ITRM20070028A1 - Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare, e relativo procedimento di fabbricazione. - Google Patents

Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare, e relativo procedimento di fabbricazione. Download PDF

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ITRM20070028A1
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Cesare Giampiero De
Cesare Manetti
Augusto Nascetti
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
"Sistema integrato per analisi chimica e/o biomoleco-lare, e relativo procedimento di fabbricazione"
La presente invenzione riguarda un sistema in-tegrato per analisi chimica e/o biomolecolare. L'invenzione riguarda inoltre un procedimento di fab-bricazione del summenzionato sistema.
Più in particolare, il sistema proposto secondo la presente invenzione consente di realizzare su un unico supporto un sistema completo di analisi chimica e/o biomolecolare, semplice ed affidabile, ottenibile con un procedimento di fabbricazione che po' essere eseguito bassa temperatura, risultando affidabile ed economico.
L'invenzione proposta si va ad inserire nel settore specifico dei e dei Lab on Chip, sistemi ca-paci di effettuare analisi complesse in modo automa-tizzato e veloce, utilizzando piccole quantità del campione sotto analisi che possono essere utilizzati dall'analisi del DNA per riconoscimento genetico, all'analisi tossicologica "in situ" di sostanze de-stinate all'alimentazione, per le quali esiste una normativa severa del controllo di qualità.
Sostanzialmente, l'invenzione propone una tec-nologia per l'analisi chimica e/o biomolecolare, che trova applicazione nei diversi campi delle biotecno-logie.
La soluzione proposta secondo la presente in-venzione permette di integrare, su un unico supporto, le operazioni fondamentali di un'analisi chimica e/o bio-molecolare, quali la separazione delle sostanze da analizzare, la movimentazione delle sostanze verso siti di reazione e/o di analisi, il controllo del meccanismo di reazioni da far eventualmente avvenire sul dispositivo a fini preparativi o di marcatura, la verifica del decorso degli eventi reattivi sfruttando le caratteristiche spettroscopiche e cromatografiche degli analiti, la rilevazione a fini analitici di fe-nomeni di fluorescenza, chemiluminescenza e biolumi-nescenza riconducibili all'analita (composti non chemiluminogenici possono essere misurati dopo apposita marcatura).
La fabbricazione dell'intero sistema si basa sull'utilizzo delle tecnologie dei film sottili e dei film spessi, normalmente utilizzate nella microelet-tronica che, come è noto, permettono la realizzazione di strutture con geometrie micrometriche su substrati di vario tipo (materiale e forma) e di dimensioni di diversi cm<2>; in particolare potranno essere usati co-me supporto vetrini da laboratorio su cui verranno deposti materiali di diversa natura, atti alla depo-sizione del campione ed alla sua separazio-ne/migrazione verso gli elementi attivi.
Il dispositivo proposto secondo la presente in-venzione potrà essere utilizzato per la caratterizza-zione strutturale dei materiali depositati mediante la misura delle diffusione attraverso gli stessi di molecole fluorescenti con caratteristiche chimico-fisiche note.
Rispetto alle tecniche note, che richiedono per ogni procedura un apparato dedicato, la possibilità che si ottiene secondo l'invenzione di avere a dispo-sizione uno strumento compatto, con integrate tutte le principali procedure della analisi, consente di-versi vantaggi, tra cui la: semplicità di utilizzo, la velocità di analisi, la portabilità, e la possibi lità di controllo remoto della procedura per analisi in ambienti ostili.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare comprendente un supporto, su un la-to del quale è realizzato un fotosensore, e sulla stessa faccia, o sulla faccia opposta a detto foto-sensore è posizionato il campione da analizzare, det-to fotosensore fornisce una corrente proporzionale alla potenza luminosa emessa da campioni chemiluminescenti, bioluminescenti o fluorescenti, la lettura della fotocorrente consentendo una misura quantitati-va del campione sotto analisi, nel caso di campioni fluorescenti, o di misure effettuate in assorbimento, il sistema dovendo essere illuminato da opportuna ra-diazione elettromagnetica, potendosi determinare so-stanze con caratteristiche intrinseche di emissione, oppure potendosi mettere in atto procedure di marca-tura, rendendo più specifica la determinazione.
In particolare, secondo l'invenzione, detto supporto può essere costituito da un vetrino da labo-ratorio.
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto fotosensore è un fotosensore in silicio amorfo, in particolare costituito da strati sovrapposti in modo da realizzare una struttura p-doped/intrinseco/ndoped, ovverosia una struttura a due contatti elet-trici, che opportunamente polarizzati rendono attivo il diodo come fotosensore.
Sempre secondo l'invenzione, detto sistema com-prende mezzi per la separazione delle sostanze da analizzare, mezzi per la movimentazione delle sostanze verso siti di reazione e/o di analisi, e mezzi per il controllo del meccanismo di reazioni che avvengono sul dispositivo a fini preparativi o di marcatura, mezzi per la verifica del decorso degli eventi reat-tivi sfruttando le caratteristiche spettroscopiche e cromatografiche degli analiti, mezzi per la rileva-zione a fini analitici di fenomeni di fluorescenza, chemiluminescenza e bioluminescenza, o assorbimento riconducibili all'analita.
In particolare, secondo l'invenzione, la prepa-razione del campione per l'analisi può essere effet-tuata direttamente sul dispositivo con i metodi della cromatografia su strato sottile e/o tramite una corsa elettroforetica o dielettroforetica e/o tramite pro-cedure chimiche compresa quella di amplificazione biomolecolare con polimerasi a catena (PCR) indotte da cicli termici.
Ancora secondo l'invenzione, la movimentazione molecolare e l'eventuale separazione degli analiti presenti nella miscela potrà essere effettuata secon-do le metodiche della cromatografia su strato sottile utilizzando le opportune fasi mobili, e/o con l'ausilio di campi elettrici di intensità e frequenza opportuni, applicati su strutture di elettrodi con-duttivi, depositati sulla superficie del substrato tramite tecniche dei film sottili (evaporazione, sputtering ecc.), ed opportunamente conformati con tecniche fotolitografiche.
Ulteriormente, secondo l'invenzione, gli even-tuali cicli termici potranno essere effettuati in zo-ne del substrato su opportuni riscaldatori, consi-stenti in resistori a film sottile fabbricati con le tecniche planari della microelettronica, con sensori di temperatura formati da giunzioni di metalli e/o semiconduttori amorfi in film sottile.
Ancora secondo l'invenzione, la verifica del decorso degli eventi reattivi potrà essere effettua-ta, attraverso sensori a film sottile realizzati sul-lo stesso substrato in grado di monitorare la varia-zione di un parametro chimico-fisico, quali: assorbi-mento o emissione, conducibilità elettrica etc.
Secondo l'invenzione, le operazioni summenzio-nate potranno essere gestite in maniera automatica da un unico sistema elettronico di controllo elettrica-mente connesso al supporto.
L'invenzione riguarda inoltre un procedimento per la fabbricazione del sistema descritto in prece-denza, che prevede tutte o alcune delle seguenti fa-si:
- deposizione con tecnica Physical Vapour Deposition (PVD) in alto vuoto di un film sottile (<1 micron) metallico (es. lega titanio/tungsteno), e con-formazione, tramite processo di fotolitografia e at-tacco chimico selettivo, del resistore riscaldante, e/o del contatto inferiore del diodo per la misura della temperatura, e/o dei contatti inferiori dei fo-todiodi per il monitoraggio della corsa elettroforetica, e/o delle piste di colonna della matrice di fo-norivelatori,
- deposizione del diodo in silicio amorfo idro-genato (a.Si:H) tramite tecnica Chemical Vapour Deposition (CVD), con struttura multistrato n-doped / in-trinseco / p-doped, con spessore totale minore di 1 micron, e conformazione, per fotolitografia ed attac-co chimico/fisico in plasma reattivo (RIE), delle a ree dei dispositivi sulle geometrie dei contatti me-tallici corrispondenti,
- deposizione di uno strato isolante (esempio: nitruro di silicio, ossido di silicio), e realizza-zione, per fotolitografia e attacco selettivo, dei fori di interconnessione elettrica (via-hole) sui di-spositivi attivi in a-Si,
- deposizione per Sputtering in alto vuoto di un film sottile di ossido conduttivo e trasparente (TCO), e conformazione, per fotolitografia e attacco chimico, delle geometrie dei contatti elettrici supe-riori dei fotorivelatori nella zona centrale del si-stema, e della piste di riga della matrice,
- passivazione del sistema tramite deposizione CVD di uno strato di nitruro di silicio,
- realizzazione con tecniche dei film sottili o per serigrafia di paste conduttrici, degli elettrodi metallici paralleli, attraverso i quali sarà possibi-le indurre opportuni campi elettrici per la movimentazione per elettroforesi della sostanza sotto anali-si.
- deposizione sullo lato del supporto con i fo-tosensori, o sul lato opposto, di materiale atto a confinare la miscela del campione o che funga da fase fissa per una corsa cromatografica o elettroforetica.
La scelta del materiale andrà fatta in dipendenza de-gli analiti da determinare.
La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, con particolare ri-ferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: la figura 1 mostra uno schema di base di un si-stema secondo l'invenzione;
le figure 2, 3 e 4 mostrano grafici relativi a esperimenti effettuati impiegando il sistema di figu-ra 1;
le figure 5a e 5b sono viste di un prototipo di un sistema secondo l'invenzione;
le figure 6 e 7 mostrano grafici relativi alla fotocorrente di uno dei fotosensori in silicio amorfo della matrice, durante la corsa cromatografica delle sostanze contenute in un detergente ed in un inchio-stro evidenziatore; Fase fissa : gel di silice; fase mobile: alcool etilico; e
la figura 8 mostra una seconda forma di realiz-zazione del sistema secondo l'invenzione;
Osservando inizialmente la figura 1, è mostrato uno schema del principio di funzionamento del sistema secondo l'invenzione, che prevede un fotosensore 1 in silicio amorfo previsto su un vetrino da laboratorio 2, sulla cui faccia opposta in posizione allineata con il sensore 1, viene posizionata la sostanza 3 da analizzare.
Nel caso illustrato le sostanze da analizzare sono fluorescenti, illuminando il substrato con ra-diazione ultravioletta il pigmento fluorescente ecci-tato emetterà luce visibile.
Nel caso in cui si analizzano sostanze non fluorescenti, l'analisi può avvenire marcando preven-tivamente l'analita con fluorocromi standard. La luce emessa dal fluorocromo, eccitato dalla radiazione ul-travioletta, produce nel sensore 1, posto sulla su-perficie opposta del vetrino 2, una corrente propor-zionale alla potenza luminosa incidente. Attraverso la lettura della fotocorrente del sensore 1, è possi-bile quindi avere una risposta quantitativa della so-stanza sotto analisi.
I fotorivelatori utilizzati per il sensore 1 sono costituito da strati di silicio amorfo impilati l'uno sull'altro in modo tale da realizzare un strut-tura p-doped/intrinseco/n-doped (p-i-n).
Si tratta quindi di un dispositivo a due con-tatti elettrici, che polarizzati opportunamente ren-dono attivo come fotosensore il diodo. Un'appropriata progettazione della struttura, ed in particolare degli spessori e dell'assorbimento ottico degli strati consente di massimizzare la risposta del fotosensore 1 alla lunghezza d'onda di emissione del fluorocromo.
In questo modo si ottengono diversi vantaggi, quali l'automatico allineamento tra la sostanza 3 da rilevare e il fotorivelatore, ed il filtraggio della radiazione di eccitazione UV nei confronti della luce di emissione del fluorocromo, consentendo l'eliminazione di complessi sistemi ottici con la conseguente diminuzione di costi.
Per indagare l'efficacia di questo sistema e caratterizzarne la sensibilità, è stata eseguita una serie di esperimenti per le strutture p-i-n, utiliz-zando concentrazioni crescenti di DNA marcato in so-luzione e misurando i valori della fotocorrente del sensore. E' stato scelto il fluorocromo "Alexa Fluor 350", che presenta un picco di eccitazione a 350 nm ed un picco di emissione nel visibile a 450 nm.
L'andamento della fotocorrente in funzione del-la concentrazione mostra un'eccellente linearità ed una minima concentrazione rilevabile di DNA pari a 3nmol/l. Tenendo conto dell'attività specifica del fluorocromo nel nostro processo di marcatura questo valore corrisponde ad una minima densità superficiale di fluorocromi pari a circa 50fmol/cm<2>. Questo valore è confrontabile con quello ottenuto con apparecchia-ture standard di laboratorio, ma molto più costose.
L'idea alla base è stata applicata anche nel campo della "Food Quality Control" per la rilevazione di micotossine. In particolare, sono state misurate le fotocorrenti indotte nel sensore da soluzioni con-tenenti concentrazioni differenti di Ocratossina A (OTA) standard. Questa pericolosa micotossina può trovarsi ad esempio nel vino in cui il limite di leg-ge è fissato a 2 ppb. Anche in questo caso l'esperimento ha dimostrato una buona linearità del sistema, individuando una minima quantità rilevabile di circa 0.lng.
Ancora a titolo illustrativo, ma non limitati-vo, nelle figure 5a e 5b, è mostrato un prototipo di sistema integrato su vetro, per la particolare appli-cazione per analisi cromatografica. Su una faccia di un substrato di vetro è depositato uno strato di gel di silice (fase fissa), mentre sulla faccia opposta è realizzata una fila di 16 fotosensori in silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) (fig. 2a). Il contatto in-feriore dei dispositivi è realizzato da un unico film di ossido conduttivo e trasparente (TCO), mentre i contatti superiori sono realizzati con film sottile metallico. Il sistema è elettricamente connesso al circuito elettronico esterno tramite un'opportuna ge-ometria di piste metalliche fino al bordo del vetro, ed un connettore standard "a slitta" (fig. 5b).
Una piccola aliquota del campione da analizzare viene disposta su gel di silice, vicino al bordo, dal quale, per capillarità, verrà fatta fluire una misce-la di solventi, opportunamente scelti (fase mobile), che determineranno la migrazione dei diversi compo-nenti la miscela con modalità dovute alle caratteri-stiche molecolari (dimensioni e carica).
I componenti del campione si depositeranno cia-scuno ad una distanza diversa dalla posizione di par-tenza, delineando una struttura a bande caratteristi-ca del campione analizzata (fig. 5a).
Come già accennato in quel che precede, nel ca-so le sostanze da analizzare siano naturalmente fluo-rescenti, illuminando il substrato con radiazione ul-travioletta, il pigmento fluorescente eccitato emet-terà luce visibile. Attraverso la lettura della foto-corrente dei sensori posti sulla superficie opposta del vetrino, è possibile determinare la posizione delle bande della corsa cromatografia. Confrontando il risultato con campioni di riferimento, si può con-fermare la natura dell'analita. Nel caso di sostanze non fluorescenti, il riconoscimento può avvenire mar cando preventivamente 1'analita con fluorocromi stan-dard, o, in alternativa possono essere utilizzati per la fase fissa gel fluorescenti, nel qual caso il si-stema fornirà una immagine negativa della struttura delle bande dell'analita.
Ovviamente, nel caso in cui l'analita mostri chemiluminescenza o bioluminescenza (caratteristica o indotta da marcatura) non sarà necessario l'uso di una sorgente esterna.
Con lo stesso sistema può essere effettuata una misura in tempo reale della migrazione della sostanza attraverso la fase fissa, monitorando la fotocorrente di fotosensori differenti. Dalla conoscenza della di-stanza tra i dispositivi è possibile risalire alla velocità di spostamento dell'analita, caratteristica dell'analita stesso e/o della fase fissa utilizzata.
Per la realizzazione del prototipo di figura 5 (applicazione alla cromatografia su strato sottile) si effettua un procedimento che prevede le seguenti fasi:
- deposizione per Sputtering di uno strato, con spessore di 1 micron, di Ossido di Indio e Stagno, che agisce da TCO;
- deposizione del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) tramite tecnica di deposizione a vapore chimico (Chemical Vapour Deposition) (CVD) con struttura multistrato p-doped/intrinseco/n-doped, con spessore totale minore di 1 micron, ed evaporazione termica in vuoto di un film sottile metallico. Conformazione, per fotolitografia ed attacco chimico/fisico in pla-sma reattivo (RIE), delle aree dei dispositivi;
- deposizione, per Spin-coating, di uno strato isolante e realizzazione, per fotolitografia e attac-co selettivo, dei fori di interconnessione elettrica (via-hole) sui dispositivi attivi in a-Si;
- deposizione per Sputtering in alto vuoto di un film sottile di titanio, e conformazione, per fo-tolitografia e attacco chimico, delle geometrie delle piste metalliche dai contatti elettrici superiori dei fotorivelatori al bordo del substrato di vetro per la connessione al circuito esterno di gestione del pro-cesso, con contatti "a slitta" di tipo standard;
- posizionamento della fase fissa della corsa cromatografia (gel di silice), sulla superficie del vetro opposta ai sensori.
Il prototipo realizzato mostrato nelle figure 5a - 5b è stato sottoposto a due esperimenti di ana-lisi cromatografica.
In una prima prova è stata determinata la pre-senza di sostanze fluorescenti in un campione di detersivo per tessuti, mentre nella seconda è stata ri-velata la presenza di pigmenti fluorescenti in un pennarello evidenziatore.
Nelle figure 6 e 7 sono mostrati i grafici del-la fotocorrente di uno dei fotosensori in silicio amorfo della matrice, durante la corsa cromatografica, nella quale è stata utilizzata come fase mobile alco-ol etilico, delle sostanze contenute nel detergente e nell'evidenziatore. Durante le prove, la lastrina con il gel di silice è stata illuminata con luce ultravioletta. Il salto di corrente evidente in figura 6 corrisponde al passaggio sopra l'area del sensore della sostanza fluorescente contenuta nel sapone. Nella figura 7 sono evidenti tre incrementi di cor-rente corrispondenti a tre diverse componenti conte-nute nel colore dell'evidenziatore.
Sempre a titolo dimostrativo ma non limitativo dell'invenzione, la figura 8, mostra un esempio di sistema integrato su vetro, più completo del prece-dente, su cui possono essere eseguite tutte le opera-zioni fondamentali di un'analisi chimica e/o bio-molecolare, ed in particolare funzioni necessarie per il riconoscimento di frammenti di DNA.
Il substrato 2 può essere costituito da un ve-trino da laboratorio delle dimensioni 2,5 x 7,5 x 0,1 cin , sul quale vengono realizzate le strutture dedicate alle varie operazioni da fare per l'analisi completa .
Sopra questa struttura viene deposto uno strato di passivazione che isola la sostanza sotto analisi dalla parte attiva del sistema. Preventivamente al processo di riconoscimento molecolare, sedici diverse sequenze note di molecole di DNA a singola elica, vengono immobilizzate con tecniche di "spotting" standard, su siti 4 corrispondenti a 16 pixel di una matrice di fotorivelatori in silicio amorfo, realiz-zati direttamente sul substrato.
Alcune frammenti a singola elica di DNA inco-gnito in soluzione vengono immesse su un'area di lxl cm<2>, dedicata alla amplificazione molecolare attra-verso la tecnica PCR, su cui è realizzato un resistore metallico a film sottile 5 (ad esempio in cromo) con un sensore di temperatura a diodo in silicio amorfo 6. I contatti elettrici del resistore e del diodo arrivano su un bordo del vetro per la connes-sione al circuito esterno di alimentazione 7.
Dopo la fase di amplificazione, inizia la corsa elettrof oretica delle molecole, con la applicazione di un campo elettrico tra almeno due elettrodi metal-lici 8 realizzati sopra lo strato di passivazione.
Lungo la corsa, per un'area di 1x3 cm<2>, è possibile il monitoraggio, in tempo reale, del passaggio delle molecole, attraverso la lettura del segnale di foto-corrente fornito da fotorivelatori 9 in silicio amor-fo di area 1 x 10 mm<2>.
Superata questa zona, la corsa elettroforetica delle molecole di DNA continua attraversando la zona dedicata al riconoscimento. Se la singola elica di DNA incognito incontra lungo la corsa la molecola complementare, tra le 16 sequenze immobilizzate, av-viene la reazione che ricostruisce la doppia elica (ibridazione). In questo caso la molecola termina la sua corsa elettroforetica fissandosi sul sito corri-spondente. Illuminando con una opportuna luce monocromatica l'area della matrice dei 4 x 4 fotorivela-tori in silicio amorfo 4, sottostanti i siti funzionalizzati, e misurando la fotocorrente dei dispositi-vi, prima e dopo la eventuale ibridazione si può ri-conoscere il sito ibridizzato e, da questo, il tipo di DNA incognito.
La presente invenzione è stata descritta a ti-tolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apporta-te dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. sistema integrato per analisi chimica e/o biomole-colare comprendente un supporto, su un lato del quale è realizzato un fotosensore, e sulla stessa faccia, o sulla faccia opposta a detto fotosensore è posiziona-to il campione da analizzare, detto fotosensore for-nisce una corrente proporzionale alla potenza lumino-sa emessa da campioni chemiluminescenti, biolumine-scenti o fluorescenti, la lettura della fotocorrente consentendo una misura quantitativa del campione sot-to analisi, nel caso di campioni fluorescenti, o di misure effettuate in assorbimento, il sistema dovendo essere illuminato da opportuna radiazione elettroma-gnetica, potendosi determinare sostanze con caratte-ristiche intrinseche di emissione, oppure potendosi mettere in atto procedure di marcatura, rendendo più specifica la determinazione.
  2. 2. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che detto sistema comprende mezzi per la separazione delle sostanze da analizzare, mezzi per la movimentazione delle sostan-ze verso siti di reazione e/o di analisi, e mezzi per il controllo del meccanismo di reazioni che avvengono sul dispositivo a fini preparativi o di marcatura, mezzi per la verifica del decorso degli eventi reat-tivi sfruttando le caratteristiche spettroscopiche e cromatografiche degli analiti, mezzi per la rileva-zione a fini analitici di fenomeni di chemilumine-scenza e bioluminescenza riconducibili all'analita, mezzi per l'immobilizzazione di organismi che in pre-senza dell'analita esprimano molecole luminescenti.
  3. 3. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che detto fotosensore è un fotosensore in silicio amorfo, in particolare costituito da strati sovrapposti di silicio di tipo p-doped, intrinseco, e n-doped, ovverosia una strut-tura a due contatti elettrici, che opportunamente po-larizzati rendono attivo il dispositivo come fotosen-sore,
  4. 4. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che la preparazione del campione per l'analisi è effettuata direttamente sul dispositivo con metodi chimici e/o biochimici (es. tramite reazioni di amplificazione biomolecolare con polimerasi a catena (PCR) indotte da cicli termi-ci, oppure sfruttando reazioni che coinvolgano enzimi specifici per l'analita e determinino fenomeni lumi-nescenti); la separazione degli analiti ottenuta con i metodi della cromatografia su strato sottile e/o tramite una corsa elettroforetica o dielettroforeti-ca.
  5. 5. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che la movimentazione molecolare e l'eventuale separazione degli analiti presenti nella miscela è effettuata per capillarità e/o con l'ausilio di campi elettrici di intensità e frequenza opportuni, applicati su strutture di elet-trodi conduttivi, depositati sulla superficie del substrato tramite tecniche dei film sottili (evapora-zione, sputtering ecc.), ed opportunamente conformati con tecniche fotolitografiche.
  6. 6. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che gli eventuali ci-cli termici sono effettuati in zone del substrato su opportuni riscaldatori, consistenti in resistori a film sottile fabbricati con le tecniche planari della microelettronica, con sensori di temperatura formati da giunzioni di metalli e/o semiconduttori amorfi in film sottile.
  7. 7. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che la verifica del decorso degli eventi reattivi è effettuata, attraver-so sensori a film sottile realizzati sullo stesso substrato in grado di monitorare la variazione di un parametro chimico-fisico, quali: assorbimento o emis-sione, conducibilità elettrica etc.
  8. 8. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato da materiali utili all'immobilizzazione di sistemi cellulari in grado di esprimere molecole luminescenti (es. materiali hydrogel)
  9. 9. Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare secondo una delle rivendicazioni prece-denti, caratterizzato dal fatto che le operazioni in-dicate nelle rivendicazioni precedenti sono gestite in maniera automatica da un unico sistema elettronico di controllo elettricamente connesso al supporto.
  10. 10. Procedimento per la fabbricazione del si-stema descritto in precedenza, detto procedimento prevedendo tutte o alcune delle seguenti fasi: - deposizione con tecnica Physical Vapour Deposition (PVD) in alto vuoto di un film sottile (<1 micron) metallico (es. lega titanio/tungsteno), e con-formazione, tramite processo di fotolitografia e at-tacco chimico selettivo, del resistore riscaldante, e/o del contatto inferiore del diodo per la misura della temperatura, e/o dei contatti inferiori dei fo-todiodi per il monitoraggio della corsa elettroforetica, e/o delle piste di colonna della matrice di fo-norivelatori, - deposizione del diodo in silicio amorfo idro-genato (a.Si:H) tramite tecnica Chemical Vapour Deposition (CVD), con struttura multistrato n-doped / in-trinseco / p-doped, con spessore totale minore di 1 micron, e conformazione, per fotolitografia ed attac-co chimico/fisico in plasma reattivo (RIE), delle aree dei dispositivi sulle geometrie dei contatti me-tallici corrispondenti, - deposizione di uno strato isolante (esempio: nitruro di silicio, ossido di silicio), e realizza-zione, per fotolitografia e attacco selettivo, dei fori di interconnessione elettrica (via-hole) sui di-spositivi attivi in a-Si, - deposizione di un film sottile di ossido con-duttivo e trasparente (TCO), e conformazione, per fo tolitografia e attacco chimico, delle geometrie dei contatti elettrici superiori dei fotorivelatori nella zona centrale del sistema, e della piste di riga del-la matrice, - passivazione del sistema tramite deposizione CVD di uno strato di nitruro di silicio, - realizzazione con tecniche dei film sottili o per serigrafia di paste conduttrici, degli elettrodi metallici paralleli, attraverso i quali sarà possibi-le indurre opportuni campi elettrici per la movimentazione per elettroforesi della sostanza sotto anali-si. - deposizione sullo lato del supporto con i fo-tosensori, o sul lato opposto, di materiale atto a confinare la miscela del campione o che funga da fase fissa per una corsa cromatografica o elettroforetica. La scelta del materiale andrà fatta in dipendenza de-gli analiti da determinare.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5605662A (en) * 1993-11-01 1997-02-25 Nanogen, Inc. Active programmable electronic devices for molecular biological analysis and diagnostics
US6875619B2 (en) * 1999-11-12 2005-04-05 Motorola, Inc. Microfluidic devices comprising biochannels
KR100452946B1 (ko) * 2002-11-26 2004-10-14 한국전자통신연구원 저전력형 미세 열순환 소자 및 그 제조 방법
EP1606416A2 (en) * 2003-03-10 2005-12-21 Casio Computer Co., Ltd. Dna analyzing apparatus, dna sensor, and analyzing method

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