Aplicaciones del grafeno: sensores químicos

En 2004, K. Novoselov y A. Geim aislaron por primera vez grafeno tras hacer un curioso experimento. Aplicaron un trozo de cinta adhesiva a una muestra de grafito y estudiaron el material que quedaba pegado sobre la cinta. Descubrieron que había algunas monocapas de grafito sobre la cinta, un nuevo material que no había sido aislado anteriormente, el grafeno. A veces, experimentos rudimentarios hacen avanzar mucho a la ciencia.

El grafeno es una especie de carbono, como el grafito o el diamante, cuya estructura consiste en una lámina de átomos de carbono que están formando una red cristalina con forma de panal. Esta estructura presenta un grosor de un átomo de carbono. Desde su descubrimiento, este material ha recibido un especial interés debido a sus excepcionales propiedades:

• Características electrónicas únicas: gran conductor de electricidad.
• Alta conductividad térmica.
• Excelentes propiedades mecánicas; más ligero, fuerte, duro y flexible que el acero.
• Alta biocompatibilidad.

Por estas y otras propiedades, las aplicaciones del grafeno pueden ser muy variadas, por ejemplo como material en circuitos electrónicos integrados, células solares, y también en sensores químicos.

Hay diferentes especies de grafeno, como pueden ser el grafeno puro, el óxido de grafeno, o el óxido de grafeno reducido, los dos últimos poseen algunos grupos funcionales que tienen oxígeno en la estructura. Estos grupos funcionales les hace tener más reactividad pero sus propiedades son muy parecidas al grafeno puro.

Un sensor químico se puede definir como un dispositivo que transforma información química en una señal analítica útil. Consta, principalmente, de dos partes: un receptor, que proporciona el reconocimiento de la sustancia a analizar, y un transductor, que convierte la señal química obtenida de la sustancia en una señal medible por un instrumento. Si el elemento de reconocimiento es un reactivo biológico, se trata de un biosensor.

Existen muchísimos ejemplos de sensores y biosensores químicos donde se utiliza grafeno, en alguna de sus formas, para el análisis de diferentes sustancias químicas de interés, dos de estos ejemplos son:

• Detección de células cancerígenas mediante un aptasensor, sensor que utiliza hebras de ADN como elemento de reconocimiento. Estas hebras de ADN se utilizan para capturar las células cancerígenas a la superficie del sensor, y de esa manera solamente se detecta este tipo de células. La superficie del sensor está hecha de óxido de grafeno reducido, y las medidas se realizan mediante impedancia electroquímica.

• Detección de bacterias o virus mediante un sensor óptico con óxido de grafeno. Los quantum dots tienen propiedades fluorescentes, pero al interaccionar con el óxido de grafeno, su fluorescencia disminuye. Por tanto, si el ensayo es positivo y hay reacción con la sustancia a detectar, los quantum dots no se unen al óxido de grafeno y la fluorescencia será alta. Y al contrario el ensayo es negativo, se unirán y la fluorescencia será baja. De esta manera se puede cuantificar bacterias o virus en una muestra a partir de la detección de su ADN con este sensor.

Los sensores químicos desarrollados con grafeno presentan ciertas ventajas gracias al uso de este material como:

• alta adsorción de sustancias por lo que se produce una preconcentración y se mejora la sensibilidad
• bajo ruido eléctrico en los sensores electroquímicos, lo que mejora la relación señal/ruido
• respuesta sensora alta
• poder catalítico elevado, lo que hace mejorar la selectividad en sensores electroquímicos

Por tanto, el uso de grafeno en sensores y biosensores químicos es bastante elevado por estas ventajas, aunque a veces no sea el material que mejor funcione, como en uno de mis trabajos.

Seguramente el grafeno y sus derivados se usarán en muchas aplicaciones del día a día en el futuro, y todo gracias a un experimento que parecía no tener importancia.

Kochmann, S., Hirsch, T., & Wolfbeis, O. (2012). Graphenes in chemical sensors and biosensors TrAC Trends in Analytical Chemistry, 39, 87-113 DOI: 10.1016/j.trac.2012.06.004

Este post participa en la XX Edición del Carnaval de la Química que durante este mes se aloja en el blog La Ciencia de Amara de bioamara.