Development of a magnetic on-chip diagnostic test for malaria

Despite millions of people are infected by malaria every year, there is still a strong need of compact, low-cost and easy to use diagnosis system, allowing for a rapid and specific disease detection. This thesis project deals with the development of a lab-on-chip diagnostic test for malaria that combines magnetic separation and electrical impedance detection. Malaria parasite modifies the magnetic properties of infected red blood cells (RBCs) and produces characteristic hemozoin nano-crystals. These malaria biomarkers exhibit paramagnetic properties, allowing for magnetophoretic separation of both isolated crystals and infected RBCs containing them, from the other blood components. The concept of the proposed diagnostic test is based on the specific attraction of hemozoin crystals and infected RBCs towards a chip surface where they are detected by an electrical measurement. Long-range attraction is achieved with external permanent magnets, while a concentration on the electrodes occurs due to micrometric nickel pillars fabricated underneath. Then, since the presence of particles within a solution modifies its conductivity, the amount of hemozoin crystals and infected RBCs in the analyzed blood sample can be quantified through an impedance variation detection. During this thesis, the feasibility of this detection device has been demonstrated. After an initial design and optimization phase, carried out with numerical simulations, a fabrication process for the device has been developed. Moreover, magnetic and electrical properties of hemozoin crystals has been characterized. Finally, preliminary magnetic capture experiments performed on hemozoin crystals and modified red blood cells displaying a paramagnetic behavior similar to that of infected ones, confirmed the possibility to efficiently capture and concentrate targeted particles. During another thesis project running in parallel the feasibility of the impedance detection has been also experimentally demonstrated. This thesis work is part of the Tid Mekii project and has been realized under the supervision of Prof. Riccardo Bertacco, head of the Nanomagnetism group of the Department of Physics.

Nonostante milioni di persone vengano infettate ogni anno dalla malaria, tuttora c'è una forte necessità di sistemi diagnostici compatti, a basso costo e facili da utilizzare, in grado di rilevare in modo rapido e specifico la malattia. Questo progetto di tesi si occupa dello sviluppo di un test diagnostico miniaturizzato per la malaria, in cui si combinano separazione magnetica e rilevazione tramite una misura di impedenza elettrica. Il parassita responsabile la malaria modifica le proprietà magnetiche dei globuli rossi infetti a causa della formazione di un nano-cristallo caratteristico, l'emozoina, che funge da indicatore della malaria. L'emozoina mostra proprietà paramagnetiche, rendendo possibile una separazione magnetoforetica dei cristalli stessi o dei globuli rossi infetti che li contengono dagli altri componenti del sangue. L'idea del sistema diagnostico proposto è basata su un'attrazione specifica di cristalli di emozoina e globuli rossi infetti verso la superficie di un chip, su cui vengono rilevati con degli elettrodi. L'attrazione a lungo raggio è ottenuta con magneti permanenti esterni, mentre la concentrazione sugli elettrodi avviene grazie a dei pilastri micrometrici di nichel fabbricati al di sotto dei contatti elettrici. La presenza di particelle all'interno di una soluzione ne modifica la conducibilità, rendendo possibile la misura della quantità di cristalli di emozoina e globuli rossi infetti presenti nel campione di sangue analizzato, attraverso una misura della variazione di impedenza elettrica. Durante il lavoro di tesi è stata dimostrata la possibilità di realizzare un dispositivo diagnostico di questo tipo. Dopo una fase iniziale di progettazione e ottimizzazione, svolta con l'ausilio di simulazioni numeriche, è stato sviluppato un processo di fabbricazione per realizzare il dispositivo. Inoltre, sono state caratterizzate le proprietà magnetiche ed elettriche dei cristalli di emozoina. Infine, sono stati svolti esperimenti preliminari di cattura magnetica, utilizzando sia cristalli di emozoina che globuli rossi trattati in modo da mostrare un comportamento paramagnetico simile a quello delle cellule infette. I risultati sperimentali hanno confermato la capacità del dispositivo di catturare e concentrare efficacemente le cellule modificate e i nano-cristalli. Durante un altro progetto di tesi svolto in parallelo, è stata dimostrata la capacità del dispositivo di svolgere un'efficace rilevazione elettrica, raggiungendo il livello di sensibilità indicato dall'OMS, per quanto riguarda i globuli rossi infetti. Questa tesi è parte del progetto Tid Mekii ed è stata realizzata sotto la supervisione del Prof. Riccardo Bertacco, responsabile del gruppo di Nanomagnetismo del Dipartimento di Fisica.