Biosensors based on vertically interrogated optofluidic sensing cells

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo de un nuevo concepto de biosensor óptico sin marcado, basado en una combinación de técnicas de caracterización óptica de interrogación vertical y estructuras sub-micrométricas fabricadas sobre chips de silicio. Las características más importantes de dicho dispositivo son su simplicidad, tanto desde el punto de vista de medida óptica como de introducción de las muestras a medir en el área sensible, aspectos que suelen ser críticos en la mayoría de sensores encontrados en la literatura. Cada uno de los aspectos relacionados con el diseño de un biosensor, que son fundamentalmente cuatro (diseño fotónico, caracterización óptica, fabricación y fluídica/inmovilización química) son desarrollados en detalle en los capítulos correspondientes. En la primera parte de la tesis se hace una introducción al concepto de biosensor, en qué consiste, qué tipos hay y cuáles son los parámetros más comunes usados para cuantificar su comportamiento. Posteriormente se realiza un análisis del estado del arte en la materia, enfocado en particular en el área de biosensores ópticos sin marcado. Se introducen también cuáles son las reacciones bioquímicas a estudiar (inmunoensayos). En la segunda parte se describe en primer lugar cuáles son las técnicas ópticas empleadas en la caracterización: Reflectometría, Elipsometría y Espectrometría; además de los motivos que han llevado a su empleo. Posteriormente se introducen diversos diseños de las denominadas "celdas optofluídicas", que son los dispositivos en los que se va a producir la interacción bioquímica. Se presentan cuatro dispositivos diferentes, y junto con ellos, se proponen diversos métodos de cálculo teórico de la respuesta óptica esperada. Posteriormente se procede al cálculo de la sensibilidad esperada para cada una de las celdas, así como al análisis de los procesos de fabricación de cada una de ellas y su comportamiento fluídico. Una vez analizados todos los aspectos críticos del comportamiento del biosensor, se puede realizar un proceso de optimización de su diseño. Esto se realiza usando un modelo de cálculo simplificado (modelo 1.5-D) que permite la obtención de parámetros como la sensibilidad y el límite de detección de un gran número de dispositivos en un tiempo relativamente reducido. Para este proceso se escogen dos de las celdas optofluídicas propuestas. En la parte final de la tesis se muestran los resultados experimentales obtenidos. En primer lugar, se caracteriza una celda basada en agujeros sub-micrométricos como sensor de índice de refracción, usando para ello diferentes líquidos orgánicos; dichos resultados experimentales presentan una buena correlación con los cálculos teóricos previos, lo que permite validar el modelo conceptual presentado. Finalmente, se realiza un inmunoensayo químico sobre otra de las celdas propuestas (pilares nanométricos de polímero SU-8). Para ello se utiliza el inmunoensayo de albumina de suero bovino (BSA) y su anticuerpo (antiBSA). Se detalla el proceso de obtención de la celda, la funcionalización de la superficie con los bioreceptores (en este caso, BSA) y el proceso de biorreconocimiento. Este proceso permite dar una primera estimación de cuál es el límite de detección esperable para este tipo de sensores en un inmunoensayo estándar. En este caso, se alcanza un valor de 2.3 ng/mL, que es competitivo comparado con otros ensayos similares encontrados en la literatura. La principal conclusión de la tesis es que esta tipología de dispositivos puede ser usada como inmunosensor, y presenta ciertas ventajas respecto a los actualmente existentes. Estas ventajas vienen asociadas, de nuevo, a su simplicidad, tanto a la hora de medir ópticamente, como dentro del proceso de introducción de los bioanalitos en el área sensora (depositando simplemente una gota sobre la micro-nano-estructura). Los cálculos teorícos realizados en los procesos de optimización sugieren a su vez que el comportamiento del sensor, medido en magnitudes como límite de detección biológico puede ser ampliamente mejorado con una mayor compactación de pilares, alcanzandose un valor mínimo de 0.59 ng/mL). The objective of this thesis is to develop a new concept of optical label-free biosensor, based on a combination of vertical interrogation optical techniques and submicron structures fabricated over silicon chips. The most important features of this device are its simplicity, both from the point of view of optical measurement and regarding to the introduction of samples to be measured in the sensing area, which are often critical aspects in the majority of sensors found in the literature. Each of the aspects related to the design of biosensors, which are basically four (photonic design, optical characterization, fabrication and fluid / chemical immobilization) are developed in detail in the relevant chapters. The first part of the thesis consists of an introduction to the concept of biosensor: which elements consists of, existing types and the most common parameters used to quantify its behavior. Subsequently, an analysis of the state of the art in this area is presented, focusing in particular in the area of label free optical biosensors. What are also introduced to study biochemical reactions (immunoassays). The second part describes firstly the optical techniques used in the characterization: reflectometry, ellipsometry and spectrometry; in addition to the reasons that have led to their use. Subsequently several examples of the so-called "optofluidic cells" are introduced, which are the devices where the biochemical interactions take place. Four different devices are presented, and their optical response is calculated by using various methods. Then is exposed the calculation of the expected sensitivity for each of the cells, and the analysis of their fabrication processes and fluidic behavior at the sub-micrometric range. After analyzing all the critical aspects of the biosensor, it can be performed a process of optimization of a particular design. This is done using a simplified calculation model (1.5-D model calculation) that allows obtaining parameters such as sensitivity and the detection limit of a large number of devices in a relatively reduced time. For this process are chosen two different optofluidic cells, from the four previously proposed. The final part of the thesis is the exposition of the obtained experimental results. Firstly, a cell based sub-micrometric holes is characterized as refractive index sensor using different organic fluids, and such experimental results show a good correlation with previous theoretical calculations, allowing to validate the conceptual model presented. Finally, an immunoassay is performed on another typology of cell (SU-8 polymer pillars). This immunoassay uses bovine serum albumin (BSA) and its antibody (antiBSA). The processes for obtaining the cell surface functionalization with the bioreceptors (in this case, BSA) and the biorecognition (antiBSA) are detailed. This immunoassay can give a first estimation of which are the expected limit of detection values for this typology of sensors in a standard immunoassay. In this case, it reaches a value of 2.3 ng/mL, which is competitive with other similar assays found in the literature. The main conclusion of the thesis is that this type of device can be used as immunosensor, and has certain advantages over the existing ones. These advantages are associated again with its simplicity, by the simpler coupling of light and in the process of introduction of bioanalytes into the sensing areas (by depositing a droplet over the micro-nano-structure). Theoretical calculations made in optimizing processes suggest that the sensor Limit of detection can be greatly improved with higher compacting of the lattice of pillars, reaching a minimum value of 0.59 ng/mL).

Development and fabrication of optical biosensors based on biophotonic sensing cells (BICELLs)

El objetivo de esta tesis es el desarrollo y caracterización de biosensores ópticos sin marcado basados en celdas sensoras biofotónicas (BICELLs). Éstas son un nuevo concepto de biosensor desarrollado por el grupo de investigación y consiste en la combinación de técnicas de interrogación vertical, junto a estructuras fotónicas producidas usando métodos de micro- y nanofabricación. Varias conclusiones son extraídas de este trabajo. La primera, que se ha definido una BICELL estándar basada en interferómetros Fabry-Perot (FP). Se ha demostrado su capacidad para la comparación de rendimiento entre BICELLs estructuradas y para la realización de inmunoensayos de bajo coste. Se han estudiado diferentes técnicas de fabricación disponibles para la producción de BICELLs. Se determinó que la litografía de contacto a nivel de oblea produce estructuras de bajo coste, reproducibles y de alta calidad. La resolución alcanzada ha sido de 700 nm. El estudio de la respuesta a inmunoensayos de las BICELLs producidas se ha desarrollado en este trabajo. Se estudió la influencia de BICELLs basadas en diferentes geometrías y tamaños. De aquí resulta un nuevo enfoque para predecir el comportamiento de respuesta para la detección biológica de cualquier biosensor óptico estructurado, relacionando su superficie efectiva y su sensibilidad óptica. También se demostró una técnica novedosa y de bajo coste para la caracterización experimental de la sensibilidad óptica, basada en el depósito de películas ultradelgadas. Finalmente, se ha demostrado el uso de BICELLs desarrolladas en esta tesis, en la detección de aplicaciones reales, tales como hormonas, virus y proteínas. ABSTRACT The objective of this thesis is the development and characterization of optical label-free biosensors based on Bio-Photonic sensing Cells (BICELLs). BICELL is a novel biosensor concept developed by the research group, and it consists of a combination of vertical interrogation optical techniques and photonic structures produced by using micro- and nano-fabrication methods. Several main conclusions are extracted from this work. Firstly, a standard BICELL is defined based on FP interferometers, which demonstrated its capacity for accomplishing performance comparisons among different structured BICELLs, as well as to achieve low-cost immunoassays. Different available fabrication techniques were studied for BICELL manufacturing. It is found that contact lithography at wafer scale produce cost-effective, reproducible and high quality structures. The resolution achieved was 700 nm. Study on the response of developed BICELLs to immunoassays is performed within this work. It is therefore studied the influence of BICELLs based on different geometries and sizes in the immunoassay, which resulted in a new approach to predict the biosensing behaviour of any structured optical biosensor relating to its effective surface and optical sensitivity. Also, it is demonstrated a novel and low-cost characterization technique of the experimental optical sensitivity, based on ultrathin-film deposition. Finally, it is also demonstrated the capability of using the developed BICELLs in this thesis for real applications detection of hormones, virus and proteins.

Caracterización y optimización de estructuras biofotónicas y técnicas avanzadas de interrogación para desarrollo de biosensores ópticos

El núcleo fundamental de esta tesis doctoral es un modelo teórico de la interacción de la luz con un tipo particular de biosensor óptico. Este biosensor se compone de dos regiones: en la región inferior puede haber capas de materiales con diferentes espesores y propiedades ópticas, apiladas horizontalmente; en la zona superior, sobre la que incide directamente el haz de luz, puede haber estructuras que hacen que las propiedades ópticas cambien tanto en el plano horizontal como en la dirección vertical. Estos biosensores responden ópticamente de forma diferente al ser iluminados dependiendo de que su superficie externa esté, en mayor o menor medida, recubierta con diferentes tipos de material biológico. En esta tesis se define un modelo analítico aproximado que permite simular la respuesta óptica de biosensores con estructuras en su región más externa. Una vez comprobada la validez práctica del modelo mediante comparación con medidas experimentales, éste se utiliza en el diseño de biosensores de rendimiento óptimo y en la definición de nuevas técnicas de interrogación óptica. En particular, el sistema de transducción IROP (Increased Relative Optical Power), basado en el efecto que produce la presencia de material biológico, en la potencia total reflejada por la celda biosensora en determinados intervalos espectrales, es uno de los sistemas que ha sido patentado y es objeto de desarrollo por la empresa de base tecnológica BIOD [www.biod.es/], estando ya disponibles en este momento varios dispositivos de diagnóstico basados en esta idea. Los dispositivos basados en este sistema de transducción han demostrado su eficiencia en la detección de proteínas y agentes infecciosos como los rotavirus y el virus del dengue. Finalmente, el modelo teórico desarrollado se utiliza para caracterizar las propiedades ópticas de algunos de los materiales de los que se fabrican los biosensores, así como las de las capas de material biológico formadas en las diferentes fases de un inmunoensayo. Los parámetros ópticos de las capas mencionadas se obtienen mediante el método general de ajuste por mínimos cuadrados a las curvas experimentales obtenidas en los inmunoensayos. ABSTRACT The core of this thesis is the theoretical modeling of the interaction of light with a particular type of optical biosensor. This biosensor consists of two parts: in the lower region may have layers of materials with different thicknesses and optical properties, stacked horizontally; at the top, on which directly affects the light beam, there may be structures that make optical properties change in both, the horizontal and in the vertical direction. These biosensors optically respond differently when illuminated depending on its external surface is greater or lesser extent, coated with different types of biological material. In this thesis an approximate analytical model to simulate the optical response of biosensors with structures in its outer region is defined. After verifying the practical validity of the model by comparison with experimental measurements, it is used in the design of biosensors with optimal performance and the definition of new optical interrogation techniques. In particular, the transduction system IROP (Increased Relative Optical Power) based on the effect of the presence of biological material in the total power reflected from the biosensor cell in certain spectral ranges, has been patented and is under development by the startup company BIOD [www.biod.es/], being already available at this time, several diagnostic devices based on this idea. Devices based on this transduction system have proven their efficiency in detecting proteins and infectious agents such as rotavirus and virus of dengue. Finally, the developed theoretical model is used to characterize the optical properties of some of the materials from which biosensors are fabricated, as well as the optical properties of the biological material layers formed at different stages of an immunoassay. The optical parameters of the layers above are obtained by the general method of least squares fit to the experimental curves obtained in immunoassays.