Integrated optofluidic devices for biophotonic applications fabricated by femtosecond laser pulses

Femtosecond laser micromachining is a powerful technique that allows the direct fabrication of optical devices, microfluidic components, and three-dimensional scaffolds. Laser pulses, with a duration of the order of tens/hundreds of femtoseconds, are focused inside the transparent substrate material and, through the activation of non-linear processes that occur only in the focal region, a permanent modification is induced in the substrate volume. This novel technology permits to fabricate directly buried structures with any three-dimensional shape, simply by controlling the translation of the substrate with respect to the beam focus. By controlling the irradiation conditions, one can achieve different kinds of modifications: (i) the fabrication of optical waveguides have been demonstrated inducing a positive refractive index change; (ii) this technique can also be used to fabricate microfluidic channels in fused silica glass with the addition of a subsequent chemical etching step; (iii) femtosecond lasers can also be used to activate two-photon polymerization in photosensitive resins to produce three-dimensional structures with nanometric resolution beyond the diffraction limit. Lab-on-a-chip and micro-total analysis systems are capable of miniaturizing on a single small chip many complex fluidic operations, e.g. transport, mixing, separation of biological samples. In order to exploit the lab-on-a-chip integration potential, optical analysis needs to integrated on the same chip as well, e.g. detection, sensing, manipulation of biological samples through light signals. In this Ph.D. thesis we have developed integrated optofluidic devices with application to biophotonics fabricated by femtosecond laser pulses. Technical advancements in the fabrication processes are proposed to improve the quality and flexibility of the technique. In particular, femtosecond laser writing was employed for the fabrication of advanced photonic devices in a single laser sweep by using a novel beam shaping stage. Afterwards, fluidic elements were considered and an innovative shape control technique was introduced. Regarding two photon polymerization, a three-dimensional porous filter was integrated for the first time in an already sealed commercial microfluidic chip to implement separation capabilities on the device. The potential of femtosecond laser microfabrication has also been exploited to achieve complete optofluidic systems for specific applications. In a commercial capillary electrophoresis chip, optical waveguides were integrated for fluorescence detection of DNA molecules separated on the basis of their size. A monolithic optical stretcher was also realized for the analysis of single cell viscoelastic properties; such a device allows for the recognition of mechanical cell features for early detection of diseases in pre-clinical sample analyses. Furthermore, adaptive optofluidic lenses were fabricated aiming at the realization of an integrated illumination stage for selective fluorescence excitation through planes of light; thus, in-vivo three-dimensional imaging of biological samples could be obtained via optical sectioning.

La lavorazione mediante laser a femtosecondi rappresenta un’efficace tecnica per la fabbricazione diretta di dispositivi ottici, componenti microfluidici, e strutture tridimensionali. Impulsi laser della durata di decine/centinaia di femtosecondi sono focalizzati all’interno di un substrato trasparente e, attraverso l’attivazione di processi di assorbimento non lineare che avvengono solamente nella regione focale, viene indotta una modifica permanente nel volume del substrato. Questa tecnologia innovativa permette quindi di fabbricare strutture direttamente sepolte con qualsiasi forma tridimensionale, semplicemente controllando la movimentazione del substrato rispetto al punto focale del fascio. Regolando le condizioni di irraggiamento, diversi tipi di modifica possono essere indotti: (i) è stata dimostrata la fabbricazione di guide d’onda inducendo un incremento locale dell’indice di rifrazione; (ii) canali microfluidici in vetro di silice amorfa sono stati realizzati con l’aggiunta di una successiva fase di attacco chimico; (iii) polimerizzazione a due fotoni in resine fotosensibili viene attivata per produrre strutture tridimensionali con risoluzione nanometrica oltre al limite di diffrazione. Sistemi lab-on-a-chip e sistemi di micro-total analysis permettono di miniaturizzare in un singolo chip di dimensioni ridotte diverse operazioni fluidiche complesse, come per esempio il trasporto, il rimescolamento, la separazione di campioni biologici. Per sfruttare appieno le potenzialità di integrazione dei lab-on-a-chip, deve essere integrata sullo stesso substrato anche l’analisi ottica, come per esempio la rivelazione e la manipolazione di campioni biologici attraverso la luce. In questa tesi di dottorato sono stati sviluppati dispositivi optofluidici integrati con applicazioni in biofotonica fabbricati mediante impulsi laser a femtosecondi. Sono stati proposti avanzamenti tecnici nel processo di fabbricazione con lo scopo di migliorare la qualità e la flessibilità della tecnica stessa. In particolare, la scrittura mediante laser a femtosecondi è stata impiegata per la fabbricazione di dispositivi fotonici avanzati in una singola passata laser grazie ad un innovativo stadio di controllo di forma del fascio di scrittura. Inoltre, riguardo ai componenti microfluidici, è stata introdotta una nuova tecnica per il controllo della forma dei microcanali. Per quanto riguarda la polimerizzazione a due fotoni, un filtro poroso tridimensionale è stato integrato per la prima volta in dispositivo microfluidico commerciale sigillato al fine di implementare funzioni di separazione. Le potenzialità delle microfabbricazioni mediante laser a femtosecondi sono state inoltre sfruttate per ottenere sistemi optofluidici complete per applicazioni specifiche. In un dispositivo commerciale per elettroforesi capillare sono state integrate guide d’onda per la rivelazione in fluorescenza di molecole di DNA separate sulla base della loro dimensione. Un optical stretcher monolitico è stato fabbricato per l’analisi delle proprietà viscoelastiche di singole cellule; questo dispositivo permette il riconoscimento delle proprietà meccaniche delle cellule per rivelazione di malattie in campioni a livello pre-clinico. Inoltre, sono state fabbricate lenti optofluidiche adattive allo scopo di creare uno stadio di illuminazione integrato per l’eccitazione selettiva della fluorescenza attraverso piani di luce; in questo modo può essere ottenuta una visualizzazione tridimensionale in-vivo di campioni biologici attraverso sezionamento ottico.