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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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300, San Francisco, California, 94105, USA.
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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