Investigación e implementación de técnicas de análisis y procesamiento de señales e imágenes para el desarrollo y utilización de inmunosensores

Título

Investigación e implementación de técnicas de análisis y procesamiento de señales e imágenes para el desarrollo y utilización de inmunosensores

Colaborador

Federico, Roque Alejandro
Cabaleiro, Juan Martín

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2018

Extensión

xvii, 104 p.

Resumen

En esta Tesis se investigan y analizan tres técnicas para el desarrollo de plataformas de biosensado Lab-On-a-Chip (por sus siglas en inglés, LoC). Se presenta una técnica que permite aumentar la precisión en la cuantificación de cantidades reducidas de fluidos en aplicaciones de transporte electroosmótico y dos técnicas de detección óptica con aplicación en biosensado. Estas técnicas intervienen directamente en la automatización de procesos para la cuantificación de un elemento biológico específico o analito usando cantidades muy reducidas de fluidos. En la evolución tecnológica de las plataformas LoC se observa un constante incremento de complejidad requerida tanto en el desarrollo de sistemas de transporte microfluídico, bioreceptores y elementos transductores, como del empleo de técnicas de análisis y procesamiento de señales. En el área de transporte de especies en sistemas microfluídicos, el trabajo de Tesis está dirigido a la introducción de un modelo numérico basado en presiones de Laplace, el cual permite explicar el origen y la dinámica de gradientes de presión adversos indeseados, que pueden reducir e incluso cancelar el flujo, presentes en aplicaciones de transporte electroosmótico con mayor precisión a la alcanzada por modelos previos basados en presión hidrostática. Esto se traduce en un aumento de la precisión en el manejo de cantidades reducidas de fluidos en sistemas de transporte electroosmótico. Con respecto a las técnicas de biosensado que pueden ser implementadas en plataformas tipo LoC, en este trabajo de Tesis se explota el uso de la óptica. Se desarrollan dos abordajes bien diferenciados tanto en forma teórica como experimental: el empleo de un marco de referencia
interferométrico de geometría dual basado en detección de fase usando análisis deseñales mediante el empleo de transformadas synchrosqueezing, y la aplicación de sistemas de detección basados en resonadores ópticos circulares del tipo whisperinggallery modes (por sus siglas, WGM). Ambas modalidades son discutidas en forma general utilizando experimentos controlados que se independizan de la naturaleza del elemento biológico. De esta manera los análisis presentados ponen en evidencia los pros y contras de ambas técnicas y marcan un hito de lo que se espera para su futura adaptación en el uso de plataformas tipo LoC.
In this Thesis, we investigate and analyze three techniques for the development of Lab-On-a-Chip (LoC) biosensing platforms. We present a technique that allows increasing the handling precision of reduced fluid volumes in electroosmotic transport applications and two biosensing capable optical detection techniques. These techniques directly intervene in the automation of processes for the quantification of a specific biological element or analyte using minimal amounts of fluids. The technological evolution of LoC platforms shows a constant increase in the required complexity both for the development of microfluidic transport systems, bio-receptors and transducer elements, as of the use of analysis and signal processing techniques. Regarding the area of species transport in microfluidic systems, this Thesis is aimed at the introduction of a numerical model, based on Laplace pressures, which explains the origin and dynamics of undesired adverse pressure gradients, that appear in electroosmotic transport applications, which can reduce and even cancel the flow with greater precision than that achieved by previous models based on hydrostatic pressure. This renders in a precision increase in the handling of reduced amounts of fluids in electroosmotic transport systems. Regarding the biosensing techniques that can be implemented in LoC platforms, in this Thesis, we make use of optics. Two approaches are developed, differentiated both theoretically and experimentally: (1) the use of a dual-geometry interferometric reference framework based on phase detection employing signal analysis through the use of synchrosqueezing transforms, and (2) the application of detection systems based on whispering-gallery modes optical microresonators (for short, WGM). Both methods are discussed in a general way using controlled experiments independent of the biological element nature. In this way, the presented analyzes highlight the pros and cons of both techniques and mark a milestone towards its future adaptation in LoC platforms.