Por Jorge Molina González/ Marlene Vargas Zamarripa/Gonzalo Ramírez García, CFATA-UNAM La medición es la base del conocimiento científico, pero no siempre resulta sencilla. La dificultad depende tanto de
Por Jorge Molina González/ Marlene Vargas Zamarripa/Gonzalo Ramírez García, CFATA-UNAM
La medición es la base del conocimiento científico, pero no siempre resulta sencilla. La dificultad depende tanto de la naturaleza de qué se quiere medir, como de las herramientas disponibles. En algunos casos, las sustancias o moléculas de interés, como ciertos contaminantes o biomarcadores médicos, están presentes en cantidades tan pequeñas que requieren instrumentos muy atractivos, costosos y difíciles de operar, lo que hace complicado obtener resultados rápidos y confiables, especialmente en lugares alejados o con recursos limitados.
En la búsqueda de métodos de detección más simples, accesibles y eficientes, un grupo de investigación del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA) de la UNAM, trabaja en la creación de sensores fotónicos, unos dispositivos capaces de aprovechar las propiedades de la luz para identificar y cuantificar sustancias, incluso en concentraciones muy bajas, por lo que podrían ser útiles para evitar riesgos ambientales y sanitarios.
México es un país de zonas de intensa actividad industrial y también regiones rurales con infraestructura limitada; en ambos casos es crucial realizar monitoreos constantes de sustancias de interés. La medición de algunos compuestos puede marcar la diferencia entre detectar un riesgo a tiempo o enfrentarlo cuando ya es demasiado tarde.
Un ejemplo de cómo la falta de monitoreo puede tener consecuencias lo encontramos en la Sierra Gorda de Querétaro, la cual es conocida por su gran biodiversidad y belleza natural. Sin embargo, este centro natural también es el nicho de una problemática ambiental: la extracción artesanal de mercurio.
Durante décadas, comunidades pequeñas mineras han basado su economía en la extracción de este metal líquido, de manera informal, lo que implica carencias de seguridad y control ambiental. Actualmente el mercurio es considerado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) como una de las diez sustancias químicas más peligrosas para la salud pública.
Lo anterior no solo implica un riesgo para la población minera, sino un foco rojo de contaminación ambiental, ya que el mercurio no «desaparece, se acumula y puede transformarse en un elemento más riesgoso. Una vez liberado al ambiente, puede convertirse en metilmercurio, una forma aún más tóxica que se incorpora fácilmente a la cadena alimentaria a través del agua y los peces.
Con el tiempo, este contaminante puede concentrarse en el organismo humano, afectando al sistema nervioso, los riñones y el desarrollo cerebral de los niños. Para dimensionar la magnitud del problema, sería ideal contar con un mapa detallado de la contaminación en toda la zona. Sin embargo, los métodos convencionales requieren laboratorios especializados, lejanos a las comunidades mineras, personal capacitado y precios que resultan inaccesibles para la población local.
El cuerpo humano también requiere ser monitoreado de manera precisa, pues podría advertir de un riesgo de salud inminente. Un ejemplo de ello es la concentración de las cetonas, pequeñas moléculas que se producen cuando el organismo, por falta de glucosa disponible, comienza a usar las grasas como fuente de energía. En condiciones normales, este proceso es natural, puesto que ocurre durante el ayuno o el ejercicio prolongado.
Pero cuando los niveles de cetonas se incrementan restringidos, como en personas con diabetes tipo 1 que no producen suficiente insulina, el cuerpo entra en una emergencia metabólica llamada cetoacidosis diabética. En este estado, el pH de la sangre disminuye, ocasionando que los órganos dejen de funcionar correctamente, poniendo en riesgo la vida del paciente. Sin embargo, en sus etapas iniciales, los síntomas son inespecíficos, por lo que la detección temprana de cetonas en sangre o en orina es fundamental para prevenir complicaciones graves.
No todas las cetonas de interés provienen de procesos biológicos. Algunas, como la acetilacetona, son esenciales en la industria moderna, pero pueden representar un riesgo si no se controlan adecuadamente.
La acetilacetona es un orgánico que se utiliza ampliamente como solvente, agente quelante y precursor químico en la síntesis de materiales avanzados, incluidos catalizadores, pigmentos y nanomateriales. Por ello, es una sustancia común en laboratorios, industrias metalúrgicas y de recubrimientos.
Se ha observado que su alta reactividad y volatilidad pueden convertirla en un contaminante potencial del aire o del agua si no se maneja con precaución. Además, la exposición prolongada puede provocar irritación y efectos adversos en la salud. Por ello, contar con herramientas que permitan detectar y cuantificar acetilacetona en concentraciones bajas y en tiempo real resulta fundamental para monitorear procesos industriales y evitar su liberación al ambiente.
Si bien en la actualidad existen técnicas analíticas como la cromatografía o la espectrometría de masas, las cuales son extremadamente precisas, estas requieren laboratorios usualmente lejanos a las zonas de interés, personal capacitado y costos que complican el monitoreo constante y en tiempo real.
En respuesta a dicha problemática, diversos grupos de investigación alrededor del mundo han trabajado en una nueva familia de sensores llamados fotónicos. Su principio de operación se basa en la capacidad de convertir una interacción química o biológica resultado de la presencia de una sustancia, en un cambio de color o emisión detectable, incluso a simple vista o con instrumentos simples o portátiles.
Con ello, se abre la puerta a monitoreos rápidos en campo ya un costo mucho más bajo. No se busca un reemplazo de las técnicas de laboratorio, sino complementarlas con un primer tamizaje que pueda ser implementado a gran escala y que permita identificar problemas de manera oportuna.
Los sensores están diseñados para brindar una respuesta óptica específica y selectiva para la molécula o compuesto de interés, que consiste en variaciones en la luminiscencia o coloración de una gran gama de moléculas orgánicas o nanomateriales metálicos o inorgánicos.
Integrantes del Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales (Bionamat Lab), del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM, han desarrollado una estrategia que combina nanopartículas luminiscentes con herramientas de inteligencia artificial (IA) para detectar mercurio de forma rápida y accesible.
El sistema se basa en nanopartículas que emiten luz visible cuando se iluminan con un láser infrarrojo, cuya emisión cambia en presencia de mercurio gracias a su interacción simultánea con nanopartículas de oro.
Estos cambios pueden observarse como variaciones de color o de intensidad luminosa, lo que permite cuantificar la concentración del metal mediante el análisis de imágenes asistido con IA.
Para automatizar el análisis, se entrenaron redes neuronales capaces de reconocer patrones ópticos que permiten distinguir el mercurio de otras sustancias, logrando una precisión de clasificación del 100 % y un límite de detección de apenas 0,25 mg/L (ppm). Esta plataforma demuestra cómo la luz y la inteligencia artificial pueden unirse para crear sensores portátiles que operen fuera del laboratorio y que faciliten el monitoreo ambiental en regiones vulnerables.1
Otro proyecto del grupo de investigación se centró en el desarrollo de moléculas orgánicas capaces de detectar compuestos industriales, como la acetilacetona, mediante cambios en su luminiscencia.
Diseñaron una molécula derivada de terpiridina que, al entrar en contacto con acetilacetona, sufre una reacción que modifica su estructura química, lo que le permite “encenderse” y cambiar de color bajo luz ultravioleta.
Gracias a este mecanismo, el sensor logra discriminar de manera inmediata la acetilacetona de otros tipos de cetonas, incluso aquellas con estructuras muy similares. Esta estrategia abre la puerta a sensores selectivos para monitoreo industrial, seguridad química y control ambiental, basadas en moléculas que traducen reacciones químicas en señales ópticas claras y fáciles de interpretar.
Actualmente, los miembros del Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales siguen trabajando en el desarrollo de nuevos sensores fotónicos para la detección de otras moléculas de interés biomédico y ambiental que permitan mejorar la salud de los ecosistemas y las personas.
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