Desarrollo de una plataforma automatizada para la medida multiplexada de sensores fotónicos basados en capas porosas

Abstract

[ES] Los sensores fotónicos son una de las alternativas más interesantes para el desarrollo de dispositivos de análisis con aplicación en múltiples campos como por ejemplo el diagnóstico médico, la seguridad alimentaria, la monitorización medioambiental o la detección de amenazas biológicas, entre muchos otros. El interés en la tecnología fotónica para el desarrollo de sensores viene determinado por las múltiples ventajas que presenta, como por ejemplo, su alta sensibilidad, su reducido tamaño, la posibilidad de realizar una detección sin marcadores o el requerimiento de volúmenes de muestra muy reducidos para llevar a cabo el análisis.

Dentro del campo de los sensores fotónicos, el uso de materiales porosos para su creación ha despertado un enorme interés en los últimos años. Esto es debido al hecho de que su naturaleza porosa permite que las sustancias a detectar puedan penetrar dentro de la propia estructura de sensado, algo que puede aumentar la sensibilidad todavía más. Además, la elevada relación superficie-volumen que proporcionan estos materiales también permite disponer de una mayor superficie sobre la que inmovilizar los bioreceptores necesarios para la detección específica de las sustancias, de forma que sea posible detectar un mayor número de bioreconocimientos.

Sin embargo, una de las ventajas de los sensores basados en capas porosas, como es el hecho de que toda esa superficie porosa pueda ser utilizada como sensor, es a su vez una limitación a la hora de interrogar este tipo de sensores. Cuando se hace uso de sensores fotónicos basados en estructuras de guía de onda, es posible interrogar múltiples sensores introduciendo la excitación en un único puerto de entrada que posteriormente se distribuye a las diferentes estructuras de sensado en el propio chip. Sin embargo, en el caso del uso de capas porosas, es necesario iluminar y recoger la señal reflejada/transmitida en el punto concreto de la muestra en el que se quiere evaluar el sensado. Por ello, si se quiere realizar la interrogación del sensor en varios puntos (e.g., porque han sido funcionalizados con un biorreceptor diferente) será necesario utilizar distintas fuentes/detectores para medir en todos esos puntos de forma simultánea (con el incremento de coste que ello conlleva) o medir de forma secuencial en los diferentes puntos usando un único conjunto fuente/detector.

En este contexto, este Trabajo Fin de Grado plantea el desarrollo de una plataforma de interrogación de sensores fotónicos basados en capas porosas en la que se pueda realizar secuencialmente la medida en varios puntos de uno o de varios chips. En esta plataforma de interrogación, el/los chips a medir se colocarán en una etapa de traslación de bajo coste controlada mediante Arduino, de forma que se pueda adquirir el espectro de reflexión en las diferentes posiciones de interés utilizando un solo espectrómetro. Para el control de todo el sistema de medida, se desarrollará una aplicación en Matlab que se encargue de implementar todas las funciones necesarias para su correcto funcionamiento, como por ejemplo, la sincronización precisa entre el movimiento de la etapa de traslación y la adquisición de los espectros, el postprocesado de los espectros adquiridos, o la monitorización en tiempo real de las variaciones en la respuesta de los sensores, entre otras. Las prestaciones de la plataforma desarrollada se evaluarán mediante la realización de diversos experimentos de sensado, tanto de índice de refracción como de detección de biomoléculas.

[EN] Photonic sensors continue to be one of the most interesting areas in the development of analytical devices, with applications such as medical diagnostics, food safety, environmental monitoring, and the detection of biological threats. Photonic technology is attractive due to its high sensitivity, small size, label-free detection, and low sample volume requirement. The use of porous materials in photonic sensors has sparked interest because their porosity allows substances to penetrate the sensor structure, increasing sensitivity. Additionally, these materials offer a larger surface area for immobilizing bioreceptors necessary for specific detection, allowing for more biorecognitions. However, a disadvantage of sensors with porous surfaces is the need to illuminate and collect the reflected/transmitted signal at specific points of the sample, which requires multiple sources/detectors or sequential measurement. This Final Degree Project proposes a platform for interrogating photonic sensors based on porous layers that allows sequential measurement at various points on one or more chips. The chips will be placed on a low-cost translation stage controlled by Arduino to acquire the reflection spectrum at different positions using a single spectrometer. A Matlab application will be developed to control the measurement system, including synchronization of movement and spectrum acquisition, data post-processing, and real-time monitoring of sensor response variations. The platform will be evaluated through refractive index sensing and biomolecule detection experiments.