L'obiettivo di questo progetto di ricerca è lo sviluppo di una piattaforma optoelettronica versatile e compatta in grado di implementare e controllare elettronicamente tutte le principali operazioni necessarie ad analisi biomolecolari in sistemi lab-on-chip. Il progetto prevede l'integrazione di dispositivi microelettronici a film sottile (fotosensori, filtri ottici, riscaldatori e sensori di temperatura) su substrati di vetro e la loro connessione all'elettronica di controllo. Tecnologie di rivelazione e di trattamenti termici on-chip accoppiati con tecniche di movimentazione dei fluidi senza l'utilizzo di pompe e siringhe permetteranno la realizzazione di un lab-on-chip portatile, ad alta sensibilità e a basso consumo di potenza.
L¿obiettivo di questo progetto di ricerca è lo sviluppo di una piattaforma multifunzionale che integri le funzioni fondamentali necessarie per effettuare analisi biomolecolari. In particolare, le funzioni da implementare sono la rivelazione di fenomeni luminescenti (come ad esempio fluorescenza, chemiluminescenza, termochemiluminescenza), il trattamento termico delle biomolecole e la movimentazione dei fluidi fra diversi siti di reazione. La rivelazione ottica sarà effettuata tramite fotosensori in silicio amorfo idrogenato, il trattamento termico tramite resistori a film sottile e sensori di temperatura realizzati sempre in silicio amorfo, mentre la movimentazione avverrà tramite electrowetting.
La scelta di questi particolari moduli, i quali permetteranno di sviluppare un sistema
lab-on-chip miniaturizzato, offre i seguenti vantaggi rispetto allo stato dell'arte attuale:
1. i fotosensori e i sensori di temperatura in silicio amorfo (a) permettono l'uso di substrati di vetro, che risultano essere a basso costo e di facile lavorazione, (b) possono essere fabbricati su larga area e (c) permettono di ottenere ottime prestazioni sia in termini di rivelazione luminosa, sia di misurazione della temperatura;
2. i riscaldatori a film sottile realizzano efficientemente trattamenti termici on-chip per via delle ridotte dimensioni del LoC e della ridotta distanza della fonte di calore dai campioni biologici, e inoltre possono essere controllati con precisione data la presenza dei sensori sopra menzionati;
3. l'EWOD permette, utilizzando solamente segnali elettrici, di movimentare i fluidi biologici da un sito ad un altro del lab-on-chip senza l'ausilio di pompe esterne e, inoltre, rende possibile il passaggio dello stesso fluido più volte sullo stesso sito, con la conseguente possibilità di reiterare diverse operazioni sullo stesso campione.
L'integrazione dei suddetti moduli rappresenta, di fatto, la sfida tecnologica più ardua, per via della compatibilità dei processi di realizzazione e dell'utilizzo simultaneo delle varie componenti del sistema.
Parte dello sviluppo del sistema qui presentato è stata sviluppata nell'ambito del mio dottorato di ricerca, durante il quale alcune delle integrazioni di cui sopra sono state sviluppate. In particolare, sono stati effettuati esperimenti di duplicazione di DNA utilizzando la tecnica denominata "reazione a catena della polimerasi" (in inglese: Polymerase Chain Reaction), comunemente nota con la sigla PCR [10]. Ciò è stato possibile utilizzando un lab-on-chip che integra sensori di luce, di temperatura e riscaldatori a film sottile sullo stesso substrato. L'aggiunta di un modulo EWOD, che permette la movimentazione dei fluidi biologici senza l'utilizzo di pompe esterne, rappresenta dunque un ulteriore passo verso la realizzazione di un "true" lab-on-chip che sia sempre più compatto e portatile.
[10] G. Petrucci, et al., "Multifunctional System-on-Glass for Lab-on-Chip applications", Biosensors and Bioelectronics, vol. 93, pp. 315-321, 2017.