Sensores químicos: salud, ambiente y alimentos

La vida cotidiana está repleta de dispositivos que nos permiten satisfacer una gran diversidad de necesidades. Cuando una ama de casa siente que algo anda mal con la salud de un familiar recurre a un termómetro o a un medidor de presión. De igual manera, otros dispositivos pueden informar en el hogar sobre un embarazo, la cantidad de glucosa o colesterol en la sangre, etc. También podemos obtener información en el hogar sobre la presencia de humo, sobre algún extraño rondando la casa, o para tener agua caliente. Todos estos dispositivos los conocemos
como “sensores”.

Cuando hablamos de sensores nos referimos a dispositivos diseñados para comunicar al ser humano información de su entorno y traducirlo de manera cuantificable. Dependiendo del área de aplicación, los sensores se pueden categorizar en diversos grupos, dependiendo del tipo de estímulo que estén recibiendo. Sin embargo, no hay que olvidar que el ser humano está dotado de sensores altamente especializados que nos permiten comunicarnos con el ambiente (nuestros 5 sentidos). En cierta forma muchos sensores pueden ser extensiones de nuestros sentidos, ya que en la mayoría de los casos le proporcionan un valor numérico al estímulo. Cuando el ama de casa siente la temperatura más alta de lo normal en su hijo utiliza un termómetro, el cual le da un valor a dicha temperatura para que pueda tomar una acción.

Los sensores permiten al ser humano obtener información precisa y rápida sobre diversas variables que luego puede usarse para tomar medidas y decisiones en tiempo real. Entre los diversos tipos de sensores, los sensores químicos, que pueden ser enzimáticos, no enzimáticos o colorimétricos, entre otros, han ganado gran relevancia en aplicaciones relacionadas con el monitoreo ambiental, la salud, y el control de calidad de los alimentos.

Los sensores se componen de diferentes elementos. Uno de ellos es el “analito”, que es la sustancia por analizar y puede estar pura o mezclada con otras sustancias, por ejemplo, la sangre. Otro componente es el “elemento de reconocimiento”, que es la sustancia que va a identificar o reaccionar con el analito de interés. El tercer componente es el “transductor”, que es el que se encarga de transformar esta interacción o reacción en una señal y, por último, la “señal medible”, que es el resultado cuantificable que interpreta el usuario.

En los sensores enzimáticos, las enzimas actúan como elementos de reconocimiento, ayudando a aumentar la velocidad con la que ocurre una reacción química. Cada enzima tiene una alta especificidad, lo que significa que pueden reconocer a una molécula particular, incluso en una mezcla compleja de sustancias.

Los sensores enzimáticos, también llamados biosensores, son dispositivos que hacen uso de las características que tienen las enzimas y funcionan mediante las atracciones químicas específicas que se dan entre una enzima (elemento de reconocimiento) y el compuesto o molécula de interés (analito). Cuando la unión se da, un componente del sensor (el transductor) produce una señal medible. La señal producida puede ser óptica, térmica, electroquímica, etc.

Un ejemplo común de este tipo de sensores es el dispositivo que se utiliza para medir los niveles de azúcar (glucómetro). Este sensor funciona colocando una gota de sangre sobre una tira que contiene una enzima (glucosa oxidasa), esta enzima reacciona con la glucosa, produciendo ácido glucónico y agua oxigenada (H2O2), la cual provoca un cambio de color que es la señal que se mide.

Por otra parte, los sensores electroquímicos no enzimáticos, son dispositivos diseñados para detectar y cuantificar analitos sin la necesidad de utilizar enzimas. Las enzimas suelen ser costosas y requerir condiciones específicas de almacenamiento y manipulación, por lo que, este tipo de sensores, se presentan como una alternativa económica y eficiente para la fabricación de nuevos dispositivos. Este tipo de sensores emplean como elemento de reconocimiento materiales como nanopartículas de metales nobles, óxidos metálicos y nanomateriales basados en carbono (nanotubos de carbono, grafeno, etc.) Sus propiedades químicas les permiten reaccionar con el analito, generando una señal medible proporcional a su concentración. En la actualidad, estos sensores son empleados por agencias de control ambiental, instalaciones industriales y plantas de tratamiento de agua para la detección rápida y continua de contaminantes como el plomo, mercurio y cadmio, los cuales representan un riesgo significativo para la salud y el medio ambiente.

Otro tipo de sensor importante y con múltiples aplicaciones, son los sensores colorimétricos. Estos son dispositivos que detectan y miden el color de una sustancia o solución, generalmente con el objetivo de obtener información sobre sus propiedades químicas o físicas. Los sensores colorimétricos se han vuelto populares y comunes porque son fáciles de usar, accesibles y económicos. Además, responden de manera sensible y selectiva a diferentes sustancias, por lo que permiten obtener resultados de manera simple y efectiva. Estos sensores son un tipo de sensores ópticos, ya que cambian de color cuando reciben estímulos externos, por lo que cualquier cambio en el ambiente, ya sea físico o químico, puede ser considerado un estímulo que será percibido como un cambio de color. Esto funciona como aviso visual para evidenciar un cambio en el ambiente como la variación del pH o de la temperatura, o la presencia de un gas. Un ejemplo usual de estos sensores son las tiras de pH, que cambian de color para indicar si un líquido es ácido o alcalino.

Los sensores enzimáticos, no enzimáticos y colorimétricos comparten aplicaciones comunes en la salud, monitoreo ambiental y seguridad alimentaria. Estas aplicaciones incluyen: usos en el sector salud, ayudando a la detección y monitoreo de biomarcadores, como glucosa, colesterol y otros compuestos importantes para el diagnóstico y seguimiento de enfermedades como el cáncer. Además, funcionan como pruebas rápidas y no invasivas para la evaluación de parámetros fisiológicos y detección de infecciones, facilitando un diagnóstico accesible y en tiempo real. En cuestiones ambientales, los sensores sirven como herramientas para la detección de contaminantes en agua y aire, como metales pesados, pesticidas y gases tóxicos, contribuyendo a la protección ambiental y la salud pública. También, en el monitoreo de la calidad del agua potable y la calidad del aire en entornos urbanos e industriales. Por otra parte, en los campos de aplicación de la seguridad alimentaria, los sensores facilitan la evaluación de la frescura y calidad de productos alimenticios, incluyendo carnes, pescados y frutas, mediante la detección de compuestos que indican descomposición. Además, detectan la presencia de contaminantes como pesticidas, metales pesados y aditivos en alimentos procesados, garantizando la seguridad del consumidor. Así, los sensores permiten mejorar la seguridad alimentaria, la calidad ambiental y la salud pública, con el potencial de seguir avanzando en precisión y accesibilidad mediante innovaciones en la Ciencia de Materiales.