Integrated Opto-Microfluidic Lab-on-a-Chip in Lithium Niobate for Sensing Applications

La combinazione della microfluidica e di strumenti di analisi integrati ad alta velocità permette la realizzazione dei cosiddetti Lab-On-a-Chip (LOC), ovvero laboratori su chip, capaci di eseguire analisi tipicamente possibili solo all'interno di laboratori tradizionali, utilizzando minime quantità di reagenti e analiti e con alte velocità di reazione. Tuttavia, la parte sensoristica nei LOC spesso non è integrata nel chip stesso, richiedendo comunque la presenza di apparati ottici esterni al chip microfluidico, di fatto azzerando l'impegno nel ridurre le dimensioni degli LOC eliminando la loro portabilità. L'integrazione di questi apparati ottici all'interno dei chip microfluidici è una delle più grandi sde affrontate dai ricercatori per la creazione di un LOC completamente autonomo. In questo lavoro viene presentato il primo Lab-On-a-Chip opto-microfluidico in niobato di litio, dotato sia di un generatore che di un sensore di gocce. Lo strumento è composto da due stadi: uno stadio microfluidico in cui un generatore passivo produce gocce di acqua in olio grazie al flusso incrociato delle due fasi immiscibili; e uno stadio ottico che consiste in due guide d'onda ottiche accoppiate a un canale microfluidico in cui scorrono le gocce. Riportiamo la realizzazione di guide ottiche a canale a una lunghezza d'onda di 632.8nm in niobato di litio e la loro caratterizzazione tramite le tecniche di Rutherford Back Scattering (RBS), Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) e misure in campo vicino (Near Field, NF). Si è investigata la possibilità di utilizzare il niobato di litio nel campo della microfluidica, mostrando che è possibile ottenere canali microfluidici grazie a un processo di microlavorazione per mezzo di una sega da taglio, e facendo uno studio sulla sua bagnabilità. Si è denito un processo di funzionalizzazione per migliorare l'idrofobicità del niobato di litio per poter produrre gocce di acqua in olio. Sono stati studiati diversi tipi di chiusura per la realizzazione di un chip microfluidico. Con questi studi è stato possibile realizzare un chip microuidico in niobato di litio con un generatore di gocce con giunzione a croce, il quale è stato caratterizzato in una configurazione con giunzione a T per vericarne le prestazioni, confrontandole con quelle di strumenti simili. Per concludere si è riusciti ad accoppiare le guide d'onda ottiche allo stadio microfluidico, e si sono testate due applicazioni per prototipo di chip opto-microfluidico. La prima è l'uso dello stadio ottico come contagocce, con la capacità di rilevare il tempo di passaggio delle gocce di fronte alle guide d'onda. La seconda applicazione è consistita nel rilevare l'indice di rifrazione di coppie di gocce prodotte nella giunzione a croce in una configurazione a gocce alternate. Le coppie di gocce contengono rispettivamente una soluzione salina e acqua pura, e il sensore rileva e confronta il segnale trasmesso dalla soluzione con il segnale ottenuto dall'acqua pura di riferimento. Questo è il primo esempio di Lab-On-a-Chip completamente integrato in niobato di litio per il conteggio di gocce in tempo reale a per la rilevazione dell'indice di rifrazione.