Development of an on-chip malaria diagnostic test based on electrical impedance detection

This thesis work presents an innovative on-chip malaria diagnostic test, involved in the Tid Mekii project, winner of Polisocial Award 2015/2016. The disposal product of the malaria parasite, known as hemozoin, arises from the digestion of haemoglobin, and is used as a diagnostic tool. Combining a non-microfluidic magnetic particle separation and a subsequent impedance measurement, the device exploits the magnetic properties of hemozoin to detect the presence of the parasite in the bloodstream. Starting from a theoretical analysis of the problem, a new sensor design is introduced and analyzed, with a focus on the electrical detection. An overview of the magnetic working principle is reported, as well as the integration of the two different aspects. The separation is based on the principle that healthy particles deposit on the bottom of a blood drop, and an impedance variation is observed once the infected particles are attracted to the top of the droplet, where the sensor is located. A thorough description of the microfabrication techniques and procedures used for the production of test devices is given. All the fabrication processes were optimized and implemented at PoliFab, beside a device characterization. Theoretical relations are in agreement with the obtained experimental results conducted on biological particles, and a discussion of magnetic and electrical properties of hemozoin is presented, as a proper characterization of this substance is not present in literature.

Questo progetto di tesi presenta un innovativo test diagnostico on-chip per il rilevamento della malaria, inserito nel contesto del progetto Tid Mekii, vincitore del Polisocial Award 2015/2016. Il prodotto di scarto del parassita della malaria, denominato emozoina, è formato dalla digestione dell'emoglobina, ed è utilizzato come strumento diagnostico. Combinando un sistema di separazione magnetico non microfluidico e una successiva misura di impedenza, il dipositivo sfrutta le proprietà magnetiche dell'emozoina per rilevare la presenza del parassita nel flusso sanguigno. Partendo da un'analisi teorica del problema, la struttura del nuovo sensore è introdotta e analizzata, con un approfondimento sul rilevamento elettrico. È riportata una panoramica del principio di funzionamento della parte magnetica, così come l'integrazione dei due diversi aspetti. La separazione si basa sul fatto che le particelle sane sedimentano sul fondo di una goccia di sangue, e si osserva una variazione di impedenza una volta che le particelle infette sono attratte sulla sommità della goccia, dove il sensore è posizionato. È presente un'approfondita descrizione di tecniche e procedure usate per la microfabbricazione dei dispositivi di prova. Tutti i processi sono stati condotti a PoliFab, così come la caratterizzazione dei dispositivi. Le relazioni teoriche si sono rivelate in accordo con i risultati sperimentali effettuati su particelle biologiche, e le proprietà magnetiche ed elettriche dell'emozoina sono discusse, poiché una caratterizzazione completa di questa sostanza non è presente in letteratura.