IT201600104760A1 - Circuito elettronico di pilotaggio per il pilotaggio di elettrodi di un dispositivo microfluidico di manipolazione di particelle, e relativo apparecchio di analisi - Google Patents

Circuito elettronico di pilotaggio per il pilotaggio di elettrodi di un dispositivo microfluidico di manipolazione di particelle, e relativo apparecchio di analisi

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Description

“CIRCUITO ELETTRONICO DI PILOTAGGIO PER IL PILOTAGGIO DI ELETTRODI DI UN DISPOSITIVO MICROFLUIDICO DI MANIPOLAZIONE DI PARTICELLE, E RELATIVO APPARECCHIO DI ANALISI”
Campo tecnico dell'invenzione
La presente invenzione riguarda un circuito elettronico di pilotaggio di elettrodi di un dispositivo microfluidico di manipolazione di particelle ed un relativo apparecchio di analisi cooperante con il dispositivo microfluidico; in particolare, ma senza che ciò implichi alcuna perdita di generalità, il dispositivo microfluidico è un dispositivo di selezione e separazione (sorting) di cellule immerse in un fluido, tramite dielettroforesi.
Tecnica anteriore
Come noto, le tecniche di microfabbricazione consentono la realizzazione di dispositivi microfluidici, includenti, in un medesimo chip, strutture micromeccaniche, quali camere, canali o barriere di separazione, e strutture elettriche, quali riscaldatori, piste conduttive, elettrodi o circuiti di elaborazione. Le strutture micromeccaniche ed elettriche sono formate in uno o più substrati, per esempio includenti materiale semiconduttore, ed alloggiate in un contenitore (package), che definisce contatti elettrici accessibili dall'esterno ed inoltre uno o più ingressi e/o uscite fluidici.
I dispositivi microfluidici consentono di eseguire complesse operazioni di trattamento su particelle, per esempio molecole, cellule o gruppi di cellule, quali operazioni di rilevamento e separazione di cellule, analisi di DNA o replicazione di RNA. Queste operazioni di trattamento possono vantaggiosamente essere eseguite in modo automatico mediante un opportuno apparecchio di analisi, accoppiato ai dispositivi microfluidici.
Spesso, i dispositivi microfluidici definiscono cosiddette "cartucce" monouso, che vengono riempite con un fluido contenente le particelle da analizzare.
In particolare, il DEPArray<TM>è un dispositivo microfluidico noto realizzato dalla presente Richiedente, che consente di selezionare e separare cellule che devono essere analizzate.
Come descritto per esempio nel brevetto US 6,942,776 B2, a nome della presente Richiedente, questo dispositivo microfluidico è basato sulla dielettroforesi (DEP), ovvero il fenomeno fisico secondo il quale particelle neutre, quando sottoposte a campi elettrici non uniformi, stazionari nel tempo (DC) o variabili nel tempo (AC), sperimentano una forza netta indirizzata verso posizioni con intensità di campo crescente (pDEP) o decrescente (nDEP).
Se l'intensità della forza di dielettroforesi è comparabile alla forza gravitazionale, è possibile stabilire un equilibrio che consente di far levitare piccole particelle, che possono pertanto essere separate (in modo da essere disponibili per ulteriori operazioni di trattamento) da una soluzione in cui sono contenute.
In maggiore dettaglio, e come mostrato nella figura 1, il dispositivo microfluidico, indicato con 1, include una matrice 2 formata da un numero di righe e di colonne di elettrodi 4, portati da un substrato 5 (essendo disposti su un relativo strato isolante, qui non mostrato); gli elettrodi 4 sono selettivamente indirizzabili, per esempio mediante elementi di circuito elettronico di indirizzamento che possono essere formati nello stesso substrato 5 (in modo qui non illustrato).
Il dispositivo microfluidico 1 include inoltre una piastra di elettrodo superiore 6, che è disposta sopra la matrice 2 ed è separata dagli elettrodi 4, ed una camera di analisi 7 è definita tra gli stessi elettrodi e la piastra di elettrodo superiore.
Una soluzione tampone contenente particelle 8 che devono essere analizzate (di cui soltanto una è mostrata in figura 1, per chiarezza di rappresentazione) può essere introdotta all'interno della camera 7, per esempio attraverso almeno un ingresso definito nel package dello stesso dispositivo microfluidico 1 (qui non mostrato).
Come mostrato schematicamente, il package del dispositivo microfluidico 1 definisce inoltre almeno una prima piazzola di contatto 9a, accessibile dall'esterno, per il contatto elettrico con la piastra di elettrodo superiore 6; una seconda piazzola di contatto 9b, per il contatto elettrico con un primo gruppo di elettrodi 4 della matrice 2; e una terza piazzola di contatto 9c, per il contatto elettrico con un secondo gruppo di elettrodi 4 della matrice 2.
Segnali elettrici di pilotaggio, per esempio segnali periodici sinusoidali aventi ampiezza, frequenza e sfasamento opportuni, sono forniti alla piastra di elettrodo superiore 6, ed al primo e al secondo gruppo di elettrodi 4 attraverso la prima, la seconda e, rispettivamente, la terza piazzola di contatto 9a, 9b, 9c.
Come mostrato schematicamente nella figura 1, tali segnali di pilotaggio, indicati con V1, V2e V3sono generati da un circuito elettronico di pilotaggio 10, che include stadi circuitali di amplificazione; il circuito elettronico di pilotaggio 10 può per esempio far parte di un apparecchio di analisi che coopera con il dispositivo microfluidico 1.
In particolare, applicando segnali di pilotaggio periodici in fase e contro-fase agli elettrodi 4, è possibile stabilire campi dielettrici, in particolare campi di dielettroforesi, ancora più in particolare una o più gabbie di potenziale 11, indipendenti, nella camera 7, la cui intensità può essere variata agendo sulla frequenza nonché sull'ampiezza dei segnali di pilotaggio V1, V2, V3(con "gabbia di potenziale" si intende nella presente una porzione di spazio racchiusa da una superficie equipotenziale e contenente un minimo locale del potenziale dielettroforetico).
Queste gabbie di potenziale 11 intrappolano una o più particelle 8, consentendone o la levitazione in modo stabile o lo spostamento all'interno della camera 7, cambiando semplicemente il sottogruppo di elettrodi 4 a cui sono applicati i segnali di pilotaggio V1, V2, V3 e/o modificando i valori degli stessi segnali di pilotaggio.
Per esempio, se un primo elettrodo 4 è in fase con la piastra di elettrodo superiore 6 ed è circondato da elettrodi che ricevono segnali di pilotaggio in contro-fase, una gabbia di potenziale 11 viene stabilita sopra lo stesso primo elettrodo 4. Quindi, semplicemente applicando i segnali in fase a uno degli elettrodi adiacenti 4 (nella stessa direzione del movimento desiderato), e invertendo la fase del segnale di pilotaggio fornito al primo elettrodo, la gabbia di potenziale 11 scompare e ricompare sopra tale elettrodo adiacente, che è spostato di un passo di cella dal precedente elettrodo.
Ripetendo questa operazione, la particella (o particelle) 8 intrappolata (intrappolate) si sposta (si spostano) in posizione adiacente nel piano della matrice 2. Per esempio, la particella 8 da analizzare può essere spostata verso una posizione di prelievo (non mostrata qui), da cui essa può essere estratta dal dispositivo microfluidico 1 o in corrispondenza della quale la stessa particella 3 può essere sottoposta alle operazioni di trattamento desiderate.
La presente Richiedente ha constatato che la generazione dei segnali di pilotaggio V1, V2e V3comporta alcuni problemi, per via della particolare natura del carico costituito dal dispositivo microfluidico 1, che possono anche compromettere il corretto funzionamento e le prestazioni del dispositivo microfluidico 1.
Come mostrato nella figura 2, da un punto di vista elettrico, il chip attivo del dispositivo microfluidico 1, riempito con la soluzione tampone conduttiva, può essere considerato un carico a bassa impedenza non lineare trifase non bilanciato in configurazione cosiddetta "Delta". In particolare, una prima impedenza Z12è definita tra la prima e la seconda piazzola di contatto 9a, 9b; una seconda impedenza Z31 è definita tra la prima e la terza piazzola di contatto 9a, 9c; ed una terza impedenza Z23è definita tra la seconda e la terza piazzola di contatto 9b, 9c.
Le caratteristiche di non linearità e di bassa impedenza del carico causano una distorsione armonica non irrilevante, che a sua volta comporta:
possibili variazioni di scostamento (offset) in continua (DC) nel tempo tra i segnali di pilotaggio V1, V2e V3;
un peggioramento dell'efficienza, poiché parte dell'energia elettrica non viene trasferita al carico del chip attivo per la generazione delle gabbie di potenziale 11, ma viene piuttosto sprecata sotto forma di generazione di calore (ovvero per effetto Joule) all'interno del circuito di pilotaggio elettronico 10;
una non riproducibilità delle prestazioni, a seconda della configurazione della gabbia, delle caratteristiche della soluzione tampone e della variabilità del chip attivo.
In particolare, la presente Richiedente ha constatato che può essere desiderabile controllare le componenti DC (in corrente continua) dei segnali di pilotaggio analogici V1, V2e V3, in modo da evitare:
fenomeni elettrolitici, dal momento che una tensione in continua tra due o più elettrodi 4 vicini tra loro può causare la generazione di gas (ovvero bolle) all'interno della soluzione tampone nell'area attiva del chip; e l’elettro-corrosione, poiché, per via dei fenomeni di ossidoriduzione, una componente di tensione in continua può innescare la corrosione di uno o più degli elettrodi 4, compromettendone il funzionamento.
La formazione di bolle e il danneggiamento degli elettrodi 4 può chiaramente influenzare la capacità di separazione ed instradamento delle particelle all'interno del dispositivo microfluidico 1 e quindi comprometterne le prestazioni generali.
La presente Richiedente ha inoltre constatato che l'uso di circuiti amplificatori lineari tradizionali (per esempio amplificatori di classe AB) nel circuito di pilotaggio elettronico 10 potrebbe non consentire il conseguimento delle prestazioni desiderate, almeno in date condizioni di funzionamento.
Riepilogo dell'invenzione
Uno scopo della presente invenzione è quindi quello di fornire un circuito elettronico di pilotaggio per un dispositivo microfluidico, che consenta di superare le limitazioni delle soluzione note, per esempio in termini di distorsione armonica e controllo dell’offset in continua.
La presente soluzione riguarda un circuito elettronico di pilotaggio per un dispositivo microfluidico ed una corrispondente macchina di analisi, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Breve descrizione dei disegni
La figura 1 mostra una vista schematica di una porzione di un dispositivo microfluidico per la manipolazione di particelle, con un associato circuito di pilotaggio elettronico;
la figura 2 è una rappresentazione elettrica del carico elettrico definito dal dispositivo microfluidico;
la figura 3 è un diagramma a blocchi schematico del circuito elettronico di pilotaggio per il dispositivo microfluidico, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
la figura 4 è un diagramma a blocchi schematico di uno stadio amplificatore del circuito elettronico di pilotaggio della figura 3;
la figura 5 è un diagramma a blocchi schematico del circuito elettronico di pilotaggio per il dispositivo microfluidico, secondo una possibile implementazione della presente soluzione;
la figura 6 è un diagramma a blocchi schematico di uno stadio amplificatore del circuito elettronico di pilotaggio della figura 5;le figure 7a e 7b mostrano diagrammi di grandezze elettriche correlate ad un circuito di pilotaggio elettronico noto (figura 7a) ed al circuito di pilotaggio elettronico secondo la presente soluzione (figura 7b); e la figura 8 è un diagramma a blocchi schematico di una macchina di analisi, accoppiata operativamente al dispositivo microfluidico.
Descrizione dettagliata dell'invenzione
La figura 3 mostra un circuito di pilotaggio elettronico, indicato con 20, accoppiato a un dispositivo microfluidico, nell’esempio il dispositivo microfluidico 1 discusso in riferimento alla figura 1, mostrato qui con la sua rappresentazione equivalente di carico elettrico (come discusso in riferimento alla figura 2).
Di conseguenza, il dispositivo microfluidico 1 qui rappresenta un carico a bassa impedenza non lineare trifase non bilanciato nella configurazione "Delta", con la prima impedenza Z12tra la prima e la seconda piazzola 9a, 9b; la seconda impedenza Z31 tra la prima e la terza piazzola 9a, 9c; e la terza impedenza Z23tra la seconda e la terza piazzola 9b, 9c.
Ad esempio, nel modello elettrico semplificato del carico: la prima impedenza Z12 presenta parte resistiva R12 di valore compreso tra 0,5 e 40 Ω e parte capacitiva C12di valore compreso tra 24 pF e 2,4 nF; la seconda impedenza Z31 presenta parte resistiva R31di valore compreso tra 0,1 e 130 Ω e parte capacitiva C31 di valore compreso tra 70 pF e 7 nF; e la terza impedenza Z23presenta parte resistiva R23di valore compreso tra 0,01 e 1 Ω e parte capacitiva C23di valore compreso tra 0,5 e 50 nF.
Come discusso in precedenza, un rispettivo elettrodo o gruppo di elettrodi 4, 6 del dispositivo microfluidico 1 è accoppiato a ciascuna delle piazzole 9a, 9b, 9c.
L’impedenza del chip attivo del dispositivo microfluidico 1 può avere una parte reale e immaginaria, può essere non lineare e cambiare nel tempo.
Il circuit1o elettronico di pilotaggio 20 è configurato per fornire a ciascuna delle piazzole 9a, 9b, 9c rispettivi segnali di pilotaggio, nuovamente indicati con V1, V2e V3, per il pilotaggio del rispettivo elettrodo o del rispettivo gruppo di elettrodi.
In particolare, il circuito elettronico di pilotaggio 20 include un numero di stadi amplificatori 22, in modalità di commutazione e sincronizzati, uno per ciascun elettrodo o gruppo di elettrodi da pilotare con un rispettivo segnale di pilotaggio V1, V2, V3 o, analogamente, uno per ciascuna piazzola 9a, 9b, 9c del dispositivo microfluidico 1.
Ogni stadio amplificatore 22 presenta:
un’uscita Out, destinata ad essere accoppiata ad una rispettiva piazzola 9a, 9b, 9c del dispositivo microfluidico 1 (e a un rispettivo elettrodo o gruppo di elettrodi), su cui è presente una tensione di uscita Vout (che definisce il rispettivo segnale di pilotaggio V1, V2, V3per il dispositivo microfluidico 1);
un primo ingresso IN1, destinato a ricevere un segnale di clock CK, per esempio un segnale a treno di impulsi (o ad onda quadra) con una data frequenza f;
un secondo ingresso IN2, destinato a ricevere un segnale obiettivo Vt, in particolare un segnale di tensione che definisce un'ampiezza obiettivo (o desiderata) per la tensione di uscita Vout (come verrà chiarito qui di seguito);
un ingresso di retroazione INfb, destinato a ricevere un segnale di retroazione Vfb, ad esempio un segnale in tensione, indicativo del suddetto segnale di pilotaggio fornito al carico (ovvero, della tensione di uscita Vout).
In particolare, il suddetto segnale di retroazione VFBè prelevato quanto più vicino possibile al carico; in una possibile forma di realizzazione, come illustrato in figura 3, il punto di prelievo di tale segnale di retroazione Vfb è posizionato all’interno del chip attivo del dispositivo microfluidico 1, nell’esempio in corrispondenza della rispettiva piazzola 9a, 9b, 9c.
I segnali di clock CK ricevuti dagli stadi amplificatori 22 sono atti a sincronizzare il funzionamento degli stessi stadi amplificatori 22.
In dettaglio, ogni stadio amplificatore 22 comprende: un modulo di commutazione 23, avente un ingresso di commutazione accoppiato al primo ingresso IN1e ricevente il segnale di clock CK, un’uscita accoppiata ad un primo nodo interno N1, un ingresso di segnale accoppiato ad un secondo nodo interno N2e ricevente un segnale di controllo Vc, ed inoltre un ingresso di riferimento accoppiato ad un terminale di riferimento, o massa (GND);
un modulo di filtro di ricostruzione 25, in particolare un filtro passa-banda, avente un terminale di ingresso accoppiato al primo ingresso IN1 e un terminale di uscita accoppiato all'uscita Out dello stadio amplificatore 22 attraverso un condensatore di blocco 26;
e
un modulo di retroazione (feedback) 29, avente un ingresso accoppiato all’ ingresso di retroazione INfbdello stadio amplificatore 22, essendo dunque destinato a ricevere il segnale di retroazione Vfb, un ingresso di riferimento accoppiato al secondo ingresso IN2 dello stesso stadio amplificatore 22 e un'uscita di retroazione accoppiata al secondo nodo interno N2 (e al modulo di commutazione 23).
Il circuito elettronico di pilotaggio 20 ha un ingresso di alimentazione 20a atto a ricevere una tensione di alimentazione VDD,e comprende inoltre, comune a tutti gli stadi amplificatori 22, un generatore di offset in continua 30, configurato per generare, in corrispondenza di una sua uscita di offset, una tensione di offset in continua controllata Voff(il generatore di offset in continua 30 può includere un generatore di tensione di tipo noto, per esempio del tipo band-gap, non discusso in dettaglio qui).
Secondo una possibile forma di realizzazione, la tensione di offset in continua Voff è pari al 50% della tensione di alimentazione VDDdel dispositivo microfluidico, per esempio 2,5 V nel caso in cui la tensione di alimentazione VDDsia pari a 5 V.
Ogni stadio amplificatore 22 è accoppiato all'uscita di offset del generatore di offset in continua 30 attraverso un rispettivo induttore di scostamento 32, che è accoppiato tra l'uscita di offset e l'uscita Out dello stesso stadio amplificatore 22.
Come mostrato nella stessa figura 3, pertanto, gli induttori di scostamento 32 dei vari stadi amplificatori 22 sono connessi in una cosiddetta configurazione "a stella", avendo un primo terminale in comune (accoppiato all'uscita del generatore di offset in continua 30) e un secondo terminale accoppiato all'uscita Out del rispettivo stadio amplificatore 22, iniettandovi la tensione di offset in continua Voff.
Il circuito elettronico di pilotaggio 20 opera per generare, in corrispondenza dell'uscita Out degli stadi amplificatori 22, segnali di uscita Voutaventi frequenza, ampiezza e sfasamento reciproco desiderati (come discusso, questi segnali di uscita Voutsono destinati ad essere forniti come segnali di pilotaggio al dispositivo microfluidico 1). Secondo una possibile forma di realizzazione, i segnali di uscita Voutsono segnali analogici sinusoidali.
In particolare, la frequenza e le caratteristiche di sfasamento di ciascun segnale di uscita Voutsono determinate dal segnale di clock CK ricevuto in corrispondenza del primo ingresso IN1del rispettivo stadio amplificatore 22, che determina la temporizzazione di commutazione dell'elemento di commutazione 24.
Il modulo filtro di ricostruzione 25 ha una larghezza di banda molto ristretta, centrata in corrispondenza della frequenza di funzionamento desiderata per il segnale di uscita Vout, selezionando in questo modo dal segnale sul primo nodo interno N1 soltanto questa frequenza di funzionamento fondamentale e trasferendola all'uscita Out.
L'ampiezza desiderata del segnale di uscita Vout è invece controllata dal segnale obiettivo Vtricevuto in corrispondenza del secondo ingresso IN2 del rispettivo stadio amplificatore 22, attraverso l’anello chiuso di retroazione definito dal modulo di retroazione 29.
In particolare, il modulo di retroazione 29 è configurato per generare, sulla base del confronto tra il segnale di retroazione Vfbed il segnale obiettivo Vt, il segnale di controllo Vc.
Il segnale di controllo Vc, fornito al modulo di commutazione 23, definisce l'ampiezza della tensione che viene fornita selettivamente in corrispondenza del primo nodo interno N1, quando il modulo di commutazione 23 stabilisce internamente un accoppiamento tra il primo ed il secondo nodo interno N1, N2. Tale segnale di controllo Vcdefinisce pertanto l’ampiezza del segnale di uscita Vout, modulando quindi in ampiezza il segnale di clock CK ricevuto in corrispondenza del primo ingresso IN1 dello stadio amplificatore 22.
Il condensatore di blocco 26, prima dell'uscita Out, blocca qualsiasi componente in continua spuria all'uscita del modulo di filtro di ricostruzione 25, in modo tale che la tensione di offset in continua Voff, fornita dal generatore di offset in continua 30 attraverso l'induttore di scostamento 32, costituisca l'unica componente in continua nel segnale di uscita Vout.
In particolare, un valore di offset in continua unico e controllato è pertanto presente in tutti i segnali di uscita Voutdei vari stadi amplificatori 22.
Si evidenzia che l'induttore di scostamento 32 inoltre disaccoppia il generatore di offset in continua 30 dal segnale di uscita Vout in alternata.
Facendo riferimento alla figura 4, viene ora discussa una possibile forma di realizzazione circuitale per il modulo di retroazione 29 di ciascuno stadio amplificatore 22; nella stessa figura 4, è mostrato anche un amplificatore buffer 34, che riceve il segnale di clock CK e fornisce un segnale di commutazione all’ingresso di commutazione del modulo di commutazione 23 basandosi sullo stesso segnale di clock CK (il segnale commutando tra 0 V e la tensione di alimentazione VDD).
In questa forma di realizzazione, il modulo di retroazione 29 include:
un filtro passa-alto 36, accoppiato all’ingresso di retroazione INfb dello stadio amplificatore 22 e configurato per eseguire un filtraggio passa-alto del segnale di retroazione Vfb, bloccandone in questo modo le componenti a bassa frequenza (in particolare in continua);
un raddrizzatore 37, accoppiato all'uscita del modulo filtro passa-alto 36 e configurato per estrarre il valore di ampiezza dal segnale di retroazione Vfb filtrato;
un filtro passa-basso 38 accoppiato all'uscita del modulo raddrizzatore 37 e configurato per eseguire una operazione di filtraggio passa-basso, per generare un segnale di confronto VFB', che è pertanto indicativo del valore di ampiezza del segnale di uscita Vout;
un'unità di sottrazione 39, che riceve il segnale di confronto VFB' dal raddrizzatore 37 e il segnale obiettivo Vtfornito in corrispondenza del secondo ingresso IN2 dello stadio amplificatore 22 ed è configurato per generare un segnale di differenza (o errore) Ve, sulla base della differenza tra il segnale di confronto VFB' e il segnale obiettivo Vt; e
un convertitore di tensione 40, in particolare un convertitore di tensione di riduzione (step-down), che riceve il segnale di errore Ve e genera una tensione di uscita in continua regolata che rappresenta il segnale di controllo Vc che viene inviato in retroazione al modulo di commutazione 23, per modulare il segnale di clock di ingresso CK e definire l'ampiezza del segnale di uscita Vout.
Come mostrato nelle figure 5 e 6 (che corrispondono rispettivamente alle precedenti figure 3 e 4), in una possibile implementazione, il modulo di commutazione 23 comprende:
un elemento di commutazione 24, in particolare un transistore, per esempio un transistore MOSFET (un BJT o un qualsiasi altro transistore adatto), accoppiato tra il terminale di riferimento, o massa (GND), ed il primo nodo interno N1, ed avente un terminale di controllo (terminale di porta del transistore MOSFET) accoppiato al primo ingresso IN1e ricevente il segnale di clock CK; ed
un elemento di impedenza 28, in particolare includente un elemento induttore, accoppiato tra il primo nodo interno N1 (essendo connesso all'elemento di commutazione 24) ed il secondo nodo interno N2, ricevendo dunque il segnale di controllo Vc.
In maniera che risulterà evidente, in questa implementazione, l’elemento di impedenza 28 definisce l’accoppiamento tra il primo ed il secondo nodo interno N1, N2, portando selettivamente lo stesso secondo nodo interno N2 al segnale di controllo Vc, quando l’elemento di commutazione 24 è aperto (il secondo nodo interno N2essendo invece posto a massa, quando lo stesso elemento di commutazione 24 è chiuso).
Le prestazioni del circuito elettronico di pilotaggio 20 sono state valutate dalla presente Richiedente mediante numerose simulazioni e prove.
Un confronto tra i diagrammi mostrati nelle figure 7a e 7b consente di percepire immediatamente le prestazioni migliorate del circuito elettronico di pilotaggio 20 secondo la presente soluzione (diagrammi della figura 7b) rispetto a quelle di una soluzione tradizionale (diagrammi della figura 7a).
In particolare, la figura 7a si riferisce ad un circuito elettronico di pilotaggio di tipo tradizionale, che include amplificatori di classe AB; le onde sinusoidali generate mostrano una forte distorsione armonica e una potenza massima superiore a 150 W è richiesta dalla sorgente di alimentazione.
Come mostrato nella figura 7b, le onde sinusoidali generate dal circuito di pilotaggio elettronico 20 secondo la presente soluzione mostrano una distorsione armonica irrilevante ed uno sfasamento desiderato (i segnali di pilotaggio V1 e V2 sono segnali in fase, mentre il segnale di pilotaggio V3è un segnale in contro-fase). Inoltre, una potenza massima minore di 70 W è richiesta dalla sorgente di alimentazione, nelle stesse condizioni di funzionamento.
Come mostrato schematicamente nella figura 8, il circuito di pilotaggio elettronico 20 può essere incluso in un apparecchio elettronico di analisi 50, che esegue ad esempio operazioni di analisi su cellule che vengono selezionate e separate tramite il dispositivo microfluidico.
L'apparecchio di analisi 50 è dotato di un alloggiamento 51, progettato per ricevere il dispositivo microfluidico riempito con una soluzione tampone in cui vengono immerse le particelle 8 (per esempio le cellule) da analizzare.
Una unità di controllo 52 dell'apparecchio di analisi 50 controlla il circuito elettronico di pilotaggio 20 per fornire i segnali di pilotaggio V1, V2, V3agli elettrodi 4, 6 dello stesso dispositivo microfluidico; in particolare, l'unità di controllo 52 fornisce i segnali di clock CK e i segnali obiettivo Vt agli stadi amplificatori 22, a seconda delle operazioni di analisi da eseguire.
L'apparecchio di analisi 50 può includere inoltre un dispositivo di formazione di immagini 54, controllato dall'unità di controllo 52 per formare immagini della camera 7 del dispositivo microfluidico e delle particelle 8 contenute al suo interno.
L'unità di controllo 52 è dotata di un software adatto ad elaborare le immagini acquisite mediante il dispositivo di formazione di immagini 54 e fornire ad un utente rappresentazioni visive delle particelle 8 nel dispositivo microfluidico attraverso uno schermo (non mostrato qui).
Le particelle 8 di interesse possono pertanto essere identificate e opportuni segnali di pilotaggio V1, V2, V3 possono essere forniti agli elettrodi 4, 6 per spostare le stesse particelle verso un serbatoio del dispositivo microfluidico 1, da cui è possibile estrarre le stesse particelle 8 mediante un dispositivo di prelievo 56 dell'apparecchio di analisi 50.
I vantaggi della soluzione descritta emergono chiaramente dalla precedente discussione.
In particolare, gli stadi amplificatori 22, che implementano il controllo ad anello chiuso discusso, consentono di minimizzare la non linearità introdotta dal carico di chip attivo a bassa impedenza, offrendo in questo modo una riduzione drastica della distorsione armonica totale (THD).
La tensione di offset in continua Voff unica e controllata, iniettata simultaneamente in corrispondenza dell'uscita Out dei vari stadi amplificatori 22, elimina le differenze di offset in continua tra i segnali di pilotaggio V1, V2, V3e quindi consente di evitare i possibili fenomeni elettrolitici e di elettro-corrosione, la formazione di bolle di gas e il danneggiamento degli elettrodi 4, 6.
Inoltre, le caratteristiche elettriche dei segnali di uscita Voutpossono vantaggiosamente essere controllate variando i segnali di clock e i segnali obiettivo di ingresso CK, Vt, fornendo in questo modo una soluzione di pilotaggio facile da configurare (per esempio in termini di ampiezza programmabile, frequenza e sfasamento dei segnali di pilotaggio V1, V2, V3).
In generale, la presente soluzione consente di conseguire, rispetto alle soluzioni tradizionali: un'elevata efficienza con carichi a bassa impedenza; un'elevata affidabilità grazie alla minore dissipazione di calore; una elevata stabilità termica; e riduzioni in termini di costo, dimensione e peso.
Infine, è evidente che possono essere apportate modifiche e varianti a quanto descritto e illustrato nella presente, senza tuttavia scostarsi dall'ambito di protezione della presente invenzione come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si evidenzia il fatto che il circuito elettronico di pilotaggio 20 può includere un diverso numero (per esempio maggiore) di stadi amplificatori 22, nel caso in cui sia necessario pilotare un diverso numero (per esempio maggiore) di elettrodi o gruppi di elettrodi (che in tal caso possono costituire una diversa configurazione di carico elettrico).
Inoltre, i segnali di uscita Vout possono avere diverse configurazioni, per esempio possono essere onde quadre, al posto di onde sinusoidali.
La frequenza degli stessi segnali di uscita Voutpuò essere fissa, scelta per esempio tra 100 kHz e 100 MHz (per esempio pari a 2 MHz) o variabile nel tempo, per esempio nello stesso intervallo 100 kHz-100 MHz.
In alternativa, i segnali di retroazione Vfbpossono essere prelevati in corrispondenza di punti di prelievo esterni al chip del dispositivo microfluidico 1, ad esempio all’interno di dispositivi elettronici di interfaccia che accoppiano il circuito elettronico di pilotaggio 20 allo stesso chip del dispositivo microfluidico 1.
Si evidenzia inoltre che il circuito elettronico di pilotaggio 20 discusso può vantaggiosamente essere utilizzato in differenti applicazioni, in cui sia necessario pilotare elettrodi o un gruppo di elettrodi con segnali di pilotaggio, fornendo una bassa distorsione armonica totale e un offset in continua controllato.

Claims (19)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Circuito elettronico di pilotaggio (20) per un dispositivo microfluidico (1) avente un numero di elettrodi (4, 6), comprendente un numero di stadi di pilotaggio sincronizzati configurati per generare un rispettivo segnale di pilotaggio (V1, V2, V3) per ciascun elettrodo o gruppo di elettrodi (4, 6), i segnali di pilotaggio (V1, V2, V3) avendo un'ampiezza, una frequenza e uno sfasamento desiderati, in cui ciascuno stadio di pilotaggio include uno stadio amplificatore in modalità di commutazione (22) configurato per ricevere un segnale di clock (CK) e un segnale obiettivo (Vt) e per generare, in corrispondenza di una sua uscita (Out), un segnale di uscita (Vout) che definisce un rispettivo segnale di pilotaggio, lo stadio amplificatore (22) comprendendo: un modulo di commutazione (23), accoppiato a un primo nodo interno (N1) e controllato dal segnale di clock (CK) per portare selettivamente detto primo nodo interno (N1) ad un segnale di controllo (Vc); un modulo di filtro (25, 26), accoppiato tra il primo nodo interno (N1) e l'uscita (Out) e configurato per fornire il segnale di uscita (Vout); e un modulo di retroazione (29), accoppiato ad un ingresso di retroazione (INfb) di detto stadio di pilotaggio, atto a ricevere un segnale di retroazione (Vfb) indicativo del valore del rispettivo segnale di pilotaggio, e configurato per generare, in funzione del confronto tra detto segnale di retroazione (Vfb) e detto segnale obiettivo (Vt), il segnale di controllo (Vc) per detto modulo di commutazione (23).
  2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui i segnali di clock (CK) degli stadi amplificatori (22) sono atti a definire la frequenza e lo sfasamento dei rispettivi segnali di pilotaggio (V1, V2, V3); e i segnali obiettivo (Vt) sono atti a definire l'ampiezza dei rispettivi segnali di pilotaggio (V1, V2, V3).
  3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il modulo di retroazione (29) è configurato per inviare in retroazione il segnale di controllo (Vc) verso il modulo di commutazione (23), per modulare in ampiezza il segnale di clock (CK) e quindi definire l'ampiezza del segnale di uscita (Vout).
  4. 4. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il modulo di filtro (25, 26) include un filtro passa-banda (25) configurato per selezionare una frequenza di funzionamento del segnale di uscita (Vout) e un condensatore di blocco (26), in corrispondenza dell'uscita del filtro passa-banda (25), configurato per bloccare una qualsiasi componente in continua.
  5. 5. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un generatore di offset (30), accoppiato a tutti gli stadi amplificatori (22), configurato per generare un’unica tensione di offset (Voff) che è iniettata in corrispondenza dell'uscita (Out) di detti stadi amplificatori (22), per definire un valore controllato di offset in continua dei rispettivi segnali di pilotaggio (V1, V2, V3).
  6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre un induttore di scostamento (32) per ciascuno degli stadi amplificatori (22), gli induttori di scostamento (32) degli stadi amplificatori (22) avendo un primo terminale in comune, accoppiato all'uscita del generatore di offset (30) e un secondo terminale accoppiato all'uscita (Out) del rispettivo stadio amplificatore (22).
  7. 7. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il modulo di retroazione (29) include: un modulo di filtro e raddrizzatore (36-38), accoppiato all’ingresso di retroazione (INfb) dello stadio amplificatore (22) e configurato per fornire un segnale di confronto (VFB') in funzione di detto segnale di retroazione (VFB); una unità di sottrazione (39), configurata per ricevere il segnale di confronto (VFB') e il segnale obiettivo (Vt), per generare un segnale di errore (Ve), sulla base della differenza tra il segnale di confronto (VFB') e il segnale obiettivo (Vt); e un convertitore di tensione (40), accoppiato in corrispondenza dell'uscita dell'unità di sottrazione (39) e configurato per generare il segnale di controllo (Vc) sulla base del segnale di errore (Ve).
  8. 8. Circuito secondo la rivendicazione 7, in cui il modulo di filtro e raddrizzatore (36-38) include: un filtro passa-alto (36), accoppiato all’ingresso di retroazione (INfb) dello stadio amplificatore (22); un raddrizzatore (37), accoppiato all'uscita del filtro passa-alto (36); e un filtro passa-basso (38), accoppiato all'uscita del raddrizzatore (37).
  9. 9. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il modulo di commutazione (23) dello stadio amplificatore (22) comprende: un elemento di commutazione (24), accoppiato tra un terminale di riferimento (GND) ed il primo nodo interno (N1), ed avente un terminale di controllo atto a ricevere il segnale di clock (CK); ed un elemento di impedenza (28), accoppiato tra il primo nodo interno (N1) ed un secondo nodo interno (N2) atto a ricevere il segnale di controllo (Vc); ed in cui detto modulo di retroazione (29) è collegato tra l’ingresso di retroazione (INfb) di detto stadio di pilotaggio ed il secondo nodo interno (N2), ed è configurato per generare detto segnale di controllo (Vc) su detto secondo nodo interno (N2).
  10. 10. Circuito secondo la rivendicazione 9, in cui detto elemento di impedenza (28) include un elemento induttore.
  11. 11. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il dispositivo microfluidico (1) definisce un carico di impedenza variabile non lineare per il circuito elettronico di pilotaggio (20).
  12. 12. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui i segnali di pilotaggio (V1, V2, V3) sono atti a generare campi dielettrici in corrispondenza degli elettrodi (4, 6) del dispositivo microfluidico (1), in funzione della frequenza, dello scostamento temporale e dell'ampiezza dei segnali di pilotaggio (V1, V2, V3).
  13. 13. Circuito secondo la rivendicazione 12, in cui detti campi dielettrici sono campi di dielettroforesi.
  14. 14. Circuito secondo la rivendicazione 13, in cui detti campi di dielettroforesi definiscono gabbie di potenziale dielettroforetico (11), chiuse, atte ad intrappolare una o più particelle (8) immerse in un fluido contenuto nel dispositivo microfluidico (1).
  15. 15. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui le uscite (Out) degli stadi amplificatori (22) sono atte ad essere accoppiate a rispettive piazzole di contatto (9a, 9b, 9c) del dispositivo microfluidico (1), contattando elettricamente il rispettivo elettrodo o gruppo di elettrodi (4, 6).
  16. 16. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto segnale di retroazione (Vfb) è atto ad essere prelevato all’interno di detto dispositivo microfluidico (1).
  17. 17. Apparecchio di analisi automatizzato (50), configurato per cooperare con il dispositivo microfluidico (1) per eseguire operazioni di analisi e/o separazione su una o più particelle (8) immerse in un fluido contenuto nel dispositivo microfluidico (1); l'apparecchio di analisi automatizzato (50) includendo il circuito elettronico di pilotaggio (20) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
  18. 18. Apparecchio secondo la rivendicazione 17, comprendente una unità di controllo (53), configurata per controllare il circuito di pilotaggio (20) e per fornire i segnali di clock (CK) e i segnali obiettivo (Vt) ai suoi stadi amplificatori (22).
  19. 19. Dispositivo microfluidico (1), configurato per manipolare particelle (8) immerse in un fluido, il dispositivo microfluidico (1) includendo una matrice (2) di elettrodi (4) portati da un substrato (5) e un elettrodo a piastra (6), disposto sospeso sopra la matrice (2), una camera di analisi (7) contenente il fluido essendo definita tra la matrice (2) e l'elettrodo a piastra (6), il dispositivo microfluidico (1) essendo configurato per cooperare con il circuito elettronico di pilotaggio (20) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16; in cui i segnali di pilotaggio (V1, V2, V3) sono atti a pilotare elettrodi o un gruppo di elettrodi (4, 6), per generare campi dielettrici in corrispondenza degli elettrodi (4), in funzione della frequenza, dello scostamento temporale e dell'ampiezza dei segnali di pilotaggio (V1, V2, V3). p.i.: MENARINI SILICON BIOSYSTEMS S.P.A. Simone MANGINI
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