A portable device for time-resolved fluorescence based on an array of CMOS SPADs with integrated microfluidics

Abstract

Traditionally, molecular analysis is performed in laboratories equipped with desktop instruments operated by specialized technicians. This paradigm has been changing in recent decades, as biosensor technology has become as accurate as desktop instruments, providing results in much shorter periods and miniaturizing the instrumentation, moving the diagnostic tests gradually out of the central laboratory. However, despite the inherent advantages of time-resolved fluorescence spectroscopy applied to molecular diagnosis, it is only in the last decade that POC (Point Of Care) devices have begun to be developed based on the detection of fluorescence, due to the challenge of developing high-performance, portable and low-cost spectroscopic sensors. This thesis presents the development of a compact, robust and low-cost system for molecular diagnosis based on time-resolved fluorescence spectroscopy, which serves as a general-purpose platform for the optical detection of a variety of biomarkers, bridging the gap between the laboratory and the POC of the fluorescence lifetime based bioassays. In particular, two systems with different levels of integration have been developed that combine a one-dimensional array of SPAD (Single-Photon Avalanch Diode) pixels capable of detecting a single photon, with an interchangeable microfluidic cartridge used to insert the sample and a laser diode Pulsed low-cost UV as a source of excitation. The contact-oriented design of the binomial formed by the sensor and the microfluidic, together with the timed operation of the sensors, makes it possible to dispense with the use of lenses and filters. In turn, custom packaging of the sensor chip allows the microfluidic cartridge to be positioned directly on the sensor array without any alignment procedure. Both systems have been validated, determining the decomposition time of quantum dots in 20 nl of solution for different concentrations, emulating a molecular test in a POC device.

Tradicionalment, l'anàlisi molecular es realitza en laboratoris equipats amb instruments de sobretaula operats per tècnics especialitzats. Aquest paradigma ha anat canviant en les últimes dècades, a mesura que la tecnologia de biosensor s'ha tornat tan precisa com els instruments de sobretaula, proporcionant resultats en períodes molt més curts de temps i miniaturitzant la instrumentació, permetent així, traslladar gradualment les proves de diagnòstic fora de laboratori central. No obstant això i malgrat els avantatges inherents de l'espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps aplicada a la diagnosi molecular, no ha estat fins a l'última dècada que s'han començat a desenvolupar dispositius POC (Point Of Care) basats en la detecció de la fluorescència, degut al desafiament que suposa el desenvolupament de sensors espectroscòpics d'alt rendiment, portàtils i de baix cost. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'un sistema compacte, robust i de baix cost per al diagnòstic molecular basat en l'espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps, que serveixi com a plataforma d'ús general per a la detecció òptica d'una varietat de biomarcadors, tancant la bretxa entre el laboratori i el POC dels bioassaigs basats en l'anàlisi de la pèrdua de la fluorescència. En particular, s'han desenvolupat dos sistemes amb diferents nivells d'integració que combinen una matriu unidimensional de píxels SPAD (Single-Photon Avalanch Diode) capaços de detectar un sol fotó, amb un cartutx microfluídic intercanviable emprat per inserir la mostra, així com un díode làser UV premut de baix cost com a font d'excitació. El disseny orientat a la detecció per contacte de l'binomi format pel sensor i la microfluídica, juntament amb l'operació temporitzada dels sensors, permet prescindir de l'ús de lents i filtres. Al seu torn, l'empaquetat a mida de l'xip sensor permet posicionar el cartutx microfluídic directament sobre la matriu de sensors sense cap procediment d'alineament. Tots dos sistemes han estat validats determinant el temps de descomposició de "quantum dots" en 20 nl de solució per a diferents concentracions, emulant així un assaig molecular en un dispositiu POC.