Bimodal waveguide interferometer device based on silicon photonics technology for label-free and high sensitive biosensing

Els dispositius òptics biosensors basats en la detecció d’ona evanescent podrien superar les limitacions dels tests de diagnòstic actuals (que són lents i cars) degut a la possibilitat de realitzar les deteccions a temps reals i fent servir un esquema sense la necessitat de marcatges. Entre els diferents transductors òptics, els interferomètrics són els que posseeixen els millors límits de detecció (LOD) deguts a canvis en el índex de refracció de dissolucions (10-7-10-8 Unitats d’Índex de Refracció, RIU) així com per sensibilitat superficial (en el rang dels pg/ml) i un rang lineal més gran. No obstant, les configuracions interferomètriques (l’interferòmetre Mach-Zehnder o el Young) més usuals fan servir un divisor amb forma de Y, que és essencial per dividir o recombinar la llum, lo qual, degut a les toleràncies de les actuals tècniques de fabricació es una gran desavantatge per la reproduibilitat d’aquests dispositius. Per evitar aquests problemes, hem desenvolupat una configuració interferomètrica més simple basada en un guia de ones recte on dos modes de llum de la mateixa polarització interfereixen entre si. Aquesta configuració elimina la complexitat dels interferòmetres més utilitzats i conseqüentment, el biosensors que s’obtenen són més fiables i reproduïbles. Aquesta tesis esta dirigida al desenvolupament i la caracterització d’un nou transductor fotònic per biosensat d’alta sensibilitat i sense marcatges, el dispositiu de guia d’ona bimodal (BiMW). Amb aquest propòsit, els següents punts han estat plantejats: 1. Disseny, fabricació i caracterització òptica del transductor que opera segons el principi de la interferència de dos modes de llum. 2. Desenvolupament i optimització de les estratègies de funcionalització de la superfície transductora fent servir processos de silanització. 3. Estudi de l’aplicabilitat del biosensor amb la demostració del diagnosis analític de problemes clínics rellevants. El transductor es fabrica a nivell d’oblea a la Sala Blanca, lo qual garanteix la producció en massa del dispositiu així com un preu baix del mateix. El dispositiu és molt sensible a variacions en l’índex de refracció de dissolucions, obtenint un límit de detecció de 2×10-7 RIU. La biofuncionalització de l’àrea sensora es un dels aspectes més importants d’aquest treball. Diferents protocols per immobilitzar els diferents bioreceptor en la superfície del dispositiu (cadenes d’ADN, proteïnes i anticossos) han estat desenvolupats. Aquests protocols s’han fet servir per la demostració de diferents bioaplicacions; la detecció d’hormones, bactèries o seqüències d´ADN complementàries. Els resultats presentats en aquesta tesis han destacat pel superior funcionament d’aquest dispositiu en comparació amb els tests de diagnosis convencionals degut a: i) la possibilitat de monitoritzar les interaccions biomoleculars en temps real i fent servir un esquema sense marcadors reduint el temps i el cost de l’assaig, ii) la fabricació del dispositiu fent servir microtecnologia de silici, possibilitant la producció en massa, iii) l’alta sensibilitat (pg/ml, femtomolar) demostrada per les diferents bioaplicacions avaluades i iv) el dispositiu reuneix els requeriments específics per ser miniaturitzat e integrat en una plataforma de sensat multiplexada. Aquest treball obre la porta a la integració d’aquest transductor en un dispositiu lab-on-a -chip, una feina que inclou l’acoblament/detecció de la llum, un sistema capaç de modular la senyal interferomètrica i la incorporació de canals microfluídics per anàlisis multiplexats. Cadascun d’aquests temes afegeix molta complexitat al dispositiu final, han de ser individualment desenvolupades i optimitzades per ser integrades en un biosensor lab-on-a-chip. Finalment, la possibilitat de detectar simultàniament múltiples analits involucra el desenvolupament de noves tècniques per recollir les múltiples senyals així com desenvolupar noves estratègies de biofuncionalització.Optical biosensor devices based on evanescent wave detection could overcome the limitations of conventional diagnostic tests (expensive and time-consuming) due to the possibility of carrying out the detection in real-time and using a label-free scheme. Among the different optical transducers, interferometric devices have evidenced the best limit of detection (LOD) for refractive index changes of bulk solutions (10-7-10-8 Refractive Index Units, RIU) and for surface sensing (in the pg/ml range) and a wider linear range. However, usual interferometric transducers (Mach-Zehnder or Young interferometers) employ the Y-junction to split or recombine light, a drawback for the coherence and performance of the device due to standard tolerances of microfabrication techniques. To overcome these problems, we have developed a simple configuration based on a single straight waveguide where two modes of the light of the same polarization are interfering between them. This simple approach avoids the complexity of the usual interferometric transducers and as a consequence, more reliable and reproducible biosensors can be obtained. This thesis is focused on the development and characterization of a new photonic transducer, the Bimodal Waveguide device (BiMW), for label- free and high sensitive biosensing. To achieve this, the following steps have been pursued: 1. Design, fabrication, and optical characterization of an optical transducer operating by two-mode interference principle. 2. Development and optimization of biofunctionalization strategies on the transducer surface using silanization techniques. 3. Study of the applicability of the biosensor with the demonstration of bioanalytical diagnosis of relevant problems. The transducers are fabricated at wafer level in Clean Room facilities, which warrants a cost-effective and mass-production of the sensor chips. The device is highly sensitive to small changes in the refractive index occurring on the sensor area, leading to a detection limit of 2.5×10-7 RIU for bulk changes in refractive index solutions. The biofunctionalization of the sensor area is one of the most crucial aspects of this work. Optimized functionalization procedures have been achieved, which has been employed to immobilize different types of bioreceptors (DNA strands, proteins, and antibodies) on the surface. The optimized protocols have been used for the demonstration of different bioapplications such as the detection of hormones, bacteria, or complementary DNA sequences. The results presented in this work have highlighted the superior performance of this device in comparison with conventional diagnostics tests due to: i) the possibility of monitoring biomolecular interactions in real-time and by using a label-free scheme which reduce the time and cost of the assay , ii) the fabrication of the device using standard silicon microelectronics technology opening the possibility for mass-production, iii) the high sensitivity demonstrated for the different bioapplications assessed achieving detection limits in the pg/ml range (femtomolar), and iv) the device meets the specific requirements to be miniaturized and integrated in a multiplexed platform. This work opens the door for the integration of this transducer in a lab-on-a-chip device, including the in-coupling/out-coupling of light, a system able to modulate the interferometric signal, and the incorporation of microfluidics channels for multiplexing. Each of these subjects adds a great complexity to the final device, and must be independently developed and optimized in order to be successfully integrated at the final lab-on-a-chip biosensor. Finally, the possibility to detect simultaneously multiple analytes will involve further efforts in developing new optical in and outcoupling as well as new biofunctionalization strategies