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

Abstract

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.

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.

Silicon photonic biosensors have emerged as a promising solution for next-generation diagnostics, offering high sensitivity, label-free detection and compatibility with portable point-of-care (PoC) devices. Among them, the interferometric bimodal waveguide (BiMW) biosensor has demonstrated great potential for ultrasensitive analysis with multiplexing capabilities and cost-effective mass production. However, to fully implement these biosensors in clinical practice, several key challenges must be addressed. One of the major hurdles is the biofunctionalization of the sensor surface, which must immobilize molecular probes in a stable and reproducible manner to ensure high detection efficiency and selectivity. Currently, there is no standardized protocol for functionalizing silicon-based surfaces and this lack of consistency affects both performance and reliability. Another challenge is the limited efficacy of these label-free biosensors for the direct analysis of complex biological fluids, like blood plasma or serum, where interferences from non-specific proteins and other molecules can lead to false-positive signals. While approaches like antifouling coatings and sample dilution have been explored, they tend to reduce and compromise the overall sensitivity. In response to this, the primary objective of this PhD Thesis is to explore the integration of novel bottom-up synthesized nanoporous graphene (NPG) into the BiMW technology as both atomically precise biofunctionalization scaffolds and as size-selective membranes for effective filtration of biological samples. First, different types of graphene architectures were produced by on-surface synthesis under vacuum conditions and thoroughly characterized. The process of transferring these nanomaterials onto BiMW chips was optimized, along with methods for functionalizing anchor centers for receptor immobilization. Finally, a fully operative NPG-BiMW device was developed and successfully demonstrated in a relevant biomedical assay. In parallel, membranes incorporating atomically thin NPG coatings were created and implemented in the microfluidics module for in-line filtration of blood plasma samples. Beyond the integration of NPG into the BiMW biosensor technology, this thesis advances our understanding of the fundamental optical properties of the NPG-BiMW hybrid. This deeper insight has also facilitated the development of on-chip polarization filters and rotors, which may be incorporated into photonics integrated circuits, contributing to technology miniaturization. This work marks a significant advancement in the application of novel graphene nanomaterials, demonstrating their potential not only in boosting biosensing technologies for diagnostics but also in driving progress in the photonics engineering field.