RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

u.v. microarrays per il riconoscimento di DNA

Università di riferimento

Politecnico di BARI - ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA - BARI(BA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Daniela DE VENUTO

Descrizione

L'obiettivo finale del progetto è la realizzazione di una matrice di "siti di riconoscimento" ciascuno composto di uno strato bio-funzionalizzato di DNA che si comporta quindi da sonda e che viene allineato con una matrice (array) di sensori sensibili agli u.v. Tale sistema permette di verificare diversi campioni di DNA simultaneamente ed in modo rapido. Le tecniche uv permettono inoltre l'impiego, quale elemento sensibile dell'array, di rivelatori a stato solido in grado di analizzare il DNA senza uso di marcatori, rendendo più agevole la predisposizione della sonda biologica e quindi l'esame biologico ed il riconoscimento. Il rilievo del fenomeno di ibridizzazione del DNA e cioè il legarsi di una catena a singola elica con la catena complementare, è reso possibile da una variazione dell'assorbimento u.v. da parte del sensore.
Nell'ambito di tale progetto, l'Unità di Bari dovrà interessarsi di progettare il circuito di read-out dell'array di sensori, di cui il singolo elemento è stato già studiato e verificato nel PRIN2003 dall'Unità III, partner anche nel 2005 e che a sua volta definirà la matrice degli elementi sensibili nella versione array. La struttura del singolo pixel è quella di un diodo pin, fabbricato in configurazione a sandwich, elettrodo/pin/elettrodo su un substrato di vetro. Gli strati di semiconduttore sono in silicio amorfo e sono usati tecnologicamente per implementare il rivelatore. L'attuale fotorivelatore mostra diverse caratteristiche innovative rispetto a quelle già esistenti: la curva di sensitività mostra appunto il massimo della risposta in corrispondenza degli uv, sono ciechi al visibile senza richiedere trattamenti ottici o meccanici, possono essere integrati in array di grandi dimensioni, il substrato utilizzato può essere sia dielettrico che materiale conduttivo, il costo è estremamente basso. Dal punto di vista elettrico il rilievo della ibridazione del DNA è resa evidente dalla variazione della corrente rivelata. L'elettronica di lettura di cui si occuperà l'Unità di Bari deve essere in grado di rivelare tale variazione superando problematiche quali: la corrente di buio ed conseguente offset che nella versione array può causare mismatch e quindi possibilità di errata valutazione comparativa dei siti ed il rumore elettrico in bassa frequenza. Infatti a causa della banda del segnale molto prossima alla continua, risulta complesso evitare che la corrente di buio, segnale dc ed il rumore in bassa frequenza senza deteriorare l'entità e la qualità del segnale.
La possibilità di avere dei pixel di grande area rende possibile il posizionamento e allineamento meccanico dello strato funzionalizzato sui corrispondenti elementi attivi dell'array ma d'altro canto introduce capacità di valore elevato che possono influenzare il comportamento alle basse frequenze e che possono variare da cella a cella.
A sopperire a questa possibile disuniformità tra i diversi pixel, è la possibilità di usare alcuni elementi o righe come celle di riferimento, al fine di effettuare una lettura differenziale e quindi sopprimere eventuali segnali spurii di modo comune (come per esempio variazione dell'intensità incidente dovute a fluttuazioni della sorgente UV). La possibilità di effettuare misure differenziali permetterà di aumentare la risoluzione del sistema.

L'attività di questa unità dovrà quindi provvedere a fornire l'elettronica resa necessaria dalle soluzioni tecnologiche che l'Unità III fornirà per quanto concerne l'array dei sensori.
In particolare sarà realizzata una matrice attiva, dove ogni elemento dell'array contiene un sensore u.v. ed un dispositivo di switch. Tutte le linee di controllo dei dispositivi di switch degli elementi di una riga sono connessi insieme ad una uscita di un dispositivo di indirizzamento (driver di riga) e tutte le linee di uscita degli elementi di una colonna sono collegate ad un amplificatore (amplificatore di colonna). In questo modo, attivando una riga, tutti i segnali degli elementi di quella riga saranno presenti in parallelo all'ingresso degli amplificatori di colonna, per cui la matrice può essere letta riga per riga. Nel corso di questo progetto saranno realizzati array a matrice attiva in cui l'elemento di switch è un diodo in silicio amorfo posto back-to-back al sensore u.v.
Sarà inoltre realizzato un array con indirizzamento individuale dei singoli elementi. In questo caso ogni elemento dell'array contiene solo il sensore u.v., che sarà collegato alla sua elettronica di front-end.
A valle del front-end e dell'eventuale filtraggio un multiplexer permetterà di selezionare di volta in volta il pixel e di trasmettere il segnale in uscita ad un covertitore A/D con la risoluzione necessaria. Un sistema di equalizzazione delle soglie digitale o analogico può essere previsto a seguito della caratterizzazione dei dispositivi.

L'attività sarà articolata nelle fasi descritte di seguito:

I fase (1° anno)
Il primo anno sarà dedicato allo studio delle caratteristiche del segnale proveniente dal singolo sensore sia questo nella versione matrice attiva che nella versione con indirizzamento individuale. Infatti al variare delle tecnologie e dei substrati individuati dai Colleghi dell'Unità III, le prestazioni del sensore potranno differire richiedendo l'individuazione di opportune soluzioni e nella definizione del front-end che nella definizione del circuito di polarizzazione del pixel. A tal proposito non banale risulterà la corretta polarizzazione del sensore nella versione matrice attiva che risulta molto interessante anche perché permette una elettronica più snella con una riduzione dei canali di lettura necessari. In questo caso infatti è necessario che i due diodi (il diodo di switch e qullo attivo) necessitano di avere la stessa soglia in caso contrario si rischia lo spegnimento del sensore attivo. Per tale ragione per sopperire l'eventuale mismatch tra le due soglie è necessario prevedere la possibilità di calibrare le condizioni di polarizzazione più opportune. Questa parte sarà sviluppata in stretta collaborazione con le Unità III.
Il preamplificatore deve provvedere se si vuole evitare l'introduzione di un post-filtraggio una limitazione in banda alle alte e basse frequenza, basso rumore e facilità di eventuale integrazione. La potenzialità di configurazioni switched-capacitor sarà considerata al fine di eliminare dal segnale dal rumore elettrico.

II fase (2° anno)
Nel successivo anno si prevede di realizzare un sistema di 16 pixel completi di elettronica su board ma che presenti caratteristiche da essere implementata a stretto contatto con il pixel con tecniche ibride o di flip-chip. Il sistema sarà multiplexato ed il segnale sarà convertito in digitale.
Per l'elettronica in versione array sarà da prevedere anche una o due righe per il test elettrico della sola elettronica prima e durante il funzionamento del sistema completo.
Ciascuna delle fasi sarà completata dalla caratterizzazione dei sistemi e dalle misure con campioni biologici. I risultati ottenuti saranno confrontati con quelli del secondo dimostratore in studio presso le Unità I e IV.