Análisis de las propiedades electroquímicas de micro electrodos para aplicaciones biológicas - Flores Gómez, Miguel Angel; Santos Cuevas, Cristobal Alfonso (My University, 2015)
La miniaturización comenzó con el surgimiento de los circuitos integrados, cuyo propósito principal era el de reducir los costos y eventualmente integrar sensores y circuitos en el mismo chip. Como resultado de esta evolución es que surge la tecnología MEMS, que es el acrónimo en inglés de MicroElectroMechanical Systems o Microsistemas Electromecánicos. Esta tecnología es de gran utilidad en distintas áreas de investigación y desarrollo tecnológico, debido a los beneficios de tamaño, portabilidad, precisión y bajo consumo de energía y ha evolucionado hacia otro tipo de miniaturas, incluyendo dispositivos y sistemas magnéticos, térmicos, fluídicos y ópticos. Esta expansión también ha requerido la utilización de otros materiales estructurales diferentes al silicio, como Titanio y diferentes polímeros, que permitan la integración a sistemas más complejos como los biológicos, dando origen a los sistemas BioMEMS, y a los químicos, hacia lo que se conoce como sistemas Lab-on-a-chip (LOC). Los sistemas electrónicos de estimulación y sensado en tiempo real, como son los aparatos EIS (del inglés Electrochemical Impedance Spectroscopy) comerciales, son de gran utilidad en diferentes ramas de la ciencia y la ingeniería, ya que permiten una rápida obtención e interpretación de los resultados obtenidos, así como una representación más eficaz de éstos ya sea en forma de gráficas o diagramas, dependiendo del fenómeno que se esté analizando y las condiciones del mismo. Lo anterior, aunado a un sistema de proporciones microscópicas, representa un gran beneficio para poder realizar experimentos de caracterización de interfaces electrolíticas, puesto que el fenómeno consume de manera considerable menor cantidad de materiales y reactivos con respecto a los experimentos tradicionales de tamaño macrométrico y permiten el estudio de entidades microscópicas, como células o porciones de tejido orgánico. Por otra parte, si se está estudiando una muestra biológica, se tiene la oportunidad de monitorear sus propiedades eléctricas in-vitro, así como de definir la condición en la que se encuentra la muestra biológica que se esté analizando como, por ejemplo: establecer la salud de un conjunto de células cardiacas de pez zebra a partir de los resultados obtenidos de la espectroscopía de impedancia electroquímica. Se generó un arreglo de microelectrodos planares biocompatibles y se obtuvieron los valores de impedancia electroquímica de la interfaz electrolítica generada entre éstos y una sustancia fisiológica, validados con un dispositivo EIS comercial, en un intervalo de frecuencias de 1000 [Hz] a 0.1 [Hz]. Se utilizó una tarjeta de adquisición de datos NI USB-6211 conectada a una computadora y la plataforma de programación gráfica LabVIEW para la generación, adquisición, procesamiento de las señales y para mostrar los resultados de EIS por medio de diagramas de Nyquist y de Bode. El sistema presentado en el presente trabajo representa una opción de bajo costo en comparación con dispositivos EIS comerciales.
En la presente tesis se hace una remembranza histórica de los dispositivos MEMS, así como una descripción de los procesos de microfabricación. En conjunto con lo anterior, se documenta el proceso histórico hasta llegar al día de hoy, de los modelos existentes para modelar y analizar celdas electroquímicas. Secundando a lo anterior, se describe el proceso de fabricación de Lift-off, utilizando en el presente trabajo para la generación de los arreglo de microelectrodos planares de oro. En donde, se hace un análisis comparativo de los posibles materiales utilizados y de su biocompatibilidad. Después, se explican las analogías químico-eléctricas y el proceso matemático que conlleva a un algoritmo que puede ser programable en un dispositivo para la generación y adquisición de señales y que permita en este caso la obtención de la impedancia electroquímica. Posteriormente, se plantea el proceso que se siguió para poder realizar las mediciones de impedancia electroquímica, en un intervalo de 1000 [Hz] a 0.1 [Hz], utilizando el arreglo de microelectrodos anteriormente mencionado y la tarjeta NI-USB 6211 de National Instruments en comunicación con la plataforma de programación grafica LabVIEW. Consiguientemente, se exponen de los resultados obtenidos en un dispositivo EIS comercial y en el sistema generado en la presente tesis. Posteriormente se hace un análisis comparativo y se obtienen los coeficientes de correlación entre ambos resultados obtenidos, permitiendo la validación de los valores de EIS obtenidos en el sistema generado. Por último, se prueba que la propuesta de la tesis es válida y que se tiene un arreglo de microelectrodos biocompatible, compuestos de materiales inertes que casi no sufren desgaste y presentan beneficios económicos y de experimentación in-vitro. Se verifica que los resultados obtenidos utilizando la tarjeta de adquisición en comunicación con el programa generado permite la obtención de valores fiables de impedancia electroquímica, siendo así una opción de bajo costo en comparación con dispositivos EIS comerciales.
Keywords: Espectroscopia; Impedancia; Electroquímica; MEMS; microelectrodos; biocompatible; EIS