Sensores no enzimáticos construidos con grafito y nanopartículas de óxidos metálicos

La detección clínica de biomoléculas como la glucosa y ácido úrico se realizan empleando técnicas analíticas como la espectrofotometría ultravioleta visible, la cual requiere una etapa de pretratamiento en la muestra para evitar interferentes que ocasionen errores en la cuantificación. Para evitar la etapa de pretratamiento que en ocasiones puede ser engorrosa, recientemente diversos grupos de trabajo realizan esfuerzos para desarrollar sensores electroquímicos capaces de medir los niveles de biomoléculas en muestras fisiológicas como la sangre, sudor, saliva e inclusive lágrimas, sin necesidad de pretratamiento.

Pero ¿qué es un sensor electroquímico? La definición más empleada los describe como dispositivos capaces de detectar y/o cuantificar especies electroactivas y traducir la información en una señal analítica. Su funcionamiento involucra (figura 1) dos componentes básicos: elemento de reconocimiento (con capacidad de interaccionar o reconocer selectivamente a la especie electroactiva presente en la muestra) y transductor (elemento que convierte la señal de respuesta del receptor en una señal electroquímica procesable).

Figura 1. Representación de los elementos de un sensor electroquímico (imagen elaborada por los autores).

Los elementos de reconocimiento más empleados en la construcción de sensores electroquímicos son las enzimas (originando a los sensores enzimáticos); por ejemplo, la enzima uricasa es empleada para la detección del ácido úrico. Desafortunadamente, las enzimas presentan desventajas (inestabilidad por cambios de temperatura, pH, presión, humedad y son materiales costosos debido a sus complejos procesos de purificación), propiciando errores en la medición.

Para superar las limitaciones de las enzimas, los esfuerzos se han centrado en sustituir a las enzimas por materiales inertes para desarrollar sensores electroquímicos no enzimáticos funcionales capaces de medir los niveles de biomoléculas en muestras fisiológicas, un ejemplo de estos materiales inertes son las nanopartículas (NPs) metálicas.

Las nanopartículas de metales nobles como el oro, plata y platino, son materiales inertes ampliamente usados en el desarrollo de sensores no enzimáticos debido a sus excelentes propiedades catalíticas y conductivas; sin embargo, sus altos costos y baja disponibilidad son desventajas que complican su uso en esta tarea.

Recientemente, las NPs de óxidos metálicos han mostrado buenos resultados en la tarea de sustitución de las enzimas y su empleo en la detección de biomoléculas, debido a sus propiedades eléctricas, catalíticas, pero principalmente a sus bajos costos y fácil adquisición.

Además, las NPs de óxidos metálicos confieren a los sensores electroquímicos estabilidad a largo plazo en condiciones ambientales sin perder su funcionalidad, en comparación con los sensores enzimáticos.

La incorporación en los sensores resulta simple, principalmente en los electrodos de pasta de carbono. En la figura 2 se ilustra la elaboración de un electrodo de pasta de carbono sin modificar (2 A) y modificado (2 B). Para fabricar un electrodo de pasta de carbono modificado, en una primera etapa, se mezclan cantidades adecuadas de grafito, nanopartículas y aceite mineral (aglutinante) hasta obtener una pasta homogénea; posteriormente, la pasta se introduce en un tubo de plástico evitando burbujas de aire, después se coloca un conector eléctrico en uno de los extremos y, por último, se renueva la superficie del electrodo empleando una hoja blanca con alta pureza (operación que se repite después de cada lectura).

Figura 2. Representación de elaboración de electrodos de pasta de carbono (A) sin modificar y (B) modificados (imagen elaborada por los autores).

Aunado a su fácil modificación, los electrodos de pasta de carbono modificado presentan una ventaja más, la capacidad de combinar las propiedades del grafito (eléctricas y mecánicas) y las proporcionadas por las nanopartículas de óxidos metálicos en el proceso de oxidación de las biomoléculas, facilitando la oxidación electroquímica de las biomoléculas.

Estos sensores modificados han sido probados usando técnicas electroquímicas, como la voltamperometría diferencial de pulso, la cual permite relacionar la oxidación de las biomoléculas con una señal eléctrica.

En el área académica de Química del Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería y en el Cuerpo de Recursos Naturales (UTSEV-CA-01) se están desarrollado y optimizando metodologías electroquímicas basadas en voltamperometría diferencial de pulso y electrodos de pasta de carbono no enzimáticos modificados con nanoestructuras de óxidos metálicos. Por ejemplo, para la cuantificación de glucosa y ácido úrico en muestras de orina humana emplearon nanopartículas de óxido de hierro III y óxido de bismuto III, respectivamente.

Los resultados indican que pronto tendremos en el mercado sensores no enzimáticos modificados con nanopartículas de óxidos metálicos para cuantificar los niveles de glucosa y ácido úrico en muestras fisiológicas que permitan tomar acciones preventivas para evitar las complicaciones de salud ocasionados por niveles anormales de estas biomoléculas.