Científicos desarrollan sensores de papel para detectar explosivos

Dispositivos electroquímicos y colorimétricos pueden registrar la existencia de algunos de los compuestos más utilizados en acciones terroristas y utilizarse también en aplicaciones médicas y ambientales

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – Investigadores de policía y agentes de seguridad aeroportuaria podrán contar en breve con dispositivos más baratos, portátiles y que suministran resultados más rápidos que los que ofrecen los métodos actuales para la detección de explosivos en equipajes o en lugares considerados blancos potenciales de ataques terroristas.

Científicos del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ/USP) desarrollaron un sensor electroquímico (basado en reacciones químicas que producen energía) y un colorimétrico (que funciona mediante la cuantificación de una sustancia de acuerdo con la percepción del color) con papel obra de oficina y un filtro de papel (semejante a los de café) capaces de detectar la presencia de algunos de los explosivos más utilizados actualmente en acciones terroristas.

La elaboración de estos dispositivos se llevó a cabo en el marco del proyecto intitulado Utilización de medidas electroquímicas, colorimétricas y de masa para la discriminación de muestras de interés forense y alimenticio utilizando dispositivos inteligentes (lenguas y narices electrónicas), realizado con el apoyo de la FAPESP.

El sensor electroquímico apareció descrito en un artículo publicado el día 6 de marzo en la edición online de la revista Analyst de la Royal Society of Chemistry (RSC). En tanto, el sensor colorimétrico apareció en noviembre en la edición online de la revista Analytical Methods, y estará en la portada de la edición de abril de la versión impresa de dicha publicación, también editada por la RSC.

“Tuvimos la idea de desarrollar dispositivos empleando la hoja de papel obra u otros tipos de papel utilizados en impresoras convencionales porque son materiales abundantes y de fácil obtención en cualquier lugar del mundo”, declaró Thiago Regis Longo Cesar da Paixão, docente del IQ/USP y coordinador del proyecto, a Agência FAPESP.

“El objetivo es que los dispositivos para la detección de explosivos y otros compuestos químicos sean más baratos y más accesibles, con posibilidades de utilizarse en lugares remotos y sin necesidad de tener que contar con la infraestructura de un laboratorio de análisis y con el personal capacitado para manipularlos”, afirmó Paixão.

De acuerdo con el investigador, la utilización en gran escala de explosivos por parte de grupos terroristas en los últimos años llevó al desarrollo de nuevos dispositivos comerciales para a su detección y cuantificación.

Sin embargo, los aparatos disponibles, tales como los detectores de captura de electrones, los espectrómetros de masas y los lectores de rayos X, son sumamente sofisticados y caros, y requieren la presencia de personal capacitado para la realización de los análisis.

Asimismo, según Paixão, no todas las técnicas son apropiadas para la detección de peróxidos explosivos, tales como el triperóxido de triacetona (TATP) y el hexametileno triperóxido de diamina (HMTD), cuyo uso por terroristas se ha incrementado en los últimos años en razón de la facilidad de síntesis y de obtención de los materiales necesarios para elaborarlos, tales como el peróxido de hidrógeno, los ácidos y la acetona.

Por eso se están desarrollando sensores electroquímicos y cromatrográficos (basados en la separación de mezclas y la identificación de sus componentes) para la detección de este tipo de explosivos que cobraron notoriedad después de los ataques al metro de Londres, en 2005.

“El problema radica en que muchos de estos nuevos sensores emplean papel cromatográfico y ese material es más caro comparado con el papel obra”, afirmó Paixão.

Con el fin de hallar una opción más barata, el investigador desarrolló un sensor electroquímico en un papel obra de oficina en colaboración con el alumno William Reis de Araujo, quien cursa su doctorado bajo su dirección y con beca de la FAPESP.

El reemplazo del papel cromatográfico por el papel obra redujo un 97% el costo de fabricación del sensor mediante el empleo de este método, comparó Paixão. “Demostramos que es posible desarrollar sensores electroquímicos con papel obra y que el reemplazo del papel cromatográfico permite una importante disminución en el costo de estos dispositivos”, afirmó el investigador.

Una combinación de materiales simples

Los científicos se valen de una impresora de cera para imprimir círculos blancos en la superficie de una hoja de papel obra, con un diámetro de 1,6 cm y separados unos de otros, donde se colocan soluciones o muestras del material que se pretende analizar.

Las hojas impresas se disponen en un calentador o prensa térmica por tres minutos y a 120 ºC. El proceso de calentamiento hace que la cera se derrita y penetre en todas las capas del papel, formando una barrera hidrofóbica (impermeable) que permite que la solución sólo penetre y quede confinada en los círculos blancos, que no recibieron la impresión de la cera.

Por medio de una transparencia con dibujos transfijos, los investigadores pintan electrodos en la hoja de papel impresa utilizando una pintura de plata con conductividad eléctrica (conductora).

Una vez que la pintura está seca, se recorta con una tijera cada célula electroquímica, de manera tal de formar un dispositivo electroquímico descartable con tres electrodos.

Al conectárselo a un potenciostato (un aparato que se emplea para aplicar un potencial y medir la corriente eléctrica de una solución conductora), el sensor electroquímico a base de papel puede detectar ácido pícrico –un explosivo– y plomo, que es un componente de los residuos de pólvora, afirmó Paixão.

“La idea es que estos dispositivos tengan aplicaciones forenses y de seguridad para la detección de explosivos”, sostuvo Paixão. “Pero también poseen sensibilidad para iones cloruro y metales pesados, lo que permite su utilización para el monitoreo ambiental”, señaló.

Sensor colorimétrico

Con base en el mismo principio del sensor electroquímico, los investigadores desarrollaron durante el proyecto de posdoctorado de la estudiante Maiara Oliveira Salles, quien también contó con beca de la FAPESP, un sensor colorimétrico que cambia de color al exponérselo a los explosivos TATP, HMTD, 4-amino-2-nitrofenol (4A2P), nitrobenzeno y ácido pícrico.

Para producirlo, pusieron en los círculos blancos –en esta ocasión impresos en papel de filtro– pequeñas cantidades de yoduro de potasio (KI), creatinina y anilina.

En contacto con cada uno de los cinco tipos de explosivos, estos reactivos químicos producen un patrón único de colores que varía según la concentración del compuesto.

Se captó y se almacenó cada variación de color del sensor colorimétrico con distintas concentraciones de los cincos explosivos en un aplicación para teléfonos móviles inteligentes, cuyo desarrollo también estuvo a cargo de los investigadores durante el proyecto, en colaboración con Gabriel Negrão Meloni, alumno de doctorado del IQ.

La aplicación es capaz de analizar, mediante tratamiento matemático, la fotografía de un papel colorimétrico expuesto a uno de los cinco tipos de explosivos –una foto sacada también con el móvil inteligente en un dispositivo al que los investigadores bautizaron como “soplón”, o dedo-duro en portugués–, y apuntar qué explosivo y en qué cantidad se encuentra presente en la muestra con base en su patrón de color.

“El sensor colorimétrico permite que un agente de seguridad aeroportuaria, por ejemplo, pase el papel sobre una equipaje, después saque una foto con el celular y obtenga los resultados del análisis del software que indican la presencia o la ausencia de un explosivo”, explicó Paixão.

“Logró detectar cantidades muy bajas de explosivos, estimadas en 0,2 microgramo”, afirmó.

Según el investigador, ambos dispositivos no han sido utilizados en campo todavía, ni en pesquisas criminales o de detección de riesgos de seguridad en aeropuertos, por ejemplo.

Otras aplicaciones

Pero la idea es que esas aplicaciones se tornen factibles, y permitir que estos dispositivos también se empleen con otras finalidades, como por ejemplo para la detección de estupefacientes tales como la cocaína.

“Hemos estudiado la aplicación del sensor colorimétrico para la detección de sustancias químicas adicionadas a la cocaína en carácter de adulterantes, tales como la cafeína, el paracetamol y la fenatecina, para ayudar a la policía a identificar el origen de la droga”, comentó Paixão.

El objetivo de los científicos apunta a que el principio tecnológico de los sensores también dé origen a una alternativa más barata a las tiras de test de glucosa, empleadas en el control con glucómetro de los niveles de glucosa en pacientes con diabetes.

“La tira utilizada en los test de glucosa quizá pueda reemplazarse en el futuro con una hoja de papel”, estimó Paixão.

Puede leerse el artículo intitulado Fabrication of disposable electrochemical devices using silver ink and office paper (doi: 10.1039/C4AN00097H), de Araujo y Paixão, en la revista Analyst, en: pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/an/c4an00097h#!divAbstract.

Y el artículo Explosive colorimetric discrimination using a smartphone, paper device and chemometrical approach (doi: 10.1039/c3ay41727a), de Paixão y otros, puede leerse en la revista Analytical Methods, en: pubs.rsc.org/EN/content/articlelanding/2013/ay/c3ay41727a#!divAbstract.