Líneas de Investigación

  • Fuentes de ionización moduladas, nuevos detectores y análisis de superficies

Se trata de desarrollar instrumentación innovadora y metodologías concretas para el análisis multielemental y molecular tanto en nuevos materiales como en muestras biológicas o medioambientales.

Particularmente interesantes son los trabajos con plasmas a baja presión (descargas luminiscentes, "GD") para el análisis directo de sólidos y de perfiles de concentración en profundidad en capas delgadas superpuestas (colaboraciones en proyectos con empresas como Aceralia, Saint-Gobain Cristalería, Ferroatlántica y otras). En esta dirección, hemos completado la evaluación en nuestro laboratorio de un prototipo GD acoplado a un espectrómetro de masas (MS) de "tiempo de vuelo" (TOF).

El instrumento en cuestión ya está comercialmente disponible (Horiba Jobin Yvon, Francia) y en la actualidad continuamos desarrollando sus aplicaciones a materiales recubiertos de diferente naturaleza y a materiales nanoestructurados.

Asimismo, el empleo de plasmas a presión atmosférica para medidas de emisión de fotones (ICP-OES) y de iones (ICP-MS) es una actividad mayoritaria en el grupo. Especial mención merece el trabajo en ICP-MS (se dispone de cuatro instrumentos) tanto para el análisis de concentraciones minúsculas (pero de gran relevancia en biomedicina, medioambiente, etc.) de elementos esenciales y/o tóxicos, como para el estudio de relaciones isotópicas (de enorme interés actual en nutrición y toxicología) o el acoplamiento de este extraordinario detector atómico a potentes técnicas de separación. En esta línea debe ser destacada la colaboración en proyectos internacionales, nacionales y concertados con empresas nacionales como p.e. Ordesa (Cataluña).
 
Finalmente, un objetivo más "instrumental" paralelo, basado en el sistema GD-MS(TOF) antes referido, es la utilización de nuestros conocimientos sobre plasmas para obtener "fuentes espectroquímicas sintonizables" acopladas a un mismo analizador de masas, con el objetivo de obtener información simultánea del pico molecular, de fragmentos y de los elementos que constituyen la especie o compuesto estudiado, en muestras de interés biológico o medioambiental. La aplicabilidad de este instrumento con un analizador MS(TOF) ha sido demostrada recientemente en el campo del análisis medioambiental (Analyst, 135, 2010, 987–993).
 
  • Análisis de fotoluminiscencia, sensores de fibra óptica y nuevas nanotecnologías analíticas

El trabajo de desarrollo instrumental y aplicación de técnicas y metodologías moleculares de análisis químico (reflectancia, fluorescencia y fosforescencia) aplicado al desarrollo de nuevos (bio)sensores, generalmente de fibra óptica, se centra en la búsqueda y caracterización de dispositivos sencillos y de bajo coste para el control analítico de especies de interés biomédico, industrial y medioambiental. La aplicación de estos sensores de interés en medio ambiente y fluidos biológicos se financia con Proyectos Nacionales (p.ej. CONSOLIDER C) y Europeos (p.ej. Proyecto SWIFT de la U.E., recientemente finalizado).

En lo que respecta a la búsqueda de nuevas fases sensoras luminiscentes para el control analítico de especies de interés medioambiental (p.ej. O2, iones inorgánicos, PAHs y pesticidas), a lo largo de los últimos años hemos abordado distintas estrategias como la inmovilización de indicadores luminiscentes en matrices preparadas mediante técnicas sol-gel, el empleo de mecanismos de fluorescencia por transferencia de energía o el diseño de nuevos elementos de reconocimiento basados en polímeros de impronta molecular (MIPs).  En el caso de los MIPs, durante el proceso de reconocimiento molecular, el polímero receptor interacciona selectivamente con una molécula o ión (alcanzando una selectividad similar a la de los sistemas biológicos). La incorporación de un átomo pesado en el medio nos ha permitido utilizar la fosforescencia a temperatura ambiente como mecanismo de detección aumentando la selectividad que proporciona la fase de reconocimiento.
 
Paralelamente al desarrollo de sensores específicos, hemos iniciado el desarrollo de sistemas sencillos de análisis químico de medida de respuesta rápida que generan respuestas más de tipo cualitativo que cuantitativo. Estos sistemas se denominan habitualmente de screening o de cribado. En esta línea, recientemente se ha llevado a cabo el desarrollo de nuevos optosensores fosforescentes encaminados a detectar aflatoxinas (sustancias altamente tóxicas) en alimentos animales, la presencia de hongos aflatoxigénicos en  piensos y frutos secos y la presencia de niveles de antibióticos de uso veterinario (tetraciclinas) en aguas y leches por encima del nivel permitido por la legislación vigente.
 
Por otra parte, una de las líneas de investigación más prometedoras que hemos iniciado recientemente en el grupo consiste en la síntesis y modificación superficial de nanopartículas semiconductoras tipo "quantum dots" (QDs) y su utilización como indicadores fotoluminiscentes. Los "Quantum Dots" constituyen un grupo de nanoestructuras con unas excepcionales propiedades ópticas que las hace excepcionalmente interesantes como marcadores luminiscentes. En esta línea se han llevado a cabo estudios encaminados a la síntesis y caracterización de distintos "Quantum Dots" (tanto fluorescentes como fosforescentes) empleando herramientas como la luminiscencia molecular, microscopía electrónica o la espectrometría de masas con plasmas de acoplamiento inductivo (ICP-MS). En una fructífera colaboración con el grupo de investigación del profesor Wolfgang Parak (pionero en el empleo de QDs para bioanálisis) se han estudiado formas de estabilización de los QDs en medios acuosos mediante la modificación de su superficie con polímeros anfifílicos, investigando su potencial en bioanálisis, empleando fenómenos de transferencia de energía (FRET). Hemos llevado a cabo su inmovilización en soportes sólidos tipo sol-gel y la evaluación analítica de su aplicabilidad como sistemas de detección altamente sensibles de distintas especies de interés medioambiental en aguas. Además, actualmente se está iniciando estudios encaminados a la inmovilización de anticuerpos sobre la superficie de estos nanocristales para su utilización como marcadores biológicos más robustos que los existentes hasta la fecha.
 
Los miembros del grupo de investigación que participan en esta línea general son los Doctores José Manuel Costa, Rosario Pereiro y María Teresa Fernández Fernández-Argüelles. La estrecha colaboración con el Dr. Juan Carlos Campo (Prof. Titular de Electrónica en la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de Gijón) es imprescindible en la investigación aplicada para el desarrollo de nueva instrumentación analítica de fibra óptica, portátil y de bajo coste que permita llevar a cabo análisis "in situ" y de "screening" (cribado de muestras).
 
  • Desarrollo de técnicas híbridas para la especiación de elementos esenciales y tóxicos

Hoy día se reconoce, ya a nivel mundial, que la forma físico-química particular en que se encuentra un elemento dado en una muestra va a ser la que, en última estancia, determinará la toxicidad, la actividad biológica, la biodisponibilidad y el impacto ambiental verdadero de un metal tóxico (ej. As, Hg, Pb, Cd, etc.).

Por eso el tema de la "especiación" ha despertado un inusitado interés en los últimos años en áreas tan variadas como la Toxicología, Nutrición, Ciencias Agrarias, Médicas, Bioquímicas y Medioambientales. También las industrias de alimentos, productos farmacéuticos y biotecnología están ahora interesadas en este tema. Este problema de la "especiación" en muestras reales es muy complejo y, en nuestra experiencia, demanda una "hibridación" o acoplamiento de una técnica poderosa de separación (Cromatografía de Gases, HPLC,  Electroforesis Capilar (EC) o Electroforesis) y un detector "específico" (ICP-MS) del elemento concreto a especiar.
Particularmente, los plasmas espectroquímicos ofrecen un potencial extraordinario como detectores específicos y los estamos empleando (GD, ICP-MS, etc.) en sistemas "híbridos" de la naturaleza más diversa acoplados a CG, HPLC, EC, PAGE etc. para resolver problemas sobre las "especies" existentes en la muestra real. Algunos de los Proyectos actualmente en curso son los siguientes:
 
Empleo de isotopos estables de Fe y Se en conexión con  HPLC-ICP-MS e Isotope Pattern Deconvolution en estudios de metabolismo y cinéticos de síntesis de selenoproteínas: desarrollo de modelos compartimentales.
Especiación de Se, Fe, Cu y Zn  en suero, fracción celular y humor acuoso humanos para la búsqueda de biomarcadores proteínicos asociados a enfermedades oculares (glaucoma).
Especiación de Cd-Metalotioneínas en fluidos y tejidos biológicos para investigar el potencial de este grupo de proteínas como "biomarcadores" moleculares de exposición a metales pesados y/o asociados a ciertas patologías.
Especiación de metales esenciales (Fe, Cu, Se I, Zn) y tóxicos (Pb, Al y Cd) en leche humana, comparando esa especiación con la observada en leche de vaca y leches maternizadas para evaluar su valor nutricional real.
Especiación de aductos del cisplatino unidos al ADN en la búsqueda de mejorar la resistencia al cisplatino en cáncer.
Especiación de metales liberados de prótesis implantadas (e.g. cadera, rodilla, etc.) en fluidos biológicos.
Análisis directo de metaloproteínas en geles por ablación láser (LA)-ICP-MS tras separaciones 2D.
Desarrollo de un prototipo µs-GD-TOF(MS) acoplado a CG para la especiación de especies volátiles de interés medioambiental.
Cuantificación de fosfopéptidos por µHPLC-ICP-MS en estudios de fosforilación de proteínas.
 
  • Especiación y proteómica: proteómica guiada por ICP-MS ("heteroatom-tagged proteomics")

Una extensión lógica de la línea anterior de Especiación Elemental consiste en caracterizar las biomoléculas asociadas a metales y (semi)metales ("Metaloproteómica o metalómica") detectados por ICP-MS. Utilizando paralelamente la Espectrometría de Masas "orgánica" (MALDI-TOF, ESI-MS, etc.) e inorgánica (ICP-MS) ha sido posible desarrollar estrategias para la determinación de las sialoformas de la transferrina como biomarcadores de alcoholismo crónico o de la fosforilación de proteínas en cascadas de señalización (ambas correspondientes a las modificaciones post-traduccionales de las proteínas).

En la actualidad, uno de los aspectos más relevantes en esta línea de trabajo corresponde a la dimensión cuantitativa de las diferentes metodologías puestas a punto. Así, el uso del ICP-MS, por su excelentes características analíticas de sensibilidad y selectividad, pero además por la capacidad de llevar a cabo detección elemental e isotópica está siendo aprovechada en nuestro grupo de investigación para la determinación de proteínas vía cuantificación de heteroátomos ("Heteroatom-tagged Proteomics"). En este sentido, el empleo de isótopos estables con detección mediante ICP-MS permite llevar a cabo estudios nutricionales sobre la incorporación de elementos esenciales al metabolismo así como de fármacos usados en quimioterapia que posean un heteroelemento como es el caso del cisplatin.
 
Dos aspectos esenciales y novedosos de la investigación de esta línea se refieren a: A) desarrollo de estrategias de marcaje ("labelling") para facilitar la determinación de especies que carezcan de heteroátomos o cuya monitorización sea poco sensible o selectiva y B) la puesta a punto de metodologías cuantitativas para la monitorización precisa de biomarcadores relacionados con procesos de estrés oxidativo tanto a nivel de proteínas como de ADN.