Estudio del uso de cabezales de lectura de discos ópticos para la interrogación de sensores fotónicos de silicio poroso

Abstract

[ES] Hace ya varios años que se comenzó a desarrollar la tecnología de lo que hoy llamamos biosensores. Muchos de estos dispositivos son muy comunes en la sociedad y su uso está muy extendido y democratizado, como los glucómetros que utilizan las personas diabéticas o la famosa prueba de embarazo. Sin embargo, en los últimos años se ha avanzado mucho en la investigación y desarrollo de nuevos biosensores más pequeños, baratos, sensibles, con menor tiempo de respuesta y portables. En línea con lo comentado, los biosensores fotónicos basados en capas de silicio poroso tienen una gran proyección de futuro. Su funcionamiento se basa en funcionalizar la superficie interna de los poros y hacer fluir por encima una solución acuosa que penetra en los poros. Si esta contiene el analito buscado, el índice de refracción del silicio poroso cambia, lo cual puede detectarse usando un espectrómetro. El principal problema es que el equipamiento para la interrogación de los sensores es costoso, siendo en general superior a 3000 €. Este precio puede hacer que su implantación a gran escala sea difícil. Por estas razones, en este trabajo se plantea el diseño de un set-up de medida basado en un cabezal de lectura óptica, como el que se encuentra en los DVD. Estos componentes no superan los 10 €, abaratando los mencionados costes sustancialmente. Para analizar esta posibilidad, se utilizó un cabezal óptico comercial. Se diseñó un soporte impreso en 3D para soportar el cabezal, bajo el cual se sitúa la muestra a caracterizar, y se completó el montaje con un canal de microfluídica para hacer las pruebas, empleando fluidos en tiempo real. Para poder procesar la señal de salida del cabezal DVD se utilizó un microcontrolador Arduino, y se escribió un programa en Python que permite capturar todos los datos. Además, se construyó un circuito de acondicionamiento, para adaptar la señal de salida del cabezal de DVD al rango de entrada del conversor analógico-digital (A/D) de Arduino. A pesar de las diferentes complicaciones surgidas, se han podido realizar medidas que demuestran la capacidad del equipo. Sin embargo, las propias características del cabezal DVD hacen que no sea óptimo su uso con la finalidad establecida en este proyecto. Para trabajos futuros, se propone sustituir el láser del cabezal por uno más potente y el fotodiodo por uno con una superficie mayor, mientras se continúa usando la óptica del cabezal.

[EN] The development of the biosensor’s technology began several years ago. Some of these devices are very common in our society, and their use is widespread and democratized, such as the glucometers used by diabetic people, or the famous pregnancy test. However, in recent years much progress has been made in the research and development of new, smaller, cheaper and more sensitive biosensors, with shorter response times and more portable. In line with the aforementioned, photonic biosensors based on porous silicon layers have a great future projection. Its operation is based on functionalizing the inner surface of the pores and making flow over then an aqueous solution that penetrates the pores. If it contains the desired analyte, the refractive index of the porous silicon changes, which can be detected using a spectrometer. The main problem is that the equipment for the interrogation of the sensors is expensive, generally it`s higher than 3000 €. This price can make difficult to implement it on a large scale. For these reasons, this work proposes the design of a measurement set-up based on an optical pick-up head, such as the one found in DVDs. These components do not exceed 10€, reducing the aforementioned costs substantially. To analyse this possibility, a commercial optical pick-up head was used. A 3D printed support was designed to support the head, under which the sample to be characterized is located, and the assembly was completed with a microfluidic channel to carry out the tests using fluids in real time. In order to process the output signal of the DVD pick-up head, an Arduino board was used, and a Python program that allows all the data to be captured was written. In addition, a conditioning circuit was built, to adapt the output signal of the DVD pick-up head to the input range of the Arduino analogical-digital (A/D) converter. Despite the different complications that have arisen, it has been possible to carry out measures that demonstrate the possibilities of the equipment. However, the characteristics of the DVD pick-up head make it not optimal for use with the purpose established in this project. For future work, it is proposed to replace the laser with a more powerful one and the photodiode with one with a larger surface area, while continuing to use the pick-up head optics.