Force sensors based on piezoresistive and MOSFET cantilevers for biomolecular sensing

• Autores: Giordano Tosolini
• Directores de la Tesis: Joan Bausells Roigé (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2013
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jaume Esteve Tintó (presid.), Gabriel Gomila Lluch (secret.), Salvatore Cannistraro (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  DDD  TESEO 
• Resumen

  • Los procesos de reconocimiento biomolecular entre receptores y ligandos son muy importantes en biología. Estas biomoléculas pueden desarrollar complejos muy específicos y tener una variedad de funciones como replicación y transcripción genómica, actividad enzimática, respuesta inmune, señalamiento celular, etc. La complementariedad inequívoca mostrada por estos componentes biológicos es ampliamente utilizada para desarrollar biosensores. Dependiendo de la naturaleza de las señales que se convierten, los biosensores pueden ser clasificados en ópticos, eléctricos o mecánicos. Entre los sensores mecánicos, los microcantilevers son los más comunes. Han sido utilizados como sensores de estrés superficial o como sensores de masa en detección de biomoléculas, desde hace más de 10 años. El enlace de las moléculas a sus superficies funcionalizadas se puede detectar midiendo la deflexión en modo estático o la variación de la frecuencia de resonancia en modo dinámico. Para lograr la máxima resolución, la deflexión es medida por un láser y un fotodetector. Este método limita las medidas en fluidos transparentes, la portabilidad del instrumento, e incrementa la complejidad de medición multiplexada. El desarrollo de cantilevers sensibles a la deflexión mediante la integración de piezoresistores o transistores de efecto de campo (MOSFET) implementados en el mismo voladizo, resuelve este problema. Sin embargo, simultáneamente se disminuye la resolución del sensor debido al incremento del ruido electrónico. Por otro lado, se puede detectar moléculas midiendo la fuerza de enlace entre una molécula y su receptor, estirando el complejo molecular, mediante espectroscopia de fuerza atómica (AFS), técnica basada en el microscopio de fuerza atómica (AFM). A pesar de la elevada resolución en fuerza, el AFM no ha logrado aún convertirse en instrumento analítico debido principalmente a la complejidad del mismo y de su uso. Un biosensor basado en cantilevers que puedan detectar su propia deflexión y que emplee la AFS, tendría resolución de una molécula, podría ser utilizado en fluidos opacos, tendría potencial de multiplexado y su integración a una celda microfluídica sería viable. Considerando esto, se desarrollaron cantilevers dotados de resolución de pN y compatibles con líquidos. Se diseñaron y modelaron cantilevers basados en silicio cristalino y se ha optimizado el proceso de fabricación para aumentar la sensibilidad y el rendimiento. Asímismo, se ha trabajado sobre el modelo, el desarrollo y la fabricación de cantilevers con un MOSFET integrado. Se concluye que el primer sensor ofrece una solución tecnológica más directa, aunque el segundo puede ser una buena alternativa. Simultáneo a la fabricación de sensores, se desarrollaron también nuevas técnicas y montajes para la rápida caracterización eléctrica y electromecánica de los sensores de manera precisa y fiable. Esto fue crucial a la hora de validar el proceso de producción y los dispositivos finales. Después de obtener muy alta resolución (<10 pN en líquido) con elevado rendimiento en la producción, los sensores fueron utilizados para el estudio de procesos de reconocimiento molecular entre avidina y biotina. Para lograr este objetivo, los sensores fueron integrados en un AFM comercial para aprovechar su elevada estabilidad mecánica y el desplazamiento nanométrico del piezoactuador. Se detectaron con éxito las fuerzas de enlace relacionadas a la formación del complejo molecular biotina-avidina, resaltando de esta manera, la posibilidad de detección label-free de biomoléculas en condiciones cuasi fisiológicas con resolución de una molécula. Además de la elevada sensibilidad, estos sensores pueden utilizarse sin restricciones en fluidos opacos, se pueden integrar fácilmente en celdas microfluídicas y demuestran capacidad para el multiplexado. Este resultado abre nuevas perspectivas en detectores de marcadores biológicos con elevada sensibilidad y que puedan trabajar en condiciones fisiológicas.