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Point-of-Care Nucleic Acid Detection: From Molecular Design to Clinical Reality
Full text linkPoint-of-Care (PoC) diagnostics are transforming healthcare by enabling rapid and accessible disease detection right at the patient’s bedside. This comprehensive review examines recent advances in nucleic acid (NA)-based PoC testing, revealing how these technologies are revolutionizing molecular diagnostics. Here, we critically analyze the three key components of NA-based PoC development: (i) probe design strategies, (ii) immobilization techniques, and (iii) detection methodologies. Our analysis uncovers the complex relationship between probe density, hybridization conditions, and detection sensitivity, challenging the conventional trial-and-error approaches currently dominating the field. The review introduces a novel classification of detection methods based on equipment requirements, offering valuable insights for developing truly accessible diagnostic solutions. Notably, we highlight that colorimetric and electrochemical detection methods show superior potential in meeting the REASSURED criteria (Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and Robust, Equipment-free, Real-time connectivity, Ease of specimen collection, and Deliverable to end-users). These criteria are essential for global healthcare implementation. Despite major advances, significant gaps remain between laboratory innovations and practical, affordable diagnostic products. We suggest that prioritizing equipment-free detection methods and enhancing standardization could accelerate the translation of these PoC technologies into clinical practice. This review outlines a strategic roadmap for advancing NA-based PoC diagnostics, emphasizing the potential to transform healthcare delivery worldwide through accessible, rapid, and reliable molecular testing
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Design and optimization of a compact pressure control system for precise microfluidic flow control
Full text linkLAUREA MAGISTRALENel contesto della microfluidica, la generazione di pressioni stabili è fondamentale per
il controllo preciso dei flussi di aria e liquidi. Questa tesi descrive la progettazione e
realizzazione di un sistema microfluidico che sfrutta un disco piezoelettrico come
attuatore meccanico. La ricerca si concentra sull'analisi delle caratteristiche di isteresi
del disco piezoelettrico, valutando la linearità e i punti di inversione, e sulla stima dello
spostamento meccanico generato. Queste analisi sono cruciali per comprendere il
comportamento dinamico dell'attuatore e ottimizzare la sua performance.
Successivamente, viene illustrato il design di una scheda di controllo, comprensiva
delle logiche di controllo implementate, come il controllo PID, per gestire l'intero
sistema. La scheda di controllo è progettata per garantire la stabilità e la precisione del
sistema, permettendo un controllo accurato del flusso del fluido. Sono discusse anche
le sfide incontrate durante lo sviluppo del sistema di controllo e le soluzioni adottate
per superarle.
Il lavoro prosegue con la presentazione di un design meccanico capace di modificare
il flusso del fluido in base alla tensione applicata. Questo design include una serie di
componenti microfluidici ottimizzati per interagire con l'attuatore piezoelettrico,
garantendo una risposta rapida e accurata ai comandi di controllo.
Infine, la tesi mostra i risultati ottenuti attraverso grafici dettagliati e analisi
comparative, evidenziando i miglioramenti apportati rispetto alle soluzioni esistenti.
Vengono discussi anche potenziali sviluppi e miglioramenti futuri del sistema, che
potrebbero includere l'integrazione di sensori aggiuntivi e l'implementazione di
algoritmi di controllo più avanzati. Queste migliorie potrebbero incrementare
ulteriormente l'efficacia e l'efficienza del sistema microfluidico proposto, aprendo
nuove possibilità applicative nel campo della microfluidica.In the context of microfluidics, generating stable pressures is crucial for the precise
control of air and liquid flows. This thesis describes the design and realization of a
microfluidic system that utilizes a piezoelectric disc as a mechanical actuator. The
research focuses on analyzing the hysteresis characteristics of the piezoelectric disc,
evaluating linearity and inversion points, and estimating the mechanical displacement
generated. These analyses are essential to understand the dynamic behavior of the
actuator and optimize its performance.
Subsequently, the design of a control board is illustrated, including the implemented
control logics, such as PID control, to manage the entire system. The control board is
designed to ensure the stability and precision of the system, allowing accurate control
of fluid flow. The challenges encountered during the development of the control
system and the solutions adopted to overcome them are also discussed.
The work continues with the presentation of a mechanical design capable of modifying
the fluid flow based on the applied voltage. This design includes a series of
microfluidic components optimized to interact with the piezoelectric actuator,
ensuring a rapid and accurate response to control commands.
Finally, the thesis presents the results obtained through detailed graphs and
comparative analyses, highlighting the improvements made over the existing
solutions. Potential developments and future improvements of the system are also
discussed, which could include the integration of additional sensors and the
implementation of more advanced control algorithms. These enhancements could
further increase the effectiveness and efficiency of the proposed microfluidic system,
opening up new application possibilities in the field of microfluidics
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Sviluppo e ottimizzazione di componenti microfluidiche per un sistema integrato di estrazione ed analisi di DNA su lab-on-a-chip
Full text linkLAUREA MAGISTRALELa real-time PCR è una tecnica utilizzata nei laboratori di biologia molecolare che permette l'identificazione di sequenze di DNA target e la loro quantificazione. Questo tipo di analisi trova applicazioni in vari ambiti come ad esempio il sequenziamento del DNA, la diagnosi di malattie infettive, la genetica forense e l'ispezione dei prodotti alimentari.
Il Q3 è uno strumento sviluppato da STMicroeletronics, in grado di eseguire un'analisi real-time PCR partendo dal DNA estratto da un qualsiasi campione biologico. In seguito è stato avviato un progetto che vuole aggiungere l'estrazione di acidi nucleici all'analisi di real-time PCR. Questo progetto, che prende il nome di EASY (Extraction and Analysis System) è l'ambito nel quale si inserisce il mio lavoro di tesi.
La peculiarità di tale sistema vuole essere una completa automazione del protocollo di estrazione e analisi. Lo strumento, ancora in fase prototipale, ha lo svantaggio di aver bisogno dell'intervento dell'operatore per eseguire la procedura.
Il prototipo è composto da due elementi, il primo è lo strumento vero e proprio, mentre il secondo è una cartuccia monouso che include le componenti necessarie alla realizzazione della sola procedura di purificazione. L'attività di tesi è stata focalizzata sulla cartuccia. In particolar modo mi sono occupato del processo di realizzazione della stessa e delle valvole che essa contiene, che erano uno dei componenti che necessitavano dell'intervento umano durante l'estrazione.
Per quanto riguarda la realizzazione della cartuccia, ho ottimizzato il protocollo di bonding termico degli strati che la compongono. In particolare ho aggiunto una nuova fase nel processo che garantisce un'adeguata tenuta e che impedisce la fuoriuscita di reagenti nel mondo esterno.
Le valvole invece presentavano lo svantaggio di richiedere un intervento umano per essere aperte o chiuse. Durante il mio lavoro, dopo una serie di esperimenti atti a valutare le possibili alternative, ho individuato tra i prototipi che ho realizzato il design che garantiva l'automazione del processo di estrazione.
Con i risultati ottenuti nel mio lavoro è stato possibile realizzare un test con un prototipo di cartuccia che integra l'estrazione di acidi nucleici con l'analisi PCR.The Real-time PCR (Polymerase Chain Reaction) is a technique used in molecular biology laboratories that allows the identification of target DNA sequences and their quantification.
This type of analysis finds applications in various fields such as DNA sequencing, the diagnosis of infectious diseases, forensic science and the inspection of food products.
The Q3 is a device developed by STMicroeletronics, able to perform a real-time PCR analysis starting from the DNA extracted from any biological sample. Later a project was started to add nucleic acid extraction to the real-time PCR analysis. This project, which takes the name of EASY, is the area in which my thesis is focused.
The peculiarity of this system is to perform the extraction protocol in a complete automated way. The device, still in the prototyping phase, has the disadvantage of needing an operator to perform the procedure.
The prototype is composed of two elements, the first is the actual device, while the second is a single-use cartridge that includes the components necessary for carrying out the purification procedure. This thesis activity was focused on the cartridge. In particular, I was involved in the process of its fabrication and the valves it contains, which were one of the components that needed human intervention during the extraction.
Regarding the construction of the cartridge, I have optimized the thermal bonding protocol of the layers that compose it. In particular, I have added a new phase in the process that guarantees an adequate seal and prevents reagents from leaking into the environment.
The valves instead presented the disadvantage of requiring human intervention to be opened or closed. During my work, after a series of experiments aimed at evaluating possible alternatives, I identified among the prototypes that I realized the design that guaranteed the automation of the extraction process.
With the results obtained in my work it was possible to carry out a test with a prototype cartridge that integrates the extraction of nucleic acids with PCR analysis
Sviluppo di una tecnologia EWOD per la microfluidica digitale
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesto lavoro di tesi svolto nel laboratorio “More than Moore” di Advanced System Technology (AST), sezione di ricerca e sviluppo di STMicroelectronics ad Agrate Brianza con la collaborazione di Polifab si è incentrato sullo sviluppo di una tecnologia electrowetting on dieletric (EWOD) per la microfluidica digitale. Dopo aver esaminato le leggi fisiche che governano il fenomeno, e analizzato le sue possibili applicazioni, sono stati testati diversi materiali e tecniche di deposizione con lo scopo di ottimizzare le prestazioni di un dispositivo basato su questa tecnologia in termini di tensione di attuazione e variazione dell’angolo di contatto ottenibile su di una goccia di acqua. Sono stati testati, per essere impiegati come strato dielettrico: ossido di silicio, nitruro di silicio, teflon AF e allumina. I metodi di deposizione usati sono stati: evaporazione, sputtering, ALD e spin coating. E’ stato poi progettato, mediante simulazioni in matlab un dispositivo che potesse dimostrare la fattibilità di quanto studiato e mostrasse il reale impiego dei materiali testati. Il dispositivo è stato poi realizzato in diversi materiali, attuato con successo, e caratterizzato.This research was conducted in the "More than Moore" laboratory of Advanced System Technology (AST), which is the research and development department of STMicroelectronics in Agrate Brianza, with the collaboration of PoliFab. Our work focused on the development of an electrowetting on dieletric (EWOD) technology for digital microfluidic. First we examined the physical laws governing the phenomenon and we analyzed its possible applications, then we tested several materials and deposition techniques, in order to optimize the performance of the device based on this technology in terms of actuaction voltage and variation of contact angle of a droplet of water.
Silicon oxide, silicon nitride, teflon AF and alumina were tested as dielectric layer. The deposition methods aplliyed were: evaporation, sputtering, ALD and spin coating. Using MatLab, we designed a device wich could demonstrate the feasibility of our studies and which could show the actual use of the tested materials. The device was then realized succesfully using different materials and characterized
Surface Functionalization for Electrical Detection of DNA
Full text linkLAUREA MAGISTRALELa rapida espansione del mercato dei biosensori, in particolare per i sensori basati sul DNA, ha guidato significativi progressi nello sviluppo di piattaforme capaci di rilevare materiale genetico con alta specificità e sensibilità. Questa tesi si concentra sulla funzionalizzazione superficiale del biossido di silicio (SiO2) utilizzando il glicidiossipropiltrimetossisilano (GOPS) per creare un’interfaccia stabile per il successivo innesto di oligonucleotidi. La funzionalizzazione superficiale è stata eseguita utilizzando due metodi di silanizzazione: deposizione in fase liquida (LPD) e deposizione in fase vapore (VPD). La caratterizzazione ha rivelato che la VPD ha superato la LPD in termini di densità del silano, omogeneità e orientamento dei gruppi funzionali. Le misurazioni dell’angolo di contatto hanno indicato valori più alti per la VPD rispetto alla LPD, suggerendo un processo di silanizzazione più efficace. Tra i solventi testati per la LPD, il toluene ha dato i migliori risultati, raggiungendo angoli di contatto comparabili a quelli della VPD. Sia la Microscopia a Forza Atomica (AFM) che la Spettrometria di Massa a Tempo di Volo con Ioni Secondari (TOF-SIMS) hanno confermato la riuscita della silanizzazione, con la VPD che ha dimostrato una densità e omogeneità del silano superiori, oltre a un profilo chimico più favorevole dei frammenti ionici superficiali. Per l’innesto del DNA, sono state testate varie miscele e le condizioni ottimali sono state identificate regolando i parametri del processo e il pH della miscela di DNA. Le misurazioni della fluorescenza hanno confermato il successo dell’attacco degli oligonucleotidi. Questi risultati indicano che le superfici di SiO2 funzionalizzate con GOPS sono altamente efficaci per l’innesto di oligonucleotidi, aprendo la strada allo sviluppo di un sensore per la Reazione a Catena della Polimerasi in Fase Solida (SP-PCR) con potenziali applicazioni nella diagnostica clinica e nel monitoraggio ambientale, offrendo una sensibilità e specificità migliorate nel rilevamento del materiale genetico.The rapid expansion of the biosensor market, particularly for DNA-based sensors, has driven significant advancements in developing platforms capable of highly specific and sensitive genetic material detection. This thesis focuses on the surface functionalization of silicon dioxide (SiO2) using glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOPS) to create a stable interface for the subsequent grafting of oligonucleotides. Surface functionalization was performed using two silanization methods: Liquid Phase Deposition (LPD) and Vapor Phase Deposition (VPD). Characterization revealed that VPD outperformed LPD in terms of silane density, homogeneity, and functional group orientation. Contact angle measurements indicated higher values for VPD, suggesting a more effective silanization process. Among the solvents tested for LPD, toluene yielded the best results, achieving contact angles comparable to VPD. Both Atomic Force Microscopy (AFM) and Timeof-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS) analyses confirmed successful silanization, with VPD demonstrating superior performance. For DNA grafting, optimal conditions were identified by adjusting process parameters and pH. Fluorescence measurements validated successful oligonucleotide attachment. These results indicate that GOPS-functionalized SiO2 surfaces are suitable for oligonucleotide grafting, paving the way for the development of a Solid-Phase Polymerase Chain Reaction (SP-PCR) sensor with potential applications in clinical diagnostics and environmental monitoring
Studio e sviluppo di tecnologia electrowetting per applicazioni microfluidiche
Full text linkLAUREA SPECIALISTICAIl lavoro di tesi è stato svolto con scopo di studiare e definire un processo industrializzabile per la produzione di dispositivi a electrowetting per applicazioni microfluidiche. Le attività di studio e sviluppo di questa tecnologia sono state svolte presso il laboratorio “More than Moore” STMicroelectronics ad Agrate Brianza e il CMi del Politecnico di Losanna (EPFL).
Le applicazioni che questa recente tecnologia trova sono molteplici e spaziano in diversi ambiti, da quello ottico, con innovative microlenti e display, a quello biomedico. In modo particolare si sono volute approfondire le potenzialità che essa offre in ambito della microfluidica sui Lab-On-Chip che rappresentano il futuro delle applicazioni biotecnologiche.
La maggior parte delle piattaforme che utilizzano questi dispositivi presentano due fasi di funzionamento che prevedono :
- L’estrazione dei materiali biologici dai campioni grezzi: insieme di procedure che vengono denominate “Sample Preparation”;
- Le analisi biochimiche vere e proprie che sono permesse dalla presenza di reagenti all’interno del chip.
In tal caso è allo studio un sistema che sia in grado di sostituire gli step prima descritti con un’unica operazione, creando dei chip, completamente automatizzato, che accetta in ingresso il campione grezzo e forniscono all’utente i risultati delle analisi effettuate.
È dunque necessaria una tecnologia che sia in grado di movimentare liquidi e di svolgere le operazioni tipiche della “Sample Preparation”, quali ad esempio la miscelazione e l’agitazione, senza l’uso di ingombranti parti meccaniche. La risposta a questo problema è proprio la tecnologia a Electrowetting che renderebbe possibile l’integrazione del sistema in un unico chip.
L’applicazione usata per testare la fattibilità e l’affidabilità di dispositivi costruiti con questo tipo di processi è una pompa microfluidica.
Per raggiungere questi obiettivi si è reso necessario lo svolgimento di uno studio approfondito del fenomeno in modo da renderne evidente le dipendenze dai parametri di progetto.
Per far ciò si è creato un modello in grado di fornire una linea guida per le successive scelte progettuali, in modo particolare è stato utile per la definizione e costruzione dell’elettronica di controllo e per la scelta dei design dei contatti; ciò si è fatto tenendo conto di due diverse linee guida: alte performance e semplicità di produzione.
Alla fine di questa trattazione analitica si è passati alla scelta e conseguente analisi dei materiali da utilizzarsi. Delle diverse possibilità si sono vagliati pregi e difetti e in fine, per ognuno si è dimensionato un opportuno flusso di processo.
Inoltre, grazie all’opportunità di poter usare i macchinari presenti al Politecnico di Losanna si è potuto fare uno studio di tutti gli step, dalla deposizione dei materiali, la loro definizione litografica fino al bonding delle due parti del dispositivo, in modo da ottenere un prototipo sigillato e funzionante. È stato possibile anche, svolgere tutte le operazioni su fetta (wafer 4’’) e non solo su singolo dispositivo, ciò ha fornito ulteriore robustezza e ripetibilità.
Una volta delineati tutti i dettagli dei flussi di processo e i parametri di progetto, si è passati alla definizione dei layout e quindi delle maschere.
Si è così potuto produrre i primi prototipi sui quali sono state fatte delle misure mirate e studiarne il funzionamento; in parallelo sono anche state fatte ulteriori misure di variazione di angolo di contatto, mirate a convalidare il modello inizialmente proposto.
Durante questo lavoro si è investito parecchio, sia in termini di lavoro che di tempo, non solo sulla messa a punto di tutti gli step di processo, ma, in qualche caso, anche della strumentazione costruita ad hoc per il loro svolgimento.
Dall’analisi dei test sperimentali si è potuto dedurre che non tutte le tecnologie processate hanno mostrato le caratteristiche per le quali erano state progettate; si sono dunque cerca le motivazioni di tali difettosità e proposte delle soluzioni ragionevoli.
Tra i dispositivi realizzati, quelli che presentano un unico layer con funzione di passivazione e strato idrofobico, risultano essere i più affidabili e performanti; in modo particolare, dei materiali usati, il più promettente è il SiNR, lo stesso usato per la fluidica e il bonding.
Si sono infine poste le basi per la definizione di un processo su silicio che sfrutti in pieno le sue potenzialità in termini di affidabilità, in quanto si userebbero le tecniche già testate e collaudate tipiche dell’industria dei semiconduttori; ma soprattutto, si ha la possibilità di avere delle tecniche di funzionalizzazione superficiale più affidabili ed in modo particolare che riescono a garantire un buon funzionamento a tensioni di lavoro molto più basse di quelle attualmente necessarie
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