Diseño y caracterización de un biosensor quiral nanofotónico sintonizable

Abstract

El presente Trabajo Fin de Grado aborda el diseño y caracterización de un biosensor quiral nanofotónico sintonizable, con el objetivo de mejorar la detección de enantiómeros en el sector farmacéutico y biomédico. La quiralidad, propiedad geométrica que impide la superposición de un objeto con su imagen especular, es de gran relevancia, ya que los enantiómeros de una molécula pueden exhibir propiedades biológicas y farmacológicas distintas. En este trabajo, se estudia la respuesta electromagnética de sistemas quirales para potenciar su respuesta óptica. El proyecto se centra en el diseño de nanoestructuras, como esferas y discos con aperturas, utilizando materiales como silicio, germanio y fosfuro de galio. Se emplean simulaciones numéricas mediante el método FDTD (Finite Difference Time-Domain) para analizar la interacción luz-materia y las resonancias, con el objetivo de aprender a utilizar estos algoritmos y aprender la física que conllevan. Los resultados muestran que las resonancias varían con el material y la geometría, permitiendo sintonizar la respuesta quiral. Además, se propone una estructura tipo Janus, combinando silicio y fosfuro de galio, con idea de amplificar el dicroísmo circular y amplía el ancho de banda (broadband), optimizando la sensibilidad del biosensor.

This Final Degree Project addresses the design and characterization of a tunable chiral nanophotonic biosensor, aiming to improve the detection of enantiomers in the pharmaceutical and biomedical sectors. Chirality, a geometric property that prevents the superposition of an object with its mirror image, is highly relevant, as the enantiomers of a molecule can show different biological and pharmacological properties. In this work, the electromagnetic response of chiral systems is studied to maximize their optical response. The project focuses on the design of nanostructures, such as spheres and discs with apertures, using materials like silicon, germanium, and gallium phosphide. Numerical simulations are used, by the FDTD (Finite Difference Time-Domain) method to analyze light-matter interactions and resonances, with the goal of learning these algorithms and understanding the underlying physics. The results show that resonances vary with the material and geometry, allowing the chiral response to be tuned. Additionally, a Janus-type structure is proposed, combining silicon and gallium phosphide, with the aim of amplifying circular dichroism and broadening the bandwidth (broadband), ptimizing the sensitivity of the biosensor.