Towards a magnetoresistive platform for detection of DNA pathogens in agrifood industries

This thesis work is part of a research project aimed at the development of a spintronic-based platform for the molecular recognition of DNA pathogens in foods and agrifood industries. In particular, the project involves the realization of a lab-on-chip system which allows the recognition of biological molecules exploiting a microarray of MTJ based sensors with high sensitivity (detection limits – LOD – less than fM). Spintronic biosensors have attracted considerable attention in recent years because they combine high sensitivity, high portability and low production costs. In these devices the recognition of a particular biomolecule (target) occurs binding a magnetic particle (marker) to the molecule itself, thus allowing its detection by means of a variation in the electrical resistance of the sensor (magnetoresistance). The active area of the biosensor is suitably functionalized with the complementary probe molecules, in order to capture by hybridization the target molecules, previously labeled with magnetic beads. The beginning of this thesis work occurred in conjunction with the project, allowing me to follow its evolution. The experimental work has been carried out under the supervision of Professor Riccardo Bertacco, responsible for the NaBiS group at the LNESS Center-Dipartimento di Fisica of the Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. The first part of the work has dealt with the optimization of the MTJ sensors with MgO insulating barrier, in order to improve their performance in view of the high sensitivity required by the project. Several devices have been fabricated and characterized, obtaining satisfactory results in terms of TMR ratio, reliability and repeatability of the manufacturing process. The second part of the thesis has focused on the project of the prototype of the platform, with particular attention to the microchip design and the microarray of magnetic sensors. The final part of the work has concerned the biological experiments, which have demonstrated the possible application of the magnetic sensors developed during the thesis work to a real biological system. The following topics have been addressed during the work: • Optimization of the sensor’s structure: atomic force microscopy characterization of layers’ surface and characterization of magnetic heterostructures by means of magneto-optic Kerr effec and vibrating sample magnetometer. • Fabrication of MTJ sensors: deposition of the multilayered stack by magnetron sputtering and optolithographic patterning. • Sensors’ characterization through tunnelling magnetoresistance measurements and noise measurements. • Optolithographic mask design of the microchip for the new platform development. • Bio-functionalization of the sensors’ active area and labeling with magnetic beads. • Molecular recognition of synthetic and natural DNA using MTJ sensors. The bio-functionalization of the sensors has been performed at the "Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare" ICRM. The noise measurements have been executed in collaboration with the "Dipartimento di Elettronica ed Informazione" of the Politecnico di Milano, while the microfluidic project of the new platform has been developed by the "Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering, Giulio Natta". This thesis is organized in 6 chapters. In the first chapter, an oveview of the technological background concerning the state of the art of biosensors and magnetoresistive biosensors is illustrated. The second chapter discusses the physical principles of magnetic tunnel junctions. The third chapter explains the experimental methods which have been employed during this thesis work. In the fourth chapter the design of the lab-on-chip platform and its main components are described. The fifth chapter explains the results related to the optimization and characterization of the fabricated sensors. In the final chapter the experiments of biomolecular recognition are illustrated and, finally, the conclusions and the future perspectives are presented.

Questa tesi si colloca nell’ambito di un progetto di ricerca volto allo sviluppo di una piattaforma, basata su biosensori spintronci, per il riconoscimento molecolare di DNA patogeno negli alimenti e nell’ambiente di lavoro della filiera agroalimentare. In particolare il progetto prevede la realizzazione di un sistema lab-on-chip che permetta il riconoscimento di molecole biologiche grazie all’uso di microarray di sensori magnetici ad effetto tunnel (MTJ) ad alta sensitività (limiti di detezione – LOD – inferiori al fM). I biosensori spintronici hanno attratto una notevole attenzione negli ultimi anni poiché combinano elevata sensitività, alta portabilità e bassi costi di produzione. In questi dispositivi il riconoscimento di una particolare molecola (target) avviene facendo in modo che una particella magnetica (marker) si leghi alla molecola stessa, permettendo così la sua rivelazione tramite una variazione della resistenza elettrica del sensore (magnetoresistenza). L’area attiva del biosensore viene opportunamente funzionalizzata con la molecola sonda complementare (probe), per catturare tramite ibridazione le molecole target precedentemente legate alle sferette magnetiche. L’inizio di questa tesi è coinciso con l’avvio del progetto stesso, e mi ha reso possibile seguirne l’evoluzione sin dalla nascita. Il lavoro sperimentale é stato realizzato sotto la supervisione del Professore Riccardo Bertacco, responsabile del gruppo NaBiS presso il centro LNESS-Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. La prima parte del lavoro ha riguardato principalmente l’ottimizzazione dei sensori magnetici ad effetto tunnel con barriera di MgO, allo scopo di migliorarne le prestazioni in vista dell’alta sensitività richiesta dal progetto. Diversi dispositivi sono stati fabbricati e caratterizzati, ottenendo dei buoni risultati in termini di TMR, di affidabilità e ripetibilità del processo di fabbricazione. La seconda parte della tesi ha riguardato la progettazione dei vari componenti della piattaforma con particolare attenzione al design del microchip contenente il microarray di sensori magnetici. La parte conclusiva del lavoro di tesi ha riguardato gli esperimenti biologici, che hanno permesso di dimostrare la possibilità di applicazione dei sensori magnetici fabbricati durante il lavoro di tesi ad un sistema biologico reale. Le seguenti tematiche verranno affrontate nel corso dell’elaborato: • Ottimizzazione della struttura del sensore: caratterizzazione di superfici con AFM e studio di eterostrutture magnetiche tramite misure MOKE e VSM. • Fabbricazione dei sensori: deposizione della struttura tramite “magnetron sputtering“ e litografia ottica. • Caratterizzazione dei sensori con misure di magnetoresistenza e misure di rumore. • Design della maschera optolitografica del microarray di sensori compatibile con la nuova piattaforma da sviluppare. • Bio-funzionalizzazione dei sensori e labeling con nanoparticelle magnetiche. • Riconoscimento molecolare su DNA sintetico e naturale. Hanno collaborato a questo progetto: per la parte che riguarda la biofunzionalizzazione dei sensori l’Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare (ICRM), per le misure di rumore il Dipartimento di Elettronica ed Infomazione del Politecnico di Milano, e per il progetto del sistema microfluidico il dipartimento CMIC del Politecnico di Milano (Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering, Giulio Natta). La tesi é organizzata in sei diversi capitoli. Il primo capitolo tratta del background tecnologico su cui si fonda il lavoro ed in particolare fornisce una panoramica sui biosensori utilizzati attualmente, con particolare attenzione a quelli magnetoresistivi. Il secondo capitolo descrive i principi fisici su cui si basano i sensori magnetici ad effetto tunnel. Il terzo capitolo si occupa delle tecniche e dei metodi sperimentali utilizzati in questo lavoro. Nel quarto capitolo sono descritti i vari componenti della piattaforma lab-on-chip del progetto. Il quinto capitolo presenta i risultati sperimentali della fase di ottimizzazione e caratterizzazione dei sensori MTJ fabbricati. Nel sesto capitolo sono presentati i risultati degli esperimenti biologici di riconoscimento molecolare. Infine sono discusse le conclusioni del lavoro e le prospettive future.