Electronic bio-reconfigurable impedance platform for high sensitivity detection of target analytes

This work presents an electronic bio-sensing system based on the detection of the impedance variation between gold microelectrodes on the capture of target analytes with nanoparticle amplification. The electrodes are designed in a differential configuration, reference and active sensor, to counteract all possible mismatches such as temperature fluctuations and variations in the ion content of the solution. The sensor are integrated in a microfluidic system for precise control of the target solution. The successful combination of these elements has made it possible to reach a limit of detection of the system below 100 pg/mL for IgG antibodies in buffer. Toward measurements of viral infections by detecting antibodies, the system has been challenged with infected human serum samples for digital counts of anti-dengue virus antibodies, achieving the detection of clinically relevant target concentrations. Also, the bio-reconfigurability of the system has been successfully tested with oligonucleotides detection down to pM target concentration. To allow the portability of the entire measurement setup, the system has been equipped with a custom electronic board based on FPGA module allowing a multiplexing approach for the parallel reading of several electrodes. The final system enables simple and effective bio-reconfigurability, leveraging advances in biomolecular recognition through appropriate selection of bio-probes, and allows extending the applicability of multiplex sensing to a broad range of needs.

Questo lavoro presenta un sistema di rilevamento elettronico basato sulla detection della variazione di impedenza tra microelettrodi d'oro derivata dalla cattura di analiti target. Gli elettrodi sono progettati in configurazione differenziale, sensore di riferimento e sensore attivo, per contrastare tutti i possibili mismatch quali fluttuazioni di temperatura e variazioni nel contenuto ionico della soluzione. I sensori sono poi integrati all'interno di un sistema microfluidico per la gestione dei volumi di reagenti e soluzioni buffer. La combinazione di questi elementi ha permesso di raggiungere un limite di detection del sistema inferiore a 100 pg/mL per anticorpi IgG in buffer. Il sistema è stato validato con campioni di siero umano infetto per i conteggi digitali degli anticorpi del virus anti-dengue, ottenendo il rilevamento di concentrazioni target clinicamente rilevanti. Inoltre, la bio-riconfigurabilità del sistema è stata testata con successo con il rilevamento di oligonucleotidi fino alla concentrazione target di pM. Per consentire la portabilità dell'intero setup di misura, il sistema è stato dotato di una scheda elettronica custom basata su modulo FPGA che consente un approccio multiplexing per la lettura parallela di più elettrodi. Il sistema finale consente una bio-riconfigurabilità semplice ed efficace, sfruttando i progressi nel riconoscimento biomolecolare attraverso un'adeguata selezione di bio-sonde e consente di estendere l'applicabilità del rilevamento multiplex a un'ampia gamma di esigenze.