- Micromechanical oscillators for biochemical applications
- Micromechanical oscillators for biochemical applications
- Borin, Daniele
Subject
- Micropillars
- Superhydrophobicity
- Biomarker detection
- Liquid interaction
- MEMS
- SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
- FIS/01 FISICA SPERIMENTALE
Description
- 2013/2014
- Gli oscillatori micro e nanomeccanici stanno trovando crescente applicazione come biosensori, grazie alla loro elevata sensibilità, alla possibilità di effettuare analisi con un ridotto volume di campione biologico e senza molecole di marcatura secondarie e alla loro integrabilità come sensori in dispositivi di analisi portatili a basso costo. Questo progetto ha come scopo l’utilizzo di oscillatori micromeccanici a geometria verticale (micropillars) come sensori biomolecolari, rispetto ai più comuni oscillatori orizzontali (cantilevers). La struttura dei micropillars, infatti, permette di confinare l’adsorbimento molecolare alla parte superiore dell’oscillatore, consentendo una facile quantificazione della massa depositata attraverso la variazione della frequenza di risonanza; inoltre, i tempi di risposta del sensore risultano ridotti, grazie alla più veloce diffusione delle molecole verso l’area sensibile, rispetto ad altri sensori basati su effetti di superficie e di più grandi dimensioni. Dense matrici di micropillars idrofobici permettono anche la formazione dello stato superidrofobico di Cassie-Baxter, riducendo l’interazione del liquido alla sola parte superiore dell’oscillatore. Durante questo progetto è stato sviluppato un opportuno trattamento idrofobico delle matrici, basato sulla deposizione di un alcanosilano idrofobico, e caratterizzato rispetto alla bagnabilità della matrice e agli effetti sulla risposta meccanica e sulla risoluzione dell’oscillatore come sensore di massa. È stata inoltre verificata la compatibilità di questo trattamento con la formazione di uno strato di oro sulla parte superiore dell’oscillatore, usato come substrato per l’adsorbimento di biorecettori per il riconoscimento e la cattura della biomolecola di interesse. Il risultato di questa ottimizzazione è stato applicato alla rilevazione di un biomarcatore per il tumore alla prostata (PSMA) a concentrazioni utilizzate nella pratica clinica (nanomolari), sia in soluzione fisiologica che in plasma diluito. Infine, è stata dimostrata la misura della frequenza di risonanza dei micropillars a contatto con il liquido nello stato superidrofobico di Cassie-Baxter, come alternativa al problematico utilizzo dei cantilever completamente immersi in liquido, aprendo la strada alla rilevazione in tempo reale di biomolecole da campioni biologici.
- Micro and nanomechanical resonators are playing a growing role in biosensing due to their high sensitivity, the possibility of label-free biomolecular detection with a reduced amount of biological sample and their potential integration as sensing tool on low cost, point of care devices. This project focuses on the application of arrays of micropillars resonators for biomolecular sensing, exploiting the advantages coming from the vertical geometry respect to the most common micro and nanocantilever horizontal sensors. Indeed, the biomolecular adsorption can be confined to the micron sized top area of pillars, allowing an easy quantification of the deposited mass and reducing the response time of the resonator due to the faster diffusion on the sensitive area respect to larger, surface based sensors. In addition, the superhydrophobic Cassie-Baxter state can be obtained on dense, hydrophobic micropillars arrays, limiting the interaction with the analyte solution to the top area of pillars. A proper hydrophobization treatment of the arrays, based on the deposition of a hydrophobic alkanosilane coating, has been developed and characterized in terms of wettability of the arrays and of the effects on the mechanical performance and on the mass resolution of the resonators. The compatibility of this treatment with the formation of stable gold layer on top of pillars as a substrate for bioreceptor adsorption has been also verified. The optimized micropillars arrays have been used for the detection of PSMA (Prostate Specific Membrane Antigen) at diagnostically relevant concentrations (nM level) both from physiological solution and from diluted serum. Finally, by exploiting the superhydrophobic Cassie-Baxter state, the direct measurement of the resonance frequency of micropillars in a liquid environment has been demonstrated, as an alternative to the cumbersome application of micro and nanocantilevers on the same conditions, paving the way toward real-time, biomolecular detection from biological samples.
- XXVII Ciclo
- 1983
Date
- 2015-06-09T08:05:41Z
- 2015-06-09T08:05:41Z
- 2015-03-23
Type
- Doctoral Thesis
Format
- application/pdf
- application/octet-stream
Identifier
urn:nbn:it:units-14058