Química entrometida
Una nueva nariz química portátil puede identificar una amplia gama de sustancias químicas
La nariz de un organismo vivo es esencialmente un detector biológico de moléculas que envía señales neurológicas al cerebro, el cual descodifica un olor determinado. La nariz humana, con seis millones de receptores olfativos, puede distinguir más de un billón de olores, mientras que algunas narices caninas poseen hasta 300 millones de receptores, que proporcionan una mayor sensibilidad en partes por billón. Las "narices electrónicas" son dispositivos electrónicos que pueden "olfatear" e identificar olores y sabores vaporizados. Estas narices sintéticas, que suelen estar conectadas a una gran cantidad de equipos de laboratorio, no son fácilmente transportables, lo que ha llevado a los investigadores a idear nuevos sensores transportables capaces de identificar una amplia gama de sustancias químicas.
Investigadores de la Escuela Swanson de Ingeniería de la Universidad de Pittsburgh han ampliado ese potencial diseñando un sistema a pequeña escala que forma patrones tridimensionales, que sirven como "huellas" químicas que permiten identificar sustancias químicas en soluciones. La investigadora principal es Anna C. Balazs, Catedrática Distinguida de Ingeniería Química, con el autor principal y postdoc Moslem Moradi, y el postdoc Oleg E. Shklyaev. El trabajo se publicó en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
"Los catalizadores son altamente selectivos; sólo determinados reactivos pueden desencadenar una reacción catalítica concreta. Debido a esta selectividad, los catalizadores en una solución pueden revelar la identidad de los reactantes. Si se añaden al fluido los reactivos adecuados, la reacción resultante genera el flujo espontáneo del fluido; el flujo, a su vez, puede doblar y dar forma a objetos flexibles sumergidos en la solución", explica Balazs. "Si se atan postes flexibles a la base de una cámara llena de fluido y se recubren con enzimas específicas, los reactivos añadidos obligarán a los postes a doblarse en distintas direcciones y a formar patrones visuales distintos".
"Lo sorprendente es que cada reactivo, o combinación de reactivos, produce un patrón distinto. En efecto, los productos químicos dejan una "huella dactilar" distintiva, que nos permite identificar la composición química de la solución".
En la simulación, Moradi construyó una cámara de cuatro milímetros cuadrados y un milímetro de altura, con 81 postes flexibles. Sólo unos pocos postes en lugares concretos estaban recubiertos con uno de los tres tipos de enzimas. "Si examinamos reacciones específicas, podemos discernir las formas que aportan al patrón general. En consecuencia, podemos controlar los patrones y afinar su aspecto". afirmó Moradi.
"Además, si los reactantes se añaden de uno en uno, podemos formar un caleidoscopio químico, ya que un patrón se transforma suavemente en otro cuando los reactantes anteriores son consumidos por la reacción y se añade un nuevo reactante a la solución".
Shklyaev añadió que estos resultados son notables porque los postes son similares a nodos electrónicos. "Los postes son como interruptores de encendido y apagado y se mueven en una dirección específica regulada por el flujo", dijo, "y los patrones revelan las huellas químicas". La química ocurre a nanoescala, y observamos a escala milimétrica patrones visibles formados por el poste, que pueden reflejar la luz y, por tanto, podrían detectarse a simple vista." Al mismo tiempo, los hallazgos ponen de relieve un medio de dirigir el flujo en la cámara sin construir nuevas paredes para cada aplicación, lo que amplía potencialmente la utilidad de un determinado dispositivo fluídico.
"Nuestras pruebas utilizaron tres enzimas diferentes, lo que nos permite generar múltiples patrones distintos en respuesta a sólo tres sustancias químicas diferentes. Dado que cada uno de los 81 postes podría recubrirse con una enzima distinta, el número total de patrones posibles aumenta exponencialmente con el número de postes. A nivel conceptual, los patrones son un análogo de las respuestas electroquímicas que da el cerebro para identificar olores o esencias".
dijo Balazs: "Como cada reactivo deja una huella dactilar específica, podemos formar una base de datos de patrones. Podemos utilizar esta base de datos para detectar una sustancia química peligrosa o una toxina acuática comparando el patrón generado con otros de la base de datos para identificar una coincidencia".
"Nuestro sistema sienta las bases de un conjunto de herramientas sencillo y portátil que permite añadir la sustancia química en una cámara y el patrón visual resultante identifica la sustancia. Es una nariz química bonita pero sencilla".
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