Microfluidic light sources integrated in lab on a chip platforms

Lo scopo di questo progetto di tesi di dottorato era quello di sviluppare sorgenti luminose (coerenti e incoerenti) integrate in piattaforme microfluidiche. Il raggiungimento di questo obiettivo potrebbe aumentare notevolmente la sensibilita dei micro total-analysis-system (μ-TAS) optofluidici, tanto che diverse applicazioni ne trarranno beneficio, soprattutto in campo biologico e biomedico. I lab-on-chips (LOCs) sono microsistemi complessi che integrano diversi processi fisico-chimici su un'unica piattaforma microfluidica per replicare specifici test chimici, biologici e medici, normalmente eseguiti in laboratorio. I sistemi LOC sono nati con l'obiettivo di essere economici, compatti e portatili, uno strumento "facile da usare" anche da parte di persone non esperte, ma allo stesso tempo in grado di fornire analisi con elevata precisione e sensibilita. Per questi motivi sono molto interessanti anche per il mondo industriale. Nonostante le prestazioni di alcuni LOC, pronti per la commercializzazione, siano in alcuni casi notevoli, la combinazione sinergica di soluzioni fotoniche e sistemi microfluidici potrebbe aumentare la capacita della tecnologia LOC ben oltre le attuali possibilita. Per raggiungere questo potenziale, e importante dimostrare l'integrazione nella piattaforma microfluidica di tutti gli elementi che compongono la catena di analisi ottica, a partire dalla generazione di luce fino al foto-rilevazione, e ottimizzarne le prestazioni. Infatti, grazie alla sostanziale riduzione delle perdite di accoppiamento, la realizzazione di un sistema all-in-one ha come conseguenza logica l'aumento della sensibilita del dispositivo. Molto lavoro e ancora necessario per raggiungere un LOC stand-alone e user-friendly in cui le funzioni ottiche e microfluidiche siano perfettamente integrate. Per contribuire a questo obiettivo, l'attivita di ricerca di questa tesi e stata focalizzata sullo studio e lo sviluppo di sorgenti luminose, incoerenti e soprattutto coerenti, ben integrate su piattaforme microfluidiche in vetro. Essendo le principali applicazioni biologiche, il materiale per eccellenza inquanto inerte e il vetro. Pertanto, tra tutti i possibili processi di fabbricazione, e stata scelta la Selective Chemical Etching Driven by Ultra-fast Laser Irradiation (SCEDULI). In questo contesto e stata sfruttata per la prima volta la combinazione di microfabbricazione laser a femtosecondi e la tecnica di stampa a getto d'inchiostro, per produrre micro-ottiche (specchi) direttamente all’interno del substrato vetroso. In particolare, per quanto riguarda la realizzazione di una sorgente luminosa incoerente, e stato sviluppato, sfruttando le capacita 3D uniche della tecnica di fabbricazione, un dispositivo battery-free basato su una reazione di chemiluminescenza. Questo processo utilizza l'energia generata dalla reazione chimica per eccitare una specie fluorescente, che rilassandosi emette fotoni. La chemiluminescenza e nota come una reazione rapida che termina in pochi secondi. Tuttavia, riducendo le dimensioni nella scala LOCs (con volumi di reagenti da μL a nL), abbiamo dimostrato che e possibile controllare l'intensita e la durata della reazione fino ad ottenere diverse ore di emissione utile. Sfruttando la flessibilita offerta dalla fabbricazione 3D, sono state create diverse geometrie di sorgente (circolare, quadrata, triangolare). Inoltre essendo queste perfettamente integrate nella piattaforma microfluidica, e possibile regolare la banda di emissione semplicemente cambiando il composto chemiluminescente nella soluzione. Passando alle sorgenti coerenti, e stata sviluppata una cavita laser microfluidica ad alte prestazioni, "flessibile", versatile, che emette nello stesso piano del substrato, con l'idea di creare un μ-TAS optofluidico all-in-one. Inoltre, grazie all'elevata sensibilita mostrata, la cavita laser puo essere utilizzata come sensore ad alte prestazioni per monitorare le proprieta del materiale inserito in cavita. La struttura 3D e stata realizzata direttamente all’interno del substrato di vetro tramite scrittura laser in modo tale che non nessuna copertura fosse necessaria. La tecnologia di stampa a getto d'inchiostro ha invece permesso di creare coating riflettenti sulle superfici interne del dispositivo. Come primo passo abbiamo dimostrato, per la prima volta in letteratura, che la stampa di inchiostri metallici a base di nanoparticelle d'argento puo essere utilizzata per creare specchi con un'ampia gamma di riflessione (dal 99% al 60%). Il principio di funzionamento del micro dye-laser e stato dimostrato utilizzando una cavita con due specchi piani perfettamente paralleli, non a contatto con le soluzioni fluidiche, nella piu semplice configurazione Fabry-Perot (FP). L'ottimizzazione del chip e stata eseguita sfruttando la flessibilita della tecnica SCEDULI, realizzando un risonatore emisferico, con l'obiettivo di migliorare la stabilita del modo laser e le prestazioni del dispositivo. La caratterizzazione dettagliata delle proprieta del laser e stata eseguita utilizzando Rodamina 6G disciolta in etanolo (concentrazione da 0,5 a 10∙10^-3 mol/l), essendo questa il colorante piu studiato in letteratura. Pompando il dispositivo con un laser Nd:YAG a 532 nm l'emissione laser e stata rilevata con una densita di energia di soglia inferiore a 2 μJ/mm^2 e una larghezza di linea intorno a 0,05 nm. Il fattore di qualita di questo dispositivo e stato misurato per essere Q > 10^4 e supera di un ordine di grandezza lo stato dell'arte di qualsiasi laser optofluidico che emette in-plane basato su una semplice cavita FP. In conclusione, sono state sviluppate due nuove sorgenti luminose integrate ad alte prestazioni che aprono nuove ed entusiasmanti possibilita in una visione a lungo termine per applicazioni biologiche dei LOC optofluidici stand-alone in vetro. Piu in generale, e stata stabilita con successo la combinazione di due processi di fabbricazione altamente flessibili, economici e che potrebbe essere utilizzata per espandere le capacita dei lab-on-a-chip. Le impressionanti prestazioni di coerenza spettrale, le diverse geometrie e applicazioni, dimostrano chiaramente la potenza di questa nuova famiglia di dispositivi optofluidici. Mostrando contemporaneamente elevata sensibilita, precisione, tutti i vantaggi necessari in applicazioni LOC, come quelle relative al biosensing, all'analisi dei materiali pericolosi, alla sicurezza alimentare e al controllo ambientale.