Biosensors òptics per a la determinació de toxicitat en mostres d’aigua

Científics de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC treballen en el desenvolupament de biosensors per al control de la toxicitat general de l’aigua. Els dispositius no es limiten a detectar compostos individuals sinó la sinèrgia de tots els que hi són a la mostra, i permeten controlar la toxicitat general de l'aigua en el moment.

Part del cor del biosensor. A la dreta, el lloc on s'ubica la solució amb bacteris. A través de la dissolució passa un raig de llum LED (en blau, a l'esquerra). La longitud d'ona de la llum i la seva variació és el que revela si el metabolisme dels microorganismes s'han vist afectats per la toxicitat de la mostra.

El control dels contaminants i patògens a l’aigua normalment requereix agafar mostres i portar-les a laboratori. Això suposa temps, i no és una bona estratègia si el que es necessita és saber, en el mateix moment, si l’aigua es pot beure o si s’han de prendre decisions ràpides per evitar desastres ambientals.

En els últims anys s’han començat a desenvolupar sistemes portàtils que permeten l’anàlisi en el mateix lloc i en poc temps, però no sempre cobreixen tots els contaminants. O, un altre possible problema, requereixen instruments portàtils econòmicament costosos o relativament voluminosos i pesats. 

Una forma d’abordar aquest repte són els biosensors. A l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) treballen en aquesta línea des de fa temps i ho han abordat d’una forma enginyosa.

Els biosensors incorporen alguna molècula u organisme, la reacció del qual revela la presència d’allò que es vol detectar. En aquest cas, els investigadors del IMB-CNM treballen amb bacteris que són de la mateixa família que els que estan presents en el sistema digestiu humà. Si la mostra és tòxica per als bacteris del sensor, també ho serà per als de la nostra flora intestinal i, també, per a nosaltres.

Un dels primers desenvolupaments d’aquesta idea és un bioassaig de paper per avaluar la toxicitat de l’aigua, fet en col·laboració amb la Universitat Autònoma de Barcelona i per al qual els investigadors han sol·licitat la patent. El bioassaig detecta qualsevol contaminant que sigui tòxic pels microorganismes -després d'uns 15-30 minuts de contacte amb les cèl·lules-, com ara metalls pesants i hidrocarburs com el petroli o el benzè. El paper canvia de color en funció de la intensitat del metabolisme cel·lular dels bacteris de manera inversament proporcional a la toxicitat de la mostra: quant més canvi de color es produeix menor és la contaminació detectada. Aquest canvi pot ser mesurat mitjançant tècniques òptiques, d’anàlisi d’imatge o a ull nu.

Ara, els investigadors del IMB-CNM treballen per transformar la mateixa idea en un biosensor òptic que pugui ser més precís i quantificar el resultat. Els investigadors ja han desenvolupat un primer prototip d’aquest biosensor. Aquí, el biosensor està basat en una solució que incorpora els bacteris, un reactiu que donarà el canvi de color en funció de la resposta dels bacteris, un llum LED i un fotodetector, tot controlat mitjançant una unitat de control, desenvolupada pels mateixos investigadors, i que permet mesurar en qualsevol lloc sense interferència de la llum ambiental. La mostra s’introdueix en la solució amb els bacteris. En funció de la reacció dels bacteris es donarà un canvi de color en la solució, cosa que de retruc afecta la longitud d’ona del llum LED que passa a través d’ella ja que part de la llum serà absorbida pel color de la solució) i, al seu torn, el fotodetector quantificarà el canvi en la longitud d’ona del raig de llum del LED.

"Permet esbrinar si la sinèrgia dels compostos presents és tòxica, cosa que no sempre se sap"

Xavier Muñoz, investigador del IMB-CNM explica que el biosensor òptic detecta la toxicitat general de l’aigua: “L’interessant és que permet esbrinar la sinèrgia dels compostos presents és tòxica, cosa que no sempre se sap. De vegades, diferents tòxics, que independentment no serien nocius, junts interaccionen i són tòxics”.

Així, detecta qualsevol cosa que inhibeixi els bacteris, sigui el que sigui: des de agents químics, fins a virus, antibiòtics, bacteris patògens... si la sinèrgia dels compostos és nociva per als bacteris, el biosensor ho detectarà. Això és interessant quan es tracta de monitorar aigua als rius, llacs o en depuradores, quan es tracta de donar una resposta ràpida i saber si l’aigua és apte per al consum o no.  

El primer prototip incorpora bateries, que el fa una mica més voluminós, però la idea es que el dispositiu final no sigui més gran que una caixa de tabac. Els primers resultats, publicats a la revista Sensors and Actuators B: Chemical, han estat força prometedors, “sent capaços de valorar la toxicitat de mostres d’aigües de forma quantitativa i en menys de 10 minuts”, diu Muñoz.

Aquest grup d’investigació és especialista en el desenvolupament de sensors òptics i electroquímics, i en la seva producció per a empreses petites i mitjanes. La tecnologia que fan servir en alguns dels seus sensors, com els  ISFET, explica Muñoz, és complexa i no qualsevol fabricant de xips podria implementar-la. El IMB-CNM disposa a les seves instal·lacions d’una Sala Blanca que permet produir xips i microdispositius per a petites i mitjanes empreses en quantitats de milers d’unitats.

Aquest grup ha  recentment l’acreditació TECNIO com a grup expert en transferència de tecnologia. Un dels seus desenvolupaments recents es el sensor electroquímic del sistema de control de la litiasis renal de Devicare.

Article de referència:

Portable and miniaturized optofluidic analysis system with ambient light correction for fast in situ determination of environmental pollution. Ferran Pujol-Vila et al. Sensors and Actuators B: Chemical Volume 222, January 2016, Pages 55–62. doi:10.1016/j.snb.2015.07.095