A recognition-enhanced colorimetric sensor based on molecularly imprinted CoFe LDH nanozymes for detection of enrofloxacin in real water samples

El agua es la savia de nuestro planeta, pero también es un lugar donde los productos químicos que usamos a diario pueden acumularse. Uno de estos productos químicos es la enrofloxacina, un potente antibiótico utilizado para tratar infecciones en el ganado y la acuicultura. Si bien ayuda a que los animales se mantengan sanos, el fármaco suele terminar en ríos y lagos a través del estiércol y las aguas residuales. Debido a que se descompone muy lentamente, puede acumularse en el medio ambiente, dañando potencialmente los ecososistemas y entrando en la cadena alimentaria. Detectar estos rastros es crucial para proteger la calidad del agua, pero los métodos actuales suelen ser lentos, costosos y requieren equipos de laboratorio complejos. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma más sencilla de detectar estos contaminantes rápidamente, idealmente utilizando un método que cambie de color para mostrar qué está presente, de forma muy parecida a una prueba de papel tornasol, pero con la capacidad de distinguir un producto químico específico entre miles de otros.

Para resolver esto, los investigadores han recurrido a una ingeniosa combinación de dos ideas científicas: los nanozimas y la impronta molecular. Un nanozima es una partícula diminuta, fabricada por el hombre, que actúa como una enzima natural, acelerando las reacciones químicas. En este caso, los científicos utilizaron un material hecho de cobalto e hierro que se comporta como un catalizador natural, volviendo un líquido transparente de color azul cuando se mezcla con peróxido de hidrógeno. Sin embargo, estos nanozimas suelen ser demasiado entusiastas al reaccionar; no pueden distinguir entre el contaminante objetivo y otros productos químicos de apariencia similar. Aquí es donde entra la impronta molecular. Imagine tomar un molde de un objeto específico, retirar el objeto y dejar atrás una cavidad que encaje perfectamente con él. Al crear estos huecos microscópicos y específicos de forma en un recubrimiento de polímero, los científicos pueden construir un sensor que atrape solo la molécula objetivo e ignore todo lo demás.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores de la Universidad Politécnica de Henan y la Universidad de Tecnología de Jiangsu combinó estos conceptos para crear un nuevo sensor para la enrofloxacina. Comenzaron cultivando diminutas partículas esféricas de hidróxido de doble capa de cobalto-hierro, un material conocido por su capacidad para catalizar reacciones. Luego, recubrieron estas partículas con una fina capa de quitosano, un polímero natural derivado de los crustáceos, y lo reticularon con glutaraldehído. Crucialmente, añadieron enrofloxacina a la mezcla durante este proceso de recubrimiento. A medida que el polímero se formaba alrededor de las partículas, las moléculas de enrofloxacina actuaron como una plantilla, creando bolsillos o cavidades específicas en el recubrimiento que coincidían con el tamaño y la forma del fármaco. Una vez que el recubrimiento se solidificó, los investigadores lavaron la enrofloxacina, dejando tras de sí huecos vacíos y perfectamente formados en la superficie del nanozima.

El mecanismo de detección se basa en un bloqueo físico. En ausencia de enrofloxacina, las cavidades vacías del sensor actúan como puertas abiertas, permitiendo que el peróxido de hidrógeno fluya a través del recubrimiento hasta alcanzar el núcleo de cobalto-hierro. Una vez allí, el núcleo desencadena una reacción que vuelve de un azul intenso a un producto químico llamado TMB. Sin embargo, cuando la enrofloxacina está presente en el agua, se desliza de nuevo en esas cavidades específicas, encajando perfectamente como una llave en una cerradura. Esta acción bloquea físicamente la puerta, impidiendo que el peróxido de hidrógeno llegue al núcleo. Como resultado, el color azul no se desarrolla, o se desarrolla de forma mucho más tenue. Cuanta más enrofloxacina hay en el agua, más cavidades se llenan y menos color azul aparece. Este cambio en la intensidad del color proporciona una medida visual directa de cuánto fármaco hay en la muestra.

Los investigadores probaron este sensor con una precisión rigurosa. Descubrieron que podía detectar enrofloxacina en concentraciones tan bajas como 0,03 micromoles, con una respuesta lineal que va desde 0,19 hasta 50 micromoles. Esto significa que el sensor es lo suficientemente sensible como para detectar cantidades muy pequeñas del fármaco, manteniendo al mismo tiempo la exactitud cuando la concentración es mayor. Para asegurar que el sensor no estaba reaccionando a cualquier producto químico, lo probaron contra otros antibióticos y moléculas similares. El sensor permaneció sin respuesta ante estos imitadores, demostrando que la impronta molecular enseñó con éxito al material a reconocer únicamente la enrofloxacina. El estudio también confirmó que el sensor funciona mediante el bloqueo físico de la vía de reacción, en lugar de mediante la destrucción química del catalizador o el cambio de su naturaleza.

Finalmente, el equipo llevó el sensor del laboratorio al mundo real. Recogieron muestras de agua de los sistemas de los ríos Yangtze y Amarillo, así como de granjas ganaderas y hospitales. En todos los casos, el sensor midió con precisión la cantidad de enrofloxacina, con tasas de recuperación de entre el 98,6% y el 104%. Este alto nivel de precisión en muestras de agua complejas y sucias sugiere que el método es lo suficientemente robusto para su uso en el campo. El sensor también es reutilizable; la enrofloxacina puede lavarse de las cavidades, lo que permite utilizar el material de nuevo sin perder su capacidad para detectar el fármaco. Este trabajo ofrece una herramienta prometedora y de bajo costo para el monitoreo de la calidad del agua, proporcionando una forma de vigilar de cerca la contaminación por antibióticos sin la necesidad de maquinaria costosa o formación altamente especializada.