Fully integrated optofluidic platforms for highly sensitive, in-flow bio-samples detection

The Micro Total Analysis System (μ-TAS) or Lab-on-a-Chip (LoC) is a research line that combines nanotechnology, biotechnology, and microfabrication to create portable laboratories on a chip, aiming at integrating components for monitoring biochemical processes or analyzing samples in a extremely small space. This system automates tasks like sample mixing, sorting, filtering, and analysis on microfluidic platforms, making it suitable for self-analysis and use in extreme environments. The integration of optical elements within microfluidic devices is a promising avenue for improved sensitivity and throughput. However, due to technical difficulties this integration is not always easy to do, leading to the use of external instruments like microscopes and objectives, partially negating one of the main advantages of LoC devices, their portability. In this doctoral project different optofluidics platforms were developed, aiming at building fully integrated optofluidic networks capable of making highly sensitive, high-throughput measurements, with an extremely compact setup. Initially, an optofluidic flow cytometer was designed and constructed, incorporating both the excitation source and the signal collection system. In particular, it has been integrated an in-plane spherical micromirror that enchanced the signal-to-noise ratio from the analyzed samples by a factor of 6. This innovation allowed the detection of very small samples (down to 1 μm), and the discrimination of signals from various particles, cells, and bacteria. A chip was also designed for high-throughput Raman analysis of blood. Thanks to the parallel lamination of different streams, it allows for simultaneous analysis of multiple blood samples using an external optical setup, without the need for moving parts. Thanks to the design of the chip it was possible to use visible wavelength excitation at high intensity without incurring into cell photodegradation, ensuring fast measurements and a robust signal-to-noise ratio. Integration with machine learning techniques for real-time discrimination of parameters within blood Raman spectra enhances its potential for clinical trials. The knowledge acquired in these projects resulted in a Lab-on-Chip for in-chip Raman spectroscopy without external optical elements such as objectives. The integration of the in-plane spherical micro-mirror enabled Raman spectra measurements of sample of interest with short integration times (down to 1 s), while maintaining a good signal-to-noise ratio. This represents a significant advancement, suggesting the possibility of further improvements that may lead to ultra fast Raman measurements (few milliseconds of integration time). These developments could pave the way for new, interesting applications of optofluidic Lab-on-Chips in ultra-high sensitivity and high-throughput sensing, and open new possibilities for mass screening and Point-of-Care testing.

Il Micro Total Analysis System (μ-TAS) o Lab-on-a-Chip (LoC) è una linea di ricerca che combina nanotecnologie, biotecnologie e microfabbricazione per creare laboratori portatili su chip, con l'obiettivo di integrare componenti per il monitoraggio di processi biochimici o l'analisi di campioni in uno spazio estremamente ridotto. Questo sistema automatizza compiti come la miscelazione, lo smistamento, il filtraggio e l'analisi dei campioni su piattaforme microfluidiche, rendendolo adatto all'autoanalisi e all'uso in ambienti estremi. L'integrazione di elementi ottici nei dispositivi microfluidici è una strada promettente per migliorare la sensibilità e la produttività. Tuttavia, a causa di difficoltà tecniche, questa integrazione non è sempre facile da realizzare, e porta all'uso di strumenti esterni come microscopi e obiettivi, negando in parte uno dei principali vantaggi dei dispositivi LoC, la loro portabilità. In questo progetto di dottorato sono state sviluppate diverse piattaforme optofluidiche, con l'obiettivo di costruire network optofluidici completamente integrati in grado di effettuare misurazioni altamente sensibili e ad alto throughput, con una configurazione estremamente compatta. Inizialmente, è stato progettato e costruito un flusso citometro optofluidico che incorpora sia la sorgente di eccitazione sia il sistema di raccolta del segnale. In particolare, è stato integrato un specchio sferico micrometrico in-plane che ha migliorato il rapporto segnale/rumore dei campioni analizzati di un fattore 6. Questa innovazione ha permesso di rilevare campioni molto piccoli (fino a 1 μm) e di discriminare i segnali di varie particelle, cellule e batteri. È stato inoltre progettato un chip per l'analisi Raman ad alto throughput del sangue. Grazie alla laminazione in parallelo di diversi flussi, consente l'analisi simultanea di più campioni di sangue utilizzando un setup ottico esterno, senza la necessità di parti mobili. Grazie al design del chip è stato possibile eccitare il campione con una lunghezza d'onda nel visibile e con un'alta intensità, senza incorrere nella fotodegradazione delle cellule, garantendo misure rapide e un robusto rapporto segnale/rumore. L'integrazione con tecniche di machine learning per la discriminazione in tempo reale dei parametri all'interno degli spettri Raman del sangue ne aumenta il potenziale per gli studi clinici. Le conoscenze acquisite in questi progetti ha portato alla realizzazione di un Lab-on-Chip per la spettroscopia Raman in-chip senza elementi ottici esterni (come gli obiettivi). L'integrazione del microspecchio sferico in-plane ha permesso di misurare gli spettri Raman del campione di interesse con tempi di integrazione brevi (fino a 1 s), mantenendo un buon rapporto segnale-rumore. Questo rappresenta un progresso significativo, che suggerisce la possibilità di ulteriori miglioramenti che potrebbero portare a misure Raman ultraveloci (pochi millisecondi di tempo di integrazione). Questi sviluppi potrebbero aprire la strada a nuove e interessanti applicazioni dei Lab-on-Chip optofluidici nel rilevamento ad altissima sensibilità e ad alta produttività, aprendo nuove possibilità per lo screening di massa e i test Point-of-Care.