Development of an impedance-based diagnostic instrument for malaria

This thesis work is part of TidMekii project, winner both of Polisocial Award 2016 edition and Switch2Product 2018 one. In a former work the theoretical validation has been performed as well as a first electrodes' design for a cleanroom produced sensor. Test's working principle relies on the different magnetic behaviour between healthy red blood cells and infected ones: the formers don't exhibit any relevant magnetic property, while the latters show a paramagnetic behaviour. The test is performed by placing a drop of blood on a glass and landing on its top, down-facing, the aforementioned chip equipped with two strong magnets on its back. The separation takes place in that moment and infected cells are pulled toward the electrodes on top of the drop thanks to their magnetic properties, while healthy ones fall on the effect of gravity. By exploiting red blood cells isolating properties, the sensor is able to detect plasmodium's presence in the blood thanks to the liquid impedance variation. Starting from the study of what was carried on beforehand it the general context is introduced. Then, a theoretical analysis, aiming to explain magnetophoretic working principle, is carried on. Going on, a detailed discussion of the steps followed in the fabrication process at PoliFab is presented. Then, experimental results are shown, both obtained with hemozoin crystals (parasite's waste) and with bovine treated red blood cells. On this basis an electronic readout was designed in order to allow a correct acquisition of the signal coming from the sensor. Every choice of the design phase is discussed and analyzed, with particular attention paid to stimulus and reading stages. The system is interfaced with a PC thanks to MATLAB and an Arduino Due, thus obtaining a simple and user-friendly GUI for the on field use.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto TidMekii, vincitore nel 2016 del Polisocial Award e dell’edizione 2018 di Switch2Product. In un lavoro precedente è stata svolta la validazione del modello teorico e una prima progettazione degli elettrodi per un sensore fabbricato in cleanroom. Il principio di funzionamento del test risiede nelle diverse proprietà magnetiche dei globuli sani e malati: i primi non godono di rilevanti proprietà magnetiche, mentre i secondi sono paramagnetici. Il test viene effettuato ponendo una goccia di sangue su un vetrino e calando, rivolto verso terra, il chip con due forti magneti alle sue spalle. La separazione tra globuli malati e sani ha inizio e quelli infetti vengono attratti in prossimità degli elettrodi alla sommità in virtù delle loro proprietà magnetiche, mentre i sani precipitano per gravità. Sfruttando le proprietà elettricamente isolanti dei globuli rossi, il sensore è quindi in grado di rilevare la presenza del plasmodio della malaria nel sangue attraverso la variazione di impedenza vista nel liquido in cui è immerso. Partendo da uno studio di ciò che era stato dimostrato precedentemente viene introdotto il contesto e successivamente ripresa un’analisi teorica che spiega il principio di funzionamento magnetoforetico. Si procede quindi a descrivere i passi seguiti nella fabbricazione dei sensori sviluppati presso PoliFab. È presente poi una sezione in cui si vanno a mostrare i risultati di esperimenti effettuati sui chip prodotti sia con cristalli di emozoina (lo scarto del parassita), sia con globuli bovini trattati. Su queste basi si è poi progettata e realizzata un’elettronica che garantisce la corretta acquisizione proveniente dal sensore. Ogni scelta progettuale è discussa ed analizzata, con attenzione particolare agli stadi di stimolo e lettura del sensore. Il tutto viene interfacciato con un PC grazie anche a MATLAB e un Arduino Due, permettendo quindi un utilizzo intuitivo per l’operatore grazie a un programma dalla semplice interfaccia.