Electronical instrumentation for impedance measurement on biosamples

In the last years electronical systems entered with great importance in the measurement of biological quantities, granting access to information from electrical cellular characteristics: it is in fact possible to measure capacitance or conductance that are dependent on the health state of cells and can be used to perform drug testing. In addition, lab-on-a-chip systems are attracting a growing attention for the possibility of parallelization and portability of biological assays, but they require sensitive and compact electronic measurement systems to be developed, in order to realize instruments that can be utilized also by people outside a biological laboratory, reaching what is called point-of-care diagnostic. To support on-chip electrobiological measurements, during this research, the development of highly sensitive, economical and compact instruments to detect impedance of biological samples has been explored. A first part of the research dealt with discrete systems development, with the focus of obtaining high sensitivity, while keeping the system compact, low-cost and low-power.These constraints have been considered while designing an handheld impedance based cell counter, that has been used to replace fluorescence-based detection in a dielectrophoretic separation experiment. The need for increased flexibility and compactness, then, lead to the design of a fully integrated chip for impedance measurement with two phases lock-in to obtain magnitude and phase information about the impedance. The challenges in this kind of design are to obtain good performances even with standard, low-voltage and low-cost technology; the design techniques used to solve them are presented in this work. Finally a new circuital topology will be explored to increase the impedance measurement bandwidth over the usual range of operational amplifier based transimpedance amplifiers. Exploiting modulation and demodulation, together with feedback we can achieve bandwidth bigger than 100MHz with good linearity.

Negli ultimi anni i sistemi elettronici sono entrati con molta importanza nelle misure di quantitá biologiche, fornendo accesso ad informazioni derivate dalle caratteristiche elettriche delle cellule: é infatti possibile misurare capacitá o conduttanze che sono dipendenti dallo stato di salute delle cellule e che possono essere usate per effettuare screening farmacologici. Inoltre i sistemi lab-on-chip stanno attraendo sempre maggiore attenzione dal momento che offrono parallelizzabilitá e portabilitá degli esami biologici, ma richiedono sistemi di misura elettronici ad elevata sensibilitá e compattezza per realizzare strumenti utilizzabili anche da persone al di fuori di un laboratorio e realizzare ció che si chiama diagnostica point-of-care. Per supportare misure elettrobiologiche su chip, durante questa ricerca, é stato esplorato lo sviluppo di strumenti per la misura di impedenza che fossero sensibili, economici, compatti ed adattabili a campioni biologici. La prima parte della ricerca si é occupata di sviluppare elettronica a componenti discreti, con l’obiettivo di ottenere un’elevata sensibilitá, mantenendo il sistema compatto, a basso costo e bassa potenza. Questi vincoli sono stati presi in considerazione nella realizzazione di un contatore di cellule portatile e basato sulla misura di impedenza, che é stato utilizzato per sostituire strumenti basati su fluorescenza in un esperimento di rilevamento seguente una separazione dielettrica delle cellule. La necessitá di maggiore flessibilitá e compattezza, ha quindi spinto al progetto di un chip totalmente integrato per misure di impedenza con lock-in a due fasi per ottenere contemporaneamente le informazioni su modulo e fase dell’impedenza misurata. Le difficoltá di questo tipo di progetto, riguardanti la difficoltá di realizzare sistemi complessi con tecnologie standard e a basso costo, sono state risolte con particolari topologie circuitali che sono presentate in questo lavoro. Infine verrá presentata una nuova topologia circuitale mirata ad aumentare l’intervallo di frequenze ove é possibile la misura di impedenza oltre il limite imposto dalla struttura a transimpedenza basata su amplificatori operazionali. Sfruttando la tecnica di modulazione e demodulazione, unita alla retroazione, é stato possibile estendere la banda oltre i 100MHz, mantenendo un’ottima linearitá.