Los investigadores han creado un nuevo sensor de gas que puede distinguir versiones en especular de la misma molécula en el aire. Esta capacidad podría ayudar a mejorar futuras pruebas médicas, el monitoreo ambiental y los controles de calidad en la producción de perfumes y alimentos.
El nuevo sistema añade recubrimientos especiales a base de azúcar a pequeños sensores, para que puedan distinguir moléculas de aire que son casi idénticas.
Desarrollado por Ariel Shitrit y Yonatan Sukhran, bajo la supervisión del profesor Shlomo Yitzchaik y el profesor Mattan Hurevich de la Universidad Hebrea, ayuda a identificar diferentes tipos de componentes del aire que suelen parecer igual a nivel molecular.
Los investigadores colocaron moléculas de azúcar especialmente diseñadas a los diminutos sensores de nanotubos de carbono. Estos azúcares personalizados crean una “arquitectura” química muy precisa alrededor del sensor, por lo que incluso puede captar e interactuar con moléculas de olor que se unen muy débilmente, como ciertos compuestos derivados de plantas.
Este diseño mantiene las moléculas sensores en su lugar en los nanotubos y les ayuda a “comunicarse” con los químicos del aire. En el estudio, los sensores mejorados distinguieron claramente diferentes formas de imagen especular de las moléculas olfativas limoneno y carvona, pero no reaccionaron a formas muy similares de otra molécula llamada α-pineno.
Los sensores pudieron detectar la versión (–)-limoneno de la molécula a niveles extremadamente bajos-hasta 1,5 partes por millón. Eso es unas diez veces más sensible que muchos métodos de detección similares reportados hasta ahora.
Utilizando mediciones eléctricas junto con simulaciones informáticas avanzadas, el equipo mostró cómo el sistema distingue las moléculas de imagen especular. Las dos versiones de cada molécula se adhieren e interactúan de forma ligeramente diferente con la superficie de nanotubos recubierta de azúcar. Estas pequeñas diferencias afectan cómo los electrones se mueven hacia los nanotubos, lo que se refleja en un cambio claro en la señal eléctrica del sensor.
Al observar cómo funcionaban los diferentes diseños de receptores en los sensores, los investigadores pudieron ver qué características de diseño conducían a una mejor selectividad. Estos conocimientos sobre “estructura frente a rendimiento” podrían ayudar a los científicos a diseñar mejores receptores artificiales del olfato en el futuro.
La obra forma parte de un consorcio europeo, SMELLODI, que investiga las relaciones entre el olor corporal, la percepción del olfato y los estados emocionales y fisiológicos. Para este objetivo, es importante el análisis no invasivo de mezclas de COVs, incluidos los componentes quirales.
Debido a que este sistema receptor basado en azúcar es fácil de personalizar, podría usarse para construir matrices de sensores donde cada pequeño sensor se ajuste para detectar un grupo diferente de sustancias químicas en el aire. En el futuro, estos conjuntos de sensores podrían integrarse en “narices electrónicas” para cosas como pruebas de aliento para ayudar a diagnosticar enfermedades, seguimiento de cómo cambia una enfermedad con el tiempo o comprobación del sabor y aroma en alimentos y bebidas.
Convertir moléculas de azúcar que normalmente se disuelven en agua en un material útil para detectar gases fue un gran desafío químico e ingenieril. El equipo lo resolvió creando un sistema de dos partes: receptores ajustables a base de azúcar unidos a nanomateriales de carbono. Esta configuración puede ajustarse cambiando el “marco” básico del azúcar y los grupos químicos que se le conectan.
De cara al futuro, los investigadores afirman que las herramientas de diseño basadas en ordenador —incluyendo cálculos avanzados de física y aprendizaje automático— podrían ayudar a crear nuevos tipos de receptores y permitir que los sensores detecten una gama aún más amplia de moléculas en suspensión aérea y sus formas en especular.
El artículo de investigación titulado “Monosaccharide-Derived Enantioselectivity in SWCNT Chemoresistive VOC Sensing”, ya está disponible en ChemEurJ.
Investigadores:
Ariel Shitrita, Yonatan Sukhran a, Nina Tverdokhlebb, Li Chen b, Arezoo Dianat b, Rafael Gutierrez b, Sabine Körbel c, Alexander Croy c, Gianaurelio Cuniberti b, Mattan Hurevicha, y Shlomo Yitzchaik a.
Instituciones:
a) Instituto de Química y Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
b) Instituto de Ciencia de Materiales y Centro Max Bergmann de Biomateriales, Universidad Técnica de Dresde.
c) Instituto de Química Física, Universidad Friedrich Schiller Jena.
