Una revisión general sobre los micro y nano sensores y actuadores asi como su rol en los sistemas microfluidicos

Junio, 2011

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Una revisión general sobre los micro y nano

sensores y actuadores, así como su rol en los

sistemas microfluídicos

Luis Hernández-Núñez

Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú

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Resumen: El presente artículo tiene como propósito brindar un panorama general sobre el

desarrollo de los micro- y nano sensores y actuadores; haciendo además un análisis detallado

sobre determinados sensores y actuadores fundamentales para los sistemas microfluídicos. Para

cumplir tal fin, se empezará haciendo una clasificación de los nanosensores y luego se explicará

los avances más relevantes relacionados a cada categoría. Como segunda parte del artículo,

describiremos algunos de los micro- y nano actuadores de mayor trascendencia en los últimos

tiempos. Posteriormente trataremos en detalle algunos actuadores presentes en los sistemas

microfluídicos, como los micromezcladores y las microbombas; así como algunos elementos

sensores presentes en los dispositivos lab-on-a-chip. Finalmente se mostrarán las conclusiones a

las que se llegó luego de hacer esta revisión.

Palabras clave: nanoparticula, nanotubos de carbono, microviga en voladizo (microcantilever),

punto cuántico (quantum dot), microfluidos, microbombas, micromezcladores, lab-on-a-chip.

1. Micro- y nano sensores

1.1 Introducción

Los sorprendentes avances en la micro- y nano fabricación han hecho posible el desarrollo de

dispositivos mecánicos con partes móviles de tamaño nanométrico [1]. Si a esto le sumamos las

excelentes propiedades físicas de los nanomateriales (óxidos metálicos, polímeros, derivados del

carbono, etc.); es sencillo caer en la cuenta de que cada vez se tiene más y mejores herramientas

para desarrollar sensores nuevos con mejores prestaciones y desempeño. Estos factores, han

convertido en los últimos tiempos a los micro- y nano sensores en un campo muy amplio y

dinámico; donde constantemente se desarrollan nuevos dispositivos, se observan nuevas

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tendencias y se amplía la gama de aplicaciones posibles. Tanto es así, que por ejemplo, podemos

mencionar entre los avances recientes a nuevos nanosensores de gases tóxicos [2], nanosensores

de pH [3], sensores de lactato [4] y sensores de masa nanomecánicos [5]. A estos se suman un

sinfín de variables o combinación de variables que es posible medir con nanosensores como flujo

[6], presión [7], humedad [8], entre otros.

1.2 Clasificación

De lo expuesto en el ítem anterior, se desprende que –debido a la amplitud de este campo- será

necesario establecer una clasificación de los nanosensores para poder organizar su estudio. Esto

se puede hacer de acuerdo a la aplicación o a la naturaleza de la variable medida. Una

clasificación bastante completa se encuentra en [9]; no obstante, aquí optaremos por definir

cuatro grandes grupos de nanosensores: mecánicos, ópticos, químicos y biológicos (biosensores).

En tal sentido, los subtítulos de los ítems 1.3 a 1.6 corresponden a la clasificación de los

nanosensores por la que hemos optado.

1.3 Nanosensores mecánicos

Los nanosensores mecánicos cumplieron y cumplen hasta hoy un rol fundamental en el

desarrollo de la nanotecnología. Basta con mencionar a los microscopios de campo cercano

(microscopio de efecto túnel [10] y microscopio de fuerza atómica [11]) para sustentar la

veracidad de la afirmación anterior. Sin embargo, dichos microscopios no son los únicos

nanosensores mecánicos; en los años recientes se han desarrollado múltiples sensores basados en

vigas en voladizo (cantilevers) y nanotubos de carbono, cuyas prestaciones se pueden calificar

cuanto menos de interesantes. A continuación hacemos un tratado de los principios de

funcionamiento y principales usos de los nanosensores mecánicos más resaltantes.

1.3.1 Microscopio de efecto túnel

El microscopio de efecto túnel es considerado en la categoría de nanosensores mecánicos ya que

puede ser visto tanto como sensor de desplazamiento o de posición. Este microscopio fue

inventado en 1981 [10] y posee dos elementos principales para su funcionamiento: una sonda

que estará a una distancia muy corta de la superficie analizada y un sistema de control de

posición vertical y lateral de alta precisión cuyo actuador es un piezoeléctrico.

La distancia entre la punta de la sonda y la muestra se mide usando una interacción cuántica

(corriente de túnel) que se manifiesta conforme se acerca la punta a la superficie del material.

Esta corriente de túnel está directamente relacionada con la distancia, en consecuencia al ser

medida permitirá obtener la distancia sonda-muestra. De lo anterior podemos inferir que al barrer

de manera controlada una superficie podremos generar su topografía. Una buena resolución para

este microscopio sería 0.1 nm lateral y 0.01 nm en profundidad [12]. En la figura 1 se puede

apreciar una representación esquemática del microscopio de efecto túnel.

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Figura1. Representación esquemática del microscopio de efecto túnel. En (a) se aprecia a escala

macro, la superficie a analizar y la sonda del microscopio. En (b) en cambio, podemos ver la

relación de tamaño y proximidad de la punta con respecto a la superficie y la corriente de túnel

que se genera. Es importante aclarar, que idealmente la punta debe terminar en un solo átomo,

pero en la práctica esto generalmente no ocurre así. (Imagen tomada de [13]).

1.3.2 Microscopio de fuerza atómica

Como se hace notar en [14], el microscopio de efecto túnel tenía una fuerte limitación al

necesitar que las muestras fuesen conductoras de electricidad. El microscopio de fuerza atómica

resuelve ese problema. Este microscopio también es capaz de generar la topografía de una

superficie; sin embargo, además puede ser visto como un sensor de fuerza. En ese sentido sus

aplicaciones han permitido medir fuerzas de van der Waals, fuerzas de enlaces químicos, fuerzas

magnéticas, fuerzas de Casimir, entre otras, según se menciona en [9]. Se ha obtenido

experimentalmente resoluciones de 10-12

N, pero el límite teórico ha sido estimado en 10-18

N

[15].

El principio de funcionamiento de este microscopio de campo cercano, se basa en la fuerza

atómica entre una punta fina (idealmente una que termine en un solo átomo), que se encuentra en

el extremo de una micro viga en voladizo (cantiléver) muy flexible, y la superficie. A medida

que la punta se acerca, las nubes electrónicas tienden a repelerse, esto genera una fuerza que está

relacionada con la distancia entre la punta y la muestra. Esto nos permite conocer la topografía

de la superficie al hacer un barrido sobre la misma manteniendo la fuerza constante. Esto se

logra mediante un laser y un arreglo de fotodiodos con los que se sensa la posición del extremo

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del cantiléver flexible (deformación constante, implica fuerza constante). En la figura 2 se

muestra una representación esquemática del microscopio de fuerza atómica.

Figura 2. Representación esquemática del

microscopio de fuerza atómica. En la imagen

superior observamos con claridad, como se

deforma el micro cantiléver y como su

deformación es medida usando un laser y un

arreglo de fotodiodos. En la imagen en vista

detalle, se hace evidente la interacción

cuántica de tipo fuerza atómica que ocurre

entre las nubes electrónicas de los átomos de la

superficie y los de la punta. Cabe decir, que la

resolución de un microscopio de fuerza

atómica dependerá fundamentalmente de la

punta, aunque otras condiciones como vacío

también pueden aumentar la resolución [14].

(Imagen tomada de [16])

1.3.3 Nanosensores mecánicos basados en nanotubos de carbono

Las excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de los nanotubos de carbono (CNTs

por sus siglas en inglés) los convierten en componentes con gran potencial para constituir

materiales inteligentes [17]. Esto ha hecho que estos dispositivos reciban una especial atención

por parte de la comunidad científica en lo que respecta al desarrollo de nuevos sensores. Tanto es

así, que por ejemplo en [18] se hace un tratado extenso solo sobre sensores electroquímicos

basados en CNTs. Aquí nosotros haremos un brevísimo resumen de los sensores mecánicos

basados en CNTs:

En 2003 Ghosh et al [6] construyeron un sensor de flujo basados en CNTs. Su funcionamiento se

basaba en la generación de una corriente/voltaje en un grupo de CNTs de pared simple

(SWCNTs) que tenía lugar cuando el grupo de SWCNTs entraba en contacto con el flujo de

líquido. En su trabajo encontró que pese a que su diseño implicaría una relación lineal entre el

flujo y la corriente eléctrica, experimentalmente la data del voltaje inducido se ajustaba mejor a

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una curva exponencial, correspondiendo la saturación a 10-5

m/s. Este trabajo generó optimismo

en el concepto del uso de los CNTs en aplicaciones de NEMS (nano electro mechanical systems)

como sensores de flujo. Otras variables como presión también han podido ser medidas usando

CNTs, como se detalla en [7].

Además, recientemente se han desarrollado aplicaciones para medir tensión mecánica usando

CNTs y espectroscopia micro-Raman como se detalla en [19]; y se está investigando la

sensibilidad de algunos arreglos de CNTs para ser usados como sensores de masa en aplicaciones

específicas [20].

1.3.4 Nanosensores mecánicos basados en cantilevers

Gran cantidad de nanosensores mecánicos basan su funcionamiento en las buenas propiedades

elásticas de los cantilevers, ya que su deformación en fácil de medir, según se explico en la

sección 1.3.2. La mayor parte de ellos tienen aplicaciones en biología. Por ejemplo, se pueden

usar como sensores de esfuerzo en superficies según se explica en [1]. Quedando en evidencia la

forma de trabajo con lo que se explica en la figura 3.

Figura 3. En esta figura se aprecia

claramente cómo se puede emplear un

cantiléver como sensor de esfuerzo en

una superficie. La deflexión, es medida

con un laser que luego rebota en un

arreglo de fotodiodos al igual que en el

caso del AFM; sin embargo, ya se ha

probado con éxito el uso de métodos

piezorresistivos para realizar esta

medición [21].

(Imagen tomada de [1])

Existen aplicaciones con cantilevers que usan otro principio de medición, hacen oscilar el

cantiléver a una frecuencia de resonancia y cuando alguna pequeña masa se deposita sobre el

mismo, se sabe que esto ha ocurrido, porque la frecuencia varía. A estos sensores también se les

denomina micro-resonadores y su variación de frecuencia se detecta determinando el ruido

térmico [22]. Aplicaciones de este tipo pueden encontrarse en [23] y [24].

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1.3.5 Sensores térmicos

Gran parte de los nanosensores térmicos basan su funcionamiento en CNTs y microcantilevers.

En el caso de los microcantilevers se usa el efecto bimetálico; es decir el micro cantiléver está

compuesto por dos materiales con constante de expansión térmica diferente, esto permite que

pequeñas variaciones de temperatura produzcan deflexiones que pueden ser medidas fácilmente

[9].

Figura 4. Esquema de un micro cantiléver

compuesto de dos materiales de constante de

expansión térmica diferentes (Si y Al)

deformado por una variación en la

temperatura.

(Imagen tomada de [9])

En el caso de los CNTs se vienen desarrollando trabajos que demuestran las buenas prestaciones

que se pueden obtener al utilizar arreglos (arrays) de SWCNTs. Tan es así que en [25] se

demuestra como un sensor basado en una matriz o arreglo de SWCNTs presenta menor consumo

de energía que los sensores de platino tradicionales brindando a la vez mayor sensibilidad.

1.4 Nanosensores ópticos

Los nanosensores ópticos tienen una alta influencia en biología, siendo herramientas que

cooperaran a mejorar la comprensión que se tiene de los procesos celulares, según se describe en

[26]. También resultan imprescindibles en el bioanálisis donde la mayor parte de aplicaciones

son basadas en fluorescencia. El nanosensor debe ser sensible y selectivo a algún tipo específico

de sustancia ante la presencia de la cual emitirá fluorescencia. Varios de estos sensores usan

matrices de polyacrylamide, algunos casos importantes que han sido reportados son [27] y [28]

que corresponden a sensores de glucosa y zinc respectivamente. Además de las aplicaciones

biológicas, podemos mencionar que también han sido usados para sensar humedad [8].

1.5 Nanosensores químicos

La mayor parte de nanosensores químicos están orientados a la detección de algún gas en

particular. Por ejemplo, en el 2000 Kong et al. [29] demostraron que la conductancia de los

SWCNTs semiconductores (S-SWCNTs) sufría incrementos o decrementos significativos ante la

exposición a gases como el CO2 o el NH3. En los últimos años la aplicación de CNTs en sensores

de gases ha ido en aumento, una revisión más profunda de esto puede ser encontrada en [30].

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Otro avance es el empleo de nanopartículas de paladio en sensores de hidrógeno [31]. El

funcionamiento de estos sensores se basa en que el hidrogeno se disocia en presencia de paladio

y esta disociación conduce a cambios en la estructura cristalina.

Tanto ha sido el avance de estos sensores en los últimos años que incluso se ha reportado una

―nariz nanoelectronica‖ en [32]. Allí, Chen et al, proponen un sensor hibrido hecho de un arreglo

de nanocables de In2O3, SnO2, ZnO y SWCNTs. Este sensor fue probando con gases industriales

como hidrógeno, etanol y dióxido de nitrógeno a diferentes concentraciones y temperaturas

obteniendo una muy buena selectividad y capacidad de discriminación. En la figura 4 puede

observarse la ―nariz nanoelectronica‖.

Figura 4. Sensor híbrido con nanocables( de In2O3, SnO2 y ZnO) y nanotubos de carbono de

pared simple. Esta combinación permite distinguir entre gran variedad de gases, incluso

algunos explosivos; por ello sus autores lo denominaron “nariz nanoelectrónica”.

(Imagen tomada de [32])

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1.6 Biosensores

Varios tipos de biosensores ya han sido tratados hasta este punto. Si hacemos un recuento,

podemos mencionar a los de la sección 1.3.4 que corresponden a biosensores mecánicos y a los

nanosensores ópticos de la sección 1.4 cuyas aplicaciones son en su mayoría biológicas. Aparte

de ellos, consideramos importante mencionar las aplicaciones de nano partículas de oro y

quantum dots.

1.6.1 Nanopartículas de oro

Las nanopartículas de oro han probado ser útiles en el diagnostico de cáncer y terapias, según se

reporta en [33]. Esto se debe a su distintividad foto-óptica y a su buena biocompatibilidad como

se explica en [34]. Revisiones completas del impacto de las nanoparticulas de oro en biosensado

y nanomedicina pueden ser encontradas en [34] y [35].

1.6.2 Quantum dots

Los quantum dots son nanocristales fluorescentes casi esféricos compuestos de material

semiconductor. Poseen propiedades únicas y su tamaño promedio está entre 2 y 8 nm. En su

forma útil para la biología están en estado coloidal, con tamaño similar al de proteínas grandes y

dispersos en una solución acuosa. Son cubiertos con moléculas orgánicas para estabilizar su

dispersión [47]. En la figura 5 se explican las propiedades fotofísicas de los quantum dots.

Figura 5. Un quantum dot se excita cuando absorbe

un fotón de energía superior a su energía de

bandgap, esto resulta en la generación de

portadores de carga. Debido al pequeño tamaño de

los quantum dots, estos portadores de carga son

confinados en un espacio menor al de su tamaño

convencional en semiconductores a macroescala.

Este confinamiento es el causante de la relación

entre el tamaño de los quantum dots y sus

propiedades optoelectrónicas [48]. Reducir el

tamaño de un quantum dot genera mayor

confinamiento y esto hace que la energía de

bandgap sea mayor. La consecuencia más

importante de esto es que la longitud de onda

emitida por un quantum dot puede ser modulada

ajustando su tamaño.

(Imagen tomada de [49])

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Los quantum dots tienen el potencial para ser usados como elementos sensitivos para visualizar

marcadores de cáncer en fluidos, esto se debe a que poseen alta resolución de contraste para

imágenes médicas. El empleo de quantum dots permite distinguir hasta los tumores más

pequeños [47].

2. Micro- y nano actuadores

2.1 Introducción

Al igual que en el caso de los nanosensores, el desarrollo de los nanoactuadores ha sido

propiciado por la mejora en los métodos de nanofabricación y las excelentes propiedades de

ciertos nano materiales. El concepto de nanoactuador –al igual que el concepto de nanosensor-

también incluye a una amplia gama de dispositivos que van desde los nanoactuadores basados en

CNTs [36] hasta los nanoactuadores basados en proteínas [37]. En las siguientes secciones

describimos los avances de diversos tipos de nanoactuadores.

2.2 Nanoactuadores basados en nanotubos de carbono

Muchos dispositivos nano electromecánicos basados en el movimiento relativo de las paredes de

los nanotubos de carbono han mostrado gran potencial. Entre ellos podemos citar dispositivos

mecánicos útiles para los actuadores como nanorodajes [38] y nanoengranajes [39]; pero también

actuadores -propiamente dichos- como los nanomotores [40].

En [41] por ejemplo, se propone un nanoactuador electromecánico basado en nanotubos de

carbono, en el que se planea convertir una fuerza axial en un desplazamiento rotacional relativo

de las paredes del nanotubo. A su vez la fuerza axial requerida puede ser obtenida a partir de la

generación de un campo eléctrico. En la figura 6 se muestra los esquemas de funcionamiento y

se describe el proceso.

2.3 Nanoactuadores fotónicos

En esta categoría de actuadores encontramos, por ejemplo, nanomotores fotónicos, que

funcionan gracias a que un número considerable de moléculas rotan o cambian su conformación

debido a fotones. Información referencial al respecto puede ser encontrada en [43].

Otros actuadores situados en esta categoría son las válvulas moleculares controladas por luz [44],

estas fueron desarrolladas modificando una proteína encontrada en la bacteria e. coli que en la

naturaleza sirve como una válvula de alivio cuando hay presión excesiva en la célula.

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Figura 6. Representación esquemática del nanoactuador. En (a) el estator es la pared interna y

en (b) el estator sería la pared externa. En ambos casos se ha numerado con 1 al estator, 2 y 3

se mueven juntos como equivalentes al rotor y 3-4 actúan como el par que el autor denominó

par nanotornillo-nanotuerca, cuyo funcionamiento se describe en [42], explicando cómo se

convierte la fuerza axial en movimiento relativo rotatorio de las paredes del nanotubo. La fuerza

axial se obtiene a partir de un campo eléctrico generado por las cargas +q y –q. (Imagen

tomada de [41].

2.4 Actuadores moleculares biológicos

Este tipo de actuadores, normalmente basan su funcionamiento en proteínas o en ADN y

requieren algún tipo de ―combustible‖ para funcionar. Por ejemplo, los motores de ATP basados

en proteínas requieren protones o moléculas de alta energía y las máquinas de ADN necesitan

hilos de ADN como ―combustible‖ [37].

Figura 7. Mecanismo natural de un motor de ATP,

interfaceado con biomoleculas ensambladas en una superficie

de vidrio para crear un motor hibrido que trabaje en un

ambiente no fisiológico.

(Imagen tomada de [37])

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Algunas ventajas de estos actuadores, según se reporta en [45] son las siguientes:

Ahora se tienen disponibles biomotores derivados de sistemas vivos y pueden ser

producidos en cantidades considerables.

La mayoría de biomotores han sido probados con éxito in vitro; es decir, fuera de la

célula, sobre instrumentos de vidrio.

Son manejables individualmente gracias a que su ―combustible‖ puede ser enviado

directamente mediante tubos moleculares.

La velocidad promedio de los motores puede ser controlada regulando la razón de

alimentación de ―combustible‖

Los biomotores pueden ser conectados a otros componentes de un nanosistema para

controlar su locomoción.

Dentro de los biomotores, los motores flagelares destacan por su velocidad y par torsional. Estos

motores están presentes en bacterias como el e. coli, su energía es provista por un flujo de iones

y su tamaño esta alrededor de los 45 nm de diámetro. Está hecho de por lo menos veinte tipos de

partes diferentes, la máximo par torsional entregado es 2400 pN-nm y la frecuencia máxima es

300 Hz. Una revisión profunda sobre este motor pueden ser encontrados en [46].

3. Sensores y actuadores en los sistemas microfluídicos

3.1 Introducción

Los microfluidos son la ciencia y tecnología de sistemas capaces de procesar y manipular

pequeñas cantidades de fluido (10-9

a 10-18

litros), usando canales con dimensiones entre decenas

y centenas de micrómetros [50]. En ellos se busca explotar principalmente dos aspectos: su

tamaño y sus propiedades al fluir por microcanales, como el flujo laminar.

En los inicios de esta disciplina se pensó que la fotolitografía, que había tenido tanto éxito en el

desarrollo de los sistemas micro electromecánicos, sería aplicable directamente, de hecho se

realizaron algunos trabajos usando silicio y vidrio. No obstante, en la actualidad dichos

materiales ya han sido reemplazados por polímeros debido a que tanto el silicio como el vidrio

resultaban inapropiados para trabajar con muestras biológicas (no tienen permeabilidad ante

gases) y a que era más simple desarrollar dispositivos como válvulas o bombas en un material

elástico que en uno frágil.

Una cantidad considerable de la investigación experimental hecha en microfluidos ha sido

llevada a cabo en poli(dimetilsiloxano), conocido como PDMS, que es un elastómetro suave y

ópticamente transparente [51].

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Los microfluidos han resultado de especial importancia para la bioquímica, genómica y ensayos

farmacéuticos gracias a los dispositivos lab-on-a-chip (laboratorio en un chip). Estos dispositivos

incluyen sistemas microfluídicos, electrónicos y varios elementos sensores. Su importancia recae

en la posibilidad que brindan de automatizar procesos de laboratorio, lo cual reduce el tiempo de

exámenes biomédicos y en general el trabajo de laboratorio [52].

Para que los sistemas microfluídicos y sus aplicaciones (como los dispositivos lab-on-a-chip)

sean viables se necesitan ciertos componentes genéricos como un método para impulsar y mover

el fluido dentro del chip, un método para mezclar fluidos, una forma de introducir reactivos y

muestras en el sistema, y una manera de medir variables relevantes para el análisis que se haga

[50]. Ello implica que se requieren actuadores como las microbombas y los micromezcladores, y

también algunos sensores. En los ítems 3.2 al 3.4 se trata en detalle cada uno de estos

componentes.

3.2 Micromezcladores

En los sistemas microfluídicos como los lab-on-a-chip es muy importante lograr la mezcla de

fluidos para poder realizar análisis biológicos o químicos [53]. Esto no es fácil de lograr, ya que

a diferencia de los fluidos en escala macro, en la escala micro los números de Reynolds son muy

pequeños (generalmente menores a 1); en consecuencia, los flujos son laminares y la mezcla por

turbulencia no ocurre. Debido a ello, la difusividad juega un rol importante para lograr la mezcla,

pero es un proceso lento. Para resolver este problema es que se hizo necesaria la aparición de los

micromezcladores.

En los últimos tiempos el interés por diseñar micromezcladores más eficientes ha ido en

aumento, buenas revisiones de las últimas tendencias pueden ser encontradas en [53] y [54]. En

ambas referencias se propone clasificaciones para los micromezcladores, aquí emplearemos la

propuesta en [54], por lo que en los subtemas siguientes procederemos a explicar los avances

recientes en los micromezcladores pasivos y los micromezcladores activos.

3.2.1 Micromezcladores pasivos

En este tipo de micromezcladores, un método efectivo para obtener una buena mezcla consiste

en incrementar el área de contacto entre los fluidos para así incrementar también la difusión.

Esto se ha logrado en muchos casos [55-58] mediante configuraciones geométricas específicas

de los canales que permiten la laminación repetida. Otro método, consiste en incrementar el

tiempo de contacto entre los fluidos que se desea mezclar; sin embargo, el uso de este método

deviene por lo general en una menor eficiencia de la mezcla y en consecuencia requiere un canal

de mezcla más largo para obtener un buen resultado según se afirma en [54].

Las ventajas que se le atribuyen a los micromezcladores pasivos son principalmente el no

requerir fuentes de energía externas ni usar partes móviles. Además del método de incrementar la

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difusión (por área de contacto o tiempo de contacto) descrito en el párrafo anterior, existe la

opción de incrementar los efectos de advección caótica para obtener una buena mezcla.

Dentro de los micromezcladores pasivos existe una subclasificación de acuerdo a la forma

específica en la que se busca obtener la mezcla, a continuación exponemos los avances más

notables de algunas de dichas subcategorías.

Laminación

Varios de los micromezcladores que usan laminación funcionan aceptablemente bien pero para

números de Reynolds de 33 [55], o incluso hasta en el rango 400-500 [56], esto no sería tan útil

en aplicaciones comunes de microfluidos donde por lo general el número de Reynolds está por

debajo de 1 [53]. No obstante, Tofteberg et al [57], presentaron en 2009 una interesante

configuración de canales que puede ser repetida varias veces hasta obtener el nivel de mezcla

deseado. La configuración se muestra y se explica en la figura 8.

Figura 8. El principio de funcionamiento se basa en hacer una rotación controlada de

90Oseguida de una división en varios canales, el flujo rota nuevamente 90

O en cada uno de estos

canales para luego ser recombinado nuevamente. (Imagen tomada de [57]).

Canales en zigzag

En 2002 Mengeaud et al [59] presentaron un interesante micromezclador con canales en zigzag,

cuya característica más interesante consiste en que para un numero de Reynolds de 0.26 la

eficiencia de la mezcla aumentaba de 65% a 83.8% conforme la relación de los parámetros s/w

-que se muestran en la figura 9- variaban de 1 a 8. Esto dio indicios de la existencia de una

geometría óptima de esta configuración para determinados números de Reynolds.

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Figura 9. Configuración de canales en zigzag. (Imagen tomada de [59]).

Estructuras en 3D

Una de las estructuras en 3D más conocidas es la estructura en serpentín clásica que propuso Liu

et al [60] en 2000, dicha estructura (que se muestra en la figura 10(c)) usa como principio de

mezcla la advección caótica.

Tiempo después en 2005 otras dos configuraciones en 3D fueron comparadas con el serpentín

clásico por Xia et al [61], los resultados demostraron que las otras 2 configuraciones generaban

mejores mezclas que el serpentin clásico para números de Reynolds bajos. Esto nos permite

concluir que para flujos típicos de Re<1 las otras dos configuraciones serían más convenientes.

Esto fue confirmado en [62]. En la figura 10 se muestran los 3 micromezcladores que fueron

comparados.

Figura 10. Micromezcladores comparados por Xia et al. (Imagen tomada de [61])

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3.2.2 Micromezcladores activos

Los micromezcladores activos emplean fuerzas externas para acelerar la difusión entre los

fluidos y lograr mezclarlos [63]. Las técnicas que han sido utilizadas son acústicas/ultrasónicas,

pulsos electrocinéticos, perturbaciones por presión, flujo magneto-hidrodinámico, fuerza

electrohidrodinámica, efectos térmicos, y el método dielectroforético [54]. A continuación

explicamos algunas de estas técnicas.

Pulsos electrocinéticos

Este método se basa en aplicar fuerzas electrocinéticas para modular el flujo de los fluidos y

simultáneamente introducir perturbaciones periódicas en el campo de velocidades [64].

Típicamente se aplican ondas cuadradas o sinodales con frecuencias entre 0.1 y 5 Hz; sin

embargo, el solo hecho de colocar conductores cargados en las paredes pude generar vórtices

[65].

Figura 11. Mostramos la generación de vórtices producida por el solo hecho de colocar

conductores cargados en las paredes. (Imagen tomada de [65])

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Perturbación por presión

Este método de mezcla se basa en un canal principal y múltiples canales laterales. Los fluidos en

el canal principal son revueltos por los pulsos de velocidad de los flujos de fluido de los canales

laterales. Como resultado de esto se induce el efecto de advección caótica y en consecuencia se

favorece la mezcla [66].

Figura 12. Micromezclador por perturbaciones de presión. (Imagen tomada de [66])

3.3 Microbombas

Las microbombas -como ya se mencionó en la sección 3.1- son elementos básicos de los

sistemas microfluídicos, sus aplicaciones se encuentran por ejemplo en dispositivos lab-on-a-

chip y recientemente se les usa para refrigerar dispositivos microelectronicos [67].

Las microbombas se pueden clasificar en dos grandes grupos: microbombas de desplazamiento

mecánico y microbombas electro/magneto cinéticas.

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3.3.1 Microbombas de desplazamiento mecánico

Son aquellas que ejercen presión oscilatoria o rotacional en el fluido, por medio de un dispositivo

solido, que bien podría ser –por ejemplo- un diafragma oscilatorio o elementos rotativos.

También se considera en esta categoría a aquellas microbombas cuyo principio de

funcionamiento se basa en límites fluido-fluido como las bombas permeables de gas. [67]

La subcategorización de estas bombas es como sigue:

Bombas de Diafragma

El funcionamiento de estas bombas es bastante sencillo, se basa en una cámara con válvulas de

admisión y escape. El diafragma al combarse hacia afuera genera vacío y se abre la válvula de

admisión y entra el fluido. Luego, al combarse el diafragma hacia abajo ejerce presión sobre el

fluido y se abre la válvula de escape por la que sal el fluido impulsado. Como se infiere de la

explicación, el movimiento del diafragma deberá ser oscilatorio. En la figura 13 se muestra con

claridad el proceso aquí descrito. [68]

Figura 13. En (a) se encuentra la

bomba con el diafragma sin deformar.

En la figura (b) se puede apreciar en

el lado derecho la admisión de fluido,

cuando el diafragma se mueve hacia

arriba (como lo indica la flecha

morada), en el lado izquierdo se

encuentra la descarga o escape del

fluido impulsado por el

desplazamiento del diafragma hacia

abajo.

(Imagen tomada de [68])

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La actuación sobre el diafragma puede ser hecha mediante un piezoeléctrico [69],

electrostáticamente [70], magnéticamente [71], térmicamente [72], neumáticamente [73], entre

otras.

Bombas de desplazamiento de fluido

El funcionamiento se basa en la manipulación del fluido de trabajo por medio de un fluido

secundario o auxiliar, sin usar diafragma. El fluido de trabajo debe ser inmiscible con respecto al

fluido auxiliar.

Algunas formas de hacer esto son:

-Usando ferrofluidos [74].

-Por cambio de fase: Dentro de este método se encuentra la bomba de burbujas, cuyo

funcionamiento se explica en la figura 14. [75]

Figura 15. La bomba de burbujas se basa

en el cambio de volumen producido por el

cambio de fase de líquido a vapor. El

funcionamiento se basa en primero

encender el primer calentador para formar

una burbuja de vapor, luego se enciende el

segundo para generar un gradiente de

presión de vapor, esto sumado al gradiente

en la tensión superficial deviene en una

presión de desplazamiento que es lo que

finalmente impulsa al fluido.

(Imagen tomada de [67])

Bombas rotativas

Estas son similares a las bombas clásicas, poseen un rotor dentado, una entrada y una salida de

fluido [76]. Otro tipo de bomba rotativa usa fuerzas viscosas, una aplicación de ese tipo puede

encontrarse en [77].

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3.3.2 Microbombas electro/magneto cinéticas

Estas bombas convierten directamente la energía magnética o eléctrica en movimiento del fluido.

Dado que esto ocurre de forma ininterrumpida el flujo resultante suele ser estable. Las bombas

electrocinéticas por lo general generan campos eléctricos para empujar iones dentro del canal de

bombeo, el impulso se transfiere al fluido debido a la viscosidad [78]. En el caso de las bombas

magnetocinéticas se emplea la fuerza de Lorentz para mover el fluido.

3.4 Elementos sensores

Una de las aplicaciones más importantes de los dispositivos lab-on-a-chip son las pruebas

biomédicas. Entre ellas destaca la detección de patógenos. Para que dicha función pueda ser

cumplida se necesita integrar ciertos sensores en los dispositivos lab-on-a-chip.

Hasta la fecha se ha logrado integrar con éxito detectores ópticos, detectores electroquímicos,

sensores magneto-resistivos, y sensores de resonancia magnética nuclear, según se afirma en

[79]. No obstante, los de mayor aplicación son los dos primeros. Por tal motivo en las secciones

3.4.1 a la 3.4.3 trataremos de dichos detectores, así como de los sensores de flujo que son

elementos frecuentes en los sistemas microfluidicos.

3.4.1 Detectores ópticos

Los sensores ópticos que se emplean son predominantemente fluorescentes. Por ello se conjuga

la afinidad de determinados marcadores con compuestos fluorescentes como fluorescein

isothiocyanate o phycoerythrin. Otra alternativa es usar moléculas fluorescentes usando

transferencia de energía resonante fluorescente (FRET por sus siglas en inglés) como se explica

en [80]. Otro caso de integración de sensores ópticos en dispositivos lab-on-a-chip fue reportado

en [81].

3.4.2 Detectores electroquímicos

Un ejemplo ilustrativo de la integración de detectores electroquímicos en dispositivos lab-on-a-

chip se puede encontrar en [82]. Allí se detalla que el detector electroquímico consiste en

electrodos de platino y que su desempeño no se ve afectado por la miniaturización dado que ya

es posible medir corrientes muy pequeñas (picoAmperes), en consecuencia la integración es

posible.

3.4.2 Sensores de flujo

Los primeros sensores de flujo para microfluidos datan de mucho tiempo atrás (1993) [83] y sus

prestaciones eran limitadas; más adelante, en 2000 [84] ya se había logrado desarrollar sensores

capaces de medir caudales incluso para sistemas nanofluídicos. Recientemente se ha reportado

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un sensor de flujo con resolución de hasta 3 nL/min [85]. Su principio de funcionamiento se

describe en la figura 16.

Figura 16. En la parte (a) se muestra el sensor, cuyo elemento de contacto es un microcantilever

muy flexible. Al pasar el fluido, de acuerdo a su caudal aplicará una presión sobre el

microcantilever de modo que este se deformará como se muestra en (b). Esta deformación será

medida usando un laser y un arreglo de fotodiodos. El laser se refleja en una pequeña placa de

aluminio que va en la parte superior del sensor. (Imagen tomada de 85)

4. Conclusiones

Luego de realizar esta revisión, podemos decir que desde los inicios de la nanotecnología, los

nanosensores y los nanoactuadores se han constituido como los protagonistas de los avances

tecnológicos más importantes, expandiendo su influencia a muchas disciplinas y permitiendo el

desarrollo de múltiples aplicaciones útiles para la vida del hombre. Desde los primeros

nanosensores como el STM y el AFM que revolucionaron las ciencias de los materiales y

permitieron el desarrollo de la nanotecnología (con todas las disciplinas que esta engloba), hasta

los recientes avances en dispositivos lab-on-a-chip que permiten hacer análisis biomédicos y aún

guardan gran potencial; se han desarrollado una serie de transformaciones cuyos alcances aún no

apreciamos en su real magnitud, pero que con toda certeza empezarán a mejorar la vida del

ciudadano común de manera más notoria en los próximos años. Para darse cuenta de aquello

basta con repasar algunas aplicaciones como la detección de gases tóxicos que es posible gracias

a nanosensores químicos o las terapias y diagnósticos de cáncer que han mejorado gracias a las

nanopartículas de oro y a los puntos cuánticos. En definitiva continuar desarrollando más y

mejores nanosensores y nanoactuadores será clave para mover las fronteras del conocimiento en

una gran cantidad de disciplinas científicas y abrir una gama más amplia de posibilidades de

desarrollo tecnológico que conduzcan a la solución de los grandes problemas de la humanidad.

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