Em química analítica, muitas vezes é necessário monitorar com precisão a mudança de concentração de certas substâncias em líquidos em uma escala de tempo de segundos. Especialmente na indústria farmacêutica, tais medições precisam ser extremamente sensíveis e confiáveis.
Um novo tipo de sensor foi desenvolvido na TU Wien que é altamente adequado para esta tarefa e combina várias vantagens importantes de uma maneira única:baseado na tecnologia de infravermelho personalizada, é significativamente mais sensível do que os dispositivos padrão anteriores. Além disso, pode ser usado para uma ampla gama de concentrações de moléculas e pode operar diretamente no líquido. Isso é consequência de sua robustez química e, portanto, fornece dados em tempo real, ou seja, em frações de segundo. Esses resultados já foram publicados em Nature Communications .

Diferentes moléculas absorvem diferentes comprimentos de onda

"Para medir a concentração de moléculas, usamos radiação na faixa espectral do infravermelho médio", diz Borislav Hinkov, chefe do projeto de pesquisa do Instituto de Eletrônica de Estado Sólido da TU Wien. Esta é uma técnica bem conhecida:as moléculas absorvem comprimentos de onda específicos na faixa do infravermelho médio, enquanto outros comprimentos de onda são transmitidos sem atenuação. Assim, moléculas diferentes têm sua "impressão digital infravermelha" muito específica. Ao medir com precisão o perfil de força de absorção dependente do comprimento de onda, é possível determinar a concentração de uma determinada molécula na amostra a qualquer momento.

A espectroscopia de infravermelho tem sido usada rotineiramente na detecção de gás por um longo tempo. A nova conquista da equipe da TU Wien é a implementação dessa tecnologia em um chip sensor do tamanho da ponta de um dedo, especificamente adequado para detecção de líquidos. Desenvolver tal sensor foi um desafio tecnológico e analítico, porque os líquidos absorvem a radiação infravermelha muito mais forte que os gases. O sensor de líquido compacto foi realizado em colaboração com Benedikt Schwarz do Instituto de Eletrônica de Estado Sólido e fabricado no Centro de Micro e Nanoestruturas, a sala limpa de última geração da TU Wien.

"Só precisamos de alguns microlitros de líquido para uma medição", diz Borislav Hinkov. "E o sensor fornece dados em tempo real - muitas vezes por segundo. Assim, podemos monitorar com precisão uma mudança na concentração em tempo real e medir o estágio atual de uma reação química no béquer. Isso contrasta fortemente com outras tecnologias de referência , onde você precisa tirar uma amostra, analisá-la e esperar até minutos pelo resultado."

A colaboração entre diferentes disciplinas é a chave

Isso foi possível graças a uma colaboração entre os departamentos de engenharia elétrica e química da TU Wien:o Instituto de Eletrônica de Estado Sólido tem uma vasta experiência no projeto e fabricação dos chamados lasers e detectores de cascata quântica. Eles são minúsculos dispositivos baseados em semicondutores que podem emitir ou detectar radiação laser infravermelha com um comprimento de onda precisamente definido com base em sua micro e nanoestrutura.

A radiação infravermelha emitida por tal laser penetra no líquido na escala de micrômetros e é então medida pelo detector no mesmo chip. Usando esses lasers e detectores ultracompactos especialmente combinados, um dispositivo de detecção foi criado e seu desempenho foi testado nas primeiras medições de prova de conceito. O trabalho foi realizado em colaboração com o grupo de Bernhard Lendl do Institute for Chemical Technologies and Analytics.

Demonstração experimental:uma proteína muda sua estrutura

Para demonstrar o desempenho do novo sensor de infravermelho médio, uma reação da bioquímica foi selecionada:uma proteína modelo conhecida foi aquecida, alterando assim sua estrutura geométrica. Inicialmente, a proteína tem a forma de uma espiral helicoidal, mas em temperaturas mais altas ela se desdobra em uma estrutura plana. Essa mudança geométrica também altera o espectro de absorção da impressão digital no infravermelho médio específico da proteína. “Selecionamos dois comprimentos de onda adequados e fabricamos sensores baseados em cascata quântica adequados, que integramos em um único chip”, diz Borislav Hinkov. "E, de fato, acontece:você pode usar este sensor para observar a chamada desnaturação da proteína modelo selecionada com alta sensibilidade e em tempo real."

A tecnologia é extremamente flexível. É possível ajustar os comprimentos de onda necessários conforme necessário para estudar diferentes moléculas. Também é possível adicionar mais sensores de cascata quântica no mesmo chip para medir diferentes comprimentos de onda e, assim, distinguir a concentração de diferentes moléculas simultaneamente. "Isso abre um novo campo na química analítica:espectroscopia de infravermelho médio em tempo real de líquidos", diz Borislav Hinkov.

As aplicações possíveis são extremamente diversas - vão desde a observação de alterações estruturais de proteínas induzidas termicamente e alterações estruturais semelhantes em outras moléculas, até a análise em tempo real de reações químicas, por exemplo, na produção de medicamentos farmacêuticos ou em processos de fabricação industrial. Onde quer que haja a necessidade de monitorar a dinâmica das reações químicas em líquidos, esta nova técnica pode trazer importantes vantagens. + Explorar mais

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