MICROSCOPIO DE LENTE TÉRMICA PARA APLICACIONES EN MICROFLUÍDICA. (solicitud CAI ID: 7568, Folio: 2254 ver ANEXO 1)

[pic 1][pic 2]

SOLICITUD: 7568

PROYECTOS PARA LA INNOVACIÓN IPN 2016

MEMORIA DESCRIPTIVA DEL PROYECTO

1. Título del proyecto:

MICROSCOPIO DE LENTE TÉRMICA PARA APLICACIONES EN MICROFLUÍDICA. (solicitud CAI ID: 7568, Folio: 2254 ver ANEXO 1)

1. Coordinador y participantes en el proyecto indicando su Unidad de Adscripción.

COORDINADOR

i- Dr. Ernesto Marín Moares, Investigador (CICATA-LEGARIA)

Información relevante (se anexa Curriculum Vitae-Anexo2):

Investigador Nacional Nivel III. Autor de más de 140 publicaciones científicas, 5 capítulos de libros, un libro, dos patentes y dos registros de autor. Ha dirigido 5 tesis de Licenciatura, 16 de Maestría y 11 de Doctorado. Premio a la Investigación 2011 y 2013 del IPN en la Categoría Investigación Básica y Aplicada respectivamente. Miembro de la AMC. Tiene amplia experiencia en el área de las técnicas fototérmicas y sus aplicaciones.

PARTICIPANTES

Investigadores

i- Dr. José Antonio Calderón Arenas, Investigador (CICATA-LEGARIA).

Información relevante:

Investigador Nacional Nivel II. Fue fundador del laboratorio de técnicas fototérmicas de CICATA-Legaria, Coordinador del Programa de Tecnología Avanzada y Director del mismo centro. Premio a la Investigación del IPN en 2003 y Premio de Ingeniería de la Ciudad de México en 2012. Miembro de la AMC. Tiene amplia experiencia en el área de las técnicas fototérmicas y sus aplicaciones, donde demuestra una vasta productividad científica y trabajo en la formación de recursos humanos.

ii- Dra. Guadalupe Valverde Aguilar

Información relevante:

Investigadora Nacional Nivel II. Especialista en químico-física, apoyará el proyecto en lo referente a la preparación de muestras para estudios de sensibilidad y límites de detección.

Estudiantes

iii- MTA. Ramón Enrique Cedeño Bernal, Estudiante de Doctorado (CICATA-LEGARIA).

Información relevante:

Ingeniero industrial, tiene experiencia en montaje y automatización de experimentos, programación en diferentes lenguajes y ambientes. Su tesis de Maestría en Tecnología Avanzada realizada bajo la tutoría del director del proyecto trató sobre la implementación de un microscopio fototérmico basado en detección acústica. Durante su trabajo doctoral ha trabajado en la implementación de un microscopio basado en el efecto de lente térmica, que constituye el antecedente directo de este proyecto. Por todo ello cuenta con experiencia para colaborar en el proyecto.

iv- MTA. Angel Sergio Cifuentes Castro, Estudiante de Doctorado (CICATA-LEGARIA)

Información relevante:

Especialista en electrónica y mecatrónica, tiene experiencia en automatización de experimentos, programación en diferentes lenguajes y ambientes. Su participación estará dirigida al desarrollo de ina interfaz para la adquisición de la señal de lente térmica mediante la técnica de amplificación sincrónica.

v- Ing. Eduardo Vargas Bernardino, Estudiante de Maestría (CICATA-LEGARIA).

Información relevante:

Realiza su tesis en temas relacionados con este proyecto. Es ingeniero electrónico, con experiencia en programación, automatización de experimentos, electrónica digital y óptica. Participará en el montaje del microscopio.

1. Resumen del proyecto.

El efecto de lente térmica (LT) es causado por la generación de calor después de que la energía de un haz de luz láser de excitación o bombeo ha sido absorbida por una muestra. Este calor produce un cambio de temperatura local y forma un gradiente de índice de refracción que produce una lente de naturaleza térmica. La señal de LT se detecta como el cambio relativo de la intensidad axial de otro haz de luz láser, denominado el haz de prueba. La señal de LT es proporcional al coeficiente de absorción óptica de la muestra examinada. En aplicaciones químicas y analíticas, la espectroscopía de LT es una técnica de detección de alta sensibilidad, ofreciendo límites de detección inferiores a los obtenidos por métodos convencionales como la espectrofotometría, lo que lo hace ideal para la detección de trazas de especies absorbentes en soluciones líquidas. Si la medición se realiza en un área de dimensiones micrométricas, la técnica toma el nombre de microscopía de LT. El objetivo del presente proyecto es desarrollar un prototipo de un microscopio basado en el efecto de LT con haces de bombeo y prueba propagándose coaxialmente y en direcciones contrarias y con una cavidad óptica pasiva integrada que proporciona una regeneración óptica para el paso múltiple del haz láser de prueba para mejorar la sensibilidad. En trabajos preliminares hemos demostrado la posibilidad de usar la técnica de lente térmica combinada con un resonador óptico para lograr una mejora drástica de la señal de lente térmica utilizando muy baja energía del haz de excitación. En la configuración micro-espacial propuesta, los haces de bombeo y de prueba se enfocan en una región de algunos micrómetros cuadrados, por lo que la cantidad de muestra a analizar puede ser muy pequeña. En análisis de muestras de metales pesados en agua se alcanzaron límites de detección en niveles de ppt, es decir, algunos ng/L de la especie contaminante, lo que es equivalente a la detección de algunas pocas moléculas en el volumen de muestra analizado. Esta configuración constituye entonces un dispositivo prometedor, que puede ser una herramienta útil para detectar trazas de elementos químicos en pequeños volúmenes de soluciones, para el análisis bioquímico de toxinas y otros agentes patógenos peligrosos, enzimas, análisis de ADN, etc., así como para aplicaciones de bio-imágenes y microfluídica.  En nuestro grupo de investigación se tienen avances que demuestran la viabilidad del proyecto, mismos que están avalados principalmente por una Tesis de Maestría (Anexo 3) y 5 artículos publicados en revistas JCR (Anexos 4-8). Los avances de una tesis de doctorado a ser defendida el próximo año se han incluido en la tesina elaborada para el examen predoctoral (Anexo 9).

1. Resumen en idioma inglés (abstract).

The thermal lens (TL) effect is caused by the deposition of heat through nonradiative decay processes after the laser excitation (or pump) beam energy has been absorbed by a sample. This heat produces a local temperature change and forms a refractive index gradient that ultimately produces a lens of thermal nature in the sample. TL is detected as the relative change of the axial intensity of another laser beam called the probe beam. The TL signal is proportional to the optical absorption coefficient in the examined sample. In chemical and analytical applications, TL spectrometry is a detection technique of high sensitivity, offering low detection limits two or three orders of magnitude lower than those obtained by conventional transmission mode methods such as spectrophotometry, what makes it ideal for determination of ultra-trace amounts of absorbing species in liquid solutions. If the measurement is performed in an area of micrometric dimensions, the technique takes the name of thermal lens microscopy. The goal of the present project is to develop a prototype of a thermal lens microscope with coaxial counter-propagating pump-probe beams and an integrated passive optical cavity, which provides an optical feedback for the multiple pass of the probe laser beam to enhance sensitivity. In preliminary works we have demonstrated the possibilities to use thermal lens detection combined with an optical resonator to achieve a drastic thermal lens signal enhancement using very low excitation power. In the proposed micro spatial configuration, the pump and probe beams are focused within a few quadrat micrometers area, so that the quantity of sample to be analyzed can be very small. Low detection limits achieved for metal samples in water reaches the ppt levels, i.e. some ng/L of the contaminant specie in a solution, which is equivalent to the detection of only few molecules within the analyzed volume of sample. This setup is a promising device, which can be applied as a sensitive tool for detecting chemical traces in small volumes of solutions, biochemical analysis of toxins and other dangerous pathogens, enzyme, DNA analysis, etc., as well as for bio-imaging and microfluidics applications. In our research group we have demonstrated the viability of the project whose advancement is supported by one Master Thesis (Appendix 3), and four articles published in JCR Journals (Appendices 4-8). The advances of a Ph. D thesis to be defended next year about the theme of the project was included in a pre-thesis document elaborated for the pre-doctoral examination (Appendix 9).

1. Descripción de la problemática o necesidad de mercado que pretende resolver con el desarrollo del proyecto.

Una de las tendencias modernas en el desarrollo de la química analítica es la miniaturización de instrumentos y aparatos para el análisis químico y la integración de todos los pasos de análisis (muestreo, preparación de la muestra, separación, preconcentración, reacción analítica y medición de la señal analítica) en un solo dispositivo supercompacto y pequeño, por ejemplo, un microchip con dimensiones lineales de canales de 1 nm a 10 μm [1-10]. Estos dispositivos se conocen como sistemas microfluídicos, sistema de análisis micro-Total (μTAS), sistemas de microanálisis integrado o laboratorio-en-un-chip. El uso de sistemas integrados miniaturizados en síntesis y análisis permite reducir los volúmenes de reactivos, solventes y residuos a 0.1 – 1 μl y reducir el tiempo de análisis en varios órdenes de magnitud en comparación con los instrumentos analíticos tradicionales [1, 4, 5]. Algunas veces los sistemas microfluídicos también integran detectores, pero normalmente el microchip en sí mismo solamente acomoda una zona de detección (comúnmente óptica) y una interfaz con un detector externo [11-13]. La elección de una técnica de detección es uno de los temas clave que deben abordarse al pasar del análisis clásico al microfluídico: bajas concentraciones del blanco y volúmenes de muestra pequeños imponen demandas mayores de sensibilidad de detección e instrumentación. Como los volúmenes de fluidos en sistemas microfluídicos generalmente varían de unos pocos a decenas de nanolitros, se requieren métodos muy sensibles capaces de detectar una sola o pocas moléculas en microchips.

...