Dual-Mode Electro-photonic Silicon Biosensors

این پایان‌نامه بسیار بین‌رشته‌ای درباره دو حسگر زیستی فوتونیکی ابتکاری گزارش می‌کند که چندین اندازه‌گیری همزمان را برای ارائه بینش منحصربه‌فردی در مورد فعالیت و ساختار مولکول‌های بیولوژیکی تثبیت‌شده سطحی ترکیب می‌کنند. علاوه بر این، یک بیوسنسور فوتونیک سیلیکونی جدید ارائه می‌کند که از دو حسگر رزونانس آبشاری برای ارائه دو اندازه‌گیری مستقل از یک لایه بیولوژیکی تثبیت‌شده روی سطح بهره می‌برد. با ترکیب این دو اندازه گیری، می توان به طور واضح چگالی و ضخامت لایه مولکولی را تعیین کرد. در اینجا، توانایی این رویکرد برای مطالعه ساختار مولکولی و تغییرات ساختاری در زمان واقعی نشان داده می‌شود.
بیوسنسور الکتروفوتونیکی فوتونیک سیلیکونی را با الکتروشیمی در یک فناوری واحد ادغام می‌کند. این حسگر زیستی چندوجهی تعدادی قابلیت منحصر به فرد را فراهم می کند که عملکرد فوتونیک سیلیکونی معمولی را گسترش می دهد. به عنوان مثال، با ترکیب اطلاعات تکمیلی که توسط اندازه‌گیری‌های همزمان الکتروشیمیایی و فوتونیک آشکار می‌شود، می‌توان بینش منحصربه‌فردی را در مورد فرآیندهای الکتروشیمیایی سطحی ارائه داد. علاوه بر این، توانایی ایجاد واکنش های الکتروشیمیایی به طور مستقیم بر روی سطح سیلیکون، رویکرد جدیدی را برای مهندسی عملکرد شیمیایی حسگرهای فوتونی فراهم می کند. بنابراین، بیوسنسور الکتروفوتونیک یک پیشرفت حیاتی به سمت توسعه آرایه‌های حسگر فوتونیک با چگالی بالا برای تشخیص چندگانه است.

This highly interdisciplinary thesis reports on two innovative photonic biosensors that combine multiple simultaneous measurements to provide unique insights into the activity and structure of surface immobilized biological molecules. In addition, it presents a new silicon photonic biosensor that exploits two cascaded resonant sensors to provide two independent measurements of a biological layer immobilized on the surface. By combining these two measurements, it is possible to unambiguously quantify the density and thickness of the molecular layer; here, the approach’s ability to study molecular conformation and conformational changes in real time is demonstrated.
The electrophotonic biosensor integrates silicon photonics with electrochemistry into a single technology. This multi-modal biosensor provides a number of unique capabilities that extend the functionality of conventional silicon photonics. For example, by combining the complementary information revealed by simultaneous electrochemical and photonic measurements, it is possible to provide unique insights into on-surface electrochemical processes. Furthermore, the ability to create electrochemical reactions directly on the silicon surface provides a novel approach for engineering the chemical functionality of the photonic sensors. The electrophotonic biosensor thus represents a critical advance towards the development of very high-density photonic sensor arrays for multiplexed diagnostics.