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High index difference polymer waveguide Mach-Zehnder interferometer biosensor, compatible with injection molding and spin-coating
Roman Bruck
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Martin Neumann
DOI
10.25365/thesis.13142
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30144.01784.714863-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die selektive Detektion von Biomolekülen, wie z.B. Proteinen oder Teilen von DNA, ist von essenzieller Bedeutung für die medizinische Diagnostik. Optische Biosensoren werden aktuell als vielversprechende Kandidaten gehandelt, um die Beschränkungen teurer und zeitaufwändiger state-of-the-art diagnostischer Tests zu überwinden. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines vollständig integrierten Mach-Zehnder Interferometer Biosensors, basierend auf Hochindexkontrast Polymerwellenleitern, dargelegt. Das Design des optischen Sensors, basierend auf optischen Beugungsgittern für die Kopplung von Licht in und aus dem Sensor sowie monomodigen Wellenleitern, ist vollständig kompatibel mit weit verfügbaren und kosteneffizienten Technologien zur Massenproduktion von Polymer-basierten Bauteilen, wie Spritzgießen und Aufschleudern, was diesen Sensor zu einer interessanten Alternative zu anorganischen Sensorkonzepten macht. Die Elemente des Sensors wurden vollständig simuliert und optimiert. Um die Koppeleffizienz kleiner Gitterkoppler in Materialsystemen mit niedrigem Indexkontrast zu erhöhen, wurde der neuartige Zugang einer Hochindex Beschichtung von Gitterkopplern angewandt. In den Simulationen zeigte sich eine Steigerung der maximalen Koppeleffizienz mittels Gitterkopplern in schmale, monomodige Wellenleiter durch die Aufbringung dieser Hochindex Beschichtung um nahezu 8 dB. Der positive Effekt der Hochindex Beschichtung wurde anschließend experimentell verifiziert. Zuletzt wurde der auf Polymerwellenleitern basierte Sensor für die markerfreie Echtzeitmessung der Bindungsprozesse von Biotin-Streptavidin bei einer Wellenlänge von 1310 nm eingesetzt. Für die Binding von Streptavidin auf der Sensoroberfläche während dieser Experimente wurde die Sensoroberfläche mit 3-mercaptopropyl trimethoxy Silan und Malemid markiertem Biotin funktionalisiert. Trotz der großen Wellenlänge und des geringen verfügbaren Brechungsindexkontrastes in Polymer-Materialsystemen, verglichen mit anorganischen Materialsystemen, konnten Streptavidin Konzentrationen ab 0.1 µg/ml erfolgreich detektiert werden.
Abstract
(Englisch)
The selective detection of biomolecules, such as proteins or DNA strands, is of vitally importance for medical diagnosis. Optical biosensors are believed to be a promising way to overcome the limitations of expensive and time-consuming state-of-the-art diagnostic tests. In this thesis, the development of a fully integrated Mach-Zehnder interferometer biosensor based on high index contrast polymer waveguides is reported. The optical sensor design, based on grating waveguide couplers for light in- and out-coupling as well as single mode polymer waveguides, is fully compatible with cost-efficient mass production technologies for polymers such as injection molding and spin coating, which makes the sensor an attractive alternative to inorganic optical sensors. The sensor elements are rigorously simulated and optimized. For an improved efficiency of small grating couplers in material systems with comparatively low index contrasts, the novel approach of a high index coating on top of grating couplers was applied. Simulations revealed a nearly 8 dB increase in the maximum coupling efficiency into narrow single mode waveguides by means of grating couplers due to the high index coating. The positive effect of the high index coating was then experimentally verified. Finally, the polymer waveguide based biosensor was applied for label-free online measurements of biotin-streptavidin binding processes on the sensor surface at a wavelength of 1310 nm. For the binding experiments, the surface of the polyimide waveguide core layer was functionalized with 3-mercaptopropyl trimethoxy silane and malemide tagged biotin. Despite the large wavelength and the comparatively low surface sensitivity of the sensor system due to the low index contrast in polymer material systems compared to inorganic material systems, streptavidin concentrations down to 0.1 µg/ml were resolved.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Biosensor polymer polyimide single mode waveguide streptavidin MZI Mach-Zehnder interferometer grating coupler HIC high index coating
Schlagwörter
(Deutsch)
Biosensor Polymer Polyimid mono modig Wellenleiter Streptavidin MZI Mach-Zehnder Interferometer Gitterkoppler HIC Hochindexbeschichtung
Autor*innen
Roman Bruck
Haupttitel (Englisch)
High index difference polymer waveguide Mach-Zehnder interferometer biosensor, compatible with injection molding and spin-coating
Paralleltitel (Deutsch)
Hochindexkontrast Polymerwellenleiter Mach-Zehnder Interferometer Biosensor, kompatibel mit Spritzgießen und Aufschleudern
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
139 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Georg Reider ,
Pavel Cheben
AC Nummer
AC08527591
Utheses ID
11818
Studienkennzahl
UA | 091 | 411 | |