Integrated magnetoresistive platform for the detection of pathogens in agrifood industry

This thesis work is focused on a research project aiming to the development of a spintronic-based platform for the molecular recognition of DNA pathogens in food and agrifood industries. In particular, the project deals with the realization of a lab-on-chip system based on a microarray of magnetic tunneling junctions (MTJ) with high sensitivity. Magnetic biosensing was made possible by the fast development of devices based on the giant magnetoresistance (GMR) and the tunnel magnetoresistance (TMR). In recent years, spintronic biosensors have attracted considerable attention because they combine high sensitivity, portability, and compatibility with standard CMOS (Complemetary Metal-Oxide Semiconductor) processing while having low production costs. In these devices, the recognition of a particular biomolecule (target), natural single strand DNA in this thesis, occurs through the binding of magnetic particle (marker), whose presence is detected by a variation in the electrical resistance of the sensor (magnetoresistance). The capture of the target molecule is carried out by a complementary ssDNa probe, immobilized on the sensor area through a suitable functionalization. The experimental work has been carried out under the supervision of Doctor Daniela Petti and Professor Riccardo Bertacco, responsible for the NaBiS group. The first part of the work was carried out at the LNESS Center-Dipartimento di Fisica of the Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como, while the last part at the PoliFab Center-Dipartimento di Fisica of the Politecnico di Milano, in Milan. The first part of the work has dealt with the optimization of the MTJ sensors in order to realize suitable devices for the detection of biomolecules. Several devices have been fabricated and characterized, obtaining good results in terms of TMR ratio, linearity and coercivity of the magnetoresistive response. The second part of the thesis was focused on the optimization of the platform layout, with particular attention to the microfluidic system used for the biological experiments. The final part of the work has concerned the biological experiments, which have validated these sensors in a real biological application in the context of agrifood industries. The following topics have been addressed during this work:  Optimization of the sensors structure in order to obtain the desired magnetoresistive response.  Microfabrication of MTJ sensors through the magnetron sputtering deposition and optolithographic patterning.  Sensors characterization through tunneling magnetoresistance measurements.  Bio-functionalization of the sensors active area and labeling with magnetic beads.  Optimization and testing of the lab-on-chip platform.  Molecular recognition of natural DNA using the developed platform. The bio-functionalization of the sensors has been carried out at the "Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare" ICRM. The front-end electronics employed for the signal detection has been developed by "Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria" of the Politecnico di Milano. This thesis is organized in 5 chapters. The first chapter gives an overview of the state of the art of biosensing. The second chapter reviews the physical principles behind MTJ-based sensors. The third chapter explains the experimental methods employed during this thesis work. In the fourth chapter, the characterization and optimization of the sensors functional layers are presented. In the final chapter, the development of the DNA reactive microcontact printing technique (μCP), the optimization of the microfluidic apparatus and the experiments of biomolecular recognition are illustrated. Finally, the conclusions and the future perspectives are drawn.

Questo lavoro di tesi si colloca nell’ambito di un progetto di ricerca con l'obiettivo di sviluppare una piattaforma, basata su biosensori spintronici, per il riconoscimento molecolare di DNA di patogeni negli alimenti e nell’ambito delle industrie agro-alimentari. In particolare, il progetto prevede la realizzazione di un sistema lab-on-chip che permetta il rilevamento di molecole biologiche mediante l’uso di un microarray di sensori magnetici ad effetto tunnel (MTJ) ad elevata sensibilità. La realizzazione di biosensori magnetici è stata resa possibile dal rapido sviluppo di dispositivi basati sulla magnetoresistenza gigante (GMR) e sulla magnetoresistenza ad effetto tunnel (TMR). Negli ultimi anni, i biosensori spintronici hanno suscitato molto interesse perché uniscono alta sensibilità, portabilità, e compatibilità con i processi standard per la realizzazione dei CMOS (Complemetary Metal-Oxide Semiconductor), pur avendo bassi costi di produzione. In questi dispositivi, il rilevamento di una particolare biomolecola (target), che in questa tesi consiste in un singolo filamento di DNA naturale, avviene attraverso l’utilizzo di particelle magnetiche come marker la cui presenza causa una variazione nella resistenza elettrica del sensore (magnetoresistenza). Le molecole target vengono catturate sulla superficie dei sensori attraverso l’ibridazione con le sonde complementari, immobilizzate precedentemente sulla superficie stessa. Il lavoro sperimentale è stato realizzato nell’ambito del progetto LOCSENS sotto la supervisione della dott.ssa Daniela Petti e del professor Riccardo Bertacco, responsabile del gruppo Nabis. La prima parte del lavoro si è svolta presso il Centro LNESS-Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano (Como), mentre l'ultima parte è stata svolta presso il Centro PoliFab-Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. La prima parte del lavoro ha affrontato l'ottimizzazione dei sensori basati su MTJ, al fine di realizzare dispositivi adatti alla rilevazione di DNA di patogeni. Diversi dispositivi sono stati fabbricati e caratterizzati, ottenendo risultati soddisfacenti in termini di valori TMR, linearità e coercività della risposta magnetoresistiva. La seconda parte della tesi si è focalizzata sull’ ottimizzazione del layout della piattaforma, con particolare attenzione al sistema microfluidico utilizzato per gli esperimenti biologici. La parte finale del lavoro ha riguardato gli esperimenti biologici, che hanno dimostrato la possibilità di utilizzare tali sensori in una reale applicazione nell’ambito del rilevamento di patogeni in un contesto industriale. I seguenti argomenti sono stati affrontati nel corso di questa tesi:  Ottimizzazione della struttura dei sensori al fine di ottenere la risposta magnetoresistiva desiderata.  Micro-fabbricazione di sensori MTJ tramite deposizione con “magnetron sputtering” e litografia ottica.  Caratterizzazione dei sensori attraverso misure di magnetoresistenza.  Funzionalizzazione biologica dell’area attiva dei sensori e labeling tramite nanoparticelle magnetiche.  Ottimizzazione e test della piattaforma lab-on-chip LOCSENS.  Riconoscimento molecolare di DNA naturale con la piattaforma LOCSENS. La funzionalizzazione dei sensori è stata effettuata presso l’ICRM "Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare". L'elettronica utilizzata per la rilevazione del segnale è stata sviluppata dal "Dipartimento di Elettronica ed Informazione e Bioingegneria" del Politecnico di Milano. Questa tesi è organizzata in 5 capitoli. Il primo capitolo fornisce una panoramica sullo stato dell'arte dei biosensori. Il secondo capitolo esamina i principi fisici alla base dei sensori MTJ. Il terzo capitolo illustra i metodi sperimentali utilizzati nel corso di questo lavoro di tesi. Nel quarto capitolo è descritta l’ottimizzazione degli elementi funzionali dei sensori. Nel capitolo finale sono illustrati gli studi condotti sulla funzionalizzazione tramite stampaggio del DNA (μCP), l'ottimizzazione dell'apparato microfluidico della piattaforma di biosensing e gli esperimenti di riconoscimento biomolecolare. Infine sono presentate le conclusioni e le prospettive future.