Οπτικοί αισθητήρες για χημικούς βιολογικούς προσδιορισμούς υλοποιημένοι με μικροτεχνολογία πυριτίου
Κιτσαρά, Μαρία
Μπέλτσιος, Κωνσταντίνος
(EL)
-
(EL)
Ράπτης, Ιωάννης
Κιτσαρά, Μαρία
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Σχολή Επιστημών και Τεχνολογιών Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται μία οπτοηλεκτρονική διάταξη, βασισμένη εξ ολοκλήρου στο πυρίτιο που ενσωματώνει μονολιθικά τα πλεονεκτήματα των συμβολομέτρων Mach-Zehnder (ΜΖΙ) με τη χρήση της τεχνολογίας πυριτίου. Σκοπός της διατριβής είναι η σχεδίαση, η υλοποίηση και ο χαρακτηρισμός πρωτότυπης ολοκληρωμένης οπτικής αισθητήριας διάταξης για την ανάλυση βιοχημικών δειγμάτων. Η τελική διάταξη αποτελείται από τον επίπεδο κυματοδηγό ΜΖΙ, την πηγή φωτός ευρέως φάσματος, τον ανιχνευτή και την κατάλληλη μικρορρευστομηχανική διάταξη για την παροχέτευση του δείγματος. Η διάταξη ΜΖΙ που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε είναι λειτουργική σε ευρεία περιοχή του ορατού-εγγύς υπερύθρου φάσματος και είναι η πρώτη φορά που παρουσιάζεται η ιδέα της συμβολομετρίας ευρέως φάσματος (broad-band MZI, BB-MZI). Η χρήση ενός ευρυζωνικού φάσματος αυξάνει την ευαισθησία στην ανίχνευση καθώς κάθε μήκος κύματος «επηρεάζεται» στον αισθητήριο κλάδο παράγοντας μια αλλαγή φάσης. Η καταγραφή του σήματος συμβολής πραγματοποιήθηκε μέσω ενός μονολιθικά κατασκευασμένου ανιχνευτή (πλήρως ολοκληρωμένη εκδοχή) και μέσω ενός εξωτερικού φασματοφωτομέτρου (ημι-ολοκληρωμένη εκδοχή). Η πλήρως ολοκληρωμένη εκδοχή παρέχει το μέγιστο βαθμό ολοκλήρωσης, ενώ με την ημι-ολοκληρωμένη εκδοχή υπάρχει η δυνατότητα ταυτοποίησης ουσιών και μεγαλύτερης ευαισθησίας. Το πρώτο στάδιο της διατριβής περιλαμβάνει τη θεωρητική μελέτη λειτουργίας της διάταξης για τη διερεύνηση της διάδοσης του φωτός μέσα στον κυματοδηγό με τη χρήση ενός εμπορικού λογισμικού προσομοίωσης. Η υλοποίηση του BB-MZI πραγματοποιήθηκε διαμέσου της μονολιθικής ολοκλήρωσης της πηγής φωτός και του ανιχνευτή με τον επίπεδο κυματοδηγό. Το επόμενο στάδιο είναι η ανάπτυξη αισθητήρων για βιοχημικούς προσδιορισμούς. Για την ανίχνευση βιομορίων με τις συγκεκριμένες διατάξεις, αξιολογήθηκε η ακινητοποίησή τους στην επιφάνεια των αισθητήριων διατάξεων. Οι τεχνικές χαρακτηρισμού των επιφανειών που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι η συμβολομετρία ανάκλασης λευκού φωτός και η μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Το τελευταίο στάδιο είναι η εναπόθεση των βιοχημικών υλικών στον αισθητήριο κλάδο της διάταξης. Οι μεταβολές στην τιμή του φωτορεύματος καθώς και οι φασματικές αλλαγές που καταγράφηκαν με την εισαγωγή των βιοχημικών υλικών απέδειξαν την ικανότητα της κατασκευασθείσας διάταξης για την ανίχνευση των υπέρλεπτων εναποτιθέμενων στοιβάδων (ακινητοποίηση βιομορίων πολύ μικρής συγκέντρωσης).
