Integración de microsensores y estructuras microfluídicas para la medida de parámetros químicos en sistemas biológicos

Abstract

El objetivo de esta tesis es resolver algunos aspectos científicos-técnicos de los LOC relacionados con la integración de sensores de estado sólido. Para conseguirlo se presenta el desarrollo de una tecnología que permite la integración de chips fabricados con tecnología microelectrónica y estructuras microfluídicas en sustratos poliméricos. Este manuscrito se divide en 6 capítulos. En el Capítulo 1 se realiza una introducción general de los principales elementos involucrados en el desarrollo de esta tecnología de integración, que son los sensores fabricados con tecnología microelectrónica, las estructuras microfluídicas, y las tecnologías de integración existentes. Un análisis del estado del arte de las principales aplicaciones de los sistemas LOC en la literatura, nos ha llevado a dirigir la aplicación de los dispositivos fabricados hacia la medida de parámetros químicos para aplicaciones biológicas. En el Capítulo 2 se definen los objetivos y motivaciones que han llevado al trabajo de investigación de esta tesis. En el Capítulo 3 se presenta la fabricación y caracterización de una serie de microsensores para su aplicación en cultivos celulares y en la medida de fluidos biológicos. Estos sensores son transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET), sensores amperométricos y sensores impedimétricos o electrodos interdigitados (IDE), para la medida de pH, ion potasio, oxígeno disuelto, glucosa y conductividad del medio, respectivamente. En el Capítulo 4 se expone el desarrollo de una tecnología que permite la integración de estos sensores en plataformas comerciales tipo PCB (printed circuit board) con sencillas estructuras microfluídicas fabricadas en PDMS. En el Capítulo 5 se demuestra la flexibilidad de la tecnología desarrollada mediante la fabricación de tres dispositivos de sistemas LOC, para su aplicación en la medida del pH extracelular de cultivos celulares y en el control del pH de la orina en la enfermedad de litiasis. En el Capítulo 6 se resume el trabajo futuro a realizar para optimizar la tecnología de integración desarrollada y seguir avanzando hacia la fabricación de sistemas LOC viables para su aplicación en sectores de interés industrial.

The objective of this thesis is to solve some of the scientific-technical problems related to the integration of solid state sensors in lab on a chip systems (LOCs). To achieve this, the development of a technology that allows the integration of chips fabricated with microelectronics and microfluidic structures on polymer substrates is presented. This manuscript is divided into 6 chapters. In Chapter 1 a general introduction to the main elements involved in the development of this technology is presented. These elements are microelectronic sensors, microfluidic structures and existing integration technologies. An analysis of the state of the art of the main applications of LOC systems in the literature has led us to address the application of the devices fabricated within this thesis to measure chemical parameters for biological applications. In Chapter 2 the objectives and motivations followed in this thesis are defined. The production and characterization of a number of microsensors for use in cell culture and measurement of biological fluids is presented in Chapter 3. These microsensors are ion selective field effect transistors (ISFET), amperometric sensors and impedimetric interdigitated electrodes (IDE) and are applied to monitor pH, potassium ion, dissolved oxygen, glucose and conductivity of the extracellular medium, respectively. In Chapter 4 the development of a technology that allows the integration of these sensors into commercial platforms, such as PCB (printed circuit board) with simple microfluidic structures made of PDMS is exposed. In Chapter 5, the flexibility of the technology developed is presented by the manufacture of three devices of LOC systems, for use in the measurement of the extracellular pH in cell cultures and controlling the pH of the urine in gallstone disease. Future work involves optimizing integration technology developed and further progress towards making LOC systems viable for application in areas of industrial interest is summarized in Chapter 6.