Κατασκευή σειράς νανοδοκών πυριτίου για αποτελεσματική ανίχνευση χημικών ενώσεων

Abstract

The scope of the presented thesis is the development of a capacitive sensor array for the detection of chemical and biological compounds. 'The array comprises 16 rows and 16 columns of sensing elements thus accommodating up to 256 differently functionalized sensors. Each sensor uses an ultra thin silicon membrane selectively covered with an appropriate sensitive layer. Stress changes on the membrane surface during the biological or chemical interactions cause the membrane to deflect. The changes of the deflection are translated into capacitive changes between the membrane and the substrate. Volatile organic compounds have been detected using polymer-covered membranes, whereas biomolecular interactions have been detected using membranes covered with proteins or oligonucleotides. The developed sensors, in contrast to the widely used microcantilever sensors, enable the application of capacitive sensing in conductive media such as biological solutions. The membranes, contrary to cantilevers, are sealed peripherally, thus isolating the space between the capacitor plates and enabling measuring of capacitance changes that originate only due to the deflection of the flexible plate. Furthermore, with surface stress based sensors the use of labels can be avoided, simplifying the experimental procedure and reducing cost. In addition, capacitive readout, comparing to other readout techniques, offers ease of electrical detection and the ability of miniaturization of the developed sensors. The first three Chapters of the thesis include the necessary theoretical background. In particular, the basic concepts and features of chemical and biological sensor arrays (Chapter 1), a review of similar sensors (Chapter 2), as well as the micromechanical processes for the sensor fabrication (Chapter 3) are described. The next chapters concern the sensor design, based on finite element analysis (Chapter 4), the fabrication (Chapter 5) and the characterization of the devices (Chapters 6, 7). The polymer deposition techniques and the experimental results for the detection of humidity and volatile organic compounds are described in Chapter 6. Chapter 7 refers to the characterization of the biological sensors for the detection of proteins (biotin-streptavidin interaction) and the hybridization of DNA strands. Finally, the contribution of this thesis in research and the future work are presented in Chapter 8.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη συστοιχίας αισθητήρων χωρητικότητας για την ανίχνευση χημικών και βιολογικών ενώσεων. Η συστοιχία αποτελείται από 16 γραμμές και 16 στήλες, έτσι περιλαμβάνει έως και 256 αισθητήρες. Κάθε αισθητήρας χρησιμοποιεί μια υπέρλεπτη μεμβράνη πυριτίου επιλεκτικά επικαλυμμένη με ένα κατάλληλο χημικά ή βιολογικά ευαίσθητο στρώμα. Οι μεταβολές της μηχανικής τάσης στην επιφάνεια της μεμβράνης κατά τη διάρκεια των βιολογικών ή χημικών αλληλεπιδράσεων προκαλούν μεταβολές στην κάμψη της μεμβράνης. Οι μεταβολές της κάμψης μετατρέπονται σε μεταβολές της χωρητικότητας μεταξύ μεμβράνης και υποστρώματος. Με τον τρόπο αυτό ανιχνεύτηκαν πτητικές οργανικές ενώσεις χρησιμοποιώντας μεμβράνες επικαλυμμένες με πολυμερή, καθώς και βιομοριακές αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας μεμβράνες επικαλυμμένες με πρωτεΐνες ή ολιγονουκλεοτίδια. Οι αισθητήρες που αναπτύχθηκαν, σε αντίθεση με τους ευρέως διαδεδομένους αισθητήρες μικροδοκών, επιτρέπουν την εφαρμογή της ανίχνευσης μέσω xωρητικότητας και σε αγώγιμα μέσα, όπως είναι τα βιολογικά διαλύματα. Οι μεμβράνες, αντίθετα από τις δοκούς, στηρίζονται κατά μήκος όλης τους της περιφέρειας και επομένως ο χώρος μεταξύ των οπλισμών του πυκνωτή είναι μονωμένος, επιτρέποντας τη μέτρηση μεταβολών της χωρητικότητας που οφείλεται μόνο στη μεταβολή της κάμψης του εύκαμπτου οπλισμού. Επιπλέον, οι αισθητήρες που βασίζονται στις μεταβολές της επιφανειακής τάσης καθιστούν δυνατή τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων χωρίς τη χρήση βιολογικών δεικτών, οι οποίοι περιπλέκουν την πειραματική διαδικασία και αυξάνουν το κόστος. Επίσης, σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, η ανίχνευση μέσω της χωρητικότητας, προσφέρει ευκολία στον τρόπο μέτρησης και τη δυνατότητα ελαχιστοποίησης των διαστάσεων των αισθητήρων που αναπτύσσονται. Τα τρία πρώτα Κεφάλαια της διατριβής εμπεριέχουν το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο. Συγκεκριμένα, περιγράφονται οι βασικές έννοιες και τα χαρακτηριστικά των συστοιχιών χημικών και βιολογικών αισθητήρων (Κεφάλαιο 1), γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση αντίστοιχων αισθητήρων (Κεφάλαιο 2) και παρουσιάζονται οι μικρομηχανικές διαδικασίες κατασκευής αισθητήρων (Κεφάλαιο 3). Ακολουθούν τα Κεφάλαια που σχετίζονται με τον σχεδιασμό, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (Κεφάλαιο 4), με την κατασκευή (Κεφάλαιο 5) και τον χαρακτηρισμό των αισθητήρων (Κεφάλαια 6, 7). Στο Κεφάλαιο 6, περιγράφονται τεχνικές επικάλυψης των μεμβρανών με διάφορα πολυμερή και παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για την ανίχνευση υγρασίας και πτητικών οργανικών ενώσεων. Το Κεφάλαιο 7 αναφέρεται στο χαρακτηρισμό των βιολογικών αισθητήρων για την ανίχνευση πρωτεϊνών (αλληλεπίδραση βιοτίνης-στρεπταβιδίνης) και της υβριδοποίησης αλληλουχιών DNA. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 συνοψίζεται η συμβολή της παρούσας διατριβής στην έρευνα και αναφέρεται η μελλοντική εργασία.