Un laboratori fotònic en un xip

Un equip d'investigadors de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) ha liderat el desenvolupament d'un microdispositiu fotònic per detectar i comptar partícules o cèl·lules amb mides d'entre menys d'un micròmetre fins a desenes de micròmetres. Aquest laboratori fotònic en un xip, ràpid i econòmic, permetrà desenvolupar sistemes portàtils per a l'anàlisi de mostres biològiques, el control de la contaminació ambiental o similars.

 

 

Els investigadors han desenvolupat un enginyós mecanisme. Consisteix en la definició dels anomenats 'miralls d'aire' a banda i banda d'un canal que té forma de ziga-zaga. Aquests miralls tenen la capacitat de reflectir i focalitzar el feix incident.Detectar, analitzar i comptar el nombre de partícules o cèl·lules en una mostra líquida és una tècnica habitual tant en medicina com en el control de materials o en aplicacions ambientals. A tall d'exemple, la comptabilització de cèl·lules T defensives en sang és un indicador de la síndrome d'immunodeficiència adquirida (SIDA). Les tècniques disponibles actualment per fer aquestes anàlisis es basen en tècniques de comptatge automàtiques –en les quals és necessari un equip de cost molt elevat- o de comptatge manual –que requereixen un temps d'anàlisi molt llarg.

Un equip d'investigadors de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC, conjuntament amb investigadors de la Technische Universität Braunschweig (Alemanya) i de la Universitat Autònoma de Barcelona han patentat un microdispositiu fotònic que permetrà dissenyar sistemes portàtils per a realitzar anàlisis tant de cèl·lules com de partícules suspeses en un mitjà. El lab on a chip fotònic desenvolupat permet unir els avantatges de la mesura automatitzada (es necessiten 30 mil·lisegons per fer una mesura) amb el baix cost.

Es tracta d'un xip que permet detectar i comptar les partícules suprananomètriques que hi ha en un fluid mitjançant un feix de llum d'ampli espectre (llum blanca). Andreu Llobera, investigador de l'IMB-CNM que ha liderat la investigació explica que es tracta d'un microxip petit i econòmic, es pot plantejar el desenvolupament de dispositius portàtils.

A més, l'anàlisi de productes perillosos o corrosius no seria un problema ja que el cost econòmic del xip fa viable el seu reemplaçament cada vegada. Un altre avantatge és que no es requereix personal expert per al seu ús, que és senzill, precís i ràpid.

Laboratori fotònic en un xip

El xip en si és com un petit laboratori fotònic que permet analitzar i comptar partícules amb mides d'entre valors inferiors al micròmetre i fins a desenes de micròmetres (suprananomètriques). Però és tan petit (uns 3 x 2 centímetres) que el primer obstacle a salvar en el seu disseny era com aconseguir una alta sensibilitat.

La sensibilitat depèn de la longitud d'interacció entre el feix de llum i el líquid en el qual s'inclouen les partícules suprananométriques. A més longitud, més sensibilitat. Però, més longitud generalment requereix una major grandària dels sistemes, el que dificultaria la integració i l'ús de quantitats de líquid molt petites.

Per superar això, els investigadors han desenvolupat un enginyós mecanisme. Consisteix en la definició dels anomenats 'miralls d'aire' a banda i banda d'un canal que té forma de ziga-zaga. Aquests miralls tenen la capacitat de reflectir i focalitzar el feix incident. Amb la seva implementació a banda i banda del canal, es poden fer arquitectures basades en reflexió interna múltiple, amb la qual cosa s'aconsegueix una longitud de camí òptic considerable amb una mida relativament petit.

A més dels miralls, el xip fotònic inclou microlents i sistemes de autoposicionament de fibres òptiques, de manera que posseeix un elevat nivell d'integració. Per mantenir el requeriment de baix cost, els científics han utilitzat materials econòmics (polímers i vidre com a substrat) i un únic pas fotolitogràfic en la seva fabricació.

Una millora addicional en el xip fotònic resideix en el seu mètode de lectura. Fins avui, la detecció i anàlisi de partícules es realitza a una única longitud d'ona (en el visible, un únic color). Per contra, en aquest desenvolupament s'ha acoblat una font de llum blanca a la fibra òptica d'entrada del xip, mentre que el senyal de sortida es recull mitjançant una fibra òptica idèntica acoblada a un micro-espectròmetre.

En uns experiments donats a conèixer a la revista Analytical Chemistry, els investigadors van demostrar que no només és possible determinar el nombre de partícules dins del canal (una partícula provoca dispersió de la llum, fent que aquesta no arribi al detector), sinó també si aquestes partícules absorbeixen algun color de la font de llum blanca. És a dir, el lab on a chip fotònic permet no només comptar les partícules suspeses, sinó també la seva anàlisi.

Sota aquest principi, és possible, per exemple, comptabilitzar cèl·lules vives (sense marcar i que no absorbeixen llum però sí la dispersen), mortes (marcades i que absorbeixen llum) o una barreja d'ambdues, amb una precisió superior al mètode convencional de les cel de Neubauer i amb un temps de mesura de 30 mil·lisegons.

Les aplicacions són molt àmplies i van des de les anàlisis de mostres biològiques (cèl·lules) fins al control de l'estat de materials (per exemple, es detectar la corrosió d'un recipient pel nombre i morfologia de les partícules que es desprenen i queden en suspensió en el líquid. Fins i tot podria detectar com responen les cèl·lules de l'organisme a un fàrmac, o seguir processos metabòlics, gràcies a la possibilitat de tenyir específicament unes cèl·lules o parts d'elles.