Desarrollan un sensor portátil selectivo para benceno en aire

La colaboración entre los grupos de investigación del Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) y de la Universitat Rovira i Virgili (URV) ha permitido el desarrollo de un dispositivo capaz de detectar selectivamente benceno en aire en cantidades inferiores a los límites legales permitidos. Se trata de un sensor molecular portátil y reutilizable, que puede trabajar de forma continua, lo que lo convierte en una alternativa  más económica para aquellas empresas que necesiten dispositivos portátiles que detecten benceno a niveles por debajo de los límites legales permitidos.

El benceno es un compuesto orgánico volátil y el más tóxico entre los compuestos BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos) que se pueden encontrar en el medio ambiente. El nivel de benceno en el aire puede aumentar por emisiones provenientes de la combustión de carbón y petróleo, tubos de escape o humo de tabaco. Todos estamos expuestos diariamente a pequeñas cantidades de benceno tanto en la calle como en el trabajo o en casa a niveles que oscilan entre 0,02 y 34 ppm.

Ha sido reconocido como carcinógeno para los humanos tanto por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos como por la Comisión Europea. La exposición prolongada a concentraciones relativamente bajas de benceno produce daños severos y puede dar lugar a enfermedades como la anemia aplásica o la leucemia. En los últimos diez años, los límites de exposición permitidos han ido disminuyendo de 10 ppm a 100 ppb. Es obvio, por lo tanto, que necesitamos sensores que detecten la presencia de benceno y su concentración para asegurar que estos límites no se excedan.

Actualmente existen diferentes métodos para la detección de trazas de benceno, pero requieren varios pasos como bombeo de la muestra, preconcentración de la misma y análisis por métodos cromatográficos. Estos métodos son selectivos y alcanzan límites de detección por debajo de las ppb pero son largos y tienen un coste muy elevado. Para ciertas industrias y actividades donde se puede producir exposición a benceno es necesario disponer de dispositivos portátiles de bajo coste que detecten benceno en concentraciones por debajo de los límites legales permitidos y que puedan funcionar de forma continua.

Con estos objetivos en mente los investigadores del ICIQ y la URV han desarrollado un sensor basado en nanotubos de carbono con nanopartículas de oro funcionalizadas con cavitandos de quinoxalina. Un sensor molecular tiene dos objetivos, en primer lugar necesita interaccionar con la molécula que quiere detectar y, en segundo, necesita que esa interacción se pueda ver a nivel macroscópico con un cambio de color, fluorescencia, corriente, etc. En este caso el cavitando, una estructura molecular en forma de copa, atrapa al benceno y los cambios que esto produce se transmiten a través del oro y los nanotubos de carbono hasta producir un aumento de la resistencia eléctrica que permite detectar la presencia del compuesto aromático en el aire. El sensor es selectivo para benceno incluso en presencia de otros compuestos aromáticos similares y tiene la ventaja de que el proceso es reversible, por lo que el paso de aire limpio elimina el benceno de su interior y lo deja preparado para ser utilizado de nuevo. Estas características lo hacen muy apropiado para su utilización como dispositivo portátil con un amplio abanico de aplicaciones, como la monitorización ambiental o la seguridad laboral, entre otras.

Esta colaboración ha permitido incorporar receptores moleculares, sintetizados en el grupo, en un dispositivo sensor nanométrico y medir el cambio de una propiedad macroscópica del mismo como respuesta a un sustrato que es reconocido selectivamente por el receptor sintetizado. Las propiedades de selectividad y sensibilidad para detectar el benceno que ha mostrado este dispositivo son únicas y excepcionales considerando que se basa en el uso de un único receptor molecular, cuando en sistemas biológicos la detección de sustancias volátiles suele implicar el uso de múltiples receptores.

Para el grupo de la URV, que lleva casi diez años desarrollando sensores de gases empleando nanotubos de carbono como material sensible, la colaboración ha supuesto un salto cualitativo importante ya que ha permitido funcionalizar dicho material con el receptor molecular sintetizado en el ICIQ. Además de conseguir una sensibilidad y selectividad al benceno nunca antes reportadas, la metodología empleada se podría aplicar al desarrollo de sensores específicos para otros compuestos volátiles de interés en ámbitos de calidad del aire, protección personal, seguridad o medicina.

Referencia

“Deep Cavitand Self-Assembled on Au NPs-MWCNT as Highly Sensitive Benzene Sensing Interface” Advanced Functional Materials. 2015; 25: 4011-4020. P. Clément, S. Korom, C. Struzzi, E. J. Parra, C. Bittencourt, P. Ballester, E. Llobet.