Cómo funcionan los dispositivos de detección química

Pero puede haber gases peligrosos que no siempre son visibles. El monóxido de carbono y el radón son dos ejemplos de contaminantes atmosféricos mortales que son completamente invisibles. No nos damos cuenta de que estamos siendo envenenados por el aire que respiramos hasta que es demasiado tarde. Afortunadamente, estos gases no son tan frecuentes y, con la ayuda de un poco de tecnología de detección química, podemos dejar que los detectores de monóxido de carbono y radón se preocupen por nosotros.

Los sensores químicos son útiles mucho más allá de la simple detección de gases letales. Estos dispositivos se pueden encontrar en nuestros hogares, hospitales y en el ejército. Hay muchos tipos diferentes de sensores que detectan diferentes moléculas objetivo (también conocidas como analitos ). Aunque los sensores funcionan de varias maneras, la esencia es que ocurre una interacción química entre el analito y algo en el sensor, y el dispositivo produce una señal medible: un pitido o un cambio de color para alertarnos de la presencia de la molécula objetivo.

A pesar de las diferencias en la construcción de los sensores, existen algunos principios rectores que hacen que cualquier sensor sea bueno. El ideal es económico, infalible y portátil. Más importante aún, cualquier sensor químico tiene dos características vitales: selectividad y sensibilidad. Hay más de 10 mil millones de sustancias moleculares en el mundo, por lo que la detección selectiva de una sola sustancia no es poca cosa [fuente: Consejo Nacional de Investigación ]. La sensibilidad también es increíblemente importante para detectar sustancias químicas desde una distancia considerable o para tratar de encontrar concentraciones muy bajas de una molécula objetivo. Otras características importantes del sensor son el tiempo de respuesta, el tamaño del empaque y el límite de detección: la cantidad más baja de una sustancia que se puede detectar.

1. ¡Muy sensible! Cómo detectan los sensores las moléculas objetivo
2. Cómo ayudan los sensores químicos
3. La detección de ciencia ficción se hace realidad

Los científicos e ingenieros han desarrollado una variedad de sensores para diferentes propósitos y, como puede imaginar, todos tienen sus propias formas de trabajar. Después de todo, no es probable que un kit de prueba de embarazo tenga el mismo mecanismo de detección que un detector de radón, ¿verdad?

Todos los sensores químicos apuntan a algún tipo de analito, pero lo que sucede una vez que el analito está en el sensor es donde surgen las diferencias. Por ejemplo, el sensor puede unir el analito (piense en un mecanismo de tipo llave y candado, pero a nivel molecular). O bien, el sensor puede configurarse de manera que el analito pase selectivamente a través de una película delgada. Imagine que la película es un guardián químico que solo deja pasar la molécula objetivo y evita que entre todo lo demás. Este tipo de sensor tiene la característica positiva de ser continuamente reutilizable. Una tercera forma de sensor utiliza el analito en una reacción química que genera un producto que crea la señal legible [fuente: Consejo Nacional de Investigación ]. Estos tres mecanismos muy amplios cubren el funcionamiento de la mayoría de los sensores, pero todavía hay otros tipos.

Por ejemplo, hay sensores electroquímicos de lectura directa que utilizan la difusión de moléculas cargadas para buscar cambios en la corriente, la conductividad o el potencial para ver si está presente un analito objetivo. Los sensores de ondas acústicas de superficie emplean ondas acústicas enviadas de un electrodo a otro a través de una superficie. El sensor está diseñado para que si la velocidad de la onda cambia o si pierde intensidad, señale la presencia de una molécula objetivo unida a la superficie. Al tomar medidas de estos cambios, el sensor puede incluso detectar cantidades del material presente [fuente: Consejo Nacional de Investigación ].

Otra innovación genial en la tecnología de detección química se mueve hacia la detección de propiedades inherentes de diferentes objetivos químicos en lugar de utilizar una interacción molecular para impulsar la detección. Cada uno de los diferentes enlaces en las moléculas tiene patrones de vibración característicos que se pueden detectar en la región infrarroja del espectro electromagnético. Al combinar fuentes de luz, filtros y detectores en un solo chip, los científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts han podido detectar estas huellas dactilares moleculares para detectar una gran cantidad de moléculas, desde contaminantes en el agua hasta electrolitos en la sangre de los bebés recién nacidos [ fuente: Bender ].

No importa cómo operen, los dispositivos de detección química, sin duda, funcionan para usted. Su hogar probablemente tenga al menos un detector de gas radón, humo o monóxido de carbono , según las leyes de su estado o país. muchos radónLos sensores funcionan absorbiendo el propio radón o detectando los productos de desintegración radiactiva del gas letal. El monóxido de carbono, por otro lado, no es un material radiactivo, por lo que los detectores de este gas funcionan de manera diferente. Uno de los mecanismos más comunes para este sensor químico es una variante de la biología. Estos detectores imitan cómo el monóxido de carbono interactúa con la hemoglobina en la sangre para determinar la presencia del gas. Otro detector común en el hogar es un detector de humo. Si bien algunos utilizan materiales radiactivos para ayudar a olfatear el humo, la mayor parte de la detección en los detectores de humo proviene del fenómeno físico, no químico, de las partículas de humo que causan la interferencia que detecta el detector.

Los dispositivos de detección química también tienen un uso generalizado fuera del hogar. Uno de los principales lugares en los que verá estos dispositivos en acción es en la búsqueda de biomoléculas en entornos médicos. Los sensores de biomoléculas son esencialmente sensores químicos especializados. Aunque detectan sustancias como las hormonas, estas sustancias corporales son todas moléculas. Después de todo, estos sensores se fabrican con muchos de los mismos principios rectores que otros sensores químicos: selectividad, sensibilidad y portabilidad.

Algunos de los sensores de biomoléculas más portátiles que puede conocer están asociados con las mediciones de fertilidad: pruebas de embarazo y pruebas de ovulación. Ambos sensores químicos detectan la presencia de ciertas hormonas en la orina. En el caso de las pruebas de embarazo, el sensor busca la hormona gonadotropina coriónica humana (hCG) en la orina. El palo en el que la mujer orina tiene anticuerpos que están recubiertos con una sustancia química que se une a la hCG. Si la biomolécula está presente, la prueba da positivo [fuente: Parents Magazine ]. Por lo general, estos sensores químicos tienen un componente colorimétrico, de modo que cuando el analito, en este caso hCG, se une, provoca un cambio de color en el sensor, lo que hace que la lectura de los resultados sea bastante infalible.

En el entorno clínico, dos de los métodos más comunes para la detección de biomoléculas químicas son ELISA (ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas) y el Western blot. Según el tamaño y el tipo de biomolécula en cuestión y la información que deseen sobre la molécula, los científicos y los médicos a menudo recurrirán a una de estas técnicas de detección química para identificar diferentes analitos en mezclas de biomoléculas [fuentes: ThermoFisher Scientific , Mahmood y Yang ].

Un gran impulsor de las direcciones futuras de la detección química es el ejército . Las agencias de financiación como la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA) tienen grandes sueños sobre lo que la detección química podría hacer por sus fuerzas armadas . Imagine poder colocar un sensor en la parte superior de una tienda de campaña en una zona de guerra que pueda detectar explosivos o gases tóxicos a 4 millas (6 kilómetros) de distancia.

O imagine un sensor que es tan pequeño que se puede incrustar en las telas. Cuando el sensor detecta un agente tóxico, el color de la tela cambia, alertando a los soldados de la presencia de toxinas químicas en el aire. ¿Qué tal un sensor que pueda alertar a los soldados sobre sus niveles de deshidratación? Las implicaciones de dicha tecnología no solo serían la ventaja en la batalla, sino que también salvarían potencialmente miles de vidas.

Los productos químicos también podrían colocarse en los aeropuertos para ayudar a detener el terrorismo mediante la detección de concentraciones diminutas de explosivos sin que tengamos que pasar por las molestias extensas de las líneas de seguridad. De hecho, los científicos ya han presentado un sensor que puede detectar rápidamente drogas y explosivos cerca de 100 pies (30 metros) de distancia teniendo en cuenta los aeropuertos [fuente: Engineering360 ]. Estos sensores podrían instalarse en las entradas de los aeropuertos y otros lugares con grandes grupos de personas. Algunos tipos de dispositivos de detección química incluso se pueden conectar a teléfonos celulares para escanear áreas más grandes a medida que los agentes del orden se mueven [fuente: Hsu ].

Por supuesto, los sensores químicos no solo necesitan usarse para desviar actividades nefastas. La detección de contaminantes metálicos en el agua y posiblemente sustancias químicas tóxicas en el aire a través de sensores en placas de seguridad son solo algunas de las formas en que los dispositivos de detección química están cambiando nuestro mundo.

Nota del autor: Cómo funcionan los dispositivos de detección química

¿Sensores de nanopartículas cosidos en la tela que podrían decirme más sobre mí o el aire que me rodea? Esto es en serio el material de la ciencia ficción. Excepto que no lo es. Tal vez el ejército es el que impulsa la investigación sobre cosas como esta, pero poco después de que los soldados comiencen a usarlo, será un lugar común para el resto de nosotros. Le da a la tecnología portátil un significado completamente nuevo.

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