El grafeno recubierto con nanopartículas se ha utilizado para fabricar sensores de luz portátiles que miden el pulso humano y los niveles de oxígeno en la sangre de la luz ambiental que pasa a través del tejido, ofreciendo una plataforma potencial para el monitoreo de la atención médica.
La popularidad de la tecnología portátil ha aumentado enormemente, y se proyecta que el mercado de EE.UU. Estará en las decenas de miles de millones de dólares para 2022 (ver go.nature.com/33tcein ). Sin embargo, la eficacia de los dispositivos portátiles más comunes se ve obstaculizada por las especificaciones físicas de sus componentes: aunque el dispositivo a menudo está incrustado en una carcasa blanda flexible, las partes principales, como los sensores y la electrónica, siguen siendo rígidas 1 , 2. Ahora, escribiendo en Science Advances , Polat et al. 3informan una clase de dispositivo portátil verdaderamente flexible y transparente que se basa en grafeno cubierto con una capa de nanopartículas semiconductoras conocidas como puntos cuánticos. Impresionantemente, los dispositivos miden varios signos vitales utilizando solo la luz ambiental como señal.
Se dice que los materiales que tienen solo uno o unos pocos átomos de espesor son bidimensionales. El ejemplo más conocido es el grafeno, que consiste en láminas individuales de átomos de carbono dispuestas en una red hexagonal. Los materiales 2D en general, y el grafeno en particular, tienen un enorme potencial para el desarrollo de biosensores portátiles y blandos de próxima generación porque combinan conductividad eléctrica, transparencia óptica y flexibilidad mecánica con una excelente biocompatibilidad 4 y estabilidad a los electrolitos biológicos. Dispositivos tipo tatuaje basados en grafeno 5previamente se han utilizado para registrar señales de salud humana como el ritmo cardíaco, la hidratación de la piel y la temperatura corporal. Su rendimiento sobresaliente está asociado con el grosor subnanométrico del grafeno, que le permite doblarse y estirarse con la piel, sin afectar el rendimiento del sensor.
Polat y col . ahora ha expandido la funcionalidad del grafeno en dispositivos portátiles al depositar puntos cuánticos sensibles a la luz hechos del sulfuro de plomo (ii) de semiconductor (PbS) en la capa de grafeno. Cuando se iluminan, los puntos cuánticos generan pares de partículas cargadas: electrones cargados negativamente y agujeros cargados positivamente (cuasipartículas asociadas con la ausencia de un electrón en una red atómica). Los electrones permanecen atrapados en los puntos cuánticos, pero los agujeros se transfieren a la capa de grafeno y aumentan su conductividad eléctrica, produciendo una señal eléctrica medible. Los autores utilizaron este comportamiento para construir sensores de luz a partir del grafeno recubierto con puntos cuánticos.
Los investigadores observaron que la capacidad de respuesta (la salida eléctrica por entrada óptica) de sus dispositivos era notablemente grande. La alta capacidad de respuesta es atribuible al hecho de que los agujeros en la capa de grafeno son reciclados por los puntos cuánticos, aumentando efectivamente el número de portadores de carga generados por fotón absorbido en los dispositivos; se dice que los dispositivos exhiben una ganancia fotoconductora.
Los sensores de luz informados anteriormente generalmente no tienen ganancia fotoconductora y, por lo tanto, requieren un dispositivo amplificador para aumentar la señal eléctrica; Esto aumenta tanto el consumo de energía como el tamaño del dispositivo en general 6 . Además, el amplificador debe estar muy cerca del sensor, lo que puede limitar la capacidad de los dispositivos portátiles de adoptar el contorno de la piel. La ganancia fotoconductora intrínseca de los dispositivos de Polat y sus colegas elimina la necesidad de un amplificador, resuelve los problemas anteriores y hace que los sensores sean particularmente adecuados para aplicaciones de la vida real.
Entonces, ¿cómo se usaron los sensores para medir los signos vitales? La luz a ciertas longitudes de onda pasa fácilmente a través de la piel humana y el tejido adyacente, pero es absorbida fuertemente por la sangre 7 , más específicamente, es absorbida por la hemoglobina, la molécula que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos. Al monitorear continuamente la intensidad de la luz que pasa a través del tejido, los sensores pueden producir lecturas llamadas fotopletismogramas (PPG) que contienen información sobre los cambios volumétricos en los vasos sanguíneos, que pueden correlacionarse con la frecuencia cardíaca 8. Polat y sus colegas demuestran que sus dispositivos portátiles pueden, notablemente, usar la luz ambiental que atraviesa el tejido para medir con precisión las frecuencias cardíacas humanas. Además, la sensibilidad de los dispositivos permitió a los investigadores estimar la tasa de respiración analizando matemáticamente los datos de PPG. Los movimientos físicos asociados con la respiración generalmente producen artefactos y ruido en las señales PPG detectadas por los dispositivos portátiles rígidos 9 , pero la discreción física y la flexibilidad de los nuevos dispositivos resuelven este problema.
Polat y col. informan que sus dispositivos portátiles también pueden monitorear otra señal de salud vital que a menudo es revisada por los médicos: la saturación de oxígeno arterial (SpO 2 ), que es el porcentaje de hemoglobina en la sangre cargada de oxígeno (Fig. 1). Los niveles bajos de SpO 2 pueden provocar pérdida de conciencia, funciones mentales deterioradas y paro respiratorio y cardíaco. La absorción de la luz roja y la luz del infrarrojo cercano por los glóbulos rojos ricos en oxígeno es significativamente diferente de la absorción por las células libres de oxígeno. Por lo tanto, los autores estimaron los niveles de SpO 2 usando sus dispositivos para medir la absorción de luz en estas dos longitudes de onda.
Finalmente, Polat y sus colegas informaron una nueva aplicación de su tecnología: el monitoreo de la luz ultravioleta. Ciertas longitudes de onda UV pueden ser dañinas para la piel e incluso pueden causar cáncer 10 , por lo que es conveniente medir los niveles de UV en el medio ambiente. Los autores muestran que sus dispositivos pueden integrarse con chips previamente fabricados que permiten que los sensores transfieran de forma inalámbrica las mediciones de UV a un teléfono móvil, lo que permite un monitoreo continuo y conveniente del índice UV ambiental.
Todos los sensores informados están diseñados para comunicarse de forma inalámbrica con cualquier otro dispositivo electrónico necesario para un dispositivo portátil, separando claramente el sensor blando de cualquier componente rígido. Pero el diseño inalámbrico requiere un dispositivo de lectura (como un teléfono móvil) cerca del sensor, lo que hace que sea difícil realizar un monitoreo a largo plazo, como podría ser necesario para el monitoreo de la frecuencia cardíaca, por ejemplo. Establecer una comunicación continua a largo plazo entre los sensores flexibles portátiles y la electrónica convencional será esencial para futuras aplicaciones. Alternativamente, podría ser posible incluir componentes que permitan el almacenamiento de memoria y el procesamiento digital simple en la plataforma flexible. Esto podría lograrse en el futuro utilizando materiales 2D que no sean el grafeno 11 .
El grafeno se ha utilizado ahora como sensor y como transductor de señal en varios prototipos para dispositivos de salud portátiles y móviles 12 . Sin embargo, lo más importante es que el grafeno ha allanado el camino para que otros materiales 2D se utilicen en sensores y dispositivos móviles de monitoreo de salud. Se han descubierto miles de tales materiales, con propiedades aún desconocidas 13 . Creemos que el estudio exhaustivo de esos materiales será esencial para el desarrollo de futuros biosensores que puedan ser usados por los humanos o incluso integrados en ellos.
doi: 10.1038 / d41586-019-03483-7
Referencias:
1) Huang, Z. y col. Nature Electron. 1 , 473-480 (2018).
Via nature.com
