Optimización de Lab-on-Chip para el análisis de fluorescencia en muestras líquidas

Abstract

El presente Trabajo Fin de Grado aborda el diseño, fabricación, modelado, validación y simulación de un dispositivo Lab-on-Chip (LoC) destinado al análisis de fluorescencia en muestras líquidas, con el objetivo de contribuir al control de la calidad de agua mediante la detección de la fluorescencia emitida por cianobacterias. La estrategia seguida comienza con la revisión de los fundamentos teóricos de la fluorescencia, los sensores de fibra óptica y las técnicas de fabricación más relevantes para este tipo de dispositivos, como la impresión 3D y el grabado láser asistido por ataque químico (ULAE). La metodología combina la aproximación experimental y la simulación. Por un lado, se procedió a la fabricación de un chip en un vidrio de sílice fundida mediante ULAE, integrado con fibras ópticas y montado en un soporte impreso en 3D de PLA, cuya función es aportar rigidez y estabilidad al sistema, sin contribuir a su comportamiento óptico. Con este prototipo, complementado con una fuente de excitación dispuesta a 90º respecto a la zona de la muestra y un espectrómetro como detector, se realizaron pruebas de fluorescencia en laboratorio. Estas permitieron validar el funcionamiento básico del sistema en diferentes configuraciones y, al mismo tiempo, identificar limitaciones relevantes. Por otro lado, de forma complementaria, se desarrolló un modelo del chip utilizando el software de simulación óptica Zemax OpticStudio, que permitió analizar la distribución de la luz en el interior de la muestra. A partir de estos resultados, se propuso una nueva geometría con el fin de optimizar la detección de la señal fluorescente. En conjunto, este trabajo constituye un paso hacia el desarrollo de sensores ópticos miniaturizados para la monitorización ambiental, concretamente orientado a la detección de la fluorescencia emitida por cianobacterias, y sienta las bases para futuras mejoras dirigidas a aumentar la sensibilidad, la robustez y la versatilidad del diseño.

This Final Degree Project addresses the design, fabrication, modeling, validation, and simulation of a Lab-on-Chip (LoC) device intended for fluorescence analysis in liquid samples, with the aim of contributing to water quality monitoring through the detection of fluorescence emitted by cyanobacteria. The approach begins with a review of the theoretical fundamentals of fluorescence, optical fiber sensors, and the most relevant fabrication techniques for this type of device, such as 3D printing and laser writing assisted by chemical etching (ULAE). The methodology combines both experimental and simulation approaches. On the one hand, a chip was fabricated in fused silica glass using ULAE, integrated with optical fibers and mounted on a 3D-printed PLA holder, whose function is to provide rigidity and stability to the system without contributing to its optical behavior. With this prototype, complemented by an excitation source placed at 90° with respect to the sample region and a spectrometer as the detector, fluorescence tests were carried out in the laboratory. These tests allowed the validation of the basic operation of the system under different configurations and, at the same time, the identification of relevant limitations. On the other hand, as a complementary approach, a model of the chip was developed using the optical simulation software Zemax OpticStudio, which enabled the analysis of light distribution inside the sample. Based on these results, a new geometry was proposed in order to optimize the detection of the fluorescent signal. Overall, this work represents a step forward in the development of miniaturized optical sensors for environmental monitoring, specifically aimed at detecting fluorescence emitted by cyanobacteria, and lays the groundwork for future improvements focused on increasing the sensitivity, robustness, and versatility of the design.