Optimisation of a biosensor based on a porous silicon surface for indirect optical detection of bacteria through their lysate

Abstract

[ES] En 2019, la resistencia a los antimicrobianos habría sido la tercera causa de muerte a nivel mundial, solo por detrás de las enfermedades cardíacas y los accidentes cerebrovasculares. En este contexto, las infecciones asociadas a la atención sanitaria y las alimentarias han emergido como principales contribuyentes a la carga infecciosa global, impactando significativamente en la morbilidad, la mortalidad y la calidad de vida. El control de la propagación de estas infecciones, y en concreto de las bacterianas, pasa por una detección efectiva de los microorganismos causantes de dichas enfermedades, principalmente a través de biosensores.

El silicio poroso es ampliamente reconocido como biosensor por su estructura óptica, que permite la detección efectiva de diversas biomoléculas, como proteínas, enzimas y ácidos nucleicos, gracias a sus propiedades ópticas y físicas. Estudios previos sobre superficies de silicio poroso (flujo lateral) y membranas (flujo a través) han demostrado su efectividad como biosensor, pero los resultados hasta la fecha se limitan a concentraciones relativamente altas de lisado bacteriano e implican métodos costosos y largos procesos de fabricación. Nuestro objetivo es realizar una detección óptica del lisado bacteriano, logrando un límite de detección similar al de biosensores anteriores, pero utilizando un diseño más sencillo, más fácil de fabricar y más mecánicamente estable que el de las membranas de silicio poroso.

En este proyecto se exploran varias formas de optimización, centrándonos principalmente en aumentar la porosidad de la superficie y el tamaño de los poros, lo cual se puede lograr modificando varios parámetros en el grabado electroquímico del silicio, incluyendo la densidad de corriente, el tiempo de grabado o los solventes. Estos ajustes facilitarán una mayor penetración del lisado en la estructura porosa. Otras estrategias de optimización incluyen la utilización de estructuras multicapa (como los espejos de Bragg), que mejorarían la respuesta óptica del dispositivo; por otro lado se realiza una comparación de diferentes métodos de detección (ensayo de flujo lateral y ensayos por deposición de gota). Finalmente, se realizan estudios de sensibilidad y límite de detección para evaluar el rendimiento del biosensor.

[EN] In 2019, antimicrobial resistance would have been the third global cause of death, only following heart disease and stroke. Within this context, healthcare-associated infections and food-borne infections have emerged as main contributors to disease burden and significantly impacting on morbidity, mortality and quality of life. Effective biosensing is imperative, to address this issue and control the spread of this kind of infections, especially from bacteria.

Porous silicon is widely acknowledged as a biosensor, enabling effective detection of various biomolecules, such as proteins, enzymes, and nucleic acids, due to its optical and physical properties. Previous studies on porous silicon surfaces (lateral flow) and membranes (flow through) have demonstrated its effective role as a biosensor, but the results to date remain limited to relatively high concentrations of bacterial lysate. Our objective is to optimise prior bioassays by developing a porous silicon surface, where to apply a lateral flow of bacterial lysate that would lead to a significant indirect optical detection. Hence, the aim is to detect bacteria lysate, achieving similar limit of detection as previous biosensors, but using a simpler design, easier to fabricate and more mechanically stable than porous silicon membranes.

Several ways of optimisation are explored in this project, our main focus being to increase the surface porosity and pore size, which can be achieved by modifying several parameters in the electrochemical etching of silicon, including current density, etching time or solvents. These adjustments will facilitate greater penetration of lysate into the porous structure. Additional optimisation strategies include the utilization of multilayered structures (such as Bragg mirrors), which would enhance the optical response of the device, and the comparison of different detection methods (lateral flow assay and drop assays). Sensitivity and limit of detection studies were performed in order to evaluate the performance of the biosensor.