High-speed Polymerase chain reaction in CMOS-compatible chips

Abstract

En la última década del siglo XX, el campo de los microsistemas para análisis total (µ-TAS) y, más concretamente, el de los DNA-chips ha adquirido una importancia preponderante en el ámbito de los microsistemas. En gran parte, el creciente interés por estos dispositivos se debe a las substanciales mejoras que prometen: análisis más rápidos, baratos y automatizados, pero también es debido a la posibilidad de implementar técnicas analíticas antes impensables (e.g. chips de hibridación). En el caso particular de los DNA-chips, se han desarrollado prototipos funcionales para PCR, LCR, electroforesis en gel, di-electroforesis, hibridación y varias combinaciones de estas técnicas, al tiempo que los chips de hibridación masiva (mayoritariamente basados en arrayers) han llegado a convertirse en un éxito comercial. Aun así, y aunque se ha llevado a cabo mucho trabajo en estos años, es necesaria todavía mucha investigación para afrontar algunos de los principales retos de los DNA-chips. <br/>En el transcurso de esta tesis doctoral, se ha llevado a cabo el desarrollo un proceso tecnológico común para la fabricación de DNA-chips multifunción (i.e. sistemas versátiles basados en PCR y electroforesis), poniendo un especial énfasis en la compatibilidad con los procesos CMOS estándar, a fin de conseguir desarrollar prototipos proto-industriales. Como demostrador de esta puesta a punto tecnológica, se han diseñado, fabricado y testado chips de PCR, y la PCR en chips ha sido optimizada con respecto a materiales de fabricación, metodologías de inserción/extracción, composición bioquímica de la mix de PCR, diferentes configuraciones de calentadores/sensores (Peltier/termopares vs. resistencias integradas) y la cinética de la reacción.

In the last decade of the twentieth century, the fields of µ-TAS and, more specifically, DNA-chips have acquired increasing importance in the microsystems arena. The main reason for this surge of interest lies in the advantages these new devices seek to bring forth: faster, cheaper and completely automated analyses, and also in the outbreak of novel analytical techniques (e.g. hybridization chips). In the particular case of DNA-chips, functional prototypes have been demonstrated for PCR, LCR, gel electrophoresis, di-electrophoresis, hybridization and various combinations of these techniques, whilst hybridization chips (mainly arrayer chips) have become a successful market application. But, even though a considerable amount of work has been carried out in these few years, much research is still required to address fundamental problems of DNA-chips. <br/>In this doctoral work, a common-ground technological setup for the production of multifunction DNA-chips (i.e. PCR plus electrophoresis systems) has been laid down, placing strong emphasis in its compatibility with standard CMOS processes in order to produce proto-industrial prototypes. As a demonstrator of this technological setup, PCR-chips have been designed, manufactured and tested, and the chip PCR reaction has been optimized with respect to surface materials, insertion and extraction methods, biochemical mix composition, heater/sensor setups (Peltier/thermocouple vs. thin-film driven systems) and reaction kinetics.