Analysis, implementation and validation of a Love mode surface acoustic wave device for its application as sensor of biological processes in liquid media

Abstract

En las últimas dos décadas, han surgido diferentes tecnologías acústicas para aplicaciones biosensoras como alternativas a tecnologías de detección bien establecidas ¿acústicas o ópticas¿ como son la Microbalanza de Cuarzo (QCM, por sus siglas en inglés) y la Resonancia de Plasmón de Superficie (SPR, de sus siglas en inglés). En la primera parte de este documento se revisan dichas tecnologías alternativas para aplicaciones en medio líquido. Como resultado de esta revisión, se determina que los dispositivos de onda acústica superficial Love (LW, de sus siglas en inglés) son los más prometedores y viables para conseguir el principal objetivo de esta Tesis, que es establecer una comparativa en las mismas condiciones entre inmnosensores desarrollados con la tecnología seleccionada en esta tesis y los inmunosensores desarrollados con QCMs de Alta Frecuencia Fundamental (HFF-QCM, por sus siglas en inglés). Después de esta revisión se presenta el estado del arte de los dispositivos LW en su aplicación como biosensores, así como una discusión de las tendencias y retos actuales de este tipo de sensores. Posteriormente se reúne la información más actualizada sobre aspectos de diseño, principios de operación y modelado de estos sensores. Algunos aspectos de diseño son estudiados y probados para establecer el diseño final de los dispositivos LW. Previamente a su fabricación, también se realizan simulaciones para modelar el comportamiento del dispositivo elegido previamente a su fabricación. Posteriormente, se describe la fabricación del dispositivo así como la celda de flujo diseñada para trabajar con el dispositivo en medios líquidos. Adicionalmente, un sistema electrónico de caracterización, previamente validado para sensores QCM, se adapta para sensores LW. Como resultados, se valida el sistema electrónico para caracterizar los sensores LW fabricados y montados en la celda de flujo y, finalmente, se desarrolla un inmunosensor para la detección del pesticida carbaril que se compara con otras tecnologías inmunosensoras.

In the last two decades, different acoustic technologies for biosensors applications have emerged as promising alternatives to other better established detection technologies ¿ acoustic or optic ones- such as traditional Quartz Crystal Microbalance (QCM) and Surface Plasmon Resonance (SPR). The alternative acoustic technologies for in liquid measurements are reviewed in this manuscript. Surface Acoustic Wave (SAW) Love Mode or Love Wave (LW) sensors are determined to be the most promising and viable option to work with for achieving the main aim of this Thesis. Such aim is the development of a LW immunosensor for its comparison with the same application based on High Fundamental Frequency-QCM (HFF-QCM) sensors and under the same conditions. Consequently, the state-of-the-art of LW devices for biosensing is provided and a discussion about the current trends and future challenges of these sensors is presented. In order to start working with suitable LW devices, upto- date information regarding the design aspects, operation principles and modeling of such devices is gathered. Some design aspects are explored and tested to establish the design of the final LW device. Different simulations for modeling the chosen device behavior are carried out before its fabrication. Later, the device fabrication is described. Next, to start working with the fabricated device in liquid media, a flow cell is designed and implemented. In addition, an electronic characterization system, previously validated for QCM sensors, is adapted and tested for the fabricated LW device. As results, the adapted electronic characterization system is validated for LW devices mounted in the fabricated flow cell and, finally, a LW-based immunosensor for the determination of carbaryl pesticide was developed and compared with other immunosensor technologies.