Integrated Opto-Microfluidic Lab-on-a-Chip in Lithium Niobate for Droplet Generation and Sensing

Negli ultimi decenni la microfluidica ha riscosso un crescente interesse presso la comunità scientifica grazie alla sua capacità di manipolare liquidi su scala micrometrica. In particolare la microfluidica a gocce è particolarmente promettente per la possibilità di controllare volumi di fluido molto ridotti: le gocce possono essere unite, mescolate e selezionate, utilizzate come microreattori chimici o per trasportare campioni biologici. Queste peculiarità, unite a strumenti di analisi rapidi, permettono di realizzare i cosiddetti Lab-on-a-Chip (LOC), dispositivi miniaturizzati e portatili capaci di condurre analisi chimiche, biologiche, ambientali o mediche in mancanza di veri e propri laboratori. Ciononostante, nella maggior parte dei casi, la rilevazione all’interno dei Lab-on-a-Chip viene praticata da stadi esterni di ottica affiancati al chip microfluidico. Infatti uno degli ostacoli maggiori verso l’effettivo utilizzo di questi sistemi è il raggiungimento di una completa integrazione tra lo stadio microfluidico e quello ottico. Spesso sistemi ingombranti come gli obiettivi di un microscopio o fotocamere veloci sono utilizzate per rilevare gocce all'interno di canali microfluidici, vanificando gli sforzi fatti per ridurre le dimensioni dei LOC e i vantaggi ad essi collegati. In questo lavoro viene presentato il primo Lab-on-a-Chip opto-microfluidico per la generazione e la rilevazione di gocce, interamente integrato in niobato di litio. I principali elementi del LOC sono un generatore di gocce passivo, dove vengono prodotte gocce di acqua in olio attraverso l’incontro tra flussi di fasi immiscibili, e due guide d’onda sulla superficie del cristallo capaci di illuminare le gocce perpendicolarmente alla direzione in cui scorrono e raccoglierne l’intensità trasmessa. Vengono mostrate la realizzazione di guide a canale monomodo alla lunghezza d’onda di 632.8nm in niobato di litio per diffusione di titanio e la loro caratterizzazione attraverso le tecniche di Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) e near field. Un’indagine approfondita sull'applicabilità del niobato di litio in campo microfluidico viene svolta attraverso lo studio delle sue proprietà di bagnabilità. In aggiunta viene definita una procedura di funzionalizzazione per aumentarne l'idrofobicità. Vengono prese in considerazione varie tecniche per scavare i canali direttamente sul cristallo. In particolare l’ablazione per mezzo di un laser impulsato al femtosecondo ad una lunghezza d’onda di 800nm viene caratterizzata tramite microscopia ottica e microscopia a forza atomica (AFM) per stabilire i migliori parametri del processo al fine di ottenere la minima rugosità media possibile (Ra˜50 nm). Vengono inoltre caratterizzati canali scavati con una lama autolucidante che risultano essere la migliore soluzione nell'impiego in optofluidica per la loro rugosità estremamente ridotta (Ra = (6÷7) nm). Sono state inoltre sperimentate nuove tecniche per la chiusura dei canali, prestando particolare attenzione alla durevolezza del dispositivo e alla possibile applicazione in diversi campi. Si mostra come i generatori passivi di gocce con geometria a "T" (T-junction) ottenuti per ablazione laser in niobato di litio siano in grado di generare gocce in un ampia gamma di frequenze (10÷1000 Hz) e con una distribuzione di lunghezze estremamente piccata (sigma < 3%). Ne vengono caratterizzate le prestazioni con l’impiego di un sistema di microscopia ottica e i dati sperimentali vengono discussi confrontandoli con i modelli teorici riportati in letteratura. Le discrepanze tra la teoria e i dati sperimentali a bassi valori del numero di capillarità (Ca < 3*10ˆ-3) vengono evidenziate e descritte per mezzo di una legge empirica. Infine viene affrontato l’accoppiamento delle guide d’onda allo stadio microfluidico mostrando come il chip possa essere sfruttato per misurare il tempo di passaggio delle gocce, ottenendo risultati migliori rispetto al classico sistema di microscopia ottica. La configurazione finale del LOC è caratterizzata da due canali che si intersecano, ottenuti per lavorazione meccanica, con tre rami di immissione e uno di uscita. Tre fasi vengono flussate contemporaneamente (olio, acqua e una soluzione salina) in modo da ottenere gocce alternate di acqua e di soluzione salina in olio. Si mostra come l’intensità trasmessa dalla guida d’onda dipenda dall'indice di rifrazione della soluzione salina con una sensibilità di dn = 2*10ˆ-3 nel range di valori n = [1.339, 1.377]. Il dispositivo presentato è il primo esempio di Lab-On-a-Chip per il conteggio e la misure dell’indice di rifrazione di gocce in tempo reale, completamente integrato in niobato di litio.