RICERCA ITALIANA     

Microsistemi Optofluidici a Cristalli Fotonici per Biosensori

Università di Pisa

Abstract

In questo progetto si propone la progettazione, simulazione e fabbricazione (UO1) di un microsistema optofluidico (MSO) a cristalli fotonici (CF), la sua caratterizzazione ottica (UO2), anche in presenza di fluidi inseriti nell’MSO, ai fini della progettazione e realizzazione (UO3) di biosensori di tipo label-free, basati sull’immobilizzazione di biorecettori sulle pareti del CF.
L’MSO integrato è composto da: 1) una sezione ottica, costituita da un substrato di silicio microlavorato, contenente un dispositivo a cristallo fotonico (DCF: microspecchio o microcavità risonante) monodimensionale (1D), e gli alloggiamenti per il posizionamento delle fibre ottiche necessarie per la caratterizzazione e la lettura ottica del DCF stesso; 2) una sezione fluidica, costituita da un substrato di vetro microlavorato, contenente i canali ed i fori per l’ingresso e l’uscita dei fluidi, per il riempimento del CF con i fluidi di caratterizzazione e/o di funzionalizzazione. I due substrati vengono quindi accoppiati tra di loro mediante saldatura anodica, in modo da ottenere un microsistema che integra la parte fluidica e quella ottica.
Lo specchio a CF1D consiste di una serie di pareti di Si parallele, separate da gap di aria ed ortogonali alla direzione delle fibre ottiche. Lo spessore delle pareti di Si e dei gap di aria è dell’ordine del micron, mentre la loro altezza è dell’ordine del centinaio di micron. La microcavità risonante si ottiene interrompendo la periodicità del >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe Barillaro Università degli Studi di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’Obiettivo Generale (OG) che il Progetto si propone di raggiungere è quello di realizzare e caratterizzare un prototipo di microsistema integrato di tipo optofluidico a cristalli fotonici (CF), in silicio, per la rivelazione della proteina C reattiva e di RNA messaggero per O(6)-metilguanina-DNA-metiltransferasi.

In particolare, vengono individuati all’interno dell’OG due differenti workpackage (WP), trasversali alle attività delle unità operative, che si differenziano per il dispositivo a CF (un microspecchio o una microcavità risonante) utilizzato nel microsistema come trasduttore ottico:
- WP1: progettazione, simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di un microsistema optofluidico con microspecchio a CF1D per la rivelazione della proteina C reattiva e di RNA messaggero per O(6)-metilguanina-DNA-metiltransferasi.
- WP2: progettazione, simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di un microsistema optofluidico con microcavità risonante a CF1D per la rivelazione della proteina C reattiva e di RNA messaggero per O(6)-metilguanina-DNA-metiltransferasi.

Le tre unità operative (UO) che collaborano al progetto, contribuiscono al raggiungimento degli obiettivi dei WP ciascuna mediante dei compiti tra loro complementari e ben definiti:
- l’UO1 ha come task, finalizzato al raggiungimento dell’OG, la realizzazione di un microsistema optofluidico che integra: i) una sezione ottica, costituita da un substrato di silicio >>>

Risultati parziali attesi

Il mercato dei biochip è, secondo le previsioni dello Yole Development 2005, in forte espansione, con un incremento previsto di oltre 2000 milioni di Euro dal 2004 al 2010 (dai 300 milioni di Euro del 2004, ai 2500 milioni di Euro previsti per il 2010). Il motivo di tale incremento è da ricercarsi nella sempre più crescente domanda di nuove tecnologie e dispositivi da parte di tutti quegli ambiti che si occupano della salute, che rendano più pratica, efficiente e meno costosa la diagnostica biomedica. I Lab-on-chip rappresentano attualmente la migliore risposta a questa esigenza di mercato, offrendo essi la possibilità di effettuare le operazioni tradizionalmente svolte in laboratori specializzati mediante apparati di misura macroscopici, con sistemi miniaturizzati, portatili e a basso costo. Sebbene negli ultimi anni siano stati sperimentati differenti approcci tecnologici per la produzione di questi microsistemi, che vanno dalla microlavorazione del vetro al micromolding di materiali plastici, le tecnologie microelettroniche ed il silicio rappresentano ad oggi la soluzione in assoluto più praticabile. L’elevato grado di sviluppo, complessità ed affidabilità raggiunto dalla tecnologia del silicio, grazie all’esperienza di più di mezzo secolo nel campo dei circuiti integrati, consente di avere grossi volumi di produzione con ridotti costi unitari e permette la realizzazione di dispositivi elettronici ed elettromeccanici di dimensioni estremamente ridotte. Inoltre, le >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I Lab-on-Chip hanno rivoluzionato il settore delle analisi chimiche e biochimiche, aprendo la possibilità di effettuare le operazioni tradizionalmente effettuate in laboratori specializzati mediante apparati di misura macroscopici, con sistemi miniaturizzati, portatili e a basso costo [1, 2]. I principali vantaggi sono individuabili nel basso consumo di potenza, nelle ridotte dimensioni e peso, oltre che nei piccoli volumi in gioco, che hanno come conseguenza una diminuzione del tempo necessario alla sintesi e all’analisi del prodotto, del costo dei reagenti, della quantità di prodotti chimici da smaltire, etc. I sistemi Lab-on-Chip richiedono la sinergia delle competenze di diversi settori di ricerca: la sensoristica, la microfluidica, la microfabbricazione e la biochimica. L’obiettivo è quello di realizzare un sistema miniaturizzato che permetta l’analisi quantitativa di un elevato numero di interazioni chimiche e biochimiche, per applicazioni al campo della biomedica, della genomica, della proteomica, della farmacologia, ma con impieghi anche in settori quali quello ambientale, agroalimentare, etc. I Lab-on-Chip, nella loro schematizzazione più semplice, possono essere visti come un microsistema che integra una parte microfluidica, una parte sensibile, e una parte di trasduzione. Nel caso in cui la parte sensibile sia di natura biologica e la parte di trasduzione sia di natura ottica, si parla di biochip optofluidico. Tra i biochip di tipo optofluidico proposti in >>>