Lab-on-a-chip integration of the bimodal waveguide nanointerferometric biosensor

Abstract

La presente tesis doctoral se centra en la integración del novedoso biosensor nanointerferométrico de guías de onda bimodal (BiMW biosensor) en una plataforma lab-on-chip para la detección temprana de biomarcadores relacionados con el diagnóstico clínico de enfermedades directamente en la muestra del paciente. Nuestro grupo ya ha demostrado a nivel de laboratorio la gran utilidad del biosensor BiMW para la detección de biomarcadores clínicos, pero su integración en una plataforma portátil tipo LOC que pueda ser empleada fuera del laboratorio sigue constituyendo un gran reto científico y tecnológico. Con este objetivo en mente, en esta Tesis hemos llevado a cabo optimizaciones en el diseño de las guías de ondas, sistemas de acoplamiento de la luz, la microfluidica, y los sistemas de lectura que sin duda ayudaran a conseguir su integración en un sistema portátil de análisis. Para ello se ha llevado a cabo un estudio en profundidad del sensor BiMW previamente desarrollado mediante herramientas de modelado ysimulación. Su diseño ha sido optimizado para el sensado con luz visible acoplada en una guía de onda tipo rib con dimensiones nanométricas. Se han realizado estudios para optimizar: las dimensiones del rib para maximizar la sensibilidad del sensor, el efecto de la longitud total del dispositivo y la ubicación del escalón bimodal. Con el propósito de resolver el reto relacionado con el acople de la luz en las guías nanométricas de la BiMW, dos tipos de estructuras con disminuciones graduales han sido diseñadas, simuladas, fabricadas y evaluadas, discutiendo las ventajas e inconvenientes de dicha aproximación. Para conseguir una señal lineal de medida, evitando la lectura interferométrica, se ha diseñado, implementado y evaluado experimentalmente un sistema de modulación. Para conseguir un biosensor de respuesta multiplexada se han diseñado, simulado, fabricado y finalmente caracterizados divisores 1x2, 1x4 y 1x8. Además, se ha implementado un método de lectura multiplexada por software y comparado con los métodos analógicos. Por último, se discuten los pasos que quedan para conseguir el dispositivo POC final. El trabajo de esta Tesis doctoral ha ayudado a conseguir la integración del biosensor nanointerferométrico BiMW en una futura plataforma tipo LOC que pueda ser empleada fuera del entorno del laboratorio.

This doctoral Thesis focuses on the integration of the novel Bimodal Waveguide Nanointerferometric Biosensor (BiMW) into a Lab-On-a-Chip (LOC) platform which can allow the direct detection of biomarkers for diseases diagnosis directly in the patient´s sample. Even if real bioanalytical applications have been widely reported by our group using the BiMW as an optical transducer, its integration into a pre-commercial and portable LOC platform remains a difficult challenge. In this Thesis, we have accomplished optimizations in the waveguide structure, optical subsystems, microfluidic integration and read-out subsystems which greatly will help on its road towards a portable point-of-care device for on-site applications. Firstly, the BiMW previously developed in our group has been in-deep analysed, setting the tools for its modelling, simulation and experimental characterization. Its design has been optimized for sensing with visible light coupled in a rib waveguide with nanometric dimensions. Simulation studies of the BiMW included: rib size optimization for maximizing its sensitivity as biosensor, the effects of the length of the sensor and the location of the step junction. With the aim to solve the challenges related to the light in-coupling in nanometric structures, two kinds of tapers have been designed, simulated, fabricated and finally characterized, demonstrating the advantages and disadvantages of such solution. With the aim to overcome the issues related to the interferometric signal readout, a chirp modulation system has been theoretically designed and experimentally implemented and characterized. Splitter series of 1x2, 1x4 and 1x8 for on-chip multiplexing have been designed, simulated, fabricated and characterized. A multiplexed detection readout method has been implemented via software and compared to analogue methods. Finally, the remaining challenges in terms of integration towards a final POC device are discussed. The work done in this Thesis has greatly helped to push forward the integration of the BiMW nanointerferometric biosensor into a future portable biosensing platform intended for on-site use