Diseño de un biosensor SAW para medir una reacción redox

Abstract

The surface acoustic wave (SAW) biosensors are devices that employ surface acoustic waves to detect changes in the environment caused by biomolecules or by modifications in the physical and chemical properties of the surface [1]. These waves are generated and detected through interdigital transducers (IDTs), whose configuration and design determine their efficiency and operating frequency. Although successful laboratory research has been carried out, there are still no commercial applications [2], which highlights the need to continue exploring this field to facilitate the development of practical and accessible SAW biosensors. The present work aims to design and simulate a SAW biosensor intended to measure variations on the piezoelectric surface caused by redox reactions. Electrical and numerical models such as the Mason model and the impulse response method were implemented in Matlab and LTspice for the design of the biosensor. These models simulate the response of the IDTs, which allowed establishing design parameters and laying the groundwork for prototype implementation and data transmission toward external devices. The models produced expected behaviors for SAW devices that match the intended design and enable rapid adjustment of parameters such as operating frequency and bandwidth. Likewise, redox reactions were analyzed using the Randles circuit, which allowed calculating the impedance of the electrode–electrolyte interface during a redox reaction. This helped identify possible changes in the device response.

Los biosensores surface acoustic waves (SAW) son dispositivos que emplean ondas acústicas de superficie para detectar cambios en el entorno, provocados por biomoléculas o modificaciones en las propiedades físicas y químicas de la superficie [1]. Estas ondas se generan y detectan mediante interdigital transducers (IDTs), cuya configuración y diseño determinan su eficiencia y la frecuencia de operación. Aunque se han desarrollado investigaciones exitosas en laboratorio, aún no existen aplicaciones comerciales [2], lo que evidencia la necesidad de continuar explorando este campo para facilitar el desarrollo de biosensores SAW prácticos y accesibles. El presente trabajo tiene como objetivo diseñar y simular un biosensor SAW orientado a medir variaciones en la superficie piezoeléctrica ocasionadas por reacciones de redox. Se emplearon modelos eléctricos y numéricos como el modelo de Mason y el método de respuesta a el impulso, implementados en Matlab y LTspice, para el diseño del biosensor. Los modelos simulan la respuesta de los IDTs, lo que permitió establecer parámetros de diseño y sentar bases para la implementación de prototipos y transmisión de datos hacia dispositivos externos. Estos modelos dieron como resultado comportamientos esperados de dispositivos SAW que se ajustan al diseño previsto y permiten ajustar de forma rápida parámetros como la frecuencia de operación y la el ancho de banda. Asimismo, se analizaron reacciones redox con el circuito Randles, el cual nos permitía calcular la impedancia de la interfaz electrodo-electrolito durante una reacción redox. Esto sirvió para identificar posibles cambios en la respuesta del dispositivo.