Nuovi materiali per migliorare l’integrazione lab-on-a-chip
Le nanoantenne integrate nei chip in silicio possono essere utilizzate per identificare la presenza di molecole specifiche nella diagnostica medica, per il rilevamento di esplosivi o per individuare sostanze inquinanti nell’ambiente. Le singole molecole hanno una serie di vibrazioni caratteristiche, una loro “impronta” che può essere rilevata illuminando una sostanza usando la luce infrarossa. Gli oggetti metallici conduttori su nanoscala agiscono da antenne che localizzano e si incentrano sulla luce per amplificare il segnale generato da piccolissime quantità di molecole. Attualmente queste microantenne sono realizzate in metallo, di solito l’oro per le sue eccellenti proprietà conduttrici. Adesso gli scienziati finanziati dall’UE impegnati nel progetto GEMINI (Germanium mid-Infrared Plasmonics for Sensing) hanno studiato meglio l’utilizzo di nuovi materiali come il germanio, che è vicino al silicio sulla tabella periodica, per sostituire l’oro nel rilevamento a infrarossi. Il consorzio comprendeva il Politecnico di Milano e l’Università Sapienza di Roma (Italia), l’Università di Glasgow (Regno Unito) e l’Università di Costanza (Germania). “Il germanio è un semiconduttore completamente compatibile con i processi di fabbricazione basati sul silicio,” dice il coordinatore del progetto Paolo Biagioni, professore associato di fisica al Politecnico di Milano ed esperto di plasmonica, il campo scientifico che utilizza i metalli per costruire sistemi di antenne per la luce su nanoscala. L’obiettivo finale è quello di integrare i dispositivi di rilevamento automatico delle sostanze dannose in biosensori lab-on-a-chip. Dato che però le antenne basate sui metalli non sono compatibili con i comuni processi di fabbricazione del silicio, esse non possono essere pienamente integrate nelle linee di produzione dei chip semiconduttori in silicio per una fabbricazione a basso costo. Imitare il metallo Tuttavia, “se si costruiscono materiali semiconduttori (come il germanio) usando ciò che gli scienziati chiamano ‘drogaggio’ – aggiungendo diversi tipi di atomi al materiale, nel nostro caso il fosforo – si può fare agire il semiconduttore come un metallo a frequenze ottiche,” spiega il prof. Biagioni. Benché raggiungere questo risultato sia impegnativo per lo spettro della luce visibile, “grazie al nostro progetto, adesso è possibile creare semiconduttori che imitano i metalli nell’infrarosso,” aggiunge. I wafer di silicio usati nell’industria della microelettronica sono ricoperti con un film sottile di germanio “drogato” e poi le antenne vengono incise nello strato di germanio. “Abbiamo ottenuto livelli di drogaggio del germanio eccezionali – dice – e possiamo ora tranquillamente affermare che il germanio è una valida alternativa per i metalli nelle antenne a infrarosso.” Applicazioni di rilevamento Il rilevamento nel medio infrarosso può tracciare i gas nell’atmosfera o gli analiti in una soluzione con alta specificità molecolare. Anche se il progetto GEMINI riguardava per lo più la ricerca di base, non finalizzata alla produzione di dispositivi di rilevamento specifici, il team si è anche concentrato su due applicazioni principali – il rilevamento di simulanti esplosivi in forma liquida e il rilevamento delle catene di DNA in una soluzione. Per gli esplosivi, il team ha raggiunto la fase di prova di concetto. “Nel caso del rilevamento del DNA, con la luce infrarossa si possono distinguere tra loro i diversi tipi di catene di DNA. Ad esempio, esiste il DNA a filamento singolo e a doppio filamento” e bisogna rilevare la concentrazione relativa di ciascuno, osserva. Ciò potrebbe trovare interessanti applicazioni nella diagnostica medica a singolo chip e nel rilevamento di certi inquinanti ambientali.
Parole chiave
GEMINI, sensori, nanotecnologia, diagnostica, ambiente, microchip, salute
