Development of bimodal waveguide interferometric sensors for environmental monitoring

Abstract

La presente Tesis Doctoral está dedicada al desarrollo de novedosos sensores nanofotónicos como soluciones alternativas a las herramientas existentes de monitoreo medioambiental. En concreto, proponemos el uso de un novedoso sensor interferométrico, el dispositivo de guías de onda bimodales (BiMW), para el análisis selectivo, sensible, rápido y directo de contaminantes presentes en ambientes marinos y el aire. Para la detección de contaminantes en diferentes medios, agua y aire, se han seguido dos estrategias. La primera fue el desarrollo de un dispositivo biosensor basado en un inmunoensayo competitivo para la detección de bajas concentraciones de un pesticida directamente en agua de mar. Para lograr este objetivo, empezamos con un estudio en profundidad de diferentes estrategias de biofuncionalización porque la química de superficie debe optimizarse para maximizar la estabilidad, reproducibilidad y sensibilidad del inmunoensayo competitivo. Otro aspecto crucial para el desarrollo del biosensor fue la optimización de las condiciones del inmunoensayo. Nuestro inmunosensor final supera alguna de las técnicas analíticas actuales y ofrece una herramienta analítica avanzada para el control en tiempo real e in-situ de la contaminación del agua. La segunda estrategia propone la integración de redes metal- orgánicas porosas (MOFs) como receptores para desarrollar un sensor químico capaz de detectar pequeñas moléculas como los gases. Primero, se evaluó el tipo de MOF y se optimizó la integración en láminas delgadas. Luego, se evaluó el sensor MOF-BiMW de gases en términos de sensibilidad, selectividad, reproducibilidad y estabilidad. Los resultados demuestras que este nuevo sensor supera algunos de los inconvenientes de las metodologías actuales para la detección de gases. Este trabajo ha abierto el camino para una nueva línea de investigación basada en la implementación de herramientas avanzadas para el control medioambiental

This Doctoral Thesis is devoted to the development of novel nanophotonic sensors as alternative solutions for the existing environmental monitoring tools currently employed. In particular, we propose the use of a novel interferometric sensor, the bimodal waveguide interferometer device (BiMW), for the selective, sensitive, rapid and direct analysis of pollutants present in the marine and the air environments. For the detection of pollutants in different media, air and water, two strategies have been followed. The first approach was the development of a biosensor device based in a competitive immunoassay for the detection of traces of a pesticide directly in seawater. To achieve this objective, we started with an in-depth study of different biofunctionalization strategies because the surface chemistry needs to be optimized to maximize the stability, reproducibility and sensitivity of the competitive immunoassay. Another crucial step for the development of the pesticide biosensor was the optimization of the immunoassay conditions. Our final immunosensor overcomes some of the constraints of the current analytical techniques and offers an advanced analytical tool for the real-time and on-site monitoring of water pollution control. The second strategy proposes the integration of Metal-Organic Frameworks (MOFs) as receptors to develop a chemical sensor for the detection of small molecules such as gases. First, the type of MOF and the integration in thin films were evaluated and optimized. Then, the developed MOF-BiMW gas sensor was assessed in terms of sensitivity, selectivity, reproducibility and stability. Results show that this new sensor overcomes some of the drawbacks of the current methodologies for gas sensing. This work has opened the path of a new research line for the real implementation of advanced environmental monitoring sensing tools.