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

In the last decades microfluidics has gained an increasing interest by the scientific community due to its capability of manipulating liquids on the microscale. In particular droplet microfluidics technology holds great promise due to its precise control on very small volumes of fluid: droplets can be coalesced, mixed and sorted, employed either as micro chemical reactors or as carriers of biological samples. This features, in combination with fast analysis tools, allow for the realization of Lab-on-a- Chips (LOCs), miniaturized and portable devices able to perform chemical, biological, environmental or medical analyses where laboratory facilities lack. Nevertheless, in most cases, sensing inside LOCs is performed by external optical stages somehow added to the microfluidic chip. One of the hurdle towards the effective employment of such systems is indeed the complete integration between the microfluidic stage and the optical one. Often extended systems such as microscope objectives and fast CCD cameras have been used to detect droplets inside microfluidic channels nullifying the efforts spent to decrease the dimensions of LOCs and their related advantages. In this work the first opto-microfluidic Lab-on-a-Chip (LOC) for both generation and detection of droplets, entirely integrated in lithium niobate is presented. The main elements of the LOC are a passive droplet generator, where water in oil droplets are produced by the cross-flow of immiscible phases, and two waveguides on the surface of the crystal able to illuminate droplets perpendicularly to their flow and to collect the transmitted intensity. The realization of single mode channel waveguides at a wavelength of 632.8nm on lithium niobate by titanium in-diffusion is achieved and the obtained waveguides are characterized by Rutherford Backscattering Spectrometrxy (RBS), Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) and near field measurements. A deep investigation on the applicability of lithium niobate on the field of microfluidics is carried out through a study of its wettability. In addition a functionalization procedure to improve its hydrophobicity is defined. Various techniques to engrave the microfluidic channels directly on the crystal are taken into account. In particular the ablation by a femtosecond pulsed laser at a wavelength of 800nm is widely investigated by optical microscopy and atomic force microscopy (AFM) in order to define the best process parameters to get the lower average roughness of the channel walls (Ra˜50nm). Channels engraved with a dicing saw are also characterized showing to be the best solution for optofluidic applications due to their extremely low average roughness (Ra = (6÷7) nm). New techniques for sealing the channels engraved on the surface of the crystal are described with a particular care to the device durability and its applicability to different purposes. Passive droplet generators with a T-junction geometry obtained by laser ablation in lithium niobate are shown to generate droplets in a wide range of frequencies (10÷1000Hz) and with a very sharp distribution of droplets volumes (sigma < 3%). Their performances are characterized employing an optical microscopy setup and the experimental data are discussed with respect to the theoretical models reported in literature. Discrepancies from the theory at low values of the capillary number (Ca < 3*10ˆ-3) are highlighted and described by means of an empirical law. Finally the coupling of the waveguides to the microfluidic stage is discussed showing how it can be used to count and trigger the droplets during their flow, achieving better performances than the standard optical microscopy setup. The ultimate configuration of the presented LOC prototype is characterized by two crossing channels obtained by mechanical dicing with three inlet branches and one outlet branch. Three phases are flown together (oil, water and a saline solution) and alternating droplets of pure water and saline solution are produced in oil. The transmitted intensity from the waveguide is shown to be sensitive to the refractive index of the solution with a sensitivity of dn = 2*10ˆ{-3} in the range n = [1.339, 1.377]. This is the first example of a Lab-On-a-Chip for real time droplet counting and refractive index sensing, completely integrated in lithium niobate.

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.