Espectrómetro fotoacústico miniaturizado permite la monitorización intravascular de gases en sangre

Los sistemas de espectroscopia miniaturizados capaces de detectar concentraciones de trazas a nivel de partes por mil millones (ppb) son cruciales para diversas aplicaciones, incluido el diagnóstico biomédico. Sin embargo, los sistemas de espectroscopia de sobremesa tradicionales son demasiado grandes, complejos y poco prácticos para su uso en espacios reducidos. Además, las técnicas de espectroscopia láser convencionales dependen de componentes voluminosos, como fuentes de luz, espejos, detectores y celdas de gas para detectar la absorción o dispersión de luz por una muestra. Esto los hace inadecuados para situaciones que requieren mínima invasividad, como el diagnóstico intravascular.

Para abordar estas limitaciones, los investigadores han desarrollado un novedoso espectrómetro fotoacústico (FPAS) de fibra miniaturizado, diseñado para detectar gases traza a nivel de ppb y analizar muestras de tamaño nanométrico con tiempos de respuesta de milisegundos, lo que lo hace ideal para el análisis continuo de gases intravasculares.

En un estudio publicado en Advanced Photonics, investigadores de la Universidad de Jinan (Guangzhou, China) presentaron el FPAS, que está diseñado para detectar gases traza a nivel de ppb mientras analizan muestras de tamaño nanométrico con tiempos de respuesta rápidos. Los investigadores se centraron en superar el desafío de reducir el tamaño de los espectrómetros fotoacústicos tradicionales a una microescala manteniendo al mismo tiempo un alto rendimiento de detección, en particular para aplicaciones como el diagnóstico intravascular y el control del estado de las baterías de litio, que requieren una invasividad mínima.

Si bien los sistemas de espectroscopia láser actuales, que se utilizan normalmente en configuraciones de trayectoria abierta, enfrentan desafíos al reducir la sensibilidad debido al tamaño del dispositivo, el FPAS opera utilizando la espectroscopía fotoacústica (PAS). La PAS detecta ondas sonoras generadas por moléculas de gas cuando son excitadas por luz modulada.

A diferencia de los sistemas PAS tradicionales que utilizan voluminosas células de gas resonantes para la amplificación acústica o grandes micrófonos para aumentar la sensibilidad acústica, el FPAS totalmente de fibra integra una membrana elástica con patrón láser en la punta de una única fibra óptica junto con un capilar de sílice para crear una cavidad microscópica de Fabry–Perot (F–P). La cavidad de sílice actúa como un límite acústicamente sólido, atrapando y acumulando eficientemente las ondas acústicas generadas por las moléculas de gas hacia la membrana flexible.

Esta amplificación acústica local compensa la pérdida de sensibilidad causada por la reducción del diámetro de la membrana, resultando en una respuesta fotoacústica independiente del tamaño. Además, tanto los haces de luz de bombeo como de sonda se envían a través de la misma fibra para la excitación y detección de la señal fotoacústica, lo que elimina la necesidad de ópticas voluminosas de espacio libre.

Con una cavidad F–P que mide solo 60 micrómetros de longitud y 125 micrómetros de diámetro, el sistema es increíblemente compacto. A pesar de su pequeño tamaño, alcanza un límite de detección de gas acetileno de tan solo 9 ppb, casi igualando la sensibilidad de los espectrómetros de laboratorio tradicionales más grandes. La corta longitud de la cavidad también permite mediciones rápidas, con tiempos de respuesta tan breves como 18 milisegundos, que son de 2 a 3 órdenes de magnitud más rápidos que los sistemas convencionales de espectroscopía fotoacústica.

Los investigadores utilizaron con éxito el FPAS para monitorear en tiempo real las concentraciones de dióxido de carbono (CO2) en gas en flujo, detectar la fermentación en soluciones de levadura con volúmenes de muestra tan pequeños como 100 nanolitros y rastrear los niveles de CO2 disuelto en vasos sanguíneos de ratas in vivo insertando el FPAS en la vena de la cola a través de una jeringa.

El espectrómetro midió eficazmente los niveles de CO2 en condiciones hipóxicas (bajo nivel de oxígeno) e hipercápnicas (alto nivel de CO2), demostrando su potencial para el monitoreo de gases sanguíneos intravasculares en tiempo real sin necesidad de recolección de muestras de sangre. Además, la fibra óptica puede conectarse fácilmente a una fuente de láser de retroalimentación distribuida de bajo costo e integrarse en las redes de fibra óptica existentes, haciendo que el sistema sea una solución económica, compacta y flexible para la espectroscopía.

Con su pequeño tamaño, alta sensibilidad y bajo requisito de volumen de muestra, este espectrómetro miniaturizado ofrece precisión a nivel de laboratorio en un formato de sonda a microescala. Tiene potencial para aplicaciones como la monitorización continua de los gases sanguíneos intravasculares, evaluaciones de salud mínimamente invasivas de baterías de iones de litio y detección remota de fugas de gas explosivo en espacios confinados.