Método para definir y fabricar motivos superficiales nanométricos químico reactivos mediante litografía blanda en fase gaseosa,

motivos y dispositivos así obtenidos y sus aplicaciones.

El método propuesto en esta patente de invención permite definir y fabricar sobre obleas de silicio monocristalino u otro material semiconductor o superficie sólida, un motivo químico reactivo previamente proyectado o una serie de ellos, preferentemente una molécula de silano como el MPTMS y APTMS con un grupo tiol y amino funcional expuesto, respectivamente. Estos soportes funcionalizados a nivel nanométrico pueden ser utilizados para la fabricación de dispositivos microelectrónicos o biotecnológicos como, por ejemplo, un microarray o microchip de DNA o PNA

Método para definir y fabricar motivos superficiales nanométricos químico reactivos mediante litografía blanda en fase gaseosa, motivos y dispositivos así obtenidos y sus aplicaciones.

Sector de la técnica

La presente invención pertenece al dominio de la nanotecnología, más concretamente, a la definición y preparación de superficies estructuradas en el rango del nanómetro con el objetivo de ser aplicables en electrónica y en biotecnología. En este último aspecto, y de forma más concreta la invención se relaciona, en general, con un procedimiento de obtención y aplicaciones de un biosensor basado en la inmovilización de moléculas biológicas (por ejemplo, ADN y PNA) sobre superficies, pudiéndose ser aplicado en la detección y caracterización de moléculas de ácidos nucleicos (DNA o RNA) de interés biotecnológico, biosanitario humano o veterinario, medioambiental, agrario o alimentario.

Estado de la técnica

Los procedimientos industriales para reproducir un motivo (layout) en la microelectrónica de estado sólido, fabricación de circuitos integrados y CMOS, constituyen un cuerpo tecnológico denominado litografía. La demanda de nuevos dispositivos cada uno de ellos con un grado de integración más alto implica la elaboración de métodos y aparatos nuevos que tratan de sobreponerse a los límites físicos de las técnicas clásicas. En este sentido, la formación de motivos superficiales de silanos ha sido propuesta como una herramienta versátil para el nanoestructurado de substratos de silicio [S. Onclin, B. J. Ravoo, D. N. Reinhoudt, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 6282-6304] en el rango del nanómetro. Los organoalkoxisilanos combinan la capacidad de enlace covalente a superficies oxidadas de silicio con una amplia variedad de funcionalidades para posteriores uniones químicas. Estas capacidades hacen de los motivos de silano una excelente plataforma para procesos sintéticos basados en autoensamblado, como por ejemplo en la fabricación de matrices de nanohilos [M. Geissler, H. Wolf, R. Stutz, E. Delamarche, U.-W. Grummt, B. Michel, A. Bietsch, Langmuir 2003, 19, 6301-6311] y biomoléculas [K.-B. Lee, S.-J. Park, C. A. Mirkin, J. C. Smith, M. Mrksich, Science 2002, 295, 1702-1705]. La técnica del Dip-pen nanolithography [A. Ivanisevic, C. A. Mirkin, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7887-7889; H. Jung, R. Kulkarni, C. P. Collier, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 12096-12097; S. E. Kooi, L. A. Baker, P. E. Sheehan, L. J. Whitman, Adv. Mater. 2004, 16, 1013-1016; D. J. Pena, M. P. Raphael, J. M. Byers, Langmuir 2003, 19, 9028-9032] y micro-contact printing [B. D. Gates, Q. Xu, M. Stewart, D. Ryan, C. G. Willson, G. M. Whitesides, Chem. Rev. 2005, 105, 1171-1196; Y. Xia, G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550-575; Y. Xia, G. M. Whitesides, Annu. Rev. Mater. Sci. 1998, 28, 153-184; A. Kumar, G. M. Whitesides, Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 2002-2004; D. Wang, S. G. Thomas, K. L. Wang, Y. Xia, G. M. Whitesides, Appl. Phys. Lett. 1997, 70, 1593-1595; T. Pompe, A. Fery, S. Herminghaus, Langmuir 1999, 15, 2398-2401 han sido propuestas como metodologías adecuadas para la formación directa de motivos químicos. En estas técnicas, una punta de AFM o un sello elastomérico se mojan con una solución que contiene las moléculas de interés y se ponen en contacto con el substrato receptor, donde estas reaccionan con la superficie en las áreas de contacto. A pesar de su gran atractivo, su uso se ha restringido a la formación de motivos en substratos de oro, formando capas autoensambladas de alkanetioles. La mayor desventaja de estas técnicas para la formación de nanomotivos de silano esta relacionada con el uso de procesos húmedos para el anclaje de las moléculas. Bajo estas condiciones, los silanos tienden a reaccionar con ellos mismos formando oligómeros y multicapas tanto en la superficie donadora como en la superficie receptora. De esta manera, el proceso de formación de los motivos es menos fiable y produce motivos poco uniformes que contienen agregados. Estas técnicas han conseguido producir motivos con dimensiones mínimas de 30 nm.

Por otro lado, en el ámbito de la biotecnología ha supuesto un avance importante el desarrollo reciente de la tecnología de microarrays de distintos elementos biológicos -DNA, PNA (ácidos nucleicos peptídicos), anticuerpos, enzimas, proteínas, entre otras-, también llamados chips o microchips, según la cual miles de sondas moleculares se pueden fijar covalentemente a un soporte sólido (vidrio, nitrocelulosa, nylon etc.). Mediante estos microarrays se pueden realizar por ejemplo experimentos de expresión génica, estudios de polimorfismos de nucleótidos (SNPs), minisecuenciación y tipado de microorganismos.

Diferentes tecnologías han sido aplicadas para la fabricación de estos microarrays. Sin embargo estas adolecen de limitaciones muy importantes como son la resolución de los mismos (que impide obtener arrays de muy alta densidad-nanoarrays) y el número de puntos de reconocimiento que pueden ser fabricados simultáneamente.

La presente invención trata de resolver estos problemas mediante un proceso de litografía blanda (término empleado habitual en la bibliografía para designar los métodos basados en compuestos elastómeros) en fase gaseosa.

Descripción de la invención

Un objeto de la invención lo constituye un procedimiento para definir y fabricar un substrato plano de silicio u otro material silanizable con un motivo superficial nanométrico químico reactivo, o una serie de ellos, en adelante proceso de fabricación de un nanoestructurado de la invención, basado en una técnica de litografía blanda en fase gaseosa y que comprende las siguientes etapas (Figura 1):

a) Preparación del master o patrón con un motivo mediante adsorción de nanotubos de carbono con diámetro en el rango del manómetro sobre una superficie plana de silicio, u otro material silanizable, oxidada, preferentemente nanotubos menores de 10 nm,

b) preparación para el proceso de moldeado de la mezcla de, preferentemente prepolímeros de Polydimetilsiloxano (PDMS) con el agente de curado, eliminación de las burbujas de su interior, preferentemente mediante tratamiento al vacío, su adición sobre el master o patrón de a), donde adopta la forma de los motivos originales en relieve y su curación con un tratamiento térmico,

c) una vez curado, el molde de PDMS (4) resultante se extrae o separa del patrón y se coloca en una atmósfera saturada de las moléculas de silano de interés (6) y donde estas moléculas volátiles de silano difunden y se insertan en la matriz de PDMS gracias a su permeabilidad a los gases de la atmósfera a la cual se somete,

d) transferencia de los motivos al substrato, mediante el depósito o adhesión del molde cargado de c) sobre el substrato receptor, que provoca la formación en éste de cavidades (8) con la forma y dimensiones de los motivos originales del patrón (el gas contenido en el seno del PDMS difunde hacia estas cavidades y reacciona con la superficie expuesta del substrato receptor), y, finalmente,

e) retirada del molde del substrato receptor, el cual se lava, preferentemente, en agua desionizada y se seca con nitrógeno, obteniéndose una superficie réplica con los motivos químicos reactivos de silano grabados (9).

Un aspecto particular de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que la molécula de silano de c) utilizada pertenece, a título ilustrativo y sin que limite la invención, al siguiente grupo: MPTMS y APTMS.

Otro aspecto de la invención lo constituye un substrato plano de silicio u otro material silanizable con un motivo superficial nanométrico químico reactivo, en adelante sustrato de la invención, fabricado según el procedimiento de la invención.

Otro aspecto particular de la invención lo constituye un sustrato de la invención en el que el motivo químico reactivo comprende un APTMS con grupo amino expuesto.

Otro aspecto particular de la invención lo constituye un sustrato de la invención en el que el motivo químico reactivo comprende un MPTMS con un grupo tiol expuesto.

Finalmente, otro aspecto de la invención lo constituye un dispositivo microelectrónico o biotecnológico que comprende el sustrato de la invención, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo: microarray o microchip de DNA o PNA.

La presente invención se basa en que los inventores han observado que es posible obtener motivos, definidos previamente,...

1. Procedimiento para definir y fabricar un motivo superficial nanométrico químico reactivo, o una serie de ellos caracterizado porque se basado en litografía blanda en fase gaseosa y porque comprende las siguientes etapas:

a) preparación del master o patrón con un motivo mediante adsorción de nanotubos de carbono con diámetro en el rango del manómetro sobre una superficie plana de silicio, u otro material silanizable, oxidada, preferentemente nanotubos menores de 10 nm,

b) preparación para el proceso de moldeado de la mezcla del silano, preferentemente prepolímeros de Polydimetilsiloxano (PDMS) con el agente de curado, eliminación de las burbujas de su interior, preferentemente mediante tratamiento al vacío, su adición sobre el master o patrón de a), donde adopta la forma de los motivos originales en relieve y su curación con un tratamiento térmico,

c) una vez curado, el molde de PDMS (4) resultante se extrae o separa del patrón y se coloca en una atmósfera saturada de las moléculas de silano de interés y donde estas moléculas volátiles de silano difunden y se insertan en la matriz de PDMS gracias a su permeabilidad a los gases de la atmósfera a la cual se somete,

d) transferencia de los motivos al substrato, mediante el depósito o adhesión del molde cargado de c) sobre el substrato receptor, que provoca la formación en éste de cavidades con la forma y dimensiones de los motivos originales del patrón y,

e) retirada del molde del substrato receptor, el cual se lava, preferentemente, en agua desionizada y se seca con nitrógeno, obteniéndose una superficie réplica con los motivos químicos reactivos de silano grabados.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el material silanizable de a) es un material con un alto contenido superficial de grupos -OH perteneciente, preferentemente al siguiente grupo: vidrio y silicio.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque las moléculas de silano utilizado de c) pertenece al siguiente grupo: MPTMS y APTMS.

4. Sustrato plano de silicio u otro material silanizable caracterizado porque comprende un motivo superficial nanométrico químico reactivo fabricado según el procedimiento de las reivindicaciones 1 a la 3.

5. Sustrato según la reivindicación 4 caracterizado porque el motivo químico reactivo comprende un APTMS con grupo amino expuesto.

6. Sustrato según la reivindicación 4 caracterizado porque el motivo químico reactivo comprende un MPTMS con un grupo tiol expuesto.

7. Dispositivo microelectrónico o biotecnológico caracterizado porque comprende un sustrato según las reivindicaciones 4 a la 6.

8. Dispositivo según la reivindicación 7 caracterizado porque es un dispositivo biotecnológico perteneciente al siguiente grupo: microarray o microchip de DNA o PNA.