Monitoring abnormal Immunoglobulin G (IgG) levels, which can indicate past or ongoing infections as well as autoimmune disorders, is essential for ensuring effective therapeutic interventions and managing these conditions optimally. Various approaches, including transistor-based biosensors, have been developed to achieve fast, cost-effective, continuous, and non-invasive IgG measurements. Electrolyte-gated Field-Effect transistors (EGFETs), characterized by low operation voltage, ultra-low detection limits, and compatibility with biological samples, are particularly promising for point-of-care diagnostics due to their economical large-scale manufacturing processes. EGFET’s working principle relies on the capacitive coupling between the gate/electrolyte and the electrolyte/semiconductor interface. For most biosensing applications, the gate electrode (mostly made of gold) is generally immobilized with a specific biorecognition layer such as an antibody (Anti-IgG) that can bind with the target analyte (IgG). The affinity binding of antibodies and antigens at the gate electrode of EGFETs leads to a modification of the work function, resulting in a measurable shift in the electrical characteristics of the device. This shift serves as the basis for the biosensing mechanism of EGFETs, enabling the detection of target analytes with high sensitivity and specificity. The stability and reliability of EGFET-based biosensors however largely depend on the stability and the quality of the biorecognition layer at the gate electrode interface. To this end, this thesis is dedicated to the study of the interaction of biomolecules at the gate electrode/electrolyte interface. We employed the Surface Plasmon Resonance (SPR) which is a reliable approach in biosensing technology and can be used to study the detection of a wide range of biological targets. In this project, we carried out a comparative study on the different ways to immobilize the capturing layer which is the Anti-IgG via physisorption versus chemical bonding by Self Assembled Monolayer. Subsequently, we chose physisorption as the biofunctionalization protocol to investigate IgG sensing using electrolyte-gated transistors with floating gates (FG-EGFETs). The results obtained from this investigation demonstrate the feasibility of using a simple and cost-effective strategy such as physisorption for the immobilization of the capturing layer.
Il monitoraggio dei livelli anormali di Immunoglobulina G (IgG), che possono indicare infezioni passate o in corso oltre che disturbi autoimmuni, è essenziale per garantire interventi terapeutici efficaci e gestire ottimalmente queste condizioni. Sono state sviluppate varie approcci, inclusi i biosensori basati su transistor, per ottenere misurazioni rapide, economiche, continue e non invasive di IgG. I transistor a effetto di campo con elettrolita (EGFET), caratterizzati da bassa tensione di funzionamento, limiti di rilevamento ultra-bassi e compatibilità con campioni biologici, sono particolarmente promettenti per la diagnostica sul punto di cura grazie ai loro processi di produzione su larga scala economici. Il principio di funzionamento degli EGFET si basa sul accoppiamento capacitivo tra il gate/elettrolita e l'elettrolita/interfaccia semiconduttore. Per la maggior parte delle applicazioni di biosensing, l'elettrodo di gate (per lo più realizzato in oro) è generalmente immobilizzato con uno strato di biorecognizione specifico come un anticorpo (Anti-IgG) che può legarsi con l'analita bersaglio (IgG). Il legame di affinità degli anticorpi e degli antigeni presso l'elettrodo di gate degli EGFET porta a una modifica del lavoro di funzione, con conseguente variazione misurabile delle caratteristiche elettriche del dispositivo. Questa variazione serve da base per il meccanismo di biosensing degli EGFET, consentendo la rilevazione degli analiti bersaglio con elevata sensibilità e specificità. La stabilità e l'affidabilità dei biosensori basati su EGFET dipendono tuttavia principalmente dalla stabilità e dalla qualità dello strato di biorecognizione all'interfaccia dell'elettrodo di gate. A questo scopo, questa tesi è dedicata allo studio dell'interazione delle biomolecole all'interfaccia elettrodo di gate/elettrolita. Abbiamo impiegato la Risonanza Plasmonica di Superficie (SPR), che è un approccio affidabile nella tecnologia dei biosensori e può essere utilizzata per studiare la rilevazione di una vasta gamma di bersagli biologici. In questo progetto, abbiamo effettuato uno studio comparativo sui diversi modi per immobilizzare lo strato di cattura, che è l'Anti-IgG tramite fisisorbimento versus legame chimico tramite Monocristalli Autoassemblati. Successivamente, abbiamo scelto il fisisorbimento come protocollo di biofunzionalizzazione per indagare la rilevazione di IgG utilizzando transistor ad effetto di campo elettrolitico con gate galleggiante (FG-EGFET). I risultati ottenuti da questa indagine dimostrano la fattibilità dell'utilizzo di una strategia semplice ed economica come il fisisorbimento per l'immobilizzazione dello strato di cattura.
Immunoglobulin G sensor utilizing printed carbon based electrolyte-gated field effect transistor with floating gates
Etehadi, Fatemeh
2022/2023
Abstract
Monitoring abnormal Immunoglobulin G (IgG) levels, which can indicate past or ongoing infections as well as autoimmune disorders, is essential for ensuring effective therapeutic interventions and managing these conditions optimally. Various approaches, including transistor-based biosensors, have been developed to achieve fast, cost-effective, continuous, and non-invasive IgG measurements. Electrolyte-gated Field-Effect transistors (EGFETs), characterized by low operation voltage, ultra-low detection limits, and compatibility with biological samples, are particularly promising for point-of-care diagnostics due to their economical large-scale manufacturing processes. EGFET’s working principle relies on the capacitive coupling between the gate/electrolyte and the electrolyte/semiconductor interface. For most biosensing applications, the gate electrode (mostly made of gold) is generally immobilized with a specific biorecognition layer such as an antibody (Anti-IgG) that can bind with the target analyte (IgG). The affinity binding of antibodies and antigens at the gate electrode of EGFETs leads to a modification of the work function, resulting in a measurable shift in the electrical characteristics of the device. This shift serves as the basis for the biosensing mechanism of EGFETs, enabling the detection of target analytes with high sensitivity and specificity. The stability and reliability of EGFET-based biosensors however largely depend on the stability and the quality of the biorecognition layer at the gate electrode interface. To this end, this thesis is dedicated to the study of the interaction of biomolecules at the gate electrode/electrolyte interface. We employed the Surface Plasmon Resonance (SPR) which is a reliable approach in biosensing technology and can be used to study the detection of a wide range of biological targets. In this project, we carried out a comparative study on the different ways to immobilize the capturing layer which is the Anti-IgG via physisorption versus chemical bonding by Self Assembled Monolayer. Subsequently, we chose physisorption as the biofunctionalization protocol to investigate IgG sensing using electrolyte-gated transistors with floating gates (FG-EGFETs). The results obtained from this investigation demonstrate the feasibility of using a simple and cost-effective strategy such as physisorption for the immobilization of the capturing layer.File | Dimensione | Formato | |
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