Tesis:
Luminescent Ru(II) Dyes and Materials for GaN-Based Gas Microsensors
- Autor: IELASI, Guido
- Título: Luminescent Ru(II) Dyes and Materials for GaN-Based Gas Microsensors
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/67719/
- Director/a 1º: ORELLANA MORALEDA, Guillermo
- Director/a 2º: MUÑOZ MERINO, Elías
- Resumen: Esta tesis presenta la investigación realizada como parte de la red EU Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network “SAMOSS” (Sample In-Answer Out Optochemical Sensing Systems), que involucró a otros nueve doctorados en cinco universidades (Univ. Complutense de Madrid, Univ. of Applied Sciences of Jena, Ben-Gurion Univ. of the Negev, Austrian Inst. of Technology, Univ. of Groningen, Univ. of Technology of Compiègne) y dos investigadores que trabajan en dos empresas (Micronit Micro Technologies en Enschede, NL, y Biosensor en Roma, IT). El trabajo se llevó a cabo en los laboratorios del grupo "GSOLFA (Sensores Químicos Ópticos y Fotoquímica Aplicada)" en el Departamento de Química Orgánica de la Universidad Complutense (UCM), en el ISOM (Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología) de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y en un estancia de cuatro meses en los Países Bajos, una parte en la Universidad de Groningen (RUG) y una en Micronit Micro Technologies. El objetivo de este proyecto ha sido desarrollar elementos sensibles que, con la electrónica integrada adecuada, podrían conectarse a un smartphone para obtener instrumentación capaz de detectar especies químicas de interés en seguridad personal y laboral (e.g. etanol y oxígeno). Los elementos sensibles desarrollados han sido materiales híbridos orgánico-inorgánicos fabricados por funcionalización directa de GaN o por fijación de una capa delgada de polímero teñido a la superficie de un LED de GaN. Se han abordado algunos problemas básicos relacionados con la selección de colorantes luminiscentes adecuados y el dopado óptimo del GaN, para comprender y controlar el transporte de electrones desde las moléculas luminiscentes al semiconductor. Además, se han explorado aplicaciones complementarias de los dispositivos sensores. La tesis está organizada como sigue: I. INTRODUCCIÓN. Se discute el estado del arte, motivación para el trabajo, objetivos principales y plan de I+D. II. MATERIALES HÍBRIDOS GaN-SILANO-COMPLEJO DE Ru(II) PARA SENSORES QUÍMICOS LUMINISCENTES. Se describe la fabricación de materiales híbridos orgánico-inorgánicos basados en GaN para la detección de O2 y el énfasis está principalmente en la optimización del material que constituye el elemento sensible. El indicador sensible al O2 se unió químicamente a las superficies de GaN a través de una capa intermedia de aminosilano para una máxima estabilidad y durabilidad. El principal interés fue estudiar la influencia en la luminiscencia de los híbridos y en la respuesta a las especies de interés (O2) 1) del tipo de dopaje del semiconductor y 2) de la composición y espesor de la capa de acoplamiento. III. DESARROLLO DE UN OPTODO PARA LA DETECCIÓN DE EtOH BASADO EN COMPLEJOS LUMINISCENTES DE Ru(II). El trabajo comprende el diseño computacional, la síntesis química y la caracterización de complejos luminiscentes para detección de etanol. El mejor indicador, utilizado por teñir soportes poliméricos, fue calibrado en fase gas con diferentes concentraciones de EtOH y H2O para investigar selectividad y características analíticas, enfocándose en la aplicación específica de monitorear plantas de producción de etanol. IV. APLICACIÓN DE MICROSENSORES LUMINISCENTES EN EL MONITOREO DE CULTIVOS CÉLULARES EN ESTRUCTURAS MICROFLUIDICAS. Se describe la aplicación de los sensores desarrollados para monitorear el O2 en cultivos de células en canales microfluídicos de PDMS-vidrio (en la Univ. de Groningen), y monitorear temperatura y O2 en dispositivos de órgano-en-chip de vidrio (en Micronit). V. ASPECTOS DESTACADOS, CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS FUTURAS. Los tres capítulos principales contienen material que ya ha sido publicado. Se adaptaron al formato de tesis, pero se escribieron como capítulos independientes con una breve introducción y conclusión. ----------ABSTRACT---------- This thesis presents the research carried out as part of the EU Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network “SAMOSS” (Sample In-Answer Out Optochemical Sensing Systems), involving other 9 early stage researchers at PhD programs in 5 universities (Univ. Complutense de Madrid, Univ. of Applied Sciences of Jena, Ben-Gurion Univ. of the Negev, Austrian Inst. of Technology, Univ. of Groningen, Univ. of Technology of Compiègne) plus two experienced researchers working at two companies (Micronit Micro Technologies B.V. in Enschede, NL, and Biosensor S.r.l. in Rome, IT). This work has been carried out in the laboratories of the “GSOLFA” (Chemical Optosensors and Applied Photochemistry) group at the Organic Chemistry Department of Universidad Complutense de Madrid (UCM), at the ISOM (Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología) of the School of Telecommunications Engineering of Universidad Politécnica de Madrid (UPM) and, in a four-month long secondment in The Netherlands, in RUG (University of Groningen) and in Micronit Micro Technologies B.V. The aim of this project has been to develop sensitive elements that, with the proper miniaturized large-scale integration electronics, could be plugged to provide smartphones the capability for detecting chemical species of interest for personal and workplace safety (e.g. ethanol and oxygen). The sensitive elements have been organic‐inorganic hybrids fabricated either by direct functionalization of GaN or by attachment of a thin dyed polymer layer to the surface of the GaN LED. Some basic issues regarding selection of proper luminescent dyes and optimum doping of GaN, in order to understand and control the electron transport from the dye to the GaN device, have been addressed as well. Besides, complementary applications of the sensor devices have been explored. The thesis is organized as follows: I. INTRODUCTION. The state-of-the art, motivation for the work, main goals and work plan are explained. II. GaN-SILANE-DYE HYBRID MATERIALS FOR LUMINESCENT CHEMICAL SENSING. The third part reports the manufacturing of GaN‐based organic‐inorganic hybrids for O2 sensing, with an emphasis on the optimization of the sensitive element material. The O2‐sensitive dye has been tethered to GaN surfaces via an aminosilane-coupling layer for utmost stability and durability. The main interest has been to study 1) the influence of the GaN substrate doping and 2) the effect of the intermediate layer composition and thickness on the hybrids luminescence and response to the analyte (O2). III. DEVELOPING AN OPTODE FOR EtOH SENSING BASED ON Ru(II) INDICATOR DYES. This section focuses on the preparation of novel luminescent indicator dyes and indicator/polymer layers for ethanol sensing. The work started with computer‐aided design, followed by chemical synthesis and characterization of the dyes. Subsequently, the best luminescent probe has been supported in perm‐selective polymers and calibrated in gas phase with different concentrations of EtOH and H2O to investigate selectivity and analytical features, focusing on the specific application of monitoring ethanol production and storage plants. IV. APPLICATION OF LUMINESCENCE-BASED MICROSENSORS TO MICROFLUIDIC CELL CULTURES AND ORGAN-ON-A-CHIP DEVICES. Finally, the work focused on a particular application of the developed sensors, namely to monitor microfluidic cell cultures. In RUG, O2 sensors have been implemented in human umbilical vein endothelial cells culture into PDMS-glass microfluidic chips while, at Micronit, O2 and temperature sensors have been used in organ-on-a-chip glass devices. V. HIGHLIGHTS, CONCLUSIONS, AND OUTLOOK. The three main chapters contain material that has already been published. They were adapted to the thesis format but written as independent chapters with a short introduction and conclusion.