La curiosidad nunca mató al científico

Llevar una dieta equilibrada, conocer los alimentos que comemos, saber cuando la publicidad nos engaña y, en definitiva, comer sin miedo y con conocimiento, son facetas que todo buen experto en nutrición debería entender. Nunca es tarde para aprender sobre nutrición ya que es un tema al que vamos a tener que recurrir durante toda nuestra vida. Pero vamos al asunto del post que no es otro que hablar sobre uno de los alimentos que no faltan en mi desayuno de cada día: la miel.

Miel, todo química

La miel es una disolución acuosa viscosa con un alto contenido en azúcares. Se compone aproximadamente de 40% de fructosa, 30% de glucosa, 20% de agua y pequeñas cantidades de otros carbohidratos como sacarosa, maltosa, y cantidades traza de vitaminas, aminoácidos, proteínas y otros nutrientes como diferentes flavonoides. Este contenido aproximado puede variar dependiendo del tipo de plantas que hayan visitado las abejas productoras. Una propiedad interesante de la miel es que debido a su bajo contenido en agua, posee un poder hidrofílico muy alto, por lo que será capaz de absorber agua fácilmente. Por eso, es muy difícil que en la miel se desarrollen bacterias ya que es capaz de matarlas tras absorber el agua que poseen, y de ahí viene el gran poder conservante que tiene: se puede almacenar durante años sin ponerse mala. Obviamente, las abejas no fabrican miel para que el ser humano la consuma, sino que su principal objetivo es utilizarla como su propio alimento.

Producción de miel por las abejas

Aunque la producción de miel por parte de las abejas ha sido extensamente estudiada todavía no se conocen todos los detalles de esta increíble y laboriosa producción. Si comenzamos por el principio, la materia prima esencial para la producción de miel es el néctar de las flores. Este néctar es otra disolución acuosa que contiene azúcares como sacarosa, glucosa y fructosa, aminoácidos como alanina, arginina, serina, prolina, glicina, isoleucina, treonina y valina, minerales y varias sustancias químicas más. Es producido por las flores para atraer a, principalmente, insectos y que realicen la función de polinización. El néctar contiene alrededor de un 80% de agua, por lo que el mayor trabajo que tienen las abejas es la reducción de este agua hasta llegar al 20% que la miel presenta.

Aunque el néctar es el principal componente en la producción de la miel, también participan otras sustancias como la savia de las plantas o la propia saliva de las abejas. El proceso de fabricación de la miel es bastante complejo y en el que colaboran una gran cantidad de abejas. Desde el momento que una abeja obtiene el néctar de un flor ya se está empezando a realizar el proceso, ya que la primera abeja lo traga y se va mezclando con enzimas dentro de su organismo. Cuando llena el buche, la abeja vuelve a la colmena, y en ese momento, reparte todo ese néctar a las abejas obreras que se encuentran allí para volver a salir en busca de más cantidad de néctar. Para rebajar la cantidad de agua, las abejas van pasándoselo unas a otras de manera continua, evaporando el agua y enriqueciéndolo con ciertas enzimas que van generando. Este proceso se repite durante cientos o miles de veces y podría llegar a durar días, dependiendo de la humedad y temperatura ambiente, hasta que el porcentaje de agua está en el 20%. En ese momento, las abejas depositan el néctar concentrado en el panal, recubriendo las celdillas con una capa de cera para su almacenamiento. Ya tenemos lista la miel para su recolección.

He indicado que ciertas enzimas juegan un papel importante en la transformación del néctar hasta convertirse en miel. Las funciones de estas enzimas son las de deshidratar, transformar la composición química y modificar el pH. El tipo de enzimas más importante son las invertasas, como la sacarasa. Esta enzima es capaz de convertir la sacarosa en sus dos carbohidratos más simples: glucosa y fructosa, haciendo que la miel esté muy concentrada en glucosa y fructosa, con una cantidad significativamente menor de sacarosa.

Reacción química enzimática miel en abejas

¿Pero la miel no es producida a partir del polen de las flores?

Pues como se ha explicado, la miel es producida a partir del néctar de las flores no del polen. El polen es un sólido particulado, parte del aparato reproductor, que es vital para el proceso de reproducción de algunas plantas. Las abejas y otros insectos juegan un papel muy importante en el proceso de polinización, ya que transportan estas partículas adheridas al cuerpo desde una planta a otra donde puede ocurrir la germinación para producir las semillas. Por otra parte, puede ser también utilizado como alimento (especialmente para las larvas) ya que las abejas son capaces de digerirlo tras un proceso de fermentación para formar pan de abeja, pero el polen no juega un papel en la producción de miel.

Hay que ser conscientes de que todos los alimentos que consumimos presentan una gran cantidad de sustancias químicas y su elaboración ya sea de forma natural o sintética ha sido posible gracias a una gran cantidad de reacciones químicas.

Referencias

  • S. W. Nicolson, Bee food: the chemistry and nutritional value of nectar, pollen and mixtures of the two, African Zoology, 46(2), 2011.
  • RE. Huber, RD. Mathison, Physical, chemical, and enzymatic studies on the major sucrase of honey bees (Apis mellifera), Can J Biochem, 54(2), 1976.
Este post participa en la XXXI Edición del Carnaval de la Química que se celebra en ZTFNews.
 

Quizás la química más apasionante sea la que podemos observar día a día mientras hacemos las tareas cotidianas, me parece muy interesante saber qué ocurre en el núcleo de una estrella, pero creo que la gente podría entender mejor y tener un mayor interés por la ciencia conociendo cómo funcionan las cosas que pueden ver todos los días. Por eso, comienzo una nueva serie en el blog, que se va a dedicar a explicar este tipo de asuntos, que se llamará “Química Cotidiana”. Empezando por la cebolla, ese alimento que no deja indiferente: o te gusta o la odias.

Onion cutting

Mientras vamos cortando la cebolla como cual Arguiñano, no estamos más que rompiendo las células eucariotas de las que se compone este vegetal tan singular. Principalmente se está liberando agua, pero también multitud de compuestos químicos, como por ejemplo aminoácidos sulfóxidos o algunas enzimas, como la alinasa, y la sintasa del factor lacrimógeno. Aunque, por el nombre podría parecer que este último compuesto es el responsable de nuestras tristes lágrimas cortando cebolla, no es el caso, y se debe a varias reacciones químicas que se producen a partir de estas sustancias:

  • Formación de ácido 1-propenilsulfénico mediante la reacción química de trans-(+)-S-(1-propenil)-L-Cisteína sulfóxido con la enzima alinasa.

Ecuación química cebolla 1

  • Reacción del ácido 1-propenilsulfénico con la sintasa para generar syn-propanotial-S-óxido

Ecuación química cebolla 2

Este compuesto generado, tras las reacciones enzimáticas, es un compuesto volátil que llega rápidamente hasta nuestros ojos, allí encuentra una zona acuosa, por lo que parte de este compuesto organosulfurado se solubilizará en esa disolución acuosa que recubre nuestros ojos. En este lugar se producirá la siguiente reacción química:

  • Reacción del syn-propanotial-S-óxido con el agua de los ojos para formar una pequeña parte de ácido sulfúrico que será el responsable de la irritación que notamos en este momento.

Ecuación química cebolla 3

A partir de este momento, entrarían en funcionamiento los mecanismos de defensa que nuestro evolucionado organismo tiene, y el cerebro emitiría una señal a los conductos lacrimales para producir una mayor cantidad de agua (lagrimas) que diluyan ese ácido sulfúrico y consigan eliminarlo de nuestros ojos.

Así que el acto involuntario de llorar cuando estamos cortando cebolla es simplemente un mecanismo de defensa para eliminar la irritación de los ojos. Aunque ahora también hay cebollas que no nos hacen llorar.

Referencias

  • Ask a Science teacher. Larry Schekel. 2013.
  • S. Imai, N. Tsuge, M. Tomotake, Y. Nagatome, H. Sawada, T. Nagata, H. Kumagai, Plant biochemistry: An onion enzyme that makes the eyes water, Nature, 419, 2002, http://dx.doi.org/10.1038/419685a
Este post participa en la XXXI Edición del Carnaval de la Química que se celebra en ZTFNews.
 
PS. Vuelvo a escribir en este blog tras un año sabático😉

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.

Estructura del grafeno

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.

Esquema sensor químico

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.

Aptasensor impedimétrico con grafeno para detectar células cancerígenas

  • 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.

Sensor óptico con grafeno y quantum dots

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.

ResearchBlogging.orgKochmann, 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.

Los quantum dots (puntos cuánticos en español) son nanopartículas de materiales semiconductores. Típicamente, pueden contener desde 100 a 100.000 átomos, con un diámetro total de partícula entre 2 a 10 nm, aunque existen con mayores dimensiones.

Estas nanopartículas fueron descubiertas en los años 80 por Alexei Ekimov y Louis Brus las obtuvo en disolución coloidal. Desde aquellos años, las referencias científicas de trabajos utilizando quantum dots se han visto incrementadas exponencialmente, con más de 4000 artículos al año durante la última década, y más de 6000 anualmente en los últimos cinco años.

Trabajos publicados sobre quantum dots

Trabajos publicados sobre quantum dots

Como otros nanomateriales, la mayor parte de sus átomos están en su superficie, por lo que la relación superficie-volumen de los quantum dots es muy elevada, algo que, junto al confinamiento cuántico, influye en que sus propiedades sean muy diferentes a las de los materiales macroscópicos.

El confinamiento cuántico ocurre cuando los electrones están restringidos a moverse en una región muy pequeña, como es el caso de los quantum dots menores de 10 nm. Este efecto hace que las propiedades electrónicas y ópticas de los quantum dots sean determinadas por su tamaño.

Un semiconductor posee una banda energética llena de electrones (banda de valencia) y una banda energética vacía (banda de conducción) separadas por una diferencia de energía (bandgap). Esta diferencia de energía es mayor que para un material conductor y menor que para un material aislante. Un proceso de luminiscencia consiste, básicamente, en la excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción y el regreso de ese electrón a la banda de valencia con la consiguiente emisión de un fotón con energía igual al bandgap. Como en los quantum dots el bandgap es variable con el tamaño del quantum dot, el color del fotón emitido será función de ese tamaño. La excitación de un electrón en los quantum dots se puede producir por absorción de luz de varias energías (espectro de absorción ancho).

Emisión de luz tras excitación electrónica en un semiconductor

Emisión de luz tras excitación electrónica en un quantum dot

En resumen, los quantum dots absorben luz de un continuo de energías, pero emiten luz de energías discretas (un solo color) que depende de su tamaño. Por otra parte, la intensidad fluorescente es mayor que para los fluoróforos convencionales.

Espectro de emisión de quantum dots de diferentes tamaños

Quantum dots de diferentes tamaños Fluorescencia de quantum dots de diferentes tamaños

Los principales materiales semiconductores de los que están hechos los quantum dots son CdSe, CdS, CdTe, InP, ZnS y PbS, ya que éstos poseen unas propiedades electrónicas adecuadas para obtener quantum dots fluorescentes, pero cada uno de estos materiales tienen unas propiedades diferentes como estructura, toxicidad (por liberación de metales), comportamiento óptico o capacidad para unir grupos funcionales a su superficie.

Los quantum dots pueden estar formados por un solo semiconductor o por una mezcla de ellos en un sistema core-shell. Estos últimos se componen de un núcleo  de semiconductor (core) al que se le hace crecer otro semiconductor alrededor formando una capa externa (shell). Esta capa exterior protege al núcleo contra la oxidación y los defectos en su estructura, aumentando la estabilidad de los quantum dots e incluso incrementando la luminiscencia de estas nanopartículas. Dentro de estos quantum dots core-shell, destacan los hechos de CdSe-ZnS, que han sido uno de los más estudiados. Se componen de un núcleo de CdSe y de una capa externa de ZnS.

Existen diversas maneras de sintetizar los quantum dots, aunque lo más común es su síntesis como nanopartículas coloidales en una disolución. Consiste, básicamente, en una reacción química a alta temperatura entre precursores de los semiconductores en un disolvente orgánico. Los cristales de quantum dots se forman mediante un proceso de nucleación y crecimiento. A posteriori se realiza un paso de precipitación selectiva para obtener quantum dots del mismo tamaño. Las nanopartículas que se obtienen son solubles en medio orgánico, pero la mayoría de las aplicaciones necesitan que sean solubles en medio acuoso, por lo que, normalmente, la superficie de los quantum dots es modificada con algún polímero que le proporciona solubilidad en agua y capacidad para poder unirse con biomoléculas de interés.

Quantum dot core-shell (CdSe/ZnS)

Quantum dot core-shell (CdSe/ZnS) con polímero entrecruzado

Debido a su comportamiento óptico, absorción y emisión, los quantum dots tienen y tendrán muchas aplicaciones, como en alumbrado, energía fotovoltaica y especialmente, imagen biomédica.

Una de estas aplicaciones son los quantum dots LEDs (QLEDs), ya que los quantum dots también poseen propiedades electroluminiscentes, pueden emitir luz tras aplicarles un voltaje eléctrico. Una de sus ventajas es que pueden utilizarse en sustratos flexibles, algo que no es posible con los materiales convencionales. Podrían emplearse para alumbrado eficiente o pantallas de dispositivos electrónicos ya que consumen poca energía.

Su alta capacidad de absorción de luz puede usarse para mejorar la eficiencia de placas fotovoltaicas y reducir su coste. Quizás los quantum dots jueguen un importante papel en el futuro de las energías renovables.

Otra de sus próximas aplicaciones podría ser su uso en computación cuántica.

Pero sin duda alguna, la aplicación con mayor potencial que presentan los quantum dots es en imagen biomédica. Su empleo para el estudio de procesos biológicos en organismos, incluso in-vivo, permite obtener una información clave de cómo funcionan muchas enfermedades y facilitar la obtención de tratamientos adecuados para ellas. Su pequeño tamaño posibilita su introducción en células, e incluso el seguimiento de moléculas individuales.

Comparados con los colorantes orgánicos utilizados mayoritariamente en la actualidad, la luminiscencia de los quantum dots es mucho más intensa y su estabilidad es mayor, por tanto se pueden utilizar para el estudio de procesos durante un tiempo más largo.

Un ejemplo de los primeros y más citados, fue el trabajo realizado en 2004 por Nie et al. en el que utilizaron quantum dots multicolor contra tumores de ratones. Los quantum dots modificados con anticuerpos se unieron a las células cancerosas permitiendo su visualización óptica. También realizaron otros estudios como el seguimiento de células marcadas con quantum dots en el organismo de los ratones.

Células marcadas con quantum dots en un ratón

Células marcadas con quantum dots en un ratón

Las posibilidades son enormes. Desde el estudio de enfermedades al seguimiento de la distribución de fármacos en el organismo en tiempo real. Estas aplicaciones unidas a la capacidad de visualizar simultáneamente diferentes quantum dots por su diferente color hacen que estas nanopartículas sean muy prometedoras.

Dentro de la Química Analítica, mi especialidad favorita, los quantum dots se utilizan como marca fluorescente en bioensayos. Estos quantum dots están conjugados con biomoléculas como anticuerpos, oligonucleótidos, enzimas o aptámeros de manera que se pueden detectar biomarcadores ópticamente. El uso de diferentes quantum dots permite detectar diferentes biomarcadores simultáneamente por la diferencia de color en su emisión de luz. También es posible su empleo como marca electroquímica de biosensores, el cual es mi trabajo en la actualidad, pero de esto escribiré en un futuro (espero que próximo).

Una de las cuestiones a resolver para que puedan tener un mayor uso clínico es la toxicidad de algunas de estas partículas para estudios in vivo. Algo que estoy seguro se solucionará en poco tiempo.

Su descubrimiento y desarrollo son merecedores de un Premio Nobel de Química y aunque estaban en las quinielas para el año 2012 tendrán que esperar.

Referencias

  • Fundamentals and Applications of Nanomaterials. Zhen Guo, Li Tan. 2009. ISBN-13: 978-1-59693-262-3
  • Nanomaterials for Biosensors. Edited by Challa S. S. R. Kumar. 2007. WILEY-VCH ISBN: 978-3-527-31388-4
  • Gao, X. H., Cui, Y. Y., Levenson,
R. M., Chung, L. W. K., Nie, S. M., In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 969–976.
  • Esteve-Turrillas, F. A., Abad-Fuentes, A., Applications of quantum dots as probes in immunosensing of small-sized analytes, Biosens. & Bioelectron., 2012, http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2012.09.025
Este post participa en la XVIII Edición del Carnaval de la Química que se celebra en XdCiencia.

PerrínLos perros son animales que llevan domesticados desde aproximadamente 14000 años, y a parte de hacernos compañía, nos ayudan en muchísimas situaciones de la vida diaria. Tienen una capacidad tremenda para aprender y cooperar con los humanos. Todos hemos visto, al menos en la TV, algún perro que le lleva el periódico o las zapatillas a su dueño.

En la mayoría de sus actividades su excelente olfato juega un papel crucial, lo utilizan para identificar cantidad de cosas, o incluso para comunicarse. Su aparato olfatorio es realmente especial. El área del epitelio olfatorio en la cavidad nasal de los perros es mucho mayor que en los humanos. Los pastores alemanes tienen más de 200 millones de células olfatorias en un área de 170 cm2, mientras que en los humanos sólo hay 5 millones de células en 5 cm2 de epitelio olfatorio. El aparato olfatorio de los perros asegura que suficiente moléculas llegan a los receptores de la nariz, y es capaz de detectar medio millón de compuestos olorosos en concentraciones traza que son imperceptibles a la nariz humana.

Los perros entrenados se utilizan para diferentes fines como rastreo, detección de sustancias (explosivos, drogas), identificación de personas por su olor, o búsqueda de víctimas de desastres, entre otras. Es evidente su eficacia en todas estas actividades y se buscan nuevos fines donde puedan ser útiles. Uno de estos novedosos fines es el empleo del extraordinario olfato que poseen para la detección de cáncer en personas, a través del olor que despiden esas personas, al menos hasta que el desarrollo de los métodos descritos en el artículo anterior, en Curiosidades de un químico soñador, sean mejorados.

Todo empezó con el informe sobre dos casos donde perros se comportaban de manera especial con una parte de la piel de sus dueños y tras el análisis médico se demostró que los perros habían identificado tumores en la piel de sus dueños. Muchos de los resultados obtenidos usando perros entrenados son prometedores, sin embargo, estudios más profundos son necesarios para tener una certeza elevada en el uso de los canes para la detección de cáncer.

Los trabajos de investigación publicados hasta ahora demuestran que los perros, tras un entrenamiento apropiado son capaces de discriminar muestras de aliento, orina, heces o tejidos cancerosos de pacientes con cáncer de pulmón, mama, próstata u ovarios de las respectivas muestras obtenidas de humanos sanos con una sensibilidad y selectividad mayor que el 80%.
Por ahora, no se ha podido obtener información sobre a que sustancias químicas el olfato de los perros está respondiendo o la cantidad de estas sustancias. Si en el futuro se pudiera correlacionar, sería un posible método para obtener biomarcadores de cáncer en el olor.

Nariz de perro

Habrá que tener especial atención al entrenamiento de los perros en los estudios donde se obtienen buenos resultados, ya que el entrenamiento puede ser una pieza clave para el resultado exitoso de los análisis.

El análisis biomédico está abierto a diferentes situaciones innovadoras que claramente tengan una base científica, y cuyos buenos resultados se hayan obtenido tras seguir el método correcto de la ciencia.

Aquí tenemos un motivo más para tratar bien a nuestras mascotas, un día podrían detectarnos un cáncer precozmente y salvarnos la vida.

ResearchBlogging.orgBogusław Buszewski, Joanna Rudnicka, Tomasz Ligor, Marta Walczak, Tadeusz Jezierski, & Anton Amann (2012). Analytical and unconventional methods of cancer detection using odor Trends in Analytical Chemistry, 38 DOI: 10.1016/j.trac.2012.03.019

Sin duda alguna, una de las enfermedades más importantes que existen en la actualidad es el cáncer. Un porcentaje muy alto de la población tienen, han tenido o tendrán cáncer en algún momento de su vida, y la posibilidad de no recuperarse es bastante elevada, dependiendo del tipo de cáncer.

Por tanto, se está poniendo especial enfásis y bastantes recursos en intentar acabar con esta enfermedad. Mientras llega ese esperado día, es muy importante detectar la patología de una manera precoz, incluso antes de no padecer ninguno de los síntomas. Se están investigando métodos de detección que posean características favorables para el paciente, que no sean invasivos, sin dolor y lo más simples y rápidos posible. Muchos de estos métodos son bastantes novedosos, como la detección de cáncer mediante el análisis del aliento.

Existen evidencias de que algunos compuestos orgánicos volátiles (VOCs), como hidrocarburos, alcoholes, aldehídos o cetonas que pueden ser detectados en el aliento de un paciente son posibles marcadores de cáncer.

Existen diferentes técnicas analíticas con las que se pueden realizar el análisis de estos compuestos volátiles, pero destacan dos: cromatografía de gases con espectrometría de masas (GC-MS) y “arrays” de sensores de gases (nariz electrónica).

Equipo de Cromatografía de gases - Espectrómetro de gases

Equipo de Cromatografía de gases – Espectrómetro de masas

Evidentemente, el análisis de VOCs para detectar cáncer es un método de screening, y por tanto para la total seguridad de que el paciente padece la enfermedad es necesario un análisis más específico e intrusivo, como una biopsia. Pero es una buena opción, por su bajo coste y sencillez, para hacer chequeos globales de la población y encontrar más pacientes con tiempo de tratar su enfermedad. Se necesita más trabajo para identificar, con absoluta certeza, más marcadores de cáncer que se encuentren en el aliento y que aparezcan en las fases más tempranas de la enfermedad, pero el futuro de estos métodos es muy prometedor.

Nariz electrónica para análisis de gases

Nariz electrónica para análisis de gases

Gracias a los investigadores se está consiguiendo que la detección de diferentes enfermedades cada vez sea más fácil, rápida y barata.

ResearchBlogging.orgBogusław Buszewski, Joanna Rudnicka, Tomasz Ligor, Marta Walczak, Tadeusz Jezierski, & Anton Amann (2012). Analytical and unconventional methods of cancer detection using odor Trends in Analytical Chemistry, 38 DOI: 10.1016/j.trac.2012.03.019

De nuevo les traigo más noticias sobre el humano sensórico del que hablaba en el artículo sobre los biosensores implantables. Y es que es un tema en el que se está investigando mucho y tendremos resultados muy pronto. Hace unos años nadie pensaba que íbamos a llevar tantos sensores con nosotros, y ahora cualquier teléfono inteligente tiene varios, como el GPS, de luminosidad o el sensor magnético, todos ellos sensores físicos. El próximo paso estará en llevar con nosotros sensores químicos, sensores químicos vestibles.

Los últimos avances en sensores electroquímicos nos llevan a novedosas metodologías de fabricación  y mejoras en las técnicas de análisis que posicionan a los sensores electroquímicos en la primera posición para ser los próximos sensores vestibles. Estos sensores son capaces de ofrecer información sobre diferentes factores en tiempo real, con especial relevancia, información sobre la salud de la persona que lleva el sensor, pero también información sobre el entorno, como la contaminación que le rodea o si existe alguna clase de peligro químico.

El primer cambio importante a considerar en cuanto a los sensores electroquímicos convencionales consiste en los diferentes sustratos en los que estos sensores se imprimen. Para que puedan ser llevados por los usuarios, los sustratos tienen que ser flexibles, ya que tanto nuestro cuerpo como la ropa que llevamos no poseen una conformación plana ni rígida. Por tanto, los sensores vestibles deben funcionar correctamente incluso en condiciones de deformación o movimiento, a la vez que estos sensores deben tener una especial robustez.

La versatilidad de las técnicas de fabricación de películas gruesas permite la realización de diferentes geometrías de los electrodos que pueden satisfacer los requerimientos de los dispositivos vestibles. Entre las tecnologías para hacer estos dispositivos se encuentran el serigrafiado (screen-printing) y la transferencia por sello (stamp transfer). La segunda es una alternativa que puede ser utilizada en superficies no planas, característica que no cumple el serigrafiado. Las tintas que se utilizan en estas tecnologías pueden ser de diferentes materiales, como carbono, oro o platino y pueden estar modificadas con otras sustancias que permitan una alta selectividad en el análisis de diferentes componentes, como por ejemplo, enzimas.

Técnica del stamp transfer para fabricación de sensores electroquímicos

Técnica del stamp transfer para fabricación de sensores electroquímicos

Entre los principales materiales que se utilizan para el desarrollo de sensores electroquímicos flexibles se encuentran las poliimidas, el naftalato de polietileno, el tereftalato de polietileno y el Teflón. Estos materiales permiten que los sensores funcionen correctamente incluso encontrándose deformados con un radio de curvatura extremadamente pequeño.

Sensores electroquímicos flexibles

Sensores electroquímicos flexibles

Algunas de las sustancias analizadas correctamente hasta ahora con estos sensores flexibles son ferrocianuro, trinitrotolueno (TNT), nitronaftaleno (NN), e incluso se han desarrollado biosensores de glucosa flexibles. Dentro de esta categoría de sensores destaca un biosensor flexible desarrollado por el grupo de Wang et al. para su inserción en el conducto lacrimal y monitorizar diferentes biomarcadores como norepinefrina, dopamina y glucosa en las lágrimas.

Por tanto, se ha demostrado que estos sensores flexibles son una buena opción para convertirse en sensores vestibles ya que no tienen un funcionamiento diferente cuando están sometidos a deformación o tensión mecánica.

Dentro del grupo de los sensores vestibles destacan, pues, los sensores que pueden ser llevados en la ropa, teniendo como sustrato diferentes materiales textiles. Los sensores que se disponen en estos materiales también tienen que sobrevivir a deformaciones, incluyendo estiramientos. Otra de las características ideales de estos sensores es que no deben influir en la rutina diaria del usuario.

Estos sensores permiten el análisis de sustancias que se encuentran en la transpiración o el sudor. Dentro de este conjunto de sensores se han desarrollado unos calzoncillos con electrodos de carbono que permiten obtener información fisiológica del usuario. Los calzoncillos poseen un contacto íntimo (nunca mejor dicho) con la piel y por tanto, permite la monitorización de diferentes sustancias del organismo con el paradigma de llévalos-y-olvídate. Por tanto estos calzoncillos con sensores electroquímicos son un ejemplo importante de lo que nos podemos encontrar en la ropa del futuro.

Calzoncillos sensóricos

Calzoncillos con electrodos de carbono y su respuesta al NADH

No necesariamente estos sensores llevados en la ropa sólo pueden servir para determinar sustancias fisiológicas, sino que podrían usarse para analizar el entorno del usuario en materia de seguridad. Dentro de este grupo, se ha desarrollado un sensor sobre Gore-TEX que permite la detección de explosivos como el 2,4-dinitrotolueno (DNT) y el TNT, tanto en fase líquida como fase gaseosa.

Sensor vestible sobre Gore-TEX

Sensor vestible sobre Gore-TEX

Ropa sumergible fueron otras de las prendas en las que se ha implementado un sensor vestible, en este caso el material es neopreno. Además, este sensor fue integrado con un potenciostato encapsulado, con lo que permite tener una indicación en tiempo real si determinados contaminantes del agua están por encima de un nivel. Esta prenda podría ser usada por buceadores o surferos que sean alarmados si el agua en el que se encuentran presenta peligro para la salud.

Sistema electrónico del sensor sobre neopreno

Sistema electrónico del sensor sobre neopreno

Un paso más de integración de los sensores con el organismo son los sensores “tatuables, los cuales se transfieren a la piel como si fueran tatuajes temporales.

Sensores electroquímicos tatuables

Diferentes estilos de sensores electroquímicos tatuables

El análisis de sustancias químicas que se encuentren en la superficie de la piel puede proporcionar información relevante sobre la salud del usuario y su exposición a diferentes contaminantes que residan en su entorno local. Estos sensores tatuables han sido utilizados para la detección de sustancias fisiológicas como ácido ascórbico (vitamina C) y ácido úrico, y también para la detección de TNT en el ambiente. Asimismo, tras el lavado de la piel con jabón, el sensor funciona sin problemas.

Incluso con el progreso que se ha conseguido en el campo de los sensores vestibles, la integración de la electrónica, la fuente de energía y la habilidad para comunicarse mediante tecnología wireless siguen siendo los mayores retos que se han de afrontar para que la implantación en la sociedad de estos dispositivos pueda ser una realidad. Mucho trabajo queda por hacer para mejorar las capacidades de estos dispositivos y que los usuarios puedan recibir el estado de su salud en tiempo real directamente en su ordenador o teléfono móvil.

Continuando con la innovación y consiguiendo eliminar estas barreras tecnológicas, los sensores electroquímicos vestibles jugarán un papel muy importante en el futuro hombre sensórico.

Este post participa en la XVII Edición del Carnaval de Química, alojado en el blog Un Geólogo en apuros

ResearchBlogging.orgJoshua Ray Windmiller, & Joseph Wang (2012). Wearable Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review Electroanalysis, 24 DOI: 10.1002/elan.201200349