Surface Functionalization for Electrical Detection of DNA

The rapid expansion of the biosensor market, particularly for DNA-based sensors, has driven significant advancements in developing platforms capable of highly specific and sensitive genetic material detection. This thesis focuses on the surface functionalization of silicon dioxide (SiO2) using glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOPS) to create a stable interface for the subsequent grafting of oligonucleotides. Surface functionalization was performed using two silanization methods: Liquid Phase Deposition (LPD) and Vapor Phase Deposition (VPD). Characterization revealed that VPD outperformed LPD in terms of silane density, homogeneity, and functional group orientation. Contact angle measurements indicated higher values for VPD, suggesting a more effective silanization process. Among the solvents tested for LPD, toluene yielded the best results, achieving contact angles comparable to VPD. Both Atomic Force Microscopy (AFM) and Timeof-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS) analyses confirmed successful silanization, with VPD demonstrating superior performance. For DNA grafting, optimal conditions were identified by adjusting process parameters and pH. Fluorescence measurements validated successful oligonucleotide attachment. These results indicate that GOPS-functionalized SiO2 surfaces are suitable for oligonucleotide grafting, paving the way for the development of a Solid-Phase Polymerase Chain Reaction (SP-PCR) sensor with potential applications in clinical diagnostics and environmental monitoring.

La rapida espansione del mercato dei biosensori, in particolare per i sensori basati sul DNA, ha guidato significativi progressi nello sviluppo di piattaforme capaci di rilevare materiale genetico con alta specificità e sensibilità. Questa tesi si concentra sulla funzionalizzazione superficiale del biossido di silicio (SiO2) utilizzando il glicidiossipropiltrimetossisilano (GOPS) per creare un’interfaccia stabile per il successivo innesto di oligonucleotidi. La funzionalizzazione superficiale è stata eseguita utilizzando due metodi di silanizzazione: deposizione in fase liquida (LPD) e deposizione in fase vapore (VPD). La caratterizzazione ha rivelato che la VPD ha superato la LPD in termini di densità del silano, omogeneità e orientamento dei gruppi funzionali. Le misurazioni dell’angolo di contatto hanno indicato valori più alti per la VPD rispetto alla LPD, suggerendo un processo di silanizzazione più efficace. Tra i solventi testati per la LPD, il toluene ha dato i migliori risultati, raggiungendo angoli di contatto comparabili a quelli della VPD. Sia la Microscopia a Forza Atomica (AFM) che la Spettrometria di Massa a Tempo di Volo con Ioni Secondari (TOF-SIMS) hanno confermato la riuscita della silanizzazione, con la VPD che ha dimostrato una densità e omogeneità del silano superiori, oltre a un profilo chimico più favorevole dei frammenti ionici superficiali. Per l’innesto del DNA, sono state testate varie miscele e le condizioni ottimali sono state identificate regolando i parametri del processo e il pH della miscela di DNA. Le misurazioni della fluorescenza hanno confermato il successo dell’attacco degli oligonucleotidi. Questi risultati indicano che le superfici di SiO2 funzionalizzate con GOPS sono altamente efficaci per l’innesto di oligonucleotidi, aprendo la strada allo sviluppo di un sensore per la Reazione a Catena della Polimerasi in Fase Solida (SP-PCR) con potenziali applicazioni nella diagnostica clinica e nel monitoraggio ambientale, offrendo una sensibilità e specificità migliorate nel rilevamento del materiale genetico.