Tesis doctoral de Romen Rodriguez Trujillo
La habilidad para producir dispositivos cada vez más pequeños a partir de una amplia gama de materiales es una de las principales consecuencias del enorme desarrollo en micro-fabricación producido a lo largo del pasado siglo. La excelente versatilidad de la litografía, combinada con técnicas sustractivas (etching) o aditivas (depósito), junto a otras técnicas como micro-mecanizado superficial y de volumen, han contribuido al desarrollo de importantísimas tecnologías de dispositivos como son los circuitos integrados (i.C.) O los sistemas micro-electromecánicos (tecnología mems). en el ámbito de la tecnología de mems tienen especial importancia los «sistemas integrados microfluídicos». Normalmente fabricados en silicio, vidrio y otros materiales usados para los mems, el número y la variedad de dispositivos de este tipo que se han desarrollado son muy elevados. Abarcan desde simples componentes individualizados (como sensores de flujo o válvulas para regulación de la presión de gases), hasta dispositivos más complejos consistentes en múltiples componentes integrados (bombas, válvulas, sensores de flujo, capilares de separación, detectores químicos, etc.) Para su uso en análisis químicos. el desarrollo de estos sistemas microfluídicos ha dado lugar en las últimas décadas al concepto de «micro sistemas de análisis total» (microtas debido a sus siglas en inglés), también llamados dispositivos «lab-on-a-chip». Se trata de sistemas microfluídicos integrados para la realización de análisis químico y/o biológico en una escala muy reducida (la micro escala). entre todas las posibles funciones biotecnológicas que pueden ser llevadas a la miniaturización, esta tesis trata sobre el conteo de partículas microscópicas individuales en suspensión. Una importante área de aplicación de esta técnica se encuentra en la detección y análisis de células para investigación biomédica o diagnóstico clínico, lo que constituye una técnica ampliamente utilizada en biología y medicina conocida con el nombre de «citometría de flujo». la disciplina citometría se refiere a la medida de características físicas y/o químicas de las células o, por extensión, de otras partículas biológicas. La citometría de flujo, por su parte, es una técnica en la cual estas medidas se hacen con células o partículas que transitan en línea suspendidas en un fluido a través del correspondiente instrumento. Por lo tanto, los «citómetros de flujo» son aquellos aparatos capaces de alinear una suspensión de células hasta hacerlas pasar de una en una por un área de detección donde son detectadas individualmente. los métodos de fabricación mencionados previamente pueden usarse en este problema específico para desarrollar micro-dispositivos que tiendan a subsanar los principales inconvenientes de los citómetros de flujo tradicionales (macro). En primer lugar, mediante el uso de canales micro-dimensionados se reduce drásticamente la cantidad de muestra necesaria. En segundo lugar, la microfabricación podría dar lugar a dispositivos compactos y completamente integrados que podrían ser usados de manera portátil. Finalmente, los métodos de microfabricación son especialmente adecuados para la fabricación en masa que abarata los costes y permitirían el uso generalizado de este tipo de dispositivos en todo el mundo. un total de tres dispositivos han sido fabricados y caracterizados en el desarrollo de esta tesis. La fabricación de las estructuras fluídicas en los tres casos fue realizada por medio de técnicas de «soft-lithography» (litografía blanda), por medio de las cuales un polímero es usado para replicar un molde fabricado mediante fotolitografía. Esto constituye un método de fabricación de bajo coste, puesto que la fabricación del molde (que es la parte más cara del procedimiento de fabricación) es solamente realizada una vez y múltiples copias de él pueden realizarse mediante el mencionado polímero. el efecto de la focalización hidrodinámica de los fluidos que se encuentran en régimen laminar ha sido utilizado en nuestros dispositivos para asegurar el perfecto alineamiento de las partículas/células sobre el área de detección. Una vez conseguido esto, la detección eléctrica de las partículas ha sido realizada con la ayuda de electrodos microfabricados coplanares. La combinación de estas dos técnicas, tal y como se ha demostrado, ha dado lugar al desarrollo de potentes dispositivos ajustables de versatilidad y sensibilidad aumentadas. dos de los dispositivos han sido diseñados y fabricados para detectar partículas en el rango desde 30 ¿m (tamaño de las mayores células mamíferas) hasta las dimensiones de algunos micro-organismos (¿ 2 ¿m) usando un único chip. Se ha demostrado la detección de partículas de látex de 20 y de 15 ¿m y de levaduras de 5 ¿m en canales con secciones grandes, en los cuales no podrían ser detectados sin la presencia de la localización. Asimismo, como la diferencia entre el tamaño del canal y el de las partículas es grande, la posibilidad de obturación del canal es despreciable y, por lo tanto, pueden usarse concentraciones elevadas de células. se ha desarrollado una instrumentación electrónica específica para el conteo rápido de partículas. Gracias a esta instrumentación, se han conseguido detectar transiciones extremadamente rápidas (alrededor de 1 ms.), Lo que confiere a nuestro dispositivo la posibilidad de contar hasta 1000 partículas por segundo. El sistema también cuenta con un método de validación, el cual consiste en un sensor óptico (cámara ccd) muy veloz que opera sincronizado con la adquisición eléctrica. el tercero de los diseños que han sido contemplados, consiste en un micro-contador coulter que ha sido sub-escalado con la intención de superar el límite inferior de los anteriores dispositivos. Con esto se pretendía poder llegar al conteo de bacterias y otros micro-organismos, o incluso algunas entidades en la nano-escala (grandes macromoléculas biológicas como proteínas, adn o virus). El perfecto alineamiento de bacterias (e. Coli) ha sido demostrado en este dispositivo por medio de la focalización hidrodinámica en una dimensión. También pudo llevarse a cabo el conteo de bacterias utilizando imágenes grabadas a muy alta velocidad mediante una cámara rápida montada en el microscopio óptico. en este último dispositivo, la toma de medidas de impedancia resulto ser extremadamente complicada debido a la gran contribución de la impedancia de doble capa, consecuencia directa del tamaño reducido del área de los electrodos. Sin embargo, se ha propuesto un modelo para la impedancia del electrodo que se ajusta correctamente a los datos experimentales y del cual pudieron derivarse algunas recomendaciones para obtener una correcta respuesta de los electrodos en el dominio resistivo y, por lo tanto, poder llegar a realizar detección de micro-organismos a alta velocidad con este dispositivo.
Datos académicos de la tesis doctoral «High speed microfluidic devices for particle counting on a chip«
- Título de la tesis: High speed microfluidic devices for particle counting on a chip
- Autor: Romen Rodriguez Trujillo
- Universidad: Barcelona
- Fecha de lectura de la tesis: 28/11/2008
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Gabriel Gomila Lluch
- Tribunal
- Presidente del tribunal: josep Samitier marti
- jaume f Comas riu (vocal)
- david Holmes (vocal)
- jan Eijkel (vocal)