Characterization and improvement of Linus : a filterless spectrofluorometer

Nowadays, precise and sophisticated measuring instruments based on fluorescence techniques are increasingly widespread and widely used. There are several fields of interest where, especially in recent times, this science has developed and established itself: in biochemistry and biophysics, in clinical chemistry, in DNA sequencing as well as in environmental monitoring of pollutants. Fluorescence spectroscopy is a spectroscopic technique capable of fully characterizing very small amounts of sample with a simple instrument named spectrofluorometer. Typically, this instrument is composed of a light source which, passing through an optical filter, affects the sample contained in a chamber. Subsequently, the emitted fluorescence light is filtered through a second monochromator and impinges on a photodetector. However, to cope with the continuous demand for sensitive, high-performance and complex instruments that cannot always be used on site, new technologies called LoCs (Lab-on-Chip) are becoming increasingly important thanks to their low cost and portability. The aim of this thesis work, which is in the context of the LINUS project, consists, through experimental measurements, in the validation of the performance of a spectrometer without optical filters based on new generation of photodetectors with high performance and efficiency: the Silicon Photomultipliers (SiPMs). The electronic readout is characterized by GAMMA (Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC) ASIC which features a self triggered gated-integrator with an Automatically Adjusted Gain and High Dynamic Range of 84 dB. In particular, tests are performed with a specific fluorescent molecule: Pyrene. The operation of this system, where the typical shielding effects of optical filters have been replaced by a photodetector bias voltage modulation circuit, is based on the synchronization of the signals of the LED circuit and the SiPM modulator. Furthermore, as part of this thesis work, in addition to having developed the firmware and the control software of the instrument, a new electronic board was also designed and produced which led to an important reduction of the area (-52.6 %) and power consumption.

Oggigiorno sono sempre più diffusi e ampiamente utilizzati strumenti di misura precisi e sofisticati che si basano su tecniche di fluorescenza. Diversi sono i campi di interesse dove, soprattutto in tempi recenti, questa scienza si è sviluppata e affermata: in biochimica e biofisica, in chimica clinica, nel sequenziamento del DNA così come nel monitoraggio ambientale di sostanze inquinanti. La spettroscopia di fluorescenza è una tecnica spettroscopica in grado di caratterizzare completamente quantità molto piccole di campione con un semplice strumento chiamato spettrofluorimetro. Tipicamente lo strumento è composto da una sorgente luminosa che, passando attraverso un filtro ottico, incide sul campione contenuto in un recipiente. Successivamente, la luce di fluorescenza emessa viene filtrata attraverso un secondo monocromatore e fatta incidere su di un fotorivelatore. Tuttavia, per fronteggiare la continua richiesta di strumenti sensibili, performanti e complessi non sempre utilizzabili in loco, nuove tecnologie chiamate LoC (Lab-on-Chip) stanno acquisendo sempre più importanza grazie al loro basso costo e portabilità. Questo lavoro di tesi, che si inserisce all’interno del progetto LINUS, consiste, attraverso misure sperimentali, nella validazione delle prestazioni di uno spettrometro senza filtri ottici basato su fotorilevatori di nuova generazione ad alte prestazioni ed efficienza: i Silicon Photomultipliers (SiPMs). L’elettronica di lettura del rivelatore è caratterizata dall’ASIC GAMMA (Gain Amplitude Modulated Multichannel ASIC) che presenta un gated-integrator con un guadagno regolato automaticamente ed un elevato range dinamico di 84 dB. In particolare, i test sono stati eseguiti usando una specifica molecola fluorescente: il Pyrene. Il funzionamento di questo sistema, dove gli effetti di schermatura tipici dei filtri ottici sono stati sostituiti da un circuito di modulazione della tensione di polarizzazione del fotorilevatore, si basa sulla sincronizzazione dei segnali del circuito LED e del modulatore SiPM. Inoltre, nell’ambito di questo lavoro di tesi, oltre ad esser stato sviluppato il firmware e il software di controllo dello strumento, è anche stata progettata e prodotta una nuova scheda elettronica che ha portato ad una importante riduzione dell’area (-52,6%) e del consumo di potenza.