Analysis, implementation and validation of a Love mode surface acoustic wave device for its ...

270 Pages·2013·6.36 MB·English

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

UNIVERSITAT
UNIVERSITÉ

POLITÈCNICA
CATHOLIQUE

DE VALÈNCIA
DE LOUVAIN

ELECTRONIC ENGINEERING DDEEPPAARRTTMMEENNTT ((UUPPVV))/
INNSSTTIITTUUTTEE FFOORR IINNFFOORRMMAATTIIOONN AANNDD CCOOMMMMUUNNIICCAATTIIOONN
TTEECCHHNNOOLLOOGGIIEESS EELLEECCTTRROONNIISS AANNDD AAPPPPLLIIEEDD
MATHEMATICS, ELECTRICAL EENNGGIINNEEEERRIINNGG DDEEPPAARRTTMMEENNTT
(UCL)

PPhhDD TTHHEESSIISS

““AAnnaallyyssiiss,, iimmpplleemmeennttaattiioonn aanndd vvaalliiddaattiioonn ooff aa LLoovvee mmooddee ssuurrffaaccee
aaccoouussttiicc wwaavvee ddeevviiccee ffoorr iittss aapppplliiccaattiioonn aass sseennssoorr ooff bbiioollooggiiccaall
processes in liquid media”

BByy:: MMaarrííaa IIssaabbeell RRoocchhaa GGaassoo (UPV/UCL)
DDiirreecctteedd bbyy:: DDrr..YYoollaannddaa JJiimméénneezz JJiimméénneezz ((UUPPVV))
Dr. Laurent A. Francis (UCL)
September 2013
First Edition, 2013

© Maria Isabel Rocha Gaso

© of the present edition:
Editorial Universitat Politècnica de València
www.lalibreria.upv.es

ISBN: 978-84-9048-158-5 (printed version)
Publishing reference: 5671

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any other exploitation, for whatever reason, of this piece of work or any
part thereof, is strictly prohibited without the authors’ expressed and
written permission.
“The development of lab-on-chip devices is expected to dramatically change
the biochemical analysis.”[1]

Summary
In the last two decades, different acoustic technologies for biosensor
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 similar 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, it is
collected up-to-date information regarding the design aspects, operation
principles and modeling of such devices. 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. Furthermore, 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 a result, 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.

Keywords: Surface Acoustic Wave (SAW) devices, Love Wave/Mode
sensor, biosensor, immunosensor.

Resumen (Español)
En las últimas dos décadas, han surgido diferentes tecnologías acústicas
para aplicaciones biosensoras como alternativas a tecnologías de detección
bien establecidas –acústicas u ópticas– como son la Microbalanza de Cristal
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 condiciones similares entre
inmunosensores 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.

Palabras clave: Dispositivos de onda acústica superficial, sensores de onda
Love, biosensores, inmunosensores.