QUÍMICA

Un ordenador químico capaz de reconocer siluetas

Investigadores británicos diseñan un sensor óptico de pH basado en la fluorescencia que podría tener aplicaciones como el procesamiento de imágenes o el pautado fotolitográfico.

Una imagen del estudio sobre el detector químico
Una imagen del estudio sobre el detector químico Jue Ling et al.

Si eres usuario de Internet te habrás topado en más de una ocasión con un CAPTCHA, esas imágenes distorsionadas unas veces, confusas otras, que permiten diferenciar a un sistema informático de un humano que intenta acceder a un sitio protegido. Los CAPTCHA son efectivos porque los ordenadores y los programas de procesamiento de imagen no son demasiado buenos reconociendo formas. 

El reconocimiento de siluetas no es nada trivial, como demuestra la efectividad de los CAPTCHA. 

Para los seres vivos conseguir que la compleja información sensorial tenga sentido es una cuestión de vida o muerte. Por eso es por lo que algunos animales, desde los peces a los humanos pasando por los gatos, empleamos la detección de la silueta para interpretar el entorno visual: identificamos primeramente los objetos por su periferia, por sus bordes, reduciendo de esta manera el contenido de información necesario de forma que se puedan detectar a los depredadores o a las presas rápidamente en un entorno saturado de ruido informativo. Aún así, el reconocimiento de siluetas no es nada trivial, como demuestra la efectividad de los CAPTCHA.

Ahora un equipo de químicos de la Queen's University (Reino Unido) ha presentado un sistema de detección de siluetas basado exclusivamente en un proceso químico. Sería la primera vez que unas moléculas pequeñas consiguen una computación que normalmente requiere un ordenador con una interfaz gráfica; en este caso la interfaz es el simple y humilde papel de filtro. La técnica, tremendamente ingeniosa, se publica en el Journal of the American Chemical Society.

El proceso se basa en la protonación de las moléculas y la fluorescencia.

La técnica se basa en trabajos anteriores del mismo equipo de químicos que emplean el hecho de que para algunas moléculas orgánicas pequeñas su fluorescencia depende de la acidez del medio (medida en la escala de pH). Usan una imida que presenta fluorescencia cuando recibe luz ultravioleta; en el caso de que esté en medio ácido, la molécula se dice entonces que está protonada, y la fluorescencia es 200 veces mayor, lo que la convierte en un magnífico sensor óptico de pH.

La protonación de la molécula se puede provocar añadiendo al medio una molécula que cuando reciba la luz ultravioleta ceda protones, lo que llamamos un fotogenerador ácido. Solo nos falta un componente, un tampón regulador de carbonato de sodio que se encargue de atrapar los protones que queden libres. Las tres sustancias empapan un papel de filtro, sin mayor organización, y ya tenemos nuestro ordenador químico capaz de reconocer siluetas.

Si ahora emitimos luz ultravioleta hacia el papel de filtro impregnado con la mezcla y ponemos un objeto en medio, hacemos que el fotogenerador ácido emita protones, que recoge la imida, emitiendo luz fluorescente. A los 30 minutos se observa que ya no hay fluorescencia porque el fotogenerador se termina descomponiendo, y al hacerlo destruye la capacidad de fluorescencia de la imida (desactiva el fluoróforo, que dicen los químicos). Sin embargo, la silueta del objeto que interpusimos sigue siendo brillante. ¿Cómo es posible?

Esto se debe a que los protones del fotogenerador se difunden por el papel de filtro hasta las regiones en las que da la sombra del objeto y a las que no llega la luz ultravioleta. En esta zona el tampón regulador va atrapando los protones hasta que llega un momento en el que no puede neutralizar más, por lo que quedan protones en el medio. Como el fotogenerador no se ha descompuesto porque no le ha llegado luz ultravioleta, los fluoróforos de las moléculas de imida están intactos en esta área, por lo que aparece la fluorescencia en la periferia de la zona irradiada, quedando así recogida la silueta del objeto. El espesor de la fluorescencia es de solo 1 ó 2 mm pero los autores se muestran confiados en que se puede aumentar la resolución y la velocidad de detección optimizando el procedimiento.

La detección de siluetas ya se había conseguido antes usando bacterias modificadas genéticamente y redes reactivas de ADN, pero este método tiene la ventaja de que usa moléculas pequeñas y su preparación es muy simple y extremadamente barata. Este trabajo demuestra que los paradigmas computacionales basados en moléculas son cada vez más atractivos para aplicaciones en el mundo real, como el procesamiento de imágenes o el pautado fotolitográfico.

Referencia: Jue Ling et al. (2015) Building pH Sensors into Paper-Based Small-Molecular Logic Systems for Very Simple Detection of Edges of Objects J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.5b00665

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.


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