ITTO20070341A1 - PROCEDURE AND DEVICE FOR ELECTRIC TRANSDUCTION FOR THE DETECTION OF BIO-RECOGNITION EVENTS IN BIOMOLECULAR INTERACTION PROCESSES FOR GENOMIC / PROTEOMIC ANALYSIS - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento e dispositivo a trasduzione elettrica per la rivelazione di eventi di bio-riconoscimento in processi di interazione biomolecolare per analisi genomiche/proteomiche' DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Procedure and electrical transduction device for the detection of bio-recognition events in biomolecular interaction processes for genomic / proteomic analysis"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda la rivelazione di eventi di bio-riconoscimento in processi di interazione biomolecolare, e più specificamente un procedimento ed un dispositivo di rivelazione di eventi di bio-riconoscimento, rispettivamente secondo il preambolo della rivendicazione 1 e della rivendicazione 31. The present invention relates to the detection of bio-recognition events in biomolecular interaction processes, and more specifically to a method and a device for the detection of bio-recognition events, respectively according to the preamble of claim 1 and claim 31.
Nell'ultimo decennio sì è assistito allo sviluppo di cosiddetti bio-chip, strutture complesse essenzialmente planari sulla cui superficie sono immobilizzate biomolecole (ad esempio DNA, proteine, cellule) in grado di effettuare un riconoscimento selettivo di una o più specie molecolari di interesse (identificate come specie target o, più in generale, analiti). In the last decade there has been the development of so-called bio-chips, essentially planar complex structures on whose surface biomolecules are immobilized (for example DNA, proteins, cells) capable of carrying out a selective recognition of one or more molecular species of interest ( identified as target species or, more generally, analytes).
L'avvento dei bio-chip ha contribuito fortemente alla conoscenza della genomica e proteomica, alla diagnostica sperimentale e clinica, alla farmacologia e alla farmacogenomica. The advent of bio-chips has greatly contributed to knowledge of genomics and proteomics, experimental and clinical diagnostics, pharmacology and pharmacogenomics.
I trasduttori che permettono di rivelare selettivamente la presenza delle specie molecolari di interesse sono principalmente di tipo ottico e si basano sulla misura della fluorescenza indotta nel sito di bio-riconoscimento a seguito della reazione di legame tra specie molecolari sonda e specie molecolari target interagenti. Generalmente, una o entrambe le specie interagenti sono coniugate ad un marcatore fluorescente (fluoroforo). The transducers that allow to selectively detect the presence of the molecular species of interest are mainly of the optical type and are based on the measurement of the fluorescence induced in the bio-recognition site following the binding reaction between probe molecular species and interacting target molecular species. Generally, one or both of the interacting species are conjugated to a fluorescent marker (fluorophore).
Le diverse tipologie di bio-chip note sono accomunate da un notevole svantaggio. Esse infatti eseguono un riconoscimento esclusivamente qualitativo (ossia, del tipo on-off, per accertamento del la presenza o assenza della specie target), ma non permettono di estrarre informazioni in tempo reale di tipo quantitativo (ossia indicative della concentrazione dell<1>analita o specie target). The different types of known bio-chips share a significant disadvantage. In fact, they perform an exclusively qualitative recognition (i.e., of the on-off type, to ascertain the presence or absence of the target species), but do not allow the extraction of quantitative information in real time (i.e. indicative of the concentration of the analyte or target species).
La rivelazione ottica richiede strumentazioni per la lettura dei segnali includenti dispositivi di ripresa CCD, tubi foto-moltiplicatori, dispositivi di scansione laser, che sono apparati sensibili, costosi e difficilmente trasportabili, generalmente reperibili in un laboratorio attrezzato. Necessita inoltre di marcatori a fluorescenza costosi, la cui emissione si estingue in un tempo relativamente breve. Si rivela pertanto scarsamente adatta alla realizzazione di apparecchiature destinate ad un impiego commerciale. Optical detection requires instrumentation for reading signals including CCD imaging devices, photo-multiplier tubes, laser scanning devices, which are sensitive, expensive and difficult to transport devices, generally available in an equipped laboratory. It also requires expensive fluorescence markers, the emission of which is extinguished in a relatively short time. It is therefore not very suitable for the realization of equipment intended for commercial use.
Scopo della presente invenzione è di proporre una metodologia di rivelazione di eventi di bioriconoscimento che consenta misure quantitative anche in presenza di esigua quantità di analita, e potenzialmente la rivelazione anche di singoli eventi di bio-riconoscimento. The object of the present invention is to propose a methodology for the detection of bio-recognition events which allows quantitative measurements even in the presence of a small quantity of analyte, and potentially the detection also of single bio-recognition events.
Ulteriore scopo dell'invenzione è di fornire un dispositivo per la rivelazione di eventi di bioriconoscimento che sia economico e di semplice fabbricazione, destinabile ad applicazioni point-ofcare, eventualmente monouso. A further object of the invention is to provide a device for detecting bio-recognition events that is inexpensive and easy to manufacture, suitable for point-of-care applications, possibly for single use.
A tale scopo formano oggetto dell'invenzione un procedimento per la rivelazione di eventi di bio-riconoscimento avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1, ed un dispositivo per la rivelazione di eventi di bio-riconoscimento avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 31. For this purpose, the subject of the invention is a process for the detection of bio-recognition events having the characteristics referred to in claim 1, and a device for the detection of bio-recognition events having the characteristics referred to in claim 31.
Modi particolari di realizzazione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Particular embodiments are the subject of the dependent claims.
Forma ulteriore oggetto dell'invenzione una disposizione su chip per la rivelazione simultanea di eventi dì bio-riconoscimento come rivendicato. A further object of the invention is an on-chip arrangement for the simultaneous detection of bio-recognition events as claimed.
In sintesi, forma oggetto dell'invenzione una metodologia di rivelazione di eventi di bioriconoscimento in processi di interazione biomolecolare basata su una trasduzione elettrica di tali eventi da parte di un sistema bio-ricettore di trasduzione comprendente sonde molecolari immobilizzate in uno o più dispositivi a nano-giunzione, preferibilmente realizzati secondo una tecnologia a buca quantica, atte ad interagire con rispettive specie molecolari target. In summary, the subject of the invention is a methodology for detecting bio-recognition events in biomolecular interaction processes based on an electrical transduction of these events by a transduction bio-receptor system comprising molecular probes immobilized in one or more nano devices. -junction, preferably made according to a quantum hole technology, suitable for interacting with respective target molecular species.
Sonde molecolari differenti, ad esempio ssDNA, anticorpi, recettori sono atte a reagire con corrispondenti analiti, quali DNA, proteine, ligandi, per investigare processi di interazione biomolecolare o identificare analiti di interesse. Different molecular probes, for example ssDNA, antibodies, receptors are able to react with corresponding analytes, such as DNA, proteins, ligands, to investigate biomolecular interaction processes or identify analytes of interest.
Ogni analita o biomolecola da identificare è marcato con almeno una nanoparticella conduttiva (ad esempio una nanoparticella metallica quale una nanoparticella di oro) o è in grado di interagire selettivamente (da una parte) con le sonde molecolari e (dall'altra) con segnalatori molecolari accoppiati ad una nanoparticella conduttiva. Ad esempio, l’analita può essere un filamento di DNA costituito da due elementi di riconoscimento contigui che sono complementari alle sonde molecolari in una estremità ed al segnalatore molecolare nell'altra. Le nanoparticelle conduttive sono coniugate all'analita o al segnalatore molecolare tramite un legame forte, ad esempio un legame covalente, e scelte in funzione della specie molecolare in esame. Each analyte or biomolecule to be identified is labeled with at least one conductive nanoparticle (for example a metal nanoparticle such as a gold nanoparticle) or is capable of selectively interacting (on the one hand) with molecular probes and (on the other) with molecular signalers coupled to a conductive nanoparticle. For example, the analyte can be a DNA strand consisting of two contiguous recognition elements that are complementary to the molecular probes in one end and to the molecular signaler in the other. The conductive nanoparticles are conjugated to the analyte or to the molecular marker through a strong bond, for example a covalent bond, and selected according to the molecular species under examination.
I dispositivi a nano-giunzione sono formati da una coppia di elettrodi separati da un gap dell'ordine di grandezza delle dimensioni delle nanoparticelle coniugate all'analita o al segnalatore molecolare, ossia qualche nanometro, più specificamente compreso tra 5 e 30 nanometri, ad esempio 20 nanometri. The nano-junction devices are formed by a pair of electrodes separated by a gap of the order of magnitude of the size of the nanoparticles conjugated to the analyte or molecular marker, i.e. a few nanometers, more specifically between 5 and 30 nanometers, for example 20 nanometers.
L’immobilizzazione delle sonde molecolari avviene sulla superficie degli elettrodi dei dispositivi a nano-giunzione. The immobilization of the molecular probes occurs on the surface of the electrodes of the nano-junction devices.
In seguito all'interazione specifica dell'analita {DNA, proteina, ligando) da determinare con una o più sonde molecolari {evento di bioriconoscimento) associate agli elettrodi dei dispositivi a nano-giunzione, o in seguito all'azione dell'analita come ponte tra le sonde molecolari e i segnalatori molecolari, una o più particelle coniugate all'analita o al rispettivo segnalatore molecolare vengono a disporsi tra gli elettrodi delle nano-giunzioni interconnettendoli, determinando un passaggio (od un aumento) di corrente tra essi facilmente misurabile a seguito dell'applicazione di una predeterminata differenza di potenziale, grazie alle proprietà conduttive delle nanopartìcelle coniugate all'analita o al segnalatore molecolare, che evidenzia l'evento di bio-riconoscimento. Following the specific interaction of the analyte (DNA, protein, ligand) to be determined with one or more molecular probes (bio-recognition event) associated with the electrodes of the nano-junction devices, or following the action of the analyte as a bridge between the molecular probes and the molecular signalers, one or more particles conjugated to the analyte or to the respective molecular signaler are arranged between the electrodes of the nano-junctions interconnecting them, causing a passage (or an increase) of current between them easily measurable following the application of a predetermined potential difference, thanks to the conductive properties of the nanoparticles conjugated to the analyte or molecular marker, which highlights the bio-recognition event.
Dal monitoraggio della variazione della corrente in funzione della tensione applicata in modo controllato ai capi degli elettrodi, è possibile determinare quantitativamente i processi di bioriconoscimento che avvengono nel dispositivo a nano-giunzione in assenza di segnale di fondo che co stìtuirebbe un potenziale disturbo di rivelazione. Una schiera di dispositivi a nano-giunzione, ciascuna della larghezza di qualche nanometro, è realizzabile a basso costo attraverso semplici tecniche fotolitografiche e di attacco chimico di buche quantiche e consente la rivelazione in parallelo di singoli eventi di bio-riconoscimento tra una pluralità di analiti/target e rispettive sonde molecolari attraverso la verifica di un aumento di corrente nei rispettivi dispositivi dedicati. By monitoring the variation of the current as a function of the voltage applied in a controlled manner to the ends of the electrodes, it is possible to quantitatively determine the bio-recognition processes that take place in the nano-junction device in the absence of a background signal which would constitute a potential detection disturbance. An array of nano-junction devices, each a few nanometers wide, is achievable at low cost through simple photolithographic and quantum-hole chemical etching techniques and allows the parallel detection of single bio-recognition events among a plurality of analytes / target and respective molecular probes by verifying an increase in current in the respective dedicated devices.
E' pertanto possibile realizzare una disposizione di rivelazione su chip, comprendente una schiera di dispositivi a nano-giunzione funzionalizzate con sonde molecolari differenti in funzione dei processi di interazione biomolecolare da investigare o degli analiti da identificare. It is therefore possible to realize an on-chip detection arrangement, comprising an array of nano-junction devices functionalized with different molecular probes according to the biomolecular interaction processes to be investigated or the analytes to be identified.
Vantaggiosamente, la metodologia di rivelazione oggetto dell'invenzione rende possibile la realizzazione pratica di dispositivi semplici ed economici. Advantageously, the detection methodology object of the invention makes possible the practical realization of simple and inexpensive devices.
Attraverso i dispositivi a nano-giunzione oggetto dell'invenzione è possibile effettuare rivelazioni accurate di eventi di bio-riconoscimento attraverso un flusso di corrente che avviene in seguito anche ad un singolo evento di bioriconoscimento, per cui è eliminabile qualsiasi segnale di fondo generato da specie libere in soluzione, al contrario dei sistemi attualmente disponibili. Through the nano-junction devices object of the invention it is possible to carry out accurate revelations of bio-recognition events through a current flow that also occurs following a single bio-recognition event, so that any background signal generated by species can be eliminated. free in solution, as opposed to currently available systems.
L'alta selettività e l’estrema sensitività della rivelazione rendono possibili misure quantitative e la rivelazione anche di un singolo evento di riconoscimento rende possibile, ad esempio, l'identificazione di molecole target {ad esempio, sequenze specifiche di DNA) presenti solo in numero molto pìccolo, per cui non è richiesto alcuno step di amplificazione, quale un processo di PCR nel caso in cui il numero di sequenze specifiche di DNA in un campione biologico sia molto basso, anche se tale processo di amplificazione non è da escludere a priori per altre applicazioni. The high selectivity and extreme sensitivity of the detection make quantitative measurements possible and the detection of even a single recognition event makes it possible, for example, to identify target molecules (for example, specific DNA sequences) present only in number very small, so no amplification step is required, such as a PCR process in the case in which the number of specific DNA sequences in a biological sample is very low, even if this amplification process is not to be excluded a priori for other applications.
La semplicità ed il basso costo di fabbricazione dei dispositivi a nano-giunzione ne permette una produzione di massa. Inoltre, siffatti dispositivi sono facilmente integrabili con circuiti microelettronici per il trattamento (amplificazione, filtraggio, modulazione, conversione analogico/digitale per la riduzione del rumore) dei segnali. I segnali di tipo elettrico consentono infine l'integrazione di strategie di memorizzazione e visualizzazione delle informazioni veicolate. The simplicity and low manufacturing cost of nano-junction devices allows for mass production. Furthermore, such devices can be easily integrated with microelectronic circuits for the processing (amplification, filtering, modulation, analog / digital conversion for noise reduction) of the signals. Finally, electrical signals allow the integration of storage and display strategies for the information conveyed.
Vantaggiosamente, è possibile integrare il processo dì riconoscimento su larga scala in schiere di dispositivi per analisi simultanee in parallelo su differenti analiti, così da realizzare dei lab-on-chip in modalità multìplexing. La possibilità di aumentare il numero di differenti sonde per unità di area permette di avere una risposta più veloce ed efficiente. Advantageously, it is possible to integrate the recognition process on a large scale in arrays of devices for simultaneous analyzes in parallel on different analytes, so as to realize lab-on-chips in multiplexing mode. The possibility of increasing the number of different probes per unit area allows for a faster and more efficient response.
Ad esempio, l'approccio proposto si presta efficacemente alla realizzazione di DNA-chip economici, facili da usare, ad alte prestazioni e brevi tempi di risposta per una rapida analisi su larga scala di campioni di acidi nucleici nel campo della diagnosi di malattie genetiche, rilevazione di agenti infettivi, espressione genica differenziale, analisi ambientali, aprendo la strada ad analisi del tipo "point-of-care", senza la necessità di trasferimento dei campioni da analizzare in un laboratorio specializzato, né di impiego di strumentazioni e/o reagenti addizionali. For example, the proposed approach effectively lends itself to the realization of inexpensive, easy-to-use, high-performance, short-response DNA-chips for rapid large-scale analysis of nucleic acid samples in the field of genetic disease diagnosis. detection of infectious agents, differential gene expression, environmental analyzes, opening the way to "point-of-care" analyzes, without the need to transfer the samples to be analyzed in a specialized laboratory, nor to use instruments and / or reagents additional.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will be set out in more detail in the following detailed description of an embodiment thereof, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la figura 1 mostra schematicamente in pianta una disposizione a schiera di dispositivi a nanogiunzione secondo l'invenzione; Figure 1 schematically shows a plan view of an array arrangement of nano-junction devices according to the invention;
la figura 2 è una rappresentazione schematica tridimensionale di una disposizione a schiera di dispositivi a nano-giunzione secondo l'invenzione; Figure 2 is a three-dimensional schematic representation of an array arrangement of nano-junction devices according to the invention;
le figure 3a-3c mostrano in sezione, schematicamente, i passi di fabbricazione delle strutture formanti i dispositivi a nano-giunzione oggetto dell'invenzione; Figures 3a-3c show in section, schematically, the manufacturing steps of the structures forming the nano-junction devices object of the invention;
la figura 4 mostra grafici dell'andamento della corrente parassita in un dispositivo a nanogiunzione in funzione della temperatura e del tempo di ossidazione, nonché la caratteristica correntetensione a temperatura ambiente e al buio per dispositivi a nano-giunzione con differenti gradi di ossidazione; Figure 4 shows graphs of the eddy current trend in a nano-junction device as a function of the oxidation temperature and time, as well as the characteristic current-voltage at room temperature and in the dark for nano-junction devices with different degrees of oxidation;
le figure 5a e 5b mostrano un dispositivo a nano-giunzione oggetto dell'invenzione, rispettivamente con una sonda molecolare immobilizzata prima dell'interazione molecolare con una specie target e dopo tale interazione, nel caso di esempio trattandosi di ibridazione di un filamento di DNA; e la figura 6 mostra una serie di caratteristiche corrente-tensione relative a tre differenti dispositivi a nano-giunzione, rispettivamente prima di un fenomeno di interazione e successivamente all 'interazione. Figures 5a and 5b show a nano-junction device object of the invention, respectively with a molecular probe immobilized before the molecular interaction with a target species and after this interaction, in the case of the example being the hybridization of a DNA strand; and figure 6 shows a series of current-voltage characteristics relating to three different nano-junction devices, respectively before an interaction phenomenon and after an interaction.
Il procedimento di rivelazione di eventi di bio-riconoscimento in processi di interazione biomolecolare oggetto del brevetto è basato sulle seguenti operazioni: The procedure for detecting bio-recognition events in biomolecular interaction processes covered by the patent is based on the following operations:
- la coniugazione di nanoparticelle conduttive con le specie molecolari target da identificare, più in generale definite nel seguito analita, o con associati segnalatori molecolari {o meglio, la predisposizione di nanoparticelle conduttive atte ad accoppiarsi con dette specie target in un campione sospettato di includere dette specie); - the conjugation of conductive nanoparticles with the target molecular species to be identified, more generally defined in the following analyte, or with associated molecular signalers {or better, the predisposition of conductive nanoparticles capable of coupling with said target species in a sample suspected of including said species);
- la predisposizione di dispositivi trasduttori a nano-giunzione metallica, per la trasduzione elettrica degli eventi di bio-riconoscimento, e la immobilizzazione, eventualmente spazialmente controllata, di sonde molecolari sulla nano-giunzione, più precisamente sulla superficie degli elettrodi del dispositivo a nano-giunzione; e - the preparation of transducer devices with metallic nano-junction, for the electrical transduction of bio-recognition events, and the immobilization, possibly spatially controlled, of molecular probes on the nano-junction, more precisely on the surface of the electrodes of the nano-junction junction; And
la rivelazione degli eventi di bioriconoscimento tra sonde molecolari (quali, ad esempio, DNA, anticorpi, recettori) e analiti o target molecolari (quali, ad esempio, DNA, proteina, ligando) per misurazione del passaggio di corrente tra gli elettrodi del dispositivo a nanogiunzione. the detection of bio-recognition events between molecular probes (such as, for example, DNA, antibodies, receptors) and analytes or molecular targets (such as, for example, DNA, protein, ligand) for measuring the passage of current between the electrodes of the device nanojunction.
In figura 1 è mostrata schematicamente in pianta una disposizione 10 comprendente una schiera di dispositivi trasduttori a nano-giunzione 12 secondo 1<1>invenzione. Figure 1 schematically shows a plan view of an arrangement 10 comprising an array of nano-junction transducer devices 12 according to the invention.
La disposizione presenta una formazione "mesa" 20, comprendente strati sovrapposti formanti una tradizionale struttura di buca quantica (QW), sulla quale è formato un primo contatto o elettrodo comune 22 di materiale conduttivo, ed in prossimità della quale è formata una pluralità di secondi contatti o elettrodi 24 di materiale conduttivo. The arrangement has a "mesa" formation 20, comprising superimposed layers forming a traditional quantum hole (QW) structure, on which a first contact or common electrode 22 of conductive material is formed, and in the vicinity of which a plurality of second contacts or electrodes 24 of conductive material.
Il primo elettrodo comune 22 presenta essenzialmente la forma di una pìazzola allungata, estesa lungo la dimensione maggiore della formazione 20, mentre gli elettrodi 24 presentano essenzialmente forma di piazzola quadra o rettangolare, differenti geometrie essendo naturalmente possibili senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione. The first common electrode 22 essentially has the shape of an elongated brush, extended along the largest dimension of the formation 20, while the electrodes 24 essentially have the shape of a square or rectangular pad, different geometries being naturally possible without thereby departing from the scope of the present invention. invention.
Ciascun elettrodo 24 è collegato all'elettrodo comune 22 attraverso un ponte conduttivo 26 che si estende dalla rispettiva piazzola sul fianco inclinato della formazione "mesa" 20, e definisce una nano-giunzione presentando un'interruzione del percorso conduttivo che costituisce una separazione elettrica tra i due elettrodi in una condizione inattiva del dispositivo, come risulterà meglio comprensibile dalla figura 2. Each electrode 24 is connected to the common electrode 22 through a conductive bridge 26 which extends from the respective pad on the inclined side of the "mesa" formation 20, and defines a nano-junction presenting an interruption in the conductive path which constitutes an electrical separation between the two electrodes in an inactive condition of the device, as it will be better understood from figure 2.
La figura 2 è una rappresentazione schematica tridimensionale parziale della disposizione 10 di figura 1, in cui sono rappresentati due dispositivi a nano-giunzione 12. Figure 2 is a partial three-dimensional schematic representation of the arrangement 10 of Figure 1, in which two nano-junction devices 12 are represented.
Con SUB è indicato il substrato o strato buffer su cui è cresciuta la formazione "mesa" 20 e sono deposti gli elettrodi 24, con 30 è indicato un primo strato di barriera inferiore, con 32 uno strato sottile formante la buca quantica e con 34 un secondo strato di barriera superiore, superiormente ossidato (profondità di ossidazione indicata a tratteggio). SUB indicates the substrate or buffer layer on which the "mesa" formation 20 has grown and the electrodes 24 are deposited, 30 indicates a first lower barrier layer, 32 indicates a thin layer forming the quantum hole and 34 indicates a second upper barrier layer, oxidized at the top (oxidation depth indicated by hatching).
Il ponte conduttivo 26 di collegamento tra gli elettrodi 22 e 24 deposto sul fianco della formazione "mesa" 20 è interrotto in corrispondenza dello strato di buca quantica, e presenta dimensioni confrontabili con quelle della buca quantica, tipicamente dell'ordine di‘qualche nanometro o qualche decina di nanometri, ulteriormente ridotte dallo spessore dello strato metallico stesso. The conductive bridge 26 connecting the electrodes 22 and 24 placed on the side of the "mesa" formation 20 is interrupted at the quantum hole layer, and has dimensions comparable to those of the quantum hole, typically of the order of a few nanometers or a few tens of nanometers, further reduced by the thickness of the metal layer itself.
Il procedimento per la fabbricazione di un dispositivo a nano-giunzione o di una schiera di dispositivi come descritto è basato su tecniche di fotolitografia e attacco chimico per via umida di una buca quantica (QW) di AlGaAs/GaAs, ed esposto nel seguito con riferimento alle figure 3a-3c. The process for manufacturing a nano-junction device or an array of devices as described is based on photolithography and wet chemical etching techniques of an AlGaAs / GaAs quantum well (QW), and explained below with reference to figures 3a-3c.
Il procedimento include le fasi tradizionali di formazione di una buca quantica di AlGaAs/GaAs cresciuta su substrati di GaAs mediante deposizione chimica da vapore metallo-organico (MOCVD). Come mostrato nelle figure, la struttura della buca quantica comprende i seguenti strati: uno strato buffer di GaAs, ad esempio dello spessore di 200 nanometri, una barriera di AlGaAs, ad esempio dello spessore di 300 nanometri, uno strato di GaAs (buca quantica), ad esempio dello spessore di 20 nanometri, una barriera di AlGaAs, ad esempio dello spessore di 100 nanometri e uno strato di copertura di GaAs, ad esempio dello spessore di 10 nanometri. The process includes the traditional steps of forming a quantum hole of AlGaAs / GaAs grown on GaAs substrates by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). As shown in the figures, the structure of the quantum hole includes the following layers: a GaAs buffer layer, for example 200 nanometers thick, an AlGaAs barrier, for example 300 nanometers thick, a GaAs layer (quantum hole) , for example with a thickness of 20 nanometers, an AlGaAs barrier, for example with a thickness of 100 nanometers and a covering layer of GaAs, for example with a thickness of 10 nanometers.
Tutti gli strati sono preferibilmente cresciuti a 750°C e non sono drogati. All layers are preferably grown at 750 ° C and are not doped.
Lo spessore della buca quantica di GaAs può essere variato secondo le esigenze per controllare la separazione tra gli elettrodi della nanogiunzione. The thickness of the GaAs quantum hole can be varied as needed to control the separation between the electrodes of the nanojunction.
Buche quantiche di altri materiali o cresciute con procedure diverse, ad esempio epitassia da fascio molecolare, possono ugualmente essere utilizzate purché sia possibile attuare un attacco chimico selettivo della buca quantica al fine di ottenere un gap nanometrico su cui realizzare successivamente la nano-giunzione per evaporazione dei contatti. Quantum holes made of other materials or grown with different procedures, for example molecular beam epitaxy, can also be used as long as it is possible to carry out a selective chemical attack of the quantum hole in order to obtain a nanometric gap on which to subsequently make the nano-junction by evaporation of contacts.
Dopo una fase di pulizia con acetone e isopropilico sono definite strutture mesa (alte circa 250 nanometri) mediante litografia ottica ed attacco chimico per via umida, ad esempio in una soluzione Η20/Η30Ξ/Η2Ρ04con rapporto 50:1:1 per 120 secondi a 24°C, utilizzando una maschera predefinita. After a cleaning phase with acetone and isopropyl, mesa structures (about 250 nanometers high) are defined by optical lithography and wet chemical etching, for example in a Η20 / Η30Ξ / Η2Ρ04 solution with a 50: 1: 1 ratio for 120 seconds at 24 ° C, using a predefined mask.
Il risultato sono strutture mesa dal profilo obliquo come mostrato in vista tridimensionale in figura 2. The result is mesa structures with an oblique profile as shown in three-dimensional view in Figure 2.
Di conseguenza, la buca quantica di GaAs risulta esposta e, dopo rimozione del photoresist, è successivamente attaccata in modo selettivo mediante una soluzione dì acido citrico e acqua 5:1 per rimuoverne alcune decine di nanometri e creare una separazione effettiva tra gli strati di barriera pari allo spessore della buca quantica (figura 3b) grazie alla elevata selettiva tra GaAs ed AlGaAs del processo di attacco chimico (nominalmente, 100:1). Consequently, the quantum hole of GaAs is exposed and, after removal of the photoresist, it is subsequently selectively attacked by means of a 5: 1 solution of citric acid and water to remove a few tens of nanometers and create an effective separation between the barrier layers. equal to the thickness of the quantum hole (figure 3b) thanks to the high selective between GaAs and AlGaAs of the chemical etching process (nominally, 100: 1).
Per ridurre le correnti parassite nelle nanogiunzioni finali è preferibilmente eseguibile una ossidazione selettiva del AlGaAs secondo la seguente reazione: To reduce the eddy currents in the final nanojunctions, a selective oxidation of AlGaAs is preferably performed according to the following reaction:
in un forno riscaldato per effetto Joule, ad esempio facendo gorgogliare un flusso di azoto in acqua deionizzata (a 3,3 1/min<'1>e 80°C rispettivamente) in modo da trasportare vapore acqueo nel forno e farlo reagire con l'AlAs presente nel AlGaAs. in an oven heated by the Joule effect, for example by bubbling a flow of nitrogen in deionized water (at 3.3 1 / min <'1> and 80 ° C respectively) in order to transport water vapor into the oven and make it react with the 'AlAs present in the AlGaAs.
Il campione è inseribile nel forno pochi minuti dopo l'avvio del flusso di azoto, e una termocoppia permette di controllare le temperature nella camera nella posizione del campione. The sample can be placed in the oven a few minutes after starting the nitrogen flow, and a thermocouple allows you to control the temperatures in the chamber at the location of the sample.
Essendo rimosso lo strato di copertura di GaAs 1'AlGaAs esposto al vapore acqueo nel forno viene ossidato direttamente. As the covering layer of GaAs is removed, the AlGaAs exposed to water vapor in the furnace is oxidized directly.
Temperature e tempi di ossidazione selettiva sono ottimizzati a 450°C e 240 minuti. Selective oxidation temperatures and times are optimized at 450 ° C and 240 minutes.
La concentrazione di alluminio nei due strati dì AlGaAs deve essere superiore al 70% per ottenere una buona ossidazione. The aluminum concentration in the two layers of AlGaAs must be higher than 70% to obtain a good oxidation.
In seguito, sfruttando la configurazione della struttura di buca quantica come "maschera" o "guida", vengono definite le schiere di elettrodi per litografìa ottica ed evaporazione di uno strato metallico di 15 nanometri di Cr/Au,. La deposizione della metallizzazione avviene preferibilmente in una direzione perpendicolare alla superficie del campione (figura 3c), così da realizzare gli elettrodi sostanzialmente per proiezione verticale sul profilo obliquo della struttura di buca quantica, che definisce così la geometria della nanogiunzione. Then, using the configuration of the quantum hole structure as a "mask" or "guide", the electrode arrays for optical lithography and evaporation of a metallic layer of 15 nanometers of Cr / Au are defined. The deposition of the metallization preferably takes place in a direction perpendicular to the surface of the sample (Figure 3c), so as to produce the electrodes substantially by vertical projection on the oblique profile of the quantum hole structure, which thus defines the geometry of the nanjunction.
Il risultato è un dispositivo a nano-giunzione in cui la distanza tra gli elettrodi è determinata con precisione sub-nanometrica dallo spessore della buca quantica di GaAs, dello strato metallico evaporato e dalla rugosità superficiale dell<1>intefaccia AlGaAs/GaAs attaccata chimicamente (sperimentalmente minore di 1 nanometro per bassi tempi di attacco). The result is a nano-junction device in which the distance between the electrodes is determined with sub-nanometer precision by the thickness of the GaAs quantum hole, the evaporated metal layer and the surface roughness of the chemically attached AlGaAs / GaAs interface ( experimentally less than 1 nanometer for low attack times).
Il procedimento di fabbricazione consente vantaggiosamente di realizzare coppie di elettrodi con separazioni di alcuni nanometri, più precisamente comprese tra 5 e 30 nanometri, controllando la distanza degli elettrodi con precisione subnanometrica senza l'utilizzo di costosi apparati a fascio elettronico, e riducendo le correnti parassite (che altrimenti ostacolerebbero la rivelazione elettrica) di almeno sei ordini di grandezza rispetto alla tecnica nota attraverso l'ossidazione selettiva dello strato di AlGaAs (come mostrato in figura 4). The manufacturing process advantageously allows to produce pairs of electrodes with separations of a few nanometers, more precisely between 5 and 30 nanometers, by controlling the distance of the electrodes with subnanometric precision without the use of expensive electron beam devices, and by reducing eddy currents. (which would otherwise hinder the electrical detection) by at least six orders of magnitude with respect to the prior art through the selective oxidation of the AlGaAs layer (as shown in Figure 4).
Convenientemente, la tecnica illustrata permette la fabbricazione simultanea ed economica, utilizzando processi a basso costo quale litografia ottica attacco chimico e lift-off, di estese schiere di dispositivi a nano-giunzione, ad esempio in una disposizione complessiva 10 come illustrata in figura 1, ed eventualmente di schiere di disposizioni 10 per formazione di una molteplicità di strutture "mesa" affiancate, raggiungendo in definitiva un numero assai elevato di dispositivi, poiché tutti i processi descritti sono eseguibili contemporaneamente su un wafer di silicio, soddisfacendo una condizione essenziale per una produzione di massa di circuiti su scala nanometrica. Conveniently, the illustrated technique allows the simultaneous and economical fabrication, using low cost processes such as chemical etching and lift-off optical lithography, of extensive arrays of nano-junction devices, for example in an overall arrangement 10 as illustrated in Figure 1, and possibly of arrays of arrangements 10 for the formation of a multiplicity of side-by-side "mesa" structures, ultimately reaching a very large number of devices, since all the processes described can be performed simultaneously on a silicon wafer, satisfying an essential condition for a production mass of circuits at the nanoscale.
Nelle figure 5a e 5b è mostrato un singolo dispositivo a nano-giunzione oggetto dell'invenzione, rispettivamente in una condizione inattiva con una sonda molecolare immobilizzata prima dell'interazione biomolecolare con una specie target, ed in una condizione operativa successiva all'interazione biomolecolare, nel caso di esempio trattandosi di ibridazione di un filamento di DNA; Figures 5a and 5b show a single nano-junction device object of the invention, respectively in an inactive condition with an immobilized molecular probe before the biomolecular interaction with a target species, and in an operating condition subsequent to the biomolecular interaction, in the case of the example being the hybridization of a DNA strand;
Il dispositivo trasduttore a nano-giunzione 12 comprende una coppia di elettrodi 22, 24 separati da un gap di dimensioni nanometriche, dell'ordine di grandezza di qualche nanometro, ossia compreso tra 5 e 30 nanometri, ed almeno un elemento dì riconoscimento biologico o sonda molecolare P, atto ad interagire con un analita/target T da identificare, immobilizzato su almeno uno degli elettrodi. The nano-junction transducer device 12 comprises a pair of electrodes 22, 24 separated by a nanometric gap, of the order of magnitude of a few nanometers, i.e. between 5 and 30 nanometers, and at least one biological recognition element or probe molecular P, adapted to interact with an analyte / target T to be identified, immobilized on at least one of the electrodes.
Sonde molecolari differenti (ad esempio ssDNA, anticorpi, recettori) in funzione dei processi di interazione biomolecolare da investigare, o degli analiti da identificare {ad esempio DNA, proteine, lìgandi), possono essere immobilizzate su differenti dispositivi a nano-giunzione di una disposizione a schiera. Different molecular probes (e.g. ssDNA, antibodies, receptors) depending on the biomolecular interaction processes to be investigated, or the analytes to be identified (e.g. DNA, proteins, ligands), can be immobilized on different nano-junction devices of an arrangement terraced.
Gli analiti o specie molecolari target da identificare, rappresentati in figura 5a separatamente dal dispositivo trasduttore a nano-giunzione, sono corrispondentemente accoppiati con nanopartìcelle NP conduttive, ad esempio nanoparticelle metalliche, o - in una forma di realizzazione alternativa non illustrata - in grado di agire da ponte per collegare alle sonde molecolari uno o più segnalatori molecolari a cui sono accoppiate nanoparticelle conduttive. Altrimenti detto, le specie molecolari target sono marcate, o marcabìli, con nanoparticelle conduttive per coniugazione diretta delle nanoparticelle con le specie target o per accoppiamento delle nanoparticelle con segnalatori molecolari atti ad interagire con le specie target. The target analytes or molecular species to be identified, represented in Figure 5a separately from the nano-junction transducer device, are correspondingly coupled with conductive NP nanoparticles, for example metal nanoparticles, or - in an alternative embodiment not shown - capable of acting bridge to connect one or more molecular signalers to which conductive nanoparticles are coupled to the molecular probes. Otherwise said, the target molecular species are labeled with conductive nanoparticles by direct conjugation of the nanoparticles with the target species or by coupling the nanoparticles with molecular markers capable of interacting with the target species.
Le nanoparticelle legate alle biomolecole possono essere di diversi tipi, purché metalliche o più in generale conduttive (ad esempio, nanoparticelle di oro, argento, platino, cobalto). The nanoparticles bound to the biomolecules can be of different types, as long as they are metallic or more generally conductive (for example, gold, silver, platinum, cobalt nanoparticles).
In particolare, le nanoparticelle d'oro sono le più stabili tra tutte le nanoparticelle metalliche e la chimica di legame all'oro è molto ben conosciuta ed avanzata, in particolare è noto che gruppi terminali tiolici permettono un legame covalente estremamente stabile di molecole di oro e biomolecole. Esse possono essere sintetizzate in fase organica o in fase acquosa, ma per applicazioni biologiche che prevedano 1'interazione dì nanoparticelle con biomolecole quali DNA o proteine è conveniente passare, dopo la sintesi, in soluzione acquosa, poiché i processi biologici avvengono solitamente in acqua. In particular, gold nanoparticles are the most stable among all metallic nanoparticles and the gold bonding chemistry is very well known and advanced, in particular it is known that thiol end groups allow an extremely stable covalent bond of gold molecules. and biomolecules. They can be synthesized in the organic phase or in the aqueous phase, but for biological applications that involve the interaction of nanoparticles with biomolecules such as DNA or proteins it is convenient to pass, after synthesis, in aqueous solution, since biological processes usually take place in water.
Nanoparticelle in soluzione acquosa con buona distribuzione delle dimensioni sono attualmente disponibili in commercio da aziende quali Ted Pella o Sigma-Aldrich . Aqueous nanoparticles with good size distribution are currently commercially available from companies such as Ted Pella or Sigma-Aldrich.
Materiali ibridi composti da biomolecole quali DNA o proteine e sostanze inorganiche possono essere ottenuti utilizzando diverse strategie quali: i) assemblaggio per interazione elettrostatica; iì) assemblaggio tramite legame zolfo-oro tra nanoparticelle di oro ed un gruppo tiolico, o un ponte disolfuro, naturale o sintetico della biomolecola; iii) assemblaggio guidato dall'interazione ad alta affinità tra biotina/avidina o antigene/anticorpo. Hybrid materials composed of biomolecules such as DNA or proteins and inorganic substances can be obtained using different strategies such as: i) assembly by electrostatic interaction; iì) assembly by means of a sulfur-gold bond between gold nanoparticles and a thiol group, or a natural or synthetic disulfide bridge of the biomolecule; iii) assembly driven by the high affinity interaction between biotin / avidin or antigen / antibody.
L'adsorbimento fisico di bìomolecole alla superficie di nanoparticelle può comportare, soprattutto nel caso di proteine, problemi di instabilità o inattivazione, per cui è conveniente legare le molecole in modo covalente. Ad esempio si possono sfruttare i gruppi tiolici delle cisteine presenti in una proteina per legarla a nanoparticelle di oro. In assenza di cisteine accessibili si possono introdurre gruppi tiolici sia tramite metodi chimici che attraverso ingegneria genetica. Anche per il DNA è possìbile sintetizzare oligonucleotidi legati ad alcantioli che sono in grado di legarsi covalentemente con le nanoparticelle di oro. The physical adsorption of biomolecules to the surface of nanoparticles can involve, especially in the case of proteins, problems of instability or inactivation, so it is convenient to bind the molecules in a covalent way. For example, the thiol groups of cysteines present in a protein can be exploited to bind it to gold nanoparticles. In the absence of accessible cysteines, thiol groups can be introduced either by chemical methods or by genetic engineering. Also for DNA it is possible to synthesize oligonucleotides linked to alkantiols which are able to bind covalently with gold nanoparticles.
Un'altra strategia per creare sistemi ibridi nanoparticelle/biomolecole consiste nell'utilizzare sistemi ad alta affinità in cui uno dei due componenti è legato alla nanoparticella, mentre l'altro è coniugato con la biomolecola. A questo scopo si possono sfruttare diversi sistemi coniugabili come bìotina e streptavidina, anticorpo e specifico antigene, o ancora la proteina A che riconosce la porzione costante degli anticorpi. Another strategy to create hybrid nanoparticle / biomolecule systems is to use high affinity systems in which one of the two components is bound to the nanoparticle, while the other is conjugated with the biomolecule. For this purpose, different conjugable systems can be exploited such as biotin and streptavidin, antibody and specific antigen, or protein A which recognizes the constant portion of antibodies.
La traduzione elettrica di eventi di bioriconoscimento è fondata sul monitoraggio della corrente fluente per la nano-giunzione per applicazione di una differenza di potenziale controllata tra gli elettrodi del dispositivo. The electrical translation of bio-recognition events is based on monitoring the current flowing through the nano-junction by applying a controlled potential difference between the electrodes of the device.
In seguito all'interazione specìfica dell'analita {DNA, proteina, lìgando) da determinare con una o più sonde (evento di bio-riconoscimento), una o più nanoparticelle coniugate all'analita vengono immobilizzate tra gli elettrodi delle nanogiunzioni interconnettendoli direttamente, poiché di dimensioni confrontabili, e tali eventi sono identificabili osservando un passaggio o aumento di corrente nella nano-giunzione, facilmente misurabile. Following the specific interaction of the analyte (DNA, protein, ligand) to be determined with one or more probes (bio-recognition event), one or more nanoparticles conjugated to the analyte are immobilized between the electrodes of the nanjunctions, interconnecting them directly, since of comparable dimensions, and such events are identifiable by observing a passage or increase of current in the nano-junction, easily measurable.
Nella forma di realizzazione qui rappresentata nelle figure 5a e 5b è realizzato un sensore ad ibridazione per il sequenziamento del DNA. Un frammento di DNA a singolo filamento è immobilizzato sulla superficie del dispositivo a nano-giunzione e viene rivelata la formazione della doppia elica tra la sonda immobilizzata ed il target complementare in soluzione, coniugato ad una nanopartìcella metallica. In questo caso le sonde molecolari ed il target sono entrambi frammenti di DNA a singolo filamento (ssDNA) e devono essere legati in modo stabile rispettivamente alle nanopartìcelle ed al dispositivo a nano-giunzione. In the embodiment shown here in Figures 5a and 5b, a hybridization sensor for DNA sequencing is provided. A single-stranded DNA fragment is immobilized on the surface of the nano-junction device and the formation of the double helix between the immobilized probe and the complementary target in solution, conjugated to a metal nanoparticle, is detected. In this case the molecular probes and the target are both single-stranded DNA fragments (ssDNA) and must be stably bound to the nanoparticles and to the nano-junction device respectively.
Nella forma di realizzazione esemplificativa sono state fabbricate nano-giunzioni costitute da elettrodi di oro e sono state utilizzate nanoparticelle di oro quali nanopartìcelle conduttive legate all'analita. In the exemplary embodiment, nano-junctions consisting of gold electrodes were fabricated and gold nanoparticles were used as conductive nanoparticles bonded to the analyte.
Come sonde e target si sono impiegati oligonucleotidi modificati ad un'estremità con molecole tioliche (ad esempio Cs-SH) in grado di legarsi stabilmente sia alla superficie degli elettrodi del dispositivo a nano-giunzione che alle nanoparticelle metalliche tramite formazione di legami orozolfo . Oligonucleotides modified at one end with thiol molecules (for example Cs-SH) able to bind stably both to the surface of the electrodes of the nano-junction device and to the metal nanoparticles through the formation of gold-sulfur bonds were used as probes and targets.
Questa soluzione riduce il rilascio di sonde durante l'analisi e permette di mantenere inalterate le funzionalità di bio-riconoscimento delle molecole, in questo caso la capacità del ssDNA immobilizzato/coniugato di ibridare con un filamento complementare. This solution reduces the release of probes during the analysis and allows to maintain the bio-recognition functions of the molecules unaltered, in this case the ability of the immobilized / conjugated ssDNA to hybridize with a complementary strand.
Come marcatori dell'analita sono state impiegate nanoparticelle di oro commerciali di 20 nanometri di diametro, acquistabili in soluzioni acquose stabilizzate con citrato, ad esempio da Ted Pella o Sigma-Aldrich. Non essendo le nanoparticelle stabili in concentrazioni micromolari o in soluzioni saline, è stato eseguito un primo passo consistente nello stabilizzarle con molecole surfattanti come le fosfine (ad esempio bis (psulfonatofenil)fenilfosfine), le quali sostituendo il surfattante iniziale (citrato) sulla superficie dei nanocristalli, grazie ad una maggiore affinità dì legame, creano un rivestimento dì cariche negative che ne previene l'aggregazione grazie alle forze di repulsione elettrostatica indotte fra le particelle. Commercial gold nanoparticles of 20 nanometers in diameter were used as markers of the analyte, which can be purchased in aqueous solutions stabilized with citrate, for example from Ted Pella or Sigma-Aldrich. As the nanoparticles were not stable in micromolar concentrations or in saline solutions, a first step was carried out consisting in stabilizing them with surfactant molecules such as phosphines (for example bis (psulfonatophenyl) phenylphosphines), which by replacing the initial surfactant (citrate) on the surface of the nanocrystals, thanks to a greater bonding affinity, create a coating of negative charges that prevents aggregation thanks to the electrostatic repulsion forces induced between the particles.
Le nanoparticelle dì oro sono state quindi coniugate con oligonucleotidi con funzionalità tioliche (C6-SH). La quantità di DNA legato alle nanoparticelle di oro è stata ottimizzata in modo da non ostacolare l'ibridazione per scarsità di DNA alla superficie delle nanoparticelle di oro o eccessivo ìmpaccamento tra gli oligonucleotidi. The gold nanoparticles were then conjugated with thiol functional oligonucleotides (C6-SH). The amount of DNA bound to the gold nanoparticles has been optimized so as not to hinder the hybridization due to a lack of DNA at the surface of the gold nanoparticles or excessive packing between the oligonucleotides.
A tale scopo, sono state effettuate reazioni di coniugazione incubando il DNA e le nanoparticelle di oro in diversi rapporti (con 4, 40, 200, 400 equivalenti di DNA) per un tempo di circa 18 ore e la quantità di DNA immobilizzato per nanoparticelle è stata valutata mediante gel di agarosio. Sì è notato che la reazione arriva a saturazione a 200 equivalenti e si è scelto di utilizzare un rapporto intermedio di nanoparticelle di oro rispetto al DNA pari ad 1:40. Gel eseguiti su campioni con rapporto 1:40 incubati 42 ore e 18 ore hanno dato risultati simili a dimostrazione che non ci sono in soluzione altre molecole di oligonucleotide non reagite che potrebbero scambiare alla superficie nanoparticelle di oro e/o interferire nella successiva fase di ibridazione. In caso contrario si sarebbe infatti osservato una differenza di migrazione tra i due gel. For this purpose, conjugation reactions were carried out by incubating the DNA and the gold nanoparticles in different ratios (with 4, 40, 200, 400 DNA equivalents) for a time of about 18 hours and the amount of immobilized DNA per nanoparticles is was evaluated by agarose gel. It has been noted that the reaction reaches saturation at 200 equivalents and it has been chosen to use an intermediate ratio of gold nanoparticles to DNA equal to 1:40. Gels performed on 1:40 ratio samples incubated 42 hours and 18 hours gave similar results demonstrating that there are no other unreacted oligonucleotide molecules in solution that could exchange gold nanoparticles on the surface and / or interfere in the subsequent hybridization step. . Otherwise, a difference in migration between the two gels would have been observed.
Al fine di ottimizzare la funzionalizzazione di superfici dì oro con oligonucleotidi con funzionalità tioliche, che costituiscono le sonde molecolari, sono stati immobilizzati oligonucleotidi complementari a quelli coniugati alle nanoparticelle di oro su substrati di oro su mica. In particolare, tre sono i prerequisiti fondamentali che le sonde immobilizzate devono soddisfare: In order to optimize the functionalization of gold surfaces with oligonucleotides with thiol functionalities, which constitute the molecular probes, oligonucleotides complementary to those conjugated to gold nanoparticles were immobilized on substrates of gold on mica. In particular, there are three fundamental prerequisites that the immobilized probes must satisfy:
1) essere legate in modo stabile sulla superficie degli elettrodi; 1) be stably bonded to the surface of the electrodes;
2) mantenere inalterate le proprie funzionalità di bio-riconoscimento, il che fa prediligere un<1>orientazione ordinata delle molecole in modo tale da evitare una riduzione dell'efficienza del bioriconoscimento a causa di problemi sterìci; 2) maintain their own bio-recognition functions unaltered, which favors an <1> ordered orientation of the molecules in such a way as to avoid a reduction in the efficiency of bio-recognition due to sterile problems;
3) avere una configurazione ed un orientamento che non impediscono gli eventi di bioriconoscimento (nel caso in esame, la reazione di ibridazione). 3) have a configuration and an orientation that do not prevent bio-recognition events (in the case in question, the hybridization reaction).
Si è quindi scelto di realizzare monostrati autoassemblanti utilizzando nuovamente oligonucleotidi con funzionalità tioliche in grado di formare un legame covalente forte con una superficie di oro e autoassemblarsi in monostrati su di essa in modo ordinato con un'orientazione definita. It was therefore decided to make self-assembling monolayers using again oligonucleotides with thiol functionalities capable of forming a strong covalent bond with a gold surface and self-assembling in monolayers on it in an ordered way with a defined orientation.
Di conseguenza, la procedura preferita per la fabbricazione di sonde nell'esempio descritto prevede la realizzazione di monostrati autoassemblanti misti dì oligonucleotidi tiolati e altre molecole tioliche {mercaptoetanolo o mercaptoesanolo) che hanno funzione di spaziatori tra le molecole di DNA, in modo tale da controllare la densità dì impaccamento delle sonde e migliorarne l'accessibilità, superando problemi di ingombro sferico che potrebbero condurre ad una ridotta efficienza di bioriconoscimento dovuta a scarsi gradi di ibridazione. Consequently, the preferred procedure for the manufacture of probes in the example described provides for the realization of mixed self-assembling monolayers of thiolated oligonucleotides and other thiol molecules (mercaptoethanol or mercaptohexanol) which act as spacers between the DNA molecules, so as to control the density of packing of the probes and improve their accessibility, overcoming problems of spherical dimensions that could lead to a reduced efficiency of bio-recognition due to poor degrees of hybridization.
I dispositivi sono incubati dapprima per due ore in una soluzione acquosa di DNA diluita ad 1 μΜ in una soluzione 1M di KH2PO4e successivamente 1 ora con una soluzione 1 mM di mercaptoetanolo. Al fine di valutare e dimostrare il funzionamento del microdispositivo a rivelazione elettrica le giunzioni sono state successivamente incubate per l'ibridazione in una soluzione 0,5 nM di nanoparticelle di oro coniugate in rapporto 1:10 con olìgonucleotidi con modificazione tiolica complementari a quelli immobilizzati sugli elettrodi per 15 ore. Dopo 1<1>ibridazione il campione è stato risciacquato in buffer fosfato e una soluzione di ammonio aceta to per rimuovere il DNA legato in modo aspecifico. Sono quindi state seguite misure correntetensione per dimostrare la capacità di rivelazione e verificare il passaggio di corrente tra gli elettrodi . The devices are incubated first for two hours in an aqueous solution of DNA diluted to 1 μΜ in a 1M solution of KH2PO4 and then for 1 hour with a 1 mM solution of mercaptoethanol. In order to evaluate and demonstrate the functioning of the electrical detection microdevice, the junctions were subsequently incubated for hybridization in a 0.5 nM solution of gold nanoparticles conjugated in a ratio of 1:10 with thiol-modified oligonucleotides complementary to those immobilized on the electrodes for 15 hours. After 1 <1> hybridization the sample was rinsed in phosphate buffer and ammonium acetate solution to remove nonspecifically bound DNA. Current-voltage measurements were then followed to demonstrate the detection capability and verify the passage of current between the electrodes.
I risultati ottenuti sono riportati in figura 6, ove la curva A mostra la corrente che fluisce nelle nano-giunzioni prima dell'ibridazione (segnale di fondo) pressoché nulla, mentre le curve B, C, D mostrano la corrente che fluisce in tre differenti nano-giunzioni dopo l'ibridazione. The results obtained are shown in figure 6, where curve A shows the current flowing in the nano-junctions before hybridization (background signal) almost zero, while curves B, C, D show the current flowing in three different nano-junctions after hybridization.
Come si può osservare, la corrente fluente nelle nano-giunzioni funzionalizzate con le sonde molecolari in condizione inattiva è molto bassa, dell'ordine dei pA, e paragonabile alle correnti parassite presenti in questo tipo di dispositivo. In seguito ad eventi di bio-riconoscimento tra sonde molecolari ed analita le nanoparticelle di oro vengono immobilizzate tra gli elettrodi fungendo da ponte conduttivo e di conseguenza si osserva il passaggio di una corrente decisamente maggiore, dell'ordine dei nA, quindi un aumento di un ordine di grandezza. As can be observed, the current flowing in the nano-junctions functionalized with the molecular probes in an inactive condition is very low, of the order of pA, and comparable to the eddy currents present in this type of device. Following bio-recognition events between molecular probes and analyte, the gold nanoparticles are immobilized between the electrodes acting as a conductive bridge and consequently we observe the passage of a much higher current, of the order of nA, therefore an increase of a order of magnitude.
Nei tre esempi di test realizzati la forma delle curve dopo 1<1>ibridazione è di tipo sigmoide e non si osserva alcun gap non conduttivo, come ci si aspetterebbe per nanoparticelle metalliche nel caso di un contatto ohmico. E' interessante notare come i valori di corrente osservati appaiano quantizzati di 3 nA, rispettivamente {ciò è mostrato nell'inserto della figura). Ciò significa che nei tre elettrodì sono immobilizzate rispettivamente una, due e tre nanoparticelle di oro. Nel caso in cui l'analita presenti due basi differenti rispetto alla sequenza complementare alle sonde molecolari non si osserva un significativo passaggio di corrente {curva E). In the three test examples carried out, the shape of the curves after 1 <1> hybridization is of the sigmoid type and no non-conductive gap is observed, as would be expected for metal nanoparticles in the case of an ohmic contact. It is interesting to note how the observed current values appear quantized by 3 nA, respectively (this is shown in the insert of the figure). This means that one, two and three gold nanoparticles respectively are immobilized in the three electrodes. If the analyte has two different bases with respect to the complementary sequence of the molecular probes, no significant current flow is observed (curve E).
Convenientemente, ciò significa che il dispositivo oggetto dell'invenzione rende possibile effettuare misure quantitative e rilevare anche un numero molto limitato di eventi di bioriconoscimento, al limite un singolo evento. Conveniently, this means that the device object of the invention makes it possible to carry out quantitative measurements and also detect a very limited number of bio-recognition events, at most a single event.
Questa elevatissima sensibilità permette di identificare sequenze specifiche di DNA in un campione biologico anche se presenti solo in un numero di copie molto piccolo, per cui non rende più necessario alcun passo di amplificazione dell'analita come la PCR. Reazioni PCR o sistemi comparabili di amplificazione sono attualmente necessari con i DNA-chip ora in commercio, ma richiedono una strumentazione addizionale e reagenti non ideali per l'utilizzo point-of-care o in campo. This very high sensitivity makes it possible to identify specific DNA sequences in a biological sample even if they are present only in a very small number of copies, so that no analyte amplification step such as PCR is needed. PCR reactions or comparable amplification systems are currently required with the DNA-chips now on the market, but require additional instrumentation and reagents that are not ideal for point-of-care or field use.
Anche se non essenziale per gli scopi dell'invenzione, il dispositivo può eventualmente integrare una camera per PCR. Although not essential for the purposes of the invention, the device can optionally integrate a PCR chamber.
Per indurre cicli termici è possibile coniugare il DNA con nanoparticelle magnetiche, ad esempio di cobalto, ed impiegare radiofrequenze per aumentare la temperatura orientando i momenti magnetici delle nanoparticelle. In questo modo è possibile rendere la reazione di PCR più selettiva poiché solo il DNA coniugato alle nanoparticelle sarebbe soggetto al corretto ciclo termico e verrebbe amplificato. Le stesse particelle di cobalto, conduttive, potrebbero essere successivamente utilizzate per la rivelazione elettrica della ibridazione come spiegato sopra. To induce thermal cycles it is possible to conjugate DNA with magnetic nanoparticles, for example of cobalt, and to use radiofrequencies to increase the temperature by orienting the magnetic moments of the nanoparticles. In this way it is possible to make the PCR reaction more selective since only the DNA conjugated to the nanoparticles would be subject to the correct thermal cycle and would be amplified. The same conductive cobalt particles could subsequently be used for the electrical detection of the hybridization as explained above.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of protection of the present document. invention defined by the appended claims.
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