Electronic design and integration of microfluidic system for biomolecular analysis in space

Exploring molecular biosignatures is a key objective in international space exploration programs because these signatures provide more directly observable evidence of biogenicity compared to other types of biosignatures, where biological production is only inferred. The presence of these compounds on Solar System objects could serve as crucial evidence of actual habitability. Furthermore, identifying complex organic molecules may indicate traces of extinct life. Therefore, it becomes imperative to conduct in situ analysis using cutting-edge analytical techniques to extract, concentrate, and detect organic molecules and molecular biosignatures. Within the framework of the Italian Space Agency's activities supporting astrobiology, the VENOM instrument goal is to create an innovative, miniaturized lab-on-chip breadboard that functions as a highly integrated, multiparametric, in situ platform. This platform will utilize immuno- and enzyme-assays to sensitively detect, identify, and assess biogenic compounds at parts-per-billion levels. The intended application involves analyzing samples extracted from the surfaces of planets or moons. The instrument must receive samples from outer space while ensuring their containment within a sealed environment. Subsequently, the instrument is required to facilitate fluid treatment and incorporate specific lines for delivering the treated fluid to the detection system. The device consists of three main components: I. Sampling Module: Responsible for ingesting samples into the system. II. Microfluidic Network Module: Dedicated to handling liquid reagents throughout the system. III. Detection Module: Designed for detecting and quantifying the presence of biomarkers.The VENOM instrument breadboard is designed to showcase a comprehensive and advanced capability for handling extraterrestrial samples, treating fluids, and precisely detecting biomarkers. The instrument is structured around a Main Frame that houses all its subsystems, with a baseline resembling the size of a 4U satellite. This thesis presents the status of the development of the VENOM breadboard as regards the electrical and electronic integration of the Microfludic Network Module and reports the preliminary activities carried out on the testing of the subsystem. It focuses on the integration between an Arduino controller, a MATLAB operations control center application, flow sensors, microfluidic actuators (valves, pumps and one electromagnet) and their power electronics circuits, and the autonomous control software that manages all onboard tasks.

Esplorare le biofirme molecolari è un obiettivo chiave nei programmi internazionali di esplorazione spaziale, poiché queste tracce biologice forniscono prove più direttamente osservabili di biogenicità rispetto ad altre in cui la produzione biologica è solo dedotta. La presenza di questi composti su corpi del Sistema Solare potrebbe costituire una prova cruciale della loro effettiva abitabilità. Inoltre, l'identificazione di molecole organiche complesse potrebbe indicare tracce di vita estinta. Di conseguenza, diventa imperativo condurre analisi in situ utilizzando tecniche analitiche all'avanguardia per estrarre, concentrare e rilevare molecole organiche e biofirme molecolari. Nell'ambito delle attività di sostegno allo sviluppo di progetti scientifici nel campo dell'astrobiologia dell'Agenzia Spaziale Italiana, l'obiettivo dello strumento VENOM è creare un innovativo e miniaturizzato laboratorio su scheda elettronica, che funzioni come una piattaforma in situ, altamente integrata e multiparametrica. Questa piattaforma utilizzerà campioni immunologici ed enzimi per rilevare, identificare e valutare sensibilmente composti biogenici a livelli di parti per miliardo. L'applicazione prevista riguarda l'analisi di campioni estratti dalle superfici di pianeti o lune. Lo strumento riceverà campioni dallo spazio esterno garantendo il loro contenimento in un ambiente sigillato. Successivamente, facilitarà il trattamento dei fluidi e integrerà linee specifiche per il convoglio del fluido trattato al sistema di rilevazione. Il dispositivo è composto da tre componenti principali: I. Modulo di campionamento: Responsabile dell'inserimento dei campioni nel sistema. II. Modulo di Rete Microfluidica: Dedicato alla gestione dei liquidi all'interno del sistema. III. Modulo di rilevamento: Progettato per rilevare e quantificare la presenza di biomarcatori. La piattaforma VENOM è progettata per dimostrare una capacità avanzata e completa nella gestione di campioni extraterrestri e di fluidi, e nella rilevazione di biomarcatori con assoluta precisione. Lo strumento è strutturato attorno a una struttura principale che ospita tutti i suoi sottosistemi, con un'impronta simile a quella di un cube-sat 4U. Questa tesi presenta lo stato dello sviluppo della piattaforma VENOM in merito all'integrazione elettrica ed elettronica del modulo di rete microfluidica e riporta le attività preliminari svolte per i test del sottosistema. Si concentra sull'integrazione tra un controller Arduino, un'applicazione MATLAB per la supervisione delle operazioni, sensori di flusso, attuatori microfluidici (valvole, pompe ed un elettromagnete), i loro circuiti di alimentazione elettronica e il software di controllo autonomo che gestisce tutte le operazioni a bordo.