La ricerca presentata si propone di progettare, realizzare e caratterizzare un sistema Lab-on-Chip (LoC) per l'analisi di campioni biologici in ambito biomedicale (analisi del sangue) ed agroalimentare, da utilizzare come metodo analitico innovativo. In tale ambito, le migliori prestazioni attualmente ottenute in termini di sensibilità e specificità si basano sulla rivelazione ottica di fenomeni di assorbimento, fluorescenza o bio-chemiluminescenza legati alla presenza delle molecole target nel campione biologico. L'obiettivo è l'identificazione e la quantificazione "on chip" di biomolecole tramite la misura dell'interazione tra la soluzione biologica in esame e una struttura ottica guidante, semplificando l'analisi ma mantenendo alte prestazioni e sensibilità. Il sistema proposto integra, sullo stesso substrato di vetro, un sito di interazione tra campione biologico e una guida d'onda polimerica a canale, con una struttura microfluidica "a ponte", e un sito di sensing con un fotorivelatore a film sottile accoppiato otticamente alla guida. Per ottenere tale rivelazione integrata verranno utilizzati fotosensori basati sulla tecnologia del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), uno dei più importanti materiali elettronici per applicazioni in tecnologie a larga area e a basso costo, altamente versatile e compatibile con diverse tipologie di substrati e materiali. La ricerca proposta si inserisce nel panorama LoC: integrazione delle fasi dell'analisi biomolecolare in un unico dispositivo compatto, economico, con basso consumo di reagenti ed energia e utilizzabilità 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, microfluidico, ottico ed elettronico, nella fabbricazione con tecnologie e materiali economici ma egualmente performanti, nella caratterizzazione e validazione con test bio-chimici ed optoelettronici.
Nel corso degli ultimi decenni, il mondo dell'industria ha avuto modo di progredire migliorando numerosi aspetti della vita quotidiana. Questo è stato possibile grazie all'avanzamento tecnologico, in particolare quello legato alla microelettronica: 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 operazioni più varie, complesse e diverse. In ambito biomedicale e farmaceutico questo si è tradotto in analisi, diagnosi, screening e trattamenti sempre più specifici e di qualità, tramite dispositivi sempre più compatti e a basso costo. In questa ottica si inserisce il sistema Lab-on-Chip (LoC) proposto. Partendo da queste considerazioni, in alcuni casi il mondo accademico focalizza i propri sforzi nella direzione del raggiungimento di prestazioni migliori, rischiando talvolta di sacrificare attenzione alla gestione dei costi, dei volumi 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 tutt'ora bisogno di setup complessi e ingombranti. La tecnologia proposta permette l'integrazione sullo stesso chip della fase di interazione ottico-microfluidica con campione biologico, assieme alla fase di rivelazione ottica di biomolecole, laddove quest'integrazione non è ancora possibile e non è permessa dall'impiego di soluzioni standard, quali fotosensori e CCD in silicio cristallino.
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, biocompatibili e a tecnologie di fabbricazione economiche, si traduce in un sistema meno complesso e meno costoso.
L'utilizzo delle guide ottiche a canale in polimero 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, biocompatibili, facilmente modellizzabili e di rapida fabbricazione, su substrati differenti dal silicio.
Un sito di interazione "scoperto", con microfluidica "a ponte" in materiale plastico biocompatibile, semplifica drasticamente il sistema e ne migliora la risposta, evitando problemi cronici propri della microfluidica, quali bolle d'aria intrappolate e riempimenti/svuotamenti non ottimali; inoltre, ciò permette una sostituzione veloce e non invasiva dell'apparato microfluidico e una migliore pulitura del sito tra una misura e l'altra, evitando il rischio di permanenza di residui biologici ad alterare la misura successiva.
Soluzioni biologiche e dispositivi fotorivelatori adeguatamente distanziati eliminano eventuali 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 rapporto 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.