Date of Award

11-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Professor Falah Awwad

Abstract

This work proposes and demonstrates a biosensor with reduced Graphene Oxide (rGO) based Field Effect Transistor (FET) for rapid and selective detection of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The main objective of this thesis is to detect the SARS-CoV-2 spike protein antigen on spot selectively and rapidly. The rGO channel is coated with the spike protein antibodies to achieve selectivity. Moreover, the biosensing performance and specificity are governed by decorating the sensor’s channel with Metal Nanoparticles (MNPs) such as, copper, and silver. The designed sensor successfully detects the SARS-CoV-2 spike protein and shows singular electrical behavior for detection. The rGO-FET biosensor electronic transport characteristics such as transmission spectrum, electronic current, and transfer curves are studied by using semiempirical modeling combined with a nonequilibrium Green’s function. The transmission spectrum, I-V and transfer curves are investigated to spot the performance alteration caused by detecting the target molecule. The sensor is also tested against another virus, namely Rabies virus, and showed no detection reaction towards it. The introduced sensor is 8.2 nm long and 6.1 nm wide which makes it a perfect candidate for easy handling and transporting. RGO FET-based biosensor is developed and tested to take the advantage of the unique electronic properties of the rGO channel and offer a quick, rapid, easy, and accurate detection method for SARS-CoV-2 virus. The semiempirical study, along with the simulations results are in agreement with the previous literature studies and provide an excellent pathway for practical fabrication.

Arabic Abstract

تتناول هذه الأطروحة دراسة الخصائص الإلكترونية والنمذجة الشبه تجريبية (Semi-empirical modelling) لمستشعر بني باستخدام ترانزستور مجاليّ التأثير (Field Effect Transistor) من مادة الجرافين المؤكسد (rGO) لرصد فيروس كورونا المستجد (SARS-CoV-2) عند نقاط الرعاية الصحية. الهدف الرئيسي لهذا العمل هو الرصد الدقيق والضبط السريع لفيروس كورونا، حيث سيتم الاستشعار بوجود الفيروس من خلال بروتين خاص يعرف بـ Spike protein. القناة المصن وعة من الجرافين المؤكسد سوف تغطى وتعالج بأجسام مضادة مخصصة للكشف عن هذا البروتين، ستساعد هذه الخطوة في تحقيق الدقة المطلوبة بينما استعمال وإضافة الجزيئات المعدنية (MNPs) مثل الفضة والنحاس سيعمل على تجهيز السطح للكشف البيولوجي وتعزيز الدقة. المستشعر المصمم سوف يكشف بنجاح عن وجود فيروس كورونا من عدمه في العينة، وأيضاً سوف يظهر رد فعل كهربائي مميز كعلامة على كشفه. في هذا البحث سوف ندرس الطيف الانتقالي (transmission spectrum) ومنحنيات الأداء مثل الـ(I-V curve) لتحديد التغيير المحدث عند ضبط هذا البروتين. إضافة لذلك، لقد تم فحص دقة المستشعر باستخدام فيروس آخر (Rabies virus) ولم يظهر أي ردة فعل استشعارية نحوه. طول المستشعر 8.2 نانومتر وعرضه 6.1 نانومتر ولذلك فهو مثالي للنقل السريع والتعامل السهل. لقد صممنا مستشعر باستخدام ترانزستور مجاليّ التأثير والذي يستفيد من الصفات المميزة للجرافين المؤكسد ويقدّم ضبط دقيق، سريع وسهل لفيروس كورونا المستجد. نتائج الدراسة الشبه تجريبية والنتائج المستخرجة من المحاكاة باستخدام برنامج التصميم متطابقات إلى حد كبير مع البحوث السابقة في هذا المجال وتوفر دليل مناسب لصنع هذه المستشعرات الدقيقة.

Download
COinS