Diseño de biosensores fotónicos para detección de esporas de Aspergillus

Abstract

[ES] La detección de Aspergillus se realiza principalmente a través de ensayos médicos que pueden tardar mucho tiempo. La detección en tiempo real de esporas de Aspergillus en hospitales y centros médicos contribuiría a reducir las tasas de mortalidad producidas por Aspergillus en pacientes con alto riesgo de Aspergilosis. Además, los brotes de Aspergillus causan un costo intangible relacionado con el daño a la imagen corporativa de la institución de salud afectada Este problema requiere el desarrollo de un dispositivo de detección compacto, rápido, y coste efectivo. En este proyecto se propone un biosensor plasmónico basado en la espectroscopia de absorción de infrarrojo medio, utilizando un láser /detector de cascada cuántica. El desarrollo de un sensor MIR fotónico es interesante porque una gran variedad de gases relevantes y sustancias químicas y biológicas exhiben picos de absorción identificables en este régimen. Además, estas longitudes de onda son necesarias para detectar partículas más grandes como las esporas de Aspergillus La interacción de luz con Aspergillus se resuelve a través de una guía de ondas de plasmón de superficiales con una capa dieléctrica de confinamiento. Esta capa de silicio aumenta el confinamiento, y permite ondas SP más allá del NIR y del régimen visible. Este enfoque permite una fabricación sencilla y económica. Este proyecto estudia la respuesta óptica de diferentes tamaños de esporas en los dos picos MIR principales (3um y 6.2um). Utilizando la simulación EM, la capa dieléctrica se edita para cambiar su anchura para lograr el modo guiado más óptimo que realce la detección.

[EN] Aspergillus detection mainly realized via medical assays that can take long time. Real- time detection of Aspergillus spores in hospital and medical centres would contribute to reduce the mortality rates produces by Aspergillus in patients with high risk of aspergillosis. In addition, Aspergillus outbreaks cause an intangible cost related with damage to corporate image of the affected health institution This problem requires the development of a compact, rapid and cost-effective sensing device. In this project a plasmonic biosensor based on mid-infrared absorption spectroscopy is designed using a quantum cascade laser/detector. Developing photonic MIR sensor is interesting because wide variety of relevant gases and chemical and biological substances exhibit identifiable absorption peaks in this regime. Furthermore, these wavelengths are necessary to detect bigger particles like Aspergillus’s spores The light interaction with Aspergillus is resolved via a dielectric-loaded surface plasmon waveguide. The thin dielectric layer enhances the confinement enabling SP waves beyond NIR and visible regime. Without subwavelength patterning, this approach allows a straightforward and cost-saving fabrication. This project studies the optical response of different spore sizes in the two main MIR peaks (3um and 6.2um). Using EM simulation, the dielectric layer is edited to change its width to achieve the most optimal guided mode that enhance the detection.

[CA] La detecció d’ Aspergillus es realitza principalment a través d’ assaigs mèdics que poden tardar molt de temps. La detecció a temps real d’ espores d’ Aspergillus a hospitals i centres mèdics contribuiria reduir les tasses de mortalitat produïdes per Aspergillus en pacients amb alt risc d’ Aspergilosis. A més, els brots d’ Aspergillus causen un cost intangible relacionat amb el dany a l’ imatge corporativa de la institució de salut afectada. Aquest problema requereix el desenvolupament d’ un dispositiu de detecció més compacte, ràpid, i cost efectiu. A aquest projecte es proposa un biosensor plasmònic basat en l ‘ electroscopía d’ absorció de infraroig mig, utilitzant un làser/detector de cascada cuàntica. El desenvolupament d’ un sensor MIR fotònic és interessant perquè una gran varietat de gasos rellevants i substàncies químiques i biològiques exhibeixen pics d’ absorció identificables en aquest règim. A més, aquestes longituds d’ onda son necessàries per detectar partícules més grans com les espores d’ Aspergillus.. La interacció de llum amb Aspergillus es resol a través d’ una guia d’ ones de plasmó de superfície amb una capa dielèctrica de confinament. Aquesta cap de silici augmenta el confinament i permet ones SP més enllà del NIR i del règim visible. Aquest enfocament permet una fabricació senzilla i econòmica. Aquest projecte estudia la resposta òptica de diferents tamanys d’ espores als dos pics MIR principals (3um i 6.2um). Utilitzant la simulació EM, la capa dielèctrica s’ edita per canviar la seva amplària per aconseguir el mode de guiat més òptim que enfatitze la detecció.