Sistema di misura impedenziale multicanale per diagnostica ad alta sensibilità

The goal of this thesis project is the study and implementation of a diagnostic platform for the detection of emerging diseases, as part of the Ready Project promoted by the Lombardy Region. The technique for the detection of the viral target is the differential impedance spectroscopy, based on the reading of electrode-solution impedance variations. The basis of this technique is the use in differential configuration of interdigitated electro- des, fabricated in the cleanroom with micro-manufacturing techniques and functionalized with a probe molecule suitable and complementary to the target to be detected. Finally, through the use of an insulating microparticle linked to the target-probe pair, it will be possible to detect a change in the electrical signal that will be translated through the elec- tronic board into an impedance value, associating these changes with the concentration of the biological target of interest. The thesis activity carried out in the laboratory was configured as follows: • the design of an electronic platform to allow a reading of several pairs of differential sensors in parallel and operate in multiplexing mode (board design, component assembly); • the use of the FPGA module programmed in VHDL to control all board functions: generation of a sinusoidal forcing, digital acquisition of the sensor reading signal and application of a lock-in reading algorithm for sample processing. The FPGA module also manages the communication with a software specially de- veloped in C♯, which allows, through a custom user interface, a reconfiguration of the system parameters and the realtime display of the results. • the test of the entire system by comparing the performances with the reference Lock-in system (Zurich Instruments AG); • the validation of the platform in biological experiments (measurements in saline solution to emulate the behavior of human blood). The aim of the project is the realization of a portable platform capable of speeding up and simplifying the acquisition of electrical signals related to the detection of biological targets while maintaining the advantages of Lab-On-Chip systems, i.e. high sensitivity, portability, low costs and analysis in realtime.

L’obiettivo di questo progetto di tesi è lo studio e la realizzazione di una piattaforma diagnostica per la rilevazione di patologie emergenti, nell’ambito del Progetto Ready promosso dalla Regione Lombardia. La tecnica per la rivelazione del target virale è la spettroscopia impedenziometrica differenziale, basata sulla lettura di variazioni di im- pedenza elettrodo-soluzione. Alla base di questa tecnica vi è l’utilizzo in configurazione differenziale di elettrodi interdigitati, realizzati appositamente in cleanroom con tecniche di micro-fabbricazione, opportunamente funzionalizzati con una molecola probe adatta e complementare al target da rilevare. Infine, mediante l’utilizzo di un micromarcatore isolante legato alla coppia target-probe, sarà possibile rilevare una variazione nel segnale elettrico che verrà tradotto attraverso la scheda elettronica in valore di impedenza, asso- ciando queste variazioni alla concentrazione del target biologico di interesse. L’attività di tesi svoltasi in laboratorio si è così configurata: • progettare una piattaforma per consentire una lettura di più coppie di sensori diffe- renziali in parallelo ed operare in modalità multiplexing (progettazione della board, montaggio componenti); • utilizzo del modulo FPGA programmato in VHDL per il controllo di tutte le fun- zionalità della board: generazione di una forzante sinusoidale, acquisizione digitale del segnale di lettura del sensore e applicazione di un algoritmo di lettura lock-in per l’elaborazione dei campioni. Il modulo FPGA gestisce anche la comunicazione con un software appositamente realizzato in C♯, che consente attraverso una interfaccia utente, una riconfigurazione dei parametri del sistema e la visualizzazione realtime dei risultati. • testare l’intero sistema confrontandone le caratteristiche con il sistema di Lock-in di riferimento (Zurich Instruments AG); • validare sperimentalmente la piattaforma in esperimenti biologici(misure in soluzio- ne salina per emulare il comportamento del sangue umano). La finalità del progetto è la realizzazione di una piattaforma portatile in grado di velo- cizzare e semplificare l’acquisizione di segnali elettrici correlati al rilevamento di target biologici mantenendo i vantaggi dei sistemi Lab-On-Chip, ovvero alta sensitività, porta- bilità, bassi costi e analisi realtime.