¿Podrían los químicos estar preparados para deshacerse del venerable tubo de ensayo, el símbolo mismo de la química en la mente de muchas personas? Tal vez todavía no pero Jack Beauchamp de Caltech está trabajando en ello.

Beauchamp está trabajando en lo que él llama química de "laboratorio en una gota", en el que se realizan reacciones químicas dentro de una gota de líquido suspendido en el aire mediante levitación acústica.

La levitación acústica funciona creando áreas de alta y baja presión en el aire mediante el uso de transductores ultrasónicos. Estos transductores actúan como altavoces diminutos pero potentes que funcionan a una frecuencia superior a la que pueden oír los oídos humanos. La energía sónica emitida por estos transductores se enfoca de tal manera que las zonas de alta y baja presión que crean forman "trampas" que pueden mantener pequeños objetos en su lugar en el aire. Un objeto colocado en una de las zonas de baja presión es retenido allí por las zonas de alta presión que lo rodean. Un levitador acústico de este tipo se puede construir por alrededor de $ 75 a partir de piezas listas para usar utilizando técnicas de impresión 3-D.

En un nuevo periódico Beauchamp y sus colegas describen el uso de la técnica para estudiar cómo funciona un medicamento contra el cáncer de piel a nivel químico. La investigación, él dice, representa el primer uso exitoso de la levitación acústica como un reactor "sin paredes" en un estudio detallado de reacciones químicas.

En el trabajo, Beauchamp y su equipo cubrieron una gota de agua con lípidos, biomoléculas que forman las membranas celulares. Luego aplicaron un medicamento contra el cáncer a la gota y usaron un espectrómetro de masas para "olfatear" la firma química emitida por la gota cuando el medicamento reaccionaba con el lípido cuando se iluminaba con un puntero láser rojo.

En el experimento, los investigadores agregaron una pequeña cantidad de uno de dos lípidos, cardiolipina y POPG (1-palmitoil-2-oleoil-sn-glicero-3-fosfo- (1'-rac-glicerol)), a cada gota de agua. Los lípidos migraron a la superficie de la gota, donde se organizaron para formar una película delgada que es similar en composición a la membrana celular de una célula viva.

Con la membrana establecida, Se añadió a la gota una sustancia química llamada temoporfina. Temoporfina, una molécula en forma de anillo, está excitado por la luz roja. En este estado, la temoporfina transfiere energía al oxígeno molecular, formando un estado electrónico excitado que oxida fácilmente las moléculas con las que entra en contacto, incluidos los que forman las membranas celulares. Esto hace que la temoporfina sea útil como tratamiento para algunos cánceres de piel. Un médico podría aplicar el medicamento a una lesión cancerosa y luego iluminarla con luz roja, que brilla fácilmente a través de los tejidos. A medida que el recinto se ilumina y excita, oxida materiales celulares vitales, incluidos los lípidos, proteínas, y ácidos nucleicos, desencadenando la muerte celular.

Era este proceso de eliminación del cáncer lo que Beauchamp quería estudiar. "Cuando haces esta química, le gustaría poder llevar a cabo estas reacciones en condiciones en las que no tenga ningún contacto del líquido con las superficies, ", dice." Logramos este objetivo realizando la química en una gota levitada ".

El levitador acústico permitió a Beauchamp y su equipo suspender en el aire una gota de agua de 1 milímetro que contenía una mezcla del lípido y temoporfina. Luego, la gota se iluminó con una luz láser roja, excitando la temoporfina y provocando que oxide las moléculas de la capa de la membrana.

Mientras ocurría esta oxidación, un par de electrodos de alto voltaje colocados cerca de la gota extrajeron cantidades mínimas de material de la gota y lo introdujeron en el sensor de un espectrómetro de masas, que proporcionó lecturas que permitieron a los investigadores deducir las estructuras moleculares de los compuestos dentro de la gota. Al monitorear continuamente estas lecturas, los investigadores pudieron ver cómo los compuestos en la superficie se oxidaban progresivamente más. Al observar estos productos de reacción, Beauchamp dice que el equipo de investigación podría determinar cómo funcionan los procesos de oxidación.

"Por lo que sé, somos las únicas personas que hacen química seria de esta manera, examinando la cinética y el mecanismo de las reacciones involucradas ", dice Beauchamp.

La levitación acústica también podría encontrar uso en otros campos, él dice. Como ejemplo, él cita la investigación de Joe Parker de Caltech, profesor asistente de biología e ingeniería biológica que estudia la relación simbiótica entre ciertas especies de hormigas y escarabajos. Beauchamp dice que sería posible hacer levitar una hormiga y un escarabajo muy cerca uno del otro y luego usar el aparato para analizar las feromonas que emiten.

La técnica también podría tener otras aplicaciones. En estudios colaborativos con John Seinfeld de Caltech, Profesor Louis E. Nohl de Ingeniería Química, Beauchamp reveló previamente detalles de la compleja química ambiental que conduce a la formación de aerosoles orgánicos en la atmósfera en estudios que utilizan gotas que cuelgan del extremo de un capilar. Con la nueva metodología de levitación, ese capilar ya no sería necesario.

El artículo que describe la investigación de Beauchamp, titulado "El estudio espectrométrico de masas de gotitas levitadas acústicamente ilumina el mecanismo a nivel molecular de la terapia fotodinámica para el cáncer que involucra la oxidación de lípidos", "aparece en la edición del 23 de abril de Angewandte Chemie .