Caracterización y optimización de estructuras biofotónicas y técnicas avanzadas de interrogación para desarrollo de biosensores ópticos

El nucleo fundamental de esta tesis doctoral es un modelo teorico de la interaccion de la luz con un tipo particular de biosensor optico. Este biosensor se compone de dos regiones: en la region inferior puede haber capas de materiales con diferentes espesores y propiedades opticas, apiladas horizontalmente; en la zona superior, sobre la que incide directamente el haz de luz, puede haber estructuras que hacen que las propiedades opticas cambien tanto en el plano horizontal como en la direccion vertical. Estos biosensores responden opticamente de forma diferente al ser iluminados dependiendo de que su superficie externa este, en mayor o menor medida, recubierta con diferentes tipos de material biologico. En esta tesis se define un modelo analitico aproximado que permite simular la respuesta optica de biosensores con estructuras en su region mas externa. Una vez comprobada la validez practica del modelo mediante comparacion con medidas experimentales, este se utiliza en el diseno de biosensores de rendimiento optimo y en la definicion de nuevas tecnicas de interrogacion optica. En particular, el sistema de transduccion IROP (Increased Relative Optical Power), basado en el efecto que produce la presencia de material biologico, en la potencia total reflejada por la celda biosensora en determinados intervalos espectrales, es uno de los sistemas que ha sido patentado y es objeto de desarrollo por la empresa de base tecnologica BIOD [www.biod.es/], estando ya disponibles en este momento varios dispositivos de diagnostico basados en esta idea. Los dispositivos basados en este sistema de transduccion han demostrado su eficiencia en la deteccion de proteinas y agentes infecciosos como los rotavirus y el virus del dengue. Finalmente, el modelo teorico desarrollado se utiliza para caracterizar las propiedades opticas de algunos de los materiales de los que se fabrican los biosensores, asi como las de las capas de material biologico formadas en las diferentes fases de un inmunoensayo. Los parametros opticos de las capas mencionadas se obtienen mediante el metodo general de ajuste por minimos cuadrados a las curvas experimentales obtenidas en los inmunoensayos. ABSTRACT The core of this thesis is the theoretical modeling of the interaction of light with a particular type of optical biosensor. This biosensor consists of two parts: in the lower region may have layers of materials with different thicknesses and optical properties, stacked horizontally; at the top, on which directly affects the light beam, there may be structures that make optical properties change in both, the horizontal and in the vertical direction. These biosensors optically respond differently when illuminated depending on its external surface is greater or lesser extent, coated with different types of biological material. In this thesis an approximate analytical model to simulate the optical response of biosensors with structures in its outer region is defined. After verifying the practical validity of the model by comparison with experimental measurements, it is used in the design of biosensors with optimal performance and the definition of new optical interrogation techniques. In particular, the transduction system IROP (Increased Relative Optical Power) based on the effect of the presence of biological material in the total power reflected from the biosensor cell in certain spectral ranges, has been patented and is under development by the startup company BIOD [www.biod.es/], being already available at this time, several diagnostic devices based on this idea. Devices based on this transduction system have proven their efficiency in detecting proteins and infectious agents such as rotavirus and virus of dengue. Finally, the developed theoretical model is used to characterize the optical properties of some of the materials from which biosensors are fabricated, as well as the optical properties of the biological material layers formed at different stages of an immunoassay. The optical parameters of the layers above are obtained by the general method of least squares fit to the experimental curves obtained in immunoassays.