Βιοχημικοί Αισθητήρες Νανοσωματιδίων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη δημιουργία και τον χαρακτηρισμό αισθητήρων με νανοσωματίδια πλατίνας. Συγκεκριμένα, μελετώνται δύο διαφορετικά είδη αισθητήρων, από τη μία εύκαμπτοι χημικοί αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ατμών υγρασίας και αιθανόλης και από την άλλη βιολογικοί αισθητήρες που ανιχνεύουν συγκεκριμένες ακολουθίες βιολογικού υλικού (ολιγονουκλεοτίδια). Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στα νανοσωματίδια και στις ιδιαίτερες ιδιότητες που αυτά επιδεικνύουν, δίνοντας έμφαση σε αυτές που συναντήσαμε και κατά τη διάρκεια των πειραματικών διαδικασιών. Αναφέρονται συνοπτικά διάφορες τεχνικές παραγωγής νανοσωματιδίων και αναλύεται συγκεκριμένα η μέθοδος παραγωγής νανοσωματιδίων μέσω της μαγνητικής ιοντοβολής που χρησιμοποιήσαμε. Στη συνέχεια γίνεται εκτενής αναφορά σε μια άλλη μέθοδο εναπόθεσης υλικών, την εκτύπωση μέσω ψεκασμού σταγόνας (ink-jet). Αν και η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την εναπόθεση νανοσωματιδίων, στην περίπτωση μας χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση πολυμερούς ΡΗΕΜΑ στους χημικούς αισθητήρες και την εκτύπωση βιολογικού υλικού στους βιολογικούς αισθητήρες. Παρατίθενται λεπτομέρειες των παραπάνω εναποθέσεων καθώς και οπτικό υλικό. Στο κύριο μέρος της εργασίας αναλύονται ξεχωριστά οι δύο τύποι των αισθητήρων. Και για τους δύο τύπους, η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό (I-V) εύκαμπτων υποστρωμάτων πολυιμιδίου ή δισκιδίων πυριτίου με ενδοδιαπλεκόμενα ηλεκτρόδια χρυσού και ένα στρώμα από νανοσωματίδια πλατίνας. Στους εύκαμπτους χημικούς αισθητήρες, η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει εναπόθεση πολυμερούς PHEMA πάνω από στρώμα νανοσωματιδίων πλατίνας σε υπόστρωμα πολυιμιδίου και τον χαρακτηρισμό των αισθητήρων σε περιβάλλον με ατμούς υγρασίας και αιθανόλης σε διαφορετικές συγκεντρώσεις, με την παράλληλη μέτρηση των αποκρίσεων ηλεκτρικής αντίστασης και χωρητικότητας. Για τους βιολογικούς αισθητήρες περιγράφεται η διαδικασία σιλανοποίησης τους, η εναπόθεση των ολιγονουκλεοτιδίων με εκτύπωση inkjet, πιπέτας και LIFT, η επιβεβαίωση της πρόσδεσης των ολιγονουκλεοτιδίων και της υβριδοποίησης τους μέσω φθορισμού και τέλος η ανίχνευση του βιολογικού αναλυτή μέσω αλλαγής στην αντίσταση του αισθητήρα.

This diploma thesis describes the fabrication and characterization of sensing devices with platinum nanoparticles. Namely, two different types of sensors are studied, flexible chemical gas sensors which are used for the detection of humidity and ethanol vapors and biological sensors which detect specific sequences of DNA (oligonucleotides). Firstly, an introduction is made to the specific properties nanoparticles exhibit and especially to those involved in our experimental processes of the sensors. Also, we briefly refer to several nanoparticle synthesis techniques from the vapor face and we further analyze magnetron sputtering technique which we used for the deposition of platinum nanoparticles. The inkjet printing method is also analyzed. Although this method can be used for the deposition of nanoparticles as well, in our experimental processes was used for the deposition of PHEMA polymer on the chemical sensors and DNA on the biological sensors. Details of the depositions and optical material are demonstrated. In the main part of the thesis, the two types of sensors are described in detail, separately. Both experimental processes include the electrical characterization (I-V) of flexible polyimide substrates and silicon wafers with gold interdigitated electrodes and a platinum nanoparticle layer. The experimental process of the flexible chemical sensors consists of the deposition of PHEMA polymer on top of a layer of platinum nanoparticles on the polyimide substrate and their response to humidity and ethanol vapors in different concentrations, which is determined as an increase in the electrical resistance and capacitance of the sensor. The experimental process of the biological sensors include a silane process, the deposition of DNA oligonucleotides using inkjet printing, pipette or LIFT and finally the sensing of the target DNA through hybridization which is observed both by fluorescence and measurements of the electrical resistance.