el responsable de que las partículas de 
los aerosoles pueden cambiar de tamaño y composición. La influenciao impacto que 
puede causar un aerosol local, regional o globalmente en el ambiente depende del tiempo 
de permanencia en la atmósfera y su movilidad en ella, esto es, de su diámetro y la 
distancia que puede desplazarse desde su fuente de origen. 
 
2 El término aerosol atmosférico describe las dispersiones líquido/gas y sólido/gas en la atmósfera, con tamaños de 
partícula de la fase dispersa de entre 10 nm y 200 nm. Sin embargo, su uso en ciencias de la atmósfera se limita a los 
sistemas sólido/gas. 
 
3 Como la mayoría de las partículas tienen formas irregulares, es difícil establecer su diámetro exacto. Es por eso que se 
ha definido el diámetro aerodinámico como el diámetro de una esfera perfecta de densidad unitaria (1g/cc) que exhibe la 
misma velocidad de sedimentación que la partícula en cuestión. 
R 
 5 
Existen tres modos en los cuales las partículas se presentan en el aire: ultrafinas cuando 
poseen diámetros menores que 0.1 µm; finas cuando su diámetro se ubica entre 0.5 µm y 
2.5 µm y gruesas a las que superan los 2.5 µm [4]. El reparto de las partículas en estos 
modos no es arbitrario, se trata efectivamente de partículas con distintos orígenes y que 
además, experimentan transformaciones y son removidas de la atmósfera mediante 
mecanismos también diferentes. 
La distribución de las partículas en ultrafinas, finas y gruesas es básico para el estudio de 
los aerosoles atmosféricos. Los fenómenos que determinan el tamaño de las partículas se 
esquematizan en la FIGURA 1.1 que muestra la distribución del área superficial como 
función del diámetro del aerosol atmosférico. 
 
 é FIGURA 1.1 Distribución del área superficial como 
función del diámetro 
de los aerosoles atmosféricos. 
R 
 6 
En el caso de las partículas ultrafinas, su diámetro explica su preponderancia en número, 
pero también el hecho de que constituyan un porcentaje mínimo del material suspendido 
total. La aparición de partículas tan pequeñas es resultado de dos procesos: la 
condensación de vapores calientes formados durante procesos de combustión o la 
nucleación de especies químicas en nuevas partículas. Ambos procesos se engloban bajo 
la denominación de modo nuclear. Su eliminación de la troposfera usualmente ocurre a 
través de la coagulación en partículas de mayor tamaño. 
Las partículas finas poseen diámetros de entre 0.1 µm y 2.5 µm y constituyen la mayor 
parte del área superficial y parte sustancial de la masa de los aerosoles. Su origen es la 
coagulación de partículas del modo nuclear y la condensación de vapores en la superficie 
de partículas más pequeñas ya presentes, que de esta forma aumentan su tamaño. Se les 
clasifica dentro del modo de acumulación debido a que su mecanismo de remoción es 
poco eficiente y tienden a acumularse. 
Finalmente, las partículas gruesas se caracterizan por poseer diámetros superiores a los 
2.5 µm y se forman de manera natural o a través de la pulverización mecánica de 
materiales, cuando son resultado de actividades humanas. Las partículas gruesas exhiben 
velocidades de sedimentación suficientemente grandes como para ser removidas de la 
atmósfera en tiempos cortos. 
En la FIGURA 1.1 también se resumen los dos mecanismos principales de eliminación del 
material particulado de la atmósfera: 
• Remoción física: por sedimentación en la superficie terrestre (depósito seco) o por 
su incorporación a las gotas de nubes o lluvia, mecanismo conocido como depósito 
húmedo. 
• Remoción química: básicamente mediante procesos de transformación de las 
partículas en otra u otras debido a procesos fisicoquímicos y reacciones químicas o 
fotoquímicas. 
 
R 
 7 
1.1.2 COMPOSICIÓN DE LOS AEROSOLES 
Los datos sobre el origen, la composición típica, el flujo estimado y la categoría de los 
aerosoles se resumen en la TABLA 1.1 Entre los componentes primordiales del material 
particulado [5] encontramos sales inorgánicas solubles en agua, sulfatos, nitratos y 
cloruros de amonio y de sodio. También polvo mineral insoluble, compuestos terrígenos, 
metales traza, material carbonoso constituido por carbono elemental (carbón negro, 
grafítico u hollín) y carbono orgánico que resulta de la condensación de gases o vapores 
de compuestos orgánicos de baja volatilidad. 
 
ê TABLA 1.1 Composición típica de aerosoles naturales y antropogénicos. 
 
 Fuentes Flujo estimado (Tg/año) Categoría Bajo Alto Medio 
 NATURALES 
 Primarios 
 Polvo de suelo 1000 3000 1500 P. gruesas* 
 Sal marina 1000 10000 1300 P. gruesas 
 Polvo volcánico 10000 30 P. gruesas 
 Residuos orgánicos 26 80 50 P. gruesas 
 Secundarios 
 Sulfatos 
 (gases biogénicos) 
80 150 130 P. finas 
 Sulfatos 
 (SO2 volcánico) 
5 60 20 P. finas 
 Orgánicos (COV) 40 200 60 P. finas 
 Nitratos de NOx 15 50 30 P. finas y 
gruesas 
 
 Total naturales 2200 23500 3100 
 ANTROPOGÉNICOS 
 Primarios 
 Polvos industriales 40 130 100 P. finas y 
gruesas 
 
 Hollín 5 20 10 P. finas* 
 Secundarios 
 Sulfatos de SO2 170 250 190 P. finas 
 Quema de biomasa 60 150 90 P. finas 
 Nitratos de NOx 25 65 50 P. gruesas* 
 Orgánicos (COV) 5 25 10 P. finas 
 Total antropogénicos 300 650 450 
 Total 2500 24000 3600 
 Notas: * Principalmente. 
 COV= compuestos orgánicos volátiles. 
 1Tg=1x1012 g 
 
R 
 8 
1.1.3 IMPACTO DE LOS AEROSOLES EN LA SALUD 
Hasta hace unos veinte años, el estudio y regulación ambiental de los aerosoles 
consideraba al conjunto de partículas suspendidas totales (PST) con diámetros de hasta 
100 µm en una categoría única. Este criterio resultó erróneo, quizá porque estaba basado 
en el supuesto de que los aerosoles debían ser prácticamente inocuos, dada su 
composición típica promedio. 
Las evidencias mostraron que los efectos negativos de los aerosoles sobre la salud estaban 
relacionados con el diámetro de las partículas, específicamente con partículas con 
diámetros menores que 10 µm (PM10). 
Gran parte del conocimiento sobre los efectos de la contaminación atmosférica en la salud 
de los PM10 fue obtenida a partir de estudios epidemiológicos que analizaron las 
fluctuaciones diarias en el número de muertes, las admisiones a hospitales, y los síntomas 
respiratorios correlacionados con las fluctuaciones diarias en los niveles de contaminación 
del aire. 
Entre los resultados más preocupantes se encontró que por cada incremento de 10 µg/m3 
en los niveles de PM10, se puede esperar un aumento de 1% en la mortalidad diaria. La 
mayor parte de estas muertes adicionales se debió a causas cardiovasculares. Sin embargo, 
lo más preocupante es la posibilidad de que la exposición de largo plazo a PM10 pueda 
incrementar la mortalidad crónica debida a causas respiratorias y cardiovasculares. 
En México, el criterio para evaluar la calidad del aire considerando PST, PM10 y PM2.5 en 
el aire se encuentra en la Norma Oficial Mexicana NOM-025-SSA1-1993. 
Aunque en las investigaciones y las normas ambientales ha sido reconocida la relación 
entre la exposición a las PM10 y los daños a la salud, persiste el desconocimiento sobre los 
mecanismos a través de los cuales las partículas con diámetros de hasta 10 µm afectan la 
salud. 
Las investigaciones sugieren que, además del tamaño de partícula, la composición química 
de las partículas podría estar desempeñando un papel importante [6]. 
R 
 9 
Como la composición química no ha sido un parámetro considerado en los estudios que 
sirven de base a la normatividad sobre partículas suspendidas en la atmósfera, a la fecha 
la normatividad en México continúa clasificando al material particulado en conjuntos, 
haciendo hincapié en el hecho de que la toxicidad aumenta con la disminución en el 
tamaño de partícula. 
El considerar el tamaño de partícula como principal parámetro de peligrosidad de los 
aerosoles ha sido comparado por algunos investigadorescon “preocuparse por la 
correlación entre una enfermedad y la presencia de bolsas de basura, sin considerar su 
contenido” [7]. 
Debido a su importancia, en términos de efectos a la salud y al ambiente, el análisis de la 
composición química de los aerosoles es una necesidad. No se trata de un asunto trivial 
[8], pues los aerosoles son mezclas sólidas constituidas por una gran variedad de especies 
químicas orgánicas e inorgánicas procedentes de fuentes muy diversas. 
Además, con un número cada vez mayor de nuevas sustancias y materiales en procesos 
industriales, la variedad química del material particulado también aumenta y su impacto 
en el ambiente se desconoce [9]. Es posible establecer una relación entre el aumento en la 
variedad de elementos presentes en el material particulado y el desarrollo de nuevos 
procesos y materiales. 
Para simplificar el problema del análisis de la composición química de los aerosoles y 
dilucidar los efectos que puedan tener sobre el ambiente y la salud es necesario separar las 
especies químicas a analizar en orgánicas e inorgánicas. Los métodos de colecta y análisis 
para ambos tipos de sustancias dependen de las propiedades físicas y químicas que exhibe 
cada conjunto. 
Los compuestos orgánicos están constituidos por un conjunto muy pequeño de elementos 
enlazados covalentemente en estructuras moleculares de complejidad variable. Mientras 
que las sustancias inorgánicas, pese a la diversidad de elementos que pueden estar 
presentes, se encuentran preponderantemente en forma de óxidos, sales y ocasionalmente 
en forma elemental. 
R 
 10 
1.1.4 AEROSOLES INORGÁNICOS 
La evaluación del riesgo ambiental que representan las distintas sustancias inorgánicas que 
componen un aerosol no es simple. Los elementos que ocurren en el material particulado 
tienen efectos sobre el ambiente y la salud que van más allá de la sola presencia de 
elementos tóxicos4, señalados en gris en la tabla periódica de la FIGURA 1.2. 
 
H He 
Li Be B C N O F Ne 
Na Mg Al Si P S Cl Ar 
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg 
 
 
 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 
 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 
 
é FIGURA 1.2 Posición de metales y metaloides tóxicos en la tabla periódica. 
La presencia de elementos como Cu, Se y Zn, que en cantidades traza son esenciales para 
los sistemas vivos, en concentraciones mayores puede llegar a ser tóxica. Además, las 
concentraciones en que un metal es tóxico depende del organismo afectado: una misma 
concentración elemental puede ser esencial para uno y tóxica para otro. La toxicidad de 
 
4 Se prefiere el término metal tóxico en lugar de metal pesado porque el segundo término es origen de ideas 
equivocadas: muchos metales con densidades altas no son especialmente tóxicos e incluso son esenciales, 
independientemente de que a determinadas concentraciones puedan llegar a ser tóxicos. 
R 
 11 
algunos metales se debe a su capacidad para ligarse a las proteínas (reemplazando los 
iones metálicos de los centros activos) lo que altera algún o algunos procesos bioquímicos 
en que intervienen dichas proteínas5. 
Aunque la mayoría de los metales ingresan a la atmósfera en forma de óxidos poco 
solubles, estudios recientes han advertido sobre la posibilidad de que medios más ácidos 
de lo habitual en la atmósfera, favorecen su disolución. La disolución de metales es 
especialmente amenazadora cuando se trata de metales de transición, lantanoides y 
actinoides porque la incorporación de iones metálicos con capacidad de cambiar su estado 
de oxidación podría desencadenar reacciones tipo Fenton, favoreciendo la aparición de 
radicales y especies reactivas del oxígeno (ERO). La perturbación de los mecanismos 
naturales de aparición y desaparición de ERO en los sistemas vivos ha sido asociada a 
situaciones de estrés oxidativo. 
1.2 MUESTREO DE AEROSOLES 
Es relativamente poco lo que se sabe acerca del la influencia de la composición elemental 
de los aerosoles en el ambiente y la salud. Sin embargo, la comprensión de estas 
interrelaciones inicia con la obtención de los perfiles elementales del material particulado 
suspendido en el aire. 
Además, en aplicaciones inmediatas el interpretar y evaluar los datos de composición 
elemental del material particulado permite documentar la situación ambiental de una zona 
y contribuir al diseño de programas de control de la calidad del aire confiables. Con ellos 
es factible diseñar estrategias tendientes a reducir o eliminar las emisiones de sustancias 
nocivas. El paso inmediato es diseñar la estrategia de muestreo de los aerosoles. 
 
5 El Cd2+ es capaz de sustituir al Zn2+ en la anhidrasa carbónica, la cual pierde su actividad, entre otros efectos tóxicos. 
Además, sus efectos son acumulativos por lo que la exposición crónica al Cd, incluso a niveles muy bajos durante 
periodos prolongados produce envenenamiento. 
R 
 12 
1.2.1 MÉTODOS DE MUESTREO ESTANDARIZADOS 
La composición elemental de los aerosoles es un aspecto relevante en los estudios 
ambientales con aplicación en investigación básica, programas de calidad del aire, gestión 
ambiental y estudios epidemiológicos. Para cada uno de ellos, la precisión y sensibilidad 
alcanzadas por los métodos de muestreo y análisis disponibles son críticas. 
La Agencia de Protección Ambiental de EU (EPA por Environmental Protection Agency) 
ha establecido métodos de referencia para la determinación de las concentraciones de una 
o varias fracciones del material particulado en el ambiente. En ellos un volumen conocido 
de aire se pasa a través del equipo muestreador en donde se colecta la fracción de interés. 
Entre los métodos de referencia recomendados existen procedimientos de muestreo de 
aerosoles ya estandarizados [10,11]. 
Existen diferentes equipos diseñados para el muestreo del material particulado que operan 
de acuerdo a diferentes principios. Sin embargo, la mayoría de ellos trabajan de acuerdo al 
siguiente arreglo: boquillas de admisión, bombas de vacío, reguladores de flujo, 
controladores y recipientes, bolsas o filtros de colecta. 
Los recipientes, bolsas o filtros son fabricados con materiales fibrosos o poliméricos con 
poros microscópicos; en ellos el material particulado es colectado por incrustación, 
intercepción o depósito. De esta forma se garantiza una retención óptima del material 
particulado. La composición de las bolsas o filtros se selecciona de acuerdo al tipo de 
análisis que se usará para evitar interferencias; además, su diseño debe ser compatible con 
el equipo muestreador. 
Las muestras de material particulado colectadas en una campaña pueden analizarse con 
cualquiera de las técnicas analíticas multielementales de espectroscopía atómica o 
espectroscopía de rayos X, entre las más comunes. Al conjuntar procedimientos 
estandarizados de muestreo con la técnica analítica apropiada se obtiene información 
directa y objetiva sobre la composición elemental de los aerosoles. No obstante, las 
determinaciones directas, propias de redes de monitoreo ya establecidas, requieren de una 
gran cantidad de infraestructura y personal. 
R 
 13 
1.2.2 MÉTODOS DE MUESTREO ALTERNATIVOS: BIOMONITORES 
El alto costo que implica el uso de equipos y materiales para realizar un muestreo directo 
de material particulado limita el acceso a datos ambientales en zonas afectadas por la 
emisión de material particulado, particularmente en países en desarrollo como México. 
Además, una vez seleccionado el método de muestreo, por ejemplo, el de filtros para 
material particulado,existe la posibilidad de “perder” o contaminar sustancias presentes 
en concentraciones muy bajas o cercanas a los límites de detección o bien que 
simplemente no pueden ser capturadas a través de ese método [9]. 
En los últimos años se han desarrollado técnicas alternativas de monitoreo ambiental 
conocidas como biomonitoreo. Estas técnicas se basan en la reacción y sensibilidad de 
distintos organismos vivos a sustancias contaminantes en el ambiente. En ellas se 
distingue entre bioindicadores y biomonitores. [12,13]. Los bioindicadores son organismos 
que proporcionan información sobre el ambiente y sus cambios (información cualitativa). 
En tanto que los biomonitores son organismos capaces de proporcionar información 
cuantitativa sobre la calidad del ambiente. 
El biomonitoreo presenta grandes ventajas sobre las técnicas estandarizadas de muestreo: 
es de muy bajo costo, fácil mantenimiento y permite el monitoreo simultáneo de grandes 
áreas. Sin embargo, el biomonitoreo solamente es capaz de proporcionar una imagen 
aproximada sobre la calidad del aire y el depósito de contaminantes. 
El biomonitoreo recurre a dos técnicas de monitoreo que responden a necesidades 
diferentes de información ambiental: activo y pasivo. 
En el biomonitoreo activo los biomonitores son transplantados desde áreas libres 
de contaminación a las zonas contaminadas que se desea analizar. 
En tanto que en el pasivo, las plantas colectadas son organismos que ocurren de 
manera natural en el área de estudio. Su objetivo es determinar concentraciones 
base de contaminantes o bien, realizar estudios de seguimiento. 
 
R 
 14 
Los requisitos que debe cumplir una planta para utilizarse como biomonitor atmosférico 
son: 
• Acumular contaminantes atmosféricos de la misma forma y en el mismo grado 
bajo diferentes condiciones. 
• Los contaminantes deben ser fáciles de medir y las medidas deben proporcionar 
información sobre el nivel de depósito de contaminantes. 
• El biomonitor debe ser una especie común, resistente y disponible durante todo el 
año en la misma zona; además, debe adaptarse fácil y rápidamente a las 
condiciones del lugar de estudio. 
Existen diferentes organismos que cumplen con estos requisitos y pueden utilizarse como 
biomonitores aunque las especies más utilizadas son los líquenes, los musgos, las 
bromelias, la corteza y las hojas de árboles y los hongos. 
La Tillandsia usneoides (T. usneoides) mejor conocida en México como heno6, es una 
bromeliácea epifita aérea de lento crecimiento cuya supervivencia depende completamente 
de los nutrientes dispersos en el aire: absorbe el agua y sus nutrientes directamente de la 
atmósfera en tanto que sus raíces funcionan únicamente como medio de sujeción [14]. 
Las hojas y tallos del heno son alargados y crecen entrecruzándose unos con otros 
formando estructuras muy enredadas de color grisáceo cuando están secas y verde oscuro 
en presencia de humedad. Esta distribución permite a la planta filtrar el aire. Además, al 
igual que otros géneros de Tillandsia la superficie de cada una de sus hojas está cubierta 
por estructuras escamosas o tricomas capaces captar y retener al material particulado 
[15,16 17]. 
Como puede apreciarse en la FIGURA 1.3, por sus características estructurales y fisiológicas 
T. usneoides es un sistema vivo muy conveniente para acumular y retener sólidos 
dispersos en el aire ambiental y por lo tanto un excelente candidato para el biomonitoreo. 
 
 
6 El heno es una de las plantas más conocidas en el país por su uso en la decoración de los nacimientos 
navideños. 
R 
 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
é FIGURA 1.3 T. usneoides (a) Planta en estado natural. (b) Entramado. (c) Detalle de hojas. 
Además, el heno es una planta nativa de México y se encuentra ampliamente distribuida 
en casi todo el territorio. Es muy común en sitios húmedos, tanto de regiones templadas 
como tropicales. Existen muy pocos reportes sobre el uso de T. usneoides como 
biomonitor en México. Sin embargo, ha sido ampliamente utilizada como biomonitor en 
EU, Brasil, Chile y Argentina [14, 15,18, 19]. 
1.3 ESTRATEGIAS PARA LA GESTIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE 
Los programas de calidad del aire pueden desarrollarse a partir programas de monitoreo de 
contaminantes y los inventarios de emisión. O bien partiendo de modelos de dispersión, 
datos meteorológicos e inventarios de emisiones. 
La primera estrategia se conoce como de modelos de receptor [20] y se basa en el uso de 
las concentraciones ambientales en el sitio de impacto y la abundancia de los compuestos 
químicos en las fuentes de emisión para cuantificar la contribución de las fuentes. La 
necesidad de muestreos por largos periodos de tiempo y en el mayor número de sitios 
posible, limitan la aplicación de los modelos de receptor por su alto costo. 
(a) 
(b) 
(c) 
R 
 16 
Por otra parte, los modelos de dispersión son representaciones matemáticas basadas en 
fundamentos químicos y físicos de la atmósfera que estiman la concentración en el sitio 
receptor basándose en las características de las fuentes de emisión y en mediciones 
meteorológicas. La aplicación de estos modelos se ve limitada por factores como la 
necesidad de inventarios de emisiones confiables y dependientes del tiempo así como de 
datos meteorológicos también confiables. Como puede observarse en la TABLA 1.2, ambos 
modelos son complementarios y lo ideal es que todos los estudios de calidad del aire los 
incluyan. 
 ê TABLA 1.2 Comparación entre los modelos de dispersión y de receptor. 
 Ventajas Desventajas 
 
Modelos 
de 
dispersión 
• Predicen las concentraciones a 
futuro en diversos sitios. 
• Es posible simular varios 
escenarios en las predicciones. 
• Es posible estimar los impactos 
de acciones de prevención y 
control de la contaminación. 
• Pueden realizarse estimaciones 
de transporte y dispersión a 
nivel local y regional. 
• Dependen de inventarios de 
emisiones que presentan gran 
incertidumbre y se presentan 
como promedio anual. 
• Requieren un número muy 
grande de datos ambientales y 
meteorológicos. 
• No estiman la contribución de 
las fuentes a la masa de 
contaminantes. 
• Son modelos matemáticamente 
complejos. 
 
 
 
Modelos 
de receptor 
• No dependen de datos de 
inventarios de emisión. 
• Proporcionan las 
contribuciones de las fuentes 
por zona y espacios de tiempo 
específicos. 
• No requieren de datos 
meteorológicos. 
• Se basan en algoritmos 
relativamente sencillos. 
• Pueden proporcionar una 
evaluación de los inventarios 
de emisión. 
• Pueden aplicarse con datos de 
campañas cortas. 
• No predicen el comportamiento 
de emisiones futuras. 
• No es posible estimar los 
impactos de acciones de 
prevención. 
• Solo realiza estimaciones a 
nivel local. 
 
 
R 
 17 
En la práctica, los modelos de dispersión son los más utilizados por razones técnicas y 
económicas. Pero no se puede prescindir de los modelos de receptor porque validan y 
retroalimentan los resultados de los modelos de dispersión; además, permiten descubrir la 
presencia de fuentes de emisión desconocidas o no registradas. 
El uso de biomonitores impulsaría los modelos de receptor porque se accedería a estudios 
ambientales menos costosos en áreas extensas. Bajo un enfoque de lógica difusa, los 
resultados aproximados generados permitirían ejecutar campañas de monitoreo 
estandarizadas muy refinadas. Además, permitirían seleccionar la ubicación óptima de 
sitios de muestreo. 
Los modelos de receptor se enfocan en el comportamiento de los contaminantes 
ambientales en el punto de impacto, están basados en los mismos principios científicos 
que los modelos de dispersión, pero explican, no predicen las contribuciones de las fuentes 
y en ocasiones requieren de los perfiles de lasfuentes o huella digital de la fuente de 
emisión, es decir los compuestos o propiedades físicas particulares de cada fuente de 
emisión. El fundamento de todos los modelos basados en receptor para asignar el aporte 
de las fuentes de contaminantes, es un argumento simple de conservación de masa 
representado por la ECUACIÓN 1.1: 
 
 
1.1 
Donde: 
xij Concentración medida de la j-ésima especie en la i-ésima 
muestra. 
 
fpj Concentración de la j-ésima especie emitida por la fuente p. 
gip Contribución de la p-ésima fuente a la i-ésima muestra. 
eij Porción de la medición que no puede ser ajustada por el modelo 
(error generado por el modelo). 
 
 
R 
 18 
Existen restricciones que deben ser consideradas en el desarrollo de cualquier modelo de 
receptor: 
• El modelo debe explicar las observaciones. 
• Las composiciones predichas deben ser positivas, una fuente no puede tener 
concentraciones elementales negativas. 
• La contribución de fuentes predichas debe ser positiva, una fuente no puede emitir 
masas negativas. 
• La suma de la contribución de la masa elemental predicha debe ser menor o igual 
que la masa medida total para cada elemento, el total es mayor que o igual a la 
suma de sus partes. 
Muchos de los modelos de receptor son soluciones de la ecuación de balance de masa y la 
cantidad de técnicas para su estudio es relativamente grande e incluyen métodos en donde 
se conoce, o no, la composición de las fuentes emisoras. Los métodos más usados para 
resolver la ecuación de balance de masa en los modelos de receptor son: análisis de 
eigenvectores (conocidos como análisis por componentes principales, ACP) [21], análisis 
de factores (FA por Factor Analysis) varianza efectiva (CMB por Chemical Mass 
Balance) balance químico, factorización por matriz positiva (PMF por Positive Matrix 
Factorization) [22] y técnicas de detección de bordes empleando el principio de ACP 
(UNMIX) [23]. Los métodos de eigenvectores, FA y PMF tienen la ventaja de que no es 
necesario conocer los perfiles de emisión de las fuentes. 
Otros métodos de receptor se basan en el uso de trazadores o marcadores, especies 
abundantemente enriquecidas en la fuente de emisión contra otras especies y otras fuentes. 
Entre los métodos basados en trazadores están: los factores de enriquecimiento (EF), los 
de mínimos cuadrados no negativos (MCNN), regresiones lineales y los de coeficiente 
fraccional de aerosol [24]. El modelo conceptual del cual partiremos para aplicar los 
modelos de receptor en este trabajo considera los procesos químicos y físicos más 
relevantes de la zona de estudio: el origen de las emisiones de material particulado más 
importantes en la zona de estudio son la refinería, la planta termoeléctrica y la 
resuspensión de polvos generados por la extracción de piedra caliza, además de 
contribuciones de otras industrias y fuentes móviles. 
R 
 19 
1.4 ZONA DE ESTUDIO: LA REGIÓN TULA-TEPEJI 
El Estado de Hidalgo se localiza en la parte central de la República Mexicana, la franja 
central del país concentra la fracción más importante de la actividad industrial del país 
influida por la presencia de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM). 
Al suroeste de Hidalgo, entre las latitudes 19º 46’ 30’’ y 20º 16’ 30’’ Norte y las 
longitudes 98º 59’ 00’’ y 99º 31’ 30’’ Este, se encuentra la región Tula-Tepeji que 
comprende una superficie total de 1,347 km2 , un 6.40 % de la superficie estatal. 
Tula-Tepeji está dividida en diez municipios: Ajacuba, Tepetitlán, Tezontepec de Aldama, 
Tlahuelilpan, Tetepango, Tlaxcoapan, Atitalaquia, Atotonilco de Tula, Tepeji del Río de 
Ocampo y Tula de Allende. En casi toda la región el clima es semiseco con temperaturas 
máximas de 18 oC en mayo y mínimas de 9.4 oC en noviembre. El subtipo es templado 
con lluvias reducidas en verano que alcanzan un promedio anual de 543.4 mm. 
Seis de los municipios de Tula-Tepeji son eminentemente rurales en tanto que Tula de 
Allende (Tula), Atotonilco de Tula (Atotonilco), Atitalaquia y Tepeji del Río (Tepeji) 
concentran el 15% de la población estatal así como la mayor infraestructura industrial, no 
solamente de la región, sino de todo el estado de Hidalgo. 
Además, Tula es sede de la refinería de crudo más grande del país (Miguel Hidalgo de 
Pemex), que procesa el 24% de crudo total que se refina en México y cuenta con una 
capacidad de refinación de 325000 barriles por día. También es sede de la segunda 
termoeléctrica más grande del país (Francisco Pérez Ríos de CFE) con una capacidad de 
generación de 1500 MW. El impacto ambiental de las actividades industriales, aunado al 
uso de aguas residuales provenientes de la ZMCM para riego han convertido a Tula-Tepeji 
en una de las regiones con mayor grado de deterioro ambiental, desde 1993 esta región es 
clasificada como zona crítica7. 
 
7 Región de atención prioritaria por sus características topográficas, demográficas, climáticas y meteorológicas pero 
principalmente, por la actividad industrial, tipos y cantidad de fuentes emisoras de contaminantes atmosféricos 
existentes. 
R 
 20 
El desarrollo de un programa de gestión de calidad del aire para la región Tula-Tepeji es 
una de las empresas prioritarias de las autoridades ambientales. Su creación parte de 
herramientas fundamentales como los inventarios de emisiones, modelos de receptor y de 
dispersión [17]. Pero debe considerarse que tan solo la elaboración de un inventario de 
emisiones, aún de uno local como en el caso de Tula-Tepeji, es tarea de años. 
La elaboración de un inventario de emisiones parte de un inventario base elaborado con 
técnicas de estimación de factores de emisión, encuestas y técnicas de balance de materia. 
Posteriormente se incorporan datos de monitoreo de contaminantes criterio (SO2, CO, 
NOx, HC y PM10) en principio obtenidos a intervalos irregulares hasta que se logra 
establecer una red de monitoreo que trabaje en forma continua. 
El procesamiento de datos permite ir ajustando la ubicación de los sitios de muestreo al 
tiempo que se ensayan los modelos de receptor y de dispersión. Conforme se incorporan 
más técnicas de muestreo y análisis es posible contar con datos de concentración de 
muchos otros contaminantes. Algunas de las técnicas de análisis son incorporadas 
permanentemente en tanto que otras quedan como métodos de validación y contraste de 
resultados. 
1.4.1 DATOS AMBIENTALES DE TULA-TEPEJI 
El agua y el suelo de la zona han sido ampliamente estudiados debido a los problemas 
ambientales derivados del uso agrícola que se da a las aguas residuales del la ZMCM. No 
obstante existen pocos estudios sobre las emisiones a la atmósfera [25]. Las autoridades 
ambientales publicaron el primer inventario de emisiones con datos hasta 2002 para la 
Región Tula-Tepeji en el año 2006 [26]. En él las estimaciones de emisiones fueron 
obtenidas a través de las siguientes técnicas: 
• Mediciones directas de concentración de contaminantes en las fuentes. 
• Modelos de emisión mecanísticos. 
• Encuestas. 
• Factores de emisión. 
• Balance de materiales. 
R 
 21 
De acuerdo con las estimaciones del Inventario de Emisiones 2002, las industrias 
causantes del mayor impacto ambiental en Tula-Tepeji son la refinería, la generadora 
eléctrica, la industria cementera, la industria textilera y la de extracción de piedra caliza. 
Los contaminantes criterio en Tula-Tepeji han sido monitoreados desde 2005 a través del 
Sistema Nacional de Información de la Calidad del Aire (SINAICA) [27]. A la fecha el 
monitoreo de aerosoles reporta partículas suspendidas totales (PST) y PM10. 
Hasta 2006 la composición y concentración elemental de los aerosoles en Tula-Tepeji era 
desconocida. En ese año se realizaron estudios sobre las emisiones a la atmósfera de la 
ZMCM a través de la campaña MILAGRO (Megacity Initiative: Local And GlobalResearch Observations). 
Algunos de los sitios de muestreo incluidos en la campaña MILAGRO se encontraban 
ubicados en el estado de Hidalgo reportándose los primeros datos de composición 
elemental de material particulado [28]. 
En 2006 también surgieron los primeros proyectos locales para determinar la composición 
elemental del material particulado en Tula-Tepeji. El Dr. Carlos Lucho de la Universidad 
Politécnica de Pachuca (UPP) diseñó y ejecutó una campaña de monitoreo de PM10 en dos 
periodos: julio-diciembre de 2007 y febrero-abril de 2008 [29]. 
En el primer periodo se utilizaron unidades de monitoreo portátiles MiniVol para la 
colecta de partículas PM10 en filtros Nuclepore en Tlaxcoapan, Atitalaquia, Atotonilco y 
Tepeji. El segundo periodo, además de los filtros para PM10 se incluyó el biomonitoreo 
activo utilizando Tillandsia usneoides en Tlaxcoapan, Atitalaquia, Atotonilco y Tula. 
En 2009 como parte de la campaña MILAGRO se publicó el primer estudio del material 
particulado en la zona del Valle de Mezquital utilizando Tillandsia recurvata como 
biomonitor pasivo y espectroscopía de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente 
(ICP-OES) como técnica analítica multielemental [30]. 
 
R 
 22 
Los primeros reportes de la campaña MILAGRO en el sitio PXT (Jasso, Hidalgo) 
describen la composición elemental en una zona rural ubicada a 6 km de Tula. Se utilizó 
muestreo por filtros y las técnicas analíticas espectroscopia de emisión atómica de plasma 
acoplado inductivamente (ICP-AES) y espectrometría de masas de plasma acoplado 
inductivamente (ICP-MS). La campaña fue de corta duración, del 1 de marzo al 4 de abril 
de 2006. No se reportan As, Hg ni lantanoides y los análisis con modelos de receptor para 
este punto son limitados. 
El reporte de la campaña MILAGRO de 2009 en la zona del Valle de Mezquital utilizando 
Tillandsia recurvata como biomonitor pasivo e ICP-OES como método analítico, incluye 
análisis isotópico y de compuestos orgánicos y concentraciones elementales promedio 
para toda la región. Pero no reporta As, Hg ni lantanoides. Tampoco incluye la 
concentración elemental del S, que al quedar fuera del análisis de factores, no se le asocia 
con ninguna fuente. 
Tres de los cinco factores reportados por Zambrano y colaboradores [30] son asociados a 
emisiones del suelo y suelo/actividades agrícolas y solamente uno a emisiones 
antropogénicas. No se distingue entre las emisiones de la refinería de la planta generadora 
o de las cementeras. 
En este trabajo analizamos las muestras de material particulado captado en filtros y 
biomonitores de las campañas 2007 y 2008 diseñadas por el Dr. Lucho Constantino. La 
técnica multielemental seleccionadas fue PIXE y como técnicas complementarias análisis 
por activación neutrónica (AAN) y microscopia de barrido electrónico-SEM-EDS. 
Las características por las cuales seleccionamos a las técnicas nucleares de análisis son, 
principalmente: i) multielementales y rápidas, ii) permiten conservar las asociaciones 
elementales y, más importante aún, iii) permiten dar una interpretación y evaluación 
complementaria de los datos analíticos de contaminación atmosférica a través de los 
modelos de receptor. La selección de los métodos analíticos es justificada en el capítulo 
tres a la par de una descripción de cada unos de ellos. En el capítulo cuatro se describe la 
metodología experimental para la obtención de datos analíticos. 
R 
 23 
En el cuarto capítulo, presentamos los resultados del análisis elemental del material 
particulado de ambos muestreos. El análisis e interpretación de datos analíticos mediante 
los modelos de receptor no solamente nos permiten dar seguimiento a nuestro modelo 
conceptual e identificación de fuentes, también nos permite evaluar el desempeño de T. 
usneoides como biomonitor para la zona Tula-Tepeji. 
El uso de los métodos de análisis de los datos analíticos en el marco de los modelos de 
receptor permite comparar el biomonitoreo activo con T. usneoides con nuestros propios 
resultados con filtros y con resultados obtenidos en otros trabajos con biomonitores. 
 
R 
 24 
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por CONACyT. 
[30] Zambrano García, A. Medina Coyotzin, C.; Rojas Amaro, A. López Veneroni, D; 
Chang Martínez, L. y Sosa Iglesias, G. Atmos. Chem. Phys. 2009, 9, 6479–6494. 
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2. OBJETIVOS Y ALCANCES 
Con los datos ambientales de la región Tula-Tepeji, nuestro modelo conceptual considera 
que el origen del mayor volumen de emisiones de material particulado en la zona son la 
refinería, la planta termoeléctrica y la resuspensión de polvos generados por la extracción 
de piedra caliza. Hay una participación menor de emisiones provenientes de otras 
industrias y fuentes móviles. 
Es habitual que las emisiones de material particulado de origen antropogénico tengan 
influencia regional en tanto que las de material particulado originado por la resuspensión 
de polvos deben tener solamente influencia local debido a los diferentes comportamientos 
químicos y tiempos de residencia en la atmósfera de ambos tipos de partículas. 
Este trabajo constituye una propuesta para el uso de los modelos de receptor aplicados a la 
identificación de fuentes de emisión. La idea original detrás de ella se encuentra en el uso 
de biomonitores para muestrear material particulado e identificar fuentes emisoras. Uno de 
los principales obstáculos al empleo de los modelos de receptor es el alto costo de los 
métodos estandarizados de muestreo. Además, se ensaya el uso de T. usneoides como 
biomonitor activo en sitios con condiciones climatológicas diferentes a las de las zonas 
donde normalmente se encuentra la planta. 
 
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El estudio comparativo entre la técnica de muestreo estandarizada y el biomonitoreo 
activo nos enfrentó al problema de analizar un gran número de muestras de filtros y 
plantas. La opción de análisis multielemental más eficiente en tiempo, mínimos 
requerimientos de preparación de muestras, alta sensibilidad y capaz de responder al 
desafío analítico planteado por nuestro modelo conceptual son las técnicas nucleares. 
 
OBJETIVO GENERAL 
Aplicar PIXE y AAN para el análisis elemental de aerosoles atmosféricos en el corredor 
industrial Tula-Tepeji y establecer la relación entre los elementos traza y fuentes emisoras. 
 
Para la consecución del objetivo antes señalado, se han definido los siguientes: 
 
OBJETIVOS PARTICULARES 
 
• Cuantificar los elementos traza del material particulado captado en la campaña de 
muestreo con filtros utilizando PIXE y SEM-EPMA. 
 
• Cuantificar elementos traza en el material particulado captado por Tillandsia 
usneoides utilizando PIXE, AAN y SEM-EPMA. 
 
• Comparar la respuesta del biomonitor con las concentraciones elementales en PM10 
muestreado con filtros. 
 
• Evaluar e interpretar los datos analíticos de contaminación atmosférica en filtros y 
biomonitores utilizando modelos de receptor para determinar fuentes de emisión. 
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ALCANCES 
Uno de los objetivo de este trabajo es detectar y cuantificar elementos traza en aerosoles 
de la región Tula-Tepeji utilizando técnicas nucleares de análisis. Esta información 
contribuirá a mejorar la comprensión sobre la situación ambiental en la región de estudio, 
en particular sobre la composición elemental del material particulado sobre el que se 
tienen pocos datos en los sitios de impacto (muestreos). 
En el caso del biomonitoreo activo, se espera que la T. usneoides sea capaz de responder 
al gradiente de concentración de contaminantes en la atmósfera de la zona de estudio. 
Aunque no se espera una correlación directa entre el método de filtros y el de 
biomonitores, cualitativamente hablando los biomonitores deben ser un indicador 
confiable de la situación ambiental, respondiendo con las mismas tendencias a las 
concentraciones elementales en la atmósfera en cada sitio muestreado. 
Los perfiles elementales obtenidos por uno y otro metodo de muestreo serán interpretados 
y evaluados con el propósito de identificar las fuentes emisoras. Es en este punto en donde 
reside la originalidad y aportación de este trabajo: el uso de las técnicas nucleares de 
análisis permite extraer información sobre la composición elemental del material 
particulado captado en el biomonitor T. usneoides. La interpretación de esos datos 
analíticos a través de modelos de receptor permite la identificación de fuentes de emisión. 
Si probamos que esto es posible, será posible diseñar campañas de monitoreo 
estandarizadas sólo para aquellas zonas en las que los biomonitores revelen altos niveles 
de contaminación o en las que se han detectado cambios en las fuentes emisoras o fuentes 
desconocidas impulsando el empleo de los modelos de receptores. 
HIPÓTESIS 
La Tillandsia usneoides transplantada desde zonas limpias a Tula-Tepeji se adapta y 
acumula elementos esenciales y no esenciales del aire. La incorporación de elementos, 
además de reflejar el contenido elemental del material particulado en la atmósfera, permite 
identificar fuentes emisoras de contaminantes con el uso de los modelos de receptor y de 
traza adecuados. 
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3. TÉCNICAS ANALÍTICAS 
Una de las primeras dificultades que enfrenta la química ambiental es la identificación y 
cuantificación de contaminantes, problema aún más complicado cuando las sustancias que 
se busca detectar se encuentran en concentraciones muy pequeñas, como en el caso de las 
muestras de contaminantes atmosféricos; o bien se encuentran inmersas en matrices 
complejas o mixtas. La elección del método analítico requiere de la comprensión de los 
fundamentos del método pero principalmente de la naturaleza y características físicas y 
químicas de las sustancias a analizar. 
En la primera parte de este capítulo justificamos la elección de las técnicas nucleares para 
el análisis del material particulado colectado mediante filtros y biomonitores. 
Posteriormente, describimos los principios generales de PIXE y las otras técnicas 
analíticas empleadas, AAN y SEM-EPMA incluyendo algunos aspectos básicos de la 
instrumentación de cada una de ellas. 
 
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3.1 JUSTIFICACIÓN 
La cuantificación y caracterización de los aerosoles atmosféricos es un reto analítico aún 
para las técnicas multielementales más comunes: las de espectroscopía atómica (ICP-MS, 
ICP-OES, etc.); de espectroscopía de rayos X (fluorescencia de rayos X); de haces de 
partículas basadas en aceleradores (PIXE, PIGE, RBS) y de activación neutrónica (AAN). 
Todas responden con mayor o menor precisión, límite de detección y número de 
elementos al problema de cuantificación elemental. Lo ideal es efectuar los análisis 
mediante varias técnicas simultáneamente [1,2,3] y hacer comparaciones entre los 
resultados obtenidos. No siempre es posible emprender estudios analíticos tan completos y 
se debe seleccionar la técnica que responde mejor al problema. El reto analítico planteado 
por el análisis del material particulado en Tula-Tepeji contempla las siguientes cuestiones: 
• Cuantificar los elementos traza del material particulado captado en las campañas 
de muestreo con filtros y biomonitores. Esto supone analizar un número de 
muestras del orden de 200 y el análisis en dos matrices diferentes: filtros y plantas. 
• Conservar muestras en filtros para integrar un archivo histórico. 
• Cuantificar el mayor número de elementos traza en el material particulado captado 
por Tillandsia usneoides. 
• Cuantificar elementos a niveles traza captados por T. usneoides que han sido 
detectados o se sospecha de su presencia, pero no han podido ser cuantificados. 
• Interpretar la acumulación de elementos en T. usneoides a través de modelos de 
receptor, incluso modelos simplescomo las relaciones elemento/elemento para la 
identificación de fuentes emisoras. 
La consecución del primer objetivo involucra el uso de una técnica analítica que permita 
analizar el mayor número de muestras en el menor tiempo posible. También es deseable 
que la matriz no interfiera con los análisis y de preferencia, que sea no destructiva. 
 
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PIXE es un método estandarizado de análisis de material particulado [4, 5] en filtros 
delgados, es no destructivo y permite conservar filtros y muestras para análisis posteriores 
o revisión de resultados. En contraste, las espectroscopias atómicas involucran 
necesariamente la disolución del material particulado captado por filtros. Además de la 
digestión o calcinación de las plantas en el caso de los biomonitores. La digestión o 
calcinación de muestras pueden contaminarlas al disolver el material particulado con 
ácidos o al digerir las muestras. También es posible que las concentraciones se vean 
afectadas por precipitación o arrastre de algún elemento debido a la presencia de materia 
insoluble, por efecto de la disolución o por volatilización. 
Cualquier cambio en las concentraciones elementales tiene efectos sobre las relaciones 
entre los elementos que constituyen al aerosol. Al interpretar los datos analíticos podrían 
corromperse asociaciones características de algunas fuentes contaminantes. 
La búsqueda de elementos a niveles traza así como la de razones de concentración 
adicionales a las ya conocidas como S/V y Si/Ti es un reto a la sensibilidad de las 
técnicas. La captación de elementos en las plantas, suponemos, debe permitir la detección 
de la mayoría de los elementos que ocurren naturalmente en la zona a monitorear, aún en 
bajas concentraciones. Revelar la presencia de dichos elementos y encontrar esas 
relaciones solamente es posible a través de una técnica suficientemente sensible: AAN. 
La microscopía electrónica permite observar al material particulado, determinar grosso 
modo sus características para saber de qué origen es e incluso realizar análisis químicos 
que permitan obtener un primer perfil elemental de los aerosoles analizados. 
3.2 PIXE 
La técnica de PIXE (Particle Induced X-ray Emission) fue propuesta originalmente por 
Sven Johansson [6] de la Universidad de Lund, Suecia en 1970 y desarrollada 
posteriormente por Roland Akselsson y Thomas B. Johansson. El principio físico de 
PIXE subyace en las interacciones entre haces de partículas1 y la materia. Cuando un haz 
 
1La mayoría de los trabajos utiliza protones, por eso la técnica también se conoce como Proton Induced X-ray Emission. 
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de partículas provenientes de un acelerador incide sobre una muestra, se produce, entre 
otros fenómenos, la excitación de los átomos de ésta, acompañada por la emisión de 
radiación X característica de los elementos presentes, de forma que la información sobre 
la naturaleza y concentración de los elementos presentes en la muestra se obtiene a través 
de una variante de la espectroscopía de rayos X emitidos. 
3.2.1 PRINCIPIOS 
Al incidir un haz de iones positivos provenientes de un acelerador sobre una muestra el 
iones acelerados es capaz de eyectar un electrón ligado a los niveles atómicos más 
profundos K y L, de tal manera que un electrón de un nivel de energía externo puede caer 
en la vacante o hueco dejado por el electrón expelido [7]. La diferencia de energía entre 
ambos niveles atómicos puede liberarse mediante la emisión de un fotón de rayos X. 
FIGURA 3.1 
 
 
 
 
 
é FIGURA 3.1 Modelo simplificado del fenómeno de producción de rayos X característicos. 
La interacción de los iones positivos con los átomos es mucho más compleja. La emisión 
de un fotón de rayos X no es el único fenómeno que permite balancear la energía, existe 
competencia con otros procesos: emisión de electrones Auger2 o la emisión simultánea de 
un electrón Auger y un fotón de rayos X. 
 
2 Cuando el exceso de energía se transfiere a otro electrón en lugar de emitirse en forma de fotón, este segundo electrón 
también es expelido del átomo. El fenómeno, conocido como efecto Auger, es una transición energética no radiativa que 
contribuye a la radiación de fondo por el bremsstrahlung del mismo electrón además de limitar la producción de rayos 
X. 
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Cuando una partícula cargada incide sobre la materia, dispersa su energía a través de 
interacciones diversas que experimenta en su trayectoria: ionización, excitación atómica, 
desplazamientos atómicos, etc. Una parte de la energía se convierte en radiación 
electromagnética, conocida como radiación de frenado o bremsstrahlung3. 
La fracción de la energía que se convierte en este tipo de radiación es mayor conforme 
aumenta la energía de la partícula y el número atómico de los elementos presentes en el 
blanco. 
Las colisiones experimentadas por el ion incidente con los átomos de la muestra son o 
bien de tipo coulombiano o por choque mecánico directo; pero debido al tamaño de las 
partículas involucradas, las colisiones directas son las menos probables y los fenómenos 
físicos predominantes son interacciones coulombianas. 
Aunque las energías de los protones utilizadas en PIXE acotan las interacciones a las de 
tipo electrónico, cuando se tienen energías suficientemente altas, se alcanza el umbral a 
las reacciones nucleares4, que afecta principalmente a elementos de número atómico 
menor que 20. Estas reacciones nucleares serían responsables de la emisión de rayos γ, 
capaces de interaccionar con los detectores, provocando la aparición de un fondo que 
puede ser muy intenso y limita la sensibilidad del análisis. 
La probabilidad de producir fotones de rayos X de una línea en particular depende de una 
magnitud conocida como sección eficaz de producción de rayos X; magnitud de 
superficie cuya unidad es el barn (1 b = 10 −24 cm2). La sección eficaz obedece a factores 
tales como la naturaleza del proyectil, su energía de incidencia y la naturaleza del átomo 
blanco. Para las líneas K, se relaciona con la probabilidad de ionizar el átomo, por lo que 
se le denomina sección eficaz de ionización. 
 
3 El bremsstrahlung es la emisión de radiación electromagnética producida por la aceleración de una partícula cargada 
cuando es desviada por otra partícula cargada. 
4 Una partícula cargada con suficiente masa y energía cinética puede interaccionar con un núcleo atómico provocando 
estados exitados que inducen su decaimiento a través de la emisión de nucleones y rayos γ. 
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La sección eficaz de ionización de la subcapa i-ésima de un elemento de número atómico 
Z de la muestra se incrementa con la energía de la partícula incidente, alcanzando un valor 
máximo cuando la velocidad del proyectil se iguala a la del electrón expelido de la 
subcapa i-ésima. 
La energía del proyectil para el caso de los protones, debe ser tres órdenes de magnitud 
superior a la energía de enlace del electrón, del orden de MeV, pero ocurre que con 
incrementos mayores en la energía del proyectil se provoca un decremento de la sección 
eficaz de ionización. Es por eso que debe conocerse bien la sección eficaz de ionización y 
producción de rayos X para el análisis cuantitativo con PIXE; sin embargo, no es una 
magnitud fácil de calcular5. Una ventaja de utilizar protones en el análisis PIXE es que se 
obtienen los valores de secciones eficaces de ionización más altas con energías de los 
iones no muy altas. 
La FIGURA 3.2 ilustra el comportamiento y los valores de la sección eficaz de ionización de 
las capas K y L para protones, su dependencia con la energía del proyectil E, en el 
intervalo típico de energías utilizadas en PIXE y con el número atómico del material. 
Nótese el decremento en la sección eficaz de ionización con el aumentode Z, hecho que 
ocurre bruscamente para el caso de la capa K. 
La eyección de electrones ligados a los niveles atómicos K y L de los átomos presentes en 
las muestras permite inducir la emisión de los fotones X característicos de cada elemento, 
fundamento físico de la técnica PIXE. Como los rayos X son generados por transiciones 
electrónicas entre niveles atómicos, las transiciones hasta la capa K se denominan Kα 
cuando provienen de la capa L, y Kβ cuando provienen de la capa M. En tanto que las 
transiciones hasta la capa L se denotan como Lα, Lβ, etc. 
 
 
 
 
5 Existen modelos teóricos que permiten estimar la sección eficaz de ionización y que sirven como 
referencia para los análisis cuantitativos vía PIXE [5]. 
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Los espectros de rayos X generados por estas transiciones pueden tener muchas más 
componentes debido a que el electrón que cubre la vacante puede provenir de un gran 
número de subcapas, situación que hace que aparezca una cierta cantidad de líneas K, de 
líneas L, etc. que deben también identificarse. 
Su denominación se asigna de acuerdo a la intensidad relativa que cada una de estas líneas 
tiene dentro de su grupo, la línea K más intensa será la línea Kα la siguiente será la Kβ. A 
su vez, cada línea puede estar 
compuesta por cierto número 
de transiciones reconocidas por 
un subíndice (1, 2, 3, ...) 
existiendo así las líneas Kα1, 
Kα2; Lα1, Lα2, 
La FIGURA 3.3 muestra las 
líneas más importantes para el 
análisis PIXE. 
 
 
 
 
é FIGURA 3.2 Secciones eficaces de ionización de las capas 
K y L en función de la energía del protón E y Z del analito. 
é FIGURA 3.3 Niveles de energía atómicos y 
transiciones atómicas que dan origen a rayos X. 
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Si graficamos el número de rayos X detectado contra la energía de cada uno de ellos 
obtendremos el espectro de rayos X. Los espectros completos de rayos X en PIXE pueden 
llegar a ser complejos y algunos de sus componentes aparecen con valores de energía muy 
similares, por ejemplo, la Kα1 y Kα2, que aparecen en el espectro como un solo pico, 
mientras que otras transiciones son de poca intensidad. 
Otro factor a considerar es la disminución de la sección eficaz de producción de líneas K 
con el aumento de Z, el cual determina qué serie de rayos X se utiliza para analizar cada 
elemento. La FIGURA. 3.4 muestra la energía de los rayos X correspondientes a cada serie 
en función del número atómico de los elementos. 
 
ç FIGURA 3.4 Energía de las 
líneas principales de emisión de 
rayos X en función de Z. 
 
 
 
 
 
 
La energía de los rayos X identifica unívocamente la presencia de cada elemento en tanto 
que su intensidad permite determinar la concentración del elemento en la muestra. En la 
FIGURA 3.5 se muestra un espectro típico de PIXE compuesto por las líneas Kα y Kβ de los 
elementos ligeros y medios y las líneas L de los elementos pesados. 
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é FIGURA 3.5 Espectro típico de PIXE. 
Además de los rayos X característicos presentes en el espectro, en la FIGURA 3.6 también se 
observa un fondo continuo, que determina el límite de detección para cualquier elemento. 
Este fondo continuo se origina por bremsstrahlung de los protones incidentes, el 
bremsstrahlung de los electrones6, principal contribuyente al fondo y la radiación γ 
originada por reacciones nucleares inducidas en los elementos ligeros. 
3.2.2 INSTRUMENTACIÓN 
En esquema de la FIGURA 3.6 se ve una representación del acelerador Tándem de 3 MV 
(modelo NEC 9SDH-2 Pelletron) instalado en el Instituto de Física de la UNAM. En el 
extremo superior derecho se observa la línea utilizada para los análisis PIXE al vacío. 
 
6 El bremsstrahlung de electrones resulta de tres fenómenos: el bremsstrahlung de electrones casi libres 
(QFEB), el bremsstrahlung de los electrones secundarios (SEB) y el bremsstrahlung atómico (AB). 
 
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é FIGURA 3.6 Representación del Pelletron IFUNAM. 
Los análisis PIXE utilizan la fuente de iones “SNICS” (Sputter Negative Ion Cessium 
Source”), donde se pueden obtener iones negativos de una gran cantidad de elementos. Un 
cátodo formado por un cilindro de cobre libre de oxígeno de aproximadamente 6 mm de 
diámetro exterior, parcialmente ahuecado, se rellena con un sólido que contenga al 
elemento del que se quiere formar un ion negativo y se inserta en la fuente SNICS. Ahí se 
le aplica una diferencia de potencial negativa de aproximadamente 5 kV y se pone en 
contacto con vapores de cesio a fin de ionizar al elemento. 
Los iones de cesio son empleados como proyectil en contra de la superficie de la sustancia 
de la cual deseamos obtener iones negativos. El impacto de los iones de cesio favorece la 
extracción (sputtering) de átomos, iones y moléculas superficiales. En presencia del cesio 
ionizado el resto de los átomos o moléculas, tenderán a arrancar más electrones a los iones 
de cesio, produciendo más iones positivos de cesio con la creación simultánea de iones 
negativos de los átomos y moléculas libres. 
Los iones negativos se dirigen hacia el acelerador gracias a la diferencia de potencial de 
extracción, de aproximadamente 50 kV, que favorece el que todos los iones negativos 
formados sean extraídos de la fuente. 
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Después, el campo magnético de un imán impone una trayectoria circular a estos iones, 
cuyo radio de curvatura depende de su masa. Luego de haber recorrido un arco de 
circunferencia de algunos grados, las trayectorias se van separando y el sistema es capaz 
de seleccionar un radio de curvatura fijo, lo que permite seleccionar partículas de una 
masa particular, que será finalmente inyectada al acelerador. 
Los iones negativos son introducidos al acelerador Pelletron, que es un acelerador 
electrostático de dos etapas o tándem con una terminal de alta tensión positiva en el centro 
de un tanque. Desde el punto de inyección hasta la terminal de alta tensión hay un tubo 
acelerador que tiene los elementos geométricos que permiten conducir a todos los iones 
negativos al interior de este tubo al vacío, hacia la terminal, acelerándolos gradualmente 
hasta adquirir la energía correspondiente al potencial de la terminal. 
Al entrar al interior de la terminal metálica el campo eléctrico es cero y a lo largo de 60 
cm, los iones mantienen una velocidad constante; en el camino, colisionarán con una 
“cortina” de nitrógeno, sustancia con la que interaccionan a altas velocidades resultando 
en la pérdida de electrones (stripping). De esta manera, los iones adquieren una carga 
positiva igual al número de electrones perdidos: 1+, 2+, 3+, etcétera. Para un isótopo 
dado, la distribución de estados de carga no es arbitraria. La distribución de estados de 
carga depende de la velocidad del ion, de su propia identidad y del material que atraviesa, 
distribución conocida como de estados de carga en equilibrio. 
En el momento en que los iones, ahora positivos, salen del interior de la terminal de alta 
tensión, por un nuevo tubo acelerador que los conduce en línea recta hacia el exterior de la 
máquina, en lugar de ser atraídos por el potencial positivo, serán repelidos y acelerados, 
alejándose de la terminal; esta segunda etapa es llamada de alta energía. 
A la salida del acelerador se tendrá una mezcla de iones de distintos elementos, estados de 
carga y velocidades. Mediante un segundo campo magnético producido por un imán 
selector, se producen nuevas trayectorias circulares con radios dependientes del estado de 
carga, velocidad y masa. Nuevamente es posible hacer una selección, esta vez más 
rigurosa de la masa y energía de los iones que se desea conservar e inyectar en la línea de 
interés. 
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El haz así obtenido es enfocado por cuadrupolos magnéticos, antes de incidir sobre la 
muestra. Para reducir la dispersión de los haces

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