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Una tecnología para recoger «huellas digitales» moleculares que cabe en la punta del dedo

Los espectrómetros de infrarrojo (IR) medio de sobremesa se utilizan habitualmente en los laboratorios para identificar estructuras materiales en biología, química y física. Una investigación financiada con fondos europeos allana el camino para un sistema compacto, portátil y rentable que permitirá utilizarlo sobre el terreno y en posibles aplicaciones que van desde la vigilancia ambiental hasta la seguridad alimentaria y el diagnóstico médico.

Investigación fundamental
Salud

La tecnología para la integración de la fotónica en chips de silicio ha madurado enormemente, cuyos mayores avances se han logrado en los sectores de las telecomunicaciones y las tecnologías de la información. El proyecto INsPIRE, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), llevó esta tecnología hacia una dirección completamente nueva con la integración de componentes de IR medio en un único chip para identificar de forma eficiente y portátil moléculas como patógenos en el aire, en los alimentos y en muestras médicas.

Una serie única de funciones ópticas integradas de banda ancha

Los métodos espectroscópicos aprovechan la absorción y reflexión de la luz por parte de la materia para obtener pautas espectrales que permiten identificar los materiales presentes según su espectro característico. El espectro de longitudes de onda del IR medio contiene la región denominada «fingerprint» o huella digital (de alrededor de 2,5-10 µm) relacionada con el estiramiento, la vibración y la rotación de las moléculas. Cada molécula tiene una pauta de emisión espectral o «huella digital molecular» única, de forma que la espectroscopia de IR medio es capaz de identificar con mucha precisión las moléculas de una muestra. INsPIRE se propuso desarrollar una plataforma de fotónica integrada de silicio rica en germanio para detectar huellas digitales moleculares. Tal y como explica la investigadora principal Delphine Marris-Morini: «Esta aprovecha las ventajas de la tecnología fotónica del silicio, como la madurez, la fabricación a gran escala y el fuerte confinamiento óptico. Además, aprovecha la amplia ventana de transparencia del germanio de hasta 15 µm. Comparativamente, el óxido de silicio tiene una transparencia de hasta 3,8 µm y el silicio de hasta 8 µm». Esta amplia ventana de transparencia significa que los materiales ópticos empleados no absorben ni reflejan la luz de este espectro, de forma que no obstaculizan su propagación. El diseño monolítico de la fotónica integrada reduce el espacio necesario, lo cual resulta en un sistema de recogida de huellas digitales en chip de que cabe en la punta del dedo.

¿Dice que quiere una revolución?

INsPIRE evaluó las propiedades ópticas de la plataforma prevista y desarrolló una nueva serie de funciones ópticas. De cuando se adentraron en territorio desconocido, Marris-Morini recuerda: «Nos dimos cuenta de que el equipo que necesitábamos para probar nuestros dispositivos de IR medio estaba mucho menos desarrollado que el de longitudes de onda de IR cercano, en el que las aplicaciones de telecomunicaciones han impulsado la innovación. Tuvimos que construir nuestro propio rotador de polarización de banda ancha y, a menudo, compramos prototipos o dispositivos que acababan de comercializarse». Al final, el equipo acabó cambiando el mundo de la espectroscopia de IR medio, una evolución que dio lugar a varias novedades mundiales en materia de estructuras resonantes que funcionan en el espectro de longitud de onda de 8 µm: resonadores tipo Fabry-Perot integrados basados en la red de difracción de Bragg para IR medio, resonadores de anillo integrados de banda ancha y un espectrómetro de transformada de Fourier basado en IR medio de alta resolución y banda ancha en silicio-germanio. Aunque el desarrollo de moduladores ópticos de IR medio no estaba previsto al inicio del proyecto, el equipo batió otro récord: la primera modulación óptica en un circuito fotónico de IR medio que funciona en el espectro de longitud de onda de 5,5-11 µm.

Fotónica de IR medio integrada para una aplicación generalizada

Marris-Morini resume: «Al traspasar las fronteras de lo que era posible, creamos unos espectrómetros de IR medio en chip de alta resolución que funcionan en una banda de frecuencia ultraancha (en principio 1,5-15 µm) sobre un circuito con una superficie inferior a un centímetro cuadrado». La tecnología allana el camino hacia unos sensores de bajo coste portátiles para aplicaciones que van desde la vigilancia ambiental de contaminantes en tiempo real hasta la seguridad alimentaria y el diagnóstico médico temprano.

Palabras clave

INsPIRE, infrarrojo medio, fotónica, longitud de onda, molécula, óptico, molecular, espectrómetro, silicio, huella digital, espectral, espectroscopia, plataforma, resonador, infrarrojo, integración monolítica, germanio, sistema en chip, guía de onda, índice de refracción

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