ITTO20130680A1

ITTO20130680A1 - Dispositivo microfluidico con strato di modifica superficiale idrofobo e metodo di fabbricazione dello stesso

Info

Publication number: ITTO20130680A1
Application number: IT000680A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Colombo; Daria Doria; Marco Salina
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-08
Also published as: US20150044110A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “DISPOSITIVO MICROFLUIDICO CON STRATO DI MODIFICA SUPERFICIALE IDROFOBO E METODO DI FABBRICAZIONE DELLO STESSO”

di STMICROELECTRONICS S.R.L.

di nazionalità italiana

con sede: VIA C. OLIVETTI, 2

AGRATE BRIANZA (MB)

Inventori: COLOMBO Lorenzo, SALINA Marco, DORIA Daria

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La presente invenzione è relativa ad un dispositivo microfluidico con strato di modifica superficiale idrofobo e ad un metodo di fabbricazione dello stesso.

Nello stato dell’arte è sentita la necessità di controllare la bagnabilità di superfici, ad esempio per il confinamento di liquidi sfruttando il principio della tensione superficiale.

Metodi noti per il confinamento di liquidi includono fornire un substrato idrofobo (avente bassa bagnabilità) e disporre gocce di liquido sul substrato idrofobo a distanza tra loro, in rispettive locazioni del substrato idrofobo. Le gocce così disposte mostrano un angolo di contatto con il substrato tipicamente superiore a 90°, a causa dell’idrofobicità del substrato stesso e sfruttando fenomeni di tensione superficiale delle gocce di liquido,

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) le quali permangono ciascuna in una propria rispettiva posizione senza miscelarsi le une con le altre.

Tuttavia, questa forma di realizzazione presenta alcuni inconvenienti, soprattutto in presenza di molecole organiche all’interno del liquido depositato. Infatti, è noto che molecole, tipicamente organiche, possono formare per adsorbimento un legame chimico o instaurare un'interazione di tipo chimico-fisico, attraverso forze di Van der Waals, con una superficie idrofoba (anche noto come legame idrofobo).

Questo effetto rende sfavorevole lo sviluppo di dispositivi di analisi di tipo Lab-on-Chip (LOC) in cui le reazioni chimiche e biologiche avvengono in piccole quantità di liquido depositate sulla superficie idrofoba. Per ovviare a questi inconvenienti, un chip microfluidico per analisi biologiche è tipicamente configurato per alloggiare un liquido da analizzare in camere o pozzetti (“wells”) scavati in un substrato idrofilo, formando così camere di reazione in cui interazioni chimico-fisiche di adsorbimento verso una superficie idrofoba (legami idrofobici) sono ridotte.

Scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo microfluidico con strato di modifica superficiale idrofobo, e un metodo di fabbricazione dello stesso, in grado di superare gli inconvenienti dell’arte

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) nota.

Secondo la presente invenzione vengono forniti (“provided”) un dispositivo microfluidico con strato di modifica superficiale idrofobo e un metodo di fabbricazione dello stesso, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra, in vista in sezione, una fetta (“wafer”) in una fase intermedia di fabbricazione, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 mostra, in vista in sezione, una fetta (“wafer”) in una fase intermedia di fabbricazione, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione alternativa a quella di figura 1;

- le figure 3A e 3B mostrano, in vista in sezione, gocce di un liquido disposte sopra una superficie idrofila e, rispettivamente, idrofoba;

- le figure 4-7 mostrano, in vista in sezione, ulteriori fasi di fabbricazione della fetta di figura 1, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 8 mostra un microreattore chimico fabbricato come descritto con riferimento alle figure 1 e

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) - la figura 9 mostra un sistema diagnostico comprendente il microreattore chimico di figura 8.

Con riferimento alla figura 1, si dispone una fetta 50 includente un substrato 1 avente una superficie idrofila. Secondo una forma di realizzazione, il substrato 1 è di materiale semiconduttore, in particolare silicio, e alloggia, in corrispondenza di un suo primo lato 1a, uno strato strutturale 2, ad esempio ossido di silicio (SiO2) depositato mediante tecnica CVD (“chemical vapor deposition”) o cresciuto termicamente , atto a modificare le proprietà di bagnabilità del substrato 1. In questo caso, lo strato strutturale 2 è di un materiale idrofilo ed è atto ad esporre una sua superficie 2a idrofila.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, figura 2, un substrato 1’ è esso stesso di materiale idrofilo, es. ossido di silicio (SiO2), ed espone la superficie 1a’ idrofila senza necessità di strati intermedi atti a modificare le proprietà di bagnabilità del substrato 1’.

Risulta evidente che, secondo ulteriori forme di realizzazione, il substrato 1, 1’ e lo strato strutturale 2 (quando presente) possono essere di materiali diversi da quelli indicati, purché la superficie 1a’, o la superficie 2a dello strato strutturale 2, mostrino proprietà idrofile. Ad esempio, il substrato 1’ o lo strato 2 possono essere di

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) ossido di silicio, carburo di silicio (SiC), di nitruro di silicio (SiN), silicio o di altri materiali idrofili.

Nel contesto della presente invenzione, si considera idrofoba una superficie avente ridotta bagnabilità, ovvero tale per cui, l’interazione superficiale tra un liquido (es., acqua) e la superficie stessa è minima. Tale interazione può essere valutata in termini di angolo di contatto di una goccia di acqua depositata sulla superficie considerata, misurato come angolo formato all’interfaccia superficie-liquido. Un ridotto angolo di contatto è dovuto alla tendenza della goccia ad appiattirsi sulla superficie, e viceversa. La figura 3A mostra una goccia di acqua L1disposta su una superficie S1idrofila. In questo caso, la goccia L1mostra un angolo di contatto θ=θ1con la superficie S1inferiore a 90°. In generale, si considera idrofila una superficie avente caratteristiche di bagnabilità tali per cui, quando una goccia è depositata su essa, l’angolo di contatto tra la superficie e la goccia (angolo θ) ha valore inferiore a 90°, in particolare pari o inferiore a circa 40°.

La figura 3B mostra una goccia di acqua L2disposta su una superficie S2idrofoba. In questo caso, l’angolo di contatto θ=θ2è superiore a 90°. Si considera idrofoba una superficie avente caratteristiche di bagnabilità tali per cui, quando una goccia è depositata su essa, l’angolo di

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) contatto tra la superficie e la goccia (angolo θ) ha valore maggiore di 90°.

L'angolo di contatto θ è, come noto, una grandezza termodinamica la cui trattazione teorica si basa sull’equilibrio termodinamico tra tre fasi: fase liquida della goccia, fase solida della superficie (es., substrato) considerata, e fase gassosa dell’ambiente circostante (miscela tra l’atmosfera ambientale ed una concentrazione di equilibrio della sostanza della goccia in fase vapore). L'angolo di contatto θ è definito dall'angolo formato dall'incontro dell'interfaccia solido-gas (anche detta solido-vapore) con l'interfaccia solido-liquido. Tale grandezza è definita per una superficie ideale, ossia liscia ed omogenea, dalla seguente relazione di Young:

γSG-γSL-γLG·cosθ=0

dove γSGè la tensione di interfaccia solido-gas, γSLè la tensione di interfaccia solido-liquido, e γLGè la tensione di interfaccia liquido-gas.

Si ha idealmente bagnabilità completa quando γSG>γSL+γLG, ovvero cosθ>1, e bagnabilità nulla quando γSL>γSG+γLG, ovvero cosθ<(-1).

Dunque, considerando una sezione di una goccia di liquido depositata su una superficie solida (figure 3A e 3B), il rispettivo angolo di contatto θ è l'angolo compreso tra la direzione DSLdella tensione solido-liquido e la

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) direzione DLGdella tensione liquido-gas, tangente alla superficie esterna della goccia, con il vertice nel punto trifase PLSGliquido-solido-gas. L'angolo di contatto θ, in altre parole, corrisponde alla grandezza termodinamica che minimizza l'energia libera superficiale del sistema ed è fisicamente descritto dalla legge di Young, che corrisponde al bilancio delle forze orizzontali agenti su una goccia (di volume trascurabile) deposta su una superficie ideale.

Tornando al metodo di fabbricazione secondo la presente invenzione, dopo la fase di figura 1 o di figura 2, secondo le rispettive forme di realizzazione, si prosegue con la fase di figura 4. La figura 4 mostra un substrato 1 provvisto dello strato strutturale 2 secondo la forma di realizzazione della figura 1. Tuttavia, quanto qui descritto, è applicabile in modo analogo alla forma di realizzazione di figura 2.

Dunque, si forma, sulla superficie 2a, uno strato di modifica superficiale 10, di un materiale avente caratteristiche idrofobe, ovvero tale per cui una goccia di liquido (es., acqua) depositata su di esso mostra un angolo di contato θ maggiore di 90°. Preferibilmente, l’angolo di contatto è maggiore di 100°, ad esempio 106°. Lo strato di modifica superficiale 10 ha uno spessore scelto liberamente, ad esempio compreso tra 1 µm e 100 µm. Lo strato di modifica superficiale 10 è formato, secondo una

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) forma di realizzazione della presente invenzione, partendo da un polimero in forma liquida, depositato sullo strato strutturale 2 mediante tecnica di “spin coating” e solidificato mediante una opportuna fase di “reticolazione” o “curing”. Il polimero utilizzato, dopo la fase di curing, ha, come detto, caratteristiche idrofobe ed è permanente.

Alternativamente, secondo una diversa forma di realizzazione della presente invenzione, lo strato di modifica superficiale 10 è formato mediante tecnica di laminazione di una pellicola secca (“dry film”), permanente, avente caratteristiche idrofobe.

In generale, lo strato di modifica superficiale 10 è di un materiale fotodefinibile (foto-reticolabile) con caratteristiche idrofobe, permanente e preferibilmente biocompatibile.

Secondo una forma di realizzazione, lo strato di modifica superficiale 10 è di una resina epossidica fotosensibile (disponibile sia in forma liquida che in forma solida di dry film), avente caratteristiche idrofobe (cioè tale da avere un angolo di contatto dopo la fase di reticolazione, o curing, finale maggiore di 90°, preferibilmente maggiore di 100°). Alternativamente, lo strato di modifica superficiale 10 è di poliammide.

Resine epossidiche comprendono ad esempio SU8, TOK TMMF, TOK TMMR e altri.

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) Poliammidi comprendono ad esempio HD PI26XX, HD88XX, HD 89XX,FFEM AP22XX e altri.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, lo strato di modifica superficiale 10 è di un materiale basato su silossano. Ancora più in particolare, il materiale utilizzato è noto con il nome commerciale di “SINR” ed è prodotto da Shin-Etsu MicroSi. Tale materiale è formato da una catena lineare con base di silossano e presenta una componente che lo rende sensibile alla luce ultravioletta, la quale innesca un processo di cross-linking, come comunemente noto per i fotoresist.

Il brevetto US 6,590,010 descrive un polimero a base di silossano foto-reticolabile (“photo-curable”) atto ad essere utilizzato per la formazione dello strato di modifica superficiale 10. Tale polimero presenta una unità ricorrente secondo la formula (1) e ha un peso molecolare tra 500 e 200000:

(1)

dove R1 ed R4 sono ciascuno un alchile C1-C8, ad esempio CH3, e “n” è un numero intero tra 1 e 1000.

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) La richiedente ha verificato che uno strato di modifica superficiale 10 del materiale secondo la formula (1) mostra un angolo di contatto θ superiore a 105°, è permanente in quanto completamente reticolato dopo il trattamento di curing finale e resistente ad acidi e solventi; inoltre, è biocompatibile.

Nel seguito della presente descrizione, si suppone che lo strato di modifica superficiale sia il polimero secondo la formula (1), in particolare in forma di dry film.

In questo caso, si procede con la laminazione del dry film sulla fetta 50, la quale viene portata ad una temperatura compresa tra 50°C e 120°C, in particolare pari a 70°C, per un tempo compreso tra 30 s e 300 s, in particolare pari a 60 s. Si forma così lo strato di modifica superficiale 10.

Quindi, figura 5, si esegue una fase di esposizione a luce, o radiazione, ultravioletta (frecce 11) della fetta 50, utilizzando una maschera di esposizione 13. Ad esempio, utilizzando il materiale secondo la formula (1) come materiale per lo strato di modifica superficiale 10, la radiazione ultravioletta utilizzata per l’esposizione ha lunghezza d’onda compresa nell’intervallo 365-436 nm.

La maschera di esposizione 13 è mostrata in vista superiore in figura 6. La figura 5 è una vista in sezione della figura 6, presa lungo la linea di sezione VI-VI. Come

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) si nota, la maschera di esposizione 13 include regioni 13a (puntinate) che sono trasparenti alla radiazione ultravioletta 11 utilizzata e regioni 13b (in linea tratteggiata) che sono opache alla radiazione ultravioletta 11 utilizzata.

La maschera di esposizione 13 è configurata in modo da bloccare l’esposizione alla radiazione ultravioletta 11 di regioni dello strato di modifica superficiale 10 estendentisi sostanzialmente al di sotto delle regioni opache 13b, mentre le regioni dello strato di modifica superficiale 10 estendentisi al di sotto delle regioni trasparenti 13a ricevono la radiazione ultravioletta 11. Le regioni dello strato di modifica superficiale 10 estendentisi al di sotto delle regioni opache 13b sono le regioni in cui si desidera confinare gocce di liquido, come meglio illustrato nel seguito.

In questo esempio, il materiale di cui è formato lo strato di modifica superficiale 10 opera come un fotoresist di tipo negativo, ovvero esso è selettivamente rimovibile in corrispondenza delle regioni non esposte a radiazione ultravioletta 11, mentre, per effetto del cross-linking generato in corrispondenza delle regioni esposte, queste ultime permangono sulla fetta 50. Risulta evidente che, utilizzando altri tipi di fotoresist, questi possono essere di tipo positivo. In questo caso, sono le porzioni esposte

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) a radiazione ultravioletta che vengono rimosse dalla successiva fase di sviluppo, mentre le porzioni non esposte permangono sulla fetta 50.

La fase di esposizione è seguita da una fase di cottura (tipicamente identificata come “post-exposure bake”), su “hot plate”, ad una temperatura compresa tra 100°C e 170°C, in particolare pari a 150°C, per un tempo compreso tra 30 s e 600 s, in particolare pari a 300 s, al fine di completare la fase di cross-linking.

Secondo una differente forma di realizzazione, la fase di esposizione può essere eseguita mediante fascio elettronico (“electron beam lithography”). In questo caso, utilizzando un fascio elettronico opportunamente direzionato, la maschera di esposizione 13 non è necessaria.

Quindi, figura 7, si procede con una fase di sviluppo dello strato di modifica superficiale 10, durante la quale le regioni dello strato di modifica superficiale 10 non esposte alla luce ultravioletta sono selettivamente rimosse, mentre le regioni esposte permangono sulla superficie 2a dello strato strutturale 2. Lo sviluppo avviene, ad esempio, in soluzione a solvente; in particolare, utilizzando il materiale secondo la formula (1) lo sviluppo avviene in una soluzione a base di PGMEA (Propylene glycol monomethyl ether acetate). Altri

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) materiali possono richiedere uno sviluppo in soluzioni diverse da solventi, ad esempio soluzioni acquose.

Si definiscono in questo modo una pluralità di isole 20 formate da aperture estendentisi completamente attraverso lo strato di modifica superficiale 10 e che espongono rispettive porzioni superficiali 2a’ dello strato strutturale 2.

Utilizzando la maschera 13 di figura 6, le isole 20 hanno forma sostanzialmente circolare (in vista superiore, ovvero sul piano definito dalla superficie superiore 2a). Tuttavia, risulta evidente che tali isole 20 possono avere forma scelta secondo necessità, ad esempio ovale o poligonale, o altra forma ancora (generalmente poligonale), configurando opportunamente la maschera 13.

Si fa notare che la forma circolare o ovale, essendo priva di angoli, garantisce una completa bagnabilità delle porzioni superficiali 2a’ delle isole 20. Al contrario, questo vantaggio può venir meno nel caso di un’isola 20 di forma quadrangolare, le cui pareti formano angoli acuti.

Dopo la fase di sviluppo, una fase di risciacquo, utilizzando solvente (per quei materiali che si sviluppano a solvente) o acqua per materiali sviluppabili in soluzioni acquose, favorisce la pulizia delle isole 20 così formate, evitando che residui dello strato di modifica superficiale 10 rimosso permangano in corrispondenza delle porzioni

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) superficiali 2a’ o sulla superficie superiore dello strato di modifica superficiale 10, in modo indesiderato.

Infine, si esegue una fase di cottura finale, ad una temperatura compresa tra 100 e 400 °C, in particolare pari a 180°C, per un tempo compreso tra 30 minuti e 480 minuti, in particolare pari a 120 minuti, e in ambiente saturo di un gas inerte (ad esempio azoto, N2), al fine di stabilizzare il materiale e renderlo permanente.

A questo punto lo strato di modifica superficiale 10 mostra proprietà idrofobe, sia utilizzando misure di angolo di contatto statiche sia utilizzando misure di angolo di contatto dinamiche. Per garantire che le isole 20 (dove strato di modifica superficiale 10 è stato rimosso) mantengano una adeguata idrofilicità anche dopo le modifiche superficiali apportate dalle precedenti fasi di processo, si esegue quindi un bagno in HF o altra soluzione umida (wet) tale da ripristinare le condizioni superficiali di idrofilicità dello strato strutturale 2 in corrispondenza delle isole 20 senza impattare sulle proprietà idrofobe dello strato di modifica superficiale 10.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le isole 20 (ovvero le porzioni superficiali 2a’ dello strato strutturale 2.) sono funzionalizzate tramite immobilizzazione (o grafting) di recettori o simili

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) (in particolare, biomolecole recettori).

La fase di funzionalizzazione può essere eseguita mediante una tecnica di spotting automatizzato (“automated spotting technique”), di tipo di per sé noto, che sostanzialmente prevede l’utilizzo di un braccio meccanico che, in modo automatico, preleva il materiale biologico da depositare (in soluzione liquida) e, con precisione micrometrica, deposita gocce di tale materiale biologico selettivamente nelle isole 20, formando regioni rilevamento 21. Tipicamente, ciascuna di tali gocce è di pochi picolitri, ma le gocce possono essere ampie fino a 1-5 µl, o più larghe, a seconda dell’applicazione e della dimensione di ciascuna isola 20.

Le regioni rilevamento 21 comprendono, ad esempio, un dato tipo di recettori 22, come ad esempio biomolecole (DNA, RNA, proteine, antigeni, anticorpi, ecc.) o microrganismi o parti di essi (batteri, virus, spore, cellule, organelli, ecc.) o qualsiasi elemento chimico utilizzato per rilevare un analita. I recettori 22, provvisti di marcatori specifici, ad esempio marcatori fluorescenti, sono immobilizzati in corrispondenza della superficie 2a’. Secondo forme di realizzazione alternative, i recettori 22 possono essere liberi in soluzione invece che immobilizzati al dispositivo, a seconda dell’applicazione per cui il dispositivo è impiegato.

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) Tuttavia, saggi a fase solida sono generalmente preferiti poiché essi consentono il lavaggio di materiale non immobilizzato e quindi aumentano la sensitività e semplicità dei saggi di rilevamento.

Con “recettori” si intende qui qualsiasi membro di una coppia o multiplo di elementi che si possono legare tra loro (“binding pair”), così che il recettore si accoppierà o reagirà con, e quindi rileverà, il proprio (o i propri) compagno (o compagni) (“binding mate”) 23 con cui si può legare. Quindi, recettori includono recettori tradizionali, come recettori proteine e ligandi, ma anche qualsiasi membro di una molteplicità di elementi atti a interagire o atti ad accoppiarsi, come ad esempio lectine, carboidrati, streptavidine, biotine, proteine, substrati, oligonucleotidi, acidi nucleici, porfirine, ioni metallici, anticorpi, antigeni, e simili.

Quando questi recettori 22 vengono posti in contatto diretto con un campione da analizzare, la presenza in tale campione di molecole 23 in grado di accoppiarsi o interagire con il recettore 22 attiva marcatori specifici, ad esempio marcatori fluorescenti, che, quando eccitati con una radiazione luminosa ad una certa lunghezza d’onda �eemettono una propria radiazione luminosa avente lunghezza d’onda �fdiversa dalla lunghezza d’onda �e. I marcatori sono attivati (cioè essi emettono una radiazione

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) fluorescente ad una lunghezza d’onda �f) solo quando il compagno (o compagni) 23 con cui il recettore 22 si può legare si accoppia o interagisce con il recettore 22.

Il fenomeno della fluorescenza è particolarmente utile nella ricerca e in metodi di diagnosi che prevedono l’impiego di dispositivi realizzati con tecnologia MEMS.

Ci sono molti diversi modi per preparare test che coinvolgono segnali ottici. Per esempio, un saggio a tre componenti di accoppiamento (“three component binding essay”) utilizza una prima immobilizzazione di anticorpo ad un substrato solido che può accoppiarsi con un antigene presente in una soluzione campione. L’accoppiamento con l’antigene è quindi rilevato con un secondo anticorpo che si accoppia ad un diverso epitopo dello stesso antigene e che possiede una etichetta (“label”) fluorescente attaccata ad esso. Quindi, l’ammontare della fluorescenza è correlata all’ammontare degli antigeni presenti nel campione.

Un altro esempio implica l’immobilizzazione di una sonda a oligonucleotide al substrato (o libera in soluzione), che in seguito si ibridizza con DNA o cDNA o mRNA complementare presente nel campione, e l’acido nucleico a doppio filamento può essere rilevato con un colorante intercalato (“intercalating dye”), come ad esempio bromuro di etidio.

In ancora un altro esempio, due marcatori fluorescenti

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) sono portati in stretta prossimità nel saggio, e lo spegnimento (“quenching”) di un marcatore è misurato in saggi basati su fluorescenza a trasferimento di energia risonante (“fluorescence resonance energy transfer” -FRET).

Come ulteriore esempio, l’accoppiamento con metalli pesanti con fluorofori può anche essere rilevato mediante coloranti fluorescenti (“fluorescent dyes”). Indipendentemente dai dettagli dei saggi, simili dispositivi posso essere genericamente impiegati con saggi ottici.

La radiazione luminosa in saggi del tipo descritto può essere raccolta (“collected”) da un opportuno rilevatore, come ad esempio un fotorilevatore di tipo a dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) o di tipo CMOS compatibile con la lunghezza d’onda �fdella radiazione luminosa emessa. La variazione di intensità luminosa è funzione della quantità di marcatori specifici attivati nel saggio, e dunque della quantità di molecole o biomolecole rilevate dal saggio.

La figura 8 mostra una vista prospettica di un microreattore chimico 40 ricavato dal taglio della fetta 50 dopo la fase di fabbricazione di figura 7.

Con riferimento alla figura 8, secondo una forma di utilizzo del microreattore chimico 40, gocce di un fluido,

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) o liquido, 24 che rappresentano il campione da analizzare sono selettivamente depositate in corrispondenza delle isole 20, in contatto diretto con le porzioni superficiali 2a’ dello strato strutturale 2 esposte attraverso lo strato di modifica superficiale 10. Il liquido si estende a coprire completamente o parzialmente tali porzioni superficiali 2a’ (aventi buona bagnabilità e ridotto angolo di contatto), ma non copre porzioni dello strato di modifica superficiale 10 circondanti le rispettive porzioni superficiali 2a’. Infatti, come detto, lo strato di modifica superficiale 10 ha bassa bagnabilità ed elevato angolo di contatto (ha, cioè, caratteristiche idrofobe). In questo modo, si ha un elevato confinamento delle gocce di liquido all’interno delle isole 20 e ridotte interazioni idrofobe (e.g., per forze di Van der Waals) tra molecole organiche eventualmente presenti nel liquido (nel caso di analisi biologiche) e le porzioni superficiali 2a’ (che sono, invece, idrofile).

Il microreattore chimico 40 di figura 8 può trovare applicazione in sistemi o dispositivi di analisi biologiche, ad esempio sistemi per PCR (reazione a catena della polimerasi – “Polymerase Chain Reaction”), o generici sistemi di diagnostica basata su fluorescenza.

Infatti, come noto, l’analisi degli acidi nucleici richiede, secondo diverse modalità, fasi preliminari di

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) preparazione di un campione di materiale biologico, di amplificazione del materiale nucleico in esso contenuto e di ibridazione di singoli filamenti obiettivo o di riferimento, corrispondenti alle sequenze ricercate. L’ibridazione avviene (e il test dà esito positivo) se il campione contiene filamenti complementari ai filamenti obiettivo. Al termine delle fasi preparatorie, il campione viene esaminato per controllare se l’ibridazione è avvenuta (cosiddetta fase di riconoscimento o “detection”). Le fasi preparatorie che precedono l’amplificazione possono essere eseguite separatamente, utilizzano strumentazione e reagenti appositi.

Con riferimento alla figura 9, per l’amplificazione del materiale nucleico e per la fase di riconoscimento è possibile utilizzare il microreattore 40 di figura 8, fabbricato come descritto con riferimento alle figure 1-7. In questo caso, il microreattore 40 comprende inoltre riscaldatori 41, fabbricati in forma integrata in corrispondenza retro del substrato 1 (cioè in corrispondenza della superficie 1b del substrato 1), oppure accoppiati in corrispondenza retro del substrato 1, in modo non mostrato dettagliatamente nelle figure. Possono inoltre essere presenti sensori di temperatura 42, anch’essi integrati in corrispondenza della superficie 1b del substrato 1, oppure accoppiati ad essa.

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) Il microreattore 40 viene caricato con gocce di liquido 23 formanti i campioni biologici da analizzare e, quindi, esso viene introdotto in un termociclatore 45 per l’effettuazione di analisi biochimiche. Il termociclatore 45, noto nello stato dell’arte, è configurato per accogliere uno o più microreattori 40 montati su apposite schede e comprende, in genere, almeno un’unità di controllo 46, un dispositivo di raffreddamento(es., una ventola) 47, e un dispositivo di rivelazione 48 includente una sorgente luminosa 48a per illuminare il campione da analizzare con una radiazione luminosa avente una prima lunghezza d’onda ed un fotorivelatore 48b per acquisire una radiazione luminosa, avente una seconda lunghezza d’onda, emessa dal campione in risposta alla radiazione luminosa di illuminazione.

L’unità di controllo 46 è collegabile ai riscaldatori 41 e ai sensori di temperatura 42 del microreattore 40 attraverso opportuni connettori e, sfruttando i sensori di temperatura 42 a bordo del microreattore 40 stesso, controlla i riscaldatori 41 e il dispositivo di raffreddamento 47 per eseguire cicli termici prestabiliti.

Una volta che i processi biochimici sono terminati, il dispositivo di rivelazione 48, che è tipicamente di tipo ottico, verifica se nel campione elaborato (ovvero nella rispettiva goccia di liquido 23) sono presenti o meno

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) determinate sostanze (ad esempio, determinate sequenze di nucleotidi). La rivelazione ottica sfrutta, tipicamente, fluorofori che, durante l’elaborazione del campione, si legano selettivamente alle sostanze da riconoscere, emettendo una radiazione luminosa caratteristica.

I vantaggi del trovato secondo la presente invenzione, e del relativo procedimento di fabbricazione, emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In particolare, secondo la presente invenzione è possibile controllare le caratteristiche di bagnabilità di superfici con precisione molto elevata, data dalla precisione consentita dalla tecnica fotolitografica usata e dalla precisione consentita dal materiale foto definibile utilizzato per lo strato di modifica superficiale 10.

Inoltre, le fasi di fabbricazione sono considerevolmente semplificate in quanto non sono richieste ulteriori fasi di attacco (“etching”) dopo la fase di sviluppo dello strato di modifica superficiale 10. Infatti, è lo stesso strato di modifica superficiale 10, come detto di materiale foto-definibile, che ha la funzione di formare una superficie idrofoba.

Inoltre, la forma di realizzazione dello strato di modifica superficiale 10 descritta garantisce allo stesso tempo resistenza termica, controllo dello spessore, alta risoluzione di “patterning” ed inerzia chimica.

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, la fase di funzionalizzazione, descritta con riferimento alla figura 7 (cioè prima della fase di taglio della fetta 50 di figura 8) può essere eseguita dopo la fase di taglio della fetta 50 di figura 8.

Inoltre, lo strato di modifica superficiale 10 può essere definito fotolitograficamente per formare canali che collegano tra loro diverse isole 20, oppure canali che collegano una o più isole 20 a rispettive sezioni di ingresso (inlet) di liquido da analizzare, secondo necessità. Ciascun canale è formato completamente attraverso lo strato di modifica superficiale 10, esponendo rispettive porzioni superficiali 2a’ dello strato strutturale 2 sottostante.

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Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B)

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microfluidico (40; 70), comprendente: - un corpo portante (1; 1’) avente una prima (2a; 1a’) ed una seconda (1b; 1b’) superficie opposte tra loro, in cui la prima superficie (2a; 1a’) è idrofila; e - uno strato di modifica superficiale (10), idrofobo ed estendentesi sopra la prima superficie del corpo portante, caratterizzato dal fatto che lo strato di modifica superficiale (10) presenta almeno una apertura (20) estendentesi completamente attraverso lo strato di modifica superficiale (10) esponendo così una porzione (2a’) della prima superficie (2a; 1a’), ed è di un materiale fotodefinibile scelto tra: una resina epossidica, una poliammide, ed un polimero a base di silossano fotoreticolabile (“photo-curable”) presentante una unità ricorrente del tipo: dove R1 ed R4 sono ciascuno un alchile C1-C8e “n” è un numero intero tra 1 e 1000, detta apertura (20) alloggiando almeno una regione di - 24 – Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) rilevamento (21) comprendente uno o più recettori (22) atti a stabilire un legame con rispettivi uno o più compagni di legame (“binding mates”) (23).
2. Dispositivo microfluidico secondo la rivendicazione 1, in cui detto strato di modifica interfaccia (10) ha uno spessore compreso tra 1 e 500 µm.
3. Dispositivo microfluidico secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta apertura (20) ha forma, in vista superiore, sostanzialmente circolare o ovale.
4. Dispositivo microfluidico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo portante è di un materiale scelto tra: ossido di silicio, nitruro di silicio, silicio, carburo di silicio, metallo idrofilo.
5. Dispositivo microfluidico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui detto corpo portante include un substrato (1) ed uno strato strutturale (2) estendentesi sul substrato (1), detto strato strutturale (2) definendo detta prima superficie (2a) ed essendo di un materiale scelto tra: ossido di silicio, nitruro di silicio, silicio, carburo di silicio, metallo idrofilo.
6. Dispositivo microfluidico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti recettori (22) includono molecole sonda fissate alla prima superficie (2a; 1a’) del corpo portante (2), detti compagni di legame - 25 – Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) (23) essendo molecole target da rilevare.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui dette molecole sonda sono etichettate (“labelled”) con molecole marcatori che, quando attivate ed eccitate da una prima radiazione luminosa avente una prima lunghezza d’onda (�e), sono atte ad emettere una seconda radiazione luminosa avente una seconda lunghezza d’onda (�f).
8. Dispositivo microfluidico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, scelto nel gruppo comprendente: un microreattore chimico e un dispositivo usa e getta per analisi biologiche.
9. Metodo di fabbricazione di un dispositivo microfluidico (50; 60; 70), comprendente le fasi di: - disporre un corpo portante (1; 1’) avente una prima (2a; 1a’) ed una seconda (1b; 1b’) superficie opposte tra loro, in cui la prima superficie (2a; 1a’) è idrofila; e - formare uno strato di modifica superficiale (10), idrofobo, sulla prima superficie del corpo portante, caratterizzato dal fatto che lo strato di modifica superficiale (10) è di un materiale fotodefinibile scelto tra: una resina epossidica, una poliammide, ed un polimero a base di silossano foto-reticolabile (“photo-curable”) presentante una unità ricorrente del tipo: - 26 – Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) dove R1 ed R4 sono ciascuno un alchile C1-C8e “n” è un numero intero tra 1 e 1000, il metodo comprendendo inoltre le fasi di: formare almeno una apertura (20) attraverso lo strato di modifica superficiale (10) esponendo una porzione (2a’) della prima superficie (2a; 1a’); e funzionalizzare detta la porzione (2a’) della prima superficie (2a; 1a’) formando almeno una regione di rilevamento (21) comprendente uno o più recettori (22) atti a stabilire un legame con rispettivi uno o più compagni di legame (“binding mates”) (23).
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui la fase di formare lo strato di modifica superficiale (10) comprende: laminare una pellicola secca (“dry film”) oppure eseguire una fase di “spin coating”.
11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui la fase di formare lo strato di modifica interfaccia (10) comprende formare lo strato di modifica interfaccia (10) avente uno spessore compreso tra 1 e 500 µm.
12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni - 27 – Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) 9-11, in cui la fase di forma detta apertura (20) comprende rimuovere porzioni selettive dello strato di modifica superficiale (10) mediante un processo di fotolitografia e sviluppo dello strato di modifica superficiale (10).
13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-12, comprendente, dopo la fase di rimuovere porzioni selettive dello strato di modifica superficiale (10), la fase di eseguire un bagno in HF o soluzione umida includente HF della porzione (2a’) della prima superficie (2a; 1a’) esposta attraverso detta apertura (20).
14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-13, in cui la fase di disporre detto corpo portante comprende disporre un substrato di un materiale scelto tra: ossido di silicio, nitruro di silicio, silicio, carburo di silicio, metallo idrofilo.
15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-13, in cui la fase di disporre detto corpo portante comprende: - fornire un portante substrato (1); e - formare, su detto portante substrato (1), uno strato strutturale (2) definente detta prima superficie (2a), in cui lo strato strutturale (2) è di un materiale scelto tra: ossido di silicio, nitruro di silicio, silicio, carburo di silicio, metallo idrofilo.
16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni - 28 – Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B) 9-15, in cui detta fase di funzionalizzare include fissare (“graft”) molecole sonda alla porzione (2a’) della prima superficie (2a; 1a’) del corpo portante (2). 17. metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-16, comprendente la fase di formare almeno uno tra: un microreattore chimico e un dispositivo usa e getta per analisi biologiche. p.i.: STMICROELECTRONICS S.R.L. Simone BERTOLOTTO - 29 – Simone BERTOLOTTO (Iscrizione Albo nr.1422/B)