Semáforos químicos: qué son los sensores moleculares y cómo funcionan

Por Iván J. Bazany-Rodriguez, Jessica M. Muro-Hidalgo, Axel Macias-García, J. Guadalupe Hernández-Hernández, Carlos Alberto Huerta-Aguilar y Pandiyan Thangarasu

¿Cómo saber si en el agua que bebemos hay contaminantes invisibles? ¿O si en una muestra médica hay biomoléculas asociadas a enfermedades? 

En Ciencias Químicas existen algunas técnicas para detectar sustancias, una de ellas se conoce como espectrofotómetro de fotoluminiscencia.

Estos dispositivos utilizan sensores moleculares (llamados quimiosensores y quimiodosímetros) que son sustancias sintéticas capaces de reaccionar ante otro compuesto químico, como un contaminante o una biomolécula. Al ocurrir esta reacción, el sensor experimenta un cambio en sus propiedades fisicoquímicas. 

Cuando el cambio es una propiedad óptica como la emisión de luz, se dice que un sensor molecular es fotoluminiscente. 

En la literatura científica se han reportado sensores fotoluminiscentes que contienen iones metálicos —como zinc, cobre, aluminio, paladio, platino, iridio y rutenio— que reaccionan con un componente determinado.

En nuestras investigaciones para detectar aminoácidos, iones y pesticidas, trabajamos con sensores fotoluminiscentes derivados de iones de rutenio (Ru²⁺, Ru³⁺) que identifican pequeñas cantidades de compuestos que son clave para la industria alimenticia, el medio ambiente y para diagnosticar enfermedades.

Sensores de rutenio: cómo funcionan

Los sensores fotoluminiscentes de Ru²⁺ y Ru³⁺ presentan intensas bandas de absorción y emisión de luz visible, son muy hidroestables y fotoestables, lo que los convierte en buenos candidatos para detectar sustancias en agua.

Por ejemplo, hemos encontrado que el quimiosensor I, un compuesto de Ru³⁺ soluble en agua a pH neutro, emite luz azul (fotoluminiscencia) en condiciones normales. Sin embargo, cuando detecta el insecticida paratión, su emisión azul se apaga casi por completo.

Detectar este contaminante es crucial, ya que es extremadamente tóxico para humanos, peces y anfibios, incluso en concentraciones muy bajas. Así, si se sospecha que una muestra de agua está contaminada con este plaguicida, al añadir el sensor de rutenio, en lugar de brillar con un azul intenso, el sensor se apagará, indicando la presencia del contaminante.

Asimismo, en nuestro trabajo hemos observado que el quimiosensor II, que contiene un ion de Ru²⁺ y emite luz azul, detecta bisulfato y acetato, iones cuya presencia o concentración es relevante en procesos bioquímicos e industriales. Su detección se realiza mediante un mecanismo fotoluminiscente Off-On, lo que significa que la intensidad de luz del sensor aumenta cuando identifica estas sustancias.

Finalmente, también hemos encontrado que el quimiodosímetro I detecta selenocisteína, un aminoácido asociado con enfermedades como cáncer o diabetes, por lo que su monitoreo ayuda a diagnosticar desórdenes metabólicos.

A través de un ion de Ru²⁺ unido a un colorante fotoluminiscente que emite luz verde, este sensor reacciona generando un verde más intenso cuando detecta el aminoácido.

Futuro de los sensores moleculares

Estas herramientas de detección molecular son fundamentales en la vida moderna, por lo que es necesario desarrollar nuevos sensores para identificar sustancias peligrosas para la salud humana y para el medio ambiente.

En el futuro, también se ocupará este tipo de tecnología para rastrear contaminantes emergentes en los suministros de aire y agua, como podría ocurrir con los restos de nuevos fármacos, plaguicidas y agroquímicos… o incluso para detectar marcadores biológicos capaces de provocar nuevas enfermedades. 

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Autores

Iván J. Bazany-Rodríguez. Investigador posdoctoral en la Facultad de Química de la UNAM y profesor en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Doctor en Ciencias Químicas, se especializa en el diseño y fabricación de receptores artificiales ópticos, con aplicaciones en quimiodetección fotoluminiscente de contaminantes orgánicos, iones tóxicos y marcadores biológicos relevantes en enfermedades como cáncer y diabetes.

Jessica M. Muro-Hidalgo. Ingeniera Química con Maestría en Ingeniería Ambiental, UNAM. Ha desarrollado nanosensores fotoluminiscentes para quimiodetección de iones metálicos tóxicos y aminas biogénicas como la histamina, a través de puntos cuánticos de carbono derivados de residuos como el PET. Actualmente realiza el Doctorado en Ingeniería Ambiental (UNAM), su línea de investigación es nanomateriales compuestos de óxidos metálicos mejorados y puntos cuánticos de carbono para la detección y adsorción de dióxido de carbono. 

Axel Macias-Garcia. Ingeniero Ambiental egresado del Tecnológico Nacional de México con Maestría en Ingeniería Ambiental, UNAM. Ha desarrollado proyectos de electrocoagulación para la remoción de arsénico en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, remoción de fenol mediante procesos Fenton en el CIDETEQ y detección electroquímica de plaguicidas empleando electrodos nanoestructurados en la Facultad de Química (UNAM). Actualmente, realiza el Doctorado en Ingeniería Ambiental; su proyecto está enfocado en la elaboración de nanomateriales para la detección electroquímica de moléculas de interés ambiental y médico.  

J. Guadalupe Hernández-Hernández.  Técnico académico y profesor en la Facultad de Estudios Superiores “Aragón” de la UNAM. Doctor en Ingeniería Química, con líneas de investigación en química inorgánica, química computacional, fotocatálisis y electroquímica.

Carlos Alberto Huerta-Aguilar. Profesor en el Tecnológico de Monterrey. Doctor en Ingeniería Ambiental, se especializa en catálisis impulsada por luz solar, valorización de residuos y química circular. Ha realizado estancias posdoctorales en Stanford y Texas A&M, y colidera proyectos internacionales sobre hidrógeno, biogás y agrovoltaica. También ha contruibuido con TecScience como divulgador de la ciencia.

Pandiyan Thangarasu. Investigador titular y profesor en la Facultad de Química de la UNAM. Doctor en Química. Sus líneas de investigación se enfocan en química de coordinación, sistemas catalíticos y estrategias verdes de remediación. Es reconocido por su trabajo en complejos metal-orgánicos y tecnologías avanzadas de oxidación, con colaboraciones en América Latina y Asia.