Tesis:
Desarrollo de superficies nanoestructuradas para biosensores ópticos y sensores biomiméticos
- Autor: CANALEJAS TEJERO, Victor
- Título: Desarrollo de superficies nanoestructuradas para biosensores ópticos y sensores biomiméticos
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/44322/
- Director/a 1º: ANGULO BARRIOS, Carlos
- Resumen: La presente Tesis Doctoral es de carácter tecnológico y está enfocada al desarrollo de nuevos biosensores y sensores biomiméticos ópticos. El trabajo ha consistido en la fabricación y caracterización de películas micro/nano−estructuradas en distintos materiales para (bio)detección óptica, empleándose como herramienta principal de nanoestructuración la litografía por haz de electrones (EBL). El objetivo general es lograr mejoras y novedades en el campo de los biosensores ópticos, tanto en lo referente a las prestaciones de los dispositivos como al coste de fabricación de los mismos. Este trabajo se puede dividir en tres partes. En la primera parte se expone el trabajo realizado para lograr sensores biomiméticos basados en polímeros de impronta molecular (MIP), micro y nanoestructurados directamente mediante EBL, algo no realizado con anterioridad a esta Tesis, y con fotolitografía UV. Se ha conseguido demostrar que el copolímero P(MAA-co-MAAEMA) se comporta simultáneamente como MIP y resina de EBL, permitiendo la nanoestructuración directa de películas de este material MIP mediante EBL. En el proceso previo a la consecución de esta demostración, se han obtenido otros resultados de relevancia relacionados con las propiedades ópticas (fotoluminiscencia) y tecnológicas (resinas de alta sensibilidad y doble comportamiento) de resinas comerciales de PMMA y PMMA/MA y del copolímero P(HEMA-co-MAAEMA). El segundo bloque contiene el trabajo desarrollado para obtener (bio)sensores plasmónicos sin marcado basados en redes de nanoagujeros realizadas en aluminio, susceptibles de ser interrogados ópticamente y capaces de detectar variaciones muy pequeñas de índice de refracción en el medio circundante. La novedad ha consistido en proteger eficazmente la superficie de aluminio frente a medios acuosos tamponados, frecuentes en bioensayos, obteniendo dispositivos competitivos frente a los fabricados habitualmente con oro, un metal miles de veces más costoso que el aluminio. Las prestaciones y la estabilidad de los dispositivos fabricados se estudiaron con diferentes pruebas de resistencia, experimentos de determinación de la sensibilidad volumétrica al índice de refracción empleando disolventes, y con ensayos de biodetección realizados como prueba de concepto. Las redes de nanoagujeros han sido fabricadas sobre dos tipos de sustratos: vidrio y policarbonato procedente de CDs y DVDs, esto último con el fin de desarrollar una tecnología que permita la integración de estos dispositivos en discos ópticos comerciales. Además, se ha investigado la transferencia de películas metálicas nanoestructuradas fabricadas sobre policarbonato a una cinta adhesiva flexible de uso común, estudiándose la sensibilidad refractométrica de la estructura resultante. En la tercera y última parte se muestra el trabajo realizado destinado a obtener (bio)sensores sin marcado basados en redes de nanopilares de resina comercial SU−8 fabricados con EBL sobre una película de aluminio depositada en sustratos de silicio, tratando de mejorar las prestaciones de estructuras similares previamente publicadas. Para ello, se ha propuesto e investigado una configuración consistente en redes de nanopilares con forma de neiloide truncado obtenidos tras la aplicación de cierto grado de desenfoque durante la litografía. Los nanopilares resultantes presentan un ensanchamiento en la base, creando una capa delgada de resina entre ellos, originando un efecto de resonancia de modo guiado. Este efecto produce una respuesta óptica espectral que cuenta con una resonancia de alto factor de calidad y muy sensible a los cambios de índice de refracción del medio circundante. Considerando tanto la sensibilidad como la calidad de la resonancia, se ha demostrado que el factor de mérito de la estructura propuesta mejora hasta en dos órdenes de magnitud el de dispositivos similares anteriores con mayor superficie sensora, sin añadir mayor coste o complejidad al proceso de fabricación. ABSTRACT The present Doctoral Thesis is a technology−based work focused on the development of novel optical biosensors and biomimetic sensors. The work has consisted of the fabrication and characterization of micro/nano−structured thin films made with different materials for optical (bio)detection, using electron beam lithography (EBL) as the main fabrication tool. The general goal is to achieve improvements and innovations in the optical biosensors field, considering both performance and production cost. This work can be divided in three parts. The first part of the Thesis describes the work performed to achieve biomimetic sensors based on molecularly imprinted polymers (MIP), directly micro and nanostructured using EBL, which has not been done before this Thesis, and also UV photolithography. The copolymer P(MAA-co-MAAEMA) has been demonstrated as a MIP capable of direct nanostructuration with EBL. Other relevant results related with optical (photoluminiscence) and technological (high sensitivity, dual tone resists) properties of the copolymer P(HEMA-co-MAAEMA), and also PMMA and PMMA/MA commercial resists, were obtained in the previous works which led to the MIP based biomimetic sensor. The second block contains the work related with the development of label−free plasmonic (bio)sensors based on nanoholes arrays fabricated in aluminium films, subject to optical interrogation and capable of detecting very small refractive index variations in the surrounding enviroment. The novelty has consisted of achieving an efficient protection of the aluminium surface against buffered aqueous solutions, thus obtaining competitive devices without the need of using gold, usually applied to similar purposes, which is thousands of times more expensive than aluminium. The performance and the stability of the devices were studied by different endurance tests, also with experiments of acquisition of the volumetric sensitivity to refractive index using solvents, and with biosensing experiments as proof of concept tests. The nanoholes arrays have been fabricated using two different substrates: glass and polycarbonate from CDs and DVDs, opening the door to the development of a technology which allows for the integration of the devices on commercial optical discs. In addition, the transfer of the metallic nanostructures fabricated on polycarbonate to common use, flexible stick tape, was investigated, as well as the refractometric sensitivity of the transferred devices. The third and last part shows the work related with the development of label−free biosensors based on SU−8 nanopillars arrays made with EBL onto an aluminium film deposited on silicon substrate, trying to improve the performance of similar architectures previously published. With this purpose, a new nanostructure consisting of truncated neiloid shape pillars, made by applying out−of−focus electron beam exposition during the lithography, has been investigated. The resultant nanopillars present a base widening, creating a resist thin film among them, and producing a guided−mode resonance effect. This effect produces an optical reflectance spectrum featuring a high quality resonance, which is very sensitive to refractive index variations of the environment in contact with the nanostructure surface. Considering both the sensitivity and the quality of the studied resonance, the developed (bio)sensors have demonstrated that the figure of merit of the proposed structure improves in two orders of magnitude comparing with previously published architectures, without adding extra cost or complexity during the manufacture process.