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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
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 nanoelectrónica
-Nanotecnologías para biosensores
*IMPARTIDO POR JOSÉ MARÍA DE TERESA NOGUERAS (ICMA, CSIC/U.ZARAGOZA)
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
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
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
=1) LIMITES EN EL VALOR DE “A”
-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
OTRAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS
dAC ε
=1) LIMITES EN EL VALOR DE “A”
-USAR TÉCNICAS LITOGRÁFÍCAS ALTERNATIVAS
2) LIMITES EN EL VALOR DE “d”
-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/)
OTRAS ALTERNATIVAS EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS
dAC ε
=1) LIMITES EN EL VALOR DE “A”
-USAR TÉCNICAS LITOGRÁFÍCAS ALTERNATIVAS
2) LIMITES EN EL VALOR DE “d”
-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
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)
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/
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)
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
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)
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
P.P Freitas et al., Europhysics News 34 (2003) 224
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.
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)
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
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
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
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
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
1) MÉTODO DE CAPTURA DE FLUJO (II): prototipo de Quantum Design
MAGNETIC ASSAY READER (MAR)
http://www.qdusa.com/biotech/research.html
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
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
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
2) MÉTODO MAGNETORRESISTIVO (II)
P.P Freitas et al., Europhysics News 34 (2003) 224
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
3) MÉTODO MIXTO: CAPTURA DE FLUJO Y MAGNETORRESISTIVO
Bobina receptora de
flujo
Partículas magnéticas
Bobinas secundarias
Dibujo por J. Sesé
MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LA HIBRIDACIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
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)
P.P Freitas et al., Europhysics News 34 (2003) 224
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