• microfluidica
• SAW
• SPR

In questo lavoro di tesi ho ideato e realizzato un chip microfluidico basato su onde acustiche di superficie (SAW) integrato in un dispositivo ottico per sensing basato su risonanza plasmonica superficiale (SPR). Sia la struttura del chip che il setup ottico per eccitare e rilevare i plasmoni sono stati realizzati nella configurazione risultata ottimale da simulazioni ad elementi finiti. Al fine di apportare i vantaggi della microfluidica alla tecnica di sensing SPR, ho studiato prima come le SAW favoriscano il ricircolo dei fluidi all'interno di microcanali in PDMS e successivamente come esse influiscano sulla performance globale del dispositivo.
Negli ultimi anni il crescente interesse verso dispositivi portatili e completamente automatizzati per applicazioni mediche ha portato allo sviluppo di dispositivi microfluidici miniaturizzati. Questi richiedono minime quantità di reagenti (generalmente nell'ordine di decine di nL) consentendo così di fare analisi con grande affidabilità ed in maniera più veloce rispetto ai sistemi tradizionali. Per la gestione dei fluidi su scala micrometrica uno dei metodi più efficaci consiste nell'utilizzo di SAW [Leslie Y. Yeo and James R. Friend, 2013, Surface Acoustic Wave Microfluidics, Annu. Rev. Fluid Mech. 2014. 46:379-406]. Esse sono onde di Rayleigh di ampiezza nanometrica, tipicamente eccitate su materiali piezoelettrici tramite trasduttori interdigitati integrati. Rispetto ad altre tecniche microfluidiche le SAW presentano diversi vantaggi; in questo lavoro viene sfruttato lo streaming acustico indotto nel liquido dall'interazione tra le onde acustiche e quest'ultimo.
Tra i vari dispositivi rifrattometrici per il sensing , i sensori ottici basati sull'eccitazione di plasmoni di superficie vengono comunemente chiamati sensori SPR. I plasmoni sono modi guidati TM del campo elettromagnetico che si propagano lungo un'interfaccia metallo-dielettrico. I sensori SPR misurano le variazioni dell'indice di rifrazione che avvengono in prossimità del campo elettromagnetico generato dai plasmoni; queste vengono rilevate tramite il setup ottico come una variazione della condizione di risonanza dei plasmoni. Negli ultimi dieci anni sono stati pubblicati molti articoli su bio-sensori SPR per applicazioni di diagnostica, di monitoraggio ambientale e di sicurezza alimentare. Il sensing SPR è particolarmente apprezzato in queste applicazioni per vari motivi: analisi in tempo reale, possibilità di essere implementato in parallelo su diverse aree target, produce misure quantitative con grande affidabilità.
Dopo una breve introduzione sullo state dell'arte, la tesi inizia con un capitolo teorico (Cap.2) nel quale descrivo le SAW, come esse vengono eccitate su materiali piezoelettrici ed il loro ruolo nel creare streaming in microcanali interagendo con del liquido. Successivamente descrivo la natura dei plasmoni di superficie, come vengono eccitati otticamente accoppiando la luce incidente tramite un prisma ad alto indice di rifrazione nella configurazione di Kretschmann, ed infine come la risonanza plasmonica venga usata nei dispositivi di sensing. Il successivo capitolo 3 presenta i risultati delle simulazioni MATLAB effettuate ad inizio tesi per ottimizzare la sensibilità del dispositivo in funzione sia dei materiali e degli spessori dei sottili film metallici del chip, sia della geometria del setup ottico per eccitare e rilevare la risonanza plasmonica. Dopo la descrizione dettagliata (Cap.4) della fabbricazione svolta in camera pulita del chip e dei microcanali, vengono presentati nel capitolo 5 tutti i risultati da me ottenuti, divisi in tre parti. Nella prima mostro la caratterizzazione elettrica (RF) ed acustica del chip SAW e lo studio della fluidodinamica all'interno del canale in PDMS, ricostruendo il campo di velocità del liquido tramite Particle Image Velocimetry (PIV). Nella parte centrale è mostrato e spiegato il setup ottico da me ideato e montato nella configurazione ottimale per avere il miglior segnale di risonanza e la massima sensibilità. Nell'ultima parte studio come le SAW influiscano sulla performance del dispositivo SPR, analizzando in particolare come varia la risonanza plasmonica e la sensibilità in funzione della potenza di eccitazione delle onde acustiche.