< Terug naar vorige pagina

Project

INTEGRATED OPTICAL DETECTION AND TRAPPING OF MICRO AND NANO BIOPARTICLES

Medische en moleculair diagnostiek is gebaseerd op de detectie van biologische deeltjes. De afmetingen van deze deeltjes zijn typisch in de micro- of nano-schaal. Vaak worden deze deeltjes gedetecteerd door middel van relatief grote conventionele microscopen en toestellen, waarvoor vaak een groot en goed uitgerust laboratorium vereist is. Om die reden is deze technologie vaak duur en complex. In vele gevallen moet een patiënt zich naar een hospitaal begeven voor een onderzoek, waarna er meerdere dagen gewacht moet worden op de resultaten en de diagnose. In de loop van het afgelopen decennium werd daarom veel onderzoek gedaan naar point-of-care lab-on-chip toepassingen. Deze toestellen kunnen nagenoeg instantaan resultaten genereren en laten toe om de gezondheidstoestand van de patiënt ook thuis te monitoren. Vaak maken deze toepassingen gebruik van elektrische en optische detectiemethodes. Chip-gebaseerde optische componenten hebben op die manier bijgedragen aan de miniaturisatie van microscopische technologie naar de nano-schaal. Grote hoeveelheden aan detectoren kunnen op die manier in parallel aangewend worden op een enkele chip en op die manier kan het stellen van een diagnose op een veel snellere manier gebeuren. Deze parallellisatie en de eenvoudige integratie met elektronica resulteert bovendien in een grote reductie van de kosten. Deze lage kost en hoge snelheid voor optische detectoren op  chip niveau zullen waarschijnlijk centraal staan in de ontwikkeling van point-of-care toestellen in de nabije toekomst. Deze thesis focust op de detectie van micro- en nano-partikels door middel van chip-gebaseerde optische detectie, waarvoor twee verschillende technieken worden aangewend. Gelabelde micro-partikels en label-vrije nano-partikels werden op die manier gedetecteerd en geïdentificeerd door middel van optische chips. De toepassingen van deze technieken worden besproken in deze thesis. Enerzijds werden micro-partikels, zoals eencellige perifere mononucleaire bloedcellen, gedetecteerd door middel van focusserende roosterkoppelaars in een SiN golfgeleider platform. Anderzijds werden diëlectrische nano-partikels gevangen, gedetecteerd en geïdentificeerd met behulp van plasmonische nano-poriën.

SiN is een CMOS compatibel materiaal met een hoge brekingsindex van ongeveer 2. Omwille van zijn transparante eigenschappen in het zichtbare spectrum is het een zeer interessant materiaal voor biosensor toepassingen zoals bijvoorbeeld fluorescente detectie. Zulk geïntegreerd SiN platform werd daarom in deze thesis gebruikt voor de detectie van micropartikels.

Microscopen en hun objectieven worden vaak gebruikt voor verschillende detectietechnieken. Ze laten toe om licht te concentreren en te collecteren vanuit een enkel focus punt. Een geminiaturiseerde versie van zulke microscopen werd in deze thesis ontworpen en bestudeerd in een geïntegreerd SiN platform. De structuren die hiervoor ontworpen werden bestaan uit roosterkoppelaars die gevoed worden door een SiN golfgeleider en die het licht focussen boven het oppervlak van de chip. De koppelaars voor de excitatie en de collectie van de signalen werd ontworpen met behulp van Finite-Difference Time Domain (FDTD) simulaties. Op die manier kon het licht gefocusseerd worden op de gewenste locaties en konden experimenteel afmetingen van het brandpunt gerealiseerd worden met afmetingen van 300 nm bij een golflengte van 638 nm.

Op die manier konden micro-partikels gedetecteerd worden analoog aan conventionele microscopie. In het geïntegreerde platform werden roosterkoppelaars gebruikt voor de excitatie en de collectie van het fluorescente signaal. Beide koppelaars werden zo ontworpen dat hun focus slechts gedeeltelijk overlapt, omdat dit toelaat om confocaal te meten. De structuren en hun efficiëntie werden gemodelleerd door middel van FDTD simulaties. Het geheel werd geïntegreerd in een microfluidisch kanaal voor optimale karakterisatie. In de metingen van het excitatieprofiel werd een afmeting kleiner dan 750 nm gemeten voor de focus spot bij een excitatiegolflengte van 638 nm. Vervolgens werden fluorescent gelabelde polystyreen deeltjes van 1 en 15 µm en bloedcellen in het kanaal geinjecteerd en werd hun fluorescent signaal geexciteerd en geregistreerd door de rooster koppelaars. De fluorescente signalen werden opgemeten via een cameraopstelling. De collectie-efficiëntie van de rooster koppelaars werd geanalyseerd door middel van verschillende modellen. De experimentele collectie-efficiëntie werd gedefinieerd als de verhouding tussen het fluorescent signaal gedetecteerd door de camera en het totale fluorescente signaal gegeneerd door het partikel. Efficiënties tot 0.11% werden experimenteel gerealiseerd voor 1µm partikels, wat in goede overeenstemming is met de FDTD simulaties. Het werd bovendien aangetoond dat de maximale experimentele fluorescentie efficiëntie omgekeerd evenredig is met de afmetingen van de deeltjes. Deze resultaten zullen bijdragen tot chip-gebaseerde cytometrie- en spectroscopie toepassingen.

Voor detectie van nano-partikels is het noodzakelijk om het licht te focussen in regio’s beneden de diffractie limiet. Plasmonische structuren laten toe om licht in deze nanoscopische dimensies te focussen. Nano-aperturen worden vaak gebruikt voor het detecteren van nano-partikels zoals proteïnen door gebruik te maken van elektrische en optische technieken. Plasmonische nano-poriën zijn metallische nano-aperturen die gerealiseerd worden door een dunne membraan te perforeren. Het werd aangetoond dat dit soort poriën met een specifieke geometrie verschillende molecules kunnen identificeren door middel van Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Voor label-vrije detectie van individuele diëlectrische nano-partikels is het noodzakelijk om het veld te lokaliseren op een schaal vergelijkbaar met de afmetingen van het partikel. Daarenboven beperkt de Brownse beweging van zulke partikels de totale hoeveelheid aan fotonen die gedetecteerd kunnen worden. In deze thesis wordt gedemonstreerd dat plasmonische nano-poriën gebruikt kunnen worden om 20nm grote polystereen partikels in oplossing te vangen en detecteren door middel van SERS. Dit opent interessante perspectieven voor de detectie van kleine biologische deeltjes en nanotribologische studies.

Datum:1 dec 2011 →  29 mei 2017
Trefwoorden:Photonics, Lab-on-chip, Point-of-care
Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica
Project type:PhD project