Autor: MALKIA, Chahinez
Título: Graphene devices for biosensing applications in the extracellular environment
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
Departamento: INGENIERIA ELECTRONICA
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/92237/
Director/a(s):
- Director/a: CALLE GÓMEZ, Fernando
- Director/a: BOSCÁ MOJENA, Alberto
Resumen: This thesis explores the development and application of solution-gated graphene field-effect transistors (SG-GFETs) for biosensing, with a focus on macrophage polarization and acetylcholinesterase (AChE) activity detection. The integration of graphene's high surface sensitivity with field-effect transistor architecture offers a promising platform for real-time and label-free monitoring of cellular and enzymatic activity. Custom SG-GFETs were fabricated using optical lithography and a novel mask design that includes both micro- and nanoscale graphene channels. The devices were functionalized with (3-aminopropyl) triethoxysilane APTES to immobilize AChE and positioned for optimal signal transduction. Electrical measurements were conducted in real-time in physiological solutions using a Pt gate electrode. Polarization of macrophages was successfully monitored via shifts in electrical parameters, demonstrating the platforms potential for cell behaviour studies. In contrast, while the SG-GFETs were able to detect AChE activity via stepwise changes in drain current upon acetylcholine addition, the sensors lacked sensitivity to concentration variations. The response remained similar across a wide range of AChE concentrations (0.189 mM), which was attributed to the somewhat long 40 m distance between the enzyme and the graphene channel, and limitations in immobilization geometry. To address these challenges, a new SG-GFET layout was designed to reduce the enzyme-to-graphene distance and integrate isolated gate electrodes. This modification aims to improve both sensitivity and selectivity for future biosensing applications. Overall, this work presents a multifunctional sensor platform capable of both cellular and enzymatic biosensing, while highlighting fabrication strategies and challenges for achieving high-performance biosensor integration. RESUMEN Esta tesis explora el desarrollo y la aplicación de transistores de efecto de campo basados en grafeno y puerta electrolítica (SG-GFETs) para biosensado, con un enfoque en la polarización de macrófagos y la detección de la actividad de la acetilcolinesterasa (AChE). La integración de la alta sensibilidad superficial del grafeno con la arquitectura de transistores de efecto de campo ofrece una plataforma prometedora para la monitorización en tiempo real y sin marcadores de actividad celular y enzimática. Se fabricaron SG-GFETs personalizados mediante litografía óptica y un diseño novedoso de máscara que incluye canales de grafeno en micro y nanoescala. Los dispositivos fueron funcionalizados con (3-aminopropyl) triethoxysilane APTES para inmovilizar la AChE y se posicionaron para una transducción óptima de señal. Las medidas eléctricas se realizaron en tiempo real en soluciones fisiológicas utilizando un electrodo de puerta de platino. La polarización de los macrófagos se monitorizó con éxito mediante cambios en los parámetros eléctricos, lo que demuestra el potencial de la plataforma para estudios del comportamiento celular. En contraste, aunque los SG-GFETs lograron detectar la actividad de la AChE a través de cambios escalonados en la corriente de drenador tras la adición de acetilcolina, los sensores no mostraron sensibilidad a las variaciones de concentración. La respuesta permaneció constante en un amplio rango de concentraciones de acetilcolina (0.189 mM), lo que se atribuyó a la relativamente larga distancia de 40 m entre la enzima y el canal de grafeno, así como a limitaciones en la geometría de inmovilización. Para abordar estos desafíos, se diseñó una nueva configuración de SG-GFET con el objetivo de reducir la distancia entre la enzima y el grafeno, e integrar electrodos de puerta aislados. Esta modificación busca mejorar tanto la sensibilidad como la selectividad para futuras aplicaciones en biosensado. En conjunto, este trabajo presenta una plataforma de sensores multifuncional, capaz de realizar biosensado tanto celular como enzimático, haciendo énfasis en estrategias de fabricación y sus desafíos clave para lograr una integración eficiente de biosensores de alto rendimiento.