Una gota del líquido es suficiente para determinar la composición.

Sensor químico en un chip

01.09.2022 - Austria

No se ven, pero son perfectas para estudiar líquidos y gases: Los rayos láser en la gama de infrarrojos son absorbidos en distinto grado por diferentes moléculas. Este efecto se utiliza, por ejemplo, para medir la concentración de oxígeno en la sangre. En la Universidad Técnica de Viena se ha retomado este sencillo principio y se ha realizado un nuevo prototipo de sensor sobre esta base.

Los láseres en cascada cuántica especialmente diseñados y los detectores de luz se producen en un chip en la TU Wien en el mismo proceso de fabricación. La distancia entre el láser y el detector es de sólo 50 micrómetros. Se trata de un puente con la llamada guía de ondas de plasmones de superficie hecha de oro y nitruro de silicio. Este nuevo enfoque permite la producción sencilla y rentable de diminutos sensores de líquidos para una amplia gama de aplicaciones.

Láser y detector
Los láseres de cristal ordinarios, como el conocido láser de rubí rojo, están compuestos por un solo material específico. Los láseres de cascada cuántica, en cambio, están compuestos por una secuencia perfectamente optimizada de diferentes capas de material. Esto permite controlar específicamente propiedades importantes del láser, como la longitud de onda de su luz. Cuando se aplica una tensión eléctrica a la estructura de capas creada artificialmente, el láser comienza a brillar. Sin embargo, la estructura de capas también puede utilizarse como detector en la dirección opuesta: Si se irradia con luz, se genera una señal eléctrica.

En la Universidad Tecnológica de Viena se desarrolló un método para producir un láser y un detector simultáneamente a partir de la misma secuencia de capas en un chip, de forma que la longitud de onda de la luz láser se corresponde exactamente con la del detector. Este material bifuncional se produce capa a capa en el Centro de Micro y Nanoestructuras de la Universidad Técnica de Viena mediante epitaxia de haces moleculares. "Al fabricarlos juntos, no hay que ajustar el láser y el detector: están colocados de forma óptima en el mismo chip desde el principio", afirma Benedikt Schwarz, del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de la Universidad de Viena.

Guiado de la luz del láser al detector
En los sistemas ópticos convencionales, la luz láser generada tiene que ser guiada al detector con la ayuda de lentes ajustadas con precisión. También se pueden utilizar fibras de vidrio, pero normalmente sólo transportan la luz en su interior, es decir, no la ponen en contacto con el entorno y entonces no son adecuadas como sensores.

En el nuevo dispositivo presentado por el equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena, la conexión óptica entre el láser de cascada cuántica y el detector funciona de forma completamente diferente. Se trata de una guía de ondas plasmónica formada por oro y nitruro de silicio. "La luz interactúa con los electrones del metal de una manera muy especial, de modo que la luz se guía por el exterior de la superficie del oro", explica Benedikt Schwarz. "Esto permite que la luz sea absorbida por las moléculas en su camino entre el láser y el detector".

El chip sensor terminado puede sumergirse en un líquido. La composición del líquido puede deducirse entonces de la atenuación de la señal luminosa por las moléculas absorbentes. Este sensor se probó con una solución de agua y alcohol. La concentración de agua puede medirse de este modo con una precisión de hasta el 0,06%.
Gracias a la posibilidad de ajustar la longitud de onda mediante el diseño de la secuencia de capas, el concepto de sensor puede aplicarse a una amplia gama de moléculas, como hidrocarburos o proteínas, para diversas aplicaciones en análisis químicos, biológicos o médicos.

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