Prospects of nanoelectronic biosensing with high-frequency impedance spectroscopy

Negli ultimi anni la possibilità di combinare nanoelettronica e biosensoristica ha aperto un campo di ricerca molto vasto e promettente, che ha il potenziale di rivoluzionare la biologia analitica e di consentire diagnostica pervasiva e medicina personalizzata. Le piattaforme di biosensori nanoelettronici integrati sono potenzialmente in grado di fornire compensazioni e calibrazioni hardware, firmware programmabili, una maggiore sensibilità a causa delle ridotte dimensioni, elevato parallelismo, riduzione notevole dei costi e delle dimensioni e i vasti mercati necessari per il settore dei semiconduttori. Come nel caso di tutti i sensori nanoelettronici integrati, un progetto affidabile e conveniente è possibile solo se sono disponibili modelli accurati per comprendere e prevedere quantitativamente il processo di trasduzione del segnale. Tuttavia, con l'eccezione di alcuni pionieristici sforzi, mancano ancora spesso modelli analitici e numerici calibrati per descrivere accuratamente la risposta della maggior parte dei concept di biosensori. Animati dalla volontà di colmare questa lacuna, in questo lavoro sviluppiamo modelli analitici compatti e complessi strumenti di simulazione numerica per lo studio della catena di trasduzione in biosensori nanoelettronici impedimetrici. In particolare, il simulatore 3D ENBIOS, interamente sviluppato e convalidato durante questa tesi, è uno strumento generale che può essere facilmente ampliato per includere nuovi effetti fisici o descrizioni più sofisticate di elettroliti e analiti accoppiati ai dispositivi a semiconduttore. I modelli rilevano l'esistenza di due frequenze di taglio rilevanti che regolano la risposta impedimetrica del biosensore, rivelano le dipendenze della risposta del biosensore all'analita e alle condizioni ambientali e l'esistenza di firme ben definite nel segnale di impedenza. Gli strumenti analitici e numerici sono attentamente verificati e poi utilizzati per esaminare diversi casi di studio. Il primo che consideriamo è un biosensore impedimetrico a matrice di nanoelettrodi. In collaborazione con l'Università di Twente, studiamo la sua risposta a micro-particelle conduttive e dielettriche in condizioni sperimentali ben controllate. I risultati della simulazione sono in ottimo accordo con le misure e ci forniscono informazioni sulle condizioni di rilevamento ottimali. Studiando la risposta del biosensore a piccole particelle, come proteine, virus o DNA, confermiamo quindi tramite simulazioni i vantaggi della spettroscopia di impedenza ad alta frequenza, in particolare la capacità dei segnali in AC a frequenza superiore alla frequenza di taglio di rilassamento dielettrico dell'elettrolita di superare lo screening di Debye e di sondare il volume dell'elettrolita con una sensibilità quasi indipendente da posizione e carica della particella e dalla concentrazione salina. Come secondo esempio notevole consideriamo il caso di un biosensore a Nanofilo di Silicio (SiNW). Eseguiamo misure e simulazioni su SiNWs in regime AC in collaborazione con i laboratori CEA / LETI ed EPFL / CLSE. Dimostriamo il funzionamento dei SiNWs in AC, in particolare per applicazioni di misura del pH. Infine, confermiamo i vantaggi potenziali di un biosensore a SiNW operante in alta frequenza, al fine di aumentare l'intensità della risposta rispetto al caso di funzionamento in DC.