La ricerca presentata si propone di progettare, realizzare e caratterizzare un sistema Lab-on-Chip (LoC) per l'analisi di campioni biologici, da utilizzare come metodo analitico innovativo. In tale ambito, le migliori prestazioni atualmente ottenute in termini di sensibilità, specificità e limiti di rivelabilità si basano sulla rivelazione ottica di fenomeni di assorbimento, fluorescenza o bio-chemiluminescenza legati alla presenza delle molecole da rivelare nella soluzione analizzata.
Il progetto si pone come obiettivo l¿identificazione e la quantificazione ¿on chip¿ di biomolecole tramite la misura dell¿ interazione tra la soluzione biologica in esame e una stuttura ottica guidante, semplificando l¿analisi ma mantenendo alte le prestazioni e la sensibilità. In particolare, il sistema proposto integra su un unico substrato di vetro una guida d¿onda a canale, ottenuta con la tecnologia dello scambio ionico, e un fotorivelatore a film sottile realizzato sulla guida ed accoppiato otticamente ad essa. Per ottenere tale rivelazione integrata verranno utilizzati fotosensori basati sulla tecnologia del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), che rappresenta uno dei più importanti materiali elettronici per applicazioni in tecnologie a larga area e a basso costo, caratterizzato da alta versatilità e compatibilità con diverse tipologie di substrati e materiali.
La ricerca proposta si inserisce nel panorama Lab-on-Chip: integrazione tutte le fasi dell¿analisi biomolecolare in un unico dispositivo compatto, con costi limitati, basso consumo di reagenti e di energia, possibilità di utilizzo in-situ. Lo sviluppo del sistema si articola nello studio di tecniche di analisi semplificate e dirette, nella progettazione con software specifici che modellizzano il sistema dal punto di vista chimico, ottico ed elettronico, nella fabbricazione con tecnologie e materiali poco costosi ma egualmente performanti, nella caratterizzazione e validazione con test bio-chimici ed optoelettronici.
Nel corso dei decenni, il mondo dell¿industria ha avuto modo di progredire e di migliorare numerosi aspetti della vita quotidiana. Questo è stato possibile grazie allo sviluppo della tecnologia, in particolare di quella legata all¿elettronica: La spinta verso lo sviluppo di nuove tecnologie di fabbricazione, la ricerca costante di nuovi materiali e l¿ottimizzazione nelle fasi di progetto mediante nuove soluzioni ha permesso ai dispositivi utilizzati dall¿uomo nel suo quotidiano di scalare costantemente in termini di dimensioni e, allo stesso tempo, di svolgere tipologie di operazioni più complesse, oltre che in numero sempre maggiore.
In ambito biomedicale e farmaceutico questo si è tradotto in analisi, screening e trattamenti sempre più specifici e di qualità, tramite dispositivi più compatti e a basso costo. In questa ottica si inserisce il sistema Lab-on-Chip (LoC) in questione. Partendo da queste considerazioni, in alcuni casi il mondo accademico può tendere a una focalizzazione nel raggiungimento di prestazioni migliori, rischiando talvolta di sacrificare attenzione alla gestione dei costi e alla semplicità di utilizzo di certi sistemi. Il risultato è uno sforzo nella ricerca che può faticare a tradursi in soluzioni industriali.
Il presente progetto unisce uno studio sui materiali e sulle tecnologie di fabbricazione a sforzi progettuali nell¿ottimizzazione delle prestazioni, con l¿intento di semplificare i sistemi che attualmente costituiscono lo stato dell¿arte e facendo leva proprio sugli attributi chiave al centro delle attenzioni delle varie realtà industriali.
In particolare, Il concetto di miniaturizzazione delle analisi di laboratorio in sistemi di tipo LoC impone che il sistema sia compatto, e il presente progetto propone soluzioni per aumentare il grado di compattezza ed estenderlo anche a tipologie di sistemi che hanno ancora bisogno di setup voluminosi. La tecnologia proposta permette l¿integrazione sullo stesso chip della fase di rivelazione ottica di biomolecole, laddove fotosensori e CCD in silicio cristallino non lo permettono.
Specificità e sensibilità nelle procedure di analisi non sempre si traduce in semplicità: parte della focalizzazione nel presente progetto è indirizzata al mantenimento delle caratteristiche di specificità e sensibilità del sistema ma con soluzioni nell¿ambito della semplificazione delle tecniche di analisi. Lo sforzo nel proporre soluzioni in queste direzioni, unito alla ricerca di materiali versatili e a tecnologie di fabbricazione economiche, si traduce in un sistema meno complesso e meno costoso.
L¿utilizzo delle guide ottiche a canale con la tecnologia dello scambio ionico su vetro permette di evitare substrati e strutture guidanti in silicio ed allo stesso tempo riconfigura a livello spaziale l¿intero apparato di analisi. L¿informazione luminosa, e quindi l¿interazione col sistema optoelettronico di rivelazione, può essere veicolata da guide d¿onda versatili e modellizabili con diverse geometrie. Soluzioni biologiche e dispositivi fotorivelatori adeguatamente distanziati eliminano problemi di biocompatibilità tra il sistema biologico (biomolecole, microorganismi) e i materiali utilizzati per la realizzazione del fotosensore.
L¿accoppiamento ottico tra strutture guidanti e fotodiodi, ottimizzando le geometrie, porta a una massimizzazione delle prestazioni in termini di rappoto segnale-rumore (SNR) oltre che di sensibilità e di limite di rivelazione.
Inoltre, i processi biochimici necessari (funzionalizzazione della superficie, immobilizzazione di biomolecole, etc..), dovendo essere implementati direttamente su vetro, possono essere realizzati con tecniche standard.
Infine, nel caso di molecole foto-luminescenti la guida può essere progettata in modo da ottimizzare la propagazione della luce di emissione rispetto a quella di eccitazione. Questo permette un rilassamento delle specifiche della risposta quantica del sensore, con una semplificazione della struttura evitando l¿utilizzo di filtri ottici.