tehnologia de fabricatie pentru senzori integrati (biosenzori si

Investește în oameni!

POSDRU/89/1.5/S/63700

Conferința finală MNT-POSTDOC, 27 Martie 2013

Tehnologia de fabricatie pentru senzori integrati (biosenzori si senzori chimici)pentru monitorizare medii biochimice

Dr. Carmen Moldovan

Titlul proiectului: Microsisteme si microsenzori integrati pentru monitorizarea mediilor biochimice

Subdomeniu MNT-POSTDOC: Micro-nanosisteme pentru aplicatii biomedicale BIO-MEMS

Tutore: Acad. Dan Dascalu


POSDRU/89/1.5/S/63700


INTRODUCERE• Dezvoltarea si optimizarea tehnologiei de realizare a microsistemelor

continand senzori integrati, miniaturizati care sa poata fi utilizati in aplicatii biomedicale si de mediu

• S-a dezvoltat un proiect tehnologic care va avea ca principale componente biosenzori pentru detectia de substante neurotoxice si senzori auxiliari pentru caracterizarea si monitorizarea mediului biochimic in care au loc reactiile

• S-au dezvoltat doua directii principale: 1. Dezvoltarea de senzori pe substrat de siliciu si 2.Dezvoltarea de senzori pe substrat flexibil

[1] Hueji Zhang, Huangxian Ju, Joseph Wang, Electrochemical Sensors, Biosensors and their Biomedical Applications, Elsevier Book, 2008, pp 32-50

[2] Xuesong Jiang, Dongyang Li, Xia Xua, Yibin Ying, Yanbin Li, Zunzhong Ye, Jianping Wang, Immunosensors for detection of pesticide residues Review, Biosensors and Bioelectronics 23 (2008) 1577–1587

[3] Nicole Jaffrezic-Renault, New Trends in Biosensors for Organophosphorus Pesticides, Sensors, 1(2001) 60-74


POSDRU/89/1.5/S/63700


REZULTATE

1. Microsenzori integrati pe siliciu 2. Platforma integrata si Microsisteme 3. Microsenzori pe plastic


POSDRU/89/1.5/S/63700


Cipul de siliciu contine electrozi de aur interdigitali, un senzor de temperatura si un electrod de pH (electrodul de lucru) si este plasat intr-un canal microfluidic

• cipul are dimensiunea de 6x12 mm2

Microsenzori integrati pe siliciu

Placheta cu cipuri de senzoriCipul continand senzori


POSDRU/89/1.5/S/63700


Pregatire biosenzoriSenzori

BiosenzorpH

Temperatura

Pregatire BIOSENSOR

Curatire cip

H2SO4, 5 minuteH2O DI 5 minuteUscare in acetona

Functionalizare suprafata

Tiol (MUA), BSA, PEG

Depunere enzima Acetlcolinesteraza AChE preparata in solutie PBS este depusa pe cip si este stocata in frigider

Activarea Enzimei

Iodura de acetiltiocolina 0,001 M/L preparata in solutie PBS

Inhibarea enzimei a) Pregatirea probei b) Introducerea probei in contact cu aria enzimatica

pentru un timp de 10-20 min, apoi se reactiveaza enzima cu ATChl 0.001M/L

Cipul de siliciu cu senzori

pH electrod Temperatura


POSDRU/89/1.5/S/63700


Capacitate (a) si conductanta (b) senzorilor enzimatici in prezenta Diclorpirifos

Caracterizare senzori

A = 10-10M/L B = 10-6M/L

BIOSENZORI

Diclorpirifos in solutie de electrolit, injectat pe cip (punctul A si B) a condus la valorile masurate din figura.Conductivitatea si capacitatea scad dupa introducerea toxicului


POSDRU/89/1.5/S/63700


Platforma de detectie a ariei de senzori


POSDRU/89/1.5/S/63700


Blocuri si Componente

FluidicaMicrocanaleRezervoareDistributie -tuburiPompe

Senzori:

BiosensorpH

Temperatura

Electronica:

Conectare Module electronice

P CIntefata calculator

Afisare

Platforma de laborator permite detectie rapida, inlocuire rapida a probelor, afisare in timp real si achizitie de date

INTEGRARE: Microsenzori in interiorul canalelor microfluidice, procesare de semnal, achizitie si interpretare controlul fluidului


POSDRU/89/1.5/S/63700


Conexiuni electrice si microfluidica

y = 0.0358x + 138.81

137

137.5

138

138.5

139

139.5

140

140.5

141

141.5

142

30.73

831

.5432

.803

33.43

934

.182

35.16

736

.097

36.58

337

.475

38.23

939

.003

39.53

640

.381

2/14/2008 1 1 R

Linear (2/14/2008 1 1R)

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

0,32

0,34

4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

pH

volta

ge (V

)

pH+ - ref

Senzori de pH si temperatura


POSDRU/89/1.5/S/63700


Concluzii senzori pe siliciu • Biosenzorii cu acetilcolinesteraza (AChE) permit detectia compusilor

organofosforici prin blocarea enzimei in prezenta acestor compusi la concentratii mai mari de of 10-10 M/L.

• Intregul sistem (biosenzor, modul microfluidic, controlul pe calculator este un instrument util pentru inspectia alimentelor (lapte, sucuri) in industria alimentara si in agricultura.

• O arie de microsenzori permite detectie paralela, utilizand acelasi tip de senzori dar pentru probe diferite. Fiecare senzor este independent din punct de vedere fluidic si electronic

• Aria de microsenzori este de cost scazut, usor de manipulat, oferind sensibilitate crescuta.

• Aplicarea tehnologiei a condus la realizarea de noi senzori integrati pentru aplicatii biomedicale integrati in sisteme si platforme integrate.


POSDRU/89/1.5/S/63700


Tehnologie microsenzori pe plasticElectrod de pH, senzor de temperatura, electrozi interdigitati

Electrodul de pH si senzorul de temperatura sunt realizati pe rubilit prin lift-off mecanic al unui strat de Ti/Pt depus la grosimi standard de 15nm/200nm.Electrodul interdigital este realizat prin printare cu Ink Jet Printer utilizand o pasta de aur. Pentru electrodul de aur s-au utilizat substrate diferite atat polimerice cat si de hartie in ideea testarii tehnicii de printing din punct de vedere al aderentei pastei (cernelii) conductoare la substrat, conformitatii depunerii (linii drepte fara efect de “coffe ring”), rezistentei substratului la temperatura de postprinting si rezistenta substratului in prezenta unor solutii chimice (de curatire, de functionalizare, de activare, etc). Alegerea substratului, materialul de electrozi, tehnicile de realizare se face in functie de aplicatie. Electrodul de pH este functional dupa depunerea unui strat de polimer conductor.


POSDRU/89/1.5/S/63700


Tehnologie depunere / configurare platina

Dispozitiv pe rubilit (a), Ti/Pt dupa exfoliere rubilit (b), depus cu polianilina (c)

a b

c


POSDRU/89/1.5/S/63700


Fabricatie si conectare

O pereche de electrozi interdigitali printati cu Ink Jet

Conector electric pentru senzori pe plastic

Modul de conectare electrica pentru masurarea senzorilor pe plastic


POSDRU/89/1.5/S/63700


Concluzii senzori pe plasticTehnologia pe plastic s-a finalizat cu un nou concept de

realizare senzori pe substrat flexibil. S-au printat senzorii de impedanta si pH pe PET cu Ink Jet cu nanoparticule de aur si senzorul de temperatura s-a realizat prin depunere de platina si lift off mecanic al rubylith-ului

T

Am conceput un nou mod de conectare. Cele doua folii (figura alaturata) se vor plasa spate la spate, se vor lipi impreuna si se vor conecta la un cablu flexibil care va inteconecta senzorii cu modulul electronic.


POSDRU/89/1.5/S/63700


• 2 articole ISI• 2 articole BDI• 5 participari la Conferinte• 1 brevet acceptat• 1 brevet depus• 4 proiecte depuse la competitii europene, 2 proiecte castigate

la competitii europene• 2 proiecte depuse la competitii nationale, 1 proiect castigat • tehnologie de microsenzori pentru aplicatii biomedicale pe

siliciu • tehnologie de microsenzori pentru aplicatii biomedicale pe

plastic • microsistem hibrid demonstrator al tehnologiei pe siliciu

(integrarea senzorilor de temperatura, pH, impedimetric)• microsenzor demostratori ai tehnologiei pe plastic (integrarea

senzorilor de temperatura, pH si impedimetric)

Rezultate obtinute


POSDRU/89/1.5/S/63700


ConcluziiProiectul POSDRU a permis:- Dezvoltarea a doua noi tehnologii pentru realizarea de microsenzori integrati pe siliciu si pe plastic, cu efect direct in cresterea numarului de publicatii si brevete-Continuarea directiilor de dezvoltare de microsenzori bio si chemo pe siliciu- Demararea a noi directii de realizare microsenzori pe substrat flexibil (plastic, hartie) - Dezvoltarea de aplicatii cu potential de valorificare si legatura cu industria (ex: Platforma mobila pentru detectia substantelor toxice (organofosforice, metale grele, carbamati) din alimente, apa, sol, fructe, legume)


POSDRU/89/1.5/S/63700


Cele mai importante lucrari stiintifice elaborate de autoare

1. Miniaturized Integrated Platform for Electrical and Optical Monitoring of Cell Cultures, Carmen Moldovan, Rodica Iosub, Cecilia Codreanu, Bogdan Firtat, Daniel Necula, Costin Brasoveanu si Ion Stan, Sensors 2012, 12(8), 11372-11390

2. Polyaniline Nanofiber based Devices on flexible substrate, Carmen Moldovan, Rodica Iosub, Anton Manolescu, Anca Manolescu and Cornel Radu, Revue Roumaine de Chimie 2012, 57 (6), 559-567

3. Microfabrication technology of a biosensor array based platform for pesticides detection, Carmen Moldovan, Rodica Iosub, Cecilia Codreanu, Daniel Necula, Alina Ion, Ion Stan, 14th International Meeting on Chemical Sensors, Nurnberg, 20-23 Mai 2012, Proceedings pag 1352-1355, ISBN 978-3-9813484-2-2, AMA Service GmbH, 2012

4. Multichannel bidirectional microprobe for neuronal cells recording and stimulation and the integrated platform for measurements, Carmen Moldovan, Rodica Iosub, Cecilia Codreanu, Bogdan Firtat, Daniel Necula, Costin Brasoveanu, Ion Stan, Smart System Integration 2012, 21-23 Martie 2012, Zurich, Proceedings, lucrarea 79, ISBN 978-3-8007, 3423-8, VDI Verlag GMBH, Berlin, Offenbach, Germany

5. Senzor impedimetric miniaturizat pentru detectia pesticidelor, autor principal: C.Moldovan, coautori R.Iosub, D. Necula, B. Firtat, Brevet inregistrat cu Nr. A/01355/ 16.12.2010, publicat in RO-BOPI 2/2012, GO1N. pag. 45


POSDRU/89/1.5/S/63700


Recunoasteri si multumiriPROIECTUL POSDRU 89/1.5/S/63700, coordonat de Institutul

National de Cercetare-Dezvoltare pentru MicrotehnologieCoordonator (Tutore) Acad. Dan Dascalu si echipa de

implementareDepartamentul de Tehnologie si Fabricatie Masti - IMTRodica Iosub - IMTDaniel Necula – IMTAdrian Dinescu – IMT Cecilia Codreanu - IMTIon Stan – Romelgen SRLAlina Ion – UPB

tehnologia de fabricatie pentru senzori integrati (biosenzori si

Documents