Integrated 3D magnetic actuators in lab-on-a-chip : single nucleotide polymorphism in DNA analysis

Development of Lab-On-a-Chip (LOC) devices is a research field in continuous expansion. LOC devices can overcome some issues of the world of laboratory analysis: thanks to dimensions reduction, higher sensitivity and less analysis time could be obtained. LOC devices can be designed with several purposes. A huge investigation field is based on DNA analysis. The main goal of this project is the design, realization, characterization and test of a LOC device for DNA analysis based on single nucleotide polymorphism (SNP): food quality control, personalize medicine and forensic analysis can be performed by simple naked-eye colorimetric test. A manual laboratory procedure able to reach this goal was patent by researchers of Istituto Italiano di Tecnologia (IIT): in order to automate this test and to spread it also to non-expert users, it was necessary to design a LOC device. DNA filaments of well-known sample are attached on magnetic microbeads: unknown DNA samples (single chains) are mixed to known DNA samples and their matching can be easily found by a colorimetric result output: gold nanoparticles attached to known DNA sample changes solution colour if a match occurs. LOC device is composed by two main section: magnetic deviating units and passive mixing units. FLICE (Femto Laser Irradiation followed by Chemical Etching) technique was used for device realization in fused silica material: laser beam (515 nm wavelength) was used to realized completely buried microfluidic circuit inside substrate. After the femto pulse laser irradiation, a chemical etching phase realizes buried channels in substrates. Different magnetic units were designed, realized and tested: microfluidic channels geometry was studied in order to find the best configuration. Two completely different magnetic actuators typologies were analysed and carried out: planar microcoil realized by laser ablation on copper thin-film and 3D solenoids. 3D solenoids have shown the best result and its integration inside chip has been possible thanks to the FLICE technique capability. Magnetic unit was characterized and fluidic parameters were found. Preliminary test on mixing unit were performed: innovative geometry was designed and realized.

Lo sviluppo di dispositivi Lab-On-a-Chip (LOC) è un campo di ricerca in continua espansione: i dispositivi LOC consistono in piattaforme di analisi integrate di dimensioni ridotte, che permettono di effettuare analisi di laboratorio andando oltre alcune problematiche classiche. Grazie alla riduzione delle dimensioni, alla maggiore sensibilità e al minor tempo di analisi, i LOC permettono di semplificare procedure di test e agevolano l’utilizzo di alcune tecnologie anche ad utenti non esperti. I dispositivi LOC possono essere progettati con design multipli e con obiettivi differenti. Un campo applicativo molto vasto si basa sull'analisi del DNA. Lo scopo principale di questo lavoro di tesi è la progettazione, la realizzazione, la caratterizzazione e il test di un dispositivo LOC per l'analisi del DNA basata sui polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs): con un semplice test colorimetrico implementato su piattaforma LOC, il cui risultato è visibile ad occhio nudo, è possibile effettuare controlli sulla qualità di alimenti, test per la medicina personalizzata e analisi forensi. Alcuni ricercatori dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) hanno brevettato una procedura di laboratorio manuale per svolgere queste analisi: il dispositivo LOC è stato progettato per automatizzare la procedura e per permettere anche a utenti non esperti lo svolgimento del test. Campioni di DNA sconosciuto possono essere confrontati con riferimenti di DNA noto. I filamenti del DNA in analisi sono collegati a sfere di dimensioni micrometriche magnetiche. La corrispondenza tra due campioni di DNA può essere trovata facilmente con un risultato colorimetrico sfruttando la proprietà delle nanoparticelle d’oro di cambiare il colore della soluzione: al campione di DNA noto vengono attaccate le nanoparticelle d'oro, e in caso di matching tra i filamenti in esame, l’output del dispositivo presenterà un colore rosato/rossiccio. Il dispositivo LOC è composto da moduli di deviazione magnetica e moduli passivi di mescolamento. Il dispositivo è stato realizzato in un substrato di fused silica tramite la tecnica FLICE (Femto Laser Irradiation followed by Chemical Etching): è stato impiegato un laser (515 nm di lunghezza d'onda) per realizzare canali microfluidici interamente integrati nel substrato. L’irradiazione laser provoca cambiamenti strutturali chimici e fisici del materiale. La fase successiva di etching permette di realizzare canali microfluidici tridimensionali scavati nel materiale, tramite l’utilizzo di soluzioni acide (HF) o basiche (KOH). Sono stati progettati, realizzati e testati diverse moduli magnetici per la manipolazione e la deviazione di microsfere magnetiche: la geometria dei canali microfluidici è stata studiata per trovare la migliore configurazione adatta allo scopo. Sono state analizzate e realizzate due tipologie di attuatori magnetici completamente diverse tra loro: microbobine planari, realizzate mediante ablazione laser su film sottili di rame (5 µm), e solenoidi tridimensionali. La tecnica FLICE consente una facile integrazione di strutture tridimensionali esterne in un dispositivo microfluidico tramite la realizzazione di cavità di alloggio. I solenoidi 3D hanno raggiunto il miglior risultato. Il modulo di deviazione magnetica è stato completamente caratterizzato e sono stati trovati i parametri fluidici e magnetici migliori per lo svolgimento del test. Sono state eseguite prove preliminari sul modulo di miscelazione: è stata progettata e realizzata una geometria innovative conica che permetta un mixing completo tra le soluzioni in esame. I test preliminari del modulo di mixing hanno presentato risultati soddisfacenti, ma sono necessarie ulteriori analisi per una completa caratterizzazione. I singoli moduli progettati (magnetici e di miscelazione) possono essere impiegati in applicazioni differenti da quella finale del progetto. Dovranno poi essere uniti in un unico device in grado di compiere il test sul DNA in modo automatico. Grazie ai risultati ottenuti, è possibile realizzare il dispositivo finale completo (in grado di svolgere l’intera analisi) unendo i singoli moduli in cascata.