Realizzazione di una sorgente di luce coerente per lab-on-a-chip optofluidici

The optical detection is one of the sensing techniques most used in the biological field since it allows to make non-invasive analysis with high resolution and great versatility. With the aim to get an "all-in-one" self device, this type of detection has been recently tried to be implemented within Lab-On-a-Chip (LOC) microfluidic samples in order to reduce coupling losses and improve the S/N compared with the use of external sources. Taking advantage of their small size these devices show the peculiarity to integrate internally the operation of various laboratory macro instruments that allow to investigate phenomena at the microscopic level with high sensitivity. This thesis has been focused on the design and implementation of a coherent light source integrated microfluidic platform, as it is the first step to achieve this type of detection all-in-one. As road maps design was chosen to implement a dye laser with optical resonator Fabry-Perot combining the Femtosecond Laser Irradiation Followed by Chemical Etching and Inkjet Printing manufacturing techniques. The activity has been mainly carried out in the laboratories of CNST Italian Institute of Technology in Milan and has covered all the aspects of the manufacture of microfluidic chip, including the optimization of the process of realization of the semi-transparent metal mirrors within the substrate. This was made possible by using of inks based on organic metal complexes of silver printed directly inside the chip, achieving a great flexibility in reflectivity (10-100%). The chip, entirely buried on fused silica substrate, is composed of a microchannel where the active material flows, two empty “basins” as the seat of the metallic mirrors and, finally, one optical fiber that collect the emitted light. The optical characterization of the device, carried out in the labs of the Polytechnic University of Marche, allowed us to demonstrate the correct lasing operation using rhodamine 6G as dye. A good spectral quality with a full wave half maximum ~3 nm and lasing threshold of few hundred µJ/mm^2 has been the best performance, consistent with the best results reported in literature for this type of configuration.

La detection ottica è una delle tecniche di sensing più utilizzate nel campo biologico in quanto permette di fare analisi non invasive con elevata risoluzione e grande versatilità. Di recente si è cercato di implementare questo tipo di detection all’interno di dispositivi microfluidici detti Lab-On-a-Chip (LOC) per ridurre le perdite di accoppiamento e migliorare il S/N rispetto all’uso di sorgenti esterne con lo scopo di ottenere un dispositivo “all-in-one” autonomo. Questi sono dispositivi racchiudono al proprio interno funzionalità di diversi strumenti di laboratorio e permettono date le loro dimensioni ridotte di indagare fenomeni a livello microscopico con elevata sensibilità. Questo lavoro di tesi è stato focalizzato sulla progettazione e realizzazione di una sorgente di luce coerente integrata sulla piattaforma microfluidica primo passo per realizzare questo tipo di detection all-in-one. È stato deciso di implementare un dye laser con risonatore ottico di tipo Fabry-Perot mediante la combinazione delle tecniche di fabbricazione Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching e Inkjet Printing. L’attività, svolta principalmente nei laboratori del CNST dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Milano, si è occupata di tutti gli aspetti della fabbricazione del chip microfluidico, compresa l’ottimizzazione del processo di realizzazione degli specchi metallici semitrasparenti all’interno del substrato. Ciò è stato reso possibile grazie alla stampa nel bulk del chip di inchiostri a base di complessi metallo organici d’argento, ottenendo un ottima flessibilità nella riflettività ottenibile (10-100%). Abbiamo quindi realizzato su un substrato di fused silica un canale in cui fare fluire il materiale attivo affiancato da due tasche in cui realizzare gli specchi metallici e infine gli accessi in cui alloggiare le fibre ottiche che raccolgono la luce emessa. La parte di test e caratterizzazione, svolta in collaborazione con l’Università Politecnica delle Marche, ha permesso di dimostrare il corretto funzionamento di lasing utilizzando come colorante la rodamina 6G, ottenendo nel migliore dei casi una qualità spettrale con un full width at half maximum ~3 nm.