Nano Cien CIAhtht

CURSO DE DOCTORADO DE “NANOTECNOLOGÍA”

-Introducción al curso: concepto de nanotecnología; ejemplos, estructuración del curso

-Nanotecnologías para el procesado de la información: circuitos integrados

-Nanotecnologías para el almacenamiento de la información: discos duros, memorias RAM,...

-Nanotecnologías para nanodispositivos

-Nanotecnologías para biosensores

*IMPARTIDO POR JOSÉ MARÍA DE TERESA NOGUERAS (ICMA, CSIC/U.ZARAGOZA)

¿QUÉ ES LA NANOCIENCIA?

-Def. Fuerte: Estudio de sistemas en los que una de sus dimensiones es del orden de 1 nm.

-Def. Suave: Estudio de sistemas en los que una de sus dimensiones es submicrométrica.

*Física mesoscópica

*Cambio de dimensionalidad

MECANIZADO NORMAL

MECANIZADO DE

PRECISIÓNMANIPULACIÓN

ULTRAPRECISA

0.1

1

10

100

1000

10 4

10 5

1900 1920 1940 1960 1980 2000

PRE

CIS

IÓN

(NA

NÓ

ME

TR

OS)

AÑO

EVOLUCIÓN DE LA PRECISIÓN TECNOLÓGICA-TORNOS, MICRÓMETROS

-MASCARAS ÓPTICAS, LÁSER

-LITOGRAFÍA POR HAZ DE ELECTRONES O IONES

-DEPOSICIÓN ATÓMICA, MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Y DE SONDA LOCAL

∼10 µm

∼1 µm

∼50 nm

∼1 nm

PROBLEMAS DE DISTINTAS DISCIPLINAS REQUIEREN APROXIMACIONES Y HERRAMIENTAS SIMILARES

NANOCIENCIA=CIENCIA INTERDISCIPLINAR

ALGUNAS VECES LA RESOLUCIÓN DE UN PROBLEMA REQUIERE EL CONOCIMIENTO DE VARIAS DISCIPLINAS

?

NANOCIENCIA

NANOELECTRONICANANOINGENIERIA

NANOFÍSICA

NANOQUÍMICA

NANOBIOLOGIA Y NANOMEDICINA

Telecomunicaciones (miniaturización, portátiles, etc.)

Almacenamiento de información de alta densidad

Procesado de la información

Electrónica de un solo electrón

Materiales inteligentes

Nanosensores y nanomotores

MEMS, NEMS

Magnetorresistencia

Computación cuántica

Catálisis

Nanopartículas

Matrices moleculares

Marcadores magnéticos

Control de la administración y diseño de nuevos fármacos

Bioferrofluidos

Biosensores

Biochips Dendrímeros

PILARES BÁSICOS DE LA NANOCIENCIA

PREPARACIÓN DE NANOSISTEMAS

HERRAMIENTAS QUE PERMITAN ESTUDIAR LAS PROPIEDADES DE LOS NANOSISTEMAS

COMPRENSIÓN DE LOS MECANISMOS FÍSICOS Y QUÍMICOS QUE RIGEN EL COMPORTAMIENTO DE LOS NANOSISTEMAS

APLICACIONES BASADAS EN NANOSISTEMAS: NANOTECNOLOGÍA

ALMACENAMIENTO DE LA INFORMACIÓN

PROCESADO DE LA INFORMACIÓNIMPLICACIONES SOCIALES

APLICACIONES DE LA NANOCIENCIA:

NANOTECNOLOGÍA

ADMINISTRACIÓN DE FÁRMACOS AVANCES EN

TELECOMUNICACIONESBIOFERROFLUIDOS Y PORTADORES MAGNÉTICOS MEMS Y NEMS

NANOMOTORES MOLECULARES

BIOCHIPS

TAMICES MOLECULARES BIOSENSORES

NANOTECNOLOGÍA: FABRICACIÓN DE DISPOSITIVOS ÚTILES EN LOS QUE ALGUNA DE LAS DIMENSIONES ES NANOMÉTRICA O ALGUNO DE SUS COMPONENTES TIENE DIMENSIONES NANOMÉTRICAS

LA NANOTECNOLOGÍA YA ES UNA REALIDAD. EJEMPLO: LA EMPRESA BASF

CARACTERÍSTICAS QUE DEBEN SATISFACER LOS NUEVOS PRODUCTOS Y DISPOSITIVOS

DISPOSITIVOS ESPECÍFICOS DE USO RESTRINGIDO:

* DEBE SER POSIBLE FABRICARLOS CON LAS TECNOLOGÍAS DISPONIBLES Y QUE SU FUNCIONAMIENTO SEA FIABLE

DISPOSITIVOS COMERCIALES DE AMPLIO USO:

* DEBE SER POSIBLE FABRICARLOS CON LAS TECNOLOGÍAS DISPONIBLES Y QUE SU FUNCIONAMIENTO SEA FIABLE

* HAY QUE FABRICARLOS DE TAL MANERA QUE SEAN BARATOS Y SEA RENTABLE SU COMERCIALIZACIÓN





-Nanotecnologías para nanoelectrónica



TIPOS DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS ACTUALES (BASADOS PRINCIPALMENTE EN LA TECNOLOGÍA DEL SILICIO)

ALMACENAMIENTO Y LECTURA DE LA INFORMACIÓN

(discos duros, memorias RAM, DVD,...)

TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN

(telecomunicaciones, circuitos de microondas)

PROCESADO DE LA INFORMACIÓN

(circuitos integrados, microprocesadores,...)

ELECTRÓNICA

http://www.axivorm.nl/images/mobile-phone.gif

EVOLUCIÓN DEL TIPO DE DISPOSITIVO ELECTRÓNICO

1ª revolución del silicio:

INCREMENTO DE MINIATURIZACIÓN Y

RAPIDEZ

2ª revolución del silicio:

NUEVO TIPO DE FUNCIONALIDAD EN

EL CHIP (MEMS, NEMS)

-DISPOSITIVOS BASADOS EN NUEVOS CONCEPTOS

-MATERIALES INTELIGENTES

1ª REVOLUCIÓN DEL SILICIO: LEY DE MOORE PARA CIRCUITOS INTEGRADOS Y MEMORIAS

2ª REVOLUCIÓN DEL SILICIO: MEMS

MEMS COMO ACTUADORES:

* MICROVÁLVULAS

* MICROMOTORES

* CABEZAS CHORRO DE TINTA

MEMS COMO SENSORES:

* SENSORES DE PRESIÓN

* ACELERÓMETROS

* SENSORES DE FLUJO

ASPECTOS RELEVANTES DE LOS MEMS:

* APROVECHAN LAS INFRAESTRUCTURAS Y TECNOLOGÍA EXISTENTES PARA LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

* MERCADO POTENCIAL MUY GRANDE

* NECESITA ESTANDARIZACIÓN

-DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS BASADOS EN NUEVOS CONCEPTOS

* DISPOSITIVOS MAGNETOELECTRÓNICOS

-USO DE SEMICONDUCTORES MAGNÉTICOS

-TRANSISTORES Y MEMORIAS MAGNÉTICOS

-SISTEMAS MAGNETORRESISTIVOS

* DISPOSITIVOS BASADOS EN MATERIALES FERROELÉCTRICOS

* DISPOSITIVOS BASADOS EN MATERIALES SUPERCONDUCTORES

* DISPOSITIVOS BASADOS EN NANOTUBOS DE CARBONO

* DISPOSITIVOS BASADOS EN NUEVAS PROPIEDADES DE LA NANOESCALA: BLOCAJE DE COULOMB, POZOS CUÁNTICOS, COMPUTACIÓN CUÁNTICA,…

-DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS BASADOS EN MATERIALES INTELIGENTES

* MATERIALES CON MEMORIA DE FORMA, MAGNETORRESISTIVOS, PIEZORRESISTIVOS,…

DEL TRANSISTOR AL CIRCUITO INTEGRADO: EL NACIMIENTO DE LA ELECTRONICA MODERNA

1958: JACK KILBY PROPONE EL CONCEPTO DE CIRCUITO INTEGRADO

2000: 42 AÑOS DESPUÉS RECIBE EL PREMIO NOBEL DE FÍSICA

1947: SHOCKLEY, BRATTAIN, AND BARDEEN FABRICAN EL PRIMER TRANSISTOR

1956: 9 AÑOS DESPUÉS RECIBEN EL PREMIO NOBEL DE FÍSICA

http://www.ti.com/corp/graphics/press/image/on_line/transistor.jpg

http://www.bellsystemmemorial.com/images/crystal_triode.jpg

http://www.bellsystemmemorial.com/images/transistor1.jpg

FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS MEDIANTE LITOGRAFÍA ÓPTICA

*STEPPERS EN LA INDUSTRIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS*

MUESTRA (WAFER)

MÁSCARA LUZ U.V. LÁSER

TALLA MÍNIMA DE LOS MOTIVOS= K λ / (AN)

Campo de trabajo

λ (nm)

KrF: 248 nmArF: 193 nm

ESTADO DEL ARTE EN LA FABRICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

*INDUSTRIA:

-Actualmente, la velocidad y prestaciones de los chips están dictadas por el tamaño mínimo alcanzable con la litografía óptica.

-Anchura de línea: 5µm (1960’s) → 0.35µm (1997) → 0.18µm (2002) → 45 nm (2007)

-Resolución=k λ / AN

-EL MICROPROCESADOR DE INTEL PENTIUM 4 ESTÁ FABRICADO EN LA TECNOLOGÍA DE 90 nmhttp://www.intel.com/technology/itj/2004/volume08issue01/foreword.htm

PROCESADO DE LA INFORMACIÓN TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO MOSFET (BASADO EN SEMICONDUCTORES)

EMISOR COLECTOR

BASE

nn

p

VbeVce

VpeZONA SIN PORTADORES

dACVVCQ be

ε=−−= );( min

AISLANTE

A=área del canal activod=espesor del aislante que separa la base del canal activo

*EN CADA NUEVA GENERACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS DISMUNIMOS EL ÁREA “A” PARA AUMENTAR LA INTEGRACIÓN Y DISMINUIMOS “d”PARA MANTENER LA CAPACIDAD DE CADA TRANSISTOR

LIMITACION DEL TRANSISTOR DE SILICIO

dAC ε

=1) LIMITES EN EL VALOR DE “A”

-LA LITOGRAFÍA ÓPTICA TIENE LIMITACIONES EN RESOLUCIÓN

2) LIMITES EN EL VALOR DE “d”

-BASE CON 12 Å DE SiO2 ⇒ EFECTOS CUÁNTICOS DEBIDOS A TUNNELLING

Muller et al., Nature 399 (1999) 758

OTRAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

dAC ε


-USAR TÉCNICAS LITOGRÁFICAS ALTERNATIVAS

-LITOGRAFÍA POR HACES DE ELECTRONES E IONES: LENTA. SÓLO RENTABLE EN CASOS MUY ESPECÍFICOS

-LITOGRAFÍA DE RAYOS X: NO ES UNA TECNOLOGÍA MADURA .

-LITOGRAFÍA POR MICROSCOPIOS DE SONDA LOCAL: LENTA

-NANOIMPRESIÓN: NO MADURA


dAC ε


-USAR TÉCNICAS LITOGRÁFÍCAS ALTERNATIVAS


-USAR OTRO TIPO DE MATERIALES CON MAYOR CONSTANTE DIELÉCTRICA PARA AISLAR LA BASE DEL CANAL ACTIVO

AUMENTO DE “ε”

Eisenbeiser et al., Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 1324

-INTEL HA ANUNCIADO EL USO DE UN NUEVO (Y SECRETO) MATERIAL DE ALTA CONSTANTE DIELÉCTRICA PARA LOS NUEVOS MICROPROCESADORES DE TECNOLOGÍA DE 45 nm A COMERCIALIZAR EN 2007 (http://www.intel.com/technology/silicon/)


dAC ε


-USAR TÉCNICAS LITOGRÁFÍCAS ALTERNATIVAS


-USAR OTRO TIPO DE MATERIALES CON MAYOR CONSTANTE DIELÉCTRICA PARA AISLAR LA BASE DEL CANAL ACTIVO

3) CAMBIO DE PARADIGMA

-COMPLICADO POR LA ROBUSTEZ DE LA TECNOLOGÍA ACTUAL

-NINGÚN OTRO CONCEPTO (AUTOENSAMBLAJE, ELECTRÓNICA MOLECULAR, ESPINTRÓNICA, NANOTUBOS DE CARBONO,...) HA DEMOSTRADO HASTA LA FECHA LAS PRESTACIONES DE LA ACTUAL TECNOLOGÍA








ALMACENAMIENTO DE LA INFORMACIÓN

MEMORIA TIPO RAM (“RANDOM ACCESS MEMORY”): BASADA EN SEMI-CONDUCTORES DE SILICIO

*Acceso en nanosegundos*Capacidad: 1 Gbit

MEMORIA TIPO DISCO DURO: SOPORTE MAGNÉTICO

*Acceso en milisegundos; lectura: 20Mbits/segundo *Capacidad: 50 Gbits/pulgada2

-REFRESCADAS CONSTANTEMENTE: DRAM, SDRAM

-NO REFRESCADAS PERO ALIMENTADAS: SRAM-NO VOLÁTILES : EEPROM, FLASH

MEMORIA TRANSPORTABLE: ESCRITURA/LECTURA ÓPTICAS

*Acceso en milisegundos *Capacidad: 4.7 Gbits

ESCRITURA Y LECTURA DE LA INFORMACIÓN EN SOPORTES MAGNÉTICOS (DISCOS DUROS) HOY EN DÍA

Basado en el efecto de magnetorresistencia gigante en multicapas metálicas

Capa continua de una aleación de cobalto que contiene granos de 15 nm

30 nm

250 nm

bit

LÍMITES DE LA GRABACIÓN EN SOPORTES MAGNÉTICOS

⇒UN BIT DEBE CONTENER UN NÚMERO SUFICIENTE DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS PARA QUE EL COCIENTE SEÑAL/RUIDO SEA ELEVADO

⇒LAS PARTÍCULAS MAGNÉTICAS NO PUEDEN HACERSE MÁS PEQUEÑAS DE UN DETERMINADO TAMAÑO

Bµ

z

θ Si KBT > KANISOTROPÍA V

E=-KANISOTROPÍA V cos2Θ - µB

LA AGITACIÓN TÉRMICA PUEDE SER TAN GRANDE QUE EL MOMENTO MAGNÉTICO FLUCTÚA ENTRE DIFERENTES ORIENTACIONES ⇒SE ALCANZA EL LLAMADO LÍMITE SUPERPARAMAGNÉTICO (típicamente esto pude suceder para tallas de partícula ∼10 nm)

bit

**Se estima que el tamaño de bit más pequeño con esta tecnología sea de ≈30 nm x 50 nm, alcanzándose como máximo 200 Gbit/pulgada2**

250 nm

30 nm15 nm

ALTERNATIVAS EN LA GRABACIÓN EN SOPORTES MAGNÉTICOS

⇒ “PATTERNED MEDIA” ≡ SOPORTES MAGNÉTICOS DISCRETOS

Z

L

⇒CON TÉCNICAS LITOGRÁFICAS PODEMOS EVENTUALMENTE DISMINUIR LA TALLA LATERAL “L” HASTA ~10 nm EVITANDO EL LÍMITE SUPERPARAMAGNÉTICO CON ALTURA “Z” ELEVADA

⇒INCONVENIENTES: TECNOLOGÍA MÁS CARA, CAMBIO DE DISEÑO DE LAS CABEZAS DE LECTURA Y ESCRITURA

⇒CON ESTA TECNOLOGÍA PODRÍAN ALCANZARSE ∼2 Tbit/pulgada2

ALTERNATIVAS EN LA GRABACIÓN EN SOPORTES MAGNÉTICOS

⇒PROYECTO MILIPEDE DE IBM: USO DE 32 X 32 PUNTAS TIPO AFM

⇒LA GRABACIÓN SE EFECTÚA MEDIANTE LA NANOINDENTACIÓN CON LA PUNTA AFM SOBRE UN SOPORTE PLÁSTICO

⇒SE HAN DEMOSTRADO IDENTACIONES DE TALLA 40 nm SEPARADAS ENTRE SÍ 80 nm

⇒CON ESTA TECNOLOGÍA SE HAN ALCANZADO YA ∼200 gbit/pulgada2 Y SE ESPERA ALCANZAR LECTURA A 400 Mbits/segundo

⇒VERSIONES FUTURAS: UN MILLÓN DE PUNTAS

F1 / I / F2

V EF

UNIONES TÚNEL MAGNÉTICAS PARA MEMORIAS RAM Y PARA SENSORES MAGNETORRESISTIVOS

⇒ESTÁN FORMADAS POR DOS MATERIALES MAGNÉTICOS (ELECTRODOS) SEPARADOS POR UNA BARRERA AISLANTE NANOMÉTRICA DE TAL SUERTE QUE LA CONDUCCIÓN ES POR EFECTO TÚNEL

-100 -50 0 50 100-202468

10121416

T=300K

Field (G)

MR

(%)

UNIONES FeNi/Al2O3/Co

RP

RAP

TMR (%)= 100 x (RAP-RP)/RAP

ELECTRODO SUPERIOR

BARRERA

ELECTRODO INFERIOR

TMR=20%MAGNETORRESISTENCIA TÚNEL AÑO 1995

UNIONES TÚNEL MAGNÉTICAS PARA LA RAM MAGNÉTICA (MRAM)

AÑO 2000Fe0.3Co0.7Al2O3Fe0.3Co0.7

MR~50% a 300 K

PREVISIONES DE LA COMISIÓN EUROPEA SOBRE LA RAM:

AÑO DRAM FLASH MRAM

2000 1 GB 256 MB 1 MB

100 MHz 100 MHz 100 MHz

2006 16 GB 16 GB 128 GB

125 MHz 125 MHz 250 MHz

1 2 3 4

a

b

c

d

APLICACIONES EN MEMORIAS PARA: TELÉFONOS MÓVILES, CÁMARAS DIGITALES, TARJETAS INTELIGENTES, ORDENADORES PORTÁTILES...

VENTAJAS DE LA MRAM:NO VOLÁTIL, BAJO CONSUMO, FIABILIDAD, ACCESO RÁPIDO, RESISTENTE A LA RADIACIÓN

UNIONES TÚNEL MAGNÉTICAS DE ÚLTIMA GENERACIÓN PARA LA MRAM AÑO 2005

5 nmCoFe

CoFe

MgO

MR> 100% A TEMPERATURA AMBIENTE

S.S.P. Parkin et al., Nature materials 3 (2004) 862

...LAS MRAM SE ESTÁN ENCONTRANDO MÁS PROBLEMAS DE LOS ESPERADOS PARA SU COMERCIALIZACIÓN...SIN EMBARGO LAS RAM

BASADAS EN SEMICONDUCTORES SIGUEN MEJORANDO...

INTEL anuncia memorias SRAM de anchura de línea mínima de 45 nm

http://www.intel.com/technology/silicon/

ftp://download.intel.com/pressroom/images/manufacturing/45nm_SRAM_Cell.jpg

ftp://download.intel.com/pressroom/images/manufacturing/45nm_wafer_photo_1.jpg








ESTUDIO DE ASPECTOS BÁSICOS DE TRANSPORTE TALES COMO LA CUANTIZACIÓN DE LA CONDUCTANCIA

λF∼w

ELECTRONES

W )9.12/()2(2

Ω== ∑ kNTheG i

i

Expresión cuántica:

Al

Polyamida

Al

MAGNETORRESISTENCIA EN NANODISPOSITIVOS

CIP (MR en el plano)

CPP (MR perpendicular al plano)

-MEDIDAS DE GMR EN CONFIGURACIÓN CPP EN [Cu/Co]10

-FABRICACIÓN MEDIANTE FIB

G. Bell et al., Nanotechnology14, 630 (2003)

PROPIEDADES DE TRANSPORTE EN NANOTUBOS DE CARBONO

-Nanotubo de capa única contactado por 2 nanotubos de capa múltiple y 2 contactos de oro

-Nanotubocontactado mediante 2 contactos de oro (F. Pérez-Murano et al.)

-Nanotubocontactando 4 terminales de oro

A. Bachtold et al., Phys. Rev. Lett. 95, 196 (2005)

NANOBIOELECTRONICA: TRANSPORTE DE CARGA EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

D. Porath et al., Nature 403 (2000) 635

Suplemento de “El País” 26-08-01

100 nm

100 nmP. J. de Pablo et al. Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 4972

AV

FABRICACIÓN MEDIANTE FIB DE PUNTAS ULTRA-AFILADAS PARA AFM Y STM: MÁXIMA RESOLUCIÓN PARA IMAGING Y ESTUDIO DE

PROPIEDADES ESPECTROSCÓPICAS Y DE TRANSPORTE

APLICACIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DE NANODEPOSICIÓN DE UN FIB EN REPARACIÓN DE MÁSCARAS PARA LITOGRAFÍA

APLICACIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DE NANODEPOSICIÓN DE UN FIB EN REPARACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

EJEMPLO EN RECUPERACIÓN DE IC’s: Recuperación de los datos de la memoria EEPROM dañada de la caja negra del avión de la Swiss Air (vuelo 111, NY-Ginebra) accidentado el 02/11/1998

Numerosos contactos e hilos submicrométricos tuvieron que ser reparados para recuperar los datos almacenados en la memoria. T<150ºC

http://www.chipworks.com/chipnews/archive/images/NR_swissair-1-a6-1b.jpg








BIOSENSORES

-UN BIOSENSOR ES UN DISPOSITIVO CAPAZ DE DETECTAR (Y EVENTUALMENTE CUANTIFICAR) LA PRESENCIA DE DETERMINADAS MOLÉCULAS QUÍMICAS O BIOLÓGICAS. EL NOMBRE “BIO” PROVIENE DEL HECHO DE QUE SE UTILIZA UN ELEMENTO DE RECONOCIMIENTO DE ORIGEN BIOLÓGICO, LO QUE PUEDE APORTAR UNA GRAN SENSIBILIDAD A LA DETECCIÓN

-EL BIOSENSOR TRADUCE LA PRESENCIA DE ESAS MOLÉCULAS EN SEÑALES ELECTROQUÍMICAS, ÓPTICAS, MECÁNICAS O MAGNÉTICAS

-EXISTEN DIVERSOS MÉTODOS DE DETECCIÓN QUE PUEDEN AGRUPARSE EN DOS DEPENDIENDO DE SI SE INTEGRA O NO EL SENSOR EN LA PLATAFORMA DE DETECCIÓN, EN CUYO CASO HABLAMOS DE TECNOLOGÍA “LAB-ON-A-CHIP”

TALLA DE LAS ESTRUCTURAS A DETECTAR

“Vision paper and basis for a strategic research agenda for nanomedicine”, European Technology Platform on Nanomedicine, September 2005

MAPA DE RUTA DE LOS BIOSENSORES

“Roadmap reports: health and medical systems”, Nanoroadmap projectcofunded by the European Comission, November 2005

MATERIALES EN BIOSENSORES... y sus barreras

“Roadmap reports: health and medical systems”, Nanoroadmap projectcofunded by the European Comission, November 2005

EJEMPLOS DE BIOSENSORES...existen muchísimos

EJEMPLO DE USO DE CANTILEVERS

M. Alvarez et al. Biosens. Bioelectron. 18, 649 (2003)

EJEMPLOS DE BIOSENSORES ...existen muchísimos

EJEMPLOS DE LAB-ON-A-CHIP BASADOS EN MICROFLUIDICA

-Análisis de sangre rápido -Análisis de presencia de un virus

www.istat.com

-Se introduce un cartucho desechable que contiene el líquido a analizar (sangre) y un líquido de calibre

-Todos los sensores están integrados en el terminal y se realiza el análisis en unos pocos minutos.

-Este instrumento mide electro-químicamente las concentraciones de sodio, potasio, calcio, pH, O2, urea, glucosa, hematocrito,...

*Genotyper

(Ron Larson, U. Michigan)

-Permite la descodificación del mapa genético de un virus gripal en menos de 2 horas

IMPORTANCIA DE LA CUANTIFICACIÓN EN EL CAMPO DE LOS BIOSENSORES

MEDIDAS IN VITRO DE:

-CONCENTRACIONES DE ANALITOS EN PEQUEÑOS VOLUMENES: ENFERMEDADES (ANTICUERPOS, HORMONAS, MARCADORES TUMORALES, VIRUS...), EMBARAZO (HORMONAS), DOPANTES (TESTS DE CIRCULACIÓN, DEPORTISTAS,...), AGENTES BIOLÓGICOS PARA GUERRA BIOLÓGICA, ETC.

-ESTUDIO DE RECONOCIMIENTO MOLECULAR, DINÁMICA MOLECULAR, ETC.

-DETECCIÓN DE MUTACIONES GENÉTICAS, DIFERENCIAS EN LA EXPRESIÓN GÉNICA, ETC.

MECANISMO DE CUANTIFICACIÓN:

CONCEPTO DE HIBRIDACIÓN BIOLÓGICA Y ETIQUETADO

sustratosustrato

Sonda (probe)

Blanco (target)

Etiqueta (label)

FASES DE UN EXPERIMENTO DE DETECCIÓN DE HIBRIDACIÓN

**MÉTODO 1**

1) INMOVILIZACIÓN DE LA SONDA EN UNA SUPERFICIE

2) ETIQUETADO DEL BLANCO (ANALITO)

3) HIBRIDACIÓN SONDA-BLANCO Y LAVADO

4) DETECCIÓN

**MÉTODO 2**

1) INMOVILIZACIÓN DE LA SONDA EN UNA SUPERFICIE

2) HIBRIDACIÓN SONDA-BLANCO Y LAVADO

3) ETIQUETADO DEL BLANCO

4) DETECCIÓN

METODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN BIOLÓGICA

**ETIQUETADO POR MÉTODOS ÓPTICOS ( MATERIAL FLUORESCENTE, COLOIDES,...)

P.P Freitas et al., Europhysics News 34 (2003) 224

**OTROS ETIQUETADOS: CON PARTÍCULAS RADIACTIVAS, CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS,...

CONCEPTO DE LA DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

Magnetic sensor


CAMPO DIPOLAR MAGNÉTICO

UNA PARTÍCULA FERROMAGNÉTICA (O

FERRIMAGNÉTICA) POSEE UN MOMENTO MAGNÉTICO

DIPOLAR Y POR LO TANTO CREA UN CAMPO MAGNÉTICO

DIPOLAR EN SU ENTORNO)x

x

λ=900

λ=00

B is the strength of the field, measured in

900−λ

teslasr is the distance from the center, measured in metresλ is the magnetic latitude (90°-θ) where θ = magnetic colatitude, measured in radians or degrees (magnetic colatitude is 0 along the dipole's axis and 90° in the plane perpendicular to its axis) M is the dipole moment, measured in ampere square-metres µ0 is the permeability of free space, measured in henrys per metre.

http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_%28unit%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Metre

http://en.wikipedia.org/wiki/Radian

http://en.wikipedia.org/wiki/Degree_%28angle%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_%28inductance%29

MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

**CLASIFICACIÓN POR LA FORMA DE DETECCIÓN DE LAS PARTÍCULAS MAGNÉTICAS:

1) MÉTODO DE CAPTURA DE FLUJO

2) MÉTODO MAGNETORRESISTIVO

3) MÉTODO MIXTO: CAPTURA DE FLUJO Y MAGNETORRESISTIVO

**CLASIFICACIÓN POR LA FORMA DE TRANSPORTE DEL ANALITO:

1) MÉTODO ESTÁTICO

2) A TRAVÉS DE MICROCANALES (MICROLUIDICS)


1) MÉTODO DE CAPTURA DE FLUJO (I)*BOBINA PRIMARIA: crea un campo magnético alterno

que polariza el momento magnético de las partículas

*BOBINAS SECUNDARIAS: en ellas se produce un

voltaje inducido

Vinducido=-dΦ/dt

Arrolladas en serie-oposición para que el

flujo captado sea cero en ausencia de partículas

magnéticasS. Baglio et al., IEEE SensorsJournal 5 (2005) 372


1) MÉTODO DE CAPTURA DE FLUJO (II)

Filosofía similar pero las partículas magnéticas se desplazan entre las

dos bobinas secundarias

Dibujo por J. Sesé

Prototipo de Quantum Design


1) MÉTODO DE CAPTURA DE FLUJO (II): prototipo de Quantum Design

MAGNETIC ASSAY READER (MAR)

http://www.qdusa.com/biotech/research.html


2) MÉTODO MAGNETORRESISTIVO (I)

Sensor GMR

Campo magnético que polariza las partículas

P.P Freitas et al., EurophysicsNews 34 (2003) 224

D.R. Baselt et al., Biosensors andBioelectronics 13 (1998) 731


2) MÉTODO MAGNETORRESISTIVO (II)



3) MÉTODO MIXTO: CAPTURA DE FLUJO Y MAGNETORRESISTIVO

Bobina receptora de

flujo

Partículas magnéticas

Bobinas secundarias

Dibujo por J. Sesé


3) MÉTODO MIXTO: CAPTURA DE FLUJO Y MAGNETORRESISTIVO (II)

superconductor Sensor GMR superconductor

M. Pannetier et al., Science 304 (2004) 1648

TIPOS DE MECANISMOS MAGNETORRESISTIVOS

MAGNETORRESISTENCIA INTRÍNSECA

1) MAGNETORRESISTENCIA ANISÓTROPA

2) MAGNETORRESISTENCIA DE LORENTZ

3) MAGNETORRESISTENCIA DE DESORDEN DE ESPÍN

4) MAGNETORRESISTENCIA COLOSAL

MAGNETORRESISTENCIA EN SISTEMAS NANOESTRUCTURADOS

1) MAGNETORRESISTENCIA GIGANTE

2) MAGNETORRESISTENCIA TÚNEL

3) OTRAS

ASPECTOS PRÁCTICOS EN DISPOSITIVOS DE GMR Y TMR

**GMR Y TMR EN CONFIGURACIÓN DE VÁLVULA DE ESPÍN

H

B. Dieny et al., J. Appl. Phys. 69 (1991) 4774

ASPECTOS PRÁCTICOS EN DISPOSITIVOS DE GMR Y TMR**GEOMETRÍA CRUZADA DE LAS DIRECCIONES FÁCILES DE LOS ELECTRODOS EN DISPOSITIVOS MAGNETORRESISTIVOS POR GMR Y TMR

RESPUESTA LINEAL EN FUNCIÓN DEL CAMPO

H

SIA

(SPINTRONIC IMMUNOASSAY TECHNOLOGY)

DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON SENSORES DE MAGNETORRESISTENCIA GIGANTE (I)

DETECCIÓN DE AGENTES PARA GUERRA QUÍMICA MEDIANTE EL LLAMADO “BEAD ARRAY COUNTER”=BARC

sustrato

Sonda (DNA de BB, FT e YP)

Etiqueta (estreptavidina+nanopartículas)

Sensor de GMRaislante

Blanco (cDNA+biotina)

CONTROLTEST

Naval Research Laboratory: D.R. Baselt et al., Biosensors and Bioelectronics 13 (1998) 731; M.M. Miller et al., J. Magn. Magn. Mater. 225 (2001) 138

DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON SENSORES DE MAGNETORRESISTENCIA GIGANTE (II)

DETECCIÓN DEL GEN RESPONSABLE DE LA FIBROSIS CÍSTICA CFTR (hibridación DNA-cDNA, etiquetada con estreptavidina+nanopartículas)

Etiqueta (estreptavidina+nanopartículas)

Blanco (cDNA+biotina)Sonda

(DNA)

sensoraislante Configuración en puente

de Wheastone

P.P Freitas et al., EurophysicsNews 34 (2003) 224

sustrato

DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON SENSORES DE MAGNETORRESISTENCIA GIGANTE (III)


DETECCIÓN DEL GEN RESPONSABLE DE LA FIBROSIS CÍSTICACONTROL

DETECCIÓN

DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON MICROCANALES Y SENSORES MAGNETORRESISTIVOS DE UNIONES TÚNEL MAGNÉTICAS

*Campo externo alterno y detección lock-in. *Configuración de puente de Wheastone

W. Shen et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 253901

SIA APLICADO A TESTS INMUNOCROMATOGRÁFICOS

=>Colaboración de nuestro grupo con la empresa de biotecnología CerTest

CUANTIFICACIÓN DE GONADOTROPINA MEDIANTE SIA (I)

EXPERIMENTO DE HIBRIDACIÓN EN UNA TIRA DE NITROCELULOSA

Dibujo y foto por D. Serrate

nitrocelulosa

MH109 (anticuerpo)

Nanopartículas de 12 nm de Fe encapsulado en carbón

hcg (hormona gonadotropina)

MH95 (anticuerpo puente)

TEST

(El control contiene como sonda el anti-anticuerpo del MH95 en lugar del MH109)

CUANTIFICACIÓN DE GONADOTROPINA MEDIANTE SIA (II)

CONFIRMACIÓN DE LA HIBRIDACIÓN Y

CUANTIFICACIÓN CON MAGNETOMETRÍA SQUID

*Magnetometría SQUID: cara, lenta, exsitu

*Debido a la contribución diamagnética, difícil cuantificar bajas concentraciones

CUANTIFICACIÓN DE GONADOTROPINA MEDIANTE SIA (III)

DISPOSITIVO EXPERIMENTAL PARA LA CUANTIFICACIÓN DE ANALITOS EN TIRAS DE NITROCELULOSA

H

F

H

F

Sensor magnetorresistivo

Tira de nitrocelulosaElectroimán

Documents

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