Jig tool for temperature measurement and optimization of a disk player for faster PCR

Introduction Infections or multidrug-resistance and cancer are the major causes of death worldwide. One of the main reasons for these deaths is due to the fact that many of them cannot be treated in time and quickly diagnosed. To realize an efficient diagnose of these diseases, many studies have been conducted by researches based on Polymerase Chain Reaction (PCR). This analysis is a molecular amplification method that allows an earlier identification of the disease. PCR analysis is affected by three main factors that are reagents, temperature and time. Nowadays, research is increasingly aimed at making portable and efficient devices, thus moving to the so called Point-of-Care systems. These systems are mobile diagnostic devices that can be used to perform medical tests at the bedside, i.e. in hospital wards, without needing to send samples to a central laboratory and wasting valuable time, avoiding the risks of contamination. Aim of the work In 2016 a European project, with the collaboration of several companies, set out to create a device capable of carrying out the PCR analysis in a short time, with a device called Faster PCR. The aim of our work is to develop a jig tool, i.e. a test device, in collaboration with the company Datamed srl., to verify the operation of the Faster PCR; more precisely it has to control the temperature performance of the Faster PCR thermo cycler and of the IR probe mounted on it. Material and Methods The circuit realized is created on some technical requirements based on the physical and functional characteristics of the LabDisk. The device has to be able to acquire the temperature data during the PCR cycle. The Hardware is compact and easily integrated with the Faster PCR device. The platform employed in this project is a PSoC 6 device that is a certified module that supports Bluetooth Low Energy communication. All the remaining components are integrated on a single printed circuit realized with EAGLE. Later the circuit was fixed on the Faster PCR. Firmware was made through Psoc Creator and controlled via a simple Graphical User Interface realized with Visual Studio. Results To meet the thesis goals, the device was pre-calibrated through a calibrator that is the Temp 70 Professional used with the PT56L probe. Following the calibration, the Faster PCR Infrared probe was evaluated by comparing the data acquired by our device with that acquired the Faster PCR probe. Sensors were placed inside the fluorescence measuring wells of the disk and a liquid has been conned to these wells. Then, an attempt was made to optimize the data collected by the probe and the parameter to reduce the time cycle. Conclusions The developed device has evidenced that the Faster PCR has some limitations. The infrared probe mounted on the Faster PCR device fails to capture the temperature properly and therefore needs some modifications in order to be used. In addition, the parameters require an automation of their selection and tuning, as they can only be modfied manually and individually during the cycle run, thus not making a truly effective choice possible.

Introduzione Infezioni e cancro risultano essere le principali cause di morte in tutto il mondo. Uno dei principali motivi di questi decessi è dovuto al fatto che molti di essi non possono essere curati in tempo e diagnosticati rapidamente. Per realizzare delle diagnosi effcaci di tali malattie, sono state sviluppate numerose ricerche sulla base della Reazione a Catena della Polimerasi (PCR). Questa analisi è un metodo di ampli cazione molecolare che consente una identi cazione precoce della malattia. L'analisi PCR è influenzata da tre fattori principali che sono reagenti, temperatura e tempo. Al giorno d'oggi, la ricerca è sempre più mirata a realizzare dispositivi portatili ed effcienti, passando così ai cosiddetti sistemi Point-of-Care. Questi sistemi sono dispositivi diagnostici mobili che possono essere utilizzati per eseguire attività mediche nei reparti ospedalieri, senza la necessità di inviare campioni a un laboratorio centrale perdendo tempo prezioso per la diagnosi, evitando inoltre i rischi di contaminazione. Scopo della Tesi Nel 2016 un progetto europeo, in la partecipazione di diverse aziende, si è posto l'obiettivo di creare un dispositivo in grado di eseguire l'analisi PCR in breve tempo,chiamato Faster PCR. Lo scopo del lavoro è sviluppare un dispositivo, in collaborazione con la società Datamed srl., che veri chi il funzionamento del Faster PCR; più precisamente deve controllare le prestazioni di temperatura del termociclatore e della sonda ad Infrarossi montata sul dispositivo. Materiali e Metodi Il circuito realizzato è stato creato sulla base di requisiti tecnici e fisici dettati dalle caratteristiche del LabDisk. Il dispositivo realizzato deve essere in grado di acquisire i dati di temperatura durante il ciclo di PCR. L'hardware è stato realizzato in modo tale da essere compatto e facilmente integrabile con il Faster PCR. In questo progetto è stato utilizzato come microcoltrollore un PSoC 6, il quale è un modulo certifcato che supporta una comunicazione di tipo Bluetooth Low Energy. Tutti i restanti componenti sono stati integrati su di un signolo circuito stampato realizzato attraverso il software EAGLE. Successivamente il circuito è stato assemblato al Faster PCR. Il Firmware è stato creato tramite PSoC Creator e controllato tramite una semplice interfaccia grafica realizzata attraverso Visual Studio. Risultati Per raggiungere l'obiettivo della tesi, il dispositivo realizzato è stato pre-calibrato tramite un calibratore, il Temp 70 Professional utilizzato con la sonda PT56L. Dopo la calibrazione è stata valutata la sonda ad infrarossi confrontando i dati acquisiti dal dispositivo con quelli acquisiti dalla sonda. I sensori sono stati collocati all'interno dei pozzetti in cui avviene la misurazione della fluorescenza, e del liquido vi è stato confinato. Infine, si è cercato di ottimizzare i dati raccolti dalla sonda e trovare i parametri ottimali al fine di ridurre il tempo impiegato in ogni ciclo. Conclusioni Il dispositivo sviluppato ha rilevato che il Faster PCR presenta alcune limitazioni. La sonda ad infrarossi utilizzata non rileva correttamente la temperatura e pertanto per poter essere utilizzata necessita di alcune modifiche. Inoltre, i parametri, per l'ottimizzazione temporale del ciclo, richiedono una automatizzazione della loro selezione ed impostazione, in quanto possono essere modificati solo manualmente e singolarmente durante l'esecuzione del ciclo, non rendendo così possibile una scelta che sia realmente efficace