Active opto-magnetic biosensing system on chip

Biosensors are tools that became nearly essential to the present day, being widely exploited in various fields. From water quality check to patient clinical analysis, the knowledge evolution lead to the necessity of having a precise and accurate way to measure the characteristics of the sample under test. Based on different technologies, divided in many branches depending on the use case and with different levels of requirements, biosensors mostly are composed by several parts. From the sample preparation to the result interpretation, a biosensor is a system that needs to strongly integrate all the different steps and parts to reduce costs and simplify operator's job while improving detection performances such as speed and limit of detection. The development of a biosensor needs to take into considerations very different subsystems to be accurately joined and make them work properly. This thesis condenses three years of PhD work focused on biosensing technology in integrated photonics. During this period the main goals were to study and implement a new biosensing technique and to apply the knowledge to design and build a system that could be easily prototyped. First, the development of a system and then a diagnostic device have been completed. In collaboration with several partners from a regional project, we designed, realized and tested a machine to be used in hospital laboratories for diagnostic purposes. Then we theorized, implemented and successfully demonstrated a new biosensing technique, here named opto-magnetic, that exploits magnetic nanoparticles as labels activated by external magnetic fields. The promising results in terms of interrogation time and theoretical limit of detection, comparable to the state of the art, led us to keep evolving the technology. In order to increase robustness and improve reliability of the system towards a possible prototyping, we studied a new chip in silicon photonics platform that integrates the optical sensor and the magnetic field generator possibly improving the performances and suitable for large-volumes and low-cost production. To sum up, during this PhD, we developed systems for biosensing with optical platforms. Essential to this path have been the relations with other research and industrial groups, to merge different expertise and create something new, from idea to the real world object. Lot of time has been spent in experimental and system improving activities, learning how to apply the correct approach, maximize the outcomes, reduce risks and keep the research standards up to the maximum levels.

I biosensori sono strumenti che sono diventati quasi essenziali ai giorni nostri, essendo ampiamente sfruttati in vari campi. Dal controllo della qualità dell'acqua all'analisi clinica dei pazienti, l'evoluzione delle conoscenze ha portato alla necessità di disporre di un modo preciso e accurato per misurare le caratteristiche del campione in esame. Basati su diverse tecnologie, suddivisi in molti rami a seconda del caso d'uso e con diversi livelli di requisiti, i biosensori sono per lo più composti da più parti. Dalla preparazione del campione all'interpretazione dei risultati, un biosensore è un sistema che deve integrare fortemente tutte le diverse fasi e parti per ridurre i costi e semplificare il lavoro dell'operatore, migliorando al contempo le prestazioni di rilevamento come la velocità e il limite di detezione. Lo sviluppo di un biosensore deve prendere in considerazione sottosistemi molto diversi da unire accuratamente e farli funzionare correttamente. Questa tesi condensa tre anni di lavoro di dottorato incentrato sulla tecnologia di biosensing nella fotonica integrata. Durante questo periodo gli obiettivi principali sono stati lo studio e l'implementazione di una nuova tecnica di biosensing e l’applicazione delle conoscenze acquisite per progettare e costruire un sistema che possa essere facilmente prototipabile. Sono stati completati prima lo sviluppo di un sistema e poi di un dispositivo diagnostico. In collaborazione con diversi partner di un progetto regionale abbiamo progettato, realizzato e testato un macchinario da utilizzare nei laboratori ospedalieri per scopi diagnostici. Poi abbiamo teorizzato, implementato e dimostrato con successo una nuova tecnica di biosensing, qui detta Opto-Magnetica, che sfrutta nanoparticelle magnetiche come marcatori attivate da campi magnetici esterni. I risultati promettenti in termini di tempo di interrogazione e di limite teorico di rilevamento, paragonabili allo stato dell'arte, ci hanno spinto a continuare a evolvere la tecnologia. Per aumentare la robustezza e migliorare l'affidabilità del sistema in vista di una possibile prototipazione, abbiamo studiato un nuovo chip in piattaforma fotonica al silicio che integra il sensore ottico e il generatore di campo magnetico, potenzialmente migliorando le prestazioni e adatto a una produzione a basso costo di grandi volumi. In sintesi, durante questo dottorato abbiamo sviluppato sistemi per il biosensing su piattaforma ottica. Fondamentali per questo percorso sono state le relazioni con altri gruppi di ricerca ed industriali, per unire competenze diverse e creare qualcosa di nuovo, dall'idea all'oggetto reale. Molto tempo è stato speso in attività sperimentali e di miglioramento del sistema, imparando ad applicare l'approccio corretto e a massimizzare i risultati, ridurre i rischi e mantenere gli standard di ricerca ai massimi livelli.