Lens-free interferometric microscope for transparent materials

Abstract

As health systems fight against epidemics and infectious diseases, new forms of diagnostics need to be developed in order to meet the growing demand for services, often in locations without the necessary infrastructure. An emerging solution to this problem is point of care (POC) devices since they can provide rapid diagnostics without the need for specialized personnel or complex infrastructures. In this thesis, we show the development of a POC platform for the rapid early detection of infection, in particular Sepsis, a whole-body inflammatory reaction with high mortality rates. The main components of this platform are: a lens-free interferometric microscope (LIM) and a microfluidic cartridge with a functionalized plasmonic chip for the label-free detection of biomarkers. The LIM is also able to measure the phase modulation in commercial plasmonic chips. More specifically the thesis describes: • The development of a LIM with a large field of view and depth of field showing a sensitivity of 1nm along the beam propagation axis, which allows, for instance, the measurements of ultra-thin (2nm thickness) transparent silica and protein monolayer microarrays. • The generation of periodic structured light beams, obtained using a simple configuration including the birefringent elements of the LIM. These can be applied not only to imaging and biomarker detection but also in additive manufacturing and micro-structuring of surfaces. • The phase measurement of commercial surface plasmon resonance chips for the detection of changes in the refractive index of liquids. The phase measurements provide a sensitivity for bulk refractive index changes that is about one order of magnitude larger than for intensity-based detection under similar conditions. These results show a potential enhancement of the sensitivity of standard systems used in the biomedical community. • The development of a POC device comprising the LIM as a reader of specifically designed plasmonic gold nanohole array chips. The reading of the phase signal in the LIM shows a sensitivity increased by one order of magnitude thanks to the enhanced localized surface plasmon resonance interaction. Low concentrations of proteins and bacteria (as low as a single unit) are detected in measurements that also include human samples. This platform has the potential to multiplex the signal for simultaneous detection of thousands or even millions of different biomarkers. The LIM presented in this thesis is a very sensitive and robust imaging system with a high performance level for the detection of small quantities of transparent materials, with applications in microscopy and biomedicine.

A medida que los sistemas de salud combaten epidemias y enfermedades infecciosas, nuevas formas de diagnóstico deben desarrollarse para satisfacer la creciente demanda de servicios, a menudo en lugares sin la infraestructura necesaria. Una solución emergente a este problema son los dispositivos de punto de atención (POC por sus siglas en inglés) ya que pueden proporcionar un diagnóstico rápido sin la necesidad de personal especializado o infraestructura compleja. En esta tesis mostramos el desarrollo de una plataforma POC para la detección rápida y temprana de infecciones, en particular Sepsis, una reacción inflamatoria de todo el cuerpo con altas tasas de mortalidad. Los principales componentes de esta plataforma son: un microscopio interferométrico sin lentes (LIM por sus siglas en inglés) y un cartucho de microfluídica con un chip plasmónico funcionalizado para la detección de biomarcadores, libre de marcadores adicionales. El LIM es también capaz de medir la modulación de fase en chips plasmónicos comerciales. Más específicamente, la tesis describe: * El desarrollo del LIM con un gran campo de visión y profundidad de campo mostrando una sensibilidad de 1nm a lo largo del eje de propagación del haz, que permite, por ejemplo, las mediciones de microarreglos ultrafinos (grosor de 2nm) y transparentes de Sílica y de monocapas de proteína.* La generación de haces de luz estructurados periódicos, obtenidos usando una configuración simple que incluye los elementos birrefringentes del LIM. Estos pueden ser aplicados no sólo a la detección de imágenes y biomarcadores, sino también a la fabricación aditiva y microestructuración de superficies. * La medición de fase en chips comerciales por resonancia de plasmón superficial para la detección de cambios en el índice de refracción de líquidos. Las mediciones de fase proporcionan una sensibilidad para cambios de índice de refracción en bulto que es aproximadamente un orden de magnitud mayor que para la detección basada en la intensidad con condiciones similares. Estos resultados muestran una potencial mejora de la sensibilidad de los sistemas estándar utilizados en la comunidad biomédica. * El desarrollo de un dispositivo POC que comprende el LIM como lector de chips plasmónicos de oro con arreglos de nano-agujeros específicamente diseñados. La lectura de la señal de fase en el LIM muestra un aumento de un orden de magnitud en la sensibilidad gracias a la interacción mejorada por la resonancia de plasmón superficial localizado. Bajas concentraciones de proteínas y bacterias (tan bajas como una sola bacteria) se detectan en mediciones que también incluyen muestras humanas. Esta plataforma tiene el potencial de multiplexar la señal para la detección simultánea de miles o incluso millones de biomarcadores diferentes. El LIM presentado en esta tesis es un sistema de imagen muy sensible y robusto con un alto nivel de rendimiento para la detección de pequeñas cantidades de materiales transparentes, con aplicaciones en microscopía y biomedicina.