Optical grating coupler biosensor and biomedical applications

Abstract

Biosensors are nowadays a powerful tool to enable the detection of specific biological interactions and to evaluate the concentration dependence in the response. A biosensor usually consists of three different parts: the sample to be measured, the transducer and the electronic system that amplifies the signal, analyzes the data and brings a result to the final user. The transducer includes the bioreceptor (which specifically interacts with the sample) and the interface that transforms the recognition from the bioreceptor into a measurable signal. When the analyte interacts with the bioreceptor, the transducer sends a signal that is processed by the electronics. All this process occurs in an efficient, quick, cheap, easy, simple and specific way. Regarding the type of the transductor, the biosensors can be electrochemical, optical, acoustic, magnetic or thermometric; but overall the most powerful ones are the optical biosensors, and among them the grating coupler. As a technique for investigating processes at the solid/liquid interface, presents high mechanical stability, immunity to electromagnetic interferences and pushes the sensitivity to levels even higher than other techniques and allows for the direct monitoring of macromolecular adsorption. Taking advantage of the last advances in nanotechnology, the goal of this thesis is to study the versatility of an Optical Grating Coupler Biosensor. The design of new grating sensor chips will be investigated, a new calibration technique for the sensors will be proposed and, taking advantage of the technique, different biomedical scenarios will be tested.

Esta tesis consiste en el diseño, fabricación y test de un Biosensor Óptico basado en redes de difracción y sus aplicaciones en biomedicina. Los biosensores ópticos son dispositivos que detectan interacciones biomoleculares específicas mediante un transductor óptico. Exhiben alta sensibilidad, alta estabilidad mecánica, son inmunes a las interferencias electromagnéticas y permiten medidas no destructivas. En los Biosensores Ópticos por Onda Evanescente un modo guiado se propaga a lo largo de la guía de ondas mientras que la onda evanescente interactúa con la superficie del sensor, reconociendo cualquier interacción biomolecular que provoque una modificación en el índice de refracción efectivo de la guía óptica. En este caso, la inserción de luz láser en la guía óptica se produce con ayuda de una red de difracción grabada en la superficie del sensor. Para un ángulo muy preciso se excita un modo guiado. Como consecuencia de las reacciones en la superficie se produce un cambio en el ángulo de acoplo. La medida en tiempo real del ángulo de acoplo, en función de la actividad bioquímica en la superficie es la base de este tipo de biosensor óptico. El objetivo es fabricar sensores de bajo coste en polímero y también en distintos materiales que permitan calibrar otras técnicas. Otro objetivo de esta tesis es la calibración de los sensores y de las distintas soluciones buffer comúnmente usadas en biosensado. Como aplicación, se ha usado un equipo comercial (Optical Waveguide Lightomode Spectroscopy, OWLS, MicroVacuum) para estudiar, mediante control electroquímico, el crecimiento y la liberación de multicapas de PLL/DNA para aplicaciones en administración de fármacos. También se ha usado el OWLS para optimizar la inmovilización de receptores olfativos en un dispositivo biosensor para el desarrollo de una nariz bioelectrónica.