Design and characterization of a miniaturized optical fluorescence readout system for Lab-on-Chips instrumentation

Point of care (POC) procedures, which aim to deliver the equivalent of laboratory analysis outside of medical institutions, have recently been established in response to developments in healthcare demands and disease detection and prevention. The portability, economy, speed, and miniaturization, from the perspective of POC testing, lead to the requirement for Lab-on-Chip (LoC) instrumentation. The DNA analysis and amplification techniques, such as the real-time Polymerase Chain Reaction (qPCR), and the Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat-CRISPR-Associated (CRISPR-Cas), play a key role in POC diagnostic testing. Both methodologies contain the necessity of fluorescence read-out and signal analysis. Following this trend, STMicroelectronics developed a real-time PCR LoC device "Q3-Plus" and still works on the development of a novel CRISPR-based device to identify the DNA sequence in a certain sample. A similar optical fluorescence readout system for two devices is composed of camera modules. With the evolution and development of technology, a more miniaturized and accurate optical readout system needs to be designed and characterized. This thesis project intends to solve two main problems. First, a new image sensor with higher image quality is utilized to replace the previous sensor, which needs the design of a new optical system. Next, a LED light source with a wide wavelength band needs an extra cost for applying an optical filter. The feasibility of replacing it with a laser diode needs to be validated, as well as offering a new illumination method. The thesis main part is divided into five chapters. The first two chapters briefly explain the qPCR and CRISPR molecular technology, with the concept of POC testing and the application of LoC devices Q3-Plus and CRISPR-Cas platform developed by STMicroelectronics. The purpose of the work is summarized at the end. Then in Chapter 3, I present the study and operation of optical components fabrication, as the basis of the system prototyping. I study the 3D printing methodology, and the milling and casting methodology, for the lens and PDMS components fabrication of the project use. Based on two transparent candidates, clear resin and PDMS, for optical components fabrication, I characterized the transmission and autofluorescence of the two materials. Another material compatibility real-time PCR test is complemented for clear resin material, to evaluate the necessity for extra curing. In Chapter 4, I contribute my work to the design and characterization of the optical focusing system. I started with a single lens fabrication by 3D printing, evaluating the spin coating and glass curing process to make the lens transparent. After summarizing the optical fabrication steps, I used the Zemax OpticStudio software to design and simulate the focusing system, including the arrangement of an object, lenses, a filter, and an image sensor. I 3D-printed the new design lens and implement the focusing test to measure the focal length, and surface characterization to calculate the radius of curvature. By integrating the focusing system, clear images were captured through the image sensor. Ultimately, I work on the characterization and design of the illumination system in Chapter 5. I selected three laser diodes as the fluorophore requirement and characterizes their spectrum and operating current with the use of a Matlab script. The CNILaser SLD-488-55 laser diode was selected for FAM fluorophore and characterized aiming to replicate the real-time PCR test. A newly designed driving circuit for the laser diode is soldered and applied. Additionally, I modified the Q3-Plus ring with a light pipe to guide the laser light. The fluorescence test based on the combination of the laser diode and a new ring was implemented. In the end, a real-time PCR test is performed using the new laser illumination system.

Le procedure Point of care (POC), che mirano a fornire l'equivalente di analisi di laboratorio al di fuori delle istituzioni mediche, sono state recentemente istituite in risposta agli sviluppi nella domanda di assistenza sanitaria e nell'individuazione e prevenzione delle malattie. La portabilità, l'economia, la velocità e la miniaturizzazione, dal punto di vista dei test POC, portano al requisito della strumentazione Lab-on-Chip (LoC). Le tecniche di analisi e amplificazione del DNA, come la reazione a catena della polimerasi in tempo reale (qPCR) e il Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat-CRISPR-Associated (CRISPR-Cas), svolgono un ruolo chiave nei test diagnostici POC. Entrambe le metodologie contengono la necessità della lettura della fluorescenza e dell'analisi del segnale. Seguendo questa tendenza, STMicroelectronics ha sviluppato un dispositivo LoC per real-time PCR "Q3-Plus" e lavora ancora allo sviluppo di un nuovo dispositivo basato su CRISPR per identificare la sequenza del DNA in un determinato campione. Un sistema di lettura della fluorescenza ottica simile per due dispositivi è composto da moduli fotocamera. Con l'evoluzione e lo sviluppo della tecnologia, è necessario progettare e caratterizzare un sistema di lettura ottica più miniaturizzato e accurato. Questo progetto di tesi intende risolvere due problemi principali. Innanzitutto, viene utilizzato un nuovo sensore di immagine con una qualità dell'immagine superiore per sostituire il sensore precedente, che richiede la progettazione di un nuovo sistema ottico. Successivamente, una sorgente luminosa a LED con un'ampia banda di lunghezze d'onda necessita di un costo aggiuntivo per l'applicazione di un filtro ottico. La fattibilità di sostituirlo con un diodo laser deve essere convalidata, oltre a offrire un nuovo metodo di illuminazione. La parte principale della tesi è suddivisa in cinque capitoli. I primi due capitoli spiegano brevemente la tecnologia molecolare qPCR e CRISPR, con il concetto di test POC e l'applicazione dei dispositivi LoC Q3-Plus e della piattaforma CRISPR-Cas sviluppati da STMicroelectronics. Lo scopo del lavoro è riassunto alla fine. Quindi, nel Capitolo 3, presento lo studio e il funzionamento della fabbricazione di componenti ottici, come base della prototipazione del sistema. Studio la metodologia di stampa 3D e la metodologia di fresatura e fusione, per la fabbricazione di lenti e componenti PDMS dell'uso del progetto. Sulla base di due candidati trasparenti, resina trasparente e PDMS, per la fabbricazione di componenti ottici, ho caratterizzato la trasmissione e l'autofluorescenza dei due materiali. Un altro test real-time PCR di compatibilità dei materiali è integrato per il materiale in resina trasparente, per valutare la necessità di una polimerizzazione extra. Nel Capitolo 4, contribuisco con il mio lavoro alla progettazione e caratterizzazione del sistema di messa a fuoco ottica. Ho iniziato con la fabbricazione di una singola lente mediante stampa 3D, valutando il processo di rivestimento rotante e polimerizzazione del vetro per rendere trasparente la lente. Dopo aver riassunto le fasi di fabbricazione ottica, ho utilizzato il software Zemax OpticStudio per progettare e simulare il sistema di messa a fuoco, compresa la disposizione di un oggetto, obiettivi, un filtro e un sensore di immagine. Ho stampato in 3D la nuova lente di design e implementato il test di messa a fuoco per misurare la lunghezza focale e la caratterizzazione della superficie per calcolare il raggio di curvatura. Integrando il sistema di messa a fuoco, sono state catturate immagini nitide attraverso il sensore di immagine. Infine, lavoro sulla caratterizzazione e progettazione del sistema di illuminazione nel Capitolo 5. Ho selezionato tre diodi laser come requisito del fluoroforo e ne caratterizza lo spettro e la corrente operativa con l'uso di uno script Matlab. Il diodo laser CNILaser SLD-488-55 è stato selezionato per il fluoroforo FAM e caratterizzato con l'obiettivo di replicare il test real-time PCR. Viene saldato e applicato un circuito di pilotaggio di nuova concezione per il diodo laser. Inoltre, ho modificato l'anello Q3-Plus con un tubo luminoso per guidare la luce laser. È stato implementato il test di fluorescenza basato sulla combinazione del diodo laser e di un nuovo anello. Alla fine, viene eseguito un test PCR in tempo reale utilizzando il nuovo sistema di illuminazione laser.