Ontwerp en realisatie van een geminiaturiseerde elektronische lock-in detectiemodule voor het meten van biomoleculen in fotonische ‘lab-on-a-chip’ systemen

Diane De Coster
Persbericht

Ontwerp en realisatie van een geminiaturiseerde elektronische lock-in detectiemodule voor het meten van biomoleculen in fotonische ‘lab-on-a-chip’ systemen

 

Ontwerp en realisatie van een geminiaturiseerde elektronische lock-in detectiemodule voor het meten van biomoleculen in

fotonische ‘lab-on-a-chip’ systemen

 

 

‘Lab-on-a-chip’ (LOC) componenten integreren chemische processen op een chip met een oppervlakte die niet groter is dan enkele vierkante cm. LOC systemen worden sinds enkele decennia ontwikkeld en zijn voornamelijk geschikt voor ‘in-the-field’ toepassingen.

De miniaturisatie en integratie van de processen maakt bijvoorbeeld ‘point-of-care’ applicaties mogelijk. Voor het detecteren van kleine hoeveelheden moleculen in de microkanalen op deze LOC componenten zijn detectie-eenheden nodig.

De eerste prototypes van plastic micro-optische detectie-eenheden met geïntegreerde lenzen zijn gerealiseerd met behulp van de zogenaamde Deep Proton Writing technologie. De detectie-eenheden bevatten geïntegreerde optica voor de gecombineerde fluorescentie- en absorptiedetectie in microcapillairen voor microfluidische toepassingen zoals bijvoorbeeld in analytische chromatografie. Op deze manier is het detectiesysteem voor fluorescentie en absorptie geïntegreerd en gealigneerd. Het fluorescentie licht wordt kwantitatief gedetecteerd met behulp van een photomultiplier tube (PMT). Voor een absorptiemeting wordt een photodiode (PD) gebruikt om het licht op te vangen.

 

 

In de standaard proof-of-concept demonstratie opstelling worden de fluorescerende Coumarine moleculen in het micro-capillair geëxciteerd door gemoduleerd laserlicht. De lasermodulatie gebeurt met een signaal generator. De informatie over de concentratie aan biomoleculen bevindt zich bijgevolg op de modulatiefrequentie. Doordat de intensiteit van het licht bij fluorescentie- en absorptie metingen klein is, is er naast het gewenste signaal veel ruis aanwezig in de signalen die door de optische detectoren worden opgevangen. Om het informatiesignaal uit deze interfererende ruis te halen, wordt vaak een lock-in detectie techniek gebruikt. In de standaard demonstratie opstelling wordt de SR830 DSP lock-in versterker gebruikt.

 

 

De geminiaturiseerde  realisatie

Om de stap naar ‘in-the-field’ metingen te zetten, heb ik een geminiaturiseerde elektronische lock-in detectie ontworpen en gerealiseerd voor het detecteren van biomoleculen in ‘lab-on-a-chip’ systemen. Dit omvat de signaalconditionering van de optische detectoren, de detectie met behulp van lock-in versterkers, de acquisitie van de signalen via een Programmable Interface Controller (PIC) en het transfereren van de data naar een PC via een USB connectie. De miniaturisatie van de lock-in detectie is één van de doelen van dit eindwerk, samen met de realisatie van de basisfunctionaliteiten die de SR830 DSP lock-in versterker aanbiedt. Het is een draagbaar en goedkoop systeem dat specifiek voor het microcapillair LOC systeem ontworpen is. Drie kanalen zijn op de lock-in detector voorzien om een gelijktijdige meting uit te voeren van de referentie-, fluorescentie- en absorptiesignalen. Met elk kanaal komt een detectiemodule overeen waar een  detectie in fase en in kwadratuur van het signaal wordt aangeboden.

 

 

Het ontwerpproces van de detectiemodule

Voor de realisatie van de geminiaturiseerde lock-in detectie wordt het volledigeontwerp proces doorlopen. Eerst worden de specificaties voor de lock-in detectie verzameld en worden metingen uitgevoerd op het microcapillair-gebaseerd microsysteem met de SR830 DSP lock-in versterker. Vervolgens volgt het eigenlijke ontwerp, dat zowel een analoog als een digitaal deel bevat. Uiteindelijk wordt de geminiaturiseerde lock-in detectie, na het testen van de analoge componenten m.b.v. het experimenteer platform ‘NI ELVIS II’ en het programmeren van de PIC, gelayout en gerealiseerd op een Printed Circuit Board, wat de elektronische detectiemodule klaarmaakt om te gebruiken voor fluorescentie- en absorptiemetingen in microfluidische lab-on-a-chip toepassingen.

Om een beeld te vormen van de specificaties en van de signalen die door de PMT en PD geproduceerd worden, heb ik fluorescentie- en absorptiemetingen uitgevoerd met de SR830 DSP lock-in versterker met een moleculenconcentratie van 6nM tot 6mM. Ook werden mogelijke stoorsignalen hiermee bestudeerd.

Voor metingen ‘in-the-field’ is er echter nood aan een geminiaturiseerde lock-in detector.

Vervolgens startte ik met het ontwerp van de elektronische detectiemodule.

 

 

De laser wordt gemoduleerd vanuit de ‘Signaal generatie’ module. Deze dient ook als referentieklok voor de lock-in detectie. Vóór interactie tussen excitatielicht en moleculen wordt de intensiteit van het laserlicht gemeten met een eerste photodiode zodat schommelingen van het laservermogen geen invloed hebben op de metingen. Bij interactie wordt fluorescentie licht uitgezonden met een intensiteit die proportioneel is met de concentratie aan moleculen in de bestudeerde sample.

Dit licht wordt door de PMT opgevangen door de lagere intensiteit van het fluorescentie licht. Tijdens de interactie met de moleculen wordt een deel van het excitatielicht door de moleculen geabsorbeerd. Het getransmitteerde licht wordt opgevangen door een tweede photodiode. De drie overeenstemmende signalen van de optische detectoren worden respectievelijk naar de ‘Referentie’, ‘Fluorescentie’ en ‘Absorptie’ module geleid. Deze modules vormen de overgangschakelingen tussen de verschillende optische detectoren en de eigenlijke detectiemodules (de signaalconditionering en de lock-in detectie). De signalen worden vervolgens door de PIC microcontroller gedigitaliseerd en via een USB protocol doorgestuurd naar de PC.

 

 

 

 

 

Fluorescentie- en absorptiemetingen met geminiaturiseerde lock-in detectiemodule

De geminiaturiseerde lock-in detectiemodule werd op verschillende manieren getest. Voor het testen van het microcapillair-gebaseerde detectiesysteem werden de absorptiemetingen met de commerciële SR830 DSP lock-in versterker vergeleken met

de metingen aan de hand van de gerealiseerde lock-in detectiemodule op PCB. Hierbij stelt het I-signaal het opgemeten signaal voor, terwijl het Q-signaal gebruikt wordt om na te gaan of de lock-in detector wel degelijk in lock is. Er  kan opgemerkt worden dat het I-signaal ruisiger is dan de metingen van de SR830 DSP lock-in. Dit is te wijten aan de grotere analoge bandbreedte van het gerealiseerde ontwerp. Deze bandbreedte wordt in een later stadium gereduceerd aan de hand van digitale filters op de PIC microcontroller.

 

In beide gevallen vloeiden samples met een concentratie van 6mM door het microcapillair. Het verschil in amplitude tussen beide absorptiemetingen ligt aan de signaalconditionering en -versterking in het analoge deel van de geminiaturiseerde lock-in detectiemodule.

 

Conclusie

Een eerste prototype van de geminiaturiseerde elektronische detectiemodule met een lock-in detectie werd gerealiseerd. Dit systeem werd specifiek ontworpen voor de plastic micro-optische detectie-eenheden met geïntegreerde lenzen en meet ongeveer 20x30cm. Metingen op de geminiaturiseerde lock-in detectiemodule tonen aan dat – voor deze specifieke toepassing – het de performantie van een commerciële SR830 DSP lock-in versterker evenaart. Hiermee werd een eerste succesvolle stap gezet wordt naar een lock-in detectie voor fluorescentie- en absorptiemetingen ‘in-the-field’.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bibliografie

 

[1] Manz. A., Graber. N and Widmer. H.M. Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing, Sensors and Actuators B 1990, 244-248.

 

[2] R. van Merkerk, Ontwikkeling van Lab-on-a-chip technologie, [Online] http://locworkshop.geo.uu.nl/, geraadpleegd in maart 2010.

 

[3] Agilent Life Sciences and Chemical Analysis, [Online] www.chem.agilent.com, geraadpleegd in maart 2010.

 

[4] Santhosh Kumar Goud Manikonda, “Integrated Photonic Bio-Chip for detecting biomolecules in microchannels”, Master thesis, Vrije Universiteit Brussel, Academic Year 2008-2009.

 

[5] Toptica, [Online] http://www.toptica.com/products/itemlayer/140/Appl 1003 discmastering Jan 2007.pdf, geraadpleegd in december 2009.

 

[6] S. Van Overmeire et al., “Miniaturized detection system for fluorescence and absorbance measurements in chromatographic applications”, IEEE J. Sel. Top. Quant., 14, pp. 140-150, 2008.

 

[7] Sara Van Overmeire, “Novel micro-optical detection systems for microfluidic applications”, PhD thesis, Vrije Universiteit Brussel, 2010.

 

[8] Hamamatsu, APD module C5460 series

 

[9] Newport, 818 Series Photodetector Guide Rev E.

 

[10] Hamamatsu, Photomultiplier Tube Modules, PMT modules TPMO0008E02.

 

[11] FEMTO, [Online] http://www.femto.de/index.html?../products/lia mv 150.html, geraadpleegd in maart 2010.

 

[12] Microchip, PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, “28/40/44-Pin High-Performance, Enhanced Flash USB Microcontrollers with nanoWatt Technology”.

 

[13] Stanford Research Systems, SR830 DSP Lock-In Amplifier, Revision 2.2 (6/2005).

 

[14] ON Semiconductor, Datasheet MC14066BDG - Quad Analog Switch/Quad multiplexer.

 

[15] Microchip, Datasheet MCP6G01/1R/1U/2/3/4 - 110_A Selectable Gain Amplifier.

 

[16] Microchip, PICDEMTM 2 Plus Demonstration Board User's Guide, 2006.

 

[17] Analog Devices, Datasheet AD630 - Balanced Modulator/Demodulator.

 

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: elektronica- en informatietechnologie, minor fotonica
Publicatiejaar
2010
Share this on: