Pinzas optoelectrónicas fotovoltaicas para manipular biogotículas micrométricas

En muchos campos de la ciencia se buscan actualmente técnicas para la manipulación de materiales en la escala micrométrica y nanométrica que permitan, entre otras cosas, la miniaturización de dispositivos. En este sentido, y puesto que la mayoría de los procesos biológicos y químicos se producen en entornos líquidos, resulta crucial desarrollar técnicas que permitan manejar gotas cada vez más pequeñas y que puedan contener micro/nano-objetos.

Las técnicas de manipulación de materiales en la escala micro/nano-métrica se suelen denominar “pinzas”, como las pinzas ópticas, que solo implican un haz de luz intenso, o las pinzas optoelectrónicas, que requieren, además, un sustrato fotoconductor y fuentes de voltaje.

Ahora, en un trabajo que se publica en Physical Review Applied, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), han propuesto una nueva técnica para la manipulación de gotículas, basada en las denominadas “pinzas optoelectrónicas fotovoltaicas”, o PVOT: Photovoltaic Optoelectronic Tweezers.

La nueva técnica se basa en la interacción de la luz con un cristal/material ferroeléctrico singular que tiene propiedades ópticas muy relevantes, el niobato de litio (LiNbO₃). Este material, que se sintetiza como sólido cristalino, tiene la peculiaridad de que, cuando se ilumina con una intensidad de luz débil o moderada, genera en su interior campos eléctricos que pueden llegar a ser muy elevados, sobre todo si se ha introducido en el cristal una alta concentración de impurezas de hierro.

Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico de volumen y, aunque es poco eficiente para generación de energía eléctrica, ya que involucra corrientes muy bajas (pico/nano-amperios), puede dar lugar a campos eléctricos tan altos como 200.000 V/cm, capaces de atrapar y/o manipular micro/nano-objetos. Es decir, puede utilizarse como pinza optolectrónica sin necesidad de fuentes de voltaje o complejos electrodos depositados sobre la superficie del substrato.

“La distribución del campo eléctrico está determinada por una redistribución de la carga eléctrica en el interior del cristal activada por la luz, por tanto, mediante el control de la luz se puede controlar la distribución del campo eléctrico efectivo”, explican los autores.

Una herramienta potente y versátil

Puesto que la mayoría de los elementos biológicos necesitan un medio acuoso para sobrevivir, en el trabajo se ha investigado la acción de los campos fotovoltaicos foto-generados por un simple haz láser tanto sobre gotículas de agua como de soluciones acuosas con contenido biológico (por ejemplo, ADN).

Las gotículas están suspendidas dentro de una capa de aceite de parafina depositada sobre un sustrato de LiNbO₃:Fe. Los resultados obtenidos demuestran que se puede controlar el movimiento y atrapamiento de las gotículas simplemente controlando la intensidad y posición del láser sobre el sustrato. Operando de forma similar, también se demuestra la posibilidad, tanto de unir como de dividir gotas de volúmenes inferiores a 1 μL. El estudio aporta además simulaciones teóricas de la actuación de las pinzas que corroboran los resultados experimentales.

Todas estas operaciones convierten a la técnica PVOT en una herramienta muy potente y transversal en campos como la optofluídica y la biotecnología. Un ejemplo de carácter básico sería el estudio y manipulación de especies biológicas como ADN, células, bacterias y virus. Otro, desde una perspectiva más tecnológica, sería el desarrollo de dispositivos opto-microfluidicos Lab on a Chip que integren una o varias funciones de detección, análisis etc.

El trabajo ha sido realizado en el Laboratorio de Óptica No-lineal del Departamento de Física de Materiales de la UAM por Andrés Puerto, Luis Arizmendi, Angel García Cabañes y Mercedes Carrascosa, en colaboración con Angel Méndez Jaque, del Departamento de Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial, ETSIAE, de la UPM.

El Laboratorio de Óptica No-lineal de la UAM ha sido pionero a nivel internacional en el desarrollo de las PVOT, aplicándolas a la manipulación, estructuración y atrapamiento de micro/nano-partículas de muy diversa naturaleza: metálicas (Ag, Au, Al), semimétálicas (grafito), dieléctricas (SiO₂, CaCO₃, BaTiO₃), e incluso, en algún caso, de origen biológico (granos de polen, esporas y fragmentos nanométricos de ambos). En este contexto, el nuevo trabajo supone un avance crucial en esta línea al introducirse firmemente en el mundo biológico.

_____________________

Referencia bibliográfica:

Puerto, A., Méndez, A., Arizmendi, L., García-Cabañes, A., Carrascosa, M. 2020. Optoelectronic Manipulation, Trapping, Splitting, and Merging of Water Droplets and Aqueous Biodroplets Based on the Bulk Photovoltaic Effect”, Physical Review Applied 14, 024046. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.024046.