Un equipo de investigación diseña una nariz química a pequeña escala
(A) Esquema de una matriz cuadrada de postes elásticos de 9x9 en una cámara rectangular llena de líquido con dimensiones 4x4x1 mm
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que contiene cinco postes recubiertos con enzimas:uno con CAT (catalasa) en el medio (azul), dos con AP (fosfatasa ácida) a lo largo de la línea central en la dirección x (rosa) y dos con ureasa en las esquinas (naranja). Al agregar productos químicos apropiados (peróxido de hidrógeno, p-nitrofenilefosfato y urea), la reacción química en la superficie de los postes recubiertos impulsa un flujo hacia arriba o hacia adentro que deforma los postes cercanos. (B) Vista lateral del campo de flujo generado por un poste recubierto de enzima que genera flujo hacia adentro (CAT o AP) y hacia afuera (ureasa) debido al efecto de flotabilidad solital. (C y D) Vista superior de la configuración de una matriz cuadrada de postes elásticos de 9x9 después de agregar peróxido de hidrógeno, p-nitrofenilefosfato y urea, para condiciones de contorno periódicas (C) y de pared (D). Crédito:Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2319777121
La nariz de un organismo vivo es esencialmente un detector de moléculas biológicas que envía señales neurológicas al cerebro, que luego decodifica un olor particular. Las narices humanas, con seis millones de receptores olfativos, pueden distinguir más de un billón de olores, mientras que algunas narices caninas poseen hasta 300 millones de receptores, que proporcionan una mayor sensibilidad en partes por billón.
Las "narices electrónicas" son dispositivos electrónicos que pueden "olfatear" e identificar olores y sabores vaporizados. Estas narices sintéticas, que normalmente están conectadas a una cantidad significativa de equipos de laboratorio, no son fácilmente portátiles, lo que motiva a los investigadores a idear nuevos sensores transportables que puedan identificar una amplia gama de sustancias químicas.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han ampliado ese potencial mediante el diseño de un sistema a pequeña escala que forma patrones tridimensionales, que sirven como "huellas dactilares" químicas que permiten identificar las sustancias químicas en las soluciones. La investigadora principal es Anna C. Balazs, profesora distinguida de ingeniería química, con el autor principal y postdoctorado Moslem Moradi, y el postdoctorado Oleg E. Shklyaev. El trabajo aparece en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Crédito:Universidad de Pittsburgh
"Los catalizadores son altamente selectivos; sólo ciertos reactivos pueden desencadenar una reacción catalítica particular. Debido a esta selectividad, los catalizadores en una solución pueden revelar las identidades de los reactivos. Si se agregan los reactivos correctos al fluido, entonces la reacción resultante genera la reacción espontánea. El flujo del fluido, a su vez, puede doblar y dar forma a objetos flexibles sumergidos en la solución", explicó Balazs.
"Si se atan postes flexibles a la base de una cámara llena de líquido y se recubren con enzimas específicas, los reactivos agregados obligarán a los postes a doblarse en diferentes direcciones y formar patrones visuales distintos.
"Lo sorprendente es que cada reactivo, o combinación de reactivos, produce un patrón separado. De hecho, los químicos dejan una 'huella' distintiva que nos permite identificar la composición química de la solución".
En la simulación, Moradi construyó una cámara de cuatro milímetros de cuadrado y un milímetro de altura, con 81 postes flexibles. Sólo unos pocos postes en ubicaciones concretas estaban recubiertos con uno de los tres tipos de enzimas.
"Si examinamos reacciones específicas, podemos discernir las formas que contribuyen al patrón general. En consecuencia, podemos controlar los patrones y ajustar su apariencia". Dijo Moradi. "Además, si los reactivos se agregan uno a la vez, podemos formar un caleidoscopio químico a medida que un patrón se transforma suavemente en otro cuando los reactivos anteriores son consumidos por la reacción y se agrega un nuevo reactivo a la solución".
