La curiosidad nunca mató al científico

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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.

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.

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Quantum dots, quizás el año que viene

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.

Un nuevo paso hacia el humano sensórico: los sensores químicos vestibles

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

El control de la salud en el futuro: humanos “sensóricos”

Imagínense por un instante como serán los humanos del futuro.

Seguro que más de uno han pensado que estarán llenos de elementos sensores tanto dentro del organismo como en los accesorios que utilizarán (ropa, relojes, teléfonos, etc.). Estos sensores serán capaces de medir diferentes propiedades como la temperatura y a partir de ese dato realizar acciones como enfriar la ropa si hace calor o algo similar.

El humano “sensórico” del futuro probablemente también posea sensores dentro del organismo para determinar sustancias útiles mediante las cuales poder controlar su salud.

En la actualidad ya se está investigando en este campo, que es el campo de los biosensores implantables. Estos biosensores son unos dispositivos que se utilizan para detectar y medir continuamente una sustancia biológica que posee alguna información sobre alguna patología. Y como su nombre indica son implantables dentro del organismo del paciente.

Generalmente estos biosensores son amperométricos, es decir aplican un potencial eléctrico para producir una reacción electroquímica que genera una corriente eléctrica la cual es medida. Lo más común es la utilización de enzimas como elemento reconocedor de la sustancia a analizar.

La aplicación estrella de estos biosensores implantables es la medida de glucosa en pacientes con diabetes, ya que es un sistema muy estudiado, y muy útil ya que la medida continua de la glucosa en estos pacientes es muy importante. Obviamente en el futuro aparecerán nuevas aplicaciones.

Estos dispositivos pueden transmitir los datos de manera automática a algún dispositivo de control, como un ordenador o el teléfono móvil del paciente, y de esta manera, el personal sanitario también puede tener acceso a esos datos y proporcionar al paciente información sobre que acciones debe tomar, como la toma de algún medicamento o el desplazamiento a un centro médico.

Biosensor implantable de lactato y glucosa

En la actualidad los investigadores en este tema se están encontrando con numerosos problemas hasta que estos dispositivos puedan ser utilizados de manera satisfactoria a gran escala, entre todas estas complicaciones destacan:

  • La respuesta del organismo al objeto extraño, de manera que es posible que el biosensor quede aislado por téjidos que genere el organismo tras la implantación y no pueda tener acceso a las sustancias a analizar. Para resolver esto se buscan materiales con una buena biocompatibilidad para que la respuesta del organismo sea lo mínima posible. También se pueden utilizar fármacos liberados en esa zona para disminuir la inflamación producida y que el rechazo sea menor.
  • Degradación de la enzima inmovilizada en el biosensor por sustancias existentes en el organismo, y por tanto el dispositivo deja de funcionar correctamente ya que no posee el elemento de reconocimiento.
  • Calibración interna: lo más correcto sería utilizar una calibración in-vivo, pero es algo muy complejo con estos dispositivos.
  • Cambios en la membrana del biosensor debido al tiempo o la temperatura. De esta manera pierde propiedades que dejan pasar hacia el biosensor las sustancias adecuadas.
  • Fallos en los materiales del dispositivo.

Existen tres formatos de diseño de estos biosensores que está siendo estudiado:

  • A) Diseño implantable pero unido a componentes externos, como la fuente de energía o los componentes electrónicos que están fuera del organismo.
  • B) Un diseño con circuito integrado y completamente implantado.
  • C) Circuito integrado de aplicación específica (ASIC) donde todos los componentes están también completamente implantados.

Estos diseños se pueden entender en la siguiente figura de una manera más visual:

Diferentes formatos de biosensores implantables

Otro de los retos de estos dispositivos es la utilización de baterías como fuente de energía. Hasta ahora no se han conseguido obtener baterías que aporten la suficiente energía y que posean un tamaño pequeño. Algunas herramientas futuras para eliminar este problema son el empleo de micro celdas de biofuel basadas en reactividad enzimática o fuentes de energía alimentadas por inducción.

Un biosensor implantable debe ser lo más pequeño posible, tener bajo consumo, e idealmente ser capaz de transmitir datos de manera inalámbrica y poder ser pogramado remotamente mientras está implantado en los tejidos vivos.

El potencial que tienen los biosensores implantables es tremendo. Está claro que todavía se necesita mucho esfuerzo, trabajo y dar los pasos adecuados para ser capaces de resolver los fallos existentes y que estos dispositivos funcionen correctamente.
Pero sin duda que en el futuro los biosensores implantables jugarán un papel muy importante en el control de nuestra salud.

ResearchBlogging.orgKotanen, C., Moussy, F., Carrara, S., & Guiseppi-Elie, A. (2012). Implantable enzyme amperometric biosensors Biosensors and Bioelectronics, 35 (1), 14-26 DOI: 10.1016/j.bios.2012.03.016

 

Este post participa en la XVI Edición del Carnaval de Química, alojado por Dr. Litos en ¡Jindetrés, sal!

Electrodos serigrafiados como plataforma analítica

Gracias, en parte, a Heyrovsky, desde hace décadas el análisis electroquímico ha sido utilizado para resolver diferentes problemas analíticos y dar información sobre la presencia y cantidad de una sustancia en una muestra. Las herramientas básicas para la realización de un análisis electroquímico son la instrumentación que se utiliza para aplicar y medir corrientes y potenciales eléctricos, el sistema de tratamiento de datos (generalmente, un ordenador), y los electrodos, que son los elementos que se encuentran en contacto con la disolución y que trabajan como interfase intercambiadora de electrones con las diferentes sustancias químicas para su análisis.

Celda convencional para análisis electroquímico

En los últimos años se están popularizando los electrodos serigrafiados como herramienta para el análisis electroquímico, en sustitución de las celdas convencionales. Un electrodo serigrafiado es una pequeña tarjeta donde se encuentra un circuito eléctrico integrado que consiste en los electrodos en sí, junto a contactos eléctricos para su conexión al sistema de medida. Los primeros trabajos con electrodos serigrafiados aparecieron en la década de los 90, por lo que es una tecnología relativamente moderna. En la actualidad se aplican para el análisis en ámbitos tan variados como el industrial, medioambiental, agroalimentario y farmacéutico.

Electrodo serigrafiado

Esencialmente, el proceso de fabricación de los electrodos serigrafiados consiste en la deposición de una tinta sobre un sustrato determinado utilizando una plantilla con la geometría deseada. A continuación, se procede con una etapa de secado y de curado a cierta temperatura. Por último, se recubre con un aislante para dejar libre solamente las conexiones y el área de trabajo del electrodo.

La variedad de las tintas para serigrafiar es enorme, existen de muchos materiales como grafito, oro, platino, plata, nanotubos de carbono, grafeno, nanopartículas de oro, etc. Un material puede ser más adecuado para el análisis de una sustancia que otro, y se debe utilizar el más conveniente en cada caso. Los materiales más comunes para el sustrato sobre el que se deposita la tinta son materiales cerámicos y materiales plásticos.

Las principales ventajas de estos dispositivos como plataforma analítica frente a otras herramientas son las siguientes:

  • Bajo coste: el precio de estos dispositivos, al poder ser producidos en masa de forma automatizada, es relativamente bajo. Por esta razón, poseen un carácter desechable, son de usar y tirar.
  • Flexibilidad del diseño: el diseño del dispositivo serigrafiado puede ser personalizado, y por tanto, adaptarse a las necesidades del cliente. Por otro lado, la gran variedad de materiales usados para su fabricación permiten su aplicación para resolver diferentes problemas analíticos.
  • Pequeño tamaño: son dispositivos muy pequeños, portables y que pueden ser manejados fácilmente. Estas características junto a la sencilla instrumentación necesaria para emplearlos en análisis electroquímico permite su utilización en análisis in situ, en el lugar donde se necesite sin tener que transportar las muestras al laboratorio. Otra ventaja relacionada con su tamaño, es que se utilizan bajos volúmenes de muestra, alrededor de 50 μL o menos, que se depositan sobre la tarjeta.

Análisis in situ con electrodos serigrafiados

  • Posibilidad de modificaciones: la superficie de los electrodos serigrafiados puede ser fácilmente modificada con otro tipo de sustancias para la mejora de sus propiedades o para la resolución de un problema analítico determinado. Por ejemplo, se pueden modificar con ADN o anticuerpos para fabricar geno o inmunosensores, respectivamente.

Biosensores con electrodos serigrafiados

La importancia que poseen estas herramientas como plataforma analítica es que son la base para la fabricación de sensores y biosensores electroquímicos, gracias a su tamaño y características. 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

En un sensor, los electrodos serigrafiados hacen el trabajo de transductor. Este tipo de electrodos tienen ciertas ventajas para ser utilizados en un sensor, ya que la señal producida consiste en una señal eléctrica que puede ser tratada posteriormente de manera sencilla con un ordenador, además de componerse de un circuito eléctrico que puede ser fácilmente miniaturizado, una ventaja para su uso como sensores.

Desde los años 90, el empleo de los electrodos serigrafiados como herramienta analítica no ha hecho más que aumentar, pero la verdadera revolución está por llegar. La importante y numerosa investigación en métodos de screening para análisis clínico o medioambiental, va a impulsar el uso de los electrodos serigrafiados de una manera notable. Se espera un gran futuro para los electrodos serigrafiados.

Esta entrada participa en el VIII Carnaval de la Tecnología que durante este mes organiza J.M. Mulet en su blog Los productos naturales ¡vaya timo!.

Métodos de screening para la detección de enfermedades

¿Os imagináis un mundo en el que los análisis para la detección de enfermedades sean rápidos y baratos? Pues ese mundo, en cierta medida, existe. Es el mundo de los métodos analíticos de screening.

Estos métodos de screening son análisis simples que se utilizan para la identificación o el descarte de patologías en pacientes. Se utilizan para obtener una información rápida sobre esas patologías. Generalmente, si el resultado es positivo, se necesita realizar un análisis más concluyente para confirmar la enfermedad.

Los métodos de screening pueden ser:

  • cualitativos: ofrecen información sobre si una sustancia se encuentra en una muestra o no.
  • cuantitativos: ofrecen información sobre la concentración de una sustancia en una muestra.
  • semicuantitativos: ofrecen una cuantificación de un compuesto de manera no numérica, por ejemplo: positivo (++), posible positivo (+), posible negativo (-), negativo (–).

Lo más común en la actualidad es encontrarse con métodos de screening cualitativos, de manera que si una sustancia se encuentra por debajo de un límite de concentración se toma como resultado negativo y si supera esa concentración, el resultado es positivo. Pero también existen métodos de screening cuantitativos y semicuantitativos.

Las características generales que presentan estas herramientas es un precio más bajo y una mayor rapidez que los análisis más concluyentes para detectar cierta enfermedad. Generalmente son más simples y utilizan una menor cantidad de muestra, además de emplear dispositivos pequeños y desechables, de usar y tirar.

Estos métodos de screening pueden llevarse a cabo de dos maneras principales: por detección sensorial (cambio de color u olor) o por detección instrumental (espectroscopia, electroanálisis).

Algunos ejemplos implantados

Quizás las herramientas para realizar análisis clínicos de screening más implantadas en la actualidad son las tiras reactivas. Estas tiras están impregnadas de ciertos reactivos de reconocimiento de unas sustancias, llamadas biomarcadores, que aparecen en el organismo cuando existe una patología. Al añadir la muestra del paciente sobre la tira, se obtendrá un resultado cualitativo, positivo o negativo. Las muestras para este tipo de reactivos suelen ser no invasivas como orina, saliva o sangre.

Test de embarazo

Probablemente, el método de screening más conocido es el test de embarazo. A partir de los 10 días después de producirse un embarazo, las mujeres embarazadas generan una hormona llamada gonadotropina coriónica humana (hCG por sus siglas en inglés). Esta hormona está presente en la sangre y en la orina.

Este test determina la presencia o ausencia de esta hormona en la orina. Por tanto, es un test cualitativo que proporciona la información de si una mujer está embarazada o no. Se realiza adicionando unas pocas gotas de orina sobre una tira química reactiva que contiene anticuerpos contra la hCG y alguna sustancia indicadora. La complejidad de estas tiras puede variar según la marca del test de embarazo, pueden existir anticuerpos monoclonales y policlonales contra la hCG, producirse mediante un ensayo tipo sandwich, un ensayo de inhibición de la aglutinación, un inmunoensayo de flujo lateral, etc.

Si se produce la reacción inmunológica, el test será positivo y existirá un código de colores para informar a la persona sobre el resultado.

Dos rayas

Una de las metodologías utilizadas en la actualidad en los tests de embarazo consiste en lo siguiente:

  • la tira reactiva contiene tres tipos de anticuerpos en tres zonas diferentes de la tira: la zona de reacción, zona de test, y la zona de control.
  • la tira reactiva se pone en contacto con la orina que se moverá a través de las zonas de la tira.
  • En la zona de reacción existe un anticuerpo monoclonal para hCG. Si existe hCG en la orina, se unirá al anticuerpo.
  • En la zona de test existe un anticuerpo policlonal para hCG y un colorante. Si existe hCG en la orina, vendrá unido de la anterior zona con el anticuerpo monoclonal y reaccionará con el anticuerpo policlonal de esta zona, generando un cambio de color.
  • En la zona de control se valida que el test se ha llevado a cabo correctamente. En esta zona se encuentra un tercer anticuerpo (con colorante) que reaccionará con los anticuerpos monoclonales libres que provienen de la zona de reacción, produciendo un cambio de color si el test funcionó.

Test de embarazo

Una prueba más fiable sería la determinación cuantitativa de esta hormona en la sangre. La hCG aparece en sangre más temprano que en orina, y además, su concentración puede dar información sobre el desarrollo del embarazo y de si existe algún problema.

Tiras reactivas para TSOH

El cáncer de colon es uno de los cánceres más comunes que existen. Para la detección precoz de este tipo de cáncer se realiza el test de sangre oculta en heces (TSOH). Si la prueba es positiva se necesita realizar una prueba posterior más concluyente, como una colonoscopia, para conocer el origen de esa sangre.

Para la realización de el TSOH se emplean unas tiras reactivas que tras la adición de la muestra (heces) y de un reactivo sobre la tira, se observa un cambio de color que indica el resultado del test.

Existen dos principales tipos de TSOH: los tests químicos (TSOH-Q) y los test inmunológicos (TSOH-I), aunque ambos detectan hemoglobina humana en las heces, su funcionamiento es diferente.

Tiras TSOH

Las tiras TSOH-Q se basan en una reacción química de oxidación que está catalizada por la hemoglobina humana. Poseen un indicador químico que si se produce la reacción anterior cambiará de color mostrando información sobre el resultado.

Las tiras TSOH-I se basan en una reacción inmunológica específica entre la hemoglobina humana y un anticuerpo. Este tipo de tiras son más selectivas que las tiras TSOH-Q al basarse en una reacción biológica, pero también son más caras.

Algunos ejemplos de investigación reciente

La investigación en sensores electroquímicos para la detección de enfermedades ha aumentado en los últimos años, debido a que las herramientas utilizadas son fácilmente miniaturizables y de bajo precio, como los electrodos serigrafiados. Se están investigando métodos de screening utilizando estos sensores, que poseen la ventaja de poder ser cuantitativos. Estoy seguro que estos dispositivos serán utilizados en los próximos años a gran escala en hospitales y centros médicos.

Existen muchos trabajos sobre sensores electroquímicos para la detección rápida de diferentes enfermedades, voy a poner un ejemplo sobre su aplicación en el diagnóstico de tumores:

Bisensor para PSA

El cáncer de próstata es el segundo tipo de cáncer más común en hombres. Un método de screening para la detección del cáncer de próstata es la determinación de la proteína PSA (prostate specific antigen). Esta proteína puede encontrarse libre o unida a otras proteínas. Si la concentración de PSA en el suero sanguíneo supera una concentración, el riesgo de padecer cáncer de próstata es alto. Si está por debajo de un nivel, el riesgo es muy bajo, mientras que existe una zona en la que puede haber riesgo o no. En esta zona, se obtiene una mayor información obteniendo las concentraciones de la PSA libre y la PSA unida a otras proteínas. Por tanto, es importante la determinación de los niveles cuantitativos de ambos tipos de PSA en el mismo análisis. Si el resultado es positivo se necesita realizar una prueba posterior, como una biopsia, para confirmar la patología.

Gracias a la versatilidad de los electrodos serigrafiados que pueden tener diferentes diseños, es posible la determinación simultánea de varias sustancias de manera cuantitativa. Existe un trabajo desarrollado en el que se construye un inmunosensor para la detección de PSA libre y PSA total. De esta manera, en el mismo análisis se puede obtener información bastante acertada de la posibilidad de poseer cáncer de prostata.

Bisensor de PSA (prostate specific antigen)

El diseño y funcionamiento de este bisensor es básicamente el siguiente: cada electrodo de carbono del bisensor (en la misma tarjeta) se nanoestructura con nanopartículas de oro, se modifican con un anticuerpo monoclonal diferente, uno específico para la PSA libre y otro para la PSA total (libre y unida a proteínas). Esa sería la tarjeta sensora. Para la realización del análisis, se adiciona la muestra, de manera que la PSA libre se une a su anticuerpo específico y en el otro anticuerpo se unen tanto PSA libre como PSA unida a proteínas. A continuación, se adiciona un segundo anticuerpo marcado, de manera que se realiza un ensayo tipo sandwich (como se puede ver en la figura anterior). En este caso, la marca es la fosfatasa alcalina que trabaja como enzima de una reacción que es medida electroquímicamente.

Conclusiones

Las dos características más importantes de estos métodos son el bajo precio y la rapidez del análisis, en comparación con otros métodos que pueden diagnosticar la enfermedad de manera concluyente. Aunque existen métodos de screening que pueden dar ese diagnóstico definitivo, gran parte de ellos se utilizan como pruebas rápidas para descartar o no ciertas patologías. En mi opinión, el gran reto para este tipo de análisis es dejar de ser meros métodos de screening y convertirse en métodos de análisis definitivos, que su resultado presente información absoluta del diagnóstico del paciente. Creo firmemente que esto se puede conseguir en el futuro, y que los análisis que nos hagamos dentro de 20 años van a ser más rápidos, más baratos, menos invasivos para las personas, y la fiabilidad de los resultados para diagnosticar una enfermedad será muy alta. Además, al disminuir el precio, estos análisis podrán ser accesibles por un mayor número de personas.

Hay que seguir trabajando en esta linea.

Referencias

ResearchBlogging.org
Escamilla-Gómez, V., Hernández-Santos, D., González-García, M.B., Pingarrón-Carrazón, J.M., & Costa-García, A. (2009). Simultaneous detection of free and total prostate specific antigen on a screen-printed electrochemical dual sensor Biosensors and Bioelectronics, 24 (8), 2678-2683 DOI: 10.1016/j.bios.2009.01.043

Este artículo participa en la XII Edición del Carnaval de la Química que este mes organiza @MariaDocavo en su blog Historias con mucha Química.