Integrated Spectroscopic Sensor fabricated in a novel Si3N4 platform

[ES] Esta tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demostración experimental de un sensor espectroscópico integrado basado en un AWG (del inglés Arrayed Waveguide Grating). El dispositivo ha sido diseñado y fabricado en una nueva plataforma de nitruro de silico (Si3N4) en oxido de silico (SiO2) desarrollada en España. El trabajo realizado en esta tesis se puede dividir en dos secciones principalmente. En la primera parte, se describe el panorama general de las plataformas de Si3N4 existentes y su estado del arte, junto con la descripción de los procesos de fabricación y caracterización de nuestra plataforma de Si3N4 con 300 nm de altura en la capa de guiado. En la segunda parte, se presenta el dispositivo bautizado como Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consiste en un AWG cuyo conjunto de guías de onda está dividido en dos subgupos diseñados para replicar los canales del AWG. Las guías de uno de los subgrupos contienen ventanas de sensado, que están definidas por secciones en las que el núcleo de las guías está al descubierto y, por tanto, en contacto con el medio que las rodea. De esta manera, el sensado se lleva a cabo mediante la interacción del campo evanescente con la muestra depositada. Las guías del segundo subconjunto permanecen inalteradas. Por lo tanto, el dispositivo proporciona al mismo tiempo los espectros de sensado y de referencia. El modelo matemático del IOSS, su procedimiento de diseño y la prueba de concepto del sensor configurado para espectroscopía de absorción se describen en esta tesis.[CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demostració experimental d'un sensor espectroscòpic integrat basat en un AWG (de l'anglès Arrayed Waveguide Grating). El dispositiu ha sigut dissenyat i fabricat en una nova plataforma de nitrur de silici (Si3N4) en òxid de silici (SiO2) desenvolupada a Espanya. El treball realitzat en aquesta tesi es pot dividir en dues seccions principalment. En la primera part, es descriu el panorama general de les plataformes de Si3N4 existents i el seu estat de l'art, juntament amb la descripció dels processos de fabricació i caracterització de la nostra plataforma de Si3N4 amb 300 nm d'altura en la capa de guiat. En la segona part, es presenta el dispositiu batejat com Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consisteix en un AWG en el que el seu conjunt de guies d'ona està dividit en dos subgrups dissenyats per a replicar els canals del AWG. Les guies d'un dels subgrups conté finestres de detecció, que estan definides per seccions en les quals el nucli de les guies d'ona està al descobert i en contacte amb el mitjà que li envolta. D'aquesta manera, la detecció es duu a terme mitjançant la interacció del camp evanescent amb la mostra depositada. Les guies del segon subconjunt romanen inalterades. Per tant, el dispositiu proporciona al mateix temps els espectres de detecció de referència. El model matemàtic del IOSS, el seu procediment de disseny i la prova de concepte del sensor configurat per a espectroscopia d'absorció es descriuen en aquesta tesi.[EN] This thesis is focused on the model, design and experimental demonstration of an integrated spectroscopic sensor based on a modified Arrayed Waveguide Grating (AWG). The device has been designed and fabricated in a new silicon nitride (Si3N4) on silicon oxide (SiO2) platform developed in Spain. The work performed for this thesis can be then divided into two main sections. In the first part, an overview of the existing Si3N4 platforms and their state of art is described, alongside the report on the fabrication and characterization of our 300 nm guiding film height Si3N4 platform. On the second part, the device named Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS) is presented. The IOSS consists of an AWG which arrayed waveguides are divided into two sub-sets engineered to replicate the AWG channels. The waveguides of one of the sub-sets contain sensing windows, defined as waveguides sections which core is in contact with the surrounding media. Thus, the sensing is performed through evanescent field interaction with the sample deposited. The waveguides from the second sub-set remain isolated. Therefore, the device provides both sensing and reference spectra. The IOSS mathematical model, design procedure and proof of concept configured for absorption spectroscopy are reported in this thesis.Micó Cabanes, G. (2020). Integrated Spectroscopic Sensor fabricated in a novel Si3N4 platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159381TESI

Antenes ultrabrillants d’obertura per sota la longitud d’ona per espectrocopia de correlació de fluorescència en cèl•lules vives

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] A recurring topic in cell biology has been the study of cell membrane molecules. Specifically the involvement of the distribution and dynamics of these molecules on cellular function. Several microscopy techniques have been employed for these studies and this thesis is focused on the utilization of the Near-field Scanning Optical Microscopy (NSOM) technique combined with Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). This approach provides high resolution and fast dynamic analysis at the cell membrane scale. Furthermore, the use of optical antenna probes has showed a significant improvement in the resolution [1,2]. However, these optical antennas lack the optical throughput necessary for FCS and have motivated the fabrication of Bow-tie Nano-Aperture (BNA) probes that have both the optical resolution as well as two orders of magnitude higher throughput [3]. On the other hand, the complex near-fields emanating from the BNA [3] complicates the interpretation of the FCS data. The goal of this thesis has been to design an optical probe that combines resolution, high optical throughput and simple excitation fields by using a new type of probe: Circular Nano-Aperture (CNA). The performance of BNA and CNA probes were compared in order to evaluate the viability of CNA probes to study cell membrane molecules dynamics.[CASTELLÀ] Un tema recurrente en biología celular ha sido el estudio de las moléculas de la membrana celular. Concretamente, la implicación de la distribución y la dinámica de estas moléculas en las funciones celulares. Distintas técnicas de microscopía han sido empleadas para estos estudios, y esta tesis se focaliza en la utilización de la técnica Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) combinada con Fluoescence Correlation Spectroscopy (FCS). Este método proporciona una gran resolución y análisis de dinámica rápida a la escala de la membrana celular. Además, el uso de antenas ópticas ha mostrado una mejora significativa en la resolución. Sin embargo, la falta de transmisión óptica de estas antenas necesaria para FCS ha motivado la fabricación de pruebas Bowtie Nano-Aperture (BNA) que poseen tanto resolución óptica, como una transmisión óptica de dos órdenes de magnitud mayor. Por otra parte, la complejidad de los campos cercanos que emanan de las BNA complica la interpretación de los datos de FCS. El objetivo de esta tesis es diseñar una prueba óptica que combine resolución, gran transmisión óptica y campos cercanos sencillos diseñando un nuevo tipo de prueba: Circular Nano-Aperture (CNA). El rendimiento de las pruebas BNA y CNA ha sido comparado para evaluar la viabilidad de las CNA para el estudio de la dinámica de las moléculas de la membrana celular.[CATALÀ] Un tema recurrent en biologia cel·lular ha estat el estudi de les molècules de la membrana cel•lular. Concretament, la implicació de la distribució i la dinàmica d’aquestes molècules en les funcions cel·lulars. Per a aquests estudis s’han utilitzat diferents tècniques de microscopia, i aquesta tesi es focalitza en l’utilització de la tècnica “Near-Field Scanning Optical Microscopy” (NSOM) combinada amb “Fluorescence Correlation Spectroscopy” (FCS). Aquest mètode proporciona una gran resolució i un ràpid anàlisi de la dinàmica a l’escala de la membrana cel·lular. A més, l’ús d’antenes òptiques ha demostrat una millora significativa en la resolució. Tot i així, la falta de transmissió òptica d’aquestes antenes necessària per FCS ha motivat la fabricació de proves “Bowtie Nano-Aperture” (BNA) que disposen tant de resolució òptica, com una transmissió òptica dos ordres de magnitud major. Per altre banda, la complexitat dels camps propers que surgeixen de les BNA complica la interpretació de les dades de FCS. L’objectiu d’aquesta tesi és disenyar una prova òptica que combini resolució, gran transmissió òptica i camps propers senzills disenyant un nou prototip de prova: “Circular Nano-Aperture” (CNA). El rendiment de les proves BNA i CNA s’ha comparat per a evaluar la viabilitat de les CNA per a l’estudi de la dinàmica de les molècules de la membrana cel·lular

Antenes ultrabrillants d’obertura per sota la longitud d’ona per espectrocopia de correlació de fluorescència en cèl•lules vives

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] A recurring topic in cell biology has been the study of cell membrane molecules. Specifically the involvement of the distribution and dynamics of these molecules on cellular function. Several microscopy techniques have been employed for these studies and this thesis is focused on the utilization of the Near-field Scanning Optical Microscopy (NSOM) technique combined with Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). This approach provides high resolution and fast dynamic analysis at the cell membrane scale. Furthermore, the use of optical antenna probes has showed a significant improvement in the resolution [1,2]. However, these optical antennas lack the optical throughput necessary for FCS and have motivated the fabrication of Bow-tie Nano-Aperture (BNA) probes that have both the optical resolution as well as two orders of magnitude higher throughput [3]. On the other hand, the complex near-fields emanating from the BNA [3] complicates the interpretation of the FCS data. The goal of this thesis has been to design an optical probe that combines resolution, high optical throughput and simple excitation fields by using a new type of probe: Circular Nano-Aperture (CNA). The performance of BNA and CNA probes were compared in order to evaluate the viability of CNA probes to study cell membrane molecules dynamics.[CASTELLÀ] Un tema recurrente en biología celular ha sido el estudio de las moléculas de la membrana celular. Concretamente, la implicación de la distribución y la dinámica de estas moléculas en las funciones celulares. Distintas técnicas de microscopía han sido empleadas para estos estudios, y esta tesis se focaliza en la utilización de la técnica Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) combinada con Fluoescence Correlation Spectroscopy (FCS). Este método proporciona una gran resolución y análisis de dinámica rápida a la escala de la membrana celular. Además, el uso de antenas ópticas ha mostrado una mejora significativa en la resolución. Sin embargo, la falta de transmisión óptica de estas antenas necesaria para FCS ha motivado la fabricación de pruebas Bowtie Nano-Aperture (BNA) que poseen tanto resolución óptica, como una transmisión óptica de dos órdenes de magnitud mayor. Por otra parte, la complejidad de los campos cercanos que emanan de las BNA complica la interpretación de los datos de FCS. El objetivo de esta tesis es diseñar una prueba óptica que combine resolución, gran transmisión óptica y campos cercanos sencillos diseñando un nuevo tipo de prueba: Circular Nano-Aperture (CNA). El rendimiento de las pruebas BNA y CNA ha sido comparado para evaluar la viabilidad de las CNA para el estudio de la dinámica de las moléculas de la membrana celular.[CATALÀ] Un tema recurrent en biologia cel·lular ha estat el estudi de les molècules de la membrana cel•lular. Concretament, la implicació de la distribució i la dinàmica d’aquestes molècules en les funcions cel·lulars. Per a aquests estudis s’han utilitzat diferents tècniques de microscopia, i aquesta tesi es focalitza en l’utilització de la tècnica “Near-Field Scanning Optical Microscopy” (NSOM) combinada amb “Fluorescence Correlation Spectroscopy” (FCS). Aquest mètode proporciona una gran resolució i un ràpid anàlisi de la dinàmica a l’escala de la membrana cel·lular. A més, l’ús d’antenes òptiques ha demostrat una millora significativa en la resolució. Tot i així, la falta de transmissió òptica d’aquestes antenes necessària per FCS ha motivat la fabricació de proves “Bowtie Nano-Aperture” (BNA) que disposen tant de resolució òptica, com una transmissió òptica dos ordres de magnitud major. Per altre banda, la complexitat dels camps propers que surgeixen de les BNA complica la interpretació de les dades de FCS. L’objectiu d’aquesta tesi és disenyar una prova òptica que combini resolució, gran transmissió òptica i camps propers senzills disenyant un nou prototip de prova: “Circular Nano-Aperture” (CNA). El rendiment de les proves BNA i CNA s’ha comparat per a evaluar la viabilitat de les CNA per a l’estudi de la dinàmica de les molècules de la membrana cel·lular

Antenes ultrabrillants d’obertura per sota la longitud d’ona per espectrocopia de correlació de fluorescència en cèl•lules vives

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] A recurring topic in cell biology has been the study of cell membrane molecules. Specifically the involvement of the distribution and dynamics of these molecules on cellular function. Several microscopy techniques have been employed for these studies and this thesis is focused on the utilization of the Near-field Scanning Optical Microscopy (NSOM) technique combined with Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). This approach provides high resolution and fast dynamic analysis at the cell membrane scale. Furthermore, the use of optical antenna probes has showed a significant improvement in the resolution [1,2]. However, these optical antennas lack the optical throughput necessary for FCS and have motivated the fabrication of Bow-tie Nano-Aperture (BNA) probes that have both the optical resolution as well as two orders of magnitude higher throughput [3]. On the other hand, the complex near-fields emanating from the BNA [3] complicates the interpretation of the FCS data. The goal of this thesis has been to design an optical probe that combines resolution, high optical throughput and simple excitation fields by using a new type of probe: Circular Nano-Aperture (CNA). The performance of BNA and CNA probes were compared in order to evaluate the viability of CNA probes to study cell membrane molecules dynamics.[CASTELLÀ] Un tema recurrente en biología celular ha sido el estudio de las moléculas de la membrana celular. Concretamente, la implicación de la distribución y la dinámica de estas moléculas en las funciones celulares. Distintas técnicas de microscopía han sido empleadas para estos estudios, y esta tesis se focaliza en la utilización de la técnica Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) combinada con Fluoescence Correlation Spectroscopy (FCS). Este método proporciona una gran resolución y análisis de dinámica rápida a la escala de la membrana celular. Además, el uso de antenas ópticas ha mostrado una mejora significativa en la resolución. Sin embargo, la falta de transmisión óptica de estas antenas necesaria para FCS ha motivado la fabricación de pruebas Bowtie Nano-Aperture (BNA) que poseen tanto resolución óptica, como una transmisión óptica de dos órdenes de magnitud mayor. Por otra parte, la complejidad de los campos cercanos que emanan de las BNA complica la interpretación de los datos de FCS. El objetivo de esta tesis es diseñar una prueba óptica que combine resolución, gran transmisión óptica y campos cercanos sencillos diseñando un nuevo tipo de prueba: Circular Nano-Aperture (CNA). El rendimiento de las pruebas BNA y CNA ha sido comparado para evaluar la viabilidad de las CNA para el estudio de la dinámica de las moléculas de la membrana celular.[CATALÀ] Un tema recurrent en biologia cel·lular ha estat el estudi de les molècules de la membrana cel•lular. Concretament, la implicació de la distribució i la dinàmica d’aquestes molècules en les funcions cel·lulars. Per a aquests estudis s’han utilitzat diferents tècniques de microscopia, i aquesta tesi es focalitza en l’utilització de la tècnica “Near-Field Scanning Optical Microscopy” (NSOM) combinada amb “Fluorescence Correlation Spectroscopy” (FCS). Aquest mètode proporciona una gran resolució i un ràpid anàlisi de la dinàmica a l’escala de la membrana cel·lular. A més, l’ús d’antenes òptiques ha demostrat una millora significativa en la resolució. Tot i així, la falta de transmissió òptica d’aquestes antenes necessària per FCS ha motivat la fabricació de proves “Bowtie Nano-Aperture” (BNA) que disposen tant de resolució òptica, com una transmissió òptica dos ordres de magnitud major. Per altre banda, la complexitat dels camps propers que surgeixen de les BNA complica la interpretació de les dades de FCS. L’objectiu d’aquesta tesi és disenyar una prova òptica que combini resolució, gran transmissió òptica i camps propers senzills disenyant un nou prototip de prova: “Circular Nano-Aperture” (CNA). El rendiment de les proves BNA i CNA s’ha comparat per a evaluar la viabilitat de les CNA per a l’estudi de la dinàmica de les molècules de la membrana cel·lular