Fundamentos de Biosensores, Microfluídica y Técnicas de Caracterización Nanométrica

Biosensores y Lab-on-a-Chip

Un biosensor es un dispositivo que detecta un analito concreto en una muestra y lo cuantifica. Consta de dos partes fundamentales:

• Bioreceptor: Aporta especificidad al reconocer únicamente el analito de interés (anticuerpos, aptámeros, oligonucleótidos).
• Transductor: Convierte el reconocimiento biológico en una señal física medible (óptica, electroquímica, mecánica o térmica).

Características técnicas

Los biosensores destacan por su alta selectividad y sensibilidad, bajo límite de detección (LOD) y cuantificación (LOQ), buena linealidad, reproducibilidad y estabilidad. La sensibilidad indica cuánto cambia la señal ante variaciones en la concentración del analito.

Lab-on-a-Chip y Microfluídica

El concepto Lab-on-a-Chip integra etapas de laboratorio (entrada de muestra, mezcla, reacción y detección) en un chip pequeño, permitiendo la miniaturización y portabilidad. La microfluídica manipula fluidos en canales micrométricos donde domina el flujo laminar (bajo número de Reynolds). El PDMS es el material estándar en investigación por su biocompatibilidad, mientras que los termoplásticos predominan en aplicaciones comerciales.

Biofuncionalización y Detección

La biofuncionalización consiste en fijar bioreceptores sobre la superficie del sensor mediante adsorción, unión covalente o afinidad. La detección label-free permite medir propiedades como masa, carga o índice de refracción en tiempo real sin necesidad de marcadores.

Biosensores Nanofotónicos y Plasmónicos

Los biosensores nanofotónicos de campo evanescente detectan analitos mediante cambios en el índice de refracción local. Dispositivos como el interferómetro Mach-Zehnder (MZI) convierten cambios de fase en variaciones de intensidad, mientras que los anillos resonantes desplazan la longitud de onda de resonancia al unirse el analito.

Los biosensores plasmónicos utilizan oscilaciones colectivas de electrones (plasmones). En SPR se emplea una capa metálica continua, mientras que en LSPR se utilizan nanopartículas metálicas. Técnicas clásicas como ELISA (inmunológica) y PCR (amplificación de ácidos nucleicos) siguen siendo estándares de referencia en el laboratorio.

Fabricación y Procesado de Micro/Nanodispositivos

Litografía y Etching

• Litografía óptica: Usa luz UV y máscaras para transferir patrones.
• EBL (Haz de electrones): Alta resolución (menor a 10 nm), ideal para prototipado.
• FIB (Haz de iones): Esculpido directo mediante sputtering.
• NIL (Nanoimpresión): Transferencia mecánica mediante moldes.

El etching transfiere el patrón al sustrato: el ataque húmedo es selectivo pero isotrópico, mientras que el ataque seco (como RIE) es direccional. El lift-off se utiliza para definir estructuras metálicas mediante la eliminación selectiva de resina.

Deposición y Síntesis

La formación de películas finas se realiza mediante PVD (evaporación o sputtering) o CVD (incluyendo PECVD y ALD para recubrimientos uniformes). El autoensamblado (bottom-up) permite crear estructuras como SAMs, micelas o DNA origami. La síntesis química (sol-gel, electrodeposición) y la fabricación aditiva (polimerización de dos fotones) completan el arsenal de fabricación.

Técnicas de Caracterización

Microscopía Electrónica y de Barrido

La microscopía óptica está limitada por la difracción. Para superar este límite, se emplean:

• SEM: Barrido con haz de electrones. Ofrece información topográfica (electrones secundarios), composicional (electrones retrodispersados) y química (EDS/EDX).
• TEM: Haz de electrones a través de muestras ultrafinas. Permite estudiar estructura interna, planos cristalinos y difracción.
• SPM (AFM/STM): Uso de una punta nanométrica para medir interacciones físicas. El AFM es extremadamente versátil para muestras biológicas y aislantes.
• SNOM: Microscopía óptica de campo cercano que rompe el límite de difracción.

Espectroscopía y Análisis Estructural

El XRD determina la estructura cristalina mediante la ley de Bragg. El FTIR mide la absorción de radiación infrarroja por vibraciones moleculares, mientras que el Raman mide la dispersión inelástica. Técnicas avanzadas como SERS y TERS utilizan plasmones para potenciar la señal Raman, permitiendo una sensibilidad extrema a nivel molecular.