Sistema digital portátil para estudios de electrofisiología

Un grupo de investigadores del Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT) de la UNAM, encabezado por Asur Guadarrama Santana, desarrolla un sistema digital portátil de detección de señales eléctricas, con sensores capacitivos de alta sensibilidad, que se aplicará en estudios de electrofisiología efectuados en laboratorios tanto de investigación como de hospitales.

El Sistema de Medición Capacitivo para Bioseñales (SIMcapBioS), cuya sensibilidad se ha probado en material biológico en el ICAT, sirve también para caracterizar eléctricamente materiales y procesos físico-químicos.

En una primera etapa, Guadarrama Santana creó el prototipo durante una estancia posdoctoral en el Centro de Investigación Cardiovascular Dalton de la Universidad de Missouri, en Columbia, Estados Unidos.

“Es un sistema de medición de bajo ruido muy robusto, integrado por equipo e instrumentación de laboratorio. Muy selectivo, atrapa una señal eléctrica a una frecuencia determinada y, como un filtro, limpia el ruido en que está inmersa esa señal”, explica.

Cuenta con un amplificador Lock-in, que es su “corazón”; con un osciloscopio para ajustar los niveles base de medición; y con una fuente de alimentación bipolar que alimenta la electrónica de acondicionamiento, así como los sensores capacitivos de diferentes geometrías elaborados por Guadarrama Santana en el ICAT.

Por la versatilidad y sensibilidad de sus sensores capacitivos, este sistema ha sido utilizado en el análisis de muestras de líquido de hasta tres microlitros de volumen (una gota, prácticamente) y de sangre entera, como la obtenida por punzones para los glucómetros, y en la detección de partículas contaminantes en líquidos como el agua, gases como el butano y líquidos volátiles como el thinner.

Sensores

Los sensores capacitivos hechos en el ICAT son de diferentes geometrías: coplanarios (rectos, en espiral) y de punta.

Los coplanarios abarcan una mayor área de sensado y mejoran significativamente la sensibilidad a cambios temporales de propiedades eléctricas de procesos biológicos (coagulación de sangre) y de material biológico a nivel multicelular (células en un medio de cultivo).

“Están elaborados con cobre impreso en un sustrato de vidrio y con una película de óxido de silicio, que forman una capa aislante de aproximadamente 300 nanómetros, lo que les da más sensibilidad.”

Los de punta tienen una muy alta resolución de sensado en un área más pequeña que la utilizada en los coplanarios. Ambos se pueden montar e intercambiar en una tarjeta electrónica modular creada también en el ICAT.

El concepto de sensores duales se pone en práctica para realizar mediciones diferenciales, en las que uno de ellos se utiliza para compensar corrientes parásitas presentes en el sistema.

Cuando se extiende una muestra, los sensores capacitivos de espiral son muy buenos para monitorear las señales que, por ejemplo, genera la coagulación de la sangre (una gota entre dos sustratos de vidrio produce señales temporales que van cambiando por la interacción de las células involucradas en ese proceso).

“Hasta ahora sólo se han llevado a cabo pruebas de concepto para caracterizar la respuesta del SIMcapBioS, no así pruebas para estudios biológicos”, aclara Guadarrama Santana.

En caso de que se pretenda detectar actividad eléctrica para analizar a detalle una superficie específica, son más convenientes los sensores capacitivos de punta que, además, pueden hacer un barrido automático en tres ejes (X, Y y Z). Como se mueven en nanómetros, son capaces de abarcar hasta 3 milímetros cuadrados y dar resoluciones muy pequeñas.

Instalación en una laptop

Debido a que el prototipo es muy robusto y, por lo tanto, resulta complicado llevarlo a un laboratorio para efectuar pruebas biológicas, Guadarrama Santana desarrolló el sistema digital portátil de detección de señales eléctricas para experimentación in situ, bajo el concepto de instrumento virtual, pero aún falta optimizar su interconexión.

Se puede instalar en una laptop, conectando un módulo para digitalizar las señales analógicas provenientes de la tarjeta de sensado.

“Con este sistema digital portátil es posible hacer una lectura inmediata y en tiempo real de señales eléctricas. Eventualmente conectado a Internet, si se tratara de hallar algo biológico (sangre, células madre, bacterias, virus...), permitiría enviar a un médico los datos generados, con el fin de apoyar un diagnóstico; u a otro laboratorio de investigación, para apoyar un estudio específico.”

Como este sistema digital portátil de detección de señales eléctricas funciona con un software comercial, se podría diseñar un software propio para dejar de pagar licencias y tener una conectividad directa con la computadora.

“En el ICAT se diseñaron los sensores de diferentes geometrías, se optimizaron, se hicieron más sensibles y se acondicionaron a un equipo de medición comercial de bajo ruido; asimismo, se digitalizó todo el sistema de medición con un software comercial”, dice Guadarrama Santana.

Una vez que se tenga validado un uso específico de detección, que puede ser biológico, físico o químico, la siguiente meta sería implementar electrónicamente el SIMcapBioS en un chip. Entonces se podría pensar en el diseño de un dispositivo tipo glucómetro, pero para detectar, medir y caracterizar eléctricamente no glucosa, sino otro tipo de muestra biológica o proceso electrofisiológico.

En el proyecto han participado también estudiantes de licenciatura y posgrado (maestría en Instrumentación) de Ingeniería Eléctrica de la UNAM y el doctor Augusto García, coordinador del Grupo de Sensores del ICAT.