En química analítica, a menudo es necesario monitorear con precisión el cambio de concentración de ciertas sustancias en líquidos en una escala de tiempo de segundos. Especialmente en la industria farmacéutica, tales mediciones deben ser extremadamente sensibles y confiables.

Se ha desarrollado un nuevo tipo de sensor en TU Wien que es muy adecuado para esta tarea y combina varias ventajas importantes de una manera única:basado en tecnología infrarroja personalizada, es significativamente más sensible que los dispositivos estándar anteriores. Además, se puede utilizar para una amplia gama de concentraciones de moléculas y puede operar directamente en el líquido. Esta es la consecuencia de su robustez química y, por lo tanto, proporciona datos en tiempo real, es decir, en fracciones de segundo. Estos resultados ahora han sido publicados en Nature Communications .

Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda

"Para medir la concentración de moléculas, usamos radiación en el rango espectral del infrarrojo medio", dice Borislav Hinkov, director del proyecto de investigación del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de TU Wien. Esta es una técnica bien conocida:las moléculas absorben longitudes de onda específicas en el rango del infrarrojo medio, mientras que otras longitudes de onda se transmiten sin atenuación. Por lo tanto, diferentes moléculas tienen su "huella digital infrarroja" muy específica. Al medir con precisión el perfil de fuerza de absorción dependiente de la longitud de onda, es posible determinar la concentración de una molécula en particular en la muestra en un momento dado.

La espectroscopia infrarroja se ha utilizado habitualmente en la detección de gases durante mucho tiempo. El nuevo logro del equipo de TU Wien es la implementación de esta tecnología en un chip sensor del tamaño de la punta de un dedo, que es específicamente adecuado para la detección de líquidos. Desarrollar un sensor de este tipo fue un desafío tanto tecnológico como analítico, porque los líquidos absorben la radiación infrarroja mucho más fuerte que los gases. El sensor de líquido compacto se realizó en colaboración con Benedikt Schwarz del Instituto de Electrónica de Estado Sólido y se fabricó en el Centro de Micro y Nanoestructuras, la sala limpia de última generación de TU Wien.

"Solo necesitamos unos pocos microlitros de líquido para una medición", dice Borislav Hinkov. "Y el sensor entrega datos en tiempo real, muchas veces por segundo. Por lo tanto, podemos monitorear con precisión un cambio en la concentración en tiempo real y medir la etapa actual de una reacción química en el vaso de precipitados. Esto contrasta fuertemente con otras tecnologías de referencia , donde debe tomar una muestra, analizarla y esperar hasta minutos para obtener el resultado".

La colaboración entre diferentes disciplinas es la clave

Esto fue posible gracias a una colaboración entre los departamentos de ingeniería eléctrica y química de TU Wien:el Instituto de Electrónica de Estado Sólido tiene una amplia experiencia en el diseño y fabricación de los llamados láseres y detectores de cascada cuántica. Son diminutos dispositivos basados ​​en semiconductores que pueden emitir o detectar radiación láser infrarroja con una longitud de onda definida con precisión en función de su micro y nanoestructura.

La radiación infrarroja emitida por dicho láser penetra en el líquido en la escala de longitud de micrómetros y luego es medida por el detector en el mismo chip. Utilizando estos láseres y detectores ultracompactos especialmente combinados, se realizó un dispositivo de detección y se probó su rendimiento en las primeras mediciones de prueba de concepto. El trabajo se realizó en colaboración con el grupo de Bernhard Lendl del Instituto de Tecnologías Químicas y Analítica.

Demostración experimental:una proteína cambia de estructura

Para demostrar el rendimiento del novedoso sensor de infrarrojo medio, se seleccionó una reacción bioquímica:se calentó una proteína modelo conocida, cambiando así su estructura geométrica. Inicialmente, la proteína tiene la forma de una espiral en forma de hélice, pero a temperaturas más altas se despliega en una estructura plana. Este cambio geométrico también cambia el espectro particular de absorción de huellas dactilares en el infrarrojo medio de la proteína. "Seleccionamos dos longitudes de onda adecuadas y fabricamos sensores adecuados basados ​​en cascada cuántica, que integramos en un solo chip", dice Borislav Hinkov. "Y, de hecho, resulta que puedes usar este sensor para observar la llamada desnaturalización de la proteína modelo seleccionada con alta sensibilidad y en tiempo real".

La tecnología es extremadamente flexible. Es posible ajustar las longitudes de onda necesarias según sea necesario para estudiar diferentes moléculas. También es posible agregar más sensores de cascada cuántica en el mismo chip para medir diferentes longitudes de onda y así distinguir la concentración de diferentes moléculas simultáneamente. "Esto abre un nuevo campo en la química analítica:la espectroscopia de líquidos en el infrarrojo medio en tiempo real", dice Borislav Hinkov.

Las posibles aplicaciones son extremadamente diversas:van desde la observación de cambios estructurales de proteínas inducidos térmicamente y cambios estructurales similares en otras moléculas, hasta el análisis en tiempo real de reacciones químicas, por ejemplo, en la producción de fármacos o en procesos de fabricación industrial. Dondequiera que exista la necesidad de monitorear la dinámica de las reacciones químicas en líquidos, esta nueva técnica puede traer importantes ventajas. + Explora más

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