Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021In recent years, increasing efforts of developing novel micro and nano technologies have been dedicated to improve human health. These advances in the field of nanotechnology have facilitated the development of miniaturized microfluidic lab-on-a-chip (LOC) devices, which are frequently described as miniature versions of their macro-scale counterparts. Microfluidic LOC devices present great benefits in terms of small sample volumes and fast analysis times. From an optical point of view, these devices still suffer a drastic reduction in the optical pathlength compared to macroscale experiments. Obviously the reduced optical pathlength complicates or reduces the effectiveness of the application of various optical techniques in lab-on-a-chip systems. Meanwhile these devices are gaining a broader acceptance in clinical medicine for disease diagnosis. This thesis describes the recent work performed in the field of optofluidics with the application of optical sensing systems for microfluidic devices. Optofluidics is a combination of optics/photonics and microfluidics field. In optofluidic devices the micro-photonic components are integrated on microfluidic devices, which are able to hold the fluids at the microlitre scale. Optofluidic devices are used to perform interactions between light and fluids at micro scale level for applications in physics, chemistry and biology. These chip-scale devices could be easily integrated into a LOC system that is a compact platform and does not require free-space optics to perform laser-based spectroscopy, such as absorption spectroscopy. Absorption spectroscopy (AS) is a powerful technique for studies of species (atoms and molecules) and detection of unknown concentrations. The spectroscopic analysis is not only applied in physics and chemistry but also in biology and medicine [1]. Although a large number of molecular species can successfully be detected with established AS techniques, there are some applications that require higher sensitivity, selectivity and accuracy, yet robust and compact instrumentation. In this work, a LOC device was developed based on the optofluidics concept. The relevance of integration of micro-optical components in an “on-chip” approach is compared with the “off-chip” approach which was coupled with macro-scale optical infrastructure. The design and characterization of miniaturized optofluidic devices for sensing based on integrating collimating optical fibers with custom microfluidic chips is presented. The usage of graded-index (GRIN) fiber tips or GIF tips is to develop a compact device which does not require free space optics and the collection efficiency of GRIN fiber tips is significantly higher compared to standard single-mode fiber. The absorption spectroscopy on-chip is performed with both GIF tips and SMF configurations. To compare the performance of both fibres, the beam divergence and the insertion losses were measured. The reduction in both beam divergence and insertion losses for the GIF configuration compared with SMF were found to be 4-fold, for a 10 mm channel. Absorption spectroscopy was demonstrated on chip for the measurement of red colour dye (Ponceau 4R) and the detection of thiocyanate (SCN) which is an indicator of oral health and a detoxification product of cancer treatments. The thiocyanate concentrations were detected in water and also in a complex biofluid i.e. artificial human saliva. The proposed optofluidic setup allows for absorption spectroscopy measurements to be performed with only 200 µL of solution which is an order of magnitude smaller than for standard cuvettes but provides comparable sensitivity. To assess the performance of the miniaturized device, the absorption measurements are also compared with a standard cuvette of the same pathlength (~10 mm). A quantitative comparison of both devices demonstrates the consistency of linearity of absorbance against the concentration of analyte, accordingly to the Beer-Lambert law. The demonstrated approach has the potential to be used for chemical and biochemical analysis of DNA, proteins or saliva where the use of small volumes is critical. In order to perform spectroscopic analysis of human body proteins, a new sensing device was developed using a compacted chip with micropillar arrays called “Pillar Cuvette (PC)”. The PCs are fabricated at ANFF-SA (Australian National Fabrication Facility - South Australia Node). The design and fabrication process of PCs is briefly presented in this thesis. The CLIC3-HIS tag protein (human body protein) and BSA protein (Bovine protein) spectroscopic analysis were performed in UV range of spectrum. We developed a new approach to optical manipulation of excitation fibre and collection fiber setup. The proposed design and setup are presented in which optical fibers and the PC are integrated directly on a compact platform that doesn’t require alignment. It is an integrated pre-aligned device which is wholly portable.Nos últimos anos, os esforços crescentes de desenvolvimento das novas tecnologias têm-se dedicado a melhorar a saúde humana. Esses avanços no campo da nanotecnologia facilitaram o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos, designados lab-on-a-chip (LOC), que são frequentemente descritos como versões em miniatura de seus equivalentes em macro escala. A área dos microfluídicos trata dos fluidos em escala micrométrica para fins de controlo de fluxo ou deteção das espécies químicas. Os dispositivos microfluídicos apresentam grandes vantagens, incluindo consumo mínimo de volumes de amostra, tempos de análise rápidos e custo de fabricação reduzido [2]. Com o avanço nas tecnologias de fabricação, as áreas de ótica e da fotónica também se adaptaram para desenvolver componentes óticos na micro e nano escala. A pesquisa na escala micrométrica deu origem a outro tópico chamado opto-fluídos. A área de opto-fluídos é muito recente, surgiu apenas no início de ano 2000 e a pesquisa neste tópico está crescendo exponencialmente de um ano para o outro [3]. A área de opto-fluídos estuda a interação entre fluído e luz, aproveitando a tecnologia existente nas áreas de microfluídicos da ótica. Os dispositivos opto-fluídos são geralmente baseados na integração de tecnologias óticas/fotónicas no dispositivo microfluídico. Do ponto de vista ótico, os dispositivos opto-fluídos sofrem uma redução drástica no comprimento do caminho ótico, em comparação com os instrumentos em macro escala. Obviamente, o comprimento do caminho ótico reduzido complica ou traz problemas na utilização de técnicas de deteção e isso, por sua vez, reduz a eficácia das técnicas óticas em sistemas LOC. Enquanto isso, esses dispositivos estão a ganhar aceitação crescente no campo da medicina clínica para o diagnóstico de várias doenças. A presente tese descreve o trabalho recente realizado na área de opto-fluídos, utilizando um sistema de sensores óticos num dispositivo microfluídico. Os dispositivos opto-fluídicos são usados para realizar interações entre luz e fluídos em nível de microescala para aplicações em física, química e biologia. Os componentes óticos ao nível de escala de um micro-chip podem ser facilmente integrados em um sistema LOC que também é uma plataforma compacta. Deste modo, os sistemas opto-fluídos não requerem ótica de espaço livre para realizar espectroscopia baseada em laser, como a espectroscopia de absorção. A espectroscopia de absorção é uma técnica poderosa para estudos de espécies (átomos e moléculas) e deteção de concentrações desconhecidas. Embora um grande número de espécies moleculares possa ser detetado com sucesso através das várias técnicas estabelecidas de espectroscopia, existem algumas aplicações que requerem maior sensibilidade, precisão e instrumentação mais robusta e compacta. Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um dispositivo LOC com base no conceito de opto-fluídos. A espectroscopia de absorção foi demonstrada no dispositivo compacto e miniaturizado (LOC) desenvolvido usando fibras que têm pontas de índice graduado (GRIN) que também são conhecidas por pontas GIF. Essas fibras permitem desenvolver um lab-on-a-chip altamente eficaz que é compacto, conectada por fibra e que não requer ótica de espaço livre para criar o caminho ótico. A espectroscopia de absorção no chip é realizada com duas configurações, ou seja, pontas GIF e SMF. Para comparar o desempenho de ambas as fibras, a divergência do feixe e as perdas de inserção foram medidas. A eficiência de coleção do feixe na ponta de fibra GRIN (125 µm) é significativamente maior em comparação com a fibra de modo único - SMF (125 µm). As pontas GIF têm o feixe colimado na saída da fibra que é transmitida longitudinalmente através de um microcanal e que é coletada por uma fibra multi-modo na outra extremidade do microcanal. Desta forma, fabricamos um dispositivo opto-fluídico que permite melhorias significativas no aumento do comprimento de interação, para espectroscopia de absorção de passagem única, usando pontas de fibra de índice graduado (GIF). A relevância da integração de componentes micro-óticos na abordagem on-chip é comparada com a abordagem off- chip, que foi acoplada à infraestrutura ótica em macro escala. A configuração opto-fluídica proposta permite que as medições de espectroscopia de absorção sejam realizadas com apenas 200 µL de solução, que é uma ordem de magnitude menor do que as efetuadas com uma cuvete padrão (3.5 mL), mas que fornece sensibilidade comparável. Para avaliar o desempenho do dispositivo miniaturizado, as medições de absorção também são comparadas com uma cuvete padrão do mesmo caminho ótico (~10 mm). A espectroscopia de absorção foi demonstrada em 3 configurações (cuvete padrão; dispositivo opto-fluídico com fibra SMF; dispositivo opto-fluídico com fibra GIF) para a medição do corante vermelho (Ponceau 4R). Para demonstrar ainda mais o uso do dispositivo opto-fluídico, mostramos que esse pode ser usado para a deteção de analitos biologicamente relevantes, como o thiocyanate (SCN). O SCN foi escolhido porque é um produto usado na desintoxicação de fármacos utilizados no tratamento do cancro e é um indicador de saúde bucal, incluindo a exposição ao fumo passivo que pode aumentar significativamente as concentrações de SCN para níveis potencialmente capazes de afetar a glândula tireoide. Numa comparação quantitativa, o dispositivo demonstrou a consistência da linearidade da absorbância em relação à concentração do analito, de acordo com a lei de Beer-Lambert Também exploramos a configuração opto fluídica com a ponta GIF para deteção de SCN em uma matriz de uma amostra mais complicada (que não é apenas água) a saliva humana artificial. Reforçando assim, o estudo do potencial deste dispositivo para diagnóstico de amostras complexas. A abordagem demonstrada mostrou ter potencial para ser usada para análises químicas e bioquímicas de ADN, proteínas ou saliva onde o uso de pequenos volumes é crítico. De modo a fazer comparação entre duas fibras, foram efetuados estudos de feixe de divergência ao longo de microcanal e as perdas de inserção entre a fibra de excitação (GIF) e a fibra de coleção (MMF). Foi obtida uma redução 4 vezes inferior na divergência do feixe e nas perdas de inserção para a configuração GIF em comparação com SMF, para um canal de 10 mm de comprimento. O trabalho foi complementado com a análise espectroscópica das proteínas do corpo humano. Para tal, foi utilizado um chip compactado com matrizes de micropilares denominado Pillar Cuvette ou PC. Os PC foram fabricados na ANFF- SA (Australian National Fabrication Facility - South Australia Node). O processo de desenho e fabricação do PC é brevemente apresentado neste trabalho. A análise espectroscópica da proteína CLIC3-HIS tag (proteína do corpo humano) e da proteína BSA (proteína bovina) foi realizada na faixa de espectro do ultravioleta (UV). Utilizando os métodos prévios não foi possível determinar o pico de absorvância esperado a λ=280 nm. Face a este resultado, foi desenvolvido um novo dispositivo opto fluídico que tem alta viabilidade de integração na plataforma lab-on-a-chip. Neste novo dispositivo as pontas GIF são configuradas num PC. Na nova configuração desenvolvida, o feixe é transmitido através da secção transversal do PC, permitindo aumentar o comprimento do caminho ótico mantendo 2 µL - 3 µL de volume de amostra. Para futuro trabalho, o desenho de uma plataforma foi desenvolvido para integração compacta dos PC e das ambas as fibras. Esta nova plataforma está em processo de fabricação e será testado nas futuras experiências. Um bom resultado nos testes permitirá alargar o universo de utilização destes dispositivos em análises químicas e bioquímicas com volume de amostra e tempo de análise reduzido. Deste modo, a crescente disponibilidade de ferramentas e técnicas na indústria de nanotecnologia vai fornecer um caminho para trazer essas inovações do laboratório para a vida cotidiana
