Fast-Gated SPAD Imager for protein sequencing through real-time Raman Spectroscopy

Proteomic studies have constantly been evolving in the last few years. Through the large-scale investigation of proteins' structure and physiological functions, outstanding improvements have been achieved in various fields, from diagnosis to pharmaceutical treatments. The detection of wavelength shifts in Raman spectroscopy enables the discrimination between molecules with a label-free methodology and without sample preparation. The European project proID (ProteinID) aims at merging these two fields of studies, proteomics and Raman spectroscopy analysis, developing an innovative instrument for ultrafast Raman spectroscopy for proteins sequencing. In proID, fluorescence rejection, one of Raman techniques' main obstacle, is implemented taking advantage of time-gated detectors; by exploiting the different time response of the two phenomena, a short detection window is opened straight after the laser pulse has reached the sample, enabling photon counting in a limited amount of time where Raman signal is concentrated. This thesis objective is to develop a linear 128 × 4 SPAD array to be used as a sensor in the proID spectrometer, with main design requirements related to the detection window time resolution and the high-speed readout process. The designed ASIC, realized in a 40 nm CMOS technology, implements both these features. An on-chip DLL-based structure enables the generation of two time windows, performing accurate time-gating of, respectively, SPADs and processing electronics, while a peculiar readout architecture is conceived to let the user choose between a classic full readout or a faster column-selective one.

Negli ultimi anni, grande interesse da parte della comunità scientifica è stato rivolto allo studio della proteomica. L’analisi della struttura e della funzionalità delle proteine può essere sfruttata in svariati ambiti, dallo sviluppo di terapie e farmaci personalizzati all’approfondimento dei meccanismi alla base dell’insorgenza di patologie. La spettroscopia Raman, tramite un approccio privo di marcatori, permette lo studio e il riconoscimento delle molecole, caratterizzandone il differente spettro di frequenze generato in risposta a uno stimolo luminoso. Il progetto Europeo proID ambisce a sviluppare un innovativo strumento per sequenziare le proteine attraverso spettroscopia Raman ultra-rapida, la cui limitazione principale è il contributo della fluorescenza che ne maschera il debole segnale emesso. Tra i diversi approcci per differenziare e filtrare i due fenomeni, quello utilizzato in proID è il “time-gating”: sfruttando le differenti risposte temporali dell’effetto Raman e della fluorescenza, il rilevatore viene attivato solo in brevi transitori dove è concentrata l’emissione di interesse, così da migliorarne il rapporto segnale-fondo. Questa tesi si pone l’obbiettivo di sviluppare una matrice lineare di 128 × 4 SPAD, utilizzata come sensore nello spettrometro proposto da proID; alta risoluzione delle finestre temporali ed elevata velocità di lettura ne sono i requisiti fondamentali. L’ASIC progettato, realizzato in tecnologia CMOS 40 nm, soddisfa entrambe le richieste. Due finestre temporali ad elevata risoluzione sono generate nel chip per attivare selettivamente gli SPAD e l’elettronica digitale, mentre all’utente è lasciata la scelta tra una lettura completa di tutto l’array o una più rapida, con innovativa scelta delle colonne da scartare.