Um detector de fumaça e monóxido de carbono Nest é visto em 16 de janeiro, 2014, em Provo, Utah. George Frey / Getty Images Inspirar e expirar é algo que nossos corpos fazem sem que tenhamos que pensar sobre isso. Na verdade, raramente pensamos duas vezes no ar que nos rodeia até que a qualidade esteja baixa de alguma forma - talvez por causa da fumaça de um incêndio próximo ou da poluição que envolve nossas cidades apinhadas.
Mas pode haver gases perigosos que nem sempre são visíveis. O monóxido de carbono e o radônio são dois exemplos de contaminantes atmosféricos mortais que são completamente invisíveis. Não percebemos que estamos sendo envenenados pelo ar que respiramos até que seja tarde demais. Felizmente, esses gases não são tão prevalentes, e com a ajuda de um pouco de tecnologia de detecção química, podemos deixar que os detectores de monóxido de carbono e radônio cuidem de nós.
Os sensores químicos são úteis muito além de apenas detectar gases letais. Esses dispositivos podem ser encontrados em nossas casas, hospitais e militares. Existem muitos tipos diferentes de sensores que detectam diferentes moléculas alvo (também conhecido como analitos ) Embora os sensores funcionem de várias maneiras, a essência é que uma interação química acontece entre o analito e algo no sensor, e o dispositivo produz um sinal mensurável - um bipe ou uma mudança de cor para nos alertar sobre a presença da molécula alvo.
Apesar das diferenças na construção de sensores, existem alguns princípios orientadores que tornam qualquer sensor bom. O ideal é barato, infalível e portátil. Mais importante, qualquer sensor químico tem duas características vitais:seletividade e sensibilidade. Existem mais de 10 bilhões de substâncias moleculares no mundo, portanto, detectar seletivamente uma única substância não é pouca coisa [fonte:National Research Council]. A sensibilidade também é extremamente importante para detectar produtos químicos a uma distância considerável ou para tentar encontrar concentrações muito baixas de uma molécula alvo. Outros recursos importantes do sensor são o tempo de resposta, tamanho da embalagem e limite de detecção - a menor quantidade de uma substância que pode ser detectada.
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Um detector de monóxido de carbono pode evitar que você seja envenenado por gases. BanksPhotos / Getty Images Cientistas e engenheiros desenvolveram uma variedade de sensores para diferentes propósitos, e como você pode imaginar, todos eles têm suas próprias formas de trabalhar. Afinal, um kit de teste de gravidez provavelmente não terá o mesmo mecanismo de detecção de um detector de radônio, direito?
Todos os sensores químicos têm como alvo algum tipo de analito, mas o que acontece quando o analito está no sensor é onde surgem as diferenças. Por exemplo, o sensor pode ligar o analito (pense em um mecanismo do tipo fechadura e chave, mas no nível molecular). Ou, o sensor pode ser configurado de forma que o analito passe seletivamente por um filme fino. Imagine o filme sendo um guardião químico que apenas deixa a molécula alvo passar e impede que todo o resto entre. Esse tipo de sensor tem a característica positiva de ser continuamente reutilizável. Uma terceira forma de sensor usa o analito em uma reação química que gera um produto que cria o sinal legível [fonte:National Research Council]. Esses três mecanismos muito amplos cobrem o funcionamento da maioria dos sensores, mas ainda existem outros tipos.
Por exemplo, existem sensores eletroquímicos de leitura direta que usam a difusão de moléculas carregadas para procurar mudanças na corrente, condutividade ou potencial para ver se um analito alvo está presente. Sensores de onda acústica de superfície empregam ondas acústicas enviadas de um eletrodo para outro através de uma superfície. O sensor é projetado de forma que, se a velocidade da onda mudar ou perder intensidade, ele sinaliza a presença de uma molécula alvo ligada à superfície. Ao medir essas mudanças, o sensor pode até ser capaz de detectar quantidades do material presente [fonte:National Research Council].
Outra inovação interessante na tecnologia de detecção química avança para a detecção de propriedades inerentes de diferentes alvos químicos em vez de usar uma interação molecular para conduzir a detecção. Diferentes ligações em cada molécula têm padrões de vibração de assinatura que podem ser detectados na região infravermelha do espectro eletromagnético. Ao combinar fontes de luz, filtros e detectores em um único chip, cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts foram capazes de detectar essas impressões digitais moleculares para detectar uma série de moléculas, de contaminantes na água a eletrólitos no sangue de bebês recém-nascidos [fonte:Bender].
Não importa como eles operam, dispositivos de detecção química são, sem duvida, trabalhando para você. Sua casa provavelmente tem pelo menos um detector de gás radônio, fumaça ou monóxido de carbono, dependendo das leis de seu estado ou país. Muitos sensores de radônio funcionam absorvendo o próprio radônio ou detectando os produtos de decaimento radioativo do gás letal. Monóxido de carbono, por outro lado, não é um material radioativo, portanto, os detectores desse gás operam de maneira diferente. Um dos mecanismos mais comuns para esse sensor químico é um riff sobre biologia. Esses detectores imitam como o monóxido de carbono interage com a hemoglobina no sangue para determinar a presença do gás. Outro detector comum em casa é um detector de fumaça. Enquanto alguns usam materiais radioativos para ajudar a farejar a fumaça, a maior parte da detecção em detectores de fumaça vem do físico, não químico, fenômeno das partículas de fumaça causando interferência que é detectada pelo detector.
Dispositivos de detecção química também são amplamente utilizados fora de casa. Um dos principais lugares onde você verá esses dispositivos em ação é em busca de biomoléculas em ambientes médicos. Sensores de biomolécula são essencialmente sensores químicos especializados. Embora detectem substâncias como hormônios, essas substâncias corporais são todas moléculas. Afinal, esses sensores são feitos com muitos dos mesmos princípios orientadores de outros sensores químicos - seletividade, sensibilidade e portabilidade.
Alguns dos sensores de biomolécula mais portáteis que você deve conhecer estão associados a medições de fertilidade:testes de gravidez e testes de ovulação. Ambos os sensores químicos detectam a presença de certos hormônios na urina. No caso de testes de gravidez, o sensor procura o hormônio gonadotrofina coriônica humana (hCG) na urina. O stick em que a mulher urina contém anticorpos que são revestidos com uma substância química que se liga ao hCG. Se a biomolécula estiver presente, o teste dá positivo [fonte:Revista dos pais]. Normalmente, esses sensores químicos têm um componente colorimétrico de modo que quando o analito - neste caso hCG - se liga, ele aciona uma mudança de cor no sensor, tornando a leitura dos resultados bastante infalível.
No ambiente clínico, dois dos métodos mais comuns para detecção de biomoléculas com base química são ELISA (ensaio imunoabsorvente ligado a enzima) e Western blot. Dependendo do tamanho e tipo da biomolécula em questão e das informações que desejam sobre a molécula, cientistas e médicos frequentemente recorrem a uma dessas técnicas de detecção química para identificar diferentes analitos em misturas de biomoléculas [fontes:ThermoFisher Scientific, Mahmood e Yang].
Uma cabeça de vidro contém um sensor de interface neural desenvolvido pela DARPA, que lê os sinais do cérebro e estimula os neurônios a combater a perda de memória. A DARPA está investindo em pesquisas de sensores químicos. Stacey Rupolo / Chicago Tribune / TNS via Getty Images Um grande impulsionador para as direções futuras do sensoriamento químico são os militares. Agências de financiamento como a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA) têm grandes sonhos sobre o que o sensor químico pode ser capaz de fazer por suas forças armadas. Imagine ser capaz de colocar um sensor no topo de uma tenda em uma zona de guerra que pode detectar explosivos ou gases tóxicos a 4 milhas (6 quilômetros) de distância.
Ou imagine um sensor tão pequeno, pode ser embutido em tecidos. Quando o sensor detecta um agente tóxico, a cor do tecido muda, alertando os soldados sobre a presença de toxinas químicas no ar. Que tal um sensor que pudesse alertar os soldados sobre seus níveis de desidratação? As implicações para essa tecnologia não seriam apenas a vantagem na batalha, mas também salvar potencialmente milhares de vidas.
Produtos químicos também podem ser colocados em aeroportos para ajudar a deter o terrorismo, detectando concentrações mínimas de explosivos sem que tenhamos que passar pelas extensas confusões das filas de segurança. Na verdade, os cientistas já revelaram um sensor que pode detectar rapidamente drogas e explosivos a cerca de 30 metros de distância, tendo os aeroportos em mente [fonte:Engineering360]. Esses sensores podem ser instalados em entradas de aeroportos e outros locais com grandes grupos de pessoas. Alguns tipos de dispositivos de detecção de substâncias químicas podem até mesmo ser conectados a telefones celulares para fazer a varredura de áreas maiores enquanto os policiais se deslocam [fonte:Hsu].
Claro, sensores químicos não precisam ser usados apenas para desviar atividades nefastas. Detectar metais contaminantes na água e possivelmente produtos químicos tóxicos no ar por meio de sensores em crachás de segurança são apenas algumas das maneiras pelas quais os dispositivos de detecção de produtos químicos estão mudando nosso mundo.
Sensores de nanopartículas costurados em tecido que poderiam me dizer mais sobre mim ou sobre o ar ao meu redor? Isso é seriamente o material da ficção científica. Exceto que não é. Talvez sejam os militares que impulsionam a pesquisa em coisas como esta, mas logo depois que os soldados começam a usá-lo, será comum para o resto de nós. Dá à tecnologia vestível um novo significado.
