Design and realization of photonic structures and control for interferometric hybridly integrated sensors

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχει παρατηρηθεί αξιοσημείωτη πρόοδος στην ανάπτυξη συσκευών φωτονικών αισθητήρων με εφαρμογή σε τομείς όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντοςη βιοτεχνολογία, η ιατρική διαγνωστική, ο έλεγχος φαρμάκων και ο έλεγχος ποιότητας των τροφίμων. Παρότι η τεχνολογία των φωτονικών αισθητήρων έχει ωριμάσει, τόσο σε ερευνητικό όσο και σε εμπορικό επίπεδο, παρατηρούνται προβλήματα σταθερότητας, ευαισθησίας και μεγέθους τα οποία έχουν αποτρέψει τη γενική χρήση τους για εφαρμογές στο πραγματικό πεδίο δράσης. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός φωτονικού αισθητήρα ανίχνευσης της αλλαγής του δείκτη διάθλασης του δείγματος, ο οποίος προσφέρει λύσεις σε αυτά τα μειονεκτήματα. Τα κύρια μέρη αυτού του αισθητήρα είναι οι φωτονικές δομές που έχουν σκοπό την επιπλέον συμπάγειά του μέσω της υβριδικής ολοκλήρωσης που προσφέρουν, ο αλγόριθμος για την επεξεργασία των δεδομένων, στοχεύοντας την αυξημένη ευαισθησία και τη βελτίωση του ορίου ανίχνευσης καθώς και οι ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου του. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα ανίχνευσης αλλαγής του δείκτη διάθλασης και η τοποθέτησή του στο φάσμα των φωτονικών αισθητήρων, ως προς την ευαισθησία και το μέγεθός του. Στο δεύτερο κεφάλαιο, περιγράφονται οι φωτονικές δομές που σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Χρησιμοποιώντας την κατάλληλη μέθοδο προσομοίωσης στα αντίστοιχα στάδια σχεδιασμού, περιγράφονται αναλυτικά οι τρεις φωτονικές δομές οι οποίες είναι το κλειδί προς την υβριδική ολοκλήρωση του αισθητήρα. Το πρώτο είδος φωτονικών δομών είναι οι συζεύκτες πολλών ρυθμών (Multimode Interference couplers – MMIs) οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τον ακριβή και ισόποσο διαχωρισμό της οπτικής ισχύος ώστε να τροφοδοτούνται οι μικροδακτύλιοι συντονισμού που δρουν ως το αισθητήριο στοιχείο. Έπειτα από τον εργαστηριακό τους χαρακτηρισμό, διαπιστώθηκαν δομές με επιδόσεις ανισορροπίας ισχύος μεταξύ των κυματοδηγών εξόδου και απώλειας ισχύος, 0.08 dB και 0.6 dB αντίστοιχα, που επιτυγχάνουν τους στόχους που αρχικά είχαν τεθεί. Το δεύτερο είδος φωτονικών δομών, είναι οι συζεύκτες φράγματος περίθλασης με στόχο την ανακατεύθυνση του φωτός από την πηγή (VCSEL) προς το φωτονικό chip και από το φωτονικό chip προς τις φωτοδιόδους αντίστοιχα. Έχοντας ως προαπαιτούμενο την ευκολία κατασκευής τους, σχεδιάστηκαν fully-etched δομές με συντελεστή σύζευξης 54%, καθιστώντας τις χρήσιμο εργαλείο στη βιβλιοθήκη κατασκευαστών φωτονικών chips. Το τρίτο είδος φωτονικών δομών είναι ο περιστροφικός πολωτής, ο οποίος σε επίπεδο προσομοίωσης πληρούσε τις προδιαγραφές με στόχο τη μερική περιστροφή του κυματοδηγούμενου ΤΕ ρυθμού σε ΤΜ, ο οποίος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της ευαισθησίας του συστήματος λόγω του μεγαλύτερου βάθους εισχώρησής του στο δείγμα προς εξέταση. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφεται ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων για τον υπολογισμό της μετατόπισης του μήκους κύματος συντονισμού, ο οποίος βασίζεται στη θεωρία Fourier Transform. Μέσω ενός εκτεταμένου συνόλου αριθμητικών μελετών, περιγράφεται η σύγκριση του αλγορίθμου που έχει ως πυρήνα υπολογισμού τού διακριτού μετασχηματισμού Fourier της συνάρτησης μεταφοράς των MRRs, την FFT μέθοδο, με αυτήν της αναζήτησης τοπικού μεγίστου (Peak search method) και με την μέθοδο Lorentzian προσαρμογής καθώς και η ανεκτικότητά του στα ποικίλα είδη θορύβου. Στην πρώτη περίπτωση, αποδείχθηκε πως για πρακτικά βήματα σάρωσης και ρεαλιστικά επίπεδα απώλειας εντός της MRR κοιλότητας, η FFT μέθοδος βελτιώνει την ανάλυση (0.01 pm) και το όριο ανίχνευσης (~10e-7 nm/RIU) του συστήματος κατά 2-3 τάξεις μεγέθους. Στην περίπτωση σύγκρισης της FFT μεθόδου με αυτή της Lorentzian προσαρμογής, αποδείχθηκε πως μπορούν να επιτευχθούν ίδια επίπεδα ακρίβειας του αισθητήρα, χρησιμοποιώντας όμως μέχρι και 270 μεγαλύτερο βήμα σάρωσης, κάτι που οδηγεί στην δυνατότητα χρήσης ακόμη πιο φθηνών στοιχείων, μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος του αισθητήρα. Χρησιμοποιώντας λοιπόν τον αλγόριθμο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής, επιτυγχάνουμε αποτελέσματα ανάλυσης και ορίου ανίχνευσης των φωτονικών αισθητήρων όμοια με αυτά έπειτα από τη χρήση των κοινών μεθόδων αναζήτησης τοπικού μεγίστου και Lorentzian προσαρμογής, χρησιμοποιώντας όμως είτε πολύ μεγαλύτερα βήματα σάρωσης της πηγής, είτε πιο ευρεία οπτικά φίλτρα, μειώνοντας έτσι χαρακτηριστικά το κόστος κατασκευής του . Στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται η δύο επιπέδων αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής πλατφόρμας που ελέγχει τα μεμονωμένα μέρη του αισθητήρα. Επίσης, παρουσιάζονται πειράματα επαλήθευσης των θεωρητικών αποτελεσμάτων των αριθμητικών μελετών του 3ου κεφαλαίου, οδηγώντας σε πειραματική επαλήθευση της ευαισθησίας των MRRs κοντά στα 93.7 nm/RIU, ανάλυση του αισθητήρα 0.08 pm για βήμα σάρωσης 0.5 pm, και όριο ανίχνευσης 8.5·10e-7 RIU. Τέλος, παρουσιάζονται πειράματα με τη χρήση πραγματικών δειγμάτων χρησιμοποιώντας βιο-τροποποιημένους μικροδακτυλίους συντονισμού και έχοντας ως στόχο την ανίχνευση και τη δέσμευση των μορίων μυκοτοξίνης OTA και χαλκού στα αντίστοιχα απταμερή, καθώς και την επίδραση της παρουσίας MgCl2 στη διαδικασία μέτρησης.

The Present and Future Role of Microfluidics for Protein and Peptide-Based Therapeutics and Diagnostics

The implementation of peptide-based molecules within the medical field has vast potential, owing to their unique nature and predictable physicochemical profiles. However, peptide therapeutic usage is hindered by delivery-related challenges, meaning that their formulations must be altered to overcome these limitations. This process could be propelled by applying microfluidics (MFs) due to its highly controllable and adaptable attributes; however, therapeutic research within this field is extremely limited. Peptides possess multifunctional roles within therapeutic formulations, ranging from enhancing target specificity to acting as the active component of the medicine. Diagnostically, MFs are well explored in the field of peptides, as MFs provide an unsullied platform to provide fast yet accurate examinations. The capacity to add attributes, such as integrated sensors and microwells, to the MF chip, only enhances the attractiveness of MFs as a diagnostic platform. The structural individuality of peptides makes them prime candidates for diagnostic purposes, for example, antigen detection and isolation. Therefore, this review provides a useful insight into the current applications of MFs for peptide-based therapy and diagnostics and highlights potential gaps in the field that are yet to be explored or optimized.

Review of 3D-printing technologies for wearable and implantable bio-integrated sensors

Thin-film microfabrication-based bio-integrated sensors are widely used for a broad range of applications that require continuous measurements of biophysical and biochemical signals from the human body. Typically, they are fabricated using standard photolithography and etching techniques. This traditional method is capable of producing a precise, thin, and flexible bio-integrated sensor system. However, it has several drawbacks, such as the fact that it can only be used to fabricate sensors on a planar surface, it is highly complex requiring specialized high-end facilities and equipment, and it mostly allows only 2D features to be fabricated. Therefore, developing bio-integrated sensors via 3D-printing technology has attracted particular interest. 3D-printing technology offers the possibility to develop sensors on nonplanar substrates, which is beneficial for noninvasive bio-signal sensing, and to directly print on complex 3D nonplanar organ structures. Moreover, this technology introduces a highly flexible and precisely controlled printing process to realize patient-specific sensor systems for ultimate personalized medicine, with the potential of rapid prototyping and mass customization. This review summarizes the latest advancements in 3D-printed bio-integrated systems, including 3D-printing methods and employed printing materials. Furthermore, two widely used 3D-printing techniques are discussed, namely, ex-situ and in-situ fabrication techniques, which can be utilized in different types of applications, including wearable and smart-implantable biosensor systems.