Un sensor de nanotecnología convierte huellas dactilares moleculares en códigos de barras

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Publicado 08/06/2018 7:06:44CET

   MADRID, 8 Jun. (EUROPA PRESS) -

   La espectroscopía infrarroja es el método de referencia para detectar y analizar compuestos orgánicos; pero requiere procedimientos complicados e instrumentos grandes y caros, lo que dificulta la miniaturización de los dispositivos y obstaculiza su uso para algunas aplicaciones industriales y médicas y para la recolección de datos en el campo, como la medición de concentraciones de contaminantes. Además, está fundamentalmente limitada por bajas sensibilidades y, por lo tanto, requiere grandes cantidades de muestra.

   Sin embargo, científicos de la Escuela de Ingeniería de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, y de la Universidad Nacional de Australia (ANU, por sus siglas en inglés) han desarrollado un sistema nanofotónico compacto y sensible que puede identificar las características de absorción de una molécula sin utilizar la espectrometría convencional.

   Su sistema consiste en una superficie diseñada cubierta con cientos de pequeños sensores llamados metapíxeles, que pueden generar un código de barras distinto para cada molécula con la que la superficie entre en contacto. Estos códigos de barras se pueden analizar y clasificar masivamente utilizando tecnología avanzada de reconocimiento y clasificación de patrones, como las redes neuronales artificiales. Esta investigación, que se encuentra en la encrucijada de la física, la nanotecnología y los macrodatos, se publica en 'Science'.

   Los enlaces químicos en moléculas orgánicas tienen cada uno una orientación específica y un modo vibratorio, lo que significa que cada molécula posee un conjunto de niveles de energía característicos, que comúnmente se encuentran en el rango del infrarrojo medio, lo que corresponde a longitudes de onda de alrededor de 4 a 10 micras.

   Por lo tanto, cada tipo de molécula absorbe la luz a diferentes frecuencias, dando una "firma" única a cada una. La espectroscopía infrarroja detecta si una molécula dada está presente en una muestra al ver si la muestra absorbe los rayos de luz en las frecuencias distintivas de la molécula. Sin embargo, estos análisis requieren instrumentos de laboratorio con un gran tamaño y precio.

ELEVADOS NIVELES DE DETECCIÓN

   El sistema pionero desarrollado por los científicos EPFL es altamente sensible y capaz de ser miniaturizado; utiliza nanoestructuras que pueden atrapar la luz en la nanoescala y, por lo tanto, proporcionan niveles de detección muy altos para las muestras en la superficie. "Las moléculas que queremos detectar son de escala nanométrica, por lo que acortar esta brecha de tamaño es un paso esencial", dice la coautora del estudio, Hatice Altug, directora del Laboratorio de Sistemas BioNanoPhotonic de EPFL.

   Las nanoestructuras del sistema se agrupan en lo que se denominan metapíxeles para que cada una resuene con una frecuencia diferente. Cuando una molécula entra en contacto con la superficie, la forma en que la molécula absorbe la luz cambia el comportamiento de todos los metapíxeles que toca.

   "Es importante destacar que los metapíxeles están dispuestos de tal manera que se asignan diferentes frecuencias de vibración a distintas áreas en la superficie", dice el autor principal del estudio, Andreas Tittl. Esto crea un mapa pixelado de absorción de luz que se puede traducir en un código de barras molecular, todo sin usar un espectrómetro.

   Los científicos ya han utilizado su sistema para detectar polímeros, pesticidas y compuestos orgánicos. Además, su sistema es compatible con la tecnología CMOS. "Gracias a las propiedades ópticas únicas de nuestros sensores, podemos generar códigos de barras incluso con fuentes de luz de banda ancha y detectores", dice Aleksandrs Leitis, coautor del estudio.

   Hay una serie de aplicaciones potenciales para este nuevo sistema. "Por ejemplo, podría usarse para fabricar dispositivos portátiles de pruebas médicas que generen códigos de barras para cada uno de los biomarcadores hallados en una muestra de sangre", dice Dragomir Neshev, otro coautor del estudio.

   Podría usarse inteligencia artificial junto con esta nueva tecnología para crear y procesar una biblioteca completa de códigos de barras moleculares para compuestos que van desde proteínas y ADN hasta pesticidas y polímeros. Eso daría a los investigadores una nueva herramienta para detectar de forma rápida y precisa minúsculas cantidades de compuestos presentes en muestras complejas.

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