Microsistemi di Diagnostica Genetica

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Cosimo Vigano
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1 Microsistemi di Diagnostica Genetica Piera Maccagnani Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi Via P. Gobetti Bologna Piera Maccagnani 19 Ottobre

2 Microsistema per analisi del DNA con elettroforesi capillare* Sistemi miniaturizzati per analisi del DNA con elettroforesi capillare in chip (CE-chip) Nuova testa microelettronica per la rivelazione della fluorescenza Nuove tecnologie chimiche Validazione in applicazioni diagnostiche mediche *Finanziamento FIRB - Partecipanti:IMM-BO, Politecnico di Milano, Ist. Chimica del Riconoscimento Molecolare Piera Maccagnani 19 Ottobre

3 Analisi Genetica Gran numero e varietà di informazioni Metodiche complesse Personale qualificato Costi elevati Attrezzature sofisticate Analisi precise e veloci Sistemi miniaturizzati Riduzione dei costi: tecnologie microelettroniche piccoli volumi dei reagenti Elevata automazione e controllo Piera Maccagnani 19 Ottobre

4 Electropherogram Fragment separation SPAD Piera Maccagnani 19 Ottobre

5 Chip per Elettroforesi 1 cm laser 3.5 cm Piera Maccagnani 19 Ottobre

Strumento completo (SV3) Ricerca automatica del microcanale Ottica confocale Eccitazione laser 650nm a 5mW Acquisizione a due lunghezze d onda (680 e 720nm) Doppio alimentatore HV

6 Strumento completo (SV3) Ricerca automatica del microcanale Ottica confocale Eccitazione laser 650nm a 5mW Acquisizione a due lunghezze d onda (680 e 720nm) Doppio alimentatore HV (0-5kV) con sezione di commutazione Controllo di temperatura per microchip e SPAD detector Sistema di misura compatto e completamente automatico Piera Maccagnani 19 Ottobre

7 Limite di sensibilità S/N=50 100pM DNA ladder (50-500bp) marcato con Cy5 23 mer oligonucleotide marcato con Cy5 Microchips in vetro della Micronit (Enschede, Paesi Bassi). Soppressione del flusso elettro-osmotico: rivestimento microcanali con EPDMA Separazione: matrice setacciante HEC 1.5%; tampone: TAPS-TRIS 100mM ph 8.5 Detection limit ( con S/N=3) : 6pM (volume di iniezione: 50pL) S/N=3) : 6pM Piera Maccagnani 19 Ottobre

8 Requisiti del Rivelatore Elevata efficienza quantica (QE) Basso rumore intrinseco (dark counts) Elevata sensibilità fino al singolo fotone Rivelatori ad elevata sensibilità: PMT, Photomultiplier Tubes CCD, Charge-Coupled Devices APD, Avalanche PhotoDiodes SPAD, Single-Photon Avalanche Diodes Piera Maccagnani 19 Ottobre

Struttura SPAD planare Tecnologia planare del Si Elevata resa Basso costo Compatibile con CMOS 2 mm Bassa tensione (25-35V) Ridotta dissipazione di potenza QE = 55% per λ=500nm

9 Struttura SPAD planare Tecnologia planare del Si Elevata resa Basso costo Compatibile con CMOS 2 mm Bassa tensione (25-35V) Ridotta dissipazione di potenza QE = 55% per λ=500nm Ottimizzazione processo tecnologico: Controllo delle impurezze Gettering dei difetti Improvement QE Ridotto rumore intrinseco Elevata sensibilità Piera Maccagnani 19 Ottobre

10 Fasi di sviluppo del rivelatore SPAD Layout dei dispositivi Progettazione flusso di processo Realizzazione del processo tecnologico Piera Maccagnani 19 Ottobre 2005 Caratterizzazione elettrica 10

11 Piera Maccagnani 19 Ottobre

12 La Clean Room dell IMM Area complessiva di 500 m 2 con zone in classe Linea completa per realizzazione di IC su fette di silicio da 4 Impiantatore Eaton a bassa e media energia; speci P, As, B, Si Processi termici in forno: ossidazione (wet e dry), diffusione (B, P), annealing Processi termici rapidi (RTP) di deposizioni e annealing Deposizioni LPCVD di Si 3 N 4, poly-si, LTO Deposizioni PECVD di a-si, c-si, nitruro di Si, ossido di Si Attacchi RIE di materiali dielettrici ( SiO 2, Si 3 N 4 ) e Si (poly o mono) Attacchi RIE di materiali metallici (Al, Pt) Attacchi RIE profondi a Si e ossido (nuova acquisizione) Deposizione di film metallici: Ti, Pt, TiN, Al, Au Processi fotolitografici: allineatrice Karl-Schüss a contatto (2µm) Processi di wafer-bonding (Si-Si, Si-quarzo) Piera Maccagnani 19 Ottobre

13 Ringraziamenti Politecnico di Milano, Prof. Sergio Cova Ivan RECH Alessandro RESTELLI Fabrizio MINGOZZI Elettronica & Ottica ICRM-CNR di Milano, Dott.ssa Marcella Chiari Marina CRETICH Polimeri & Elettroforesi IMM-CNR di Bologna: Antonella POGGI Processo tecnologico e Giancarlo CARDINALI misure elettriche Giovanni MARINO staff tecnico della clean-room Piera Maccagnani 19 Ottobre

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