Un detector de humo y monóxido de carbono Nest se ve el 16 de enero 2014, en Provo, Utah. Imágenes de George Frey / Getty Inhalar y exhalar es algo que hace nuestro cuerpo sin que tengamos que pensar en ello. De hecho, Rara vez pensamos en el aire que nos rodea hasta que la calidad es baja, tal vez por el humo de un fuego cercano o el esmog que envuelve nuestras ciudades abarrotadas.
Pero puede haber gases peligrosos que no siempre son visibles. El monóxido de carbono y el radón son dos ejemplos de contaminantes mortales del aire que son completamente invisibles. No nos damos cuenta de que estamos siendo envenenados por el aire que respiramos hasta que es demasiado tarde. Afortunadamente, estos gases no son tan frecuentes, y con la ayuda de una pequeña tecnología de detección química, podemos dejar que los detectores de monóxido de carbono y radón se preocupen por nosotros.
Los sensores químicos son útiles mucho más allá de la detección de gases mortales. Estos dispositivos se pueden encontrar en nuestros hogares, hospitales y en el ejército. Hay muchos tipos diferentes de sensores que detectan diferentes moléculas objetivo (también conocidas como analitos ). Aunque los sensores funcionan de varias formas, la esencia es que ocurre una interacción química entre el analito y algo en el sensor, y el dispositivo produce una señal medible:un pitido o un cambio de color para alertarnos de la presencia de la molécula objetivo.
A pesar de las diferencias en la construcción de sensores, Hay algunos principios rectores que hacen que cualquier sensor sea bueno. El ideal es económico, infalible y portátil. Más importante, cualquier sensor químico tiene dos características vitales:selectividad y sensibilidad. Hay más de 10 mil millones de sustancias moleculares en el mundo, por lo que la detección selectiva de una sola sustancia no es poca cosa [fuente:Consejo Nacional de Investigación]. La sensibilidad también es increíblemente importante para detectar sustancias químicas desde una distancia considerable o para tratar de encontrar concentraciones muy bajas de una molécula objetivo. Otras características importantes del sensor son el tiempo de respuesta, tamaño del envase y límite de detección:la cantidad más baja de una sustancia que se puede detectar.
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Un detector de monóxido de carbono puede evitar que se envenene con vapores de gas. BanksPhotos / Getty Images Los científicos e ingenieros han desarrollado una variedad de sensores para diferentes propósitos, y como puedes imaginar, todos tienen sus propias formas de trabajar. Después de todo, no es probable que un kit de prueba de embarazo tenga el mismo mecanismo de detección que un detector de radón, ¿Derecha?
Todos los sensores químicos apuntan a algún tipo de analito, pero lo que sucede una vez que el analito está en el sensor es donde surgen las diferencias. Por ejemplo, el sensor puede unir el analito (piense en un mecanismo de tipo candado y llave, pero a nivel molecular). O, el sensor puede configurarse de modo que el analito pase selectivamente a través de una película delgada. Imagine que la película es un guardián químico que solo deja pasar la molécula objetivo y evita que entre todo lo demás. Este tipo de sensor tiene la característica positiva de ser continuamente reutilizable. Una tercera forma de sensor utiliza el analito en una reacción química que genera un producto que crea la señal legible [fuente:Consejo Nacional de Investigación]. Estos tres mecanismos muy amplios cubren el funcionamiento de la mayoría de los sensores, pero todavía hay otros tipos.
Por ejemplo, hay sensores electroquímicos de lectura directa que utilizan la difusión de moléculas cargadas para buscar cambios en la corriente, conductividad o potencial para ver si un analito objetivo está presente. Los sensores de ondas acústicas de superficie emplean ondas acústicas enviadas de un electrodo a otro a través de una superficie. El sensor está diseñado para que si la velocidad de la onda cambia o si pierde intensidad, señala la presencia de una molécula diana unida a la superficie. Al tomar medidas de estos cambios, el sensor puede incluso detectar cantidades del material presente [fuente:Consejo Nacional de Investigación].
Otra innovación interesante en la tecnología de detección química se mueve hacia la detección de propiedades inherentes de diferentes objetivos químicos en lugar de utilizar una interacción molecular para impulsar la detección. Cada uno de los diferentes enlaces en las moléculas tiene patrones de vibración característicos que se pueden detectar en la región infrarroja del espectro electromagnético. Combinando fuentes de luz, filtros y detectores en un solo chip, Los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts han podido detectar estas huellas dactilares moleculares para detectar una gran cantidad de moléculas, desde contaminantes en el agua hasta electrolitos en la sangre de bebés recién nacidos [fuente:Bender].
No importa cómo operen, los dispositivos de detección de sustancias químicas son, sin duda, trabajando para ti. Es probable que su casa tenga al menos un detector de gas radón, humo o monóxido de carbono, dependiendo de las leyes de su estado o país. Muchos sensores de radón funcionan absorbiendo el propio radón o detectando los productos de desintegración radiactiva del gas letal. Monóxido de carbono, por otra parte, no es un material radiactivo, por lo que los detectores de este gas funcionan de manera diferente. Uno de los mecanismos más comunes de este sensor químico es un riff sobre biología. Estos detectores imitan cómo el monóxido de carbono interactúa con la hemoglobina en la sangre para determinar la presencia del gas. Otro detector común en el hogar es un detector de humo. Mientras que algunos usan materiales radioactivos para ayudar a olfatear el humo, la mayor parte de la detección en los detectores de humo proviene del aspecto físico, no químico, Fenómeno de las partículas de humo que provocan interferencias detectadas por el detector.
Los dispositivos de detección de sustancias químicas también tienen un uso generalizado fuera del hogar. Uno de los principales lugares donde verá estos dispositivos en acción es en busca de biomoléculas en entornos médicos. Los sensores de biomoléculas son esencialmente sensores químicos especializados. Aunque detectan sustancias como hormonas, estas sustancias corporales son todas moléculas. Después de todo, Estos sensores están hechos con muchos de los mismos principios rectores que otros sensores químicos:selectividad, sensibilidad y portabilidad.
Algunos de los sensores de biomoléculas más portátiles que puede conocer están asociados con las mediciones de fertilidad:pruebas de embarazo y pruebas de ovulación. Ambos sensores químicos detectan la presencia de ciertas hormonas en la orina. En el caso de las pruebas de embarazo, el sensor busca la hormona gonadotropina coriónica humana (hCG) en la orina. La barra en la que la mujer orina tiene anticuerpos que están recubiertos con una sustancia química que se adhiere a la hCG. Si la biomolécula está presente, la prueba da positivo [fuente:Parents Magazine]. Por lo general, estos sensores químicos tienen un componente colorimétrico de modo que cuando el analito, en este caso hCG, se une, provoca un cambio de color en el sensor, haciendo que la lectura de los resultados sea bastante infalible.
En el entorno clínico, dos de los métodos más comunes para la detección de biomoléculas de base química son ELISA (ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas) y el Western blot. Dependiendo del tamaño y tipo de biomolécula en cuestión y la información que deseen sobre la molécula, Los científicos y los médicos a menudo recurrirán a una de estas técnicas de detección química para identificar diferentes analitos en mezclas de biomoléculas [fuentes:ThermoFisher Scientific, Mahmood y Yang].
Una cabeza de vidrio sostiene un sensor de interfaz neuronal desarrollado por DARPA, que lee las señales del cerebro y estimula las neuronas para combatir la pérdida de memoria. DARPA está invirtiendo en la investigación de sensores químicos. Stacey Rupolo / Chicago Tribune / TNS a través de Getty Images Un gran impulsor de las futuras direcciones de la detección química es el ejército. Las agencias de financiamiento como la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) tienen grandes sueños sobre lo que la detección química podría hacer por sus fuerzas armadas. Imagínese poder colocar un sensor en la parte superior de una tienda de campaña en una zona de guerra que pueda detectar explosivos o gases tóxicos a 4 millas (6 kilómetros) de distancia.
O imagina un sensor tan pequeño se puede incrustar en tejidos. Cuando el sensor detecta un agente tóxico, el color de la tela cambia, alertando a los soldados de la presencia de toxinas químicas en el aire. ¿Qué pasa con un sensor que podría alertar a los soldados sobre sus niveles de deshidratación? Las implicaciones de tal tecnología no solo serían la ventaja en la batalla, pero también salvar potencialmente miles de vidas.
También se podrían colocar productos químicos en los aeropuertos para ayudar a detener el terrorismo mediante la detección de concentraciones mínimas de explosivos sin que tengamos que pasar por las grandes molestias de las líneas de seguridad. De hecho, Los científicos ya han presentado un sensor que puede detectar rápidamente drogas y explosivos a una distancia cercana a 100 pies (30 metros) teniendo en cuenta los aeropuertos [fuente:Engineering360]. Estos sensores podrían instalarse en las entradas de los aeropuertos y otros lugares con grandes grupos de personas. Algunos tipos de dispositivos de detección de sustancias químicas incluso se pueden conectar a los teléfonos celulares para escanear áreas más grandes a medida que los funcionarios encargados de hacer cumplir la ley se mueven [fuente:Hsu].
Por supuesto, Los sensores químicos no solo necesitan usarse para desviar actividades nefastas. La detección de metales contaminantes en el agua y posiblemente sustancias químicas tóxicas en el aire a través de sensores en las insignias de seguridad son solo algunas de las formas en que los dispositivos de detección de sustancias químicas están cambiando nuestro mundo.
¿Sensores de nanopartículas cosidos en tela que podrían decirme más sobre mí o el aire que me rodea? En serio, esto es cosa de ciencia ficción. Excepto que no lo es. Quizás el ejército es el que impulsa la investigación sobre cosas como esta, pero poco después de que los soldados comiencen a usarlo, será un lugar común para el resto de nosotros. Le da a la tecnología portátil un significado completamente nuevo.
