Autor: Saúl Vallejos Calzada

  1. Introducción:

Todos nosotros alguna vez nos hemos visto en situaciones en las que los polímeros sensores que desarrollamos en el Grupo de Polímeros de la Universidad de Burgos hubieran podido ayudarnos. Por ejemplo, paseando por el campo hemos pensado en beber agua de una fuente, pero al final no lo hemos hecho porque sospechábamos que tuviera algún contaminante. Quizás, hayamos abierto un envase de  pescado unas horas después de que venciera su fecha de caducidad, y finalmente lo hemos tirado porque no estábamos seguros del estado de esos alimentos. Incluso en los últimos meses hayamos pensado, “¿me habré desinfectado bien las manos? ¿me habré contagiado de coronavirus?”. Es por eso que hace unos 10 años lanzamos una nueva línea de investigación, orientada a solucionar ese tipo de problemas de forma sencilla. Nuestra propuesta fue directa y muy fácil de entender, queríamos hacer polímeros sensores (una especie de trocitos de plástico, muy similares a simple vista a una lentilla) que cambiaran de color en presencia de ciertas especies de interés, o “targets”.

Problema detectado

Existen numerosos campos de aplicación para los sensores colorimétricos, entre los que destacan la seguridad alimentaria, la medicina, la protección, o la seguridad civil. De hecho, los sensores colorimétricos convencionales (también llamados sondas colorimétricas) se conocen desde hace décadas y se han utilizado para detectar targets como drogas o como indicadores de pH, entre otros. Sin embargo, estas sondas colorimétricas requieren de la manipulación de reactivos y disolventes, y en ocasiones hay que seguir procedimientos experimentales que pueden resultar un tanto complicados, sobre todo para el ciudadano de a pie o para cualquier persona que no posea conocimientos de química. Sin duda esa es una de las grandes limitaciones de las sondas convencionales, pero desgraciadamente no es la única, ya que además se suelen utilizar equipos de laboratorio muy delicados para registrar esos cambios de color. En definitiva, se trata de un proceso caro y tedioso.

Solución propuesta

Nuestro objetivo principal siempre ha sido transferir el potencial que tienen las sondas colorimétricas a materiales poliméricos de fácil manejo. De esta manera, evitamos tener que utilizar reactivos químicos y disolventes para llevar a cabo el análisis. Además, pretendemos simplificar de tal manera el proceso de detección, que cualquier persona sin conocimientos previos en química pueda utilizar nuestros polímeros sensores. No es necesario utilizar equipos de protección individual, y no generamos residuos. Incluso, en nuestros últimos trabajos hemos conseguido que nuestros polímeros sensores sean reutilizables, para que no supongan ningún tipo de coste medioambiental.

Basta con identificar un problema relacionado con una especie diana, para que nuestro grupo adapte el conocimiento adquirido durante los últimos años al problema que se plantea, y es por eso que nuestros campos de aplicación son tan diversos. Hemos desarrollado sensores para detectar hierro en sangre1, polifenoles en vinos2, mercurio en pescados3,4, etc. Pero también hemos desarrollado polímeros sensores que cambian de color cuando un pescado envasado deja de estar en buenas condiciones5,6 o sensores para que los pacientes de fibrosis quística puedan autodiagnosticar si una medicación les está funcionando de forma correcta (figura 1)7,8.

Figura 1. Polímero sensor para los pacientes de fibrosis quística.
Figura 1. Polímero sensor para los pacientes de fibrosis quística.

En los últimos meses, hemos querido dar un paso más y hemos sustituido el uso de equipos de laboratorio caros y delicados por un simple smartphone. Esta aplicación es un logro del que estamos particularmente orgullosos, ya que ha sido diseñada por una empresa burgalesa “inforapps”, y que demuestra que la Universidad de Burgos y las empresas del entorno más cercano podemos colaborar y conseguir grandes logros.

2. ¿Cómo funcionan?

Un polímero sensor se compone principalmente de dos partes, una matriz inerte, y un grupo receptor. El grupo receptor es el encargado de interaccionar con los targets, y fruto de la cual se produce un cambio de color. Por ejemplo, cuando en series policiacas se investiga el lugar del crimen, la policía científica suele utilizar una “solución mágica” que, al ser pulverizada sobre los asientos de un coche, revela los sitios donde ha habido sangre cuando se irradia con una linterna especial. Pues bien, esa magia no es más que la reacción química entre el luminol (receptor) y el hierro que contiene la hemoglobina presente en la sangre (target)9.

Receptores

Todo parece muy sencillo, pero qué pasaría si quisiéramos eliminar de ese proceso al personal especializado (policía científica) y el uso de reactivos y disolventes (solución “mágica de luminol”). Paradójicamente, simplificar todo ese proceso y transferir esa ciencia al ciudadano de a pie es lo realmente complicado, y supone el reto principal que hemos afrontado como grupo de investigación. Básicamente, nos centramos en la modificación química de los receptores, para poder fabricar con ellos, en un paso posterior, polímeros sensores. De esta forma, conseguimos transferir las propiedades sensoras del receptor a un material. Así es como gracias a la combinación de un receptor y un polímero, conseguimos eliminar del proceso la manipulación de reactivos y disolventes por parte de personal especializado y ponemos al servicio de la sociedad nuestros avances científicos.

Matriz inerte

La otra pieza clave de nuestros sensores es la matriz inerte, que se construye con polímeros. Los polímeros son unidades repetitivas de una o varias moléculas. A modo de ejemplo, basta con pensar en el polímero más sencillo de todos, el polietileno. Podríamos pensar en el polietileno como un collar formado por bolitas, donde cada una de esas bolitas es un átomo de carbono rodeado de átomos de hidrogeno. Una única bolita aislada (molécula discreta) sería el gas metano. Juntando cuatro bolitas en una misma cadena, tendríamos gas butano. Con ocho bolitas conseguiríamos gasolina, y con muchas más bolitas llegaríamos al polietileno (figura 2).

Figura 2. Representación esquemática de las moléculas de metano, butano, octano y polietileno.
Figura 2. Representación esquemática de las moléculas de metano, butano, octano y polietileno.

Evidentemente, no se puede construir una bolsa de supermercado con gas butano, o con gasolina, pero sí que podemos fabricarla con polietileno, y ese es uno de los fundamentos básicos de la ciencia de polímeros.

En nuestro caso, utilizamos otro tipo de polímeros para fabricar nuestros sensores, como pueden ser la polivinilpirrolidona, o el poli (metacrilato de metilo), pero el concepto general es básicamente el mismo.

Polímeros sensores

Los polímeros sensores no son más que una combinación previamente diseñada y controlada de un receptor y una matriz inerte. Por ejemplo, cuando fabricamos nuestro polímero sensor de mercurio, escogimos como receptor la ditizona, un compuesto originalmente verde, que cambia a rojo en presencia de mercurio. Pero al igual que con la gasolina, no se puede construir un material simplemente con ditizona, por lo que modificamos su estructura química. Después, se llevó a cabo la polimerización junto con la matriz inerte, para obtener finalmente un polímero sensor (figura 3).

Figura 3. Representación esquemática de un polímero sensor.
Figura 3. Representación esquemática de un polímero sensor.

3. Un laboratorio en la mano:

El cambio de color de los polímeros sensores se aprecia a simple vista, pero si se quiere llegar a un resultado numérico de concentración del target, es necesario el uso de equipos de laboratorio. Por eso, hemos desarrollado una aplicación para smartphones que, con una simple fotografía del cambio de color, es capaz de calcular la concentración del target, de tal manera que el usuario pueda sacar sus conclusiones y emitir una decisión (figura 4).

Figura 4. Capturas de pantalla de la aplicación “Colorimetric Titration”
Figura 4. Capturas de pantalla de la aplicación “Colorimetric Titration”

La aplicación se ha diseñado desde un primer momento como algo muy intuitivo y muy fácil de usar. Sin embargo, “entre bambalinas”, el sistema operativo de nuestro teléfono realizará hasta 32 calibrados de color diferentes con varios parámetros de color digital, los evaluará, y nos dirá cuál de todos ellos es el mejor, y que resultados ha obtenido con él.

4. Conclusiones y nuevos retos:

Nuestro grupo pretende orientar los polímeros sensores hacia el campo de la seguridad alimentaria y la medicina. En estos momentos estamos inmersos en dos grandes proyectos que esperamos finalizar a lo largo del año 2021.

Uno de ellos, en colaboración con el Hospital Universitario de Burgos, donde hemos desarrollado un polímero sensor para el control de las heridas crónicas, un problema de salud mucho más habitual de lo que pueda parecer, y al que solo en España se le dedican 350 millones de euros todos los años. Nuestro polímero sensor es como un apósito y cambia de color en función del estado de la herida. Esto ayuda al personal médico a tomar decisiones sobre los tratamientos, mejorando los tiempos de recuperación y ahorrando no solo tiempo y dinero, sino también sufrimiento a los pacientes (figura 5).

Figura 5. Resumen gráfico del polímero sensor orientado al tratamiento de heridas crónicas.
Figura 5. Resumen gráfico del polímero sensor orientado al tratamiento de heridas crónicas.

El segundo de los proyectos está relacionado con la detección del SARS-CoV-2. Se trata de un proyecto muy ambicioso, financiado por la Junta de Castilla y León, en el que pretendemos fabricar polímeros sensores que cambien de color en presencia del virus. Estos polímeros sensores podrían tener aspecto de etiqueta, de tal forma que podamos incluirlos en nuestras mascarillas, y poder saber de forma sencilla, visual y rápida si estamos contagiados.

5. Referencias:

  1. Vallejos, S. et al. Solid sensory polymer substrates for the quantification of iron in blood, wine and water by a scalable RGB technique. J. Mater. Chem. A 1, 15435–15441 (2013).
  2. Vallejos, S. et al. Polymeric chemosensor for the colorimetric determination of the total polyphenol index (TPI) in wines. Food Control 106, 106684 (2019).
  3. García-Calvo, J. et al. A smart material for the in situ detection of mercury in fish. Chem. Commun. 52, 11915–11918 (2016).
  4. Vallejos, S., Reglero, J. A., García, F. C. & García, J. M. Direct visual detection and quantification of mercury in fresh fish meat using facilely prepared polymeric sensory labels. J. Mater. Chem. A 5, 13710–13716 (2017).
  5. González-Ceballos, L. et al. Functional aromatic polyamides for the preparation of coated fibres as smart labels for the visual detection of biogenic amine vapours and fish spoilage. Sensors Actuators, B Chem. 304, 127249 (2020).
  6. Pablos, J. L. et al. Solid polymer substrates and coated fibers containing 2,4,6-trinitrobenzene motifs as smart labels for the visual detection of biogenic amine vapors. Chem. – A Eur. J. 21, 8733–8736 (2015).
  7. Vallejos, S. et al. Polymeric chemosensor for the detection and quantification of chloride in human sweat. Application to the diagnosis of cystic fibrosis. J. Mater. Chem. B 6, 3735–3741 (2018).
  8. SENSOR FIB QUISTIC ESPAÑOL INSTA 1 – YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=tNV-tDwbTVs&feature=youtu.be
  9. Weber, K. Die Anwendung der Chemiluminescenz des Luminols in der gerichtlichen Medizin und Toxikologie – I. Der Nachweis von Blutspuren. Dtsch. Z. Gesamte Gerichtl. Med. 57, 410–423 (1966).