Sensores ultrasensibles en un chip para detectar oligogases con precisión
Los sensores de gas de gama alta convencionales son caros y de gran tamaño y, por lo general, tienen un tubo de vidrio como componente principal, con un volumen de 100 microlitros. Sin embargo, los sensores más pequeños pueden ser poco fiables si no utilizan la espectroscopia para detectar moléculas de gas específicas. «Nuestro objetivo era desarrollar un sensor ultrasensible de oligogases capaz de detectar el más mínimo rastro de moléculas dispersas en el aire», explica la coordinadora del proyecto, Jana Jágerská, profesora titular en la Universidad de Tromsø - Universidad Ártica de Noruega(se abrirá en una nueva ventana), en Tromsø. «Los sensores convencionales no suelen ser lo bastante específicos para las aplicaciones ambientales, ya que presentan deriva de calibración y otros problemas», observa Jágerská. En el proyecto sCENT(se abrirá en una nueva ventana) se prescinde del voluminoso tubo de gas, el cual se sustituye por un microchip combinado con una célula microfluídica en miniatura de apenas 20 microlitros. El proyecto sCENT se llevó a cabo con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana). La célula microfluídica superior lleva la muestra de gas a la superficie del chip para su detección. «La muestra puede tener un volumen tan pequeño como un microlitro», explica Jágerská.
Empleo de la espectroscopia para una detección precisa
A fin de detectar gases específicos, se combinó la espectroscopia con el diseño pionero de guía de ondas del proyecto. «Los distintos picos de absorción en los espectros se relacionan de forma unívoca con diferentes moléculas químicas», explica Jágerská. «A partir de la posición espectral de esos picos, sabemos exactamente qué gases hay en nuestra muestra y, por la amplitud de esos picos, conocemos la concentración de esos gases en la muestra». Jágerská agrega que el sensor es muy específico y no requiere calibración, lo que lo hace más fiable.
El reto de pasar al rango más sensible del infrarrojo medio
El equipo del proyecto trabajó en varios diseños de chips para integrar la fotónica de guía de ondas, en la que la luz guiada interactúa de forma muy eficaz con los gases circundantes. No obstante, tuvo que lidiar con varios problemas técnicos, sobre todo a la hora de pasar del infrarrojo cercano al infrarrojo medio, el rango en el que las moléculas exhiben su huella espectral. «Si se quiere hacer una detección sensible, hay que pasar al infrarrojo medio», recalca Jágerská. «Sin embargo, el rango del infrarrojo medio no se comportaba de la misma manera que la fotónica del infrarrojo cercano (más común)». «Al principio, los materiales empleados para la fotónica del infrarrojo cercano parecían totalmente opacos en el rango del infrarrojo medio. Así que tuvimos que cambiar el diseño y los materiales con los que estaban hechos los chips para llegar al punto de tener un dispositivo que funcionara y que, después, pudiéramos optimizar aún más».
Detección precisa de oligogases
La detección oligogases a niveles de gran precisión de partes por mil millones (ppb, en inglés) tiene una gran importancia para la vigilancia ambiental y en la asistencia sanitaria. El proyecto se centró en oligogases como el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2) y, a continuación, en la detección de isótopos de CO2. «Logramos detectar trescientas moléculas de CH4 entre mil millones de otras moléculas: una mejora de entre uno y dos órdenes de magnitud en comparación con el estado de la técnica», apunta Jágerská. «En el caso del CO2, mejoramos la detección en 4 órdenes de magnitud, hasta 20 ppb», añade Jágerská, señalando que otros laboratorios de investigación no suelen poder detectar por debajo de 100 partes por millón (ppm). «Esto hace que nuestros sensores sean los mejores hoy día». Su elevada sensibilidad también favorece la detección específica de isótopos de CO2. Los isótopos ayudan a discriminar entre emisiones antrópicas y biogénica, y tienen aplicaciones en la investigación médica. «Antes solo había instrumentos de gama alta para la detección de isótopos, pero es la primera vez que se demuestra en un chip fotónico», afirma Jágerská.
El microchip como parte de un dispositivo de vigilancia
Jágerská comenta que en el proyecto se pasó de «nada más que una idea» a lograr una prueba de concepto. Por ejemplo, el sensor espectroscópico de infrarrojo medio combinado con un láser, un chip detector y una célula microfluídica puede integrarse en un dispositivo para la vigilancia ambiental. «Ahora trabajamos ya en el montaje del sensor en un prototipo de dispositivo», explica Jágerská. Esta labor se está llevando a cabo en el marco del proyecto financiado con fondos europeos sCENT2.
Palabras clave
sCENT, sensores de gas, fotónica, dióxido de carbono, metano, oligogases, espectroscopia, infrarrojo cercano, infrarrojo medio, isótopos de CO2
