University of Oulu

Improving robustness and disposability of integrated Young interferometer sensors for portable diagnostics

Saved in:
Author: Aikio, Sanna1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Online Access: PDF Full Text (PDF, )
Language: English
Published: Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2016
Publish Date: 2016-10-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Thesis for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission for public examination and criticism in Auditorium TS101, at the University of Oulu, on the 18th of November, at 12 o’clock noon.
Tutor: Professor Risto Myllylä
Docent Jussi Hiltunen
Reviewer: Professor Kristinn B. Gylfason
Doctor Erkki Alarousu
Opponent: Professor Peter Van Daele
Professor Kristinn B. Gylfason
Description:

Abstract

Integrated Young interferometers (YIs) are label-free photonic sensors having many desirable features for point-of-need diagnostics. They have been shown to be sensitive, they are capable of multi-analyte detection, and they can be implemented using low-cost polymeric materials. However, there are also some disadvantages from the low-cost portable diagnostics point of view: sensor readout is easily disrupted by mechanical disturbances, and the realization of disposable photonic sensor chips for cost-critical applications using established batch-based processes is difficult.

The objective of the work discussed in this thesis was to improve the applicability of integrated Young interferometer sensors for low-cost portable diagnostics by means of two themes: improving the robustness of the sensing method against mechanical disturbances and improving the disposability of the sensor chips. To improve the robustness, a drift compensation method was derived. The method was shown to be able to extract sample-induced phase change responses from up to 161 times larger phase changes measured with a deliberately mechanically disturbed setup.

Disposability was improved by demonstrating that YI sensor chips can be implemented using polymeric waveguides manufactured by ultra-high volume roll-to-roll (R2R) methods. Three sensor embodiments were designed: one for ambient refractive index sensing, one for sensing of small molecules, and one for multi-analyte detection of biomolecules. In the experiments, ambient refractive index changes were detected at a level of 10-6 refractive index units. Analyte-specific sensing of small molecules was demonstrated using a sensor chip functionalized with a molecularly imprinted polymer. For multi-analyte detection of biomolecules, sensor chips were functionalized with inkjet-printed antibody layers.

Improving the robustness of the sensing method and proving the concept of disposable photonic sensor chips opens up new possibilities to implement lowcost portable sensor systems.

see all

Tiivistelmä

Integroidut Youngin interferometrit (YI) ovat leimattomia fotoniikkaan perustuvia sensoreita. On osoitettu, että niillä on monia hyödyllisiä pikadiagnostiikkaan liittyviä ominaisuuksia, kuten mittausmenetelmän herkkyys sekä mahdollisuus toteuttaa sensoriliuskat käyttäen edullisia polymeerimateriaaleja. Mittausmenetelmällä on myös epäedullisia ominaisuuksia edullisen kannettavan diagnostiikan kannalta: menetelmä on herkkä ulkoisille mekaanisille häiriöille, ja kertakäyttöisten mittaliuskojen toteuttaminen edullisiin pikadiagnostiikkasovelluksiin on vaikeaa vakiintuneilla mikrovalmistustekniikoilla, jotka perustuvat liuskojen prosessointiin erissä.

Työn tavoitteena oli parantaa integroitujen YI-sensoreiden soveltuvuutta edulliseen kannettavaan diagnostiikkaan kehittämällä mittausmenetelmän mekaanisten häiriöiden sietokykyä sekä mittaliuskojen kertakäyttöisyyttä. Mekaanisten häiriöiden kompensoimiseen kehitettiin menetelmä, jonka osoitettiin kykenevän erottamaan näytteen aiheuttama vaihesiirto 161 kertaa suuremmasta häiriöstä.

Mittaliuskojen kertakäyttöisyyttä parannettiin osoittamalla, että sensoriliuskat voidaan toteuttaa käyttäen polymeerisiä valokanavia, jotka on valmistettu jatkuvalla rullalta rullalle -menetelmällä. Se soveltuu erittäin suurien tuotantomäärien valmistamiseen. Kokeellista työtä varten suunniteltiin mittaliuskat ympäröivän taitekertoimen, pienmolekyylien ja biomolekyylien mittauksiin. Kokeiden perusteella mittaliuskoilla voidaan havaita 10-6 taitekerroinyksikön muutoksia ympäröivän materiaalin taitekertoimessa. Pienmolekyylien mittaaminen toteutettiin mittaliuskalla, joka oli funktionalisoitu molekyyli-imprintatulla polymeerillä. Biomolekyylien monianalyyttimittaus toteutettiin mittaliuskalla, joka oli funktionalisoitu liuskan pintaan muistesuihkutulostetuilla vasta-aineilla.

Mittausmenetelmän parempi häiriönsietokyky ja rullalta rullalle valmistetun polymeerisen valokanavan soveltuvuuden osoittaminen sensorikäyttöön avaavat uusia mahdollisuuksia kannettavan diagnostiikan toteutukseen.

see all

Series: VTT Science
ISSN: 2242-119X
ISSN-E: 2242-1203
ISSN-L: 2242-119X
ISBN: 978-951-38-8461-1
ISBN Print: 978-951-38-8462-8
Issue: 136
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2016. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.