Οπτικοί βιοαισθητήρες για την ανίχνευση βιομορίων χωρίς τη χρήση ιχνηθετών
Optical biosensors for label-free detection of biomolecules
Ψαρούλη, Αιμιλία Ανδρέα
Χανιωτάκης, Νικόλαος
Πέτρου, Παναγιώτα
Κακαμπάκος, Σωτήριος
Ράπτης, Ιωάννης
Θερμού, Κυριακή
Βαμβακάκη, Μαρία
Γανωτάκης, Δημήτριος
Οι βιοαισθητήρες είναι διατάξεις που συνδυάζουν ένα βιολογικό στοιχείο αναγνώρισης σε φυσική επαφή με έναν μεταλλάκτη σήματος. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση οπτικού ανοσοαισθητήρα ολοκληρωμένου σε ψηφίδες πυριτίου ο οποίος βασίζεται στη συμβολομετρία Mach-Zehnder για τον ανοσοχημικό προσδιορισμό ουσιών βιολογικού ενδιαφέροντος. Οι ψηφίδες κατασκευάζονται εξ' ολοκλήρου με τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και περιλαμβάνουν συστοιχίες δέκα αισθητήρων ανά ψηφίδα. Κάθε αισθητήρας αποτελείται από μια ολοκληρωμένη στο πυρίτιο πηγή φωτός η οποία εκπέμπει σε μια ευρεία περιοχή του ορατού-εγγύς υπεριώδους φάσματος και είναι συζευγμένη με έναν επίσης ολοκληρωμένο στην ψηφίδα οπτικό κυματοδηγό από νιτρίδιο του πυριτίου σχηματοποιημένο σε συμβολόμετρο Mach-Zehnder. Όπως και στα συνήθη συμβολόμετρα Mach-Zehnder, ο κυματοδηγός διαχωρίζεται σε δύο κλάδους οι οποίοι μετά από ορισμένη απόσταση επανενώνονται. Ο ένας από τους δύο κλάδους τροποποιείται με κατάλληλο βιομόριο αναγνώρισης και καλείται αισθητήριος κλαδος, ενώ ο άλλος είναι συνήθως καλυμμένος με προστατευτικό στρώμα και καλείται κλάδος αναφοράς. Η δέσμευση του αναλύτη από το ακινητοποιημένο στην επιφάνεια του αισθητήριου κλάδου βιομόριο αναγνώρισης προκαλεί μεταβολή του φαινόμενου δείκτη διάθλασης με αποτέλεσμα την μεταβολή της φάσης του κυματοδηγούμενου φωτός σε σχέση με τον κλάδο αναφοράς. Έτσι, κατά την συμβολή των δύο κλάδων, δημιουργείται ένα φάσμα συμβολής το οποίο μεταβάλλεται κατά την διάρκεια της βιοαντίδρασης και παρέχει την δυνατότητα παρακολούθησης των βιοαντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο χωρίς την χρήση ιχνηθετών. Ο βιοαισθητήρας που αναπτύχθηκε αξιολογήθηκε ως προς τη δυνατότητα ποσοτικού ανοσοχημικού προσδιορισμού της C-αντιδρώσας πρωτεΐνης (CRP) σε δείγματα ορού αίματος. Η CRP είναι δείκτης φλεγμονής ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως στην κλινική πράξη για την διάγνωση και παρακολούθηση της θεραπείας φλεγμονωδών καταστάσεων και σχετικα πρόσφατα προτάθηκε ως διαγνωστικός δείκτης εμφράγματος του μυοκαρδίου. Οι τιμές που προσδιορίστηκαν για την CRP σε δείγματα ορού από ανώνυμους δότες ήταν σε καλή συμφωνία με αυτές που προσδιορίστηκαν στα ίδια δείγματα με μεθόδους αναφοράς, καταδεικνύοντας την αξιοπιστία των μετρήσεων και την δυνατότητα εφαρμογής του αισθητήρα για τον προσδιορισμό δεικτών κλινικού ενδιαφέροντος.
(EL)
Biosensors are self-contained integrated devices capable to provide analytical information using biological recognition molecules in direct spatial contact with a transducer. The aim of this thesis was to develop and evaluate an integrated on silicon substrate optical immunosensor based on Mach-Zehnder Interferometry for the immunochemical determination of clinical analytes. The transducer is fabricated entirely by mainstream silicon technology in arrays of ten sensors in a single silicon chip. Each sensor consists of an integrated on silicon light source that emits a broad spectrum in visible-near ultraviolet range coupled to an integrated silicon nitride waveguide which has been patterned into a Mach-Zehnder interferometer. As in the classical Mach-Zehnder interferometers, the waveguide in the proposed sensor is split into two arms, the sensing one which is appropriately modified with recognition biomolecule and the reference arm that is covered by a protective layer. The specific binding of the analyte with the immobilized onto the sensing arm recognition biomolecule causes an effective refractive index change thus changing the phase of the waveguided light with respect to the reference arm. As a result, when the two arms converge again, an interference spectrum is generated that shifts during bioreaction providing the ability to monitor in real-time without using labels. The sensor was evaluated with respect to the determination of analytes of clinical interest and especially for the immunochemical determination of C-reactive protein in human serum samples by immobilizing a CRP specific antibody in the Mach-Zehnders sensing arm. CRP is a marker of inflammation widely used in everyday clinical practice for diagnosis and therapy monitoring of inflammatory situations. CRP has been also proposed as a prognostic marker of myocardial infraction. The immunosensor developed was applied for the CRP determination in serum samples from unknown donors and the values determined were in good agreement with those received for the same samples by commercially available kits and instruments demonstrating the reliability of the determinations performed with the immunosensor developed and its potential for analysis of clinical samples.
(EN)
Τύπος Εργασίας--Διδακτορικές διατριβές
text
Mach-Zehnder interferometers
Monolithically integrated on silicon Mach-Zehnder interferometers
Συμβολόμετρα Mach-Zehnder
C-reactive protein
Ανάλυςη χωρίς τη χρήση ιχνηθετών
C-αντιδρώσα πρωτεΐνη
Ολοκληρωμένα σε ψηφίδες πυριτίου συμβολόμετρα Mach-Zehnder
