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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVII (4): e1316 (2023)
https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia
ISSN-e: 2683-3360
Artículo de Divulgación
Materiales supramoleculares: Quimiosensores y otras
aplicaciones prácticas
Supramolecular materials: Chemosensors and other practical
applications
*Correspondencia: viviana.reyes@unison.mx (Viviana Reyes-Márquez)
DOI: https://doi.org/10.54167/tch.v17i4.1316
Recibido: 08 de agosto de 2023; Aceptado: 19 de octubre de 2023
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado.
Editor de Sección: Dr. David Morales-Morales
Resumen
La química supramolecular tiene como uno de sus objetos de estudio el reconocimiento molecular,
el cual es un proceso que involucra cierta complementariedad y selectividad por parte de las especies
que interactúan entre sí para generar el complejo o supramolécula, este proceso de reconocimiento
específico de una molécula hacia otro se ha expandido y aplicado al diseño de sistemas que
funcionen como sensores moleculares de diferentes especies ya sea de interés biológico o industrial.
El objetivo del presente artículo es presentar el crecimiento y los principales logros que ha tenido
este campo de la ciencia y tecnología mediante la revisión de conceptos clásicos en la química
supramolecular y la presentación de ejemplos que muestran los principales resultados en cuanto al
incremento y el avance en el desarrollo de sensores moleculares disponibles en la actualidad.
Palabras clave: sensores, material supramolecular, quimiosensores, reconocimiento molecular,
aplicaciones.
Jancarlo Gomez-Vega1, Karen Ochoa-Lara1, David O. Corona-Martínez2, Josué Juárez3 y
Viviana Reyes-Márquez2*
1Departamento de Investigación en Polímeros y Materiales. Universidad de Sonora. Blvd. Luis Encinas y
Rosales, Hermosillo, Sonora, México. CP 83000
2Departamento de Ciencias Químico Biológicas. Universidad de Sonora. Blvd. Luis Encinas y Rosales,
Hermosillo, Sonora, México. CP 83000
3Departamento de Física, Universidad de Sonora. Blvd. Luis Encinas y Rosales, Hermosillo, Sonora,
México. CP 83000
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Abstract
Supramolecular chemistry has as one of its objects of study molecular recognition, which is a process
that involves a certain complementary and selectivity on the part of the interacting species to
generate a complex or supramolecule. This process of specific recognition from one molecule to
another has been expanded and applied to the design of systems to function as molecular sensors of
different species of biological or industrial interest. The objective of this article is to present the
progress and the main achievements that this field of science and technology has had through the
revision of classic concepts in supramolecular chemistry and by the presentation of examples that
show the main results in terms of the increase and progress in the development of molecular sensors
available today.
Keywords: sensors, supramolecular material, chemosensors, molecular recognition, applications
1. Introducción
El reconocimiento molecular es un área dentro de la química supramolecular que involucra la
unión selectiva entre una molécula receptor y un analito o molécula objetivo. Dentro del
reconocimiento molecular, los sensores moleculares, también conocidos como quimiosensores, son
entes químicos que en su estructura tienen un grupo receptor o de unión y un grupo de señalización,
el cual, se encarga de transducir el proceso de unión o reconocimiento molecular. Ambos grupos
dentro de la estructura del quimiosensor se encuentran unidos covalentemente de alguna manera
(Fig. 1), de tal modo que cuando el grupo receptor interactúa con un analito el grupo señalizador
debe ser capaz de detectarlo y generar alguna señal, ya sea de naturaleza física o química (Basabe-
Desmonts et al., 2007; Qian y Long 2018; Zhang y Hoshino, 2018; Krämer et al., 2022,).
Figura 1. Esquema general de un sensor molecular.
Figure 1. General scheme for a molecular sensor.
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El esquema mostrado en la Fig. 1 ilustra de manera general como un sensor molecular emite una
señal al unirse a un analito. Sin embargo, la naturaleza y variabilidad de esta señal dependerá de la
técnica utilizada para medir el proceso de unión entre el quimiosensor y el analito. En este contexto,
existen una gran variedad de técnicas analíticas que se utilizan con los sensores moleculares como
por ejemplo Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Cromatografía Líquida de Alta Resolución
Acoplada a Espectrometría de Masas (HPLC-MS, por sus siglas en inglés), Cromatografía de Gases
Acoplada a Espectrometría de Masas (GC-MS, por sus siglas en inglés), las cuales, se utilizan
frecuentemente para el análisis de fluidos biológicos en el ámbito clínico o para la detección de
sustancias ilegales. No obstante, estas técnicas no son de fácil acceso, son poco portables y de costo
elevado, es por ello por lo que un gran número de quimiosensores se enfocan en la utilización de
técnicas espectroscópicas y electroquímicas, las cuales, son relativamente más baratas, portables y de
fácil acceso (Krämer et al., 2022; Kumar et al., 2023).
Independientemente de que técnica se utilice, en el fondo, todos los mecanismos de detección
molecular implican un proceso de unión, esta puede ser de tipo no covalente, que por naturaleza es
siempre reversible, o covalente, específicamente de tipo reversible. Ya sea que estos eventos sean
detectados por un electrodo de pH, una columna de cromatografía o una interacción antígeno-
anticuerpo, todos implican unión. Por lo tanto, cuando se diseña un sensor molecular se debe
considerar este aspecto con el fin de explotar todas las interacciones posibles en la unión del analito
(Wang y Anslyn, 2011).
Los sensores moleculares actualmente se utilizan para diversos fines que van desde la detección de
iones hasta la detección de moléculas orgánicas y biomoléculas. Para ello, se utilizan diversas
estrategias para su aplicación tales como los sensores moleculares en disolución, quimiosensores en
forma de nanopartículas o soportadas sobre diferentes matrices tales como polímeros o zeolitas
(Zavala-Contreras et al., 2021; Kadja et al., 2022,). Esta versatilidad en el diseño y uso de los sensores
moleculares ha permitido que esta tecnología esté cada vez más inmersa en nuestra vida diaria. Por
ejemplo, los sensores moleculares se utilizan en dispositivos portátiles con aplicaciones móviles para
detectar la presencia de contaminantes en el agua, alimentos, aire y en el monitoreo en tiempo real
de parámetros fisiológicos para el diagnóstico de enfermedades (Qian et al., 2018; Sun et al., 2021).
1.1 Clasificación y tipos de sensores moleculares.
Los sensores moleculares se pueden clasificar en varias categorías en función de su mecanismo
de detección y el tipo de molécula que están diseñados para detectar (anión, catión, par iónico,
moléculas neutras, etc.). Sin embargo, la forma más general y amplia para describir a los sensores
moleculares es con base a su mecanismo de detección (Fig. 2).
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Figura 2. Clasificación general de los sensores con base en su mecanismo de detección.
Figure 2. General classification of sensors based on their detection mechanism.
1.1.1. Sensores ópticos.
Los sensores ópticos son un tipo de sensor molecular, que puede detectar y/o cuantificar la
presencia de un analito en un ambiente determinado mediante la producción de una señal óptica.
Esta señal óptica puede ser una variación en la intensidad de la luz, un cambio en la longitud de onda
(color), la polarización, la fase o cualquier otra propiedad de la luz. Dentro de esta clasificación
encontramos los siguientes tipos de sensores.
Sensores colorimétricos. La colorimetría es un método de transducción utilizado en
quimiosensores desde hace décadas, entre algunos ejemplos tenemos las tiras de pH o las
pruebas de embarazo. Su fortaleza se basa en la facilidad de detección del analito a simple
vista, aunque hoy en día esto también se realiza por métodos espectroscópicos (Wang y
Anslyn, 2011). Esto último, ha mantenido en auge el desarrollo de este tipo de sensores
moleculares, ya que la ayuda de técnicas espectroscópicas incrementa de manera sustancial
el alcance de estos métodos, por ende, los reportes de este tipo de sistemas son todavía
comunes (Al-Saidi y Khan, 2022).
Sensores de absorción electrónica. Para la cuantificación o detección de un analito con los
quimiosensores que están dentro de esta clasificación, las técnicas analíticas más utilizadas
son la espectroscopía de ultravioleta-visible (UV-Vis) e infrarrojo (IR), como un ejemplo del
uso práctico de este tipo de quimiosensores en la vida diaria tenemos el oxímetro de pulso
(Zhang y Hoshino, 2018). Entre las cualidades de este tipo de sensores moleculares tenemos
SENSORES
Ópticos
Colorimétricos
Absorción
electrónica
Emisión
electrónica
Electroquímicos
Potenciometría
Amperometría
Conductimetría
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que son altamente sensibles, simples, de bajo costo, de fácil uso y de rápida respuesta (Sedghi
et al., 2019).
Sensores de emisión electrónica. Este tipo de sensores moleculares corresponden a un grupo
de quimiosensores que pueden tener como respuesta diversos fenómenos luminiscentes. Sin
embargo, los quimiosensores fluorescentes son los más abundantes y destacables dentro de
esta clasificación ya que estos han sido ampliamente utilizados en diversos campos como la
biología, fisiología, farmacología y ciencias ambientales (Wu et al., 2017; Díaz-Álvarez y
Martin-Esteban, 2021; Al-Saidi y Khan, 2022; Krämer et al., 2022). Como ejemplos de la
versatilidad que poseen este tipo de quimiosensores están los sensores bioquímicos que
utilizan bioreceptores etiquetados con un fluoróforo, dichos bioreceptores pueden ser
enzimas, sustratos, anticuerpos, entre otros y se utilizan para detectar biomoléculas
específicas (Tjandra et al., 2020). De igual manera, dentro de esta clasificación se encuentran
los sensores basados en nanopartículas tales como nano varillas de oro, plasmón de
superficie mejorada por fluorescencia y puntos cuánticos, los cuales, son una clase emergente
de sensores que utilizan las propiedades únicas de las nanopartículas para detectar una
variedad de analitos biológicos. Por lo antes mencionado, los sensores bioquímicos y los
sensores basados en nanopartículas han demostrado ser particularmente útiles en la
detección de biomoléculas y patógenos, gracias a la alta sensibilidad y especificidad que
ofrecen (Wang y Anslyn, 2011; Wolfbeis, 2013).
1.1.2. Sensores electroquímicos.
Dentro de los métodos electroquímicos que existen para detectar especies químicas, la
voltametría cíclica y los electrodos ion selectivos son las técnicas más comunes, ya que no solo
determinan la presencia y concentración de analitos específicos, sino que también ayudan a elucidar
la termodinámica y cinética de la transferencia de electrones en la reacción monitoreada. Un sensor
electroquímico es un dispositivo que convierte una actividad química en una señal eléctrica, dicha
señal puede ser un potencial, una corriente o ambos, y ésta a su vez puede ser incorporada y
procesada en una computadora para revelar información química con una gran exactitud (Wang y
Anslyn, 2011). Entonces, con base en la naturaleza de la señal eléctrica muchos sensores
electroquímicos caen dentro de tres clasificaciones principales:
Potenciometría. Mide el potencial electrostático (se mide el voltaje (V)). Muy poca o ninguna
corriente está involucrada en la medición.
Voltametría o amperometría. Mide la corriente involucrada en el proceso (se miden
amperios (A)). Los potenciales de los electrodos se mantienen constantes o se utilizan como
entrada variable durante las mediciones.
Conductimetría. Mide la resistencia mediante corriente alterna (se miden ohmios (Ω) o
conductancia (siemens [S] = (1/ Ω)).
Actualmente, la mayoría de los sensores químicos y biosensores se basan en esquemas de detección
electroquímica. Como algunos ejemplos de ello, tenemos el electrodo de pH, el sensor de oxígeno en
automóviles (sonda lambda) y entre los biosensores se destaca el sensor de glucosa mediado por
ferroceno (Wolfbeis, 2013). Por tanto, con base en lo antes mencionado, es fácil inferir que este campo
dentro del ámbito de los sensores moleculares sigue en auge y por consiguiente también el reporte
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de nuevos sensores electroquímicos para diversos propósitos (Oberacher et al., 2015; Menon et al.,
2020; Baranwal et al., 2022).
1.2 Diseño y desarrollo de sensores moleculares.
El diseño y desarrollo de sensores moleculares es un campo que se basa en una serie de
conceptos fundamentales dentro de la química supramolecular, en específico en los sistemas
receptor-huésped. Estos conceptos incluyen la aditividad, cooperatividad, multivalencia, efecto
quelato, selectividad, preorganización, complementariedad y, en el caso de los sensores moleculares,
también debe considerarse el uso de grupos señalizadores.
El término aditividad se refiere a las múltiples interacciones no covalentes que existen entre un
receptor y una molécula huésped o un sensor y un analito. La premisa de este concepto es que a
mayor número de interacciones entre estas dos especies químicas mayor será la energía de unión
entre ellas. Al respecto Schneider afirma que estas interacciones aditivas, en especial cuando vienen
de un solo receptor, también poseen un efecto quelato similar al que se observa en los metales de
transición, es decir, estas interacciones no covalentes y reversibles pueden acercarse en fuerza a los
enlaces covalentes (Schneider, 2009; Steed et al., 2012). No obstante, en el contexto del diseño de
sensores moleculares, se debe considerar que el efecto de aditividad no siempre puede predecirse a
partir de simples asunciones estructurales, ya que los efectos entrópicos como la solvatación o
desolvatación pueden interferir de manera negativa en el desempeño del sensor molecular (Steed et
al., 2012).
Es importante señalar, que los términos aditividad, el efecto quelato y multivalencia son similares,
con la única diferencia que aditividad se aplica dentro de la química supramolecular, mientras que
multivalencia y efecto quelato se utilizan, incluso como sinónimos dentro de la química de
coordinación (Schneider, 2009). Otro término que se encuentra muy relacionado con la aditividad es
la cooperatividad, a la cual, algunos autores la designan como una generalización del efecto quelato
(Steed y Atwood, 2022). Entonces cuando se habla de cooperatividad, se considera que cada una de
las interacciones que se llevan a cabo entre el sensor y el analito, contribuyen un poco a la
estabilización del sistema, (interacción sumativa), mientras que cuando la interacción del sistema es
sinérgicamente mayor que la suma de las partes individuales, se le llama interacción multiplicativa.
Entonces, cuando dos o más sitios de unión dentro de un receptor cooperan para unir a una molécula
objetivo a esto se le llama cooperatividad positiva del sitio de unión. Si la estabilidad de la
supermolécula, es más grande que la suma de las energías de interacción individuales que se da entre
estas especies químicas, entonces se dice que existe una cooperatividad positiva. Por el contrario, si
debido a efectos estéricos y/o electrónicos desfavorables la unión entre el receptor y el huésped se ve
impedida, y la suma de la energía de la supramolécula formada es menor que la suma de las
interacciones que participan en dicho fenómeno, entonces se dice que existe una cooperatividad
negativa (Schneider, 2009; Schneider, 2016; Steed y Atwood, 2022).
Otro concepto fundamental que se debe considerar para el diseño de un sensor molecular es la
selectividad, la cual, se refiere a la capacidad del sensor para distinguir entre diferentes moléculas o
iones objetivos. Esta selectividad, puede derivarse de diferentes factores tales como la
cooperatividad, la preorganización y/o la complementariedad. Se dice que un receptor está
preorganizado cuando no requiere un cambio conformacional significativo para unirse a una
molécula o analito objetivo. Un ejemplo de este fenómeno es el efecto macrociclo, el cual, se observa
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en grandes estructuras cíclicas con una forma y tamaño determinados, por consiguiente, cuando se
unen a su molécula objetivo no sufren un gasto entrópico significativo. Por otro lado, el término
complementariedad se refiere a que el receptor debe tener la correcta disposición electrónica
(polaridad, donador-aceptor de puente de hidrógeno, dureza o suavidad, etc.), así como la correcta
disposición geométrica y espacial para complementar a su molécula huésped u objetivo (Steed et al.,
2007).
Por último, se deben considerar en la estructura los grupos señalizadores. Para ello, se deberán tomar
en cuenta factores como el analito objetivo, la matriz en la que se realizarán las mediciones, la
solubilidad, la técnica analítica a emplear, así como otras características particulares para cada caso
específico. En resumen, el diseño y desarrollo de sensores moleculares en el contexto de la química
supramolecular es un proceso complejo que se basa en una serie de conceptos fundamentales. Al
considerar estos conceptos, se pueden diseñar sensores moleculares que sean altamente selectivos y
sensibles para la detección de moléculas o iones específicos.
2. Aplicaciones de los materiales supramoleculares
Una de las grandes premisas u objetivos que se derivan del estudio y desarrollo de nuevos
sistemas, como los sensores, es la posibilidad de su aplicación en diferentes áreas de interés. Las
potenciales aplicaciones de estos sistemas son bastante extensas, sin embargo, áreas de gran
relevancia e interés son las relacionadas con la salud como la detección de analitos de importancia
clínica o la liberación controlada de algunos fármacos. La detección y cuantificación de metales tiene
gran impacto ya que algunos metales de transición como el cobre, zinc, hierro o cobalto, por
mencionar algunos, tienen roles importantes a nivel biológico, adicionalmente esto impacta en la
remediación de cuerpos de agua o suelos por la presencia de algunos metales como contaminantes.
Por otro lado, la detección de compuestos químicos, drogas ilegales, o fármacos controlados, también
son objeto de estudio, y probablemente el ejemplo más conocido de aplicaciones de este tipo es la
cuantificación del nivel de alcohol utilizado frecuentemente como medida de prevención y
seguridad. Finalmente, el estudio de algunos procesos catalíticos y el reconocimiento dirigido a
moléculas de interés biológico como algunos aniones son otros enfoques y aplicaciones que están
siendo explorados en la actualidad.
2.1 Detección de metales.
Existen diferentes estrategias para lograr detectar y cuantificar la presencia de metales en una
diversidad de muestras. Al diseñar estos dispositivos o sensores se consideran diferentes
características deseables, desde la complejidad de producción, el costo, la sensibilidad e incluso el
impacto en el medio ambiente, es decir que sea ecológicamente amigable o esté alineado con alguno
de los 12 principios de la química verde. Recientemente se han desarrollado técnicas de
microextracción basadas en el uso de disolventes supramoleculares, que en esencia son líquidos de
moléculas anfifílicas nanoensambladas inmiscibles en agua con las cuales se logra extraer de manera
muy eficiente diferentes sustancias de tipo orgánicas e inorgánicas, todo esto basado en la afinidad
que presentan las especies o moléculas objetivo con el sistema molecular empleado (Jalili et al., 2021).
A partir de estas técnicas, se ha logrado extraer y cuantificar diferentes especies como cromo (II) y
(IV) a partir de muestras de agua contaminada con un límite de detección de 0.79 µg/L (Ozkantar et
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al., 2020) y 0.23 µg/L (Abadi et al., 2013). La extracción y cuantificación de cadmio a partir de muestras
de agua y de cabello se logró con límites de detección de 0.23 µg/L (Panhwar et al., 2016). Según la
Norma Oficial Mexicana (NOM-127-SSA1-1994) el límite permisible de cromo en agua para consumo
humano es de 50 µg/L y de cadmio es de 5 µg/L, por lo que estos sistemas de microextracción se
consideran aptos para su aplicación en la detección y cuantificación de este metal en muestras
acuosas. Es importante reconocer que la contaminación de aguas por metales tóxicos no solo afecta
a los humanos por el consumo directo de este líquido, sino también por todo lo que involucra el uso
de aguas contaminadas, como el riego de cultivos lo que se traduce en alimentos contaminados, y la
intoxicación de peces y otras especies acuáticas. La presencia de manganeso y zinc en muestras de
vegetales fue cuantificada mediante la microextracción con un límite de detección de 0.035 µg/L para
ambos metales (Altunay y Katin, 2020); de manera similar se cuantificó la presencia de cobalto en
muestras de frutas y cereales con límite de detección de 1.89 µg/L (Aydin et al., 2015) y de plomo con
límite de detección de 0.4 µg/L en muestras alimenticias (Rastegar et al., 2016).
Un sensor que permite detectar la presencia de mercurio en muestras acuosas o de cabello es el
desarrollado por Shampsipur et al., (2005) (ver Fig. 3a), este sensor que es comercializado por una
reconocida proveedora de reactivos químicos contiene como receptor un macrociclo tipo corona y
como fluoróforo una unidad de naftaleno (Shampsipur et al., 2005). La detección de otros metales de
importancia biológica como sodio, potasio y calcio se logró de manera exitosa mediante la utilización
de sensores fluorescentes que incluyen en su estructura un macrociclo tipo azacorona, cuya cavidad
ajusta perfectamente con el tamaño del catión metálico (Fig. 3b y 3c respectivamente). Estos sensores
se encuentran disponibles comercialmente y se usan clínicamente para medir nivel de electrolitos en
suero (de Silva et al., 2005, He et al., 2005)
Figura 3. Estructura química de algunos compuestos usados como quimiosensores de cationes metálicos.
Figure 3. Chemical structure of some compounds used as chemosensors for metallic cations.
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Otra de las aplicaciones de los sensores moleculares es en la industria metalúrgica; la extracción de
cobre mediante el uso de oximas fenólicas representa aproximadamente el 25 % de la producción
global de este metal (Fig. 3d), de manera similar otros metales como cobalto, zinc y níquel también
se han extraído con el uso este tipo de compuestos (Turkington et al., 2013). Algo relativamente
similar es lo que realiza IBC, la cual es una compañía que se dedica a la extracción de algunos metales
como cobre, cobalto, cesio, litio y níquel mediante el uso de receptores moleculares, con lo que ellos
denominan tecnología de reconocimiento molecular (Fig. 3e), particularmente la actividad de esta
compañía es la extracción de elementos metálicos a partir de una gran variedad de orígenes como
son los desechos electrónicos, así como nucleares, para lograr principalmente la remediación
ambiental. La mayoría de los productos de esta empresa se comercializan para aplicaciones en la
industria farmacéutica y química nuclear. La actividad de esta compañía ha sido bastante elogiada
ya que repercute de manera importante en ámbitos como la química verde y sostenibilidad (Norato
et. al., 2007). Actualmente se están desarrollando sensores moleculares con resultados prometedores
como el reportado por Galinski et al., (2023) cuyo compuesto logra la respuesta colorimétrica y
sensible hacia cobre en concentraciones de 10-8 M en disolución acuosa la cual cambia drásticamente
de color amarillo a rosa; otro ejemplo de esto es la sonda fluorescente reportada recientemente por
Gan et al. 2023)., este sensor fluorescente es capaz de cuantificar y detectar a simple vista oro y paladio
en concentraciones de 68 y 7 nanomolar a partir de muestras acuosas.
2.2 Detección de biomoléculas.
Existe un gran interés en lograr la detección y cuantificación de especies de importancia a nivel
clínico ya que esto repercute de manera importante y directa en el área de la salud por lo que el
número de estudios en esta área ha ido en aumento (Saylan et al., 2020). Uno de los ejemplos de
sistemas que se han estudiado recientemente es a partir de polímeros obtenidos mediante impresión
molecular, la cual es una estrategia con ventajas como el diseño de la cavidad en el polímero de
acuerdo con el objetivo o necesidades deseadas, ejemplo de esto es el reportado por Ayankojo et al.
(2020), quienes diseñaron un sensor electroquímico para la detección de eritromicina, el cual es un
antibiótico de uso común que pertenece a la clase de los macrólidos; este sensor demostró cuantificar
el antibiótico en concentraciones de 0.1-0.4 nanomolar con un alto índice de selectividad, lo cual se
evidenció al realizar experimentos de competencia con otros antibióticos. Por otro lado, Sergeyerva
et al. (2019) diseñaron un sensor óptico para la detección de la aflatoxina B1, la cual es una toxina de
importancia a nivel clínico y alimentario, los autores reportaron límites de detección de 20 ng/mL,
una alta selectividad frente a otras toxinas, además de presentar estabilidad de al menos un año. Sinn
et al. (2019) diseñaron un sensor que opera por desplazamiento del indicador, este sensor está basado
en el uso de un macrociclo hidrofóbico, cucurbituril, como receptor y un ciclofano con un grupo
piridinio como indicador para la detección de memantina, el cual es un medicamento para el
tratamiento de Alzheimer; los autores reportaron que el medicamento puede ser detectado a partir
de muestras sanguíneas logrando detectar el analito a concentraciones micromolares. Un diseño
relevante dado que es comercializado por diferentes compañías es el sensor subcutáneo fluorescente
para la detección de glucosa en tiempo real. El diseño de estos sensores incluye la parte receptora
que es el ácido borónico que se une a la glucosa, un espaciador el cual le proporciona la selectividad
necesaria para que la molécula de glucosa embone a la perfección y el fluoróforo que es la estructura
que proporciona la señal (Fig. 4a). Los creadores de estos sensores indican que pueden ser
implantados y medir la concentración de glucosa de manera efectiva por seis meses (Williams et al.,
2020). Dada la importancia de este analito, varios grupos han trabajado en esta área, Tromans et al.,
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(2019) desarrollaron un receptor para glucosa con una afinidad equiparable a lo observado a nivel
biológico y una buena selectividad (Fig. 4b), sin embargo, aún no está disponible comercialmente.
La cuantificación de neurotransmisores también es un objetivo importante ya que los valores
anormales están relacionados con diferentes desórdenes de salud como depresión, ezquizofrenia,
trastornos de sueño, enfermedad de Alzheimer y alergias, por mencionar algunos (Krämer et al.,
2022). Autores como El-Rahman et al., (2019) y Jin (2010) diseñaron sensores fluorescentes basados
en calixarenos para la detección de acetilcolina, el resultado fue la detección del analito en
concentraciones micromolares. La detección de histamina, la cual está fuertemente ligada con la
problemática de alergias se logró mediante el uso de sensores basados en complejos metálicos de
cobalto, cobre y níquel principalmente (Fig. 4c), según reportó Seto en 2010, los complejos con níquel
mostraron buena respuesta en células y alta selectividad (Seto et al., 2010; Oshiwaga et al., 2016).
Chandra et al., (2020) más recientemente publicaron un estudio sobre la encapsulación por un
cucurbituril de serotonina con constantes de asociación elevadas, sin embargo, dado que este
complejo no posee unidades que aporten alguna señal detectable, no es catalogado como un sensor.
Existen otros sensores colorimétricos basados en nanopartículas principalmente de oro, que han
logrado detectar en cantidades micromolares la presencia de norepinefrina, dopamina y serotonina.
Figura 4. a) diseño general de un sensor para glucosa, b) estructura molecular del sensor para glucosa propuesto
por Tromans et al., c) sensor molecular para histamina reportado por Seto et al.
Figure 4. a) general design of a glucose sensor, b) molecular structure of glucose sensor reported by Tromans et
al., c) histamine sensor reported by Seto et al.
La detección o monitoreo de ciertos sistemas enzimáticos ha sido estudiada por algunos grupos de
investigación. Algunos de estos sensores son complejos metálicos con alguna unidad fluorófora o
cromófora como los reportados por Mizukami et al. (2002) y Wongkongkatep et al. (2006) quienes
diseñaron sensores fluorescentes con cadmio y zinc para la detección de fosofodiesterasas y
glicosiltranferasas respectivamente; sin embargo, más frecuentemente se ha observado el uso del
ensayo por desplazamiento del indicador donde para este fin se usan diversos colorantes o tintes que
emiten la señal que se observa o monitorea (Nilam y Hennig, 2022). Zhao et al. (2020) y Zheng et al.,
(2020) reportaron el uso de un calixareno como sensor fluorescente para pepsina a partir de muestras
de saliva, mientras que el grupo de investigación de Zhao diseñó un sensor basado en un
cucurbiturilo que se une selectivamente a dipeptidil peptidasa con un límite de detección de 18.6
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ng/mL. La detección oportuna y eficiente de ambos analitos resultan de gran interés ya que se asocian
con problemas gatrointestinales o de diabetes.
2.3 Liberación de fármacos e identificación de otras sustancias.
Otra de las aplicaciones de gran interés de complejos supramoleculares es la posibilidad de
favorecer la liberación controlada de ciertas sustancias, las cuales pueden ser fármacos, colorantes,
esencias aromáticas o saborizantes (Shome, 2023). Cada una de estas aplicaciones ha sido estudiada
por diversos grupos de investigación ya que impactan fuertemente en industrias como la
cosmetológica, farmacéutica y alimentaria. Probablemente uno de los sistemas macrocíclicos más
estudiados son los que involucran el uso de ciclodextrinas (Li et al., 2022). Uckama reportó el uso de
una ciclodextrina para controlar la liberación del fármaco digoxina que se usa habitualmente en
pacientes con problemas cardiacos (Uckama et al., 1983), mientras que la liberación controlada de
dexametasona para el tratamiento de edema ocular en pacientes con diabetes está disponible
comercialmente y se administra en forma de un complejo formado de este fármaco (1.5 %) y la gama-
ciclodextrina (Imamachi et al., 2019). Un complejo que ha sido estudiado y actualmente se encuentra
en fase clínica es el formado por una ciclodextrina y el fármaco rigosertib, que se usa para el
tratamiento contra leucemia, para el que los autores señalan que con la formación de este complejo
se mejora la solubilidad y estabilidad del fármaco bajo las condiciones de administración habituales
(Patel et al., 2018). Song et al. (2020) formaron un complejo de polímeros y ciclodextrina que logra
encapsular y liberar de manera controlada el fármaco doxorubicina, los autores observaron mejores
resultados en cuanto a la reducción de la proliferación de células tumorales que lo observado al
administrar solamente el fármaco. Chen et al. (2020) han estudiado la formación de complejos
supramoleculares basados en pilarenos que son otro tipo de macrociclos con cavidad hidrofóbica.
Los autores observaron que el sistema formado por el pilareno, y los fármacos utilizados en
quimioterapia oxalilplatino y doxorubicina, presentan buena estabilidad y logran ser liberados
efectivamente, sin embargo, según el modelo in vivo empleado, esto no logró reducir el crecimiento
de las células tumorales, pero si los efectos secundarios de los fármacos empleados.
Por otro lado, la identificación o cuantificación de otro tipo de sustancias como los fármacos de uso
controlado o restringido, así como la identificación de sustancias ilegales es también un área
prioritaria. Beatty et al. (2019) reportaron la síntesis de una serie de complejos diméricos basados en
calixarenos que funcionaron como sensores fluorescentes de sustancias como nicotina,
metanfetamina o cocaína (Fig. 5a). Los autores reportaron que observaron una buena repuesta en 5
de los 16 compuestos sintetizados y que estos son capaces de detectar los analitos a una concentración
micromolar a partir de una muestra de saliva. El grupo de investigación de Rosa-Gastaldo diseñó un
sensor basado en cucurbituril para reconocer selectivamente fenetilamina, que en esencia son las
conocidas drogas de diseño entre las que se encuentra la dietil amida del ácido lisérgico, conocida
como LSD (Fig. 5b). Este grupo de investigación encapsuló tionina para usar el ensayo por
desplazamiento del indicador; dicho complejo al estar en contacto con fenetilamina cambia de color
morado a azul, dicho cambio en la coloración proviene precisamente del desplazamiento de la
cavidad del macrociclo del colorante tionina por la fenetilamina. Estos estudios muestran una forma
sencilla y detectable a simple vista, en papel y en concentraciones micromolares del analito (Rosa-
Gastaldo et al., 2020).
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Figura 5. a) Sensor fluorescente para nicotina y cocaína, b) sensor molecular para fenetilamina.
Figure 5. a) fluorescent sensor for nicotine and cocaine, b) molecular sensor for phenethylamine.
2.4 Receptores de aniones en agua.
El desarrollo de receptores que puedan funcionar en agua aún hoy en día es un desafío y es
esencial para lograr aplicaciones en ámbitos biológicos, médicos y ambientales que normalmente
requieren condiciones acuosas (Barendt et al., 2022). Sin embargo, los receptores de aniones sintéticos
que operan en el agua han sido, en general, la excepción más que la norma hasta la fecha. Durante
mucho tiempo los receptores que contenían múltiples cargas positivas y/o iones metálicos, ya que las
interacciones de los receptores neutros con los aniones se consideraban demasiado débiles para ser
eficientes en el agua (Kubik, 2019). El trabajo independiente en varios grupos ha demostrado que esta
suposición no es necesariamente correcta. Como consecuencia, ahora está disponible una gama más
amplia de receptores con los que se puede lograr el reconocimiento de aniones en medios acuosos.
Una de las estrategias es generar interacciones que superen la hidratación del anión o bien mediante
el uso de efectos solvofóbicos (Kubik, 2022).
Gracias a esto en los últimos años se ha logrado un cambio significativo en el paso hacia el
reconocimiento de aniones en agua de manera rutinaria, mediante la generación de receptores con
un enfoque particular en el control y uso del efecto hidrofóbico, así como interacciones comunes
como el enlace de hidrógeno C-H o el enlace de halógeno (Langton et al., 2016). Un ejemplo de
afinidad y reconocimiento en los bambus[6]urilo soluble en agua sigue el orden I– > Br– ≫ Cl– > F– con
afinidades en solución acuosa amortiguada con fosfato de Kas = 1 × 107, 1 × 105, 9 × 102, y 1 × 102 M–1,
respectivamente. Las interacciones C–H–anión y el ajuste del tamaño de la cavidad juegan un papel
importante en la explicación de las altas afinidades y la selectividad de unión al anión (Kubik, 2019).
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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVII (4): e1316 (2023)
2.5 Catálisis supramolecular.
Mucha de la inspiración en el diseño de sistemas catalíticos supramoleculares proviene de la
observación y entendimiento de la catálisis enzimática. Una estrategia seguida por diferentes grupos
de investigación es diseñar catalizadores mediante la imitación de algunas características de los sitios
activos, como el uso de fragmentos (motivos) que involucren una cadena lateral de aminoácidos o
compuestos de coordinación de los centros metálicos (si la enzima los presenta) (Anslyn et al., 1989;
Baldini, 2012). La síntesis de catalizadores que sean capaces de imitar a las enzimas involucra un
diseño racional a partir del mecanismo de la reacción y las principales interacciones que se presentan
en el sitio activo de la enzima. Lo anterior se sustenta en el hecho de que la catálisis puede
considerarse como un reconocimiento molecular del complejo activado en el estado de transición por
el catalizador (Yatsimirsky, 2005). Dos tipos de aproximaciones se han utilizado para generar los
catalizadores: receptores moleculares en los cuales el sitio catalítico está cerca del sitio de unión y
receptores que simultáneamente se unen a dos reactantes para formar un complejo multimolecular
el cual los une mediante interacciones no covalentes (van Leeuwen, 2022). Dentro del primer grupo
se han explorado diversas alternativas con el uso de ciclodextrinas (Fig. 6), calixarenos, cavitandos,
curcubit[n] urilos entre otros (Breslow et al., 1996; Salvio et al., 2013, 2016).
Figura 6. a) Estructura de la -ciclodextrina funcionalizada b) complejo con el 4-nitrofenil acetato.
Figure 6. a) Structure of functionalized -cyclodextrin b) complex with 4-nitrophenyl acetate.
Para el segundo tipo de sistemas, no sólo se requiere que las moléculas reconozcan las especies a
reaccionar si no también que tengan la orientación adecuada para que puedan reaccionar. Un
problema que también tiene que evitarse con este tipo de sistemas es la inhibición por una alta
afinidad, ya que si se tiene una alta afinidad hacia las especies reaccionantes se podría inhibir los
sitios de unión y perder la capacidad de intercambio catalítico. Kelly et al. (1990) generaron una
especie química que presenta dos sitios de enlace que permiten la aceleración de una reacción de
sustitución nucleofílica bimolecular entre una amina alifática y un bromuro de alquilo. La molécula
anfitriona (Fig. 7) actuó como plantilla para que los dos reactivos reaccionaran de forma eficiente.
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Figura 7. Sustitución nucleofílica catalizada con el anfitrión simétrico de Kelly.
Figure 7. Nucleophilic substitution catalyzed by symmetric Kelly´s host.
La catálisis también ha sido promovida mediante la encapsulación o inclusión de moléculas en
cavidades de las supramoléculas. En estos casos, la cavidad debe ser lo suficientemente grande para
acomodar simultáneamente al menos dos reactivos de tal forma que se favorezca la reacción entre
ellos. Una posible razón es por la disminución de la solvatación entre los reactantes. Mock et al. (1983)
informaron sobre una reacción de cicloadición 1,3-dipolar entre un alquino y una azida con grupos
amino, con un cucurbit[6]urilo (Fig. 8), esto generó un aumento en la rapidez de reacción de cinco
órdenes de magnitud. Además, la cicloadición fue regioselectiva, donde se forma un solo isómero
(Van Leeuwen, 2022).
Figura 8. Estructura del cucurbit[6]urilo b) reacción de la cicloadición 1,3-dipolar catalizada en la cavidad del
cucurbit[6]urilo para la generación de un 1,2,3-triazol.
Figure 8. Structure of cucurbit[6]uril b) 1,3-dipolar cycloaddition catalyzed in the cavity of cucurbit[6]uril to
afford 1,2,3-triazol.
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En el diseño y preparación de nuevos catalizadores supramoleculares requiere una mejor compresión
de las interacciones no covalentes y el manejo de las geometrías moleculares para que estos tengan
una mayor eficiencia, quimio y estereoselectividad con sistemas más simples.
Conclusiones y perspectivas
El desarrollo de sensores moleculares ha captado gran interés desde sus orígenes. Este interés
surge principalmente debido a la aplicación directa y relevante en diferentes áreas, lo que genera un
impacto significativo a nivel tecnológico. Diversos grupos de investigación han logrado desarrollar
sistemas altamente eficientes que prometen mejorar la calidad de vida de los usuarios. Por ejemplo,
el sensor subcutáneo diseñado para medir los niveles de glucosa en pacientes diabéticos y el
oxímetro de pulso. También se espera el desarrollo de sensores más precisos y de bajo costo para la
detección temprana de enfermedades, y materiales supramoleculares con capacidades mejoradas
para la remediación ambiental y procesos industriales. El diseño de materiales supramoleculares es
un campo que sigue en evolución, y genera numerosas oportunidades y desafíos científicos, los
cuales al ser resueltos contribuirá en la resolución de problemas como la contaminación, la mejora
de la salud y la calidad de vida.
Agradecimientos
JGV agradece a CONAHCYT por su apoyo a través de su programa Estancias Posdoctorales
por México. VRM y DOCM agradece al Departamento de Investigación en Polímeros y Materiales
por todo el apoyo brindado, JJ y VRM agradecen al PRODEP que permite el fortalecimiento del
Cuerpo Académico Biomoléculas (UNISON-CA-124). DOCM agradece a la Dirección de Apoyo a
Docentes, Investigación y Posgrado por el financiamiento del proyecto USO313008366. Todos los
autores agradecemos a la Universidad de Sonora por el apoyo académico.
Conflicto de interés
Los autores confirman que no existe conflicto de intereses relacionado con la publicación de
este trabajo.
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