optofluidos

Fecha: 01 de Mayo de 2019

Edición: Mayo 2019 No. 19

Sergio Calixto | Hacemos ciencia para ti | Visto 11698 veces

Para estudiar las características de los líquidos o fluidos se utilizan instrumentos donde se pueden almacenar o hacer fluir estos líquidos. Normalmente en un laboratorio estos instrumentos contienen mangueras y/o recipientes con dimensiones del orden de centímetros. Las necesidades actuales en investigación y análisis clínicos, por ejemplo, han demandado instrumentos más pequeños por donde fluyen los líquidos en canales que tienen un ancho de 0.1 mm o 100 micras. Como referencia un cabello humano tiene un diámetro de unas 120 micras dependiendo del individuo. Debido a esto se ha creado la disciplina llamada microfluídica donde se manipulan pequeñas cantidades de fluidos en canales estrechos.

Por otro lado, en la óptica normalmente se usan elementos ópticos con dimensiones de centímetros. Los instrumentos pueden contener prismas, lentes, espejos, polarizadores, divisores de haz, guías de ondas y demás elementos. De igual forma las necesidades han demandado la fabricación de elementos ópticos pequeños con dimensiones de unos cientos de micras hasta unos milímetros. A este campo se le llama la microóptica.

Para el estudio de fluidos se utilizan termómetros, medidores de flujo y demás dispositivos. Sin embargo, en la última década se ha estado utilizando la luz para la caracterización de fluidos. Por esta razón se desarrolló un campo nuevo que comprende los microfluidos y la microóptica y se le llama el campo de los Optofluidos [1,2], que significa el estudio de los fluidos confinados en canales pequeños. Las cantidades utilizadas en optofluídica están en un rango de microlitros a picolitros. En este artículo se presenta una somera descripción del campo de los Optofluidos.

Los procesos típicos de los circuitos optofluídicos comprenden: a) preparación de la muestra, b) inyección, c) clasificación o separación, d) reacción y e) detección. Todos estos procesos se desarrollan en una tableta de unos centímetros de longitud. Por eso en algunas ocasiones se le llama Lab-on-a-Chip (Laboratorio en una tableta). La precisión obtenida es alta comparada con la que se obtiene con métodos tradicionales. Como el método utiliza luz la técnica es no invasiva y de alta precisión. Además, la detección con luz minimiza las perturbaciones mecánicas al flujo. Esta técnica puede manejar entre otros elementos el DNA, células, virus, tejidos y reactivos químicos.

En la preparación de la muestra podemos incluir su filtración, purificación y preconcentración. La filtración separa los analitos de interés y remueve las componentes innecesarias de la muestra. Se puede usar por ejemplo el ultrasonido.

Para la introducción o inyección de la muestra en los microcanales se usan bombas o microbombas que pueden actuar a través de procesos mecánicos (como los piezoeléctricos), neumáticos y eléctricos o magnéticos. También pueden comprender las bombas no mecánicas como las basadas en electroósmosis, electromojado, calentamiento u ópticas.

Para la clasificación o separación de la muestra en los circuitos optifluídicos se pueden tener válvulas o microválvulas que regulan el flujo en los canales al abrir o cerrar los canales microfluídicos para controlar la razón de flujo, dirección, o volumen, así como mezclar diferentes líquidos. Para actuar las válvulas mecánicamente se pueden usar fuerzas externas como las magnéticas, eléctricas, piezoeléctricas o térmicas.

En lo que respecta a las mezcladoras pueden ser pasivas o activas. Estas últimas pueden ser actuadas por elementos piezoeléctricos, electrodinámicos o magnetohidráulicos.

El proceso de detección y análisis contempla la detección por luz y es la más utilizada. Podemos mencionar por ejemplo la detección con luz ultravioleta o visible (UV/vis) por espectroscopia de absorción en donde el pico de absorción del espectro determina la composición o concentración de la muestra. También se tiene la detección por fluorescencia que muestra alta sensitividad. En esta técnica las moléculas son excitadas con luz de una longitud de onda o color. Estas moléculas fluorescen o emiten luz que es detectada por los sensores. Antes del detector hay filtros de luz que bloquean la luz de excitación para incrementar el parámetro de señal-a-ruido. Hay otra técnica que es la quimioluminiscencia que no requiere de una fuente de luz para trabajar.

Entre los métodos que usan estas técnicas optofluídicas está la citometría de flujo que es una manera de medir algunas características de las células, incluyendo su tipo y tamaño, la presencia de DNA y RNA y sus proteínas.

Elementos básicos optofluídicos

El desarrollo de elementos optofluídicos que forman un dispositivo es muy variado. A continuación, exponemos solo algunos elementos sencillos ya que el espacio para este artículo es limitado. Para mayor información el lector puede consultar las referencias [1].

Un elemento fundamental que contempla el uso de líquidos es la lente. Esta puede cambiar su distancia focal y por lo tanto las dimensiones de la imagen formada por ella o enfocar en mayor o menor grado un haz de luz. La lente puede estar construida en uno de sus extremos por una superficie plana de vidrio y otra fabricada con una membrana delgada flexible. Estas superficies, junto con un anillo que las sostiene, formaran una cavidad cilíndrica. A través de orificios en el anillo se puede introducir algún líquido en la cavidad y, si aplicamos una presión, la membrana se deformará formando una superficie que es parte de una esfera. La membrana se puede arquear hacia afuera o hacia adentro al aplicar presión positiva o negativa, produciendo una estructura convexa o cóncava. A este proceso en el cual se cambia la distancia focal de la lente se le llama “sintonización”. Cuando la luz pasa a través de la membrana se formará una imagen o se enfocará la luz. Cuanto mayor es la presión más se deformará la membrana y la distancia focal de la lente será menor. La variación de la presión se puede hacer con una bomba externa y un regulador de presión o con una bomba interna. En este último caso, se puede usar una bomba electromagnética para controlar la deformación de la membrana. Otra forma de cambiar la distancia focal de la lente será poner una membrana con perfil esférico y cambiar los líquidos por otros que muestren diferentes índices de refracción.

Otro tipo de lente sintonizable opera bajo la manipulación de la interfase entre dos líquidos inmiscibles (agua-aceite, por ejemplo). En este caso la membrana ya no es necesaria para contener los fluidos. A escala microscópica, el comportamiento de la interface entre los fluidos inmiscibles es dominada por tensión interfacial, y por lo tanto su forma es cercana a una superficie esférica. Cuando se usan dos líquidos con diferentes índices de refracción, la luz puede ser desviada y llevada al punto focal cuando pasa por la interfase de los fluidos. Hay varios mecanismos que han sido desarrollados para cambiar la distancia focal de la lente. Entre estos mecanismos el más popular es el de electromojado. En este método se modifica la propiedad de mojado de superficies hidrofóbicas al aplicar un campo eléctrico. Bajo este principio se han desarrollado lentes comerciales que ahora son utilizadas en los teléfonos celulares [3]. Son lentes que no tienen elementos ópticos que se mueven entre sí. Solo se modifica la curvatura de la superficie mediante campos eléctricos. Bajo este mismo principio de electromojado se han construido espejos usando mercurio como líquido y microprismas usando una solución salina.

Otro elemento optofluídico es un prisma hueco. Este es fabricado en silicona. El tamaño de los prismas puede ser tan chico como milímetros o fracciones de ellos. Cuando la luz lo atraviesa esta mostrará una desviación angular que será función del índice de refracción del líquido dentro del prisma.

MIcroscopio Optofluídico.

Microscopio Optofluídico [4]

Un instrumento optofluídico más sofisticado es el microscopio optofluídico que trabaja sin lentes. Ahora en este artículo solo se presentan brevemente sus partes y funcionamiento básico. El lector podrá tener más información consultando la referencia. Las componentes de este microscopio son las siguientes. Se comenzará a describir el microscopio por la parte superior donde hay una fuente de luz blanca. Después de ella hay un canal hecho de silicona de 30 micras de ancho, 15 micras de alto y algunos milímetros de largo. Por este canal pasarán los microorganismos, inmersos en algún líquido, que se estudiarán. En la referencia consultada se usaron microorganismos Caenorhalbditis Elegans (C. Elegans) en su estado larvario con una longitud de unas 350 micras. Debajo deeste canal hay una plantilla de aluminio de unos 90 nanómetros de espesor. En la plantilla hay una sucesión de agujeros de 600 nm de diámetro separados 5 micras entre sí. Ellos no están alineados sino que están desplazados 300 nm uno con respecto al otro. Debajo de la plantilla hay un detector CCD que es una matriz de “n X n” sensores separados 5 micras. A medida que va pasando la C. elegans va modificando la transmisión de la luz que es medida por cada sensor del CCD. Estos valores de intensidad son almacenados en una computadora. Se puede arreglar esta información de tal forma que se muestre una imagen. Con este método no se necesitan lentes para formar una imagen como con el microscopio común. Si por el canal se hace fluir un líquido que contenga larvas se pueden obtener imágenes de unas 40 C. elegans por minuto. El límite de resolución del microscopio optofluídico es de 490 nanómetros, un poco menor que el de un microscopio normal con objetivo de 40 X. Si se desea tener una resolución más alta se deben usar agujeros en la plantilla de menor diámetro. Es de hacer notar que el microscopio optofluídico tiene un tamaño comparable al de una moneda. Contrasta con un microscopio normal que tiene dimensiones de decenas de centímetros.

Lentes intraoculares

A través de millones de años los ojos de los seres vivos han evolucionado en diseños ópticos altamente eficaces que en muchas áreas críticas son superiores a los dispositivos fabricados por el ser humano. Las lentes fluídicas representan un paso adelante hacia los bio-sistemas formadores de imágenes. Es interesante preguntarse porque la naturaleza ha seleccionado las lentes que pueden variar la curvatura de sus superficies para la acomodación de la visión, en vez de que se varié la distancia entre ellas y la retina. Se entiende por “acomodación” a la acción que desarrolla el ojo cuando enfoca un objeto lejano después de enfocar un objeto cercano o viceversa. El concepto de cambiar la distancia focal al cambiar la distancia entre las lentes de un sistema óptico ha sido usado por casi todos los sistemas diseñados por humanos.

El cristalino de los ojos humanos es transparente con forma de lente que puede ser sintonizada. La lente puede cambiar la curvatura de sus superficies mediante los músculos ciliares. La acomodación, que es la habilidad de enfocar objetos lejanos o cercanos, es posible gracias a que el cristalino cambia su forma. Cuando un paciente tiene catarata su cristalino se vuelve opaco y finalmente obstruye la transmisión de la luz. El tratamiento más frecuente es remover la lente de su bolsa capsular y reemplazarlo con una lente sintética llamada lente intraocular. Si bien los pacientes vuelven a mostrar buena visión después de la operación, pierden su capacidad de acomodación. Se han hecho esfuerzos para restituir la acomodación en la visión humana. Estos esfuerzos tienen métodos en los cuales se mueve axialmente el cristalino. Este sistema o mecanismo es menos eficiente que el mostrado por los seres vivos donde se deforma la lente por los músculos ciliares. Los resultados obtenidos son malos ya que han dado acomodaciones de solo 2 dioptrías mientras que el ojo de los adultos tiene una acomodación de 7 dioptrías. Esto demuestra que el movimiento axial es inferior o menos eficiente que el de cambiar la forma de la lente. Las investigaciones para colocar una lente intraocular fluídica han seguido desarrollándose. Se hizo un experimento para evaluar el desempeño de una lente intraocular fluídica. Se fabricó un modelo de ojo humano que tenía una lente intraocular plano convexa. Cuando se cambió la curvatura de la lente se obtuvo una imagen buena. Se obtuvo una acomodación de 8 dioptrías. Este ojo artificial mostró una agudeza visual de 20/20 o mejor. Además, con el estudio se concluyó que los mismos músculos ciliares pueden producir una fuerza suficiente de 0.08 N para accionar la lente optofluídica. En un futuro se espera mejorar estas lentes intraoculares fluídicas mediante el desarrollo de nuevos materiales y así existirá la promesa de restaurar la agudeza visual y rango de acomodación de la visión y porque no, tener una visión superhumana.

En las últimas décadas se han utilizado dispositivos optofluídicos en un amplio rango de aplicaciones como en análisis químicos e investigación biológica y biomédica [5, 6]. Ejemplos específicos incluyen detección de analitos para diagnósticos clínicos, plataformas para secuencia genómica, estudios químicos para descubrimiento o desarrollo de drogas, estudios forenses, pruebas del medio ambiente, síntesis química, para estudio de biología celular, e ingeniería de tejidos por mencionar solo algunas aplicaciones.

En el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) se han desarrollado microelementos ópticos y optofluídicos. Ambos se han utilizado para proponer prototipos de refractómetros, higrómetros, espectroscopios, escáneres, medidores de presión, temperatura, concentraciones en soluciones, pH y otros. En lo que respecta a refractómetros han tenido como base tubos capilares, rejillas de difracción sólidas, y lentes y rejillas de difracción sintonizables. Los espectroscopios y escáneres se han desarrollado teniendo fundamentalmente microlentes y microprismas sintonizables. Los medidores de presión usan microlentes sintonizables que forman imágenes que son estudiadas por computadora. Los medidores de temperatura tienen prismas sintonizables y están basados en el cambio de índice de refracción con la temperatura, los medidores de concentración de solutos tienen como base la polarización de la luz. Los higrómetros tienen como elementos sensores capas delgadas de biopolímeros de unas decenas de micras de grosor. Algunas de estas capas pueden ser también utilizadas para medir pH.

Referencias
1. Aaron R. Hawkins, Holger Schmidt, Eds., 2010, “Handbook of Optofluidics,” CRC Press.
2. C. Monat, P. Domachuk, and B.J. Eggleton, 2007, “Integrated optofluidics: A new river of light,” Nature Photonics 1:106-114.
3. www.varioptic.com
4. X. Heng, D. Erickson, I. Ryan Baugh, Z. Yaqooh, P.W. Sternberg, D. Psaltis and C. Yang, “Optofluidic microscopy – a method for implementing a high resolution optical microscope on a chip,” Lab on a chip, 2006, 6, 1274 – 1276.
5. Journal, Lab on a chip, devices and applications at the micro and nanoscale, Royal society of chemistry.
6. Journal, Microfluidics and nanofluidics, Springer