Imprimir

Física

Un laboratorio de bolsillo

El aumento de la eficiencia del láser aleatorio abre el camino hacia la fabricación de microchips de bajo costo para la realización de estudios médicos

Léo Ramos Chaves Microcanales esculpidos con láser en el Ipen: una red diseñada para permitir la combinación de fluidos y reactivosLéo Ramos Chaves

Romper récords de eficiencia energética en la generación de haces de láser se está convirtiendo en una rutina para Niklaus Wetter, un físico suizo que trabaja en Brasil desde 1988 y que desde hace tres años dirige el Centro de Láseres y Aplicaciones, del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen), en São Paulo. En 2015, Wetter y el físico Alessandro Melo de Ana, de la Universidade Nove de Julho, presentaron en la revista Optics Express una nueva configuración de lentes y espejos para generadores de láseres con cristales que contienen el elemento químico neodimio. Con este nuevo ordenamiento, el dispositivo, uno de los más utilizados en el mundo con fines industriales, médicos y de investigación científica, logró aprovechar un 60% de la energía depositada en su cristal para generar luz láser, superando el récord anterior del 50% para este tipo de aparato.

Ahora, junto a la física brasileña Julia Giehl y el físico alemán Felix Butzbach, ambos exalumnos del Ipen, y el físico español Ernesto Jiménez-Villar, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), Wetter logró un avance aún mayor en la eficiencia energética de un tipo diferente de láser: el láser randómico o aleatorio, que llamó la atención de físicos e ingenieros durante los últimos años por su bajo costo y porque se vale de dispositivos sumamente pequeños (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 247). En lugar de un cristal, los aparatos de láser aleatorio producen una luz con características del láser convencional con base en un líquido que contiene partículas micro o nanométricas en suspensión, o bien, a partir de una mezcla de partículas en estado sólido (en forma de polvo). El problema reside en que la eficiencia de este tipo de láseres suele ser baja. Las soluciones y mezclas de partículas microscópicas convierten en láser a lo sumo el 2% de la energía que reciben en forma de luz. Calculando detalles acerca de cómo es generado y amplificado el láser a medida que la luz se refleja varias veces en las partículas, el equipo de Wetter descubrió cómo incrementar la eficiencia de esta conversión, que ahora llegó al 60%. “Este resultado es comparable con el de los mejores láseres de estado sólido [convencionales] disponibles en el mercado”, afirma Wetter.

El secreto descubierto por los investigadores consiste en mezclar partículas de distintos tamaños. En los experimentos emplearon granos de un cristal de 54 micrones de diámetro y granos casi 10 veces menores, de tan sólo 6 micrones. En la mezcla, las partículas menores ocuparon el espacio existente entre las mayores creando bolsones que aumentaron localmente un 30% la dispersión de la luz: con cada dispersión, más energía se incorpora al láser. El resultado final es un aumento de un 160% en la potencia del haz de láser emitido. Estos resultados se dieron a conocer el día 31 de enero en la Photonics West 2017, en San Francisco, Estados Unidos, la principal conferencia de tecnología láser del mundo. “Contamos con el récord actual”, celebra Wetter.

En el Ipen, el físico suizo siempre trabajó en la mejora de fuentes de láser de gran potencia y precisión, producidas en aparatos que emplean cristales de alta pureza, además de lentes y espejos con pulimento especial. Son aparatos que cuestan decenas de miles de dólares. Pero desde 2008, su laboratorio lleva adelante simultáneamente otra línea de investigación que apunta al desarrollo de mejoras en láseres aleatorios, cuyo costo de producción, según sostiene Wetter, podrá llegar algún día a valer centavos.

Su motivación es el impacto tecnológico que los láseres aleatorios auguran producir en el desarrollo de laboratorios biomédicos compactos, portátiles y descartables, conocidos por la expresión en inglés lab on a chip. Son tarjetas hechas de vidrio o plástico que contienen una especie de cañería microscópica: canales y reservorios de entre milímetros y micrones de espesor que permiten el almacenamiento, el paso y la mezcla de volúmenes ínfimos de líquidos. Los investigadores proyectan esas redes de canales y reservorios de manera tal que sea posible combinar muestras de sangre, saliva u otros fluidos corporales con los reactivos químicos necesarios para la realización de análisis de laboratorio.

Niklaus Wetter y Kelly Jorge/ Ipen Los investigadores iluminaron con láser verde una solución de micropartículas y generaron un láser aleatorio rojoNiklaus Wetter y Kelly Jorge/ Ipen

Laboratorios portátiles
La meta consiste en poder utilizar algún un día esta tecnología para ofrecer algunos análisis a las personas que no tienen acceso fácil a consultorios y laboratorios, tales como ancianos enfermos que no pueden salir de sus casas o poblaciones carentes de recursos que viven lejos de los centros urbanos. Existen en el mundo algunos modelos de lab on a chip listos para usarse. En Brasil, un equipo multidisciplinario coordinado por el biomédico Marco Aurélio Krieger, de la Fundación Oswaldo Cruz (Fiocruz) con sede en el estado de Paraná, está desarrollando un chip plástico en forma de disco de 3 centímetros de diámetro capaz de detectar hasta 20 enfermedades infecciosas mediante el análisis de una gota de sangre (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 192). Pero los dispositivos existentes sólo realizan diagnósticos más sencillos. Detectan la presencia de un patógeno en una gota de sangre, por ejemplo, aunque no permiten cuantificar compuestos en muestras biológicas.

Algunos obstáculos también dificultan la creación de versiones más sofisticadas y baratas de los labs on a chip. Físicos e ingenieros dominan las técnicas de fabricación de los microcanales en los cuales se producen las reacciones químicas necesarias para la realización de los exámenes médicos más comunes, tales como los de glucemia, colesterol o detección de infecciones. Pero el control de estas reacciones y el análisis de los resultados aún requieren que se acople el chip a un aparato externo. Ese aparato puede ser sencillo, consistente en una lámpara de luz ultravioleta utilizada para evaluar los análisis realizados en el chip del equipo de Krieger, o una fuente de láser de alta precisión, necesaria para la realización de test más sofisticados como los que sirven para efectuar la lectura precisa de los niveles de colesterol, insulina y otras moléculas presentes en la sangre.

Para que los labs on a chip puedan independizarse de los aparatos externos, habrá que incorporarle a la tarjeta de plástico o de vidrio una estructura capaz de producir un haz de láser con dirección y longitud de onda (color) muy bien definidos, además de la potencia suficiente como para atravesar un microcanal conteniendo sangre, saliva u otro fluido biológico. Tras pasar por la muestra, la luz debe llegar a un sensor que analiza los cambios de intensidad y de color del láser: alteraciones en esas propiedades pueden indicar la presencia de las moléculas y la cantidad en que se encuentran en el material biológico.

En Estados Unidos y Europa, algunas universidades y startups de tecnología ya fabrican chips de diagnóstico capaces de hacer este tipo de análisis en material biológico. Pero esos dispositivos todavía se valen de láseres producidos por diodos semiconductores o cristales generadores de láseres convencionales que, pese a que son relativamente pequeños, cuestan cientos de dólares. Los aparatos que generan láseres convencionales de alta calidad cuestan caros porque requieren del uso de espejos y cristales elaborados con un material extremadamente puro y con un pulimento especial. Cuanto más puro es el cristal y más pulido está el espejo, más eficiente es la producción del láser y mejor definidas quedan sus propiedades necesarias para la realización de análisis bioquímicos.

Los físicos esperan resolver este problema de costos reemplazando el láser convencional por láser aleatorio. “Vislumbro en los láseres aleatorios la manera más barata de insertar una fuente de láser en un lab on a chip”, dice Wetter.

En un artículo publicado en julio de 2016 en la revista Applied Optics, el equipo de Wetter, en colaboración con los grupos de los ingenieros Marco Alayo y Marcelo Carreño, de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), describe la fabricación y el funcionamiento de una fuente de láser aleatorio que podría integrarse fácilmente a un lab on a chip. En el experimento, una fuente externa de luz estimuló a las moléculas de una solución con rodamina, un colorante orgánico que emite luz al iluminárselo. En lugar de los espejos, lo que amplifica la luz producida por la rodamina son partículas microscópicas de dióxido de titanio (TiO2), también conocido como rutilo, el principal componente de las pinturas blancas y de los protectores solares, con una gran capacidad de reflejar y dispersar la luz. Cuando ajustan correctamente la concentración de partículas de rutilo al tamaño y al formato del microcanal con rodamina, los investigadores logran generar un haz de láser aleatorio con dirección y color bien definidos.

Obstáculos tecnológicos
Wetter y sus colaboradores trabajan con distintos materiales para producir láseres aleatorios e intentar dirigir la trayectoria de esa luz en el interior de los microcanales. El objetivo es superar los obstáculos tecnológicos que impiden la fabricación de un lab on a chip barato y descartable que funcione con la ayuda de un teléfono celular. “Pretendemos utilizar el flash de la cámara del celular como fuente de luz para generar el láser aleatorio en el chip”, explica el físico. La cámara del aparato serviría para analizar alteraciones en las propiedades del láser que atravesó las muestras. “De producírselo correctamente, quizá pueda utilizarse este dispositivo en comunidades alejadas de los centros urbanos para realizar diagnósticos que actualmente sólo se encuentran disponibles en los laboratorios especializados”, comenta Wetter.

Aún queda mucho por hacerse. Los láseres aleatorios y el medio activo, ambos desarrollados en el Ipen, por ahora demuestran que es posible crear el dispositivo. Pero restan barreras importantes que deben vencerse a los efectos de llegar a un dispositivo que puedan utilizar los profesionales de la salud. Una de ellas consiste en disminuir la energía necesaria como para activar la emisión de luz de la rodamina, en la actualidad miles de veces más alta que la que suministra el flash de un celular.

Un fenómeno óptico observado recientemente por Wetter y Jiménez-Villar puede ayudar a disminuir la cantidad de energía necesaria para producir el láser aleatorio. Al revestir las partículas de rutilo con una delgada capa de sílice (SiO2), los investigadores produjeron por primera vez en este tipo de láser un efecto denominado localización de Anderson y aumentaron la interacción de la luz con la materia, lo que redujo más de 10 veces la energía necesaria para generar el láser. De todos modos, el flash de un celular no permitiría generar un láser con la potencia suficiente como para analizar una muestra biológica. “Debemos mejorar la eficiencia de todo el dispositivo para que pueda funcionar con un haz de luz más débil”, dice Wetter.

“La tecnología de los láseres aleatorios está evolucionando rápidamente”, afirma el físico Vanderlei Bagnato, de la USP en São Carlos, quien, así y todo, acota que están desarrollándose otros tipos de láseres para integrar labs on a chip, tales como los láseres de cavidad vertical. “Ninguna tecnología está completa aún.”

Proyectos
1. Micromecanizado con láser de pulsos ultracortos aplicado a la producción y el control de circuitos optofluídicos (nº 2013/26113-6); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Wagner de Rossi (Ipen); Inversión R$ 3.614.777,92
2. Desarrollo de láseres en medios altamente difusos para el análisis estructural de tejidos (nº 2012/18162-4); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Niklaus Ursus Wetter (Ipen); Inversión R$ 279.768,38

Artículos científicos
JORGE, K. C. et al. Directional random laser source consis­ting of a HC-ARROW reservoir connected to channels for spectroscopic analysis in microfluidic devices. Applied Optics. v. 55 (20). p. 5393-98. 2016.
WETTER, N. U. y DEANA, A. M. Influence of pump bandwidth on the efficiency of side-pumped, double-bean mode-controlled lasers: Establishing a new record for Nd:YLiF 4 láseres using VBG. Optic Express. v. 23. p. 9379-87. 2015.
REIJN, S-M. et al. Enabling focusing around the corner in multiple scattering media. Applied Optics. v. 54. p. 7740-46. 2015.
JIMENEZ-VILLAR, E. et al. Anderson localization of light in a colloidal suspension (TiO2@Silica). Nanoscale. v. 8. p. 10938-46. 2016.