Diseño, fabricación y análisis de prestaciones de un biosensor fotónico basado en fibra óptica

Abstract

[ES] Existen diferentes tipos de biosensores basados en fibra óptica. En este trabajo vamos a centrarnos en biosensores de fibra óptica ahusada en los que se modifica la estructura de la fibra. De esta manera se produce una gran interacción de la luz con el medio, lo cual proporciona unas capacidades de sensado versátiles y una mayor sensibilidad. Estos sensores son conocidos como TFOBS, de sus siglas en inglés Tapered Fibre Optic Biosensors. Con esta finalidad, se han diseñado, fabricado y evaluado estas estructuras para el sensado de concentración de glucosa disuelta en diferentes fluidos como alternativa a los actuales sensores electroquímicos. Para ello, se ha desarrollado un método de fabricación mediante ataque químico con ácido fluorhídrico (HF) de la fibra óptica. El método propuesto incluye un control de la velocidad de reacción mediante la variación de la concentración del ácido en función de la monitorización de la potencia recibida por la fibra durante la reacción. Este nuevo procedimiento y los sensores obtenidos de su aplicación se han comparado con métodos previos de referencia. Posteriormente, se ha realizado un estudio teórico de los principios físicos involucrados en la medición del índice de refracción de la microfibra fabricada por interferometría modal. También, se incluyen los resultados teóricos obtenidos mediante simulación del comportamiento óptico esperado ante una variación de concentración de glucosa del medio externo en contacto con el sensor. En base a estos estudios, seguidamente, se han desarrollado dos montajes experimentales de dos tipos de medición diferentes mediante sensores de fibra óptica ahusada: uno basado en la medición de variación de intensidad y otro en la medición de la variación del espectro óptico. Esta caracterización tiene la finalidad de evaluar sus características y capacidades para el sensado de la variación de la concentración de glucosa en diferentes fluidos, destacando las ventajas e inconvenientes de ambas. Finalmente, se ha realizado un análisis de las capacidades que poseen los sensores de fibra óptica ahusada respecto a los sensores presentes en el mercado actual, incluyendo los desarrollos posteriores más avanzados del sensor necesarios para su posible implantación en el mercado biomédico.

[EN] There are different types of biosensors based on fibre optics. In this work, we will focus on tapered fibre optic biosensors (TFOBS) in which the fibre structure is modified. The strong interaction of light with the medium of TFOBS provides versatile sensing capabilities and greater sensitivity. For this purpose, tapered fibre optic sensors have been designed, fabricated and evaluated for commercial glucose concentration sensing in various fluids as an alternative to the current electrochemical sensors. To achieve glucose concentration sensing, a fabrication method using chemical etching with hydrofluoric acid has been developed. This method adds a control of the reaction rate by varying the acid concentration as a function of the variation of power output of the fibre during the reaction. This new procedure and the sensors obtained from its application have been compared to previous reference methods. Subsequently, a theoretical study of the physical principles involved in the measurement of the refractive index by modal interferometry in the microfibre has been made, as well as simulations of the expected optical behaviour of the structure due to glucose concentration variations of the external medium in contact with the sensor. Two experimental setups of two types of measurement have been developed using tapered fibre optic sensors. The first procedure based on intensity variation measurement and the second procedure based on optical spectrum variation measurement. The experimental procedure has the purpose of evaluating the sensor capacities for the glucose concentration sensing in different fluids, highlighting the advantages and disadvantages of both. Moreover, an analysis of the capabilities of the biosensors, considering also the actual commercial sensors, has been made. Finally, an evaluation of the main problems found and the further development needed of the sensors for the implementation as a glucose concentration sensor has been described.