Los investigadores han descubierto por qué los nanotubos de carbono emiten fluorescencia cuando se unen a determinadas moléculas. Los nanotubos se consideran biosensores prometedores que podrían ser útiles para el control del azúcar en sangre o las pruebas de CoVID-19, por ejemplo. Cuando se unen a un analito, emiten fluorescencia: cuanto mayor es la concentración del analito, más brillante es la fluorescencia. Investigadores de la Universidad Ruhr de Bochum en Alemania y un equipo de la Universidad de Texas en El Paso (EE.UU.) han utilizado espectroscopía de terahercios para revelar los mecanismos detrás de la emisión de luz. Demostraron que la solución acuosa desempeña un papel decisivo en la fluorescencia. Los resultados se publican en línea en la revista. Comunicaciones de la naturaleza El 8 de agosto de 2024.
En el estudio, que se llevó a cabo en el marco del grupo de excelencia “Ruhr Explores Solvation”, RESOLV, colaboraron en la Universidad del Ruhr los grupos de la profesora Martina Heventh y del profesor Sebastian Kress. Los estudiantes de doctorado Sanjana Nalige y Philip Galonska contribuyeron significativamente.
Nanotubos de carbono como biosensores
Los nanotubos de carbono de pared simple son potentes componentes básicos para los biosensores, como han demostrado investigaciones anteriores. Su superficie se puede diseñar químicamente con biopolímeros o fragmentos de ADN para interactuar específicamente con una molécula objetivo en particular. Cuando estas moléculas se unen, los nanotubos cambian su emisión al rango del infrarrojo cercano, que penetra profundamente en el tejido. Así, por ejemplo, se puede detectar la presencia de determinados neurotransmisores o sustancias mensajeras en el cerebro. Aunque estos sensores ya se utilizan, su principio de funcionamiento exacto no está claro.
El agua es decisiva para la fluorescencia.
Dado que los procesos biológicos más importantes tienen lugar en el agua, los investigadores analizaron nanotubos de carbono en solución acuosa. Utilizando espectroscopía de terahercios, pudieron detectar cómo fluye la energía entre los nanotubos de carbono y el agua. El factor decisivo es la capa de hidratación de los biosensores, es decir, las moléculas de agua que rodean los nanotubos. Cuando se excita un nanotubo de carbono, la energía interna puede acoplarse a la vibración de la capa de hidratación. Flujo de energía entre el agua y los nanotubos: los sensores que se encienden en presencia de un analito transmiten menos energía al agua. Por el contrario, los sensores atenuados transmiten más energía al agua.
“La espectroscopía de terahercios nos permite medir directamente lo que hasta ahora sólo sospechábamos”, afirma Sebastian Kruss. “Estos conocimientos proporcionan un principio de diseño general y racional para desarrollar biosensores óptimos con un rendimiento óptimo para nuevas aplicaciones en investigación y medicina”.
Martina Heventh, portavoz del cluster de excelencia RESOLV, añade: “En este estudio interdisciplinar no hemos centrado la atención en los nanotubos de carbono en sí, sino que hemos centrado la atención en el disolvente y el agua, y hemos descubierto una conexión directa hasta ahora desconocida. Los cambios en el agua alrededor de los nanotubos de carbono y su actuación como biosensores es exactamente de lo que se trata RESOLV”.
Fondos
Este estudio fue financiado por la Sociedad Alemana de Investigación (EXC 2033 – 390677874, GRK2376-331085229), la VolkswagenStiftung y la Fundación Nacional de Ciencias (CBET-2106587).
