Microscopi interferomètric sense lent per a materials transparents

Roland Terborg

Dr. Valerio Pruneri

A mesura que els sistemes sanitaris combaten les epidèmies i les malalties infeccioses, cal desenvolupar noves formes de diagnòstic per satisfer la creixent demanda de serveis, sovint en llocs sense la infraestructura necessària. Una solució emergent a aquest problema són els dispositius de punt d'atenció (POC), que poden proporcionar diagnòstics ràpids sense necessitat de personal especialitzat ni infraestructura complexa. En aquesta tesi, demostrem el desenvolupament d'una plataforma POC per a la detecció ràpida i precoç d'infeccions, en particular la sèpsia, una reacció inflamatòria de tot el cos amb altes taxes de mortalitat. Els components principals d'aquesta plataforma són: un microscopi interferomètric sense lent (LIM) i un cartutx microfluídic amb un xip plasmònic funcionalitzat per a la detecció de biomarcadors, sense marcadors addicionals. El LIM també és capaç de mesurar la modulació de fase en xips plasmònics comercials. Més concretament, la tesi descriu: • El desenvolupament del LIM amb un gran camp de visió i una gran profunditat de camp que mostra una sensibilitat d'1 nm al llarg de l'eix de propagació del feix, que permet, per exemple, la mesura de microarrays de sílice ultrafins (2 nm de gruix) i transparents i monocapes de proteïnes. • La generació de feixos de llum estructurats periòdicament, obtinguts mitjançant una configuració senzilla que inclou els elements birefringents del LIM. Aquests es poden aplicar no només a la detecció d'imatges i biomarcadors, sinó també a la fabricació additiva i la microestructuració de superfícies. • La mesura de fase en xips comercials mitjançant ressonància de plasmó superficial per a la detecció de canvis en l'índex de refracció de líquids. Les mesures de fase proporcionen una sensibilitat per als canvis d'índex de refracció que és aproximadament un ordre de magnitud superior a la de la detecció basada en la intensitat, en condicions similars. Aquests resultats mostren una millora potencial en la sensibilitat dels sistemes estàndard utilitzats per la comunitat biomèdica. • El desenvolupament d'un dispositiu POC que inclou el LIM com a lector de xips plasmònics d'or amb matrius de nanoforats específicament dissenyades. La lectura del senyal de fase amb el LIM mostra un augment d'un ordre de magnitud en la sensibilitat gràcies a la interacció millorada per la ressonància de plasmó superficial localitzada. Es detecten baixes concentracions de proteïnes i bacteris (tan baixes com un sol bacteri) en mesures reals, fins i tot en mostres humanes. Aquesta plataforma té el potencial de multiplexar el senyal per a la detecció simultània de milers o fins i tot milions de biomarcadors diferents. El LIM presentat en aquesta tesi és un sistema d'imatges d'alta sensibilitat, robust i d'alt rendiment per a la detecció de petites quantitats de materials transparents (com ara sílice, proteïnes i bacteris), amb aplicacions en microscòpia i biomedicina.

The LIM technology, which has been the main outcome of my doctoral thesis, is highly sensitive and robust, but at the same time simple and versatile. In the first tests at Hospital de Vall d'Hebrón, the LIM has shown a great potential as a point-of-care platform far the rapid diagnose of Sepsis. At ICFO's Innova,tion LaunchPad we are pushing the technology towards the market and expect to enter it within the next 3 years. The proposed platform will have a high impact in both, the economic and the social aspects

Health Systems; Epidemics; Infectious Diseases; Diagnostics; Growing Demand; Infrastructure; Point of Care (POC) Devices; Rapid Diagnostics; Specialized Personnel; Complex Infrastructure; POC Platform; Rapid Detection; Early Detection; Sepsis; Whole-Body Inflammatory Reaction; High Mortality Rates; Lens-less Interferometric Microscope (LIM); Microfluidic Cartridge; Functionalized Plasmonic Chip; Biomarker Detection; Marker-Free; Phase Modulation; Commercial Plasmonic Chips; Large Field of View; Large Depth of Field; Sensitivity; Beam Propagation Axis; Ultrathin Silica Microarrays; Transparent Silica Microarrays; Protein Monolayers; Periodically Structured Light Beams; Birefringent Elements; Image Detection; Biomarker Detection; Additive Manufacturing; Surface Microstructuring; Phase Measurement; Surface Plasmon Resonance (SPR); Refractive Index Changes; Intensity-Based Detection; Improved Sensitivity; Biomedical Community; Gold Plasmonic Chips; Nano-hole Arrays; Localized Surface Plasmon Resonance; Enhanced Interaction; Low Concentrations; Proteins; Bacteria Detection; Single Bacterium Detection; Human Samples; Multiplexed Signal; Simultaneous Detection; Thousands of Biomarkers; Millions of Biomarkers; Highly Sensitive Imaging System; Robust Imaging System; High-Throughput Imaging System; Small Amounts of Transparent Materials; Microscopy; Biomedicine.