Cinvestav diseña equipo portátil y económico para detectar partículas volátiles en el ambiente
Puede detectar los niveles de dióxido de carbono en un sitio o los producidos por organismos vivos. “En particular nos interesa el estudio de los compuestos volátiles en los seres vivos porque algunos de ellos promueven el crecimiento vegetal”, dice Raúl Alcalde Vázquez
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El doctorante Raúl Alcalde desarrolló el nuevo equipo pensando en hacer más accesibles los estudios de monitoreo ambiental y de sistemas biológicos.
Para fortalecer el monitoreo ambiental y el análisis de espacios donde hay sustancias volátiles flotando en el aire, investigadores del Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav), Unidad Irapuato, construyeron un dispositivo portátil y de bajo costo para el análisis de compuestos volátiles en tiempo real; elaborado a partir de piezas impresas en 3D y sensores que se adaptan a diferentes configuraciones experimentales.
El objetivo del proyecto, encabezado por el profesor Robert Winkler y el estudiante de doctorado Raúl Alcalde Vázquez, es contar con un sistema capaz de medir y monitorear compuestos volátiles, pero que fuera menos costoso y de menor tamaño en comparación con los equipos empleados de manera convencional, como son el cromatógrafo de gases o el reactor de transferencia de protones acoplados a espectrometría de masas.
En vista de que el equipo detecta compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos, en condiciones ambientales y en tiempo real, es una opción para utilizarse en estudios de sistemas biológicos o de monitoreo ambiental y determinar, por ejemplo, los niveles de dióxido de carbono en un sitio o los producidos por organismos vivos.
Sus aplicaciones podrían incluir también el diagnóstico médico no invasivo a fin de identificar compuestos producidos en ciertas enfermedades, como ocurre con la fenilcetonuria, en la que el aliento de una persona huele a acetona a causa de la acumulación en el organismo de fenilalanina; así como el control de la calidad de bebidas alcohólicas y otros productos.
“En particular nos interesa el estudio de los compuestos volátiles en los seres vivos porque algunos de ellos promueven el crecimiento vegetal, otros sirven como moléculas señalizadoras o son indicativos del estado en el que se encuentran los organismos. Saber cómo actúan abriría la puerta para aplicar este conocimiento y lograr, por ejemplo, que una planta o cultivo tenga mejor producción”, explicó Alcalde Vázquez.
DETECTOR DE COMPUESTOS
El Espectrómetro de Masas Biológico Modular (MoBiMS), como se nombró al dispositivo, logró detectar 80 por ciento de los 53 compuestos analizados, pertenecientes a 17 clases químicas (alcoholes, esteres, acetonas, terpenos, entre otros) y al ser semiportátil, puede emplearse en estudios in situ.
En un artículo sobre este proyecto, publicado por el equipo de Cinvestav en la revista Microchemical Journal, se reporta que este equipo tiene la capacidad de identificar tanto volátiles inorgánicos como orgánicos, entre ellos el acetato de isoamilo, responsable del olor característico del plátano, una de las frutas empleadas en las pruebas experimentales con el objetivo de evaluar si el equipo detecta los compuestos directamente de su fuente natural.
El espectrómetro desarrollado en Cinvestav recibió el nombre de MoBiMS.
El MoBiMS fue capaz de medir en tiempo real la producción de dióxido de carbono durante la reacción del medicamento Alka-Seltzer, la cual fue considerada por ser muy conocida y tratarse de un producto de venta libre. Además, se monitoreó la dinámica de producción/fijación de este gas durante los ciclos naturales de respiración/fotosíntesis en una planta viva de jitomate (Solanum lycopersicum).
La base del funcionamiento del MoBiMS es la espectrometría de masas, la cual consiste en pasar a las moléculas a través de un analizador que las va separando y dirigiendo a un detector, este mide la relación entre su masa y su carga, información útil para determinar de qué compuesto se trata.
Los componentes principales del equipo son: una fuente de ionización, donde se les da carga eléctrica a las moléculas; el analizador, que las separa por masa y carga; y el detector. Todas estas piezas están disponibles en el mercado y el costo del sistema puede ser optimizado, dependiendo de los requisitos experimentales, la elección de los componentes y los proveedores disponibles.
La fuente de ionización utilizada, destacó Alcalde Vázquez, es compatible con la base de datos existente, misma que incluye alrededor de 300 mil compuestos analizados por cromatografía de gases. Esto permite comparar las huellas químicas obtenidas por el MoBiMS con las ya reportadas para la identificación de los compuestos.
El equipo también permite acoplar diferentes adaptadores, que pueden ser generados por impresión 3D, para colocar los contenedores de la muestra con las características de tamaño y altura requeridas para cada experimento.
El siguiente paso es lograr que el análisis de los datos obtenidos con el MoBiMS (huellas químicas de los diferentes compuestos volátiles) sea más fino, porque si bien puede medir hasta 300 señales diferentes al mismo tiempo, es necesario filtrar la información para darle sentido químico o biológico, finalizó Alcalde Vázquez.
NARICES ELECTRÓNICAS
En los últimos 20 años se han desarrollado en diferentes partes del mundo dispositivos que pueden ser descritos como narices electrónicas. Se trata de tecnología en la que se unen la química, la física y la ingeniería. El ejemplo más conocido de este tipo de dispositivos sería el llamado alcoholímetro, que mide niveles de alcohol en la sangre de un individuo, a partir del aire que exhala. Todos los dispositivos llamados narices electrónicas tienen un mecanismo de reacciones químicas rápidas que identifican rápidamente el estado de los químicos presentes en el ambiente y los envía, con una especie de firma electrónica, a un microprocesador que informa cuál es el químico presente en la muestra de aire.
En 2021, un equipo de investigadores de México y de España, informó que hasta seis enfermedades que actualmente se diagnostican por medio de gotas de sangre, como la diabetes, cáncer de pulmón, enfermedades renales y hepáticas, podrán ser detectadas por medio de un soplo de aire de los pacientes gracias a un dispositivo de la familia de narices electrónicas
Los investigadores de ese equipo laboran en el Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT), de la UNAM, y el grupo SensAvan, del Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), de España, informaron que desarrollan una capa sensible que identifica diferentes moléculas volátiles presentes en enfermedades de alta morbilidad, así como la parte electrónica y física de un dispositivo para detectarlas. En la nariz electrónica que desarrollan estos científicos, las moléculas de las especies químicas que contienen el aliento y el aire interfieren con las ondas acústicas de los dispositivos (similares a las sísmicas) y generan un cambio en dicha onda. Se trata de un sistema olfativo artificial compuesto por una matriz de dispositivos sensores basados en nanomateriales. Su tamaño es tan pequeño que cabe en la palma de la mano. Sin embargo, estos instrumentos todavía están a prueba en diferentes laboratorios del mundo. Se han utilizado con éxito, pero de manera experimental, en el diagnóstico no invasivo de cáncer, asma y enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Los sensores contienen diversos materiales sensibles. No obstante, nanopartículas de óxidos metálicos, nanohilos, nanotubos y grafeno son algunos materiales en estudio que se podrían emplear como nuevas capas sensibles en dispositivos basados en ondas acústicas.
Muchas moléculas son volátiles
Los compuestos que se convierten en vapores o gases, también llamados volátiles, pueden tener un origen natural o antropogénico. Algunos de ellos resultan tóxicos para el ambiente y la salud humana, otros permiten sacar conclusiones sobre posibles enfermedades, y algunos más son el medio de comunicación entre organismos, por lo cual su estudio tiene una diversidad de aplicaciones.