Tesis por compendio / [ES] La tesis doctoral se centra en el desarrollo de un hidrogel sensible a analitos, funcionalizado con sondas de ADN, con estructura difractiva como transductor óptico para aplicaciones de diagnóstico in vitro. El primer capítulo incluye una visión general de los diferentes conceptos relacionados con el biosensado, los desarrollos recientes en el mercado del diagnóstico in vitro y, en particular, los biosensores de ADN. Además, se presenta la síntesis y caracterización de hidrogeles, su papel como matriz de soporte en biosensado y las estrategias de inmovilización. Por último, se explican los conceptos básicos de la holografía como nueva estrategia de detección y el papel de las diferentes redes de difracción en la biosensación. A continuación, en el Capítulo 2, se discuten los objetivos de este proyecto. El objetivo de esta investigación es desarrollar hidrogeles que incorporen sondas de ADN y dotarlas de una estructura difractiva para que actúen como transductores ópticos sin etiquetas. Se consideran dos tipos de estructuras difractivas: redes holográficas de relieve superficial (SRG) y redes de transmisión de volumen (VTG). La fase inicial de este trabajo se centró en la optimización de hidrogeles, ajustando su composición para que actuaran como biosensores holográficos. Se seleccionaron acrilamida y bisacrilamida para la preparación del hidrogel mediante reacción de polimerización por radicales libres. Además, para introducir la respuesta del analito en la red de hidrogeles 3D, hubo que investigar y poner a punto diferentes estrategias de inmovilización de biorreceptores. En el capítulo 3, la estrategia optimizada consiste en incorporar directamente sondas de ADN modificadas con acridita mediante copolimerización con monómeros de acrilamida durante la formación del hidrogel. Los hidrogeles funcionalizados con ADN se caracterizaron mediante imágenes de fluorescencia y se exploró su versatilidad mediante la fabricación de microarrays. Por último, el hidrogel optimizado sensible a los analitos se utilizó como plataforma para la preparación de SRG. El capítulo 4 describe otro enfoque adoptado para la funcionalización del hidrogel con sondas de ADN. Se añadió un comonómero de acrilato de propargilo al hidrogel de acrilamida, con el fin de introducir la presencia de residuos alcínicos y facilitar una mayor incorporación de las sondas de ADN. Las sondas de ADN utilizadas tenían grupos terminales tiol y se incorporaron mediante química de clic tiol-eno/tiol-yo, debido a la presencia de enlaces C-C dobles y triples. Con esta estrategia, se demostraron dos enfoques de inmovilización de sondas de ADN: durante y después de la síntesis del hidrogel. Los resultados preliminares mostraron que los SRGs tienen potencial para detectar directamente la hibridación de oligonucleótidos en un formato libre de etiquetas. En el capítulo 5, se optimizó el proceso de grabación de VTGs no inclinados en capas de hidrogel para mejorar el rendimiento del transductor. Tras una cuidadosa evaluación de los parámetros de grabación holográfica, las composiciones de las soluciones de incubación y los tiempos de incubación, las estructuras VTG se grabaron con una buena reproducibilidad, logrando una excelente eficiencia de difracción. Además, se estudió su estabilidad en agua para bioensayos. Por último, se observó que los VTG, modificados con oligonucleótidos, respondían selectivamente hibridándose sólo con la diana complementaria, a la vez que conservaban sus propiedades de difracción. El trabajo de investigación demostró la viabilidad de utilizar redes difractivas en capas de hidrogel como biosensores libres de etiquetas, capaces de detectar sondas de ADN, complementarias a la secuencia inmovilizada, en un medio acuoso. Por último, en el capítulo 6, se analizan comparativamente el rendimiento y la aplicabilidad de los distintos enfoques estudiados y se discuten las perspectivas futuras de los hidrogeles de ácidos nucleicos para la detección holográfica. / [CA] La tesi doctoral se centra en el desenvolupament d'un hidrogel sensible a anàlits, funcionalitzat amb sondes d'ADN, amb estructura difractiva com a transductor òptic per a aplicacions de diagnòstic in vitro. El primer capítol inclou una visió general dels diferents conceptes relacionats amb el biosensado, els desenvolupaments recents en el mercat del diagnòstic in vitro i, en particular, els biosensores d'ADN. A més, es presenta la síntesi i caracterització d'hidrogels, el seu paper com a matriu de suport en biosensado i les estratègies d'immobilització. Finalment, s'expliquen els conceptes bàsics de l'holografia com a nova estratègia de detecció i el paper de les diferents xarxes de difracció en la biosensación. A continuació, en el Capítol 2, es discuteixen els objectius d'este projecte. L'objectiu d'esta investigació és desenvolupar hidrogels que incorporen sondes d'ADN i dotar-les d'una estructura difractiva perquè actuen com a transductors òptics sense etiquetes. Es consideren dos tipus d'estructures difractivas: xarxes hologràfiques de relleu superficial (SRG) i xarxes de transmissió de volum (VTG). La fase inicial d'este treball es va centrar en l'optimització d'hidrogels, ajustant la seua composició perquè actuaren com biosensores hologràfics. Es van seleccionar acrilamida I bisacrilamida per a la preparació de l'hidrogel mitjançant reacció de polimerització per radicals lliures. A més, per a introduir la resposta de l'anàlit en la xarxa d'hidrogels 3D, va caldre investigar i posar a punt diferents estratègies d'immobilització de biorreceptores. En el capítol 3, l'estratègia optimitzada consisteix a incorporar directament sondes d'ADN modificades amb acridita mitjançant copolimerización amb monòmers d'acrilamida durant la formació de l'hidrogel. Els hidrogels funcionalitzats amb ADN es van caracteritzar mitjançant imatges de fluorescència i es va explorar la seua versatilitat mitjançant la fabricació de bioxips. Finalment, l'hidrogel optimitzat sensible als anàlits es va utilitzar com a plataforma per a la preparació de SRG. El capítol 4 descriu un altre enfocament adoptat per a la funcionalització de l'hidrogel amb sondes d'ADN. Es va afegir un comonómero de acrilato de propargilo a l'hidrogel d'acrilamida, amb la finalitat d'introduir la presència de residus alcínicos i facilitar una major incorporació de les sondes d'ADN. Les sondes d'ADN utilitzades tenien grups terminals tiol i es van incorporar mitjançant química de clic tiol-eno/tiol-ino, a causa de la presència d'enllaços C-C dobles i triples. Amb esta estratègia, es van demostrar dos enfocaments d'immobilització de sondes d'ADN: durant i després de la síntesi de l'hidrogel. Els resultats preliminars van mostrar que els SRGs tenen potencial per a detectar directament la hibridació de oligonucleótidos en un format lliure d'etiquetes. En el capítol 5, es va optimitzar el procés de gravació de VTGs no inclinats en capes d'hidrogel per a millorar el rendiment del transductor. Després d'una acurada avaluació dels paràmetres de gravació hologràfica, les composicions de les solucions d'incubació i els temps d'incubació, les estructures VTG es van gravar amb una bona reproducibilidad, aconseguint una excel·lent eficiència de difracció. A més, es va estudiar la seua estabilitat en aigua per a bioensayos. Finalment, es va observar que els VTG, modificats amb oligonucleótidos, responien selectivament hibridant-se només amb la diana complementària, alhora que conservaven les seues propietats de difracció. El treball de recerca va demostrar la viabilitat d'utilitzar xarxes difractivas en capes d'hidrogel com biosensores lliures d'etiquetes, capaces de detectar sondes d'ADN, complementàries a la seqüència immobilitzada, en un medi aquós. Finalment, en el capítol 6, s'analitzen comparativament el rendiment i l'aplicabilitat dels diferents enfocaments estudiats i es discuteixen les perspectives futures dels hidrogels d'àcids nucleics per a la detecció hologràfica. / [EN] The PhD thesis focuses on the development of an analyte-sensitive hydrogel, functionalised with DNA probes, with a diffractive structure as an optical transducer for in vitro diagnostic applications. The first chapter includes an overview of the different concepts related to biosensing, recent developments in the in vitro diagnostics market and, in particular, DNA biosensors. Furthermore, the synthesis and characterisation of hydrogels, their role as a support matrix in biosensing and immobilisation strategies are presented. Finally, the basic concepts of holography as a new detection strategy and the role of different diffraction gratings in biosensing are explained. Then, in Chapter 2, the objectives of this project are discussed. The aim of this research is to develop hydrogels that incorporate DNA probes and provide them with a diffractive structure to act as label-free optical transducers. Two types of diffractive structures are considered: surface-relief holographic gratings (SRGs) and volume transmission gratings (VTGs). The initial phase of this work focused on the optimisation of hydrogels, adjusting their composition to act as holographic biosensors. Acrylamide and bisacrylamide were selected for hydrogel preparation by free radical polymerisation reaction. Furthermore, in order to introduce the analyte response into the 3D hydrogel network, different bioreceptor immobilisation strategies had to be investigated and fine-tuned. In chapter 3, the optimised strategy is to directly incorporate acridite-modified DNA probes by copolymerisation with acrylamide monomers during hydrogel formation. The DNA-functionalised hydrogels were characterised by fluorescence imaging and their versatility was explored by microarray fabrication. Finally, the optimised analyte-responsive hydrogel was used as a platform for SRG preparation. Chapter 4 describes another approach adopted for functionalisation of the hydrogel with DNA probes. A propargyl acrylate comonomer was added to the acrylamide hydrogel in order to introduce the presence of alkyl residues and facilitate further incorporation of the DNA probes. The DNA probes used had thiol end-groups and were incorporated by thiol-ene/thiol-yo click chemistry, due to the presence of double and triple C-C bonds. With this strategy, two approaches to DNA probe immobilisation were demonstrated: during and after hydrogel synthesis. Preliminary results showed that SRGs have the potential to directly detect oligonucleotide hybridisation in a label-free format. In chapter 5, the recording process of unslanted VTGs in hydrogel layers was optimised to improve transducer performance. After careful evaluation of holographic recording parameters, incubation solution compositions and incubation times, the VTG structures were recorded with good reproducibility, achieving excellent diffraction efficiency. In addition, their stability in water for bioassays was studied. Finally, oligonucleotide-modified VTGs were found to respond selectively by hybridising only to the complementary target, while retaining their diffraction properties. The research work demonstrated the feasibility of using diffractive networks in hydrogel layers as label-free biosensors, capable of detecting DNA probes, complementary to the immobilised sequence, in an aqueous medium. Finally, in chapter 6, the performance and applicability of the different approaches studied are comparatively analysed and future prospects of nucleic acid hydrogels for holographic detection are discussed. / I would like to acknowledge the government of Valencia to for the PhD fellowship “Santiago Grisolia” and the BEFPI/2022 grant for a 4-months doctoral stay and also the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness MINECO (ADBIHOL national project) for their financial support. / Zezza, P. (2023). Holographic biosensors made of DNA-functionalised hydrogels for in vitro diagnostic [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202597 / Compendio

[ES] Las fibras ópticas son dispositivos muy utilizados en el campo de las telecomunicaciones desde su descubrimiento. En las últimas décadas, las fibras ópticas comenzaron a utilizarse como sensores fotónicos. Los primeros trabajos se centraron en la medición de unas dimensiones físicas en un punto específico. Posteriormente, surgió la posibilidad de medir las propiedades de la fibra óptica en diferentes puntos a lo largo de la fibra. Este tipo de sensores se definen como sensores distribuidos. Los componentes optoelectrónicos fueron desarrollados e investigados para telecomunicaciones. Los avances en las telecomunicaciones hicieron posible el desarrollo de sistemas de interrogación para sensores de fibra óptica, creciendo en paralelo con los avances de las telecomunicaciones. Se desarrollaron sistemas de interrogación de fibra óptica que permiten el uso de una única fibra óptica monomodo estándar como sensor que puede monitorear decenas de miles de puntos de detección al mismo tiempo. Los métodos que extraen la información de detección de la señal reflejada en la fibra óptica son los más empleados debido a la facilidad de acceso al sensor y la flexibilidad de estos sistemas. Los más estudiados son la reflectometría en dominios de tiempo y frecuencia. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) fue la primera técnica utilizada para detectar la posición de los fallos en las redes de comunica-ción de fibra óptica. El OTDR sensible a la fase hizo posible detectar la elongación y la temperatura en una posición específica. Paralelamente, los gratings de Bragg (FBG) se convirtieron en los dispositivos más utilizados para implementar sensores en fibra óptica discretos. Se desarrollaron técnicas de multiplexación para realizar la detección en múltiples puntos utilizando FGBs. La reflectometría realizada interrogando arrays de FBG débiles demuestra que mejora el rendimiento del sistema en comparación al uso de una fibra monomodo. Los sistemas de interrogatorio actuales tienen algunos inconvenientes. Algunos de ellos son velocidad de interrogatorio limitada, grandes dimensiones y alto costo. En esta tesis doctoral se desarrollaron nuevos sistemas de interrogación y sensores de fibra óptica para superar algunos de estos inconvenientes. Los sensores de fibra óptica de plástico demuestran ser una plataforma innovadora para desarrollar nuevos sensores y sistemas de interrogación de bajo costo y fáciles de implementar para fibras de plástico comerciales. Se investigó la reflectometría en el dominio del tiempo y las técnicas fotónicas de microondas para la interrogación de una matriz de rejillas débiles que permitieron simplificar el sistema de interrogación para la detección de temperatura y vibración. / [CA] Les fibres òptiques són dispositius molt utilitzats en el camp de les telecomunica-cions des del seu descobriment. En les últimes dècades, les fibres òptiques van començar a utilitzar-se com a sensors fotònics. Els primers treballs es van centrar en el mesurament d'unes dimensions físiques en un punt específic. Posteriorment, va sorgir la possibilitat de mesurar les propietats de la fibra òptica en diferents punts al llarg de la fibra. Aquest tipus de sensors es defineixen com a sensors distribüits. Els components optoelectrònics van ser desenvolupats i investigats per a telecomunicacions. Els avanços en les telecomunicacions van fer possi-ble el desenvolupament de sistemes d'interrogació per a sensors de fibra òptica, creixent en paral·lel amb els avanços de les telecomunicacions. Es van desenvolupar sistemes d'interrogació de fibra òptica que permeten l'ús d'una única fibra òptica monomodo estàndard com a sensor que pot monitorar desenes de milers de punts de detecció al mateix temps. Els mètodes que extreuen la informació de detecció del senyal reflectit en la fibra òptica són els més utilitzats a causa de la facilitat d'accés al sensor i la flexibilitat d'aquests sistemes. Els més estudiats són la reflectometría en dominis de temps i freqüència. La reflectometría òptica en el domini del temps (OTDR) va ser la primera tècnica utilitzada per a detectar la posició de les fallades en les xarxes de comunicació de fibra òptica. El OTDR sensible a la fase va fer possible detectar l'elongació i la temperatura en una posició específica. Paral·lelament, els gratings de Bragg (FBG) es van convertir en els dispositius més utilitzats per a implementar sensors en fibra òptica discrets. Es van desenvolupar tècniques de multiplexació per a realitzar la detecció en múltiples punts utilitzant FGBs. La reflectometría realitzada interrogant arrays de FBG febles demostra que millora el rendiment del sistema en comparació a l'ús d'una fibra monomodo. Els sistemes d'interrogatori actuals tenen alguns inconvenients. Alguns d'ells són velocitat d'interrogatori limitada, voluminositat i alt cost. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar nous sistemes d'interrogació i sensors de fibra òptica per a superar alguns d'aquests inconvenients. Els sensors de fibra òptica de plàstic demostren ser una plataforma innovadora per a desenvolupar nous sensors i siste-mes d'interrogació de baix cost i fàcils d'implementar per a fibres de plàstic comercials. Es va investigar la reflectometría en el domini del temps i les tècniques fotòniques de microones per a la interrogació d'una matriu de reixetes febles que van permetre simplificar el sistema d'interrogació per a la detecció de temperatura i vibració. / [EN] Optical fibers are devices largely used in telecommunication field since their discovery. In the last decades, optical fibers started to be used as photonic sensors. The first works were focused on the measurement of physical dimensions to a specific point. Afterward, emerged the possibility to measure the optical fiber properties at different locations along the fiber. These kinds of sensors are defined as distributed sensors. The optoelectronic components were developed and investigated for telecommunications. The progress in telecommunication made possible the development of optical fiber sensors interrogation systems, growing in parallel with the advances of telecommunications. Optical fiber interrogation systems were developed to use a single standard monomode optical fiber as a sensor that can monitor tens of thousands of sensing points at the same time. The methods that extract the sensing information from the backscattered signal in the optical fiber are widely employed because of the easiness of access to the sensor element and the flexibility of these systems. The most studied are the reflectometry in time and frequency domains. The optical time domain reflectometry (OTDR) was the first technique used to detect the position of the failures in the optical fiber communication networks. Using phase sensitive OTDR it is possible to sense strain and temperature at a specific position. In parallel, fiber Bragg gratings (FBGs) became the most widely used devices to implement discrete optical fiber sensors. Multiplexing techniques were developed to perform multi points sensing using these gratings. The reflectometry performed interrogating weak FBGs arrays demonstrate to improve the performance of the system employing a single mode fiber. The interrogation systems nowadays have some drawbacks. Some of them are limited speed of interrogation, bulkiness, and high cost. New interrogation systems and optical fiber sensors were developed in this doctoral thesis to overcome some of these drawbacks. Plastic optical fiber sensors demonstrate to be an innovative platform to develop both new sensors and low cost, easy to implement interrogation systems for commercial plastic fibers. Reflectometry in time domain and microwave photonic techniques were investigated for the interrogation of weak gratings array allowed to simplify the interrogation system for the sensing of temperature and vibration. / I would like to greatly thank the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program that funded the research described in this thesis under the Marie Sklodowska-Curie Action Grant Agreement 722509. / Sartiano, D. (2021). Design of optical fiber sensors and interrogation schemes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161357

Tesis por compendio / [ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal. / [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal. / [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices. / Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020. / Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163 / Compendio