Estudio del comportamiento térmico de un micromanipulador de partículas biológicas

Study of the thermal behaviour of a micromanipulator of biological particles

El creciente interés por parte de investigadores en microbiología por disponer de métodos para la caracterización y manipulación de biopartículas, ha impulsado el diseño y fabricación de micro herramientas en tecnología de semiconductores, basadas en la interacción de partículas polarizables con un campo eléctrico no uniforme, fenómeno conocido como  electroforesis. Antes de utilizar la microestructura con biopartículas en sus medios de cultivo originales de alta conductividad, es necesario estudiar la respuesta del microsistema ante los cambios de temperatura inducidos por la corriente eléctrica que circula entre los electrodos. El objetivo de éste trabajo es el modelado de una microestructura con cuatro electrodos en espiral, diseñados para aplicaciones de dielectroforésis de onda viajera. Dadas las características del problema, se hace necesaria la realización de un análisis acoplado directo electro-térmico. Los electrodos de aluminio, con ancho y separación de 5 mm, fueron crecidos sobre un substrato de SiO₂ y forman parte del proceso CMOS realizado en el Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (España).

1. Introducción

El creciente interés por parte de investigadores en microbiología por disponer de métodos para la caracterización y manipulación de biopartículas, entendida como la retención, levitación, desplazamiento y separación de las mismas, ha impulsado el diseño y fabricación de microchips en tecnología de semiconductores basados en la utilización de campos eléctricos [1-5].

La manipulación de partículas individuales requiere de electrodos con igual o menor tamaño que el de los objetos que se desean manejar; típicamente de 1 a 100 m[6]. Los microdispositivos se diseñan y fabrican en tecnología de semiconductores y están basados en la interacción entre partículas polarizables y campos eléctricos no uniformes, fenómeno conocido como dielectroforésis (DEP) [7].

El término dielectroforésis agrupa un conjunto de fenómenos que varían en el tipo de movimiento que se induce en la partícula bajo prueba, el cual dependerá de la geometría y número de los electrodos, así como de la relación en la fase de la señal eléctrica empleada para energizarlos [8].

De esta manera, es posible obtener el movimiento lateral de las partículas atrayéndolas o alejándolas de los puntos de mayor intensidad del campo eléctrico, fenómeno conocido como DEP común. También es posible inducir un torque sobre las partículas, utilizando para ello al menos cuatro electrodos ortogonales, a lo cual se le llama electrorotación (ROT). Otra alternativa es disponer de un arreglo lineal de electrodos alimentados por cuatro señales eléctricas desfasadas 90º entre sí, como el mostrado en la figura 1, los cuales permiten generar un campo eléctrico que viaja sobre los electrodos y que al interactuar con la partícula inducen en ella un movimiento lineal, fenómeno conocido como dielectroforésis de onda viajera (TWD), lo cual es útil en el desarrollo de biochips [9].