Transparent Nanostructured Metal Oxides for Chemical Biosensors: Towards Point-Of-Care Environments
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Transparent nanostructured metal oxides for chemical biosensors: towards point-of-care environments Raquel Pruna Morales ADVERTIMENT. La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del servei TDX (www.tdx.cat) i a través del Dipòsit Digital de la UB (diposit.ub.edu) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei TDX ni al Dipòsit Digital de la UB. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX o al Dipòsit Digital de la UB (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA. 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Transparent nanostructured metal oxides for chemical biosensors: towards point-of-care environments Autor: Director y tutor: Raquel Pruna Morales Dr. Manuel L´opez de Miguel Memoria presentada para optar al grado de doctor por la Universidad de Barcelona Programa de doctorado en Ingenier´ıay Ciencias Aplicadas Departamento de Ingenier´ıaElectr´onica y Biom´edica Facultad de F´ısica Universidad de Barcelona Barcelona, junio de 2019 “All you need is faith, trust and a little bit of pixie dust.” Peter Pan Acknowledgements En primer lugar no podr´ıa estar otro que el director, tutor y gran responsable de esta tesis, Manel L´opez: me enga˜n´oal empezar, sigui´oenga˜n´andome durante los a˜nos de m´aster y tesis y finalmente parece que hemos sacado algo de verdad. Muchas gracias por aguantarme, ayudarme y empujarme hasta llegar al final. Al resto del equipo, Fran Palacio y Fernando Arreza. Sin vosotros (y vuestra pa- ciencia), todo esto no hubiera sido posible. Part del temps que ha durat aquesta tesi l’he passat a l’ICMAB, aix´ıque gr`acies als professors Francesc Teixidor i Clara Vi˜nas (i equip) per obrir-me les portes de casa seva i tractar-me com a una m´es del grup. Val a dir que no tot el temps l’hem dedicat a treballar, ja ´es mala sort haver coincidit en una `epoca tan convulsa... (o no? Ho hem passat molt b´e!). Muchas gracias al mayor pecador de la pradera que he conocido, el profesor Abdel- hamid Errachid. Thanks as well to the rest of the ISA team; it was a pleasure to stay at Lyon those months. Special thanks to the jamoncito Abdel: all your knowledge, ideas and comments were also very helpful, and without them this work wouldn’t have been possible. You manage! Gracias al resto de compa˜neros de estos a˜nos, en especial a Mauri por su apoyo y ayuda, caf´es,charletas... A Angel´ Di´eguez, por prestarme su firma. A Oriol Monereo, por todas las horas de caf´esy tertulia, y por revisar este manuscrito. A todos los que de alg´un modo hab´eis contribuido a esta tesis o me hab´eis acompa˜nado estos a˜nos: Catalina, Juan Pablo, Miriam, M`onica Mart´ınez, Oriol Bl´azquez, Rom´en... Gracias a todos. A les nenes del Masnou, per ser-hi sempre i des de sempre. Manel Bosch, tu tamb´e hi ets des de (gaireb´e)sempre, bien qu’on ne se voie pas souvent... Por el apoyo incondicional a lo largo de los a˜nos quiero agradecer a mis padres, Jordi y Feli; a mi hermano, Aitor; als avis i tieta Eli; a todos los que est´an un poqu´ınm´as lejos, y a los que ya no est´an. A mi segunda familia, Montse y Jose. Gracias por tanto. A Urf, mi paz y mi equilibrio (a veces... otras veces me das la vida m´artir, salao ). Qu´ea˜nos te he dado con esto, ¿eh? Y ah´ıhas estado, haciendo de cada d´ıa una aventura, en todos los lugares donde hemos estado, siempre sonriendo. Y lo que queda. “T´utan s´olo ilum´ıname con tu presencia cada d´ıa”. v Contents Acknowledgements v Contents vii 1 Introduction 1 1.1 Motivation: towards a very early-stage detection using smart biosensors 1 1.1.1 Medical diagnosis along history: a brief overview . 1 1.1.2 Medical diagnosis today: the concept of biomarker and early de- tection................................. 4 1.1.3 Towards point-of-care assistance: biosensors and lab-on-a-chip . 5 1.1.4 New horizons in biosensing: environmental care and food analysis 7 1.2Aboutthiswork............................... 8 1.2.1 Hypothesisandobjectives...................... 8 1.2.2 Dissertationsummary........................ 9 1.2.2.1 Specificcontributions................... 11 1.2.3 Organisationofthethesis...................... 12 1.2.4 Listofpublications.......................... 13 2 Theoretical background 15 2.1 Part I: The sensing material. Indium tin oxide . 16 2.1.1 Propertiesofindiumtinoxide.................... 16 2.1.1.1 Physical and structural properties . 16 2.1.1.2 Chemicalproperties.................... 20 2.1.2 Commonpreparationmethods................... 21 2.1.2.1 Chemical vapour deposition (CVD) . 22 2.1.2.2 Spraypyrolysis....................... 22 2.1.2.3 Sputtering......................... 22 2.1.2.4 Atomiclayerdeposition(ALD).............. 23 2.1.2.5 Electron beam (vacuum) evaporation . 23 2.1.2.6 Others........................... 23 2.1.3 ITO nanowire growth by vapour-liquid-solid (VLS) mechanisms . 25 2.1.3.1 TheVLSmethod..................... 25 2.1.3.2 The self-catalyzed VLS method . 26 2.1.4 ApplicationsofITOfilms...................... 26 2.2 Part II: The methodology. Electrochemistry . 30 2.2.1 Variables affecting the rate of electrode reactions . 31 2.2.1.1 Masstransfer........................ 31 2.2.1.2 External variables: thermodynamics of electrochemical cells............................. 31 2.2.1.3 Electricalvariables..................... 33 2.2.1.3.1Voltagestep..................... 34 2.2.1.3.2Voltagesweep.................... 34 vii Contents viii 2.2.1.4 Electrode and solution variables . 35 2.2.2 Kinetics of electrode reactions. Processes occurring at the electrode-solutioninterface..................... 37 2.2.2.1 Preliminary considerations . 37 2.2.2.2 The Butler-Volmer model of electrode kinetics: one-step, one-electronprocesses................... 39 2.2.3 Mott-Schottky analysis of the semiconductor electrode . 40 2.2.4 Electrochemical techniques and potentiostatic configurations . 42 2.2.4.1 Potentiometry....................... 43 2.2.4.2 Linearsweepvoltammetry................ 43 2.2.4.3 Electrochemical impedance spectroscopy . 44 2.3PartIII:Theapplication.Biosensors.................... 47 2.3.1 Classification of biosensors and state-of-the-art . 48 2.3.1.1 Bioreceptor and transducer-wise classifications of biosen- sors............................. 48 2.3.1.2 ITO-based biosensors: the state-of-the-art . 52 2.3.2 Strategies for surface modification and detection of species . 53 2.3.2.1 Crosslinkers for electrode derivatization . 53 2.3.2.1.1Silanecouplingagents............... 53 2.3.2.1.2 Diazonium salt electroaddressing (grafting reac- tions)........................ 57 2.3.2.1.3 Thiolation of surfaces . 58 2.3.2.2 Transductionmechanisms................. 58 2.3.2.2.1Impedance..................... 59 2.3.2.2.2Current....................... 61 2.3.3 Assaysofinterestusedinthiswork................. 63 2.3.3.1 Bovineserumalbumine.................. 63 2.3.3.2 Biotin–streptavidin.................... 63 2.3.3.2.1 Biotinylation and signal amplification . 65 2.3.3.3 Tumour necrosis factor α ................. 66 3 Study of the viability of nanostructured ITO as electrode for electro- chemistry 67 3.1 Thin film versus nanostructured indium tin oxide . 67 3.1.1 Article I: Electrochemical characterization of organosilane - func- tionalized nanostructured ITO surfaces ............... 69 3.2 Nanostructuration of ITO by electron beam evaporation . 77 3.2.1 Influence of substrate temperature and study of the electrical dou- blelayer................................ 77 3.2.1.1 Article II: Tuning the deposition parameters for optimiz- ing the faradaic and non-faradaic electrochemical perfor- mance of nanowire array-shaped ITO electrodes prepared by electron beam evaporation ..............