Sensori optofluidici integrati fabbricati mediante laser a femtosecondi

Recent years have witnessed many advances in the field of Lab On a Chip, devices that are characterized by the presence of microfluidic channel networks for the management of low amounts of samples. In this technological landscape a new discipline has emerged: optofluidics aims to exploit the synergy between optics and fluidics, with both functions miniaturized on chips. The combination of microfluidic channels with optical structures has allowed for the realization of small, compact, stable and monolithic optofluidic sensors, that can solve the difficulty in alignment between the optical and fluidic components. One field of applications of these devices is in the analysis of small quantities of liquid sample useful in biomedical diagnostics or broad spectrum sensors. In this work it is reported how, using the technique of femtosecond laser micromachining, it is possible to implement two types of optofluidic integrated sensors in fused silica. The presence of microfluidic structures along with optical waveguides is the innovative characteristic of these devices. A first sensor was designed to be installed on industrial machinery to monitor the status of the lubricating oil: some prototypes have been manufactured and tested to explore the potential of the preliminary investigation of the analytical technique chosen. The second sensor is instead realized for the identification and the counting of single molecules in a solution which pass through a given region of the chip: the device optimization process to improve the collection of signal has been carried out. In parallel to the realization of these sensors, the study on the thermal treatment of buried fused silica mirochannels has been carried out. This was aimed to reduce the roughness of microchannels fabricated by irradiation with laser and subsequent chemical etching, which are used in all optofluidics devices. The result of this work has been therefore the realization of optofluidic integrated, monolithic and compact sensors for the analysis of the state of industrial machineries lubricant and for the detection of single molecules.

Gli ultimi anni sono testimoni di innumerevoli progressi nel campo dei Lab On a Chip, dispositivi costituiti da reti di canali microfluidici che consentono la gestione di piccoli volumi di campioni. In questo scenario tecnologico si affaccia l’optofluidica, una disciplina che si pone il fine di sfruttare la sinergia di ottica e di fluidica miniaturizzata su chip: l’accostamento di canali microfluidici con strutture ottiche ha permesso la realizzazione dei primi dispositivi optofluidici integrati che si propongono come piccoli sensori compatti, stabili e monolitici e con cui viene risolto il problema di avere un solido allineamento tra le due micro-componenti. Uno degli ambiti di applicazione di questi dispositivi è l’analisi di piccole quantità di campione di liquido per la diagnostica biomedicale o la sensoristica ad ampio spettro. In tale contesto si colloca il lavoro di tesi esposto in questo elaborato. Sfruttando le tecniche di microlavorazione mediante laser a femtosecondi sono state realizzate due tipologie di sensori optofluidici in fused silica che mostrano la compresenza di strutture microfluidiche e di guide d’onda. Un primo sensore è stato pensato per essere installato su macchinari industriali per monitorare lo stato dell’olio lubrificante: sono stati fabbricati e testati dei prototipi per sondare le potenzialità d’analisi della tecnica di indagine prescelta. Il secondo sensore è invece finalizzato al riconoscimento e al conteggio delle singole molecole in soluzione che attraversano una determinata regione del chip: è stato condotto il processo di ottimizzazione del dispositivo per migliorare la raccolta del segnale. In parallelo alla realizzazione di questi sensori è stato portato avanti lo studio dei trattamenti termici sul fused silica volti alla riduzione della rugosità dei microcanali fabbricati mediante irraggiamento laser con successivo attacco chimico, impiegati in tutti i dispositivi optofluidici. Il risultato di questo lavoro è pertanto la realizzazione di sensori optofluidici integrati, monolitici e compatti per l’analisi dello stato degli oli da macchinari industriali e per la rivelazione di singola molecola.