Metodi e strumentazione optoelettronici per sensori intelligenti biomedici

Biosensors have emerged as a transformative technology with wide-ranging applications in biomedical diagnostics, environmental monitoring, and pharmaceutical research. This thesis focuses on the development and analysis of advanced graphene-based biosensing platforms, integrating both theoretical modeling and experimental validation to enhance sensitivity, selectivity, and device performance. The first part of the research investigates the working principles and optimization strategies of graphene-based surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Particular attention is given to the influence of electrolyte gating and the role of graphene’s quantum capacitance in improving the accuracy of performance predictions. By incorporating electrostatic and quantum mechanical considerations into the modeling framework, this study highlights pathways to refine the optical and electrical response of SPR sensors, especially in the detection of low-concentration biomarkers such as β2-Microglobulin. The second theoretical focus explores ion-sensitive graphene field-effect transistor (GFET) biosensors. The analysis centers on the impact of different Electric Double Layer (EDL) models within the electrolyte, and how these affect the sensor’s electrostatic behavior and ion detection capabilities. The inclusion of quantum capacitance is shown to significantly enhance the reliability and sensitivity of the sensor model, reinforcing the importance of advanced physical modeling in sensor design. Complementing the theoretical work, experimental investigations were conducted using GFET-based devices for the detection of albumin protein and as a pH sensor. These experiments validate the practical feasibility of graphene as a versatile sensing material capable of transducing biological and chemical signals into measurable electrical responses. The integration of theoretical and experimental approaches provides a robust foundation for the development of next-generation smart biosensors. Overall, this thesis demonstrates the potential of graphene-based platforms in achieving high-performance, scalable, and cost-effective biosensing solutions, offering significant advancements for real-time diagnostics and personalized healthcare.

I biosensori si sono affermati come una tecnologia trasformativa con applicazioni che spaziano dalla diagnostica biomedica al monitoraggio ambientale, fino alla ricerca farmaceutica. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e l'analisi di piattaforme di biosensori avanzati basati sul grafene, integrando modellazione teorica e validazione sperimentale per migliorare sensibilità, selettività e prestazioni dei dispositivi. La prima parte della ricerca indaga i principi di funzionamento e le strategie di ottimizzazione dei biosensori a risonanza plasmonica di superficie (SPR) basati sul grafene. Particolare attenzione è rivolta all'influenza del gating elettrolitico e al ruolo della capacitanza quantistica del grafene nel migliorare la precisione delle previsioni prestazionali. Integrando considerazioni elettrostatiche e meccanico-quantistiche nel modello, lo studio evidenzia strategie per affinare la risposta ottica ed elettrica dei sensori SPR, in particolare nella rilevazione di biomarcatori a bassa concentrazione come la β2-Microglobulina. Il secondo focus teorico esplora i biosensori a transistor a effetto di campo sensibili agli ioni (GFET) basati sul grafene. L’analisi si concentra sull’impatto di diversi modelli di doppio strato elettrico (EDL) nell’elettrolita e su come questi influenzano il comportamento elettrostatico del sensore e la capacità di rilevamento ionico. L’inclusione della capacitanza quantistica si è dimostrata fondamentale per aumentare l’affidabilità e la sensibilità del modello, sottolineando l’importanza della modellazione fisica avanzata nella progettazione dei sensori. A completamento del lavoro teorico, sono state condotte indagini sperimentali utilizzando dispositivi GFET per la rilevazione della proteina albumina e come sensore di pH. Questi esperimenti convalidano la fattibilità pratica del grafene come materiale sensibile versatile, capace di trasdurre segnali biologici e chimici in risposte elettriche misurabili. L'integrazione degli approcci teorici e sperimentali fornisce una solida base per lo sviluppo di biosensori intelligenti di nuova generazione. Nel complesso, questa tesi dimostra il potenziale delle piattaforme basate sul grafene nel raggiungimento di soluzioni di biosensing ad alte prestazioni, scalabili ed economicamente vantaggiose, offrendo importanti progressi per la diagnostica in tempo reale e la medicina personalizzata.