Filtros óticos baseados em filmes finos para implementação num sistema de espectroscopia para o diagnóstico de malária

Abstract

A malária é uma doença infeciosa com elevada prevalência em regiões com condições de saúde debilitadas. Atualmente, o diagnóstico de malária baseia-se principalmente na microscopia e nos testes de diagnóstico rápidos, sendo limitados pela parasitémia que permitem detetar e pela necessidade de amostras de sangue dos pacientes. Assim, é urgente desenvolver novos métodos de diagnóstico precisos, independentes do utilizador, portáteis e de baixo custo, sem requererem amostras de sangue. A presente dissertação integra um projeto de investigação que pretende desenvolver um método inovador e não invasivo de diagnóstico, baseado em espectrofotometria de reflectância ótica, para a quantificação de parasitas da malária, através da identificação de hemozoína, sem necessidade de amostras sanguíneas. O dispositivo integrará um conjunto de filtros óticos, com elevada transmitância e baixa largura a meia altura (FWHM, do inglês low full width at half maximum), para a reconstrução completa dos espectros de reflectância, de modo a distinguir entre glóbulos vermelhos saudáveis e infetados com o parasita da malária. Neste trabalho propõe-se o desenho, simulação e otimização de 16 filtros óticos passa-banda de largura de banda estreita e altamente seletivos, baseados em multicamadas de filmes finos de SiO2/TiO2, para a gama espectral entre 400 nm e 800 nm. As propriedades óticas dos materiais constituintes dos filmes finos, em particular os índices de refração, constituíram o foco deste estudo, pelo que três índices de refração diferentes foram considerados. Os resultados mostram que os filtros simulados são sensíveis a estas propriedades. Cada filtro, para um único comprimento de onda, apresenta uma FWHM <25 nm e um pico de transmitância >90%. A reconstrução dos espectros de reflectância originais foi verificada experimentalmente, a partir de um conjunto de 8 filtros óticos baseados em filmes finos, na mesma gama espectral, tendo sido possível distinguir entre diferentes parasitémias, até um limite de deteção de 12,5 parasitas/μL de glóbulos vermelhos. Os resultados obtidos exibem o potencial destes filtros óticos para integração no dispositivo ótico proposto, contribuindo para uma tecnologia disruptiva e inovadora de diagnóstico não invasivo de malária.

Malaria is an infectious disease, highly prevalent in world regions with lacking healthcare conditions. Nowadays, malaria diagnostic is mainly based on microscopy and rapid diagnostic tests by immunochromatographic assays, being limited by the parasitaemia that they can detect and by the need for patients’ blood samples. Thus, it is urgent to develop new accurate, user-independent, portable and low-cost diagnosis methods, without the need for blood samples. This dissertation is part of a research project that aims to develop an innovative and non-invasive diagnostics method, based on optical reflectance spectrophotometry, for the quantification of malaria parasites, through the identification of hemozoin, without the need for blood samples. The device will comprise a set of optical filters, with high transmittance and low full width at half maximum (FWHM), for the complete reconstruction of the reflectance spectra, in order to distinguish between healthy and malaria-infected red blood cells. In this work, it is proposed the design, simulation and optimization of 16 narrowband and highly selective optical bandpass filters, based on multilayer SiO2 / TiO2 thin films, for the spectral range between 400 nm and 800 nm. The optical properties of the thin films’ materials, in particular the refractive indices, were the focus of this study, so three different refractive indices were considered. The results show that the simulated filters are highly sensitive to these properties. Each filter, for a single wavelength, shows a FWHM <25 nm and a transmittance peak >90%. The reconstruction of the original reflectance spectra was experimentally verified, using a set of 8 thin-film optical filters, in the same spectral range of the simulated ones, and it was possible to distinguish between different parasitaemia, up to a detection limit of 12.5 parasites/μl of red blood cells. The obtained results enhance the potential of these optical filters for integration in the proposed optical device, supporting this disruptive and innovative technology for non-invasive malaria diagnosis.