EVALUACIÓN DE SENSORES ÓPTICOS DE TEMPERATURA APLICACIONES EN MICROFLUÍDICA

Abstract

[ES] La temperatura es uno de los parámetros más fundamentales en numerosos procesos, ya sean biológicos, físicos o químicos. Centrándonos en las aplicaciones involucradas en la investigación biomédica, se debe resaltar que la temperatura es una propiedad física que gobierna cada reacción biológica dentro de las células vivas. Tanto las reacciones exotérmicas como las endotérmicas implicadas en las funciones celulares ocurren en ubicaciones particulares dentro de una célula, lo que implica que las distribuciones de temperatura dentro de una célula viva reflejan la termodinámica y las funciones de los diferentes componentes celulares. Por lo tanto, sería de gran interés llegar a ser capaces de medir con precisión las temperaturas en este nivel.

La temperatura se puede medir de muchas maneras, basándose en la dilatación, termómetros bimetálicos, efecto Seebeck, etc. El termómetro convencional, basado en el fenómeno de la dilatación, fue inventado en 1612 por el médico italiano Santorio Santorii. El sensor de temperatura bimetálico se inventó a fines del siglo XIX. Añadió una escala en el tubo, lo que hizo facilitó la observación de los cambios en la temperatura, pero el sistema carecía de unidades precisas: la precisión era de más o menos 2 grados. Luego, en el siglo XX, se inventaron los dispositivos de medición de temperatura de semiconductores. Estos responden a los cambios de temperatura con buena precisión, pero hasta hace poco carecían de linealidad. Además de los termómetros convencionales, los sensores ópticos se consideran alternativas atractivas para la detección y la monitorización continua de la temperatura. Permitirían la posibilidad de trabajar a nivel celular, ya que permiten la toma de mediciones "sin contacto" y no invasivas, combinadas con altas resoluciones espaciales y altos coeficientes de temperatura, lo que es difícil de alcanzar con otros métodos. Las mediciones ópticas permiten investigar sin perturbar o destruir la muestra. Los nanotermómetros de termopares o nanotubos de carbono son alternativas para la detección de temperatura con alta resolución espacial y pueden superar las limitaciones que presentan los sensores ópticos, como una posible estabilidad deficiente, excitación UV, rendimientos cuánticos deficientes y toxicidad.

El objetivo de este trabajo es evaluar los sensores ópticos de temperatura para aplicaciones de en chips microfluídicos. Esto incluye construir una set-up de medición, preparar diferentes sensores luminiscentes, medir curvas de calibración y su integración en dispositivos microfluídicos.

La tecnología microfluídica permite estudiar el comportamiento de las células, logrando unas condiciones experimentales precisas y localizadas inalcanzables utilizando herramientas macroscópicas. Para este tipo de experimentos, es particularmente importante averiguar si las condiciones del chip son las especificadas. Por lo tanto, es necesario corroborar si existe un gradiente de temperatura en el chip y si su magnitud es lo suficientemente grande como para afectar el experimento que tiene lugar en él. Al seleccionar y bombear agua en el chip a diferentes tasas de flujo, sabremos a partir de cuál los experimentos podrían comenzar a verse afectados.

[EN] Temperature is one of the most fundamental parameters in numerous processes, either in biological, physical or chemical ones. Focusing on applications involved in biomedical research, it should be highlighted that temperature is a physical property that governs every biological reaction within living cells. Either exothermic or endothermic reactions implicated in cellular functions occur at particular locations within a cell, which demonstrates that the temperature distributions inside a living cell reflect the thermodynamics and functions of the different cellular components. Therefore, it would be of great interest to achieve the ability of measuring accurately temperatures at this level.

Temperature can be measured in many different ways, which are based on dilatation, bimetallic, Seebeck effect, etc. The conventional thermometer, as based on the dilatation phenomenon, was invented in 1612 by the Italian physician Santorio Santorii. The bimetallic temperature sensor was invented late in the 19th century. It added a scale on the tube, which made it easier to see changes in temperature, but the system lacked precise units: the accuracy was about plus or minus 2 degrees. Then, in the 20th century the semiconductor temperature measurement devices were invented. Those respond to temperature changes with good accuracy but until recently lacked linearity. Besides conventional thermometers, optical sensors are considered to be more attractive alternatives for sensing and continuously monitoring the temperature. They would enable the possibility of working on a cellular level, since they allow contactless and noninvasive measurements combined with high spatial resolutions and high temperature coefficients, which is hardly reachable with other methods. Optical measurements allow researching without disturbance or destruction of the sample. Thermocouple or carbon nanotube-based nanothermometers are alternatives for temperature sensing with high spatial resolution and can overcome the limitations that present the optical sensors such as possible poor stability, UV excitation, poor quantum yields and toxicity.

The objective of this work is to evaluate optical temperature sensors for microfluidic chip applications. This includes building a measurement set-up, preparing different luminiscent sensor spots, measuring calibration curves and their integration into microfluidic devices.

Microfluidic technology enables studies of cell behavior with precise and localized application of experimental conditions unreachable using macroscopic tools. For this kind of experiments, it is particularly important to find out if the conditions among the chip are the specified ones. Thus, it is necessary to corroborate if there exists a gradient of temperature in the chip and if its magnitude is big enough to affect the experiment that takes place in it. By selecting and pumping water into the chip at different flow rates we will find out from which one the experiments could start to be affected.