Nanostructural Engineering of Optical Interferometric Biosensors Based on Nanoporous Anodic Alumina

Abstract

Aquesta tesi doctoral presenta els resultats d'estudis en l'efecte de les característiques nanoestructurals en biosensors òptics d'interferència basats en alúmina anòdica nanoporosa (NAA). Els biosensors òptics són dispositius altament sensibles capaços de detectar selectivament analits químics o bioquímics monitoritzant la interacció bioquímica entre un receptor d'origen biològic i l'analit en qüestió. En aquest treball s'han presentat les tècniques disponibles per al biosensat i els principis de biosensat, així com els procediments més comuns per a la fabricació de NAA juntament amb les corbes de calibració requerides per a la seva fabricació i també, la caracterització estructural i òptica d'aquest material. Dues estructures òptiques interferomètriques diferents s'han estudiat i optimitzat: la monocapa i la doble capa. Els resultats mostren com, en general, diàmetres de porus grans i capes fines resulten en un millor funcionament del sensor. A més, l'interferòmetre de doble capa presentat aquí consta d'una capa de referència per a l'autocorrecció de les desviacions ambientals gràcies a la seva arquitectura capaç de separar les proteïnes i el dissolvent. Finalment, s'ha presentat una estructura fotònica més complexa: el rugate filter. Els experiments preliminars mostren resultats prometedors amb sensibilitats similars a la d'altres mètodes i permet noves formes de detecció, com ara la colorimetria.

sta tesis doctoral presenta los resultados de estudios sobre el efecto de las características nanoestructurales en biosensores ópticos de interferencia basados en alúmina anódica nanoporosa (NAA). Los biosensores ópticos son dispositivos altamente sensibles capaces de detectar selectivamente analitos químicos o bioquímicos monitorizando la interacción bioquímica entre un receptor de origen biológico y el analito en cuestión. En este trabajo se han presentado las técnicas disponibles para el biosensado y los principios del biosensado, así como los procedimientos más comunes para la fabricación de NAA juntamente con las curvas de calibración necesarias para su fabricación y también la caracterización estructural y óptica de este material. Dos estructuras ópticas interferométricas distintas se han estudiado y optimizado: la monocapa y la doble capa. Los resultados muestran como, en general, los diámetros de poro grandes y capas finas resultan en un mejor funcionamiento del sensor. Además, el interferómetro de doble capa presentado aquí consta de una capa de referencia para la autocorrección de las desviaciones ambientales gracias a su arquitectura capaz de separar las proteínas del disolvente. Finalmente, se ha presentado una estructura fotónica más compleja: el rugate filter. Los experimentos preliminares muestran resultados prometedores con sensibilidades similares a las de otros métodos y permiten nuevas formas de detección, como la colorimetria.

This Ph.D. thesis presents the results of studies on the effect of nanostructural features of interferometric optical biosensors based on nanoporous anodic alumina (NAA). Optical biosensors are highly sensitive devices capable of selective detection of chemical or biochemical species by monitoring the biochemical interaction between a biological receptor and the target analyte. In this work, a survey of the different biosensing techniques has been carried out and the principles of biosensing have been explained, as well as the common procedures for the fabrication of NAA along with the calibration curves required for its fabrication. Also structural and optical characterization of this material is presented. Two different optical interferometric biosensing devices have been studied and optimized: the monolayer and the double layer. Moreover, the proposed double-layer interferometer has an integrated reference channel for self-correction of the environmental drifts thanks to its size exclusion architechture. Finally, a more complex photonic structure has been introduced: the rugate filter. The preliminary experiments show promising results with sensitivities similar to those of other methods and allow new detection techniques, such as colorimetry.