Desarrollo de superficies nanoestructuradas para biosensores ópticos y sensores biomiméticos

Resumen

La presente Tesis Doctoral es de carácter tecnológico y está enfocada al desarrollo de nuevos biosensores y sensores biomiméticos ópticos. El trabajo ha consistido en la fabricación y caracterización de películas micro/nano−estructuradas en distintos materiales para (bio)detección óptica, empleándose como herramienta principal de nanoestructuración la litografía por haz de electrones (EBL). El objetivo general es lograr mejoras y novedades en el campo de los biosensores ópticos, tanto en lo referente a las prestaciones de los dispositivos como al coste de fabricación de los mismos. Este trabajo se puede dividir en tres partes. En la primera parte se expone el trabajo realizado para lograr sensores biomiméticos basados en polímeros de impronta molecular (MIP), micro y nanoestructurados directamente mediante EBL, algo no realizado con anterioridad a esta Tesis, y con fotolitografía UV. Se ha conseguido demostrar que el copolímero P(MAA-co-MAAEMA) se comporta simultáneamente como MIP y resina de EBL, permitiendo la nanoestructuración directa de películas de este material MIP mediante EBL. En el proceso previo a la consecución de esta demostración, se han obtenido otros resultados de relevancia relacionados con las propiedades ópticas (fotoluminiscencia) y tecnológicas (resinas de alta sensibilidad y doble comportamiento) de resinas comerciales de PMMA y PMMA/MA y del copolímero P(HEMA-co-MAAEMA). El segundo bloque contiene el trabajo desarrollado para obtener (bio)sensores plasmónicos sin marcado basados en redes de nanoagujeros realizadas en aluminio, susceptibles de ser interrogados ópticamente y capaces de detectar variaciones muy pequeñas de índice de refracción en el medio circundante. La novedad ha consistido en proteger eficazmente la superficie de aluminio frente a medios acuosos tamponados, frecuentes en bioensayos, obteniendo dispositivos competitivos frente a los fabricados habitualmente con oro, un metal miles de veces más costoso que el aluminio. Las prestaciones y la estabilidad de los dispositivos fabricados se estudiaron con diferentes pruebas de resistencia, experimentos de determinación de la sensibilidad volumétrica al índice de refracción empleando disolventes, y con ensayos de biodetección realizados como prueba de concepto. Las redes de nanoagujeros han sido fabricadas sobre dos tipos de sustratos: vidrio y policarbonato procedente de CDs y DVDs, esto último con el fin de desarrollar una tecnología que permita la integración de estos dispositivos en discos ópticos comerciales. Además, se ha investigado la transferencia de películas metálicas nanoestructuradas fabricadas sobre policarbonato a una cinta adhesiva flexible de uso común, estudiándose la sensibilidad refractométrica de la estructura resultante. En la tercera y última parte se muestra el trabajo realizado destinado a obtener (bio)sensores sin marcado basados en redes de nanopilares de resina comercial SU−8 fabricados con EBL sobre una película de aluminio depositada en sustratos de silicio, tratando de mejorar las prestaciones de estructuras similares previamente publicadas. Para ello, se ha propuesto e investigado una configuración consistente en redes de nanopilares con forma de neiloide truncado obtenidos tras la aplicación de cierto grado de desenfoque durante la litografía. Los nanopilares resultantes presentan un ensanchamiento en la base, creando una capa delgada de resina entre ellos, originando un efecto de resonancia de modo guiado. Este efecto produce una respuesta óptica espectral que cuenta con una resonancia de alto factor de calidad y muy sensible a los cambios de índice de refracción del medio circundante. Considerando tanto la sensibilidad como la calidad de la resonancia, se ha demostrado que el factor de mérito de la estructura propuesta mejora hasta en dos órdenes de magnitud el de dispositivos similares anteriores con mayor superficie sensora, sin añadir mayor coste o complejidad al proceso de fabricación.