Microsistemi di Diagnostica Genetica Piera Maccagnani Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi Via P. Gobetti 101 - Bologna Piera Maccagnani 19 Ottobre 2005 1
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 2005 2
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 2005 3
Electropherogram Fragment separation SPAD Piera Maccagnani 19 Ottobre 2005 4
Chip per Elettroforesi 1 cm laser 3.5 cm Piera Maccagnani 19 Ottobre 2005 5
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 2005 6
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 2005 7
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 2005 8
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 2005 9
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
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La Clean Room dell IMM Area complessiva di 500 m 2 con zone in classe 100 100000. 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 2005 12
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 2005 13