polymer

A día de hoy existe una demanda creciente de nuevos biosensores capaces de detectar moléculas específicas, contaminantes o sustancias tóxicas en comida, agua potable, aire, sangre y demás, con un alto nivel de sensibilidad y especificidad. Además, preferimos sean baratos, fácilmente reproducibles y con una respuesta rápida y exacta. Esta demanda ha llevado al desarrollo de nuevas estrategias y procesos con el objetivo de producir estos materiales químicos tan sofisticados y sensibles.

 

Los biosensores son herramientas analíticas basadas en un elemento biológico de detección. Como se ha mencionado antes, están atrayendo un mayor interés debido al amplio rango de aplicaciones en los cuales pueden usarse. Por nombrar algunos, pueden marcar un punto de inflexión en el análisis medioambiental, el diagnóstico clínico, la seguridad alimentaria o el descubrimiento de medicamentos 1. Un biosensor consiste en un elemento de reconocimiento y un transductor de señal, este último convierte un cambio físico-químico en una respuesta detectable a tiempo real. Las biomacromoléculas basadas en proteínas se han usado ampliamente como elementos de reconocimiento, pero tienen un importante inconveniente: sus restringidas condiciones de operación  hacen su uso algo complejo en ciertos entornos. Es por eso que hay una necesidad de receptores alternativos capaces de responder a la presencia de un analito objetivo con un alto grado de especificidad.

 

Parece que los polímeros de impresión molecular (MIPs) son muy prometedores como biosensores hechos a medida y sintéticos. Un polímerode impresión molecular (MIPs) es un polímero cuya polimerización se ha llevado a cabo en presencia de una molécula que sirve como plantilla, como se muestra en la figura 1. Una vez que la polimerización se ha llevado a cabo, la plantilla se retira y queda una cavidad en su lugar, haciendo de este modo al polímero impreso complementario a la molécula seleccionada. Este proceso permite al polímero enlazarse a analitos objetivos específicos, consiguiendo de este modo un mecanismo de reconocimiento muy exacto.

 

Figura-1

Figura 1: técnica de estampado molecular: la polimerización tiene lugar en presencia de una plantilla que después será retirada, dejando lugar a una cavidad en el polímero «impreso»

 

Estos polímeros molecularmente impresos presentan buenas propiedades físicas y químicas y están ya en uso en muchos campos como el reconocimiento de elementos químicos. No obstante, aparte del reconocimiento de elementos, un biosensor necesita un transductor para traducir el efecto de reconocimiento en una respuesta fácil de usar. Los mecanismos ópticos han probado ser particularmente adecuados en polímeros, creando una respuesta en forma de un patrón (fotopatrón), construyendo así el mecanismo de transducción en el mismo polímero. El reconocimiento de la molécula objetivo produce un cambio en las propiedades ópticas del polímero, llevando a una lectura directa en tiempo real.

 

Una ventaja añadida a estos biosensores optoquímicos es que pueden ser procesados en un solo paso, creando el polímero y el patrón por fotopolimerización. Sin embargo, este proceso de un solo paso no es tan fácil para polímeros molecularmente impresosdebido a la considerable cantidad de diferentes componentes que son necesarios en polimerización de MIP’s: moléculas de plantilla, monómeros precursores, reticuladores, fotoiniciadores, disolventes, etc.

 

En un artículo recientemente publicado, se ha presentado el primer ejemplo de una película de polímeros molecularmente impresos modelada con un holograma durante la fotopolimerización. El resultado es un nuevo polímero holográfico funcional diseñado para detectar analitos específicos. El estudio se ha llevado a cabo por el grupo de investigación del profesor Haupt, de la Universidad de Compiègne de tecnología en Francia 2. Ellos han llegado a crear el polímero molecularmente impreso y el mecanismo de transducción en un solo paso mediante fotopolimerización con interferencia de haces láser. En este estudio, el analito objetivo era testosterona esteroide, cuya detección es muy interesante en campos como deportes y medicina.

 
 

Figura-2

Figura 2: esquema de la fotopolimerización con haces láseres interfiriendo. El patrón de difracción resultante actúa como un mecanismo de transducción. Fuente: fuchs et al (2013)am

 

En este proceso el patrón óptico está generado durante la polimerización de la mezcla precursora por interferencia de dos haces láser coherentes, como se muestra en la figura 2. La distribución sinusoidal de luz resultante induce una fotopolimerización no homogénea, donde las moléculas reactivas se difunden de regiones oscuras a regiones brillantes, en los cuales se consumen. Esto produce una película de polímero con diferentes densidades de materia y con una rejilla de difracción, es decir, un holograma.

 

Por supuesto el procedimiento experimental requiere gran precisión para un rendimiento óptimo. Una alta coherencia espacial del haz láser es necesaria para obtener un alto contraste en la rejilla de difracción. Además, se prefiere una polimerización lenta porque permite a las especies reactivas difundirse adecuadamente y así mejorar la estructura holográfica, así que la elección del fotoiniciador es de mayor importancia. El tiempo de irradiación, la longitud de onda del láser y su intensidad son también parámetros importantes a tener en cuenta.

 

Figura-3

Figura 3: Película holográfica PME (izquierda) e imagen AFM de la modulación de la superficie de la película de PME (derecha). Fuente: fuchs et al (2013)

 

Considerando todos esto, deberíamos recordar ahora que estábamos buscando un polímero capaz de unir una molécula objetivo y responder a un cambio óptico. Esta respuesta óptica puede estar basada en la eficiencia de difracción de la película de polímero, es decir, la diferencia entre la potencia difractada en un order particular (orden cero, P(0); orden uno, P(1);…) y la potencia incidente (Pinc), como se puede ver en el esquema de la figura 4. Se espera que la eficiencia de difracción cambie si el índice de refracción entre el polímero y el medio circundante cambia.

 
Figura-4

 

Los resultados de este estudio han probado que cuando la película de polímero está expuesta al analito objetivo, en este caso la testosterona, se da un cambio en el índice de refracción de la película del polímero, confirmando así el efecto de la impresión molecular. Además de esto, la monitorización de la eficiencia de difracción confirma la presencia del analito objetivo, y esta respuesta será diferente y específica para cada polímero molecularmente estampado.

 

El desarrollo y optimización de esta técnica parece ser muy prometedor en distintos campos donde la detección de moléculas específicas es crucial. Por otro lado, la manera en que el estampado molecular y la escritura de holograma se consiguen en un proceso de un solo paso puede hacer posible el escalado del proceso, permitiendo así la fabricación de biosensores altamente precisos, reproducibles y baratos. Estos nuevos polímeros probablemente tengan un gran impacto en muchos campos donde se requieren sensores químicos.

 
Imagen: NCEM
Artículo original publicado por Silvia Román en MappingIgnorance
 

Referencias:

  1. Turner A.P.F., biosensors: sense and sensibility, Chem. Soc. Rev., 2013, 42,3184-3196. doi: 10.1039/c3cs35528d
  2. Fuchs Y., Soppera O., Mayes A., Haupt K., Holographic Molecularly Imprinted Polymers for Label-Free Chemical Sensing, Advanced Materials 2013, 25, 566-570. doi: 10.1002/adma.201203204.

Traductor

Estudiante de Física en la Universidad de Zaragoza. Actor amateur en mis ratos libres. A caballo entre Pamplona y Zaragoza

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