Los científicos desarrollan un biosensor de grafeno pulverizable

Los químicos han diseñado una plataforma de detección escalable y de bajo costo utilizando tinta de grafeno.

Los científicos han desarrollado una nueva tinta de grafeno que se puede utilizar para detectar una variedad de sustancias químicas cuando se coloca sobre placas de circuito impreso (PCB) disponibles comercialmente como una película delgada.

En un artículo publicado en la revista Nanoscale, los investigadores de Imperial dicen que la tecnología puede allanar el camino para matrices multisensor de bajo costo que pueden implementarse en la atención médica, la industria y más.

El grafeno es un material 2D, formado por una sola capa de grafito. Dispuesto en una red hexagonal de átomos de carbono que se asemeja a un panal, el grafeno posee poderosas propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas.

Los primeros transistores de efecto de campo de grafeno impresos a partir de tintas de grafeno fueron demostrados en 2011 por el grupo del Dr. Felice Torrisi, logrando una movilidad de electrones increíblemente alta en comparación con los transistores impresos estándar.

Estas propiedades hacen que el grafeno sea atractivo para aplicaciones de detección. Dado que es un material 2D, el grafeno tiene una gran superficie que puede interactuar con cualquier gas o líquido al que esté expuesto, lo que permite utilizarlo eficazmente para detectar sustancias químicas específicas.

Además, es relativamente fácil de modificar para detectar diferentes sustancias debido a su química única basada en el carbono.

"Se pueden unir los receptores a la superficie del grafeno o acercar los receptores lo suficiente como para que se adhieran a la superficie, pero en realidad no se unen a ella", dice Benji Fenech Salerno, estudiante de doctorado en el Departamento de Química y coautor principal de El papel a nanoescala.

"En ambos casos, esto nos permite añadir selectividad química al grafeno", afirma.

El equipo de Imperial demostró que su tecnología que utiliza tinta de grafeno rociada sobre una PCB podía detectar con precisión el pH y la concentración de iones de sodio de una solución acuosa.

Los planes futuros incluyen ampliar la tecnología a otros analitos, así como depositar tintas de grafeno en diferentes superficies.

Los investigadores dicen que aunque se han producido tintas de grafeno antes, ha sido difícil sintetizarlas comercialmente con una alta concentración de escamas de grafeno y depositar las tintas como una capa delgada y estable sobre una superficie de PCB comercial.

Los desafíos anteriores eran que las tintas tenían tendencia a desprenderse de sus sustratos. En otras palabras, se desprenderían de las superficies sobre las que fueron depositados.

Esto introduciría una fuente de error en cualquier medición que se realice, reduciendo su precisión como sensores químicos.

El Dr. Felice Torrisi, profesor titular del Departamento de Química y autor correspondiente del artículo, también dice que a los investigadores les resultó difícil crear dispersiones de grafeno en altas concentraciones.

"Ese ha sido, hasta ahora, un gran desafío sin resolver con estas tintas: la cantidad de grafeno que se obtiene por unidad de volumen, que tiende a ser muy baja en comparación con otras tintas comerciales con, por ejemplo, nanopartículas metálicas", dice.

Las tintas de baja concentración pueden plantear complicaciones al intentar aplicarlas en tecnologías de sensores. Según los investigadores, tener que rociar las tintas repetidamente sobre el sustrato para obtener una capa suficiente puede reducir el rendimiento general del sensor.

El equipo superó ambos obstáculos introduciendo un estabilizador especial conocido como polivinilprrolidona (PVP), un polímero que se utiliza a menudo como aglutinante.

La adición de PVP permitió que la tinta fuera estable en concentraciones más altas y le dio una vida útil más larga.

La tinta de grafeno estabilizada también era autoadhesiva, lo que le permitía adherirse a la superficie de una PCB disponible comercialmente sin laminar. "Permitir la integración de tinta de grafeno con placas de PCB no es sencillo: es difícil encontrar la formulación adecuada para tener una fuerte adhesión", dice el Dr. Torrisi.

"Depositar de forma fiable tintas de grafeno en placas de PCB comerciales abre la puerta a la integración a gran escala de sensores de grafeno impresos en productos comerciales", añade.

La nueva formulación permite al equipo diseñar tintas de grafeno sensibles a sustancias químicas específicas, que luego pueden rociarse sobre una PCB relativamente barata para obtener un sensor de bajo costo.

Luego se pueden depositar diferentes receptores en los mismos sensores, lo que permite detectar múltiples sustancias en el mismo dispositivo.

"Queremos acercar estos sensores al usuario final", afirma Benji.

El equipo pone el ejemplo de un panel metabólico, un tipo de prueba de diagnóstico que a menudo se prescribe a los pacientes. “Si padeces una enfermedad crónica, es un inconveniente tener que ir a una clínica con bastante frecuencia, o tal vez no te hagas las pruebas con tanta frecuencia como quisieras”, afirma.

Tener sensores de bajo costo puede permitir a los usuarios realizar pruebas ellos mismos. Otras aplicaciones también podrían ser la detección rápida de sustancias químicas en áreas como la agricultura o la industria, ya que la tecnología que desarrolló el equipo de Imperial es capaz de dar resultados en 60 segundos, afirman.

El equipo ahora ha presentado una patente para su tecnología y está explorando ampliar su versatilidad para detectar otros analitos.

Los científicos también están investigando cómo depositar tintas de grafeno en otras superficies, como la superficie de la piel.

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'Una plataforma de transistores de grafeno pulverizado para una detección química rápida y de bajo coste' por Benji Fenech Salerno et al. se publica en Nanoescala.

Crédito de la imagen principal: AlexanderAlUS/Flickr