Microfluidic light sources integrated in lab on a chip platforms

The aim of this Doctoral Thesis project was to develop light sources (coherent and incoherent) integrated into microfluidic platforms. The accomplishment of this goal could greatly increase the sensitivity of optofluidic micro total-analysis-system (µ-TAS), and several applications could benefit from it, especially in the biological and biomedical fields. Lab-on-chips (LOCs) are complex microsystems that integrate several physical-chemical processes on a single microfluidic platform to replicate specific chemicals, biological and medical tests, usually performed in a laboratory. LOC systems were born with the aim of being low-cost, compact, portable and an “easy-to-use” tool even by non-expert people, but at the same time able to provide analysis with high accuracy and sensitivity. For those reasons they are also very interesting for the industrial world. Despite the performances of some LOCs, ready for commercialization, are in some cases remarkable, the synergetic combination of photonics solutions and microfluidic systems could enhance the LOCs technology capability far beyond the actual possibilities. In order to achieve this potential, it is important to demonstrate the integration and optimize the performances of all the elements that compose the optical analysis chain, starting from the light generation up to the photo-detection in the microfluidic platform. Indeed, thanks to the substantial reduction of the coupling losses, the realization of an all-in-one system has as logical outcome the increase of the device sensitivity. A lot of work is still necessary to reach a stand-alone and user-friendly LOCs in which optical and microfluidic functions are perfectly integrated. In order to contribute to this goal, the research activity of this thesis has been focused on the study and development of both incoherent and coherent light sources well integrated on microfluidic glass platforms. Since main interest is in biological applications the “ultimate” and inert material to be used is glass. Therefore, among all possible fabrication processes, the Selective Chemical Etching Driven by Ultra-fast Laser Irradiation (SCEDULI), has been chosen. In this framework the combination of femtosecond laser microfabrication and ink-jet printing techniques was exploited for the first time, in order to manufacture micro-optics (mirrors) directly into the substrate bulk. Concerning the fabrication of an incoherent light source, a battery-free device based on a chemiluminescence reaction has been developed, taking advantage from unique 3D capabilities of the fabrication technique. This process uses the energy generated by a chemical reaction to excite a fluorescent specie, which relaxes by emitting photons. Chemiluminescence is knownas a fast reaction that expire in few seconds. However, scaling down the dimensions to LOCs scale (from µL to nL of reagent volumes), we have proven that it is possible to control the intensity as well as the duration of the reaction up to several hours. Taking advantage from the flexibility offered by 3D fabrication, different light source geometries (circular, square, triangular) have been created, and since it is perfectly integrated in the microfluidic platform it is possible to tune the emission band by simply changing the chemiluminescent compound in the emitting solution. Moving to coherent sources, a high performance, “flexible”, versatile and in-plane microfluidic dye-laser cavity, has been developed with the idea of creating an all-in-one optofluidic micro total-analysis-system. Moreover, thanks to the high sensitivity shown, the laser cavity could be used as a high-performance sensor to monitor the sample properties. The laser configuration that can be integrated in the easiest way in the microfluidic platform is a liquid dye laser, because it not only can benefit from the fluidic recirculation to increase the laser life-time, but also because the dye is usually a high-gain material that could cover the whole visible region. The microchannel and the 3D structure were micromachined by the laser directly buried in a glass substrate (no cover needed), while inkjet printing technology allowed to create reflective micromirrors on internal surfaces. As a first step we have demonstrated, for the first time in literature, that the printing of metal ink, based on silver nanoparticles, can be used to create mirrors with a broad range of reflection, from 99% down to 60%. The micro-dye-laser working principles was demonstrated by using a cavity with two flat mirrors parallel and not in contact with the fluidic solutions, in the simplest Fabry-Perot (FP) configuration. The optimization of the chip was performed by exploiting the flexibility of the SCEDULI technique moving to the hemispherical resonator manufacturing, with the aim of improving the laser mode stability and the performances of the laser oscillator. A detailed characterization of the laser properties was performed by using Rhodamine 6G dissolved in ethanol (concentration from 0.5 to 10·10^−3 mol/l) since it is the most studied dye in literature. By pumping the laser using a Nd:YAG laser at 532 nm the emission was detected with a threshold energy density less than 2 µJ/mm^2 and a linewidth around 0.05 nm. The quality factor of this device has been measured to be Q > 10^4 and overcomes by one order of magnitude the state-of-the-art of any in-plane optofluidic laser based on a simplest FP cavity. In conclusion, two new high performance integrated light sources have been developed and they open new and exciting possibilities in the long-term vision of stand-alone optofluidic LOC in glass for biological applications. More generally, a combination of fabrication processes that is highly flexible, cost-effective and that could be used to expand the capabilities of the lab on a chip platform, has been successfully established. The impressivespectral coherence performances, diverse geometries and applications, clearly demonstrate the power of this new family of optofluidic devices, buried in glass, which simultaneously show high sensitivity, accuracy and all the advantages of LOCs in applications hitherto precluded, such as those related to biosensing, analysis of hazardous materials, safety food and environmental control.

Lo scopo di questo progetto di tesi di dottorato era quello di sviluppare sorgenti luminose (coerenti e incoerenti) integrate in piattaforme microfluidiche. Il raggiungimento di questo obiettivo potrebbe aumentare notevolmente la sensibilità dei micro total-analysis-system (μ-TAS) optofluidici, tanto che diverse applicazioni ne trarranno beneficio, soprattutto in campo biologico e biomedico. I lab-on-chips (LOCs) sono microsistemi complessi che integrano diversi processi fisico-chimici su un'unica piattaforma microfluidica per replicare specifici test chimici, biologici e medici, normalmente eseguiti in laboratorio. I sistemi LOC sono nati con l'obiettivo di essere economici, compatti e portatili, uno strumento "facile da usare" anche da parte di persone non esperte, ma allo stesso tempo in grado di fornire analisi con elevata precisione e sensibilità. Per questi motivi sono molto interessanti anche per il mondo industriale. Nonostante le prestazioni di alcuni LOC, pronti per la commercializzazione, siano in alcuni casi notevoli, la combinazione sinergica di soluzioni fotoniche e sistemi microfluidici potrebbe aumentare la capacità della tecnologia LOC ben oltre le attuali possibilità. Per raggiungere questo potenziale, è importante dimostrare l'integrazione nella piattaforma microfluidica di tutti gli elementi che compongono la catena di analisi ottica, a partire dalla generazione di luce fino al foto-rilevazione, e ottimizzarne le prestazioni. Infatti, grazie alla sostanziale riduzione delle perdite di accoppiamento, la realizzazione di un sistema all-in-one ha come conseguenza logica l'aumento della sensibilità del dispositivo. Molto lavoro è ancora necessario per raggiungere un LOC stand-alone e user-friendly in cui le funzioni ottiche e microfluidiche siano perfettamente integrate. Per contribuire a questo obiettivo, l'attività di ricerca di questa tesi è stata focalizzata sullo studio e lo sviluppo di sorgenti luminose, incoerenti e soprattutto coerenti, ben integrate su piattaforme microfluidiche in vetro. Essendo le principali applicazioni biologiche, il materiale per eccellenza inquanto inerte è il vetro. Pertanto, tra tutti i possibili processi di fabbricazione, è stata scelta la Selective Chemical Etching Driven by Ultra-fast Laser Irradiation (SCEDULI). In questo contesto è stata sfruttata per la prima volta la combinazione di microfabbricazione laser a femtosecondi e la tecnica di stampa a getto d'inchiostro, per produrre micro-ottiche (specchi) direttamente all’interno del substrato vetroso. In particolare, per quanto riguarda la realizzazione di una sorgente luminosa incoerente, è stato sviluppato, sfruttando le capacità 3D uniche della tecnica di fabbricazione, un dispositivo battery-free basato su una reazione di chemiluminescenza. Questo processo utilizza l'energia generata dalla reazione chimica per eccitare una specie fluorescente, che rilassandosi emette fotoni. La chemiluminescenza è nota come una reazione rapida che termina in pochi secondi. Tuttavia, riducendo le dimensioni nella scala LOCs (con volumi di reagenti da μL a nL), abbiamo dimostrato che è possibile controllare l'intensità e la durata della reazione fino ad ottenere diverse ore di emissione utile. Sfruttando la flessibilità offerta dalla fabbricazione 3D, sono state create diverse geometrie di sorgente (circolare, quadrata, triangolare). Inoltre essendo queste perfettamente integrate nella piattaforma microfluidica, è possibile regolare la banda di emissione semplicemente cambiando il composto chemiluminescente nella soluzione. Passando alle sorgenti coerenti, è stata sviluppata una cavità laser microfluidica ad alte prestazioni, "flessibile", versatile, che emette nello stesso piano del substrato, con l'idea di creare un μ-TAS optofluidico all-in-one. Inoltre, grazie all'elevata sensibilità mostrata, la cavità laser può essere utilizzata come sensore ad alte prestazioni per monitorare le proprietà del materiale inserito in cavità. La struttura 3D è stata realizzata direttamente all’interno del substrato di vetro tramite scrittura laser in modo tale che non nessuna copertura fosse necessaria. La tecnologia di stampa a getto d'inchiostro ha invece permesso di creare coating riflettenti sulle superfici interne del dispositivo. Come primo passo abbiamo dimostrato, per la prima volta in letteratura, che la stampa di inchiostri metallici a base di nanoparticelle d'argento può essere utilizzata per creare specchi con un'ampia gamma di riflessione (dal 99% al 60%). Il principio di funzionamento del micro dye-laser è stato dimostrato utilizzando una cavità con due specchi piani perfettamente paralleli, non a contatto con le soluzioni fluidiche, nella più semplice configurazione Fabry-Perot (FP). L'ottimizzazione del chip è stata eseguita sfruttando la flessibilità della tecnica SCEDULI, realizzando un risonatore emisferico, con l'obiettivo di migliorare la stabilità del modo laser e le prestazioni del dispositivo. La caratterizzazione dettagliata delle proprietà del laser è stata eseguita utilizzando Rodamina 6G disciolta in etanolo (concentrazione da 0,5 a 10∙10^-3 mol/l), essendo questa il colorante più studiato in letteratura. Pompando il dispositivo con un laser Nd:YAG a 532 nm l'emissione laser è stata rilevata con una densità di energia di soglia inferiore a 2 μJ/mm^2 e una larghezza di linea intorno a 0,05 nm. Il fattore di qualità di questo dispositivo è stato misurato per essere Q > 10^4 e supera di un ordine di grandezza lo stato dell'arte di qualsiasi laser optofluidico che emette in-plane basato su una semplice cavità FP. In conclusione, sono state sviluppate due nuove sorgenti luminose integrate ad alte prestazioni che aprono nuove ed entusiasmanti possibilità in una visione a lungo termine per applicazioni biologiche dei LOC optofluidici stand-alone in vetro. Più in generale, è stata stabilita con successo la combinazione di due processi di fabbricazione altamente flessibili, economici e che potrebbe essere utilizzata per espandere le capacità dei lab-on-a-chip. Le impressionanti prestazioni di coerenza spettrale, le diverse geometrie e applicazioni, dimostrano chiaramente la potenza di questa nuova famiglia di dispositivi optofluidici. Mostrando contemporaneamente elevata sensibilità, precisione, tutti i vantaggi necessari in applicazioni LOC, come quelle relative al biosensing, all'analisi dei materiali pericolosi, alla sicurezza alimentare e al controllo ambientale.