Logran calcular con exactitud cómo interactúan nanopartículas de oro con la luz

INFOUNIVERSIDADES/DICYT Un nanómetro (nm) es apenas una millonésima parte de un milímetro (0,000001 mm). Al trasladar esta relación a longitudes más cotidianas, resulta indistinto afirmar que una regla mide 20 centímetros ó 200 millones de nanómetros; pero esta escala, en metales como el oro y la plata se vuelve significativa, dado que las propiedades ópticas de estas ínfimas partículas dependen de manera crucial de su geometría. Esto implica, por ejemplo, que el color de una pieza de plata de 20 nanómetros cambiará al alterar su tamaño. Por esta razón, es esencial determinar con exactitud la morfología de estos elementos de dimensiones minúsculas.

Hasta hace poco tiempo, la forma de las nanopartículas se infería solo a partir de las imágenes bidimensionales que se capturaban de ellas. Se trata de un método que provee apenas una aproximación, una simplificación de su estructura, incapaz de reflejar con exactitud la rugosidad de la superficie, sus valles, sus picos y sus poros, entre otras características.

A partir de los avances en microscopía electrónica, la técnica “Tomografía de electrones” permite obtener una reconstrucción tridimensional exacta de la forma de las nanopartículas. En este caso, un haz de electrones “barre” con alta precisión la muestra y en paralelo, registra la “sombra” que ésta proyecta a diferentes ángulos. Con las fotografías tomadas a intervalos de 10’ se “reconstruye” posteriormente la morfología de la pieza.

Fue ésta la técnica aplicada, en la Universidad de Cambridge Inglaterra, a nanopartículas de oro y plata generadas a través de métodos químicos por un equipo de investigadores del Instituto de Físico Química de Córdoba y del departamento de Físico Química de la Facultad de Ciencias Químicas (UNC), dirigido por Eduardo Coronado. Esa caracterización proporcionó la información básica con la cual el grupo científico cordobés desarrolló un código matemático -esto es, un conjunto de algoritmos- que permite calcular con exactitud cuál es la respuesta de esa partícula al interactuar con la luz. El método permite, por primera vez, describir con rigurosidad las propiedades ópticas de nanopartículas altamente irregulares.

La importancia de lo minúsculo

La trascendencia de conocer el comportamiento de estos minúsculos fragmentos de metal noble radica en su potencialidad para ser utilizados como sensores. Al ser irradiados con luz, los electrones de estas fracciones de oro comienzan a moverse y provocan una oscilación colectiva similar a la de las olas en el mar. Así, generan un campo electromagnético amplificado, muy próximo a su superficie, que las convierte en extremadamente sensibles a su entorno inmediato.

La intensidad de este campo evanescente, como se lo denomina, depende tanto de la morfología de la nanopartícula como del color de luz que la ilumina y es lo que les permite a estos diminutos fragmentos funcionar como “antenas”. Ocurre que al situarse en zonas muy cercanas a este campo electromagnético, cualquier molécula puede incrementar su señal hasta siete órdenes de magnitud y provocar un cambio en el espectro visible de la muestra. Dado que estas señales espectroscópicas funcionan como “huellas dactilares”, las alteraciones pueden utilizarse para confirmar la presencia de diversas moléculas. “De esta manera, uno podría sensar hasta mil moléculas diferentes utilizando sólo métodos ópticos, es decir, observando los cambios en el espectro visible de la nanopartícula”, explica Coronado.

Aquí, nuevamente resulta fundamental calcular la forma de la pieza, ya que la distribución del campo eléctrico depende de su geometría. “No es lo mismo inferir que la partícula es plana a que tenga puntas, porque el campo se incrementará disparmente, en distintas regiones. Nuestro modelo nos permite predecir, sobre una cierta estructura, cuán útil será para aumentar las señales de moléculas que se absorban sobre ella, y qué región específica de su superficie debe ser iluminada para aprovechar el máximo de su espectro. Por eso, es muy importante conocer con exactitud la geometría y volumen”, agrega el investigador.

El impacto en las aplicaciones

Una de las ventajas concretas que brinda la “hipersensibilidad” de las porciones nanométricas de oro y plata es su potencial para aumentar la sensibilidad de las técnicas analíticas y llevar sus límites de detección hasta el nivel de muy pocas moléculas.

“En medicina, uno puede reconocer una molécula por el complejo antígeno-anticuerpo, que es como la llave a la cerradura: una molécula reconoce específicamente a otra, es lo que se denomina bioreconocimiento. Ahora, es posible recubrir estas nanopartículas metálicas con una proteína que identifique específicamente a otra proteína. Si la que queremos detectar está presente, se pegará a la proteína adherida a la nanopartícula y se producirá un cambio de espectro. Eso servirá para verificar su presencia en el cuerpo”, señala Coronado.

Otro ejemplo es la molécula de ADN. Al iluminarla con el campo evanescente producido por una nanopartícula, es posible incrementar la señal de cada sección de su secuencia y siguiendo la hebra se podría determinar en forma muy eficiente su cadena de bases. Estos ensayos podrían efectuarse en un lapso de tiempo muy breve y de manera mucho más simple que las técnicas de secuenciación de ADN actuales, que son más laboriosas y demandan semanas para obtener el resultado.

En proyección, es factible imaginar un pequeño chip que contenga distintas formas de nanopartículas, cada una funcionalizada con distintos anticuerpos, para detectar en un único ensayo y simultáneamente miles de moléculas de distinta naturaleza. Siguiendo esta línea, el científico apuntó que “se podría, incluso, diseñar sensores que monitoreen in vivo cientos de sustancias a la vez. Esto revolucionará la biología, porque con estas técnicas lograrán entenderse muchos de los mecanismos de las enfermedades. Más importante aun, podrán monitorearse los cambios intracelulares, ya que estas nanopartículas son mil veces más pequeñas que una célula”.

El dato distintivo consiste en que basta iluminar a estas partículas con luz visible que -a diferencia de los rayos X- no es dañina para los seres humanos, lo que posibilita llevar a cabo ensayos benignos que no perjudiquen a las células. Y, del mismo modo, se podrían utilizar nanopartículas metales que reconozcan la presencia de ciertos componentes en el medio ambiente, para controles de contaminación.

Los investigadores

Los autores de este desarrollo son Eduardo Perassi, Ezequiel Encina y Eduardo Coronado, del Instituto de Físico Química de Córdoba (INFIQC) y el departamento de Físico Química de la Facultad de Ciencias Químicas de la UNC. También participó Paul Midgley del Department of Materials Science and Metallurgy de la Universidad de Cambridge. La obtención y el análisis de imágenes tridimensionales fueron llevados a cabo por Juan Hernández Garrido (actualmente en la Universidad de Cádiz) y Sergio Moreno, del Centro Atómico Bariloche.