Η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των βιομοριακών αλληλεπιδράσεων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διότι παρέχει άμεσα πληροφορία σχετικά με την κινητική πρόσδεσης και τις σταθερές ισορροπίας. Σε αυτή την αναφορά, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία η οποία βασίζεται στη Φασματοσκοπία Ανάκλασης Λευκού Φωτός και ενδείκνυται για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των βιομοριακών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε στερεά υποστρώματα. Η οπτική διάταξη αποτελείται από μια VIS–NIR οπτική πηγή η οποία επικοινωνεί μέσω οπτικής ίνας με φασματοφωτόμετρο συνδεδεμένο σε Η/Υ. Το εξωτερικό τμήμα της οπτικής ίνας κατευθύνει το φως κάθετα πάνω στην επιφάνεια όπου συμβαίνουν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βιιομορίων. Το ανακλώμενο φως συγκεντρώνεται από το εσωτερικό τμήμα της οπτικής ίνας και κατευθύνεται στο φασματοφωτόμετρο. Οι αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα σε επιφάνεια διοξειδίου του πυριτίου επικαλυμμένη με πολυμερικό υμένιο. Μια αντλία χρησιμοποιείται για την παροχή των αντιδραστηρίων με ελεγχόμενο ρυθμό σε ένα μικρορρευστομηχανικό κανάλι. Το φάσμα της ανάκλασης καταγράφεται σε πραγματικό χρόνο. Οι αντιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνικών μορίων γίνονται αντιληπτές σαν μετατοπίσεις του μήκους κύματος εκεί που παρατηρείται το φαινόμενο της ενισχυτικής συμβολής. Οι μετατοπίσεις αυτές στο μήκος κύματος συμβαίνουν λόγω του σχηματισμού πρωτεϊνικού στρώματος είτε κατά τη διάρκεια της προσρόφησης των αντισωμάτων στο στερεό υπόστρωμα ή λόγω αλλαγής στο πάχος του πρωτεϊνικού στρώματος όταν τα συμπληρωματικά αντιγόνα δεσμεύονται από τα ήδη ακινητοποιημένα αντισώματα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, χωρίς τη χρήση ιχνηθέτη της αντίδρασης μεταξύ των συμπληρωματικών μορίων βιοτίνης-στρεπταβιδίνης όπως επίσης και για την ανίχνευση της πρόσδεσης των αντιγόνων mouse IgG από ήδη ακινητοποιημένα αντισώματα anti-mouse IgG. Mouse IgG σε συγκεντρώσεις μικρότερες των 150 pM ανιχνεύτηκαν σε πολύ μικρούς χρόνους αντίδρασης (10 min). Ο οπτικός αισθητήρας είναι μια απλή, γρήγορη, χαμηλού κόστους διάταξη για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των βιομοριακών αλληλεπιδράσεων που τον καθιστά κατάλληλο για διάφορες αναλυτικές εφαρμογές. / Label-free monitoring of biomolecular reactions in real-time is of great interest since it can provide direct results concerning binding kinetics and equilibrium constants. In this report, a method based on White Light Reflectance Spectroscopy (WLRS) is presented that is capable for real-time monitoring of biomolecular reactions taking place on a solid surface. The optical setup consists of a VIS–NIR light source connected through a bifurcated optical fiber to a PC-driven spectrophotometer. The outer part of the optical fibre guides the light vertically onto the surface where the biomolecular reactions occur. The reflected light is collected from the central part of the optical fibre and is directed to the spectrophotometer. The reactions take place on the top of a polymer covered silicon dioxide surface. A microfluidic module in combination with a micropump is used to supply the reagents in an adjustable rate. The reflectance signal is recorded in real-time. The biomolecular interactions are monitored as shifts of the wavelength where constructive interference is observed. These wavelength shifts correspond to biomolecular film thickness changes during either the adsorption of biomolecules onto the substrate or during biomolecule’s reaction with the immobilized counterpart molecules. The proposed methodology has been applied for real-time and label-free monitoring of streptavidin binding to surface-immobilised biotinylated protein as well as of mouse IgG onto immobilized anti-mouse IgG antibody. Mouse IgG at concentrations less than 150 pM were detected in short reaction times (10 min). The proposed reflectance spectroscopy sensor provides a simple, fast, low cost approach for label-free monitoring of biomolecular interactions thus making the developed sensor suitable for various analytical applications.

Σε αυτήν την εργασία περιγράφεται αναλυτικά ένα κύκλωμα ανάγνωσης για ηλεκτροχημικό βιοαισθητήρα, καθώς και η κατάλληλη τροποποίησή του ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σύστημα χωρητικού βιοαισθητήρα. Βασικός στόχος και στις δύο περιπτώσεις είναι η συμβατότητα των κυκλωμάτων με πλήρως ολοκληρωμένα βιοχημικά μικροσυστήματα, με έμφαση στη μικρή επιφάνεια ολοκλήρωσης και τη χαμηλή κατανάλωση. Κεντρικό στοιχείο των δύο υλοποιήσεων αποτελεί ο χωρητικός ενισχυτής διαντίστασης ο οποίος αναλαμβάνει το ρόλο της μετατροπής της χρήσιμης πληροφορίας, που είναι ένα ρεύμα, σε μία τάση. Αυτή η τάση στη συνέχεια μπορεί να δοθεί για ψηφιακή επεξεργασία, αφού περάσει από έναν ADC . Τα δύο κυκλώματα σχεδιάσθηκαν σε τεχνολογία CMOS της TSMC των 90nm και εμφάνισαν στις εξομοιώσεις ικανοποιητικά χαμηλό θόρυβο. Το κύκλωμα του ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα παρουσίασε καλή γραμμικότητα για ρεύματα από 10nA έως 10uA, ενώ το αντίστοιχο του χωρητικού βιοαισθητήρα είναι δυνατό να μετρήσει χωρητικότητες με μέγιστη απόκλιση 3%. / This paper presents a readout circuit for electrochemical biosensors and the appropriate modification of the circuit to make it compatible with capacitive biosensors. The main goal is to ensure compatibility of the circuits with fully integrated biochemical microsystems and therefore emphasis is placed on achieving small area and low consumption. The fundamental part of the circuits is a Capacitive Transimpedance Amplifier that is responsible for converting the current signal to a voltage. That voltage can then be passed forward to digital processing with the use of an ADC. Both circuits were designed using 90nm TSMC CMOS technology and showed low noise in simulations. The electrochemical biosensor readout circuit achieves good linearity in a range of 10nA to 10uA, while the capacitive biosensor readout circuit is capable of measuring capacitances with a 3% error.

Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη ενός ZigBee ασύρματου δικτύου βιοαισθητήρων και η δυνατότητα διασύνδεσης του με μεγαλύτερα δίκτυα όπως το Ίντερνετ. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στην χρησιμοποίηση δικτύων τηλεϊατρικής, στη σπουδαιότητά τους για τον άνθρωπο καθώς και σε ολοκληρωμένες λύσεις που έχουν προταθεί. Έπειτα παρουσιάζονται και περιγράφονται βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται σε ένα WBAN όπως και η λειτουργία τους. Στη συνέχεια γίνεται εκτεταμένη ανάλυση όλων των επιπέδων του πρωτοκόλλου Zigbee/802.15.4 στοχεύοντας πιο συγκεκριμένα στη ζώνη μετάδοσης των 2,4 GHz και το πως αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί κρατώντας υψηλό το QOS , απαραίτητη προϋπόθεση ενός δικτύου τηλεϊατρικής . Τέλος μελετώνται οι πιθανοί τρόποι διασύνδεσης δικτύων αισθητήρων και γίνεται προσομοίωση ενός TCP/IP δικτύου στο οποίο καταλήγουν τα δεδομένα τα οποία συγκεντρώνονται από μια σειρά αισθητήρων με σκοπό τη μελέτη της δυνατότητας χρήσης ενός τέτοιου συστήματος. / Subject of this diploma work is to study a ZigBee wireless biosensor network and connectivity with other networks like the internet. Initially is made a reference to the use of telemedicine networks, the importance for man as well as integrated solutions that have been proposed. Then there are presented and described biosensors used in a WBAN as their function. Then is made an analysis of all levels of the protocol Zigbee/802.15.4 targeting the particular zone of 2,4 GHz and how it can be used while holding a high QOS. Finally are examined possible ways of interconnecting networks of sensors and is made a simulation of a TCP / IP where the collected data from the sensors end.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η εξαγωγή πληροφορίας για τη βιοχημική αντίδραση που συμβαίνει στην επιφάνεια ενός βιοαισθητήρα μέσω της ανάλυσης του φάσματος της ηλεκτρικής ποσότητας εξόδου. Αυτό γίνεται με τη διάσπαση του τελευταίου στα βασικά του συστατικά, ήτοι τη ΦΠΙ (Φασματική Πυκνότητα Ισχύος) της στοχαστικής διαδικασίας που λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια –και την οποία θα αντιμετωπίσουμε ως διαταραχή- και τον ενδογενή θόρυβο της συσκευής. Αρχικά γίνεται μια παρουσίαση της βασικής αρχής λειτουργίας των βιοαισθητήρων και διαμορφώνεται ένα μοντέλο που συνδέει την αντίδραση με το ρεύμα εξόδου του αισθητήρα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται δύο βασικά είδη διαταραχών (RTS και 1/f θόρυβος), η σύνδεσή τους με την περίπτωσή μας καθώς και προκύπτοντα πρακτικά ζητήματα. Έπειτα παρουσιάζεται ένα μακροσκοπικό μοντέλο της αντίδρασης από τη βιοχημεία και διαμορφώνεται ένα μικροσκοπικό μοντέλο από τη σκοπιά της στοχαστικής διαδικασίας μέσω του οποίου εξάγεται και η ΦΠΙ των βιοχημικών διαταραχών. Η τελευταία συγκρίνεται με την παρατηρούμενη στη βιβλιογραφία και με τη χρήση εργαλείων που ερμηνεύουν διαταραχές γίνεται μια προσπάθεια ερμηνείας . Τέλος, υλοποιούμε, προσομοιώνουμε και αξιολογούμε έναν εκτιμητή που ανιχνεύει είδη και ποσότητες αναλυτών αναλύοντας την απόκριση του αισθητήρα και εκμεταλλευόμενος το μοντέλο που έχει παρουσιαστεί. / The goal of this diploma thesis is to infer data about the biochemical reaction taking place on the surface of a biosensor through analyzing the spectrum of the electrical output quantity. This is achieved through decomposing the aforementioned spectrum to its constituents, namely the PSD (Power Spectral Density) of the stochastic process that takes place on the sensor surface (treated as a fluctuation) and the inherent device noise. We initially describe the basic principles by which biosensors operate and we formulate a model that relates reaction quantities to the sensor output current. Two basic kinds of fluctuations (namely RTS and 1/f noise) are then presented and related to our case. Some practical aspects are addressed as well. A macroscopic model of the reaction which is commonly used in biochemistry is then described. Moreover, we describe a microscopic model of the reaction treating it as a stochastic process and we subsequently obtain the PSD of the biochemical fluctuations. The aforementioned PSD is then compared to PSDs extracted from experimental data and an attempt is made to interpret the latter using fluctuation analysis concepts. Finally, we develop, simulate and evaluate an estimator which detects analyte species as well as analyte concentrations through processing of the biosensor response and making use of our model.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση τριών διαφορετικών ειδών λεπτών υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με σκοπό την ανάπτυξη και σύγκριση αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Το πρώτο είδος των λεπτών υμενίων TiO2 είναι από την εμπορική πάστα της Dyesol η οποία παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol-gel, το δεύτερο είδος είναι από μία πάστα δικής μας παραγωγής με τη μέθοδο sol-gel και το τρίτο είδος είναι από μία πάστα που παρασκευάσαμε χρησιμοποιώντας την έτοιμη νανοδομημένη σκόνη TiO2, Degussa P – 25. Τα υμένια TiO2 που έχουν παρασκευαστεί από την εμπορική πάστα της Dyesol χρησιμοποιήθηκαν και για τη δημιουργία υβριδικού υποστρώματος με νανοσωματίδια Αργύρου το οποίο μπορεί να βρει εφαρμογή τόσο στη φωτοκατάλυση όσο και στην ανάπτυξη πιο ευαίσθητων αμπερομετρικών βιοαισθητήρων. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (στη συγκεκριμένη περίπτωση, υμένια TiO2) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι’ αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Στη συνέχεια περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύονται οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου και οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Επίσης γίνεται περιγραφή του φαινομένου της φωτοκατάλυσης, ενώ αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του TiO2 για την εφαρμογή αυτή. Στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου γίνεται αναφορά και στα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και στους λόγους που βοηθούν στην αύξηση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του TiO2. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων TiO2 όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c και των νανοσωματιδίων αργύρου πάνω σε αυτά. Περιγράφεται επίσης, η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και οι τεχνικές της κυκλικής βολταμμετρίας και της φασματοηλεκτροχημείας που επιλέχθηκαν για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη, των υμενίων TiO2 με ακινητοποιημένα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και για την ανάπτυξη των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο H2O2. Τέλος, περιγράφεται η σύνθεση των τριών διαφορετικών παστών TiO2, η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου και κατόπιν, ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. / In this report 3 different types of TiO2 films were used as solid substrates for the immobilization of proteins in order to be used for the development and evaluation of amperometric biosensors for hydrogen peroxide (H2O2). The first type of thin TiO2 films were made using a Dyesol sol gel commercial TiO2 paste, the second type was produced from a TiO2 paste produced in our lab following a standard sol-gel procedure and the third type of films were produced from a paste prepared using Degusa P25 TiO2 powder. In addition, the thin TiO2 films produced from the Dyesol paste were modified with Ag nanoparticles in order to examine their electrochemical behavior which could lead to enhanced photcatalytic and/or biosensing performance. In the first chapter, a general decription of the different types of biosensors developed so far is presented and emphasis is given to their function and applications. In order to develop a successful biosensor, the choice of the material to be used as the solid substrate is very important as well as the type of the biomolecule used as the recognition element. The sensitivity and response of the biosensor is greatly enhanced by the method used to immobilize the biomolecule on the solid support in a stable and functional way. Therefore in this work both the material, TiO2 films, and the biomolecule of choice, Cytochrome-c, are presented in detail and in particular their physicochemical properties, their functions and applications. Moreover the different methods that have been used for the successful immobilization of biomolecules on solid surfaces are well documented. Furthermore, the photocatalytic properties of the TiO2 films are discussed and how they are enhanced by the deposition of silver nanoparticles on their surfaces that could also lead to the development of more sensitive and accurate amperometric biosensors. In the second chapter, the experimental techniques and procedures used for the characterization of the resulting TiO2 films and for the adsorption process of protein and/or silver nanoparticles on their surfaces are well presented. Furthermore, details are given of the electrochemical techniques (cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry) used to evaluate the electrochemical performance of the resulting films with or without protein or silver nanoparticles. A detailed description of the 3 electrode electrochemical used to perform these experiments is also presented. Finally emphasis is given to the procedures used for the development of the electrochemical biosensors for H2O2. Finally, a description of the procedures used for the synthesis of the 3 different TiO2 pastes and of the method used for the production of thin TiO2 films on conducting glass is given followed by the presentation, analysis and discussion of the data collected.

Τα συστήματα μοριακής διαγνωστικής έχουν έρθει στο προσκήνιο τα τελευταία χρόνια δίνοντας τη δυνατότητα για αυτοματοποιημένες, αξιόπιστες, γρήγορες και χαμηλού κόστους βιολογικές αναλύσεις. Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται από σύνθετη λειτουργικότητα, η οποία συνδυάζει πληθώρα ενεργοποιητών και αισθητήρων που συνεργάζονται για την εκτέλεση βιολογικών πρωτοκόλλων. Με βάση τα πρωτόκολλα αυτά και με τη χρήση μικροροϊκών συστημάτων, τα βιολογικά δείγματα και αντιδραστήρια υποβάλλονται σε διάφορα στάδια επεξεργασίας. Κατόπιν της επεξεργασίας τους, τα δείγματα υπό μελέτη καταλήγουν πάνω στην επιφάνεια αισθητήρων, οι οποίοι είναι ειδικά ευαισθητοποιημένοι ώστε να ανιχνεύουν συγκεκριμένες βιολογικές αλληλεπιδράσεις ενδιαφέροντος και να αποκρίνονται μεταβάλλοντας αναλόγως ένα φυσικό μέγεθος, μετρήσιμο από ηλεκτρονικά κυκλώματα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ανάγνωσης των αισθητήρων αποτελούν ένα από τα κυριότερα τμήματα ενός συστήματος μοριακής διαγνωστικής, καθώς βάσει της απόκρισης αυτών προκύπτουν τα διαγνωστικά αποτελέσματα. Κατά συνέπεια, αναγνωρίζεται ο σημαντικός ρόλος που κατέχουν στη συνολική αναλυτική διαδικασία. Είναι απαραίτητο οι μετρήσεις που εκτελούν να χαρακτηρίζονται από μεγάλη ακρίβεια με υψηλή διακριτική ικανότητα για κάθε αισθητήριο στοιχείο. Ταυτόχρονα όμως, πρέπει να εξασφαλίζεται και η αξιοπιστία της μέτρησης σε επίπεδο βιολογικής διεργασίας. Σε αυτό το στόχο συντελεί η χρήση συστοιχιών αισθητήρων, με τις οποίες η ίδια μέτρηση μπορεί να εκτελεστεί παράλληλα σε πολλά στοιχεία και συνοδεύεται από μετρήσεις θετικού και αρνητικού ελέγχου. Πάνω στη συστοιχία μπορούν να εκτελεστούν και συμπληρωματικές μετρήσεις περισσότερων δειγμάτων, ώστε τα αποτελέσματα που εξάγονται να δίνουν μια πιο ολοκληρωμένη αναλυτική εικόνα. Υπό αυτό το πρίσμα, οι μεγάλου μεγέθους συστοιχίες αισθητήρων μπορούν να προσφέρουν βέλτιστα αποτελέσματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στα κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών χωρητικών και ηλεκτροχημικών αισθητήρων, δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων τεχνολογιών αισθητήρων. Η αρχή λειτουργίας των χωρητικών αισθητήρων βασίζεται στο γεγονός ότι οι αλληλεπιδράσεις βιομορίων που μελετούνται ασκούν δυνάμεις και παραμορφώνουν την ευέλικτη μεμβράνη πυριτίου που αποτελεί τον έναν οπλισμό ενός μεταβλητού πυκνωτή. Συνέπεια αυτής της παραμόρφωσης είναι η ανάλογη μεταβολή της χωρητικότητας που παρουσιάζει η μεμβράνη με το υπόστρωμα πυριτίου, μεταβολή που μετράται από το κύκλωμα. Στην περίπτωση των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, η αντίστοιχη αλληλεπίδραση βιομορίων, με τη βοήθεια βιομορίων σήμανσης, προκαλεί τη μεταβολή της αγωγιμότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων τους. Υπό ελεγχόμενες συνθήκες πόλωσης τάσης, το αναπτυσσόμενο ρεύμα που μετράται αντιστοιχεί στην εξέλιξη του βιολογικού φαινομένου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις δυνατότητες κλιμάκωσης της εκάστοτε αρχιτεκτονικής ώστε να είναι επεκτάσιμη στην ανάγνωση πολύ μεγάλων συστοιχιών αισθητήρων με βέλτιστο τρόπο, διατηρώντας μικρές διαστάσεις για τα κυκλώματα ανάγνωσης. Συγχρόνως, εξασφαλίζεται με διάφορες στρατηγικές η ορθή λήψη μετρήσεων από κάθε στοιχείο, χωρίς την επίδραση από τα υπόλοιπα μέλη της συστοιχίας. Για την ανάγνωση συστοιχιών χωρητικών αισθητήρων σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα σε τεχνολογία 0.35 μm, που στον πυρήνα της μέτρησης διαθέτει έναν ταλαντωτή χαλάρωσης με βρόχο υστέρησης ρεύματος. Υποστηρίζεται από προγραμματιζόμενες πηγές ρεύματος διέγερσης ώστε να καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα χωρητικοτήτων για τους αισθητήρες. Το σύστημα πολύπλεξης που αναπτύχθηκε για τη διασύνδεση κάθε μέλους από τις συστοιχίες αισθητήρων πάνω στον πυρήνα ανάγνωσης μπορεί να διαχειριστεί πεπλεγμένες συστοιχίες, όπου τα στοιχεία είναι οργανωμένα με κοινές γραμμές και στήλες ηλεκτρικών επαφών στους οπλισμούς τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η δημιουργία μεγάλων συστοιχιών με μικρό πλήθος ακροδεκτών διασύνδεσης. Η πρόκληση της ανάγνωσης τέτοιου είδους συστοιχιών έγκειται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων, λόγω ανεπιθύμητων μονοπατιών στο ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή. Μία πρώτη αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος διαφωνίας γίνεται με τη χρήση διακοπτών δύο καταστάσεων στις μονάδες πολύπλεξης, ώστε να ελέγχεται ο τρόπος με τον οποίο διεγείρεται το μετρούμενο καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία κατά τη μέτρηση. Με διαδοχικές μετρήσεις υπό διαφορετικές συνδεσμολογίες στους πολυπλέκτες και με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία, μπορούν να εξαχθούν ακριβείς μετρήσεις για την κατάσταση κάθε αισθητήρα της συστοιχίας. Η στατικότητα του συστήματος κατά τη διάρκεια των διαδοχικών μετρήσεων που είναι προϋπόθεση για το σωστό υπολογισμό των αποτελεσμάτων, βασίζεται στην ιδιαίτερα αργή εξέλιξη των βιολογικών φαινομένων στην επιφάνεια των αισθητήρων. Στα πλαίσια της διατριβής έγινε και ένας επανασχεδιασμός του κυκλώματος ανάγνωσης συστοιχιών, σε επίπεδο σχηματικού και φυσικού σχεδιασμού, του οποίου η λειτουργία επιβεβαιώθηκε με post-layout εξομοιώσεις. Σε αυτή την ανάπτυξη έγινε προσθήκη επιπλέον υπομονάδων και η βελτίωση των υπαρχουσών. Από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού του σχεδιασμού είναι μια μονάδα απομονωτή, που προσφέρει έναν δεύτερο τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος διαφωνίας μεταξύ των στοιχείων, αποτρέποντας το ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή να οδηγηθεί προς μη επιθυμητά στοιχεία. Επιπλέον, οι μονάδες ταλάντωσης που χρησιμοποιεί το επανασχεδιασμένο κύκλωμα είναι δύο, για ταυτόχρονη ανάγνωση αισθητήρων και ταχύτερη σάρωση μεγάλων συστοιχιών, με το εύρος του προγραμματιζόμενου ρεύματος να είναι μεγαλύτερο, καλύπτοντας μεγαλύτερο φάσμα αισθητήρων. Τέλος, αυτή η έκδοση του κυκλώματος έχει πιο αυτόνομο χαρακτήρα, με την ενσωμάτωση ενός υποσυστήματος σειριακής επικοινωνίας και ελέγχου. Για τη δεύτερη τεχνολογία αισθητήρων που καλύπτει η παρούσα διατριβή, των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών με χρήση διακριτών στοιχείων, καθώς επίσης και κυκλώματα με το βασικό πυρήνα μέτρησης να υλοποιείται σε ολοκληρωμένη μορφή με τεχνολογία 90 nm. Για τους σχεδιασμούς αυτούς έχει αναπτυχθεί η τεχνική της υβριδικής πολύπλεξης, βάσει της οποίας τα μέλη της συστοιχίας ομαδοποιούνται καταλλήλως, ώστε να επιτευχθούν οι απαιτούμενες επιδόσεις σε ρυθμούς δειγματοληψίας από το κύκλωμα ανάγνωσης, ενώ παράλληλα το μέγεθος του κυκλώματος παραμένει μικρό. Η υβριδική πολύπλεξη συνδυάζει διαδοχική ανάγνωση με παράλληλη ανάγνωση στοιχείων, κάνοντας χρήση πολυπλεκτών και κατάλληλου αριθμού υποσυστημάτων μέτρησης που επαναχρησιμοποιούνται για πολλά αισθητήρια στοιχεία. Η ιδιαιτερότητα που έχουν αυτού του τύπου οι μετρήσεις έγκειται στην απαίτηση για διαρκή πόλωση όλων των στοιχείων χωρίς διακοπή της ροής του ρεύματος μέσω αυτών, που καλύπτεται μέσω ειδικά διαμορφωμένων πολυπλεκτών δύο καταστάσεων οι οποίοι εξασφαλίζουν τις σωστές συνθήκες λειτουργίας. Επιπρόσθετες βελτιώσεις που παρέχει η υλοποίηση του κυκλώματος ανάγνωσης σε μορφή ολοκληρωμένου είναι η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ δύο τύπων κυκλωμάτων μέτρησης, με χρήση ενισχυτή διαντίστασης και ολοκληρωτή. Οι δύο τρόποι μέτρησης χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά, ώστε να καλυφθεί μεγάλη δυναμική περιοχή λειτουργίας και γρήγορη απόκριση, αλλά και υψηλή ανάλυση, ανάλογα με τις απαιτήσεις κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Για το χαρακτηρισμό των κυκλωμάτων ανάγνωσης που αναπτύχθηκαν και για τις δύο τεχνολογίες αισθητήρων, έγιναν μετρήσεις με πρότυπα φορτία, καθώς και με συστοιχίες, για να εξαχθούν συμπεράσματα για την απόκρισή τους. Κατόπιν των ελέγχων καλής λειτουργίας των κυκλωμάτων και των μεθόδων που ακολουθούνται, πραγματοποιήθηκαν και επιτυχείς μετρήσεις βιολογικής σημασίας, που επιβεβαιώθηκαν από συστήματα αναφοράς. / Molecular diagnostics systems have come to the forefront in recent years allowing for automated, reliable, rapid and inexpensive bioassays. Such systems are characterized by complex functionality, which combines variety of actuators and sensors that cooperate to perform biological protocols. Based on these protocols and using microfluidic systems, biological samples and reagents are subjected to various processing steps. Following this treatment, the samples under study are placed on the surface of sensors, which are functionalized to detect specific biological interactions of interest and respond accordingly by changing a physical quantity, measurable by electronic circuits. The sensor readout electronic circuits are one of the main parts of a molecular diagnostics system, as the diagnostic results are based on their response. Consequently, it is recognized that they hold an important role in the overall analytical process. It is necessary that the measurements they perform are highly accurate with high resolution for each sensor element. At the same time, the reliability of the measurement at a biological process level must be ensured. To this aim contributes the use of sensor arrays, with which the same measurement can be performed in parallel on many elements and accompanied by positive and negative control measurements. On the array, additional measurements of multiple samples can be performed, so that the output results give a more comprehensive analytical picture. In this light, large sensor arrays can provide optimal results. This thesis focuses on the readout circuitry for capacitive and electrochemical sensor arrays, two widely used sensor technologies. The operating principle of capacitive sensors is based on the fact that the interactions between the biomolecules under study exert forces and deform the flexible silicon film constituting an armature of a variable capacitor. The consequence of this deformation is a proportional change in capacitance between the film and the silicon substrate, a variation measured by the circuit. In the case of electrochemical sensors, the respective interaction of biomolecules, with the aid of labeling biomolecules, causes a change in conductivity between their electrodes. Under controlled bias voltage conditions, the resulting current that is measured corresponds to the progress of the biological phenomenon. Particular emphasis is given to the scalability potential of each architecture, so it can be optimally expanded for reading very large sensor arrays, maintaining small dimensions for the readout circuits. At the same time, through various strategies it is ensured that measurements of each element are properly acquired, without influence from other members in the array. To read out the capacitive sensor arrays an integrated circuit based on a 0.35 μm technology was designed and implemented, which at its measuring core uses a relaxation oscillator with a current hysteresis loop. It is complemented by programmable excitation current sources to cover a wide range of capacitances for the sensors. The multiplexing system that was developed to connect each member of the sensor arrays on the readout core can handle 'entangled' arrays, where the elements are arranged with common lines and columns of electrical contacts at their armatures. In this way it is possible to create large arrays with a small number of interface terminals. The challenge of reading such arrays lies in the interactions between the elements, because of side paths in the oscillator charging current. A first way to address this crosstalk problem is the use of two-state switches in the multiplexing units, in order to control the way in which the measured element is excited, as well as the other array elements, during measurement. Through successive measurements under different connection configurations on the multiplexers and appropriate mathematical processing, accurate measurements for the status of each sensor in the array can be obtained. The measured system can be considered static during successive measurements, which is a prerequisite for the correct calculation of results, due to the very slow progress of biological phenomena on the surface of the sensors. In the course of this thesis, a redesign of the array readout circuit was made, at a schematic and physical layout design level, the function of which was confirmed by post-layout simulations. In this development extra submodules were incorporated and existing ones were improved. One of the main features of this design is a buffer unit, which offers a second way of addressing the crosstalk problem between the elements, by preventing the oscillator charging current to excite undesirable elements. Furthermore, the redesigned circuit uses two oscillation units for simultaneous sensor readout and faster scanning of large arrays, with the range of their programmable current being greater, covering a larger spectrum of sensors. Finally, this version of the circuit has a more autonomous nature, by incorporating a serial communication and control subsystem. For the second sensor technology covered by this thesis, the electrochemical sensors, array readout circuits were designed and implemented using discrete components, as well as circuits with the basic measurement core being implemented in integrated form using a 90 nm technology. For these designs the technique of hybrid multiplexing was developed, whereby the members of the array are grouped appropriately to achieve the required performance in sampling rate from the readout circuit, while the size of the circuit remains small. Hybrid multiplexing combines sequential and parallel element reading, using multiplexers and the appropriate number of measurement subsystems that are reused for many sensing elements. The particularity of this type of measurements is the requirement for continuous biasing of all elements without interruptions in the current flow through them, which is addressed by specially configured two-state multiplexers that ensure the correct operating conditions. Additional enhancements offered by the implementation of the readout circuit in integrated form is the ability to switch between two types of measurement circuits, using a transimpedance amplifier and an integrator. The two modes of measurement are used in complement, to cover a wide operating dynamic range and fast response, and also high resolution, depending on the requirements during the experimental process. For the characterization of the readout circuits developed for both sensor technologies, measurements were made using standard loads, as well as arrays, to draw conclusions about their response. Following the validation of the proper operation of the circuits and methods used, successful measurements of biological significance were made, which were confirmed by reference systems.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση λεπτών υμενίων TiO2 ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με απώτερο σκοπό την ανάπτυξη ενός αμπερομετρικού βιοαισθητήρα με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (υμένια TiO2) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι’ αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Επίσης περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύθηκαν επίσης οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου, οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες και οι λόγοι που επιλέξαμε την ανατάση για τη συγκεκριμένη εργασία. Περιγράφεται η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c πάνω σε αυτά. Τέλος περιγράφεται η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και η τεχνική της κυκλικής βολταμετρίας που επιλέχθηκαν τόσο για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη όσο και για την ανάπτυξη ενός αμπερομετρικού βιοαισθητήρα με ευαισθησία στο H2O2. / In the present study, the use of thin nanocrystalline TiO2 films as solid substrates for protein immobilization and for the development of an electrochemical biosensor for hydrogen peroxide (H2O2) are investigated. First of all, a general description of biosensors and their most important types that have been developed to date is given. For the successful development of a biosensor, the choice of material/substrate used as the surface/electrode (thin film of TiO2) for the attachment of the bio-molecule of interest, as well as the manner in which the bio-molecule is immobilized upon it are critical and therefore emphasis is given for the analysis of this information. Furthermore, a description of the structure and basic functions of the bio-molecules (cytochrome c and hemoglobin), used for the immobilization studies and for the development of the biosensor is presented. Additionally, the crystalline structures of titanium dioxide have been analyzed, along with its basic physicochemical properties and the reasons for choosing its anatase structure for the specific project. In the experimental part, the deposition of the colloidal TiO2 paste on conducting glass for the preparation of the thin mesoporous TiO2 films is described in detail. Also described are the experimental techniques used for the characterization of these films as well as a thorough analysis of the binding of cytochrome c upon them and the parameters that influence its adsorption. Finally, description of the 3-elecrode electrochemical cell used in this study of perform of cyclic voltammetry experiments in order to investigate the electrochemical properties of the TiO2 thin films with or without immobilized protein is given. The same setup is also used for the development of an electrochemical biosensor for H2O2.