Logran calcular con exactitud cómo interactúan nanopartículas de oro con la luz
La Nanotecnología es un campo de conocimiento en expansión que se enfrenta diariamente a distancias y tamaños difíciles de imaginar. Como dato, basta recordar que un nanómetro (nm) es apenas una millonésima parte de un milímetro (0,000001 mm). Al trasladar esa relación a longitudes más cotidianas, resulta indistinto afirmar que una regla mide 20 centímetros ó 200 millones de nanómetros. Más aun, el espesor promedio de un cabello humano, por ejemplo, alcanza los 80 mil nanómetros.
A esta escala y en metales como el oro y la plata, uno de los aspectos más curiosos radica en que las propiedades ópticas de estas ínfimas partículas dependen crucialmente de su geometría. Esto implica, por ejemplo, que el color de una pieza de plata de 20 nanómetros cambiará al alterar su tamaño. Por esta razón es esencial poder determinar con exactitud la morfología de estos elementos de dimensiones minúsculas.
Hasta hace poco tiempo, la forma de las nanopartículas se infería sólo a partir de las imágenes bidimensionales que se capturaban de ellas. Se trata de una metodología que proveía sólo una aproximación, una simplificación de su estructura, incapaz de reflejar con exactitud la rugosidad de la superficie, sus valles, sus picos y sus poros, entre otras características.
A partir de los avances en microscopía electrónica, la técnica “Tomografía de electrones” permite obtener una reconstrucción tridimensional exacta de la forma de las nanopartículas. En este caso, un haz de electrones “barre” con alta precisión la muestra y en paralelo registra la “sombra” que ésta proyecta a diferentes ángulos. Con las fotografías tomadas a intervalos de 10º se “reconstruye” posteriormente la morfología de la pieza.
Precisamente, ésa fue la técnica aplicada en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, a nanopartículas de oro y plata generadas a través de métodos químicos por un equipo de investigadores del Instituto de Físico Química de Córdoba y del Departamento de Físico Química de la Facultad de Ciencias Químicas (UNC), dirigidos por Eduardo Coronado. Esa caracterización proporcionó la información básica con la cual el grupo científico cordobés desarrolló un código matemático –esto es, un conjunto de algoritmos– que permite calcular con exactitud cuál es la respuesta de esa partícula al interactuar con la luz. El método permite, por primera vez, describir con rigurosidad las propiedades ópticas de nanopartículas altamente irregulares.
La importancia de lo minúsculo
La trascendencia de conocer el comportamiento de estos minúsculos fragmentos de metal noble radica en su potencialidad para ser utilizados como sensores.
Al ser irradiados con luz, los electrones de estas fracciones de oro comienzan a moverse y generan una oscilación colectiva similar a las olas en el mar. Así generan un campo electromagnético amplificado, muy próximo a su superficie, que las convierte en extremadamente sensibles a su entorno inmediato.
La intensidad de este campo evanescente, como se lo denomina, depende tanto de la morfología de la nanopartícula como del color de luz que la ilumina y es lo que le permite a estos diminutos fragmentos funcionar como “antenas”.
Ocurre que al situarse en zonas muy cercanas a este campo electromagnético, cualquier molécula puede incrementar su señal hasta siete órdenes de magnitud y provocar un cambio en el espectro visible de la muestra. Dado que estas señales espectroscópicas funcionan como “huellas dactilares”, las alteraciones pueden utilizarse para confirmar la presencia de diversas moléculas. “De esta manera, uno podría sensar hasta mil moléculas diferentes utilizando sólo métodos ópticos, es decir, observando los cambios en el espectro visible de la nanopartícula”, explica Coronado.
Aquí nuevamente resulta fundamental calcular la forma de la pieza, ya que la distribución del campo eléctrico depende críticamente de su geometría. “No es lo mismo inferir que la partícula es plana a que tenga puntas, porque el campo se incrementará disparmente, en distintas regiones. Nuestro modelo nos permite predecir, sobre una cierta estructura, cuán útil será para aumentar las señales de moléculas que se absorban sobre ella, y qué región específica de su superficie debe ser iluminada para aprovechar el máximo de su espectro. Por eso es muy importante conocer con exactitud la geometría y volumen”, agrega el investigador.
El impacto en las aplicaciones
Una de las ventajas concretas que brinda la “hipersensibilidad” de las porciones nanométricas de oro y plata es su potencial para aumentar la sensibilidad de las técnicas analíticas, llevando sus límites de detección hasta el nivel de muy pocas moléculas.
“En medicina, uno puede reconocer una molécula por el complejo antígeno-anticuerpo, que es como la llave a la cerradura: una molécula reconoce específicamente a otra, es lo que se denomina bioreconocimiento. Ahora, es posible recubrir estas nanopartículas metálicas con una proteína que identifique específicamente a otra proteína. Si la que queremos detectar está presente, se pegará a la proteína adherida a la nanopartícula y se producirá un cambio de espectro. Eso servirá para verificar su presencia en el cuerpo”, señala Coronado.
Otro ejemplo es la molécula de ADN. Al iluminarla con el campo evanescente producido por una nanopartícula, es posible incrementar la señal de cada sección de su secuencia y siguiendo la hebra se podría determinar en forma muy eficiente su cadena de bases. Estos ensayos podrían efectuarse en un lapso de tiempo muy breve y de manera mucho más simple que las técnicas de secuenciación de ADN actuales, que son más laboriosas y demandan semanas para obtener el resultado.
En proyección, es factible imaginar un pequeño chip que contenga distintas formas de nanopartículas, cada una funcionalizada con distintos anticuerpos, para detectar en un único ensayo y simultáneamente miles de moléculas de distinta naturaleza. “Se podría, incluso, diseñar sensores que monitoreen in vivo cientos de sustancias a la vez. Esto revolucionará la biología, porque con estas técnicas se lograrán entender muchos de los mecanismos de las enfermedades. Más importante aun, se podrán monitorear los cambios intracelulares, ya que estas nanopartículas son mil veces más pequeñas que una célula”, apunta Coronado.
El dato distintivo consiste en que basta iluminar a estas partículas con luz visible que –a diferencia de los rayos X– no es dañina para los seres humanos, lo que posibilita llevar a cabo ensayos benignos que no perjudiquen a las células.
Del mismo modo, se podrían utilizar nanopartículas metales que reconozcan la presencia de ciertos componentes en el medioambiente, para controles de contaminación.
LOS AUTORES DE LA INVESTIGACIÓN
· Eduardo Coronado, director del grupo, es profesor en la Facultad de Ciencias Químicas y coordinador del área de Nanociencia en el Centro Láser de Ciencias Moleculares de la UNC e investigador del CONICET.
· Paul Midgley es profesor del Departamento de Ciencias de Materiales y director del Laboratorio de Microscopía electrónica de la Universidad de Cambridge.
· Juan Hernández-Garrido es actualmente investigador en la Universidad de Cádiz, España.
· Sergio Moreno es investigador del CONICET y de la CNEA, en el Centro Atómico Bariloche.
· Ezequiel Encina es becario postdoctoral del CONICET en el INFIQC, y docente de la Facultad de Ciencias Químicas.
· Eduardo Perassi es becario de CONICET y docente de la Facultad de Ciencias Químicas.
