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.

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!.