[en] Silicon photonic biosensors have emerged as a promising solution for next-generation diagnostics, offering high sensitivity, label-free detection and compatibility with portable point-of-care (PoC) devices. Among them, the interferometric bimodal waveguide (BiMW) biosensor has demonstrated great potential for ultrasensitive analysis with multiplexing capabilities and cost-effective mass production. However, to fully implement these biosensors in clinical practice, several key challenges must be addressed. One of the major hurdles is the biofunctionalization of the sensor surface, which must immobilize molecular probes in a stable and reproducible manner to ensure high detection efficiency and selectivity. Currently, there is no standardized protocol for functionalizing silicon-based surfaces and this lack of consistency affects both performance and reliability. Another challenge is the limited efficacy of these label-free biosensors for the direct analysis of complex biological fluids, like blood plasma or serum, where interferences from non-specific proteins and other molecules can lead to false-positive signals. While approaches like antifouling coatings and sample dilution have been explored, they tend to reduce and compromise the overall sensitivity. In response to this, the primary objective of this PhD Thesis is to explore the integration of novel bottom-up synthesized nanoporous graphene (NPG) into the BiMW technology as both atomically precise biofunctionalization scaffolds and as size-selective membranes for effective filtration of biological samples. First, different types of graphene architectures were produced by on-surface synthesis under vacuum conditions and thoroughly characterized. The process of transferring these nanomaterials onto BiMW chips was optimized, along with methods for functionalizing anchor centers for receptor immobilization. Finally, a fully operative NPG-BiMW device was developed and successfully demonstrated in a relevant biomedical assay. In parallel, membranes incorporating atomically thin NPG coatings were created and implemented in the microfluidics module for in-line filtration of blood plasma samples. Beyond the integration of NPG into the BiMW biosensor technology, this thesis advances our understanding of the fundamental optical properties of the NPG-BiMW hybrid. This deeper insight has also facilitated the development of on-chip polarization filters and rotors, which may be incorporated into photonics integrated circuits, contributing to technology miniaturization. This work marks a significant advancement in the application of novel graphene nanomaterials, demonstrating their potential not only in boosting biosensing technologies for diagnostics but also in driving progress in the photonics engineering field.

[es] Los biosensores fotónicos de silicio han emergido como una solución prometedora para el diagnóstico de nueva generación, ofreciendo una alta sensibilidad, detección sin marcaje y compatibilidad con dispositivos portátiles. Entre estos, el biosensor interferométrico de guías de onda bimodales (BiMW) ha demostrado un gran potencial para el análisis ultrasensible, con capacidad de multiplexación y producción masiva rentable. No obstante, para implementar adecuadamente estos biosensores en la práctica clínica, es necesario abordar varios desafíos clave. Uno de los principales obstáculos es la biofuncionalización de la superficie del sensor, donde deben inmovilizarse receptores moleculares de manera estable y reproducible para garantizar una alta eficiencia de detección y selectividad. Actualmente, no existe un protocolo estandarizado para la funcionalización de superficies basadas en silicio, y esta falta de consistencia afecta tanto el rendimiento como la fiabilidad. Otro desafío es la eficacia limitada de estos biosensores sin marcaje en el análisis directo de fluidos biológicos, como el plasma o suero sanguíneos, donde las interferencias de proteínas inespecíficas y otras moléculas pueden generar falsos positivos. Aunque se han explorado estrategias como los recubrimientos antifouling o la dilución de muestras, estas suelen reducir la sensibilidad global del ensayo y comprometer su rendimiento. En respuesta a esto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es la integración del grafeno nanoporoso (NPG), sintetizado a partir de precursores moleculares, en la tecnología BiMW, tanto como matriz de biofuncionalización como membrana selectiva para la filtración de muestras biológicas. En primer lugar, se produjeron diferentes tipos de nanoestructuras de grafeno mediante síntesis superficial, las cuales fueron caracterizadas de manera exhaustiva. Se optimizó el proceso de transferencia de estos nanomateriales a chips BiMW, así como los métodos para funcionalizar los centros de anclaje de biorreceptores. Finalmente, se desarrolló un dispositivo BiMW-NPG completamente operativo, que se demostró con éxito en un ensayo biomédico relevante. Paralelamente, se crearon membranas con un recubrimiento de NPG, que se implementaron en el módulo de microfluídica del sensor para la filtración en línea de muestras de plasma sanguíneo. Más allá de la integración del NPG en la tecnología de biosensores BiMW, esta tesis profundiza en la comprensión de las propiedades ópticas fundamentales del híbrido NPG-BiMW. Este conocimiento también ha facilitado el desarrollo de filtros y rotores de polarización que pueden incorporarse en circuitos fotónicos integrados, contribuyendo a la miniaturización de la tecnología. Este trabajo representa un avance significativo en la aplicación de nuevos nanomateriales de grafeno, demostrando su potencial no solo para impulsar las tecnologías biosensoras para el diagnóstico, sino también para promover el progreso en el campo de la ingeniería fotónica.