Un laboratorio fotónico en un chip

Detectar, analizar y contar el número de partículas o células en una muestra líquida es una técnica habitual tanto en medicina como en el control de materiales o en aplicaciones ambientales. A modo de ejemplo, la contabilización de células T defensivas en sangre es un indicador del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Las técnicas disponibles actualmente para hacer estos análisis se basan en técnicas de contaje automáticas –siendo necesario un equipo de coste muy elevado- o de contaje manual –requiriendo un tiempo de análisis muy largo-.

Un equipo de investigadores del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC, de la Technische Universität Braunschweig (Alemania) y de la Universidad Autónoma de Barcelona han desarrollado un microdispositivo fotónico que permitirá diseñar sistemas portátiles para realizar análisis tanto de células como de partículas suspendidas en un medio.

El chip permite detectar y contar las partículas suprananométricas que hay en un fluido mediante un haz de luz de amplio espectro (luz blanca). Andreu Llobera, investigador del IMB-CNM que ha liderado la investigación explica que al tratarse de un microchip pequeño y económico, se puede plantear el desarrollo de dispositivos portátiles.

El lab on a chip fotónico desarrollado permite aunar las ventajas de la medida automatizada (se necesitan 30 milisegundos para hacer una medida) con el bajo coste. Además, el análisis de productos peligrosos o corrosivos no sería un problema ya que el coste económico del chip hace viable su reemplazo cada vez. Otra ventaja es que no se requiere personal experto para su uso, que es sencillo, preciso y rápido.

‘Espejos de aire' para una alta sensibilidad

El chip en sí es como un pequeño laboratorio fotónico que permite analizar y contar partículas con tamaños de entre valores inferiores al micrómetro y hasta decenas de micrómetros (suprananométricas). Pero es tan pequeño (unos 3 x 2 centímetros) que el primer obstáculo a salvar en su diseño era como conseguir una alta sensibilidad.

La sensibilidad depende de la longitud de interacción entre el haz de luz y el líquido en el cual se incluyen las partículas suprananométricas. A mayor longitud, mayor sensibilidad. Sin embargo, mayor longitud generalmente requiere un mayor tamaño de los sistemas, siendo este punto contrario a la integración y al uso de cantidades de líquido muy pequeñas.

Para superar esto, los investigadores han desarrollado un ingenioso mecanismo. Consiste en la definición de los llamados ‘espejos de aire’ a ambos lados de un canal que tiene forma de zig-zag. Estos espejos tienen la capacidad de reflejar y focalizar el haz incidente. Con su implementación a ambos lados del canal, es posible realizar arquitecturas basadas en reflexión interna múltiple, con lo que se consigue una longitud de camino óptico considerable con un tamaño relativamente pequeño.

Además de los espejos, el chip fotónico incluye microlentes y sistemas de autoposicionamiento de fibras ópticas, por lo que posee un elevado nivel de integración. Para mantener el requerimiento de bajo coste, los científicos han utilizado materiales económicos (polímeros y vidrio como sustrato) y un único paso fotolitográfico en su fabricación.

Un sistema con múltiples aplicaciones

Una mejora adicional en el chip fotónico reside en su método de lectura. Hasta la fecha, la detección y análisis de partículas se realiza a una única longitud de onda (en el visible, un único color). Por el contrario, en este desarrollo se ha acoplado una fuente de luz blanca en la fibra óptica de entrada del chip, mientras que la señal de salida se recoge mediante una fibra óptica idéntica acoplada a un micro-espectrómetro.

En unos experimentos dados a conocer en la revista Analytical Chemistry, los investigadores demostraron que no sólo es posible determinar el número de partículas dentro del canal (una partícula provoca dispersión de la luz, haciendo que ésta no llegue al detector), sino también si dichas partículas absorben algún color de la fuente de luz blanca. Es decir, el lab on a chip fotónico permite no solo contar las partículas suspendidas, sino también su análisis.

Bajo este principio, es posible, por ejemplo, contabilizar células vivas (sin marcar y que no absorben luz pero sí la dispersan), muertas (marcadas y que absorben luz) o una mezcla de ambas, con una precisión superior al método convencional de las celdas de Neubauer y con un tiempo de medida de 30 milisegundos.

Las aplicaciones son muy amplias y van desde los análisis de muestras biológicas (células) hasta el control del estado de materiales (por ejemplo, se detectar la corrosión de un recipiente por el número y morfología de las partículas que se desprenden y quedan en suspensión en el líquido. Incluso podría detectarse cómo responden las células del organismo a un fármaco, o seguir procesos metabólicos, gracias a la posibilidad de tintar específicamente unas células o partes de ellas.