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

Resumen

Los biosensores fotónicos de silicio han emergido como una solución prometedora para el diagnóstico de nueva generación, ofreciendo una alta sensibilidad, detección sin marcaje y compatibilidad con dispositivos portátiles. Entre estos, el biosensor interferométrico de guías de onda bimodales (BiMW) ha demostrado un gran potencial para el análisis ultrasensible, con capacidad de multiplexación y producción masiva rentable. No obstante, para implementar adecuadamente estos biosensores en la práctica clínica, es necesario abordar varios desafíos clave. Uno de los principales obstáculos es la biofuncionalización de la superficie del sensor, donde deben inmovilizarse receptores moleculares de manera estable y reproducible para garantizar una alta eficiencia de detección y selectividad. Actualmente, no existe un protocolo estandarizado para la funcionalización de superficies basadas en silicio, y esta falta de consistencia afecta tanto el rendimiento como la fiabilidad. Otro desafío es la eficacia limitada de estos biosensores sin marcaje en el análisis directo de fluidos biológicos, como el plasma o suero sanguíneos, donde las interferencias de proteínas inespecíficas y otras moléculas pueden generar falsos positivos. Aunque se han explorado estrategias como los recubrimientos antifouling o la dilución de muestras, estas suelen reducir la sensibilidad global del ensayo y comprometer su rendimiento. En respuesta a esto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es la integración del grafeno nanoporoso (NPG), sintetizado a partir de precursores moleculares, en la tecnología BiMW, tanto como matriz de biofuncionalización como membrana selectiva para la filtración de muestras biológicas. En primer lugar, se produjeron diferentes tipos de nanoestructuras de grafeno mediante síntesis superficial, las cuales fueron caracterizadas de manera exhaustiva. Se optimizó el proceso de transferencia de estos nanomateriales a chips BiMW, así como los métodos para funcionalizar los centros de anclaje de biorreceptores. Finalmente, se desarrolló un dispositivo BiMW-NPG completamente operativo, que se demostró con éxito en un ensayo biomédico relevante. Paralelamente, se crearon membranas con un recubrimiento de NPG, que se implementaron en el módulo de microfluídica del sensor para la filtración en línea de muestras de plasma sanguíneo. Más allá de la integración del NPG en la tecnología de biosensores BiMW, esta tesis profundiza en la comprensión de las propiedades ópticas fundamentales del híbrido NPG-BiMW. Este conocimiento también ha facilitado el desarrollo de filtros y rotores de polarización que pueden incorporarse en circuitos fotónicos integrados, contribuyendo a la miniaturización de la tecnología. Este trabajo representa un avance significativo en la aplicación de nuevos nanomateriales de grafeno, demostrando su potencial no solo para impulsar las tecnologías biosensoras para el diagnóstico, sino también para promover el progreso en el campo de la ingeniería fotónica.

Fecha de lectura	31 oct 2024
Idioma original	Inglés
Supervisor	Cesar Moreno Sierrra (Director/a) & María Soler Aznar (Director/a)