Los investigadores reducen drásticamente la tecnología para la toma de huellas dactilares de drogas y otros productos químicos

Un pequeño chip fotónico podría caber cómodamente en la punta de un dedo

01.09.2020 - Estados Unidos

A medida que surgen y se extienden nuevas enfermedades infecciosas, una de las mejores inyecciones contra los nuevos patógenos es encontrar nuevos medicamentos o vacunas. Pero antes de que los medicamentos puedan ser utilizados como curas potenciales, tienen que ser examinados minuciosamente en cuanto a su composición, seguridad y pureza, entre otras cosas. Por lo tanto, hay una creciente demanda de tecnologías que puedan caracterizar los compuestos químicos rápidamente y en tiempo real.

Para hacer frente a esta necesidad insatisfecha, los investigadores de la Universidad de Texas A&M han inventado ahora una nueva tecnología que puede reducir drásticamente el tamaño del aparato utilizado para la espectroscopia Raman, una técnica bien conocida que utiliza la luz para identificar la composición molecular de los compuestos.

"Los aparatos de mesa de trabajo Raman pueden tener hasta un metro de longitud dependiendo del nivel de resolución espectroscópica necesario", dijo el Dr. Pao-Tai Lin, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. "Hemos diseñado un sistema que puede potencialmente reemplazar estas voluminosas mesas de trabajo con un pequeño chip fotónico que puede caber en la punta de un dedo".

Además, Lin dijo que su innovador dispositivo fotónico también es capaz de realizar una caracterización química de alto rendimiento y en tiempo real y que, a pesar de su tamaño, es al menos 10 veces más sensible que los sistemas convencionales de espectroscopia Raman de mesa.

La base de la espectroscopia Raman es la dispersión de la luz por las moléculas. Cuando son golpeadas por la luz de una cierta frecuencia, las moléculas realizan una danza, girando y vibrando al absorber la energía del rayo incidente. Cuando pierden su exceso de energía, las moléculas emiten una luz de menor energía, que es característica de su forma y tamaño. Esta luz dispersa, conocida como el espectro Raman, contiene las huellas de las moléculas dentro de una muestra.

Las mesas de trabajo típicas para la espectroscopia Raman contienen un surtido de instrumentos ópticos, incluidas lentes y rejillas, para manipular la luz. Estos componentes ópticos de "espacio libre" ocupan mucho espacio y constituyen una barrera para muchas aplicaciones en las que se requiere la detección química en espacios minúsculos o lugares de difícil acceso. Además, las mesas de trabajo pueden resultar prohibitivas para la caracterización química en tiempo real.

Como alternativa a los sistemas tradicionales de mesa de laboratorio, Lin y su equipo recurrieron a conductos tubulares, llamados guías de ondas, que pueden transportar la luz con muy poca pérdida de energía. Aunque se pueden utilizar muchos materiales para hacer guías de ondas ultrafinas, los investigadores eligieron un material llamado nitruro de aluminio, ya que produce una señal de fondo Raman baja y es menos probable que interfiera con la señal Raman procedente de una muestra de prueba de interés.

Para crear la guía de onda óptica, los investigadores emplearon una técnica utilizada por la industria para dibujar patrones de circuitos en obleas de silicio. Primero, usando luz ultravioleta, hicieron girar un material sensible a la luz, llamado NR9, sobre una superficie hecha de sílice. Luego, usando moléculas de gas ionizado, bombardearon y recubrieron el nitruro de aluminio a lo largo del patrón formado por el NR9. Finalmente, lavaron el conjunto con acetona, dejando atrás una guía de onda de aluminio de sólo decenas de micrones de diámetro.

Para probar la guía de onda óptica como un sensor Raman, el equipo de investigación transportó un rayo láser a través de la guía de onda de nitruro de aluminio e iluminó una muestra de prueba que contenía una mezcla de moléculas orgánicas. Al examinar la luz dispersa, los investigadores encontraron que podían discernir cada tipo de molécula dentro de la muestra basándose en los espectros Raman y con una sensibilidad de al menos 10 veces más que las tradicionales mesas Raman.

Lin señaló que como sus guías de ondas ópticas tienen un ancho muy fino, muchas de ellas pueden ser cargadas en un solo chip fotónico. Esta arquitectura, dijo, es muy propicia para la detección química de alto rendimiento y en tiempo real necesaria para el desarrollo de drogas.

"Nuestro diseño de guía de ondas ópticas proporciona una novedosa plataforma para monitorear la composición química de los compuestos de manera rápida, confiable y continua. Además, estas guías de onda pueden fabricarse fácilmente a escala industrial aprovechando las técnicas ya existentes para fabricar dispositivos semiconductores", dijo Lin. "Esta tecnología, creemos, tiene un beneficio directo no sólo para las industrias farmacéuticas sino también para otras industrias, como la del petróleo, donde nuestros sensores pueden ser colocados a lo largo de tuberías subterráneas para monitorear la composición de los hidrocarburos".

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