Microtecnologie per l’analisi degli acidi...

Bologna 2005 Bologna 2005 -- Ricerca e impresa: nuove opportunità di collaborazione nel settRicerca e impresa: nuove opportunità di collaborazione nel settore biomedicaleore biomedicale 11/19/19

MicrotecnologieMicrotecnologie per l’analisi per l’analisi

degli acidi nucleicidegli acidi nucleici

Università degli Studi di FerraraUniversità degli Studi di FerraraDipartimento di FisicaDipartimento di Fisica

L’attività di ricerca presso il Laboratorio Sensori e SemicondutL’attività di ricerca presso il Laboratorio Sensori e Semiconduttoritori

Ing.Ing. Alessandro RonzoniAlessandro RonzoniDipartimento di Fisica Dipartimento di Fisica -- CNRCNR--INFMINFM

Polo Scientifico e Tecnologico Polo Scientifico e Tecnologico –– Blocco CBlocco C

Via Via SaragatSaragat, 1, 1

II--44100 Ferrara44100 Ferrara


Il Il gruppogruppo didi ricercaricerca________________________________________________________

DirettoreDirettore::

•• Prof. Giuliano MartinelliProf. Giuliano Martinelli

Principali aree di ricerca:Principali aree di ricerca:

•• Celle e sistemi Celle e sistemi fotovoltaicifotovoltaici ad alta ad alta

efficienza.efficienza.

•• Sensori di gas a film spesso.Sensori di gas a film spesso.

•• MicroMicro--ElectroElectro--MechanicalMechanical SystemsSystems

(MEMS).(MEMS).

Primo laboratorio di ricerca universitariaPrimo laboratorio di ricerca universitaria

in Italia ad essere certificatoin Italia ad essere certificato

ISO 9001ISO 9001--20002000

per la progettazione e realizzazione di sensoriper la progettazione e realizzazione di sensori

a film spesso e celle a film spesso e celle fotovoltaichefotovoltaiche


________________________________________________________

ReattoriReattori atmosfericiatmosferici per per drogaggiodrogaggio ed ed ossidazioneossidazione deidei wafer wafer didi siliciosilicio

ReattoreReattore LPCVD per LPCVD per ossidazioneossidazione e e nitrurazionenitrurazione didi wafer wafer didi siliciosilicio

PVD PVD dada sorgentisorgenti termichetermiche ed eed e--gungun

LineaLinea didi fotolitografiafotolitografia

Wet benchesWet benches

Plasma etcherPlasma etcher

Probe station Probe station

EllissometroEllissometro

SerigrafiaSerigrafia

ForniForni UV, IR e a UV, IR e a muffolamuffola

La La tecnologiatecnologia


OutlineOutline________________________________________________________

MicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

TecnicheTecniche didi analisianalisi per per ilil DNADNAIl DNA chipIl DNA chip

L’alternativaL’alternativa deidei MEMS MEMS –– verso verso ilil LabLab--onon--ChipChip

L’attivitàL’attività didi ricercaricerca pressopresso ilil SSLSSLBiosensoriBiosensori capacitivicapacitivi

MaterialiMateriali fotostrutturabilifotostrutturabiliFotoresistsFotoresists

VetroVetro fotostrutturabilefotostrutturabile

Silicon micromachiningSilicon micromachining

ProspettiveProspettive future e future e conclusioniconclusioni


________________________________________________________AnalisiAnalisi del DNA del DNA MicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

La La molecolamolecola didi DNA DNA è è costituitocostituito dada sequenzesequenze

didi basibasi (A,C,G,T)(A,C,G,T)

Polymerase Chain Reaction:Polymerase Chain Reaction:

SensibilitàSensibilità allealle contaminazionicontaminazioni

TecnicheTecniche elettroforeticheelettroforetiche::

GenerazioneGenerazione didi calorecalore

MescolamentoMescolamento

DenaturazioneDenaturazione

TecnicheTecniche didi ibridazioneibridazione::

OligonucleotidiOligonucleotidi + markers+ markers

DifficoltàDifficoltà didi rivelazionerivelazione


________________________________________________________L’analisiL’analisi susu chip chip MicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

DNA chip:DNA chip:

SfruttamentoSfruttamento delladella forte forte caricacarica negativanegativa del DNA.del DNA.

MatriciMatrici didi camerecamere didi reazionereazione realizzaterealizzate con con tecnichetecniche didi microlavorazionemicrolavorazione..

RivelazioneRivelazione tramitetramite microscopimicroscopi a a fluorescenzafluorescenza o LIF.o LIF.

Il colore e l’intensità di ciascuno

spot rivela l’avvenuto legame tra

campione e sonda

Drawbacks:Drawbacks:

Tempi e Tempi e costicosti elevatielevati per la per la preparazionepreparazione del del campionecampione..

NecessitàNecessità didi strumentazionestrumentazione specificaspecifica


________________________________________________________MEMS MEMS –– LabLab--onon--Chip Chip MicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

RiduzioneRiduzione deidei costicosti-- MinoriMinori componenticomponenti

-- ProduzioneProduzione susu largalarga scalascala

IncrementoIncremento dell’affidabilitàdell’affidabilità-- MinoriMinori componenticomponenti

-- MinoriMinori interconnessioniinterconnessioni

FlessibilitàFlessibilità-- DimensioniDimensioni

-- PesoPeso

-- PotenzaPotenza

NuoveNuove funzionalitàfunzionalità-- NuoviNuovi materialimateriali

-- StruttureStrutture piùpiù complessecomplesse


LabLab--on Chipon Chip

________________________________________________________LabLab--onon--Chip Chip MicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

FilterFilter

Blood cellsBlood cells

red cells and plasmared cells and plasma WasteWaste

white cellswhite cellsDNA DNA -- extractionextraction

AmplificationAmplification

Segmentation and Segmentation and

optical identificationoptical identification


________________________________________________________BiosensoriBiosensori capacitivicapacitivi –– Idea Idea didi basebaseMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

ObiettiviObiettivi::RealizzazioneRealizzazione didi sistemisistemi innovativiinnovativi a basso a basso costocosto per la per la diagnosidiagnosi e e l’identificazionel’identificazione..

RaggiungereRaggiungere la la stessastessa sensibilitàsensibilità deidei sistemisistemi tradizionalitradizionali

EliminareEliminare la la marcaturamarcatura

TecnicaTecnica::ConfrontoConfronto delladella sequenzasequenza incognita incognita con con unauna o o piùpiù sequenzesequenze notenote

AccoppiamentoAccoppiamento specificospecifico tratra sequenzesequenzecomplementaricomplementari


________________________________________________________BiosensoriBiosensori capacitivicapacitivi -- ImprovementImprovementMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

DoppioDoppio stratostrato elettricoelettrico didi HelmholtzHelmholtz

-- InterazioneInterazione elettrostaticaelettrostatica tratra ioniioni ed ed elettrodielettrodi immersiimmersi::ddV

dqCH

π

ε

4==

ModelloModello didi GouyGouy –– Chapman Chapman

-- MotoMoto brownianobrowniano deglidegli ioniioni::kT

ze

kT

nezqqC M

M

d

M

M

GC

ψ

π

ε

ψψ0

21

2

0

2

cosh2

=

∂

∂−=

∂

∂=

GCH CCC

111+=

ModelloModello didi SternStern

-- ZonaZona diffusadiffusa::

-- AlteAlte concentrazioniconcentrazioni ionicheioniche: C : C ~ C~ CHH

-- BasseBasse concentrazioniconcentrazioni: C : C ~ C~ CGCGC


________________________________________________________BiosensoriBiosensori capacitivicapacitivi -- ImprovementImprovementMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

0,E+00

1,E-04

2,E-04

3,E-04

4,E-04

5,E-04

6,E-04

7,E-04

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Freq (Hz)

Iavg

(A

)

Oro-Oro

Oro-DNA

Oro-Fun

DNA-DNA

Fun-Fun

ModelloModello elettricoelettrico ((ff << 50 Hz)<< 50 Hz)

( ) fR

RCVIfI

Tot

p

inavg 20 +=

MisureMisure preliminaripreliminari ��

Self Assembled Monolayer:Self Assembled Monolayer:

-- AgentiAgenti didi binding binding

-- OligonucleotidiOligonucleotidi biobio--specificispecifici


________________________________________________________BiosensoriBiosensori capacitivicapacitivi –– La microLa micro--cellacellaMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

UnoUno schema schema delladella cellacella basebase

SpecificheSpecifiche::-- BiocompatibilitàBiocompatibilità ((FoturanFoturan®® and SUand SU--8)8)

-- ArchitetturaArchitettura semplificatasemplificata

-- Basso Basso costocosto (disposable)(disposable)

-- Alto Alto isolamentoisolamento elettricoelettrico

ElettrodiElettrodi microlavoratimicrolavorati e e zone zone fotostrutturatefotostrutturateIl primo Il primo prototipoprototipo microlavoratomicrolavorato Layout strategyLayout strategy


________________________________________________________MaterialiMateriali fotostrutturabilifotostrutturabili -- fotoresistsfotoresistsMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

PolimeriPolimeri sensibilisensibili ad ad unauna determinatadeterminata lunghezzalunghezzad’ondad’onda. . TrasferimentoTrasferimento didi geometriegeometrie e e strutturestrutture permanentipermanenti..

PuntiPunti chiavechiave::

-- AdesioneAdesione (promoters)(promoters)

-- Dose Dose didi energiaenergia

-- ContrastoContrasto

Polymeric structure of Polymeric structure of

the SUthe SU--8 8 photoresistphotoresist

��

SUSU--8: 8: photoresistphotoresist epossidicoepossidico-- ElectroplatingElectroplating-- MicrofluidicaMicrofluidica


________________________________________________________MaterialiMateriali fotostrutturabilifotostrutturabili -- vetrovetroMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

Good control Good control of chemical reactionsof chemical reactions

Individual channel designIndividual channel design

Technical AdvantageTechnical Advantage

Because ofBecause ofUsable for aggressive Usable for aggressive

and hazardous chemicalsand hazardous chemicals

High chemical resistanceHigh chemical resistance

Usable under high pressureUsable under high pressure

High mechanical stabilityHigh mechanical stability

Efficient heat transferEfficient heat transfer

Excellent surf/Excellent surf/volvol ratioratio

Good analysis purposesGood analysis purposes

Optically transparentOptically transparent

Usable in wide Usable in wide temperature rangetemperature range

High temperature resistanceHigh temperature resistance


________________________________________________________Isotropic etch of glassIsotropic etch of glassMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

AttaccoAttacco isotropoisotropo del del vetrovetro::soluzionesoluzione: : HF 10%HF 10%etch rate: etch rate: 0.5 0.5 –– 1 1 µµµµµµµµm/minm/minpossible depth: possible depth: 10 10 –– 100 100 µµµµµµµµmm

soluzionesoluzione:: BHF (NHBHF (NH44F)F)etch rate:etch rate: 100 100 –– 1000 nm/min1000 nm/minpossible depth:possible depth: 1 1 –– 20 20 µµµµµµµµmm

Mask

Photoresist and

adhesion layer

Glass

Protection layer1. UV exposure of PR

2. Development and pattern transfer

3. Isotropic etching

4. Removing of the photoresist

FotolitografiaFotolitografia tradizionaletradizionale-- I I fotoresistfotoresist non non aderisconoaderiscono benebene al al vetrovetro

-- Adhesion layer (Cr or Ti)Adhesion layer (Cr or Ti)-- Thickness (100 Thickness (100 –– 200 nm)200 nm)-- Physical deposition (thermal or ePhysical deposition (thermal or e--beam)beam)

-- L’adhesionL’adhesion layer è layer è attaccatoattaccato dall’HFdall’HF! ! max. tempo max. tempo didi attaccoattacco: ~30 min : ~30 min �� LimitataLimitata profonditprofonditàà didi attaccoattacco..


________________________________________________________FoturanFoturan®® processprocessMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

1. Direct UV exposure

2. Heat treatment (up to 600 °C)

3. Wet etching in HF−++ +→+ e

43 Cenm) (312hCe ν

Ageg →+ −+A

ComposizioneComposizioneSiOSiO22 �� 75 75 –– 85%85% ZnOZnO �� 0 0 –– 2%2%LiLi22O O �� 7 7 –– 11% 11% Sb2O3 Sb2O3 �� 0.3%0.3%K2O K2O �� 3 3 –– 6%6% Ag2OAg2O � 0.1%0.1%Al2O3Al2O3 �� 3 3 –– 6%6% CeO2CeO2 �� 0.015%0.015%Na2O Na2O �� 1 1 –– 2%2%

ReazioneReazione didi fotofoto--attivazioneattivazione

(sensitizer)(sensitizer)

(nucleation)(nucleation)

~500 °C: nucleation~500 °C: nucleation

~600 °C: growth (Li~600 °C: growth (Li22SiOSiO33))

PostPost--exposure heat treatment:exposure heat treatment:

��


________________________________________________________FoturanFoturan®® processprocessMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

Wafer Wafer didi FoturanFoturan®® dada 4” e 3004” e 300µµµµµµµµm m didi spessorespessore dopodopoilil trattamentotrattamento termicotermico a 600°Ca 600°C

MicroMicro--titertiter--plate holesplate holes

StruttureStrutture ceramicheceramiche


________________________________________________________Silicon bulk micromachiningSilicon bulk micromachiningMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

Un Un esempioesempio didi morfologiamorfologia

isotropaisotropa

EsempiEsempi didi morfologiemorfologie anisotropeanisotrope

Bulk micromachining per la Bulk micromachining per la realizzazionerealizzazione didielettrodielettrodi in in orooro susu unauna membranamembrana in SiOin SiO22

11µµm m didi spessorespessore

AssenzaAssenza didi stress stress residuoresiduo: : PmaxPmax = 150 = 150 kPakPa

ResaResa didi processoprocesso superioresuperiore all’80%all’80%


________________________________________________________ProspettiveProspettive futurefutureMicrotecnologieMicrotecnologie per per l’analisil’analisi del DNAdel DNA

Il Il biosensorebiosensore capacitivocapacitivo rappresentarappresenta unauna potenzialepotenziale alternativaalternativa al DNA chip.al DNA chip.

EstremamenteEstremamente economicoeconomico e versatile.e versatile.

La La cellacella capacitivacapacitiva è è tuttoratuttora in in fasefase didi svilupposviluppo pressopresso SSL.SSL.-- RisoltiRisolti i i problemiproblemi didi affidabilitàaffidabilità deidei canalicanali in SUin SU--88-- AttualmenteAttualmente sisi stasta lavorandolavorando per per miglioraremigliorare la la qualitàqualità superficialesuperficiale delledelle

armaturearmature

________________________________________________________ConclusioniConclusioni

Il LabIl Lab--onon--Chip è la Chip è la stradastrada obbligataobbligata per per ilil futurofuturo delledelle analisianalisi genetichegenetiche..

Le Le microtecnologiemicrotecnologie offronooffrono dispositividispositivi economicieconomici, , affidabiliaffidabili e e piùpiù prestantiprestanti..

È È fondamentalefondamentale la la collaborazionecollaborazione tratra competenzecompetenze moltomolto diverse.diverse.

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