domingo, 3 de enero de 2010

TECNOLOGIA MEMS COMO HERRAMIENTA EN LA INOCUIDAD DE ALIMENTOS

Akira Torreblanca Ponce,  Gabriela Gallardo Gómez, Nicolás Ortega Miranda, Dr. Rafael Vargas Bernal


RESUMEN

Los dispositivos micro-electro-mecánicos (MEMS) son un portafolio de técnicas y procesos para diseñar y crear sistemas en miniatura; permiten el procesamiento de especimenes, reacciones bioquímicas, y la detección del producto resultante en un formato de flujo, con un control electrónico de diversos componentes tales como bombas termo-neumáticas, micro-calentadores y sensores de temperatura, detectores de fluorescencia miniaturizados, concentradores de muestra y sustancias químicas de proceso, y filtros, en escalas donde el ojo humano se limita, “la micro escala”. La literatura mundial sobre micro-cromatógrafos basados en MEMS se concreta exclusivamente a dos grupos de investigadores comandados por: 1) Dr. Edgard S. Kolesar de la Texas Christian University y 2) Dr. Richard D. Sacks de la University de Michigan. Existen otros trabajos sobre cromatografía pero estos son todavía equipos a macro escala. La miniaturización de instrumentación analítica está recibiendo atención considerable como un medio para reducir los costos de análisis y de instrumentación y para el desarrollo de aplicaciones novedosas, las cuales se benefician del tamaño de instrumentos pequeños [1-4]. El objetivo de este proyecto es desarrollar sistemas de sensado para la detección  de plaguicidas  en el pimiento morrón de exportación cultivado en invernadero por productores del estado de Guanajuato.

INTRODUCCION

Los productos agrícolas en México representan cerca del 6% del total de las exportaciones.
 En 2003 los productos agrícolas registraron exportaciones por más de 9 mil millones de dólares, de los cuales el 30% correspondió a frutas y hortalizas (ver Tabla 1).
El pimiento dulce se cultiva principalmente en el estado de Sinaloa, en donde se produce en campo abierto en suelo arenoso con acolchados de plástico y con sistemas de riego por goteo. Las diferentes condiciones ambientales, formas de explotación, tipos y variedades en cultivo, ofrecen una diversidad de oportunidades a un buen número de plagas, enfermedades y fisiopatías que pueden ocasionar mermas importantes en calidad y rendimiento de cosecha.

Las nuevas tecnologías de invernadero permiten la producción de estos pimientos en la mayoría de climas fríos-cálidos del México central. Estas nuevas instalaciones de producción de pimiento de invernadero están localizadas en Guanajuato, Jalisco, San Luis Potosí y la península de Yucatán, en donde los rendimientos y la calidad son supremos.

 El producto deberá producirse y manipularse de acuerdo con lo establecido en los Lineamientos para la Certificación de Buenas Prácticas Agrícolas y Buenas Prácticas de Manejo en los Procesos de Producción de Frutas y Hortalizas para Consumo Humano en Fresco, publicados por el Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad Agroalimentaria (SENASICA).

Tabla 2. Exportación de pimiento Mexicano a Estados Unidos en 2004.
Producción (ton) Ganancia (dólares)  1000
363,192 toneladas (todos los tipos).
180,366 toneladas (pimiento dulce) 462, 985, 000

La lucha contra las plagas del pimiento por métodos biológicos cuenta con un amplio espectro de depredadores y parásitos, así como de microorganismos patógenos, que atacan o viven a expensas de algunas de ellas. La utilización de estas especies auxiliares contribuye a mantener un equilibrio natural del que se beneficia el cultivo y el medio ambiente, al poderse reducir la intensidad de los tratamientos con pesticidas químicos.

En la lucha química se recomiendan los tratamientos con organofosforados (clorpirifos, fenitrotión, triclorfón, etc.), piretroides (cipermetrín, ciflutrín, deltametrín, etc.) y carbamatos (acefato, metomilo
Los plaguicidas organofosforados constituyen un amplísimo grupo de compuestos de síntesis, en general altamente tóxicos, con un precedente en los gases de guerra, a menudo conocidos bajo el apelativo de ‘gases nerviosos’, entre los que se encuentran el sarin, tabun y soman, y que se desarrollaron de manera especial a partir de la Segunda Guerra Mundial.

La acetilcolinesterasa, además de encontrarse en los glóbulos rojos, donde no se le conoce acción fisiológica, regula la transmisión de los impulsos nerviosos en las terminaciones colinérgicas (por hidrólisis de la acetilcolina, que actúa como neurotransmisor, una vez ha alcanzado su destino) de las neuronas preganglionares del sistema simpático y parasimpático (receptores nicotínicos), de las postsinápticas del sistema parasimpático (receptores muscarínicos), de una parte importante de las sinapsis existentes entre neuronas del propio SNC, y de las terminaciones motoras en los músculos estriados (voluntarios), en las uniones neuromusculares, también con receptores nicotínicos.

Los sistemas micro-electromecánicos (MEMS) son la integración de elementos mecánicos, electrónicos, sensores, actuadores sobre un sustrato como el silicio a través de la tecnología de microfabricación. Mientas los sistemas electrónicos son fabricados usando circuitos integrados, los componentes micromecánicos son fabricados usando micro-máquinas compatibles.

Los mems prometen revolucionar cada producto, ya que junto con el silicio, ésta tecnología hará posible la realización de lab-on chip completos. Los circuitos microlectrónicos integrados pueden ser los “cerebros” de un sistemas y los MEMS aumentan la capacidad de los ojos, brazos lo que permite a los microsistemas sensar y controlar el ambiente.

Los sensores capturan información del ambiente a través de la medición de fenómenos mecánicos, químicos, térmicos, biológicos, ópticos y magnéticos.  Los componentes electrónicos posteriormente procesan la información derivada de los sensores y mediante una decisión los actuadores regulan, bombean, filtran, etc. con el fin de controlar el ambiente y llegar al propósito final.

Hay numerosas aplicaciones posibles para los MEMS. Como tecnología disruptiva que es, permite una incomparable sinergia entre campos previamente no relacionados, como la biología y la microelectrónica. Muchas nuevas aplicaciones emergerán expandiendo el campo de lo que actualmente conocemos, pero actualmente las aplicaciones mas importantes son:
Biotecnología:

La tecnología MEMS está permitiendo realizar nuevos descubrimientos en la ciencia y en la ingeniería, tal como lo están haciendo los microsistemas de amplificación e identificación de ADN a través de la Reacción de la Cadena de la Polimerasa (PCR),  los Microscopios de Tunel de Barrido micromaquinados (STMs), los biochips para la detección de agentes químicos y biológicos peligrosos y microsistemas de alto rendimiento para la detección y selección de fármacos.

Comunicaciones:

Los circuitos de Alta Frecuencia se beneficiarán considerablemente del advenimiento de la tecnología RF-MEMS. Los componentes eléctricos tales como inductores y capacitores sintonizables podrán ser mejorados significativamente en sus rendimientos comparados con sus contrapartes integradas. Con la incorporación de estos componentes el rendimiento de los circuitos de comunicaciones mejorará, mientras que el área total del circuito, el consumo de poder y el costo, se reducirán. Adicionalmente los interruptores mecánicos son un componente clave con un gran potencial en varios circuitos de microondas. La muestras exhibidas de interruptores mecánicos tienen factores de calidad mucho mas altos que cualesquiera previamente disponibles. La confiabilidad y el empaque de los componentes RF-MEMS son los dos puntos críticos que necesitan resolverse antes de poder penetrar los mercados masivos.

OBJETIVO:

   El objetivo de este proyecto es desarrollar sistemas de sensado para la detección  de plaguicidas  en el pimiento morrón de exportación cultivado en invernadero por productores del estado de Guanajuato.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

   Diseñar un biosensor  (análisis cualitativo) basado en MEMS que pueda ser usado para determinar los insecticidas presentes en el pimiento que pudieran afectar la entrada del producto a mercado  estadounidense por no cumplir con las normas de sanidad.


MATERIALES Y METODOS

Se realizará mediante ensayos enzimáticos y la presencia o ausencia del organofosforado será por una conversión a señal eléctrica.  Actualmente se está realizando el proceso de diseño del sistema electro mecánico, para su posterior simulación. Una vez realizado el diseño se realiza la caracterización del mismo, si las pruebas de caracterización son satisfactorias se procede a su fabricación, encapsulado y posterior comercialización.

RESULTADOS ESPERADOS

Desde el punto de vista científico, el desarrollo de BioMEMS y Sistemas de Micro-Fluidos permite a los tecnólogos comprender otros fenómenos experimentados con el tratamiento de muestras biológicas en cantidades miniatura de materia, identificar los mecanismos de falla posibles en este tipo de dispositivos ya sea por atascos, reacciones químicas presentadas, ineficiencias en el manejo de los tipos de energía involucrados, velocidades reales de procesamiento alcanzado, dimensiones más adecuadas para manipular la materia orgánica, los mejores métodos para identificar cada una de las sustancias deseadas, los mejores procesos de fabricación de BioMEMS y Sistemas de Micro-Fluidos,

CONCLUSIONES

Hay mucha factibilidad en poder desarrollar tecnología que impacte a la sociedad Mexicana y la tecnología MEMS pudiera aportar mucho con su desarrollo tecnológico.

La difusión del uso de los BioMEMS y Sistemas de Micro-Fluidos dentro de la comunidad universitaria y empresarial  (por ejemplo en la expo-agroalimentaria realizada en Irapuato, Gto.) en definitiva proporcionará una valiosa herramienta de apoyo económico y académico fundamental para el desarrollo del país.

El diseño de este tipo de biosensores permitirá a México poder desarrollar infraestructura para determinar insecticidas no sólo en pimientos sino en una gran variedad de productos agrícolas, no sólo en el área de investigación sino en el campo, que es en donde en realidad tendría mayor beneficio.

La formación de recursos humanos en este sector es importante no sólo por la necesidad de expertos sino también por la suma de capacidades científicas y tecnológicas que surge con los cuerpos académicos

Desde el punto de vista científico, el desarrollo de BioMEMS y Sistemas de Micro-Fluidos permite a los tecnólogos comprender otros fenómenos experimentados con el tratamiento de muestras biológicas en cantidades miniatura de materia



RECOMENDACIONES

Desde el punto de vista económico, el desarrollo de este tipo de microsistemas reducirá pérdidas a los productores de alimentos, a los procesadores de alimentos y al consumidor final. Esto indudablemente incrementará los precios de los alimentos pero vale la pena pagar un poco más por un alimento que pueda reducir el riesgo de enfermedades originadas por el consumo de alimentos en putrefacción y pueda dar mayor calidad en el alimento consumido desde su textura, sabor, color, etc.




BIBLIOGRAFIA

1. Scott Broyles, Stephen C. Jacobson, y J. Michael Ramsey, “Sample Filtration, Concentration, and Separation Integrated on Microfluidic Devices”, Analytical Chemistry, Vol. 75, No. 11, pp. 2761-2767, June 1, 2003.
 2. Elisabeth Verpoorte, and Nico F. De Rooij, “Microfluidics Meets MEMS”, Proceedings of the IEEE, Vol. 91, No. 6, pp. 930-953, June 2003.
 3.  D. Jed Harrison, Andreas Manz, Zhonghui Fan, Hans Lüdi, and H. Michael Widmer, “Capillary Electrophoresis and Sample Injection Systems Integrated on a Planar Glass Chip”, Analytical Chemistry, Vol. 64, No. 17, pp. 1926-1932, September 1, 1992.
 4.  Steven Locke, and Daniel Figeys, “Techniques for the Optimization of Proteomic Strategies based on Head Column Stacking Capillary Electrophoresis”, Analytical Chemistry, Vol. 72, No. 13, pp. 2684-2689, July 1, 2000.

Fuente: http://www.cio.mx/3_enc_mujer/files/extensos/Sesion%201/S1-ING03.doc

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