High-sensitivity impedance platform for multiplexing diagnostics

This work focuses on the development of an innovative electronics-based platform for point-of-care viral diagnostics. The ultimate goal is to implement a multiplexing diagnostic platform that is adaptable and reconfigurable for various medical applications, with the potential to significantly improve early disease detection, enhance patient care, and substantially reduce healthcare costs. The instrument relies on impedance measurements, with the signal enhanced through a polymeric bead–based protocol. In recent years, there has been increasing interest in the development of multiplex point-of-care devices, in which multiple analytes can be detected from a single biological sample, thereby accelerating the diagnostic process and broadening the clinical picture. Three fields can be identified and will be deepened: the design and production of the biochip, the improvement of the platform and the microfluidic functioning and, lastly, the proper design of the electronic board for very high-resolution impedance measurements.The electrodes are realized in gold over a borosilicate substrate, and their shape is optimized for multiplexing. The microfluidic chamber is where the reaction with the biological analyte occurs and is designed for a precise liquid control and a real-time supervision of the whole experiment. Finally, the configuration and improvement of the electronic board's software and firmware is realized, foundamental for high-resolution impedance detection. The correct functioning and adaptability of the entire project is confirmed by detecting P24-HIV related antigen, COVID-19 and, afterwards, by correctly distinguishing different COVID genes, N1 and N2, validating the multiplexing feature. The reconfigurability of the system will be further tested with other biological analytes in order to pave the way to the development of a complete and innovative high-resolution medical device for multiplexing diagnostic.

Questo lavoro si concentra sullo sviluppo di una piattaforma innovativa basata sull’elettronica per la diagnostica virale point-of-care. L’obiettivo finale è implementare una piattaforma diagnostica multiplex adattabile e riconfigurabile per diverse applicazioni mediche, con il potenziale di migliorare significativamente la diagnosi precoce delle malattie, ottimizzare la cura dei pazienti e ridurre sostanzialmente i costi sanitari. Lo strumento si basa su misure di impedenza, con il segnale amplificato tramite un protocollo basato su microsfere polimeriche. Negli ultimi anni si è registrato un crescente interesse nello sviluppo di dispositivi point-of-care multiplex, nei quali è possibile rilevare più analiti a partire da un singolo campione biologico, accelerando così il processo diagnostico e ampliando il quadro clinico. Si possono identificare tre ambiti principali che verranno approfonditi: la progettazione e realizzazione del biochip, il miglioramento della piattaforma e del funzionamento microfluidico e, infine, la progettazione adeguata della scheda elettronica per misure di impedenza ad altissima risoluzione. Gli elettrodi sono realizzati in oro su un substrato di borosilicato e la loro forma è ottimizzata per il multiplexing. La camera microfluidica è il luogo in cui avviene la reazione con l’analita biologico ed è progettata per un controllo preciso dei liquidi e una supervisione in tempo reale dell’intero esperimento. Infine, vengono sviluppati e ottimizzati il software e il firmware della scheda elettronica, fondamentali per il rilevamento dell’impedenza ad alta risoluzione. Il corretto funzionamento e l’adattabilità dell’intero progetto sono confermati dalla rilevazione dell’antigene P24 correlato all’HIV, del COVID-19 e, successivamente, dalla corretta distinzione di diversi geni del COVID, N1 e N2, validando la funzionalità di multiplexing. La riconfigurabilità del sistema sarà ulteriormente testata con altri analiti biologici al fine di aprire la strada allo sviluppo di un dispositivo medico completo e innovativo ad alta risoluzione per la diagnostica multiplex.