Study and development of high sensitivity optical biosensor with low dependence on temperature variations

Autor: Morás Junior, André Luís, 1988
Přispěvatelé: Frateschi, Newton Cesário, 1962, Barêa, Luís Alberto Mijam, 1982, Gabrielli, Lucas Heitzmann, Wiederhecker, Gustavo Silva, Cirino, Giuseppe Antonio, Galeti, Helder Vinícius Avanço, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb Wataghin, Programa de Pós-Graduação em Física, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Newton Cesário Frateschi, Luís Alberto Mijam Barêa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: O interesse e potencial de fabricação de dispositivos label-free e do tipo lab-on-a-chip cresceram bastante com o advento da micro e nanotecnologia há algumas décadas, atraindo investimentos de diversas áreas de pesquisa, como bioquímica, medicina, física, engenharia e biologia. Dentre os dispositivos mais promissores para o desenvolvimento do dispositivo lab-on-a-chip ideal, encontram-se os biossensores ópticos baseados em fotônica integrada de silício, os quais, além de apresentarem alta sensibilidade e baixo limite de detecção, também têm grande potencial de integração e miniaturização devido à tecnologia complementary metal-oxide semicondutor em que se baseia sua fabricação. No entanto, os biossensores ópticos também são extremamente sensíveis a perturbações ambientais, como variações de temperatura, o que limita e compromete sua aplicação em situações onde essas perturbações não são devidamente controladas, reduzindo sua confiabilidade. Neste trabalho, é proposto estudar e desenvolver por meio de simulações um biossensor óptico baseado em duas cavidades ressonantes acopladas que apresente alta sensibilidade e baixa dependência a variações de temperatura. A utilização de duas cavidades acopladas permite empregar uma medida diferencial entre as ressonâncias de cada cavidade que reduz significativamente a dependência do sensor a variações de temperatura, preservando sua alta sensibilidade e baixo limite de detecção. Também é proposto desenvolver o biossensor em uma plataforma de nitreto de silício sobre isolante. O baixo coeficiente termo-óptico do nitreto de silício combinado ao alto batente de índice de refração entre o nitreto e a dióxido de silício contribui para aumento da sensibilidade do sensor e redução da dependência da temperatura. Além disso, as relações entre os parâmetros de fabricação mais importantes do biossensor, tais como dimensões das cavidades e tamanho da região de detecção, e seus parâmetros de caracterização, como sensibilidades há variações de índice de refração e de temperatura, serão estudadas e exploradas detalhadamente por meio de simulações. Por fim, será estimado que o biossensor proposto em SiNOI, quando aplicado na detecção de soluções aquosas, é capaz de atingir uma sensibilidade RI (Refractive Index) de (123,36 ± 1,52) nm/RIU (Refractive Index Units) e um limite de detecção de aproximadamente 6 × 10-4 RIU, mantendo a sensibilidade a variações de temperatura em apenas -8,8 × 10-3 nm/ºC Abstract: The interest and potential for manufacturing label-free and lab-on-a-chip devices has grown significantly with the advent of micro and nanotechnology a few decades ago, attracting investments from different areas of research, such as biochemistry, medicine, physics, engineering and biology. Optical biosensors based on integrated silicon photonics are among the most promising devices for the development of the ideal lab-on-a-chip device. In addition to its high sensitivity and low detection limit, they also have great potential of integration and miniaturization due to the metal-oxide semiconductor complementary technology on which their fabrication is based. However, optical biosensors are also extremely sensitive to environmental disturbances, such as temperature variations, which limits and compromises their application in situations where disturbances are not properly controlled, reducing its reliability. In this work, study and development are proposed, through simulations, an optical biosensor based on two coupled resonant cavities with high sensitivity and low dependence on temperature variations. The use of two coupled cavities allows us to employ a differential measure between the resonances of each cavity that significantly reduces the sensor's dependence on temperature variations, preserving its high sensitivity and low detection limit. We also propose the development of the biosensor on a silicon nitride on insulator platform. The low thermo-optical coefficient of silicon nitride combined with the high refractive index contrast between silicon nitride and silicon dioxide contributes to increased sensor sensitivity and reduced temperature dependence. In addition, the relationships between the most important manufacturing parameters of the biosensor, such as cavity dimensions and detection region size, and its characterization parameters, such as sensitivities to refractive index and temperature variations, will be studied and explored in details through extensive simulations. Finally, we estimate that the proposed biosensor, when applied in the detection of aqueous solutions, is capable of achieving a refractive index sensitivity of (123.36 ± 1.52) nanometers per refractive index units and a detection limit of approximately 6 × 10-4 refractive index units, with a sensitivity to temperature variations of only -8.8 × 10-3 nm/ºC Doutorado Física Aplicada Doutor em Ciências CNPQ 162329/2017-2
Databáze: OpenAIRE
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