Sviluppo di un correlatore per l’applicazione della diffusione dinamica della luce

Dynamic Light Scattering is a well-developed and widely utilized technique for investigating binding interactions and the diffusion of biomolecules labeled with fluorescence, both in vitro and in vivo. By leveraging a confocal microscope, DLS detects changes in fluorescence intensity resulting from variations in the number of molecules diffusing within a small observation volume. The autocorrelation function of intensity fluctuations provides not only physical but also photo-chemical information about the diffused molecules. To accurately track fluorescence fluctuations, nanomolar concentrations and typical acquisition times ranging from seconds to minutes are prerequisites for DLS measurements. This thesis outlines the design and construction of a real-time multichannel autocorrelator, along with its application in dynamic light scattering. The theory of DLS is introduced, covering the fundamental concepts. Additionally, the theoretical background of the experiments is explored. Special attention is given to experimental techniques and data analysis procedures. The design of a multi-channel correlator by an ARM microcontroller involves the utilization of the multi-tau algorithm. An important feature of this correlator is a maximum lag time of 1 second, with a minimum time bin of 300 nanoseconds. The length of its lag time range can extend up to 20 seconds on the Correlator based on STM32H7 Cortex M-7 processor. Proper real-time display relies on three key components. First, designing the hardware to generate the necessary data for computations. Second, writing and developing the algorithm using digital signal processing instructions specifically tailored for the designed correlator to optimize system performance. Third, to establish communication between the computer and the correlator, UART and Ethernet interfaces are introduced. STMicroelectronics is the company behind Cube IDE, which provides a design platform and development environment for programming microcontrollers.

La Diffusione Dinamica della Luce (DLS) è una tecnica ben sviluppata e ampiamente utilizzata per investigare le interazioni di legame e la diffusione di biomolecole etichettate con fluorescenza, sia in vitro che in vivo. Sfruttando un microscopio confocale, la DLS rileva i cambiamenti nell’intensità della fluorescenza risultanti dalle variazioni nel numero di molecole che diffondono all’interno di un piccolo volume di osservazione. La funzione di autocorrelazione delle fluttuazioni di intensità fornisce non solo informazioni fisiche ma anche fotochimiche sulle molecole diffuse. Per tracciare accuratamente le fluttuazioni di fluorescenza, sono necessarie concentrazioni nanomolari e tempi di acquisizione tipici che vanno da secondi a minuti per le misurazioni DLS. Questa tesi descrive la progettazione e la costruzione di un autocorrelatore multicanale in tempo reale, insieme alla sua applicazione nella diffusione dinamica della luce. Viene introdotta la teoria della DLS, coprendo i concetti fondamentali. Inoltre, viene esplorato il background teorico degli esperimenti. Particolare attenzione è dedicata alle tecniche sperimentali e alle procedure di analisi dei dati. La progettazione di un correlatore multicanale con un microcontrollore ARM comporta l’utilizzo dell’algoritmo multi-tau. Una caratteristica importante di questo correlatore è un tempo di ritardo massimo di 1 secondo, con un tempo minimo di bin di 300 nanosecondi. La lunghezza del suo intervallo di tempo di ritardo può estendersi fino a 20 secondi sul Correlatore basato sul processore STM32H7 Cortex M-7. La visualizzazione in tempo reale corretta si basa su tre componenti chiave. Primo, progettare l’hardware per generare i dati necessari per i calcoli. Secondo, scrivere e sviluppare l’algoritmo utilizzando istruzioni di elaborazione del segnale digitale specificamente adattate per il correlatore progettato per ottimizzare le prestazioni del sistema. Terzo, per stabilire la comunicazione tra il computer e il Correlatore, vengono introdotte interfacce UART ed Ethernet. STMicroelectronics è l’azienda dietro Cube IDE, che fornisce una piattaforma di progettazione e un ambiente di sviluppo per la programmazione dei microcontrollori.