Dispositivo lab-on-chip per la rilevazione di molecole e scheda elettronica di misura con tecnica impedenziometrica

The subject of this work is the creation of a new, integrated diagnostic tool with the purpose of utilizing newly synthetized antigens, antibodies and epitopes engineered as part of a project promoted by Regione Lombardia, called Progetto READy or “Network regionale per lo sviluppo di metodi diagnostici in risposta rapida a epidemie emergenti e bioemergenze”. The goal is to create a portable platform capable of simplifying and speeding up the diagnosis of specific endemic parasites and Arbovirus having different species of mosquitoes as transmission vectors. The broad presence of the Asian Tiger Mosquito in Europe, already responsible for massive epidemics of these biological agents throughout the world, is a cause of concern for their possible introduction in the continent – which already occurred, albeit in sporadic and contained cases – more so because of the recent surge in immigration from underdeveloped countries. A new, rapid and portable diagnostic device would represent an effective and preemptive response to the issue. The first part of the thesis is dedicated to a theoretical introduction of the impedance spectroscopy technique, chosen as the underlying principle for the application of these new technologies, which is based on an impedance analysis of an electrode-electrolyte interface. An analysis of the physics phenomena happening on the interface during the application of an electrical stimulus is presented, in order to understand how the technique can be effectively used to monitor ongoing changes at the surface of the electrodes. The second part is dedicated to the design of the diagnostic sensor, illustrating the study of various FEM simulations used to analyze the effectiveness of different electrodes’ architectures, then showing actual photos of the fabricated chips. The integrated channel system used for distributing the liquid sample and the overall support assembly are also presented, together with the laboratory instruments used for the experimental trials. The third part is dedicated to the electronic board design, used for the generation of the stimulus and the acquisition of the signal incoming from the sensor. It features an analog section for proper adaptation of the signals’ dynamics and a digital section for interfacing to an external FPGA module, which is dedicated to the generation and acquisition of the signal and its processing through a lock-in technique. First, this technique is presented, analyzing its theoretical bases in order to demonstrate its advantages, then the complications due to the design of a high resolution electronic circuit are discussed, and the use of a differential architecture as a solution is shown. The final design of the electronic circuit is illustrated, analyzing the components’ choices, the circuits’ architectures and alternative design approaches which were taken into consideration. Lastly, the expected noise performances of the system are evaluated and compared with the experimental measurements performed on the final product.

Il progetto di tesi si prefigge l’obiettivo di creare un sistema diagnostico integrato per la rilevazione di attività virali nei campioni prelevati dal paziente, sfruttando nuovi antigeni, anticorpi, epitopi e bioreagenti sintetizzati nel corso di una collaborazione fra diverse università e imprese private, nell’ambito di Progetto READy, o “Network regionale per lo sviluppo di metodi diagnostici in risposta rapida a epidemie emergenti e bioemergenze”, promosso da Regione Lombardia. La finalità del progetto è la creazione di una piattaforma portatile in grado di velocizzare e semplificare la diagnosi di determinati parassiti e Arbovirus endemici, aventi come vettore di trasmissione diverse specie infestanti di zanzare. La diffusione in territorio Europeo della Zanzara Tigre, responsabile di massivi episodi epidemici di questi agenti biologici in tutto il mondo, porta a temere una loro potenziale introduzione nel continente – in taluni casi già manifestatasi – soprattutto a causa del recente fenomeno di immigrazione di massa da paesi considerati a rischio. Un nuovo dispositivo diagnostico rapido e portatile rappresenterebbe una efficace risposta preventiva al problema. La prima parte del progetto di tesi è dedicata all’introduzione teorica della Spettroscopia Impedenziometrica, tecnica di lettura scelta per l’applicazione di queste nuove tecnologie basata su una lettura di impedenza di una interfaccia elettrodo-elettrolita. Vengono analizzati i fenomeni fisici avvenenti all’interfaccia nel caso dell’applicazione di un segnale elettrico, per meglio comprendere come sfruttare la tecnica per monitorare eventuali cambiamenti su di essa e quali materiali utilizzare per la fabbricazione. La seconda parte riguarda il progetto del sensore di analisi, in particolare lo studio tramite simulazioni FEM dell’efficacia di diverse architetture per gli elettrodi e gli elementi implementati nei due disegni finali, per poi mostrare foto al microscopio dei sensori litografati. Viene inoltre analizzato il sistema di canali utilizzato per la distribuzione del liquido di analisi ed il sistema di supporto di tutto l’insieme, oltre che la strumentazione da laboratorio utilizzata per le prime prove sperimentali. La terza parte è dedicata al progetto della scheda elettronica di generazione e acquisizione del segnale, la quale comprende una sezione analogica per l’adattamento del segnale elettrico ed una sezione digitale per l’interfacciamento con un modulo FPGA esterno, il quale si occupa della generazione della forzante sinusoidale, dell’acquisizione digitale del segnale proveniente dal sensore e dell’applicazione di un algoritmo di lettura lock-in per l’elaborazione dei campioni. Viene innanzitutto trattata questa tecnica di lettura, analizzandone la teoria per dimostrarne i vantaggi, per poi trattare le complicazioni inerenti alla progettazione di un’elettronica di lettura con sensibilità abbastanza elevata da soddisfare i requisiti del sistema, quali le inevitabili modulazioni alla frequenza di lavoro dei drift termici dei componenti, e viene illustrato l’utilizzo di una lettura differenziale come soluzione. Vengono in seguito riportati i progetti circuitali dei due canali della scheda, analizzandone i componenti scelti, le architetture utilizzate, eventuali design alternativi presi in considerazione e, infine, il calcolo teorico delle prestazioni di rumore aspettate, di cui sono riportate misure sperimentali effettuate sul prodotto finito.