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
Bologna 2005 Bologna 2005 -- Ricerca e impresa: nuove opportunità di collaborazione nel settRicerca e impresa: nuove opportunità di collaborazione nel settore biomedicaleore biomedicale 22/19/19
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
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________________________________________________________
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
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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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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..
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________________________________________________________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:
��
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________________________________________________________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
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________________________________________________________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%
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________________________________________________________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.