Tecnologías

SENSORES Y BIOSENSORES QUÍMICOS SOBRE FIBRA ÓPTICA PARA ANÁLISIS MEDIOAMBIENTAL Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

(PALABRAS CLAVE: Sensores ópticos, biosensores, fibra óptica, colorantes, fluorescencia, sondas, análisis medioambiental, control de procesos)

De la unión entre los avances químicos y tecnológicos en las áreas del diseño y síntesis molecular, la fotoquímica, la espectroscopía analítica, las ciencias de materiales y la tecnología de telecomunicaciones han surgido los modernos sensores químicos sobre fibra óptica, dispositivos capaces de monitorizar en tiempo real, en continuo e in situ la concentración de una especie de interés.

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Sensor químico luminiscente sobre fibra óptica, fabricado por nuestro equipo investigador para la medida del oxigeno disuelto, incluyendo la molécula indicadora y la membrana sensible que contiene la misma

 Típicamente, un instrumento que utiliza un sensor químico sobre fibra óptica consta de una fuente luminosa, cuya radiación (frecuentemente monocromada) se lanza al interior de un conductor de luz. Éste lleva la luz hasta el extremo sensible, -el “corazón” del dispositivo-, que contiene un indicador apropiado (capa reactiva) inmovilizado en un soporte polimérico. Alguna propiedad óptica (absorción, reflectancia, fluorescencia, índice de refracción, etc.) de esta capa experimenta un cambio medible al producirse la interacción (selectiva) con el analito de interés; de esta forma, la luz modificada se guía nuevamente a través de la fibra óptica a un detector, cuya señal eléctrica se amplifica convenientemente y se registra analógica o digitalmente. Una calibración apropiada permite realizar en continuo, in situ y en tiempo real la medida de la concentración de la especie química objetivo.

 En el caso de un biosensor, el transductor óptico situado en el extremo sensor se cubre con una capa que contiene una biomolécula (enzima, anticuerpo, etc.) capaz de reconocer específicamente el analito de interés. Como resultado de la interacción biomolécula-analito se produce una reacción química que produce o consume la especie monitorizable con el transductor óptico que, convenientemente calibrado, permite cuantificar así la diana química.

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Componentes básicos de un sensor químico de fibra óptica (F: selectores de longitud de onda; D: detector fotónico). En la microfotografía aparece una capa fluorescente indicadora sensible al oxígeno y, a la izquierda, un esquema de la medida de oxígeno (disuelto) por desactivación colisional de la fluorescencia del indicador inmovilizado.

Sólo preparando moléculas indicadoras luminiscentes o colorimétricas, diseñadas en nuestro laboratorio específicamente a la medida de la aplicación requerida por el cliente, y utilizando la más avanzada tecnología opto-electrónica, es posible desarrollar sensores químicos sobre fibra óptica adaptados con precisión a las características de la determinación química objetivo. Además, nuestros laboratorios están equipados para llevar a cabo una completa caracterización analítica y calibrado de los dispositivos desarrollados para el cliente, incluyendo las más modernas técnicas láser y espectroscópicas. Las ventajas de la monitorización por fibra óptica sobre los sensores alternativos (e.g. los electrodos de referencia son innecesarios, la ausencia de interferencias y riesgos eléctricos, la fácil miniaturización, la posibilidad real de transportar una mayor densidad de información a través de un conductor óptico y su robustez, unido a la posibilidad de monitorizar analitos para los que no se dispone actualmente de sensores o hacerlo a un precio competitivo) pueden determinar, sin duda, un cambio en el panorama tecnológico medioambiental, en el control de procesos industriales, la biotecnología y la (bio)química clínica, entre otros muchos campos donde se requiere la monitorización en tiempo real de especies químicas.

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Sensores para la monitorización de oxígeno por fibra óptica instalados en una estación depuradora de aguas residuales, en un compostador piloto y en un fermentador de laboratorio.

 Esta tecnología ha sido desarrollada por el grupo de investigación multidisciplinar GSOLFA, de los  departamentos de Química Orgánica y Química Analítica de la Facultad de CC. Químicas. El Grupo de investigación en Sensores Químicos Ópticos y Fotoquímica Aplicada de la UCM (España), en colaboración con la industria, ofrecen más de 15 años de experiencia en la ingeniería molecular de sondas luminiscentes y colorimétricas y su aplicación “a medida” en el desarrollo de sensores y biosensores químicos sobre fibra óptica. La miniaturización, robustez, seguridad y especificidad de tales dispositivos les hacen idóneos para controlar in situ, en tiempo real, la calidad de aguas y aire, así como monitorizar en línea parámetros químicos clave de procesos industriales. De esta manera, hemos desarrollado ya con éxito sensores ópticos para la monitorización de oxígeno, temperatura, dióxido de carbono, pH, hierro, sulfuro, alcoholes, humedad relativa, DBO, detergentes, glucosa y colesterol (varios de ellos ya patentados). Asimismo, hemos ensayado ya la aplicación de algunos de ellos a la tecnología de alimentos, el control de procesos industriales y, más recientemente, al análisis y seguimiento de especies químicas de interés medioambiental. Estos desarrollos han sido llevados a cabo mediante la financiación regional, nacional y europea de diversos proyectos de investigación, así como mediante la firma de contratos de investigación con varias empresas, entre las que cabe destacar REPSOL, Aqualogy, Cetaqua, Agilent Technologies, Physical Optics Corp. (California), Carburos Metálicos, S.P. FREMAP, Aerlyper, DiagnóstiQA.

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Biosensor luminiscente sobre fibra óptica para la medida de pesticidas, basado en microalgas como elementos de reconocimiento, monitorizando el agua de la Marisma del Parque Nacional de Doñana, en el observatorio del Bolín. El sistema ha sido desarrollado conjúntamente por Aqualogy, Cetaqua y el grupo de Sensores Químicos Ópticos y Fotoquímica Aplicada de la UCM.

   Nuestro equipo investigador puede prestar los siguientes servicios a empresas y administraciones:

  •     Desarrollo de sensores y biosensores específicos para el control in situ, en continuo y en tiempo real de parámetros químicos basados en tecnología de fibra óptica.
  •     Diseño, síntesis y caracterización fotoquímica de indicadores ópticos para la medida de parámetros químicos de interés medioambiental, industrial o biotecnológico.
  •     Marcadores fluorescentes a medida para control de calidad, trazadores y biotecnología (ácidos nucleicos, proteínas y células intactas).
  •     Desarrollo de métodos espectroscópicos y fotoquímicos para el análisis químico y biológico.
  •     Aplicación de sensores y biosensores ópticos al control de parámetros de calidad de aguas y atmósferas y al control de procesos industriales: proyectos de monitorización “llave en mano”.
  •     Desarrollo de polímeros de impronta molecular “a medida” para determinación selectiva de contaminantes de interés en agua y medios biológicos.
  •     Tratamiento y desinfección solar de agua y aire .

CIENTÍFICOS RESPONSABLES Prof. Guillermo Orellana Moraleda / Prof. María C. Moreno Bondi Dpto. de Química Orgánica / Dpto. de Química Analítica Facultad de Ciencias Químicas Para más información: http://www.ucm.es/info/otri/complutecno/fichas/tec_gorellana1.htm