Bimodal waveguide interferometer device based on silicon photonics technology for label-free and high sensitive biosensing (2012)

Els dispositius optics biosensors basats en la deteccio d’ona evanescent podrien superar les limitacions dels tests de diagnostic actuals (que son lents i cars) degut a la possibilitat de realitzar les deteccions a temps reals i fent servir un esquema sense la necessitat de marcatges. Entre els diferents transductors optics, els interferometrics son els que posseeixen els millors limits de deteccio (LOD) deguts a canvis en el index de refraccio de dissolucions (10-7-10-8 Unitats d’Index de Refraccio, RIU) aixi com per sensibilitat superficial (en el rang dels pg/ml) i un rang lineal mes gran. No obstant, les configuracions interferometriques (l’interferometre Mach-Zehnder o el Young) mes usuals fan servir un divisor amb forma de Y, que es essencial per dividir o recombinar la llum, lo qual, degut a les tolerancies de les actuals tecniques de fabricacio es una gran desavantatge per la reproduibilitat d’aquests dispositius. Per evitar aquests problemes, hem desenvolupat una configuracio interferometrica mes simple basada en un guia de ones recte on dos modes de llum de la mateixa polaritzacio interfereixen entre si. Aquesta configuracio elimina la complexitat dels interferometres mes utilitzats i consequentment, el biosensors que s’obtenen son mes fiables i reproduibles. Aquesta tesis esta dirigida al desenvolupament i la caracteritzacio d’un nou transductor fotonic per biosensat d’alta sensibilitat i sense marcatges, el dispositiu de guia d’ona bimodal (BiMW). Amb aquest proposit, els seguents punts han estat plantejats: 1. Disseny, fabricacio i caracteritzacio optica del transductor que opera segons el principi de la interferencia de dos modes de llum. 2. Desenvolupament i optimitzacio de les estrategies de funcionalitzacio de la superficie transductora fent servir processos de silanitzacio. 3. Estudi de l’aplicabilitat del biosensor amb la demostracio del diagnosis analitic de problemes clinics rellevants. El transductor es fabrica a nivell d’oblea a la Sala Blanca, lo qual garanteix la produccio en massa del dispositiu aixi com un preu baix del mateix. El dispositiu es molt sensible a variacions en l’index de refraccio de dissolucions, obtenint un limit de deteccio de 2×10-7 RIU. La biofuncionalitzacio de l’area sensora es un dels aspectes mes importants d’aquest treball. Diferents protocols per immobilitzar els diferents bioreceptor en la superficie del dispositiu (cadenes d’ADN, proteines i anticossos) han estat desenvolupats. Aquests protocols s’han fet servir per la demostracio de diferents bioaplicacions; la deteccio d’hormones, bacteries o sequencies d´ADN complementaries. Els resultats presentats en aquesta tesis han destacat pel superior funcionament d’aquest dispositiu en comparacio amb els tests de diagnosis convencionals degut a: i) la possibilitat de monitoritzar les interaccions biomoleculars en temps real i fent servir un esquema sense marcadors reduint el temps i el cost de l’assaig, ii) la fabricacio del dispositiu fent servir microtecnologia de silici, possibilitant la produccio en massa, iii) l’alta sensibilitat (pg/ml, femtomolar) demostrada per les diferents bioaplicacions avaluades i iv) el dispositiu reuneix els requeriments especifics per ser miniaturitzat e integrat en una plataforma de sensat multiplexada. Aquest treball obre la porta a la integracio d’aquest transductor en un dispositiu lab-on-a -chip, una feina que inclou l’acoblament/deteccio de la llum, un sistema capac de modular la senyal interferometrica i la incorporacio de canals microfluidics per analisis multiplexats. Cadascun d’aquests temes afegeix molta complexitat al dispositiu final, han de ser individualment desenvolupades i optimitzades per ser integrades en un biosensor lab-on-a-chip. Finalment, la possibilitat de detectar simultaniament multiples analits involucra el desenvolupament de noves tecniques per recollir les multiples senyals aixi com desenvolupar noves estrategies de biofuncionalitzacio.