Magnetoresistive and pto-magnetic biosensors

Most biological environments feature negligible magnetic properties, thus displaying extremely low background noises when diagnostic methods based on magnetism are used. Furthermore, cells are largely insensitive to low frequency magnetic fields, so that quasi-static magnetic tools are minimally invasive and well suitable for the investigation of biological properties. On the other hand, the peculiar magnetic response of media is of overwhelming importance for many imaging techniques. For these reasons, the application of magnetism in the biological field has always drawn attention and research in this field has been pursued for a long time. As a result, some magnetism based technologies have become of standard use for biomedical applications, like magnetoencephalography rather than magnetic resonance imaging. In recent years, the significant growth of nano- and micro-fabrication facilities, has strongly promoted the idea to employ miniaturized magnetic structures for their application in in-vitro and also in-vivo. Namely, the possibility to reduce the structures dimensions down to the cellular level, or sub-cellular level, has open up the way to discover complex biological activities by the direct investigation of single cells, cellular networks and biomolecular recognition events. In this context, two classes of objects play a major role: magnetic devices, which can be employed for sensing small magnetic fields or utilized to drive small local forces, and magnetic nano-particles, which can easily attach to biological objects and be controlled by external magnetic fields. In this context, this work reports the application of micro-structured magnetic devices and magnetic nano-particles for the detection of molecular recognition events and for the recording of neuronal cells activity. In the first part of this work, magnetic sensors are fabricated and utilized to detect the magnetic field generated by nano-particles attached to biological probes. In particular, the development of a portable platform based on sensors featuring tunneling magnetoresistance effect is described and the detection of natural DNA hybridization events is demonstrated. The work represents an important step towards the exploitation of highly sensitive magnetic sensors for real case in-situ genotyping. In the second part of the work, magnetic nano-particles are unconventionally used in an optical bio-sensing platform. In particular, a magnetic nanoparticle mediated optical ring resonator-based platform is developed and tested, with and without a magnetic actuation. The work presents the interesting possibility to further improve the standard ring resonator-based biosensing scheme in terms of sensitivity and reliability, paving the way towards the realization of a multi-range sensing platform with a broadened dynamic range. In the third and final part of the work, the employment of magnetic sensors in the biomedical field, without the actuation of magnetic nano-particles is presented. Precisely, a tunneling magnetoresistance-based scheme for the recording of the low magnetic fields generated by neuronal activities is introduced.

Questa tesi tratta della realizzazione e ottimizzazione di piattaforme di biosensing basate su giunzioni magnetiche a effetto tunnel (MTJ) e su risonatori ottici. Nella prima parte del lavoro, viene descritto lo sviluppo di una piattaforma compatta e portatile basata su MTJ, e viene mostrato l'utilizzo di questa piattaforma per la rivelazione di mutazioni geniche. Nello specifico, la piattaforma viene impiegata con successo per esperimenti di rilevazione dell’ibridazione di DNA naturale di Listeria, fino a concentrazioni inferiori al nano molare. Il lavoro svolto rappresenta un importante passo verso l'utilizzo di MTJ nel campo della diagnostica precoce nel settore agro-alimentare, consentendo di avere saggi locali, rapidi e con elevata sensibilità. Nella seconda parte del lavoro, viene descritto lo sviluppo di uno schema di biosensing basato su micro risonatori ottici e particelle magnetiche. In una prima fase, viene mostrato come l’aggiunta passiva di marcatori non specifici a piattaforme basate sui risonatori ottici, risulti in un aumento considerevole dei segnali in uscita rispetto a quelli che si possono ottenere utilizzando i risonatori nella configurazione più convenzionale. In una seconda fase, viene introdotto un innovativo schema che utilizza l’effetto sui risonatori della risposta delle particelle magnetiche a un campo magnetico in alternata. Il lavoro pone le basi per lo sviluppo di una piattaforma versatile con diversi gradi di complessità e sensibilità. Nella terza e ultima parte del lavoro, viene affrontata la possibilità di utilizzare sensori magnetoresistivi per la rivelazione di segnali neuronali. In particolare è presentato uno studio di fattibilità in cui si va a investigare sui limiti della sensibilità della tecnologia presentata. Inoltre viene anche mostrata la realizzazione e l’utilizzo di una piattaforma per rivelare i segnali neuronali provenienti dalle fibre presenti in fette di cervello. Il lavoro rappresenta un importante passo verso l’utilizzo di sensori magnetici per studi non invasivi nel campo delle neuroscienze.