Φωτονικοί βιοαισθητήρες πυριτίου για lab-on-a-chip εφαρμογές

Abstract

Κατά τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχουμε γίνει μάρτυρες μιας αξιοσημείωτης προόδου στην εξέλιξη των βιοαισθητήρων και των εφαρμογών τους σε διάφορους τομείς, όπως στον περιβαλλοντικό έλεγχο, στη βιοτεχνολογία, στη διάγνωση ασθενειών, στην ανίχνευση φαρμάκων, στον έλεγχο τροφίμων και στην ασφάλεια μεταξύ άλλων. Η τεχνολογία των οπτικών βιοαισθητήρων έχει φτάσει πλέον σε υψηλά επίπεδα ωριμότητας και διάφορα εμπορικά προϊόντα κυκλοφορούν στην αγορά. Προβλήματα ωστόσο σταθερότητας, ευαισθησίας και μεγέθους έχουν περιορίσει τη γενική χρήση των οπτικών βιοαισθητήρων σε τομείς πραγματικών εφαρμογών. Οι ολοκληρωμένοι φωτονικοί βιοαισθητήρες που είναι βασισμένοι στην τεχνολογία πυριτίου θα μπορούσαν να λύσουν τέτοια προβλήματα, καθώς προσφέρουν έγκυρα διαγνωστικά εργαλεία με καλύτερη ευαισθησία, εξειδίκευση και αξιοπιστία που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των in-vivo και in-vitro διαγνωστικών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια γενική επισκόπηση των βιοαισθητήρων στο πρώτο κεφάλαιο, ενώ στο δεύτερο δίνεται έμφαση στους ολοκληρωμένους οπτικούς βιοαισθητήρες και των κύριων αρχιτεκτονικών τους. Μέσα από τη σύγκριση επίδοσής τους καταδεικνύεται η υπεροχή του πυριτίου ως κύριου υλικού κατασκευής και γι' αυτό το τρίτο κεφάλαιο αφιερώνεται αποκλειστικά στην τεχνολογία πυριτίου. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται σύνδεση των ολοκληρωμένων οπτικών βιοαισθητήρων με microfluidic εφαρμογές σε lab-on-a-chip μικροσυστήματα.

In the last two decades, we have witnessed a remarkable progress in the development of biosensor devices and their application in areas such as environmental monitoring, biotechnology, medical diagnostics, drug screening, food safety, and security, among others. The technology of optical biosensors has reached a high degree of maturity and several commercial products are on the market. But problems of stability, sensitivity, and size have prevented the general use of optical biosensors for real field applications. Integrated photonic biosensors based on silicon technology could solve such drawbacks, offering early diagnostic tools with better sensitivity, specificity, and reliability, which could improve the effectiveness of in-vivo and in-vitro diagnostics. In this present diploma thesis, a general overview of biosensors is presented in the first chapter, while in the second chapter emphasis is given to integrated optical biosensors and their major architectures. Comparing their performance, the supremacy of silicon is shown as the major construction material for biosensors, thus the third chapter is toatally devoted to the silicon technology. Finally, in the fourth chapter, integrated optical biosensors are associated with microfluidics in lab-on-achip systems.