Laboratorio en un chip miniaturizado para el análisis químico de líquidos en tiempo real
Un chip del tamaño de un dedo sustituye a los voluminosos equipos de laboratorio: Las aplicaciones posibles son muy diversas
En la Universidad Técnica de Viena se ha desarrollado un sensor de infrarrojos que analiza el contenido de los líquidos en fracciones de segundo.
Chip sensor montado en una placa de aluminio
TU Wien / Hurnaus
En la química analítica, a menudo es necesario controlar con precisión el cambio de concentración de ciertas sustancias en los líquidos en una escala de tiempo de segundos. Especialmente en la industria farmacéutica, estas mediciones deben ser extremadamente sensibles y fiables.
En la Universidad Técnica de Viena se ha desarrollado un nuevo tipo de sensor que es muy adecuado para esta tarea y que combina varias ventajas importantes de una manera única: basado en la tecnología de infrarrojos personalizada, es significativamente más sensible que los dispositivos estándar anteriores. Además, puede utilizarse para una amplia gama de concentraciones de moléculas y puede funcionar directamente en el líquido. Esto es consecuencia de su robustez química y, por tanto, proporciona datos en tiempo real, es decir, en fracciones de segundo. Estos resultados se han publicado ahora en la revista científica "Nature Communications".
Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda
"Para medir la concentración de las moléculas, utilizamos la radiación en el rango espectral del infrarrojo medio", explica Borislav Hinkov, director del proyecto de investigación del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. Se trata de una técnica bien conocida: las moléculas absorben longitudes de onda específicas en el rango del infrarrojo medio, mientras que otras longitudes de onda se transmiten sin atenuación. Así, las distintas moléculas tienen su "huella digital infrarroja" muy específica. Midiendo con precisión el perfil de intensidad de absorción dependiente de la longitud de onda, es posible determinar la concentración de una molécula concreta en la muestra en un momento dado.
La espectroscopia de infrarrojos se ha utilizado de forma rutinaria en la detección de gases durante mucho tiempo. El nuevo logro del equipo de la Universidad Técnica de Viena es la implementación de esta tecnología en un chip sensor del tamaño de la yema del dedo, que es específicamente adecuado para la detección de líquidos. El desarrollo de un sensor de este tipo supuso un reto tanto tecnológico como analítico, ya que los líquidos absorben la radiación infrarroja con mucha más fuerza que los gases. El sensor de líquidos compacto se realizó en colaboración con Benedikt Schwarz, del Instituto de Electrónica de Estado Sólido, y se fabricó en el Centro de Micro y Nanoestructuras, la sala blanca más moderna de la Universidad Técnica de Viena.
"Sólo necesitamos unos pocos microlitros de líquido para una medición", dice Borislav Hinkov. "Y el sensor proporciona datos en tiempo real, muchas veces por segundo. Así, podemos controlar con precisión un cambio de concentración en tiempo real y medir la fase actual de una reacción química en el vaso de precipitados". Esto contrasta fuertemente con otras tecnologías de referencia, en las que hay que tomar una muestra, analizarla y esperar hasta minutos para obtener el resultado."
La colaboración entre distintas disciplinas es la clave
Esto ha sido posible gracias a la colaboración entre los departamentos de ingeniería eléctrica y química de la Universidad de Viena: el Instituto de Electrónica de Estado Sólido tiene una amplia experiencia en el diseño y la fabricación de los llamados láseres y detectores de cascada cuántica. Se trata de diminutos dispositivos basados en semiconductores que pueden emitir o detectar radiación láser infrarroja con una longitud de onda definida con precisión en función de su micro y nanoestructura.
La radiación infrarroja emitida por un láser de este tipo penetra en el líquido a escala de micrómetros de longitud y luego es medida por el detector en el mismo chip. Utilizando estos láseres y detectores ultracompactos especialmente combinados, se ha realizado un dispositivo sensor y se ha comprobado su rendimiento en las primeras mediciones de prueba de concepto. El trabajo se realizó en colaboración con el grupo de Bernhard Lendl del Instituto de Tecnologías Químicas y Analíticas.
Demostración experimental: una proteína cambia su estructura
Para demostrar el rendimiento del novedoso sensor de infrarrojo medio, se seleccionó una reacción de la bioquímica: se calentó una proteína modelo conocida, cambiando así su estructura geométrica. Inicialmente, la proteína tiene la forma de una espiral en forma de hélice, pero a temperaturas más altas se despliega en una estructura plana. Este cambio geométrico también modifica el espectro de absorción de la proteína en el infrarrojo medio. "Seleccionamos dos longitudes de onda adecuadas y fabricamos sensores adecuados basados en cascadas cuánticas, que integramos en un único chip", explica Borislav Hinkov. "Y efectivamente, resulta: se puede utilizar este sensor para observar la llamada desnaturalización de la proteína modelo seleccionada con alta sensibilidad y en tiempo real".
La tecnología es extremadamente flexible. Es posible ajustar las longitudes de onda necesarias según las necesidades para estudiar diferentes moléculas. También es posible añadir más sensores de cascada cuántica en el mismo chip para medir diferentes longitudes de onda y así distinguir la concentración de diferentes moléculas simultáneamente. "Esto abre un nuevo campo en la química analítica: La espectroscopia del infrarrojo medio en tiempo real de los líquidos", afirma Borislav Hinkov. Las aplicaciones posibles son muy diversas: van desde la observación de los cambios estructurales inducidos térmicamente en las proteínas y de cambios estructurales similares en otras moléculas, hasta el análisis en tiempo real de las reacciones químicas, por ejemplo en la producción de medicamentos o en los procesos de fabricación industrial. Siempre que sea necesario controlar la dinámica de las reacciones químicas en los líquidos, esta nueva técnica puede aportar importantes ventajas.
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Publicación original
Hinkov, B., Pilat, F., Lux, L. et al. A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reaction monitoring. Nat Commun 13, 4753 (2022)
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