Diseño, fabricación y caracterización de microlentes de hidrogel para la creación de sensores ópticos

Abstract

[ES] Los sensores ópticos explotan la forma en que ciertos materiales interaccionan con la luz para detectar pequeñas variaciones composicionales a su alrededor, de forma sencilla, rápida y versátil, y con utilidad en prácticamente cualquier área de aplicación (medicina, monitorización ambiental o seguridad alimentaria, entre otras). El principio de transducción más habitual en estos sensores se basa en detectar las variaciones de índice de refracción que se producen en el medio que se quiere analizar, lo cual se suele traducir en un desplazamiento del espectro de transmisión/reflexión o en un cambio en la potencia transmitida/reflejada, entre otras propiedades. Sin embargo, en muchos casos, estos cambios de índice de refracción son tremendamente pequeños y el cambio producido en la respuesta óptica es muy reducido, siendo muy complicado realizar la detección. En este contexto, el presente Trabajo Final de Máster se centra en el uso de hidrogeles como material para el desarrollo de sensores ópticos. Un hidrogel es un tipo especial de polímero que posee una cantidad elevada de agua en su composición, y que tiene la capacidad de expandirse o contraerse de forma significativa en función de la presencia de determinadas sustancias. De esta forma, a la hora de desarrollar un sensor óptico, el mecanismo de detección vendrá dado no sólo por las variaciones de índice de refracción que se produzcan, sino sobre todo por el cambio de tamaño de la estructura de sensado, proporcionando cambios en la respuesta mucho mayores y fáciles de detectar. En concreto, se plantea la creación de microlentes de hidrogel, las cuales se expandirán/contraerán en función de la presencia de una determinada sustancia, de forma que se produzca un cambio en las propiedades de enfoque de esa microlente; el objetivo será ser capaces de detectar esa variación en el enfoque mediante un sistema de imagen que sea sencillo y económico. Para ello, el estudiante comenzará trabajando en el diseño de estas microlentes usando técnicas de trazado de rayos y de simulación electromagnética para determinar configuraciones que permitan maximizar el cambio en el enfoque producido por el cambio físico experimentado por el hidrogel. Posteriormente, esas microlentes de hidrogel serán fabricadas en colaboración con el Instituto Interuniversitario de Investigación de Reconocimiento Molecular y Desarrollo Tecnológico (IDM) de la UPV y serán caracterizadas ópticamente, tanto de forma estática como dinámica, para lo que será necesario implementar un setup de medida adecuado.

[EN] Optical sensors exploit the way in which certain materials interact with light to detect small compositional variations around them, in a simple, fast and versatile way, and with utility in practically any area of ¿¿application (medicine, environmental monitoring or food safety, among others). others). The most common transduction principle in these sensors is based on detecting the variations in the refractive index that occur in the medium to be analyzed, which usually translates into a shift in the transmission/reflection spectrum or a change in the transmitted/reflected power, among other properties. However, in many cases, these refractive index changes are extremely small and the change produced in the optical response is very small, making detection very difficult. In this context, this Master's Final Project focuses on the use of hydrogels as a material for the development of optical sensors. A hydrogel is a special type of polymer that has a high amount of water in its composition, and that has the ability to expand or contract significantly depending on the presence of certain substances. In this way, when developing an optical sensor, the detection mechanism will be given not only by the refractive index variations that occur, but above all by the change in size of the sensing structure, providing changes in the much larger and easier to detect response. Specifically, the creation of hydrogel microlenses is proposed, which will expand/contract depending on the presence of a certain substance, so that there is a change in the focusing properties of that microlens; the goal will be to be able to detect this variation in focus using an imaging system that is simple and inexpensive. To do this, the student will start working on the design of these microlenses using ray tracing and electromagnetic simulation techniques to determine configurations that maximize the change in focus produced by the physical change experienced by the hydrogel. Subsequently, these hydrogel microlenses will be manufactured in collaboration with the Interuniversity Research Institute for Molecular Reconnaissance and Technological Development (IDM) of the UPV and will be optically characterized, both statically and dynamically, for which it will be necessary to implement a measurement setup appropriate.