Laboratorio en chip para analizar contaminación del agua

El río Atoyac es uno de los afluentes más contaminados en México; en sus aguas, 50 municipios de Tlaxcala y Puebla vierten sus descargas residuales, lo mismo que industrias textiles, petroquímicas y automotrices. En este contexto, el análisis y la detección de sustancias contaminantes resulta prioritario para encaminar acciones que permitan integrar el uso de nuevas tecnologías con programas que mitiguen el grave problema de contaminación del agua.

Para el doctor Alfredo González Fernández, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), este problema no le es ajeno, ya que desde niño ha vivido de cerca las consecuencias de la contaminación que se generan en el río Atoyac, específicamente en la zona de San Francisco Totimehuacán, donde comúnmente acostumbraba viajar en bicicleta.

Ahora, ya como parte de un grupo de investigadores integrado por los doctores Mariano Aceves Mijares, Liliana Palacios, Joaquín Reyes y el propio González Fernández, se ha dado a la tarea de aplicar la electrofotónica para crear un dispositivo para analizar contaminantes en el agua en lo que se conoce como un laboratorio en chip, es decir, realizar estudios de sustancias a través de un chip de 1.5 por 1.5 centímetros.

La idea, explica para la Agencia Informativa Conacyt el doctor González Fernández, es funcionalizar de manera monolítica la tecnología que existe en electrofotónica, es decir, combinar electrónica y fotónica en un mismo proceso de fabricación, usando las mismas técnicas convencionales para la electrónica.

«Esto es novedoso, porque existía la optoelectrónica convencional que propone la combinación de la electrónica y la fotónica, lo que involucra es hacer la parte de óptica por un lado y la electrónica por el otro y después acoplarlas, esa es la optoelectrónica convencional. Nosotros proponemos otra estrategia que es hacer al mismo tiempo la fotónica y la electrónica en silicio, con las mismas técnicas de la electrónica», añadió el investigador.

Emisor de luz basado en silicio

Alfredo González Fernández explicó que el logro de este proyecto se sustenta en la creación de fuentes de luz con base en silicio, ya que históricamente existía el interés de juntar la fotónica y la electrónica usando silicio, material económico, de fácil extracción y muy utilizado en la electrónica; sin embargo, por sus propias cualidades intrínsecas ha sido malo para la fotónica ya que presenta deficiencias para emitir luz.

Para superar esta barrera, indicó el doctor González Fernández, desarrollaron un emisor de luz basado en silicio que se obtuvo mediante el aprovechamiento de fenómenos cuánticos que ocurren cuando se reducen las dimensiones del silicio. Esto significa que cuando se realiza una reducción de la materia a escalas nanométricas se empieza a comportar de forma distinta a la acostumbrada.

«La mecánica cuántica predice que si se reduce el silicio a escalas nanométricas podría emitir luz, al igual que otros materiales. Eso estaba predicho por la teoría pero no había la capacidad técnica para comprobarlo; sin embargo, la comprobación experimental ya está hecha. Nosotros desarrollamos en el INAOE, en el grupo del doctor Mariano Aceves Mijares, materiales nanoestructurados, basados en silicio, que toman ventaja de esos fenómenos y ese material lo utilizamos como base una vez que estuvo suficientemente maduro para hacer un emisor de luz basado en silicio con técnicas convencionales».

Una vez que tuvieron este desarrollo dieron el siguiente paso integrando tres elementos: un emisor de luz, la guía de onda que transporta esa luz a otro lado y el detector. Todo esto fabricado con silicio, aprovechando la infraestructura que se utiliza comúnmente para la fabricación de circuitos electrónicos, lo que implica un ahorro en los costos de elaboración.

Al desarrollar esta tecnología, el doctor Alfredo González Fernández recordó que la aplicación que pensó para este laboratorio en chip fue el análisis de los contaminantes de un afluente, en este caso del Atoyac, como un mecanismo para contribuir a solucionar el grave problema de contaminación que sufre este río.

“Lo que queremos hacer es análisis químicos-ópticos que tienen que ver con la interacción de la luz con la materia y cómo esa luz es modificada o cambia cuando se compara con la luz incidente. Pretendemos que la luz blanca interactúe con un analito (líquido a analizar) que tenga determinado contaminante, es decir, cuando un líquido tenga un contaminante, nosotros vamos a ver cómo cambió la luz cuando la comparamos con la luz que le hicimos incidir, esto facilitado por la posibilidad de hacer al mismo tiempo la óptica y la electrónica. Esto no solo es mucho más económico sino que podemos poner en el mismo chip toda la electrónica para controlar la fuente de luz y para analizarla después, entonces en teoría te puede entregar los resultados digeridos, esa es la idea, aplicar este desarrollo tecnológico al análisis químico pero en un laboratorio en chip».

Este proyecto, titulado Integración monolítica de electrofotónica en silicio para sensado químico fue reconocido este año con el Premio Nacional Innovación Tecnológica para la Inclusión Social Innovatis en la categoría Ideas proyecto. Además, el proyecto relacionado con la ciencia básica detrás de este desarrollo recibió el año pasado fondos de la convocatoria Fronteras de la Ciencia del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

Sobre la capacidad que tendrá este laboratorio en chip para detectar el número de contaminantes, el doctor Alfredo González indicó que ya trabajan en coordinación con otras áreas como la de ciencias y tecnologías biomédicas, en la detección de los químicos y los procesos celulares en los posibles analitos; sin embargo, la capacidad de controlar la luz que se emite ya es un hecho.

«La prueba teórica y la metodología están hechas y sustentan este proyecto. Terminar un prototipo que detecte un contaminante en el agua aún requiere de un trabajo coordinado con otras áreas, que ya iniciamos, por lo que pensamos que en un tiempo estimado de dos años podamos tener listo o avanzado este laboratorio en chip. Actualmente existen ejemplos de laboratorios en chip, pero no tienen integrada la fotónica y eso nosotros sí lo logramos, por eso nuestro sistema es innovador», concluyó el investigador.

Fuente: CONACYT.