A portable interferometric micro-array reader on image sensor

Abstract

[ANGLÈS] Microarrays constitute a valuable analytical tool for multiplex and high-throughput analysis and are widely used in genomics and proteomics with many potential applications. During the last decades, protein chips have found increasing acceptance for diagnostic applications due to several advantages over conventional bioanalysis such as miniaturization, parallelization, real-time and sensitivity. Even though the majority of DNA-sensor systems relies on labeling of DNA, the recent progress and research interest in optical biosensors that use the label-free detection protocol, in which biomolecules are unlabeled or unmodified, and are detected in their natural forms, are rising. It is known that optical technologies can be very powerful in detecting minute quantities of biomarkers when combined with proper surface bio-functionalization and microfluidics. More specifically, microscopy, which can be combined with fluorescence based labelling and detection to achieve microarray platforms, routinely used by large laboratories and clinics and is presented as a powerful tool for fundamental investigations in medicine and biology. If one wants an affordable point-of-care device, label-free detection is a must. This is achieved for example by taking advantage of plasmonics and the associated light confinement at the metal-probe-target interface, leading to increased detection sensitivities. In addition, the technology employed to build the optical reader and microarray cartridge of the point-of-care device needs to be affordable, still without losing detection sensitivity. In this respect, microscopes and some of the plasmonic based microarray plates are expensive due to the high cost of optical elements, their assembly and lithography patterning. This thesis will introduce an optical microarray reader based on a novel design combining interferometric lens-free microscopy and proximity large-area charge-coupled de- vice (CCD) or complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensing, for high- throughput, label-free, rapid and sensitive detection of nucleic acids, proteins and pathogenic microorganisms. The proposed technology will be portable and very suitable for point-of-care applications. If one considers that the device can perform at least 1000 tests per year over 5 years, its cost does not have significant impact on the overall test.

[CASTELLÀ] Los microarrays constituyen una herramienta analítica muy valiosa para el multiplexado y alto rendimiento de análisis y es muy utilizado en genómica y proteómica con muchas aplicaciones potenciales. Durante las últimas décadas, los chips de proteínas han encontrado una aceptación creciente en aplicaciones de diagnóstico debido a las enormes ventajas sobre los sistemas convencionales de sistemas de bioanálisis en cuanto a miniaturización, paralelización, trabajo en tiempo real y sensitividad se refiere. Si bien la mayoría de los sistemas sensores de ADN están relacionados con el marcado de ADN, el reciente progreso y el interés en investigación en biosensores ópticos que usan protocolos de detección sin marcado, en el cual las biomoleculas permanecen sin marcar o sin modificación alguna, es decir, son detectadas en su forma natural, están creciendo hoy en día. Es sabido que las tecnologías ópticas pueden ser muy poderosas detectando cantidades mínimas de biomarcadores cuando se combinan éstas con la bio funcionalizacion adecuada de superfícies y con microfluídicas. Más específicamente, en microscopía, donde se puede combinar con fluorescencia basada en marcado y en detección para conseguir plataformas de microarray, utilizadas a diario por muchos laboratorios y clínicas, y es presentado como una herramienta muy útil para investigaciones fundamentales en medicina y biología. Si lo que se busca es un dispositivo de atención al paciente asequible, la detección sin marcado es obligada. Por ejemplo, esto se consigue aprovechando la plasmónica y el confinamiento de luz asociada en la interfície metálica-probe-target, liderando sensibilidades de detección crecientes. Además, la tecnología empleada para construir este lector óptico y su cartucho de microarray del dispositivo para atención al paciente ha de ser asequible, pero sin perder la sensibilidad de detección. En lo que a ello respecta, los microscopios y algunos de los substratos de microarray basados en plasmónica son caros debido a los altos costes de sus elementos ópticos, su ensamblaje y su modelado de litografía. Este trabajo introducirá un lector óptico de microarrays basado en un nuevo dispositivo que combina microscopía interferométrica sin lentes y dispositivos de carga acoplada de gran área de proximidad (CCD) o semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) en sensado de imagen, para un alto rendimiento, sin marcado, rápido y detección sensible de ácidos nucleicos, proteínas y microorganismos patogénicos. La tecnología propuesta será portable y muy adecuada para aplicaciones en el punto de atención al paciente. Si se considera que el dispositivo puede realizar como mínimo 1000 tests por año durante 5 años, su coste no tiene un impacto significativo en el test general.

[CATALÀ] Els microarrays constitueixen una eina analítica molt valuosa per al multiplexat i alt rendimient d'anàlisis i és molt utilitzat en genòmica i proteòmica amb moltes aplicacions potencials. Durant les últimes dècades, els xips de proteínes han trobat una acceptació creixent en aplicacions de diagnosi degut a las enormes avantatges sobre els sistemes convencionals de sistemes de bioanàlisis en quant a miniaturització, paralelització, treball en temps real i sensibilitat es refereiex. Tot i que la majoria dels sistemes sensors d'ADN estàn relacionts amb el marcat d'ADN, el progrés recent i l'interés en investigació en biosensors òptics que fan servir protocols de detecció sense marcat, en el qual les biomolècules romanen sense cap modificació, és a dir, són detectades en la seva forma natural, estàn creixent avui dia. És sabut que les tecnologies òptiques poden ser molt poderoses detectant quantitats mínimes de biomarcadors quan es combinen aquestes amb la bio funcionalització adequada de superfícies i amb microfluídiques. Més específicament, a microscopia, on es poden combinar amb fluorescencia basada en marcat en detecció per aconseguir plataformes de microarray, utilizades a diari per molts laboratoris i clíniques i, a més, és presentat com una eina molt útil per a investigacions fundamentals en medicina i biologia. Si el que es busca és un dispositiu d'atenció al pacient asequible, la detecció sense marcat és obligada. Per exemple, això s'aconsegueix aprofitant la plasmònica i el confinament de llum associada a la interficie metàlica-probe-target, liderant sensibilitats de detecció crexients. A més a més, la tecnologia empleada per construir aquest lector òptic i el seu cartutxo de microarray del dispositiu per atenció al pacient ha de ser asequible, però sense perdre la sensibilitat de detecció. Així, els microscopis i alguns dels substrats de microarray basats en plasmònica són cars degut als alts costos dels seus elements òptics, el seu assemblatge i el seu modelat de litografia. Aquest treball introduirà un lector òptic de microarrays basat en un nou dispositiu que combina microscopia interferomètrica sense lents i dispositius de càrrega acoblada de gran àrea de proximitat (CCD) o semiconductors de òxid metàl-lic complementaris (CMOS) en sensat d'imatge, per a un alt rendiment, sense marcat, ràpid i detecció sensible de àcids nucleics, proteïnes i microorganismes patogènics. La tecnologia proposta serà portable i molt adequada per aplicacions en el punt d'atenció al pacient. Si es considera que el dispositiu pot realitzar com a mínim 1000 tests per any durant 5 anys, el seu cost no té cap impacte significatiu en el test general.