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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Nirton Cristi Silva Vieira
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2011
Supervisor
Committee
Guimaraes, Francisco Eduardo Gontijo (President)
Bianchi, Rodrigo Fernando
Mastelaro, Valmor Roberto
Mulato, Marcelo
Riul Júnior, Antonio
Title in Portuguese
Sensores e biossensores baseados em transistores de efeito de campo utilizando filmes automontados nanoestruturados
Keywords in Portuguese
Biossensor
Filmes automontados
Nanopartículas
SEGFET
Transistor de efeito de campo
Abstract in Portuguese
O transistor de efeito de campo de porta estendida e separada (SEGFET) é um dispositivo alternativo ao tradicional transistor de efeito de campo seletivo a íons (ISFET). A grande vantagem desse dispositivo se refere ao seu fácil processamento, ou seja, se restringe somente a manipulação do eletrodo de porta, evitando processos convencionais de microeletrônica. Neste sentido, sensores iônicos e biossensores podem ser facilmente implementados combinando materiais de reconhecimento químico e/ou biológico. Por sua vez, a técnica de fabricação de filmes finos camada por camada (layer-by-layer, LbL) se mostra versátil para manipulação de diversos tipos de materiais em nível molecular. Materiais orgânicos e inorgânicos podem ser automontados em substratos sólidos por meio da simples adsorção eletrostática formando compósitos com propriedades únicas com o objetivo de serem aplicados em sensores ou biossensores. Neste trabalho, o conceito de dispositivo SEGFET foi combinado com a técnica LbL por meio da manipulação de materiais orgânicos (polieletrólitos, dendrímeros e polianilina) e inorgânicos (TiO2 e V2O5) nanoparticulados a fim de se obter novos sensores de pH e biossensores para a detecção de glicose e uréia, dois importantes analitos de interesse clínico. Numa primeira etapa, diferentes filmes LbL foram produzidos, caracterizados e testados como camada sensível (porta estendida) em dispositivos SEGFETs. Todos os sistemas estudados se mostraram promissores como sensores de pH, ou seja, com uma sensibilidade próxima do valor teórico sugerido pela equação de Nernst (59,15 mV.pH-1). Esses resultados podem ser atribuídos à natureza anfotérica do material da última camada no filme LbL. Numa segunda etapa, as enzima glicose oxidase (GOx) e urease foram convenientemente imobilizadas nos filmes LbL. Pelo fato dessas enzimas gerarem ou consumirem prótons durante a catálise da reação, os filmes LbL modificados enzimaticamente foram utilizados em biossensores de glicose e uréia, apresentando eficiente detecção. Assim, a união de dispositivos SEGFET com a técnica de automontagem se mostrou promissora para construção de sensores e biossensores eficientes e de baixo custo.
Title in English
Sensors and biosensors based on field-effect transistors using nanostructured self-assembled films
Keywords in English
Biosensor
Field-effect transistor
Nanoparticles
SEGFET
Self-assembled films
Abstract in English
Separative extended gate field-effect transistor (SEGFET) device is an alternative to the conventional ion-sensitive field-effect transistor (ISFET). The great advantage of SEGFET refers to its easy processing, i.e., it is limited under only manipulation of the gate electrode, avoiding the conventional microelectronic processes. In this way, ion sensors and biosensors can be easily implemented combining chemical and/or biological recognition materials. In turn, the layer-by-layer (LbL) technique shows be versatile for handling various types of materials at molecular level. In this thesis, the concept of SEGFET device was combined with the LbL technique through the manipulation of organic (polyelectrolytes, dendrimers and poly (aniline)) and inorganic materials (TiO2 and V2O5 nanoparticles) in order to get new pH sensors and biosensors for the detection of glucose and urea, two important analytes of clinical interest. In a first step, different LbL films were produced, characterized and tested as the sensitive layer (extended gate) in SEGFETs devices. All studied systems were promissing as pH sensors, i.e., with a sensitivity close to the theoretical value suggested by Nernst equation (59.15 mV.pH-1). These results can be attributed to the amphoteric nature of the material in the last layer of the LbL films. In a second step, glucose oxidase (GOx) and urease enzymes were conveniently immobilized onto LbL films. Because these enzymes generate or consume protons during catalysis of the reaction, the enzymatically modified LbL films were used in biosensors for glucose and urea, with efficient detection. Thus, the union of SEGFET devices with the LbL technique is promising to building up efficient and low-cost sensors and biosensors.
 
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Publishing Date
2012-02-14
 
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