Integration of nanoporous graphene in silicon photonics technologies: from synthesis to applications

Resum

Els biosensors fotònics de silici han emergit com una solució prometedora per al diagnóstic de nova generació, oferint una elevada sensibilitat, detecció sense marcatge i compatibilitat amb dispositius portàtils. Entre aquests, el biosensor interferomètric de guies d’ona bimodals (BiMW) ha demostrat un gran potencial per a l’anàlisi ultrasensible, amb capacitat de multiplexació i producció massiva rendible. No obstant això, per implementar adequadament aquests biosensors en la pràctica clínica, cal abordar diversos reptes clau. Un dels principals obstacles és la biofuncionalització de la superfície sensora, on s’han d’immobilitzar receptors moleculars de manera estable i reproductible per garantir una alta eficiència de detecció i selectivitat. Actualment, no hi ha cap protocol estandarditzat per a la funcionalització de superfícies basades en silici, i aquesta manca de consistència afecta tant el rendiment com la fiabilitat. Un altre repte és l’eficàcia limitada d’aquests biosensors sense marcatge en l’anàlisi directa de fluids biològics, com el plasma o sèrum sanguinis, on les interferències de proteïnes inespecífiques i altres molècules poden generar falsos positius. Tot i que s’han explorat estratègies de recobriments o dilució de mostres, aquestes poden reduir i comprometre la sensibilitat global de l’assaig. En resposta a això, l’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral és la integració del grafé nanoporós (NPG), sintetitzat a partir de precursos moleculars, en la tecnologia BiMW, tant com a matriu de biofunctionalització com a membrana selectiva per a la filtració de mostres biològiques. En primer lloc, es van produir diferents tipus de nanoestructures de grafè mitjançant síntesi en superfície, que van ser caracteritzades de manera exhaustiva. Es va optimitzar el procés de transferència d’aquests nanomaterials a xips BiMW, així com els mètodes per funcionalitzar els centres d’ancoratge de bioreceptors. Finalment, es va desenvolupar un dispositiu BiMW-NPG completament operatiu, que es va demostrar amb èxit en un assaig biomèdic rellevant. Paral·lelament, es van crear membranes amb un recobriment de NPG que es van implementar en el mòdul de microfluídica del sensor per a la filtració en línia de mostres de plasma sanguini. Més enllà de la integració del NPG en la tecnologia de biosensors BiMW, aquesta tesi aprofundeix en la comprensió de les propietats òptiques fonamentals de l’híbrid NPG-BiMW. Aquest coneixement també ha facilitat el desenvolupament de filtres i rotors de polarització que es poden incorporar en circuits fotònics integrats, contribuint a la miniaturització de la tecnologia. Aquest treball suposa un avenç significatiu en l’aplicació de nous nanomaterials de grafè, demostrant el seu potencial no només per impulsar les tecnologies biosensores per a diagnòstic, sinó també per impulsar el progrés en el camp de l’enginyeria fotònica. 

Data del Ajut	31 d’oct. 2024
Idioma original	Anglès
Supervisor	Cesar Moreno Sierrra (Director/a) & María Soler Aznar (Director/a)