New concepts for electrical detection of biomolecules

Abstract

Aquest treball discuteix difrerents aspects relacionats amb el disseny de sensors i sistemes de biodetecció. Descriu la fabricació i caracterització de transductors electrics particulars, així com el desenvolupament de nous sistemes de transduccio i el descobriment de noves methodologies per la fabricacio de nanomatrius de proteines.<br/>En primer lloc, es presenta un nou tipus de transductor impedimetric (I). Es va escollir un disseny basat en dos electrodes interdigitats per dos motius principals. Primer, aquesta geometria permet monitoritzar tant la resistència como la constant dieléctrica d'una solució, la qual cosa fa dels electrodes interdigitats eines més versatils que altres tipus transductors. Segon, els electrodes presenten una curta penetració del camp electric, la qual cosa els fa mes sensibles als canvis que tenen lloc a prop de la seva superfície. Aquest fet permet monitoritzar canvis locals en les magnituds d'interés. Finalment, són apropiats no nomes per construir sensors sinó també actuadors. Aquesta geometria sembla ser útil en experiments de dielectroforesi. Una innovació introduïda en aquesta tesi es el material escollit per fabricar els electrodes: silici policristal-lí o polisilici. El polisilici pot ser facilment modificat per donar lloc a superficies amb particulars propietats químiques i físiques, fent d'aquest material un excel-lent candidat per a la manufactura de biosensors, comparable a altres aproximacions com la quemisorció de alcanotiols sobre electrodes d'or. <br/>Els esmentats electrodes interdigitats es van fer servir per probar dos nous sistemes de transducció. Ambdues aproximacions comparteixen un tret comu: aprofiten la capacitat dels electrodes interdigitats per mesurar canvis local en les propietats elèctriques del medi on es troben submergits. En II, aquest fet és utilitzat per monitoritzar una reacció enzimàtica, i es mostra com la característica de mesura local en electrodes interdigitats dóna lloc a una detecció més sensible. A més, es demostra que aquesta aproximació es adequada per la detecció de proteïnes fent servir l'enzim com a marca en un immunoassaig. En III, els electrodes interdigitats actuen com a sensor i actuador. Com a actuador, els electrodes son capaços de concentrar esferes de làtex a la seva superficie. Com a transductors, la presencia de les micropartícules aïllants a la seva superficie dóna lloc a un canvi en la geometria de la cel-la, que pot ser detectat monitoritzant tant la resistència com la capacitat de la solucio. Aquest mode de funcionament es paral-lel al dels sensors magnetoresistius, i el principi de transduccio proposat es presenta com a una alternativa a ells.<br/>Finalment, un quart treball es presenta en aquesta tesi (anex). Comparteix dues característiques en comú amb els treballs previs: el sustrat (silici) i una metodologia per la inmoblització de biomolecules (silanització). Les seves aplicacions son, però, diferents i cobreixen un rang més ampli d'aplicacions. En concret, una nova metodologia pel nanoestructurat de superfícies, de baix cost i fàcil disponibilitat és presentada. Es van aconseguir motius fets amb molècules de silà amb dimensions inferiors als 10 nm. En el marc de la biodetecció, aquesta nova tècnica per nanoestructurat superficial es propossa com a alternativa a la nanolitografia dip-pen per la manufactura de nanomatrius de biomolècules. Les petites dimensions dels motius obtinguts obren el cami per la consecució de nanomatrius d'una única molècula.

This work discusses different aspects related to the design of biosensors and biodetection systems. It describes the fabrication and characterization of particular electric transducers together with the development of new transduction systems and the finding of new methodologies for biomolecule nanoarray fabrication.<br/>Firstly, a new type of impedimetric transducer is presented (I). A two-electrode interdigitated design was chosen, mainly for three reasons. First, this geometry allows the monitoring of both the resistivity and the dielectric constant of a solution, thus making interdigitated electrodes more versatile tools than other kind of transducers. Second, they present short electric field penetration depths, which make them more sensitive to changes occurring close to their surface. This fact enables the monitoring of local changes in the magnitudes of interest. Finally, they are suitable for constructing not only sensors but also actuators. This geometry appears to be useful in dielectrophoresis experiments. One innovation introduced in this thesis is the material chosen to fabricate the electrodes: polycrystalline silicon, also known as polysilicon. Polysilicon can be easily modified to render surfaces with distinct physical and chemical properties, thus making this material an excellent approach for biosensors manufacture, comparable to other approaches like alkanethiol chemisorption on gold electrodes. <br/>The aforementioned interdigitated electrodes were used to test two new transduction principles. The two approaches share a common feature: they rely on the ability of interdigitated electrodes to measure local changes in the electrical properties of the medium where they are immersed. In II, this is used to monitor an enzymatic reaction, and it is shown that the characteristics of measuring local changes at interdigitated electrodes result in a more sensitive detection. Furthermore, the feasibility of this approach for protein detection is demonstrated by using the enzyme as a label for performing an immunoassay. In III, the interdigitated electrodes act both as a transducer and as an actuator. As an actuator, the electrodes are able to concentrate latex beads at their surface. As a transducer, the presence of the insulating microparticles at their surface results in a change in the geometry of the cell, that can be detected by monitoring either the resitance or the capacitance of the solution. Such device performance is parallel to that of magnetoresistive biosensors, and the proposed transduction principle is envisaged as a suitable alternative to them.<br/>Finally, a fourth work is presented in this thesis (Annex). It shares two features in common with the previous works: the substrate (silicon) and a method for biomolecule immobilization (silanization). However, the applications are somehow different, and cover a wider range. Precisely, a new methodology for low cost, easily available nanopatterning is shown. Features made of silane molecules, with dimensions less than 10 nm are successfully patterned. In the frame of biodetection, this new nanopatterning technique is proposed as an alternative to dip-pen nanolithography in nanoarray manufacture. Moreover, the small dimensions of the obtained patterns pave the way for the achievement of single-molecule nanoarrays.