29 research outputs found
Sistema de lectura eléctrica de microarrays proteomicos
No full textEn esta tesis se presenta un sistema de lectura eléctrica de microarrays que comprenden una serie de transductores impedimétricos con los cuales realizar la detección multiplexada de hasta 36 eventos biológicos en un mismo sustrato. Al igual que con los microarrays de lectura fluorescente, se han empleado sustratos de vidrio desechables para la fabricación del microarray. Sin embargo, a diferencia de ellos , el sistema presentado es compacto y requiere una instrumentación sencilla y de bajo coste, lo que hace que el sistema pueda ser muy útil para realizar la descentralización de este tipo de medidas analíticas. Otros sistemas de lectura eléctricos compactos reportados anteriormente se basan en la inmovilización de los receptores biológicos específicos sobre la superficie del transductor, lo que hace que sean de un solo uso y por lo tanto costosos. Nuestro sistema combina las ventajas de los sistemas eléctricos anteriores y los escáneres de fluorescencia. El array de electrodos interdigitados (IDEs) se fabricó sobre sustratos de vidrio. Las medidas conductimétricas fueron realizadas con estos transductores mediante la aplicación de reacciones de inmunoensayo que emplean la ureasa como marca. La hidrólisis de la urea catalizada por la ureasa produce especies iónicas en solución que aumentan su conductividad. Los microarrays se fabrican sobre portaobjetos de vidrio convencional. Para la lectura, se coloca sobre el microarray sobre el array de IDEs dejando un espacio de fijo entre ambos, de modo que cada punto del microarray se alinea con su IDE correspondiente. En el proceso de medida se depositaron gotas de solución de medida que contienen urea que ponían en contacto el IDE y el punto correspondiente del microarray. Sin embargo, en un primero trabajo se presentaron algunos inconvenientes importantes relacionados con la evaporación de las gotas y el cross-talk químico entre las gotas adyacentes debido a migración de especies iónicas, lo que hizo que el sistema presentase unas características de sensibilidad y límite de detección sensiblemente más limitadas que las mostradas por los sistemas de detección fluorescente. Por otra parte, se requería de un microdispensador para posicionar con precisión las gotas sobre los transductores. En un segundo trabajo, se encontró una solución para resolver estos inconvenientes y se demostró el potencial del sistema para se un competidor real, en términos de rendimiento analítico, frente a los sistemas basados en fluorescencia. Dicha solución se basó en el empleo una estructura de PDMS que incluye 36 micropocillos de 1.2 µL de volumen, los cuales se disponen sobre el array de transductores para contener el volumen de solución de urea y poder realizar la lectura de cada punto del microarray dentro de una cavidad cerrada. Con esta configuración se consiguió evitar por completo los problemas de evaporación y cross-talk químico. Por último, se presenta un tercer trabajo donde se automatizó este sistema de lectura mediante la implementación de una estructura microfluídica que incluye el array de micropocillos de PDMS así como los componentes fluídicos necesarios para realizar el llenado automático de los mismos así como su lavado posterior una vez realizada la lectura de un microarray. De esta forma, se mejoró el rendimiento del sistema de lectura a la vez que su fiabilidad al minimizar la manipulación por parte de un usuario.An electrical readout system of microarrays comprising an array of conductimetric transducers, which enabled multiplexed detection of up to 36 biological events on the same substrate, is reported in this thesis. Similarly to fluorescent readout counterparts, regular glass slides were applied for carrying out the microarray. However, unlike them, the presented system is compact and requires a simple and inexpensive instrumentation, thus being ideally suited for deployment of bioarray detection approaches. Other compact electrical readout systems previously reported are based on the immobilization of the specific bioreceptors on the transducer surface, which make them single-use and thus expensive. Our system combines the merits of both previous electrical systems and the fluorescence scanner approaches. An array of 40 μm-pitch gold interdigitated electrode pairs (IDEs) was fabricated on glass substrates. Conductimetric measurements were carried out with these transducers by applying urease-based (urease labeled) immunoassay reactions. The hydrolysis of urea catalyzed by urease produces ionic species in solution that increase its conductivity. In order to carry out such detection scheme, the bioarray was developed on a regular glass slide substrate, which was then placed over the IDE microarray leaving a fixed gap and aligned so that each spot of the bioarray faced one IDE. Therein, the droplets of urea solution were placed in the gap to contact the IDEs and the corresponding spots of the bioarray. However, in the development of the first approach, some major drawbacks related to droplet evaporation and chemical cross-talk between adjacent droplets made the system to be far from achieving the performance of fluorescent detection approaches. Moreover, a microdispenser was required to accurately position the droplets. In a second approach, we found the solution for circumventing these drawbacks and the demonstration of the potential of the system as a real competitor against fluorescence based systems in terms of analytical performance. An array structure of 36 PDMS microwells having a volume of 1.2 μL were fabricated by molding and positioned over the IDE array. The geometry of each microwell includes an O-ring like structure and an empty area around it, which enabled first, to easily fill it without using any specific instrumentation and second, to ensure its liquid tightness once the bioarray was positioned over it. This set-up was demonstrated to completely avoid the evaporation and chemical cross-talk issues. Finally, a third approach is presented, where the readout automatized by means of a microfluidic structure that includes the PDMS microwells together with those fluidic components that enabled the automatic filling with the measuring solution as well as the cleaning step of the system once a microarray was measured. Working in this way improves the throughput of the electrical readout system as well as enhanced its reliability by minimizing the manipulation by the user
Dispositius impedimètrics per a la detecció directa de microorganismes
No full textLa detecció de bacteris patògens en medis aquosos és d'alta importància en diversos camps. Un diagnòstic ràpid de la qualitat de les aigües és fonamental per evitar exposar la població a patògens. Els mètodes de detecció tradicionals requereixen períodes d'incubació d'entre 18 a 96 hores i, per tant, fins que no se sàpiguen els resultats hi ha risc d'infecció. Els biosensors es caracteritzen per ser senzills d'utilitzar i per no requerir grans equips per realitzar-ne les mesures. A més, són fàcils d'integrar a sistemes de flux i els resultats es poden obtenir de manera instantània i serien idonis per assolir unes mesures a temps real. Per aquest motiu, en aquest treball es planteja l'ús de biosensors elèctrics basats en impedància no faradaica per assolir l'objectiu de detectar bacteris en medis aquosos. Aquest tipus de biosensors permeten la detecció directa sense la necessitat d'afegir cap reactiu addicional i la distinció entre bacteris vius i morts. Aquest treball de tesi parteix d'un treball previ en el què es proposava la detecció de bacteris mitjançant mesures de la capacitat de la solució (Cs) i s'atribuïa la diferenciació entre cèl·lules vives i mortes a la diferència de volums i propietats elèctriques dels diferents tipus de cèl·lula. En aquesta tesi es fa un replantejament d'aquests estudis i es proposa que la distinció entre cèl·lules vives i mortes recau en la diferència de la conductivitat del seu medi intern i que, com a conseqüència de la seva estructura, les cèl·lules vives poden actuar com a partícules conductores o aïllants en funció de la freqüència en què es mesurin. Partint d'aquestes hipòtesis es plantegen diferents objectius que comprenen des d'estudis mitjançant simulacions per elements finits (FEA), a mesures experimentals amb IDEs de diferents geometries, fins l'obtenció d'un nou dispositiu amb un sistema microfluídic integrat per automatitzar les mesures. Mitjançant estudis de simulacions FEA s'avalua l'afectació que suposa el posicionament del bacteri i la conductivitat del medi de mesura. També s'estudia la relació òptima entre la mida del bacteri i la dels elèctrodes interdigitats. Es realitzen mesures per la detecció d'E coli sobre IDEs de 1.5x1.5 µm i de S. cerevisiae sobre IDEs de 6x6 µm. En les mesures d'E. coli s'observa que aquestes responen seguint un patró espectral d'impedància que és únic i es diferencia de la resposta obtinguda per les mesures d'altres esdeveniments que també alteren la impedància. En canvi, pel cas dels llevats, s'observa que actuen com a partícules purament conductores i s'obté una relació lineal entre la cobertura de l'IDE per llevats i el senyal negatiu de Z. Finalment es realitza el disseny i fabricació d'una nova geometria d'IDE per detectar microorganismes sub-micromètrics. Per aquest nou xip es dissenya un encapsulat amb un sistema microfluídic integrat i un imant amb diferents posicions per facilitat la captació immunomagnètica de la mostra. S'optimitzen tots els paràmetres per realitzar les mesures mitjançant la utilització de tècniques com la microscòpia confocal i, finalment, es realitzen mesures directes i indirectes del bacteri i s'analitza la raó dels diferents resultats obtinguts amb les mesures.Bacterial pathogens are important targets for detection and identification in medicine, food safety, public health, and security. A rapid diagnostic of water quality is fundamental to avoid population exposure to pathogens. Traditional bacterial detection methods need large incubation times (between 18 and 96 hours) during which time people are at risk. Biosensors are easy to use and no complex equipment are needed to use them. Moreover, they are easy to integrate with fluidic systems and the results can be achieved instantaneously. For this reason, this thesis considers the use of electrical biosensors based on non-faradaic impedance to achieve the objective of detecting bacteria in aqueous media. Such biosensors allow direct detection without adding any additional reagent and they permit the distinction between live and dead bacteria. This work is based on a previous work in which was proposed the detection of bacteria by measurements of the capacity of the solution (Cs). The differentiation between dead and living cells was attributed to the difference of volumes and electric properties of each type of cell. This thesis is a rethinking of these studies and it is proposed that in the difference in the conductivity of its internal medium lies the distinction between dead and living cells. Indeed, as a result of its structure, living cells can act as conductive or insulating particles depending on the measured frequency. Based on these assumptions the following studies are performed. Using FEA simulations, we can evaluate the effect of bacteria positioning and the conductivity of measurement medium. The optimum relation between bacteria and interdigitated electrodes size is studied as well. Moreover, measures to detect E. coli with 1.5x1.5 µm IDEs and S. cerevisiae with IDEs de 6x6 µm are performed. A differential impedance spectrum representation is used to study the unique fingerprint that arises when microorganisms attach to the surface of IDEs. For E. coli, that fingerprint shows the dual electrical behavior, insulating and conductive, at different frequency ranges. However, in the case of yeast, it is observed that it acts as purely conductive particle. The design and manufacture of a new geometry of IDE to detect sub-micrometer microorganisms is performed. This new chip is designed with a microfluidic channel and a magnet integrated in the encapsulation to perform immunomagnetic catchment. All settings are optimized using techniques such as confocal microscopy and, finally, direct and indirect measurements of bacteria are carried out and the reason for the different results obtained are analyzed
Integración de microsensores y estructuras microfluídicas para la medida de parámetros químicos en sistemas biológicos
No full textEl objetivo de esta tesis es resolver algunos aspectos científicos-técnicos de los LOC relacionados con la integración de sensores de estado sólido. Para conseguirlo se presenta el desarrollo de una tecnología que permite la integración de chips fabricados con tecnología microelectrónica y estructuras microfluídicas en sustratos poliméricos. Este manuscrito se divide en 6 capítulos. En el Capítulo 1 se realiza una introducción general de los principales elementos involucrados en el desarrollo de esta tecnología de integración, que son los sensores fabricados con tecnología microelectrónica, las estructuras microfluídicas, y las tecnologías de integración existentes. Un análisis del estado del arte de las principales aplicaciones de los sistemas LOC en la literatura, nos ha llevado a dirigir la aplicación de los dispositivos fabricados hacia la medida de parámetros químicos para aplicaciones biológicas. En el Capítulo 2 se definen los objetivos y motivaciones que han llevado al trabajo de investigación de esta tesis. En el Capítulo 3 se presenta la fabricación y caracterización de una serie de microsensores para su aplicación en cultivos celulares y en la medida de fluidos biológicos. Estos sensores son transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET), sensores amperométricos y sensores impedimétricos o electrodos interdigitados (IDE), para la medida de pH, ion potasio, oxígeno disuelto, glucosa y conductividad del medio, respectivamente. En el Capítulo 4 se expone el desarrollo de una tecnología que permite la integración de estos sensores en plataformas comerciales tipo PCB (printed circuit board) con sencillas estructuras microfluídicas fabricadas en PDMS. En el Capítulo 5 se demuestra la flexibilidad de la tecnología desarrollada mediante la fabricación de tres dispositivos de sistemas LOC, para su aplicación en la medida del pH extracelular de cultivos celulares y en el control del pH de la orina en la enfermedad de litiasis. En el Capítulo 6 se resume el trabajo futuro a realizar para optimizar la tecnología de integración desarrollada y seguir avanzando hacia la fabricación de sistemas LOC viables para su aplicación en sectores de interés industrial.The objective of this thesis is to solve some of the scientific-technical problems related to the integration of solid state sensors in lab on a chip systems (LOCs). To achieve this, the development of a technology that allows the integration of chips fabricated with microelectronics and microfluidic structures on polymer substrates is presented. This manuscript is divided into 6 chapters. In Chapter 1 a general introduction to the main elements involved in the development of this technology is presented. These elements are microelectronic sensors, microfluidic structures and existing integration technologies. An analysis of the state of the art of the main applications of LOC systems in the literature has led us to address the application of the devices fabricated within this thesis to measure chemical parameters for biological applications. In Chapter 2 the objectives and motivations followed in this thesis are defined. The production and characterization of a number of microsensors for use in cell culture and measurement of biological fluids is presented in Chapter 3. These microsensors are ion selective field effect transistors (ISFET), amperometric sensors and impedimetric interdigitated electrodes (IDE) and are applied to monitor pH, potassium ion, dissolved oxygen, glucose and conductivity of the extracellular medium, respectively. In Chapter 4 the development of a technology that allows the integration of these sensors into commercial platforms, such as PCB (printed circuit board) with simple microfluidic structures made of PDMS is exposed. In Chapter 5, the flexibility of the technology developed is presented by the manufacture of three devices of LOC systems, for use in the measurement of the extracellular pH in cell cultures and controlling the pH of the urine in gallstone disease. Future work involves optimizing integration technology developed and further progress towards making LOC systems viable for application in areas of industrial interest is summarized in Chapter 6
Low-power lab-on-CMOS ISFET arrays for low-cost portable biomedical applications
No full textLa integració de sensors en tecnologia CMOS ha transformat el camp de la detecció química i biològica, permetent una elevada densitat d'integració i uns costos de producció reduïts. En particular, els transistors d'efecte camp sensibles a ions (ISFET, per les seves sigles en anglès) han guanyat interès gràcies a la seva versatilitat i a la seva integració directa en processos CMOS estàndard. Quan s'integren en matrius a gran escala, el seu rendiment es veu millorat en permetre la detecció iònica paral·lela i en temps real, cosa que ha impulsat una revolució en aplicacions biomèdiques com el seqüenciament d'ADN.
Simultàniament, els sistemes lab-on-chip (LoC) han emergit com a plataformes integrades compactes amb capacitat per anàlisis bioquímiques complexes en un sol xip. Aquestes plataformes empenyen els límits de la miniaturització, i resulten avantatjoses respecte als sistemes de laboratori tradicionals en reduir els costos i el temps d’anàlisi. Quan aquests sistemes LoC es construeixen amb tecnologies CMOS, les seves capacitats de detecció poden veure’s notablement millorades, evolucionant cap a plataformes lab-on-CMOS.
Aquesta tesi doctoral explora la integració de matrius d'ISFETs CMOS en plataformes lab-on-CMOS per tal d’assolir sistemes de detecció bioquímica compactes, altament integrats i intel·ligents, combinant la detecció iònica en temps real de les matrius d'ISFETs CMOS amb la miniaturització i el baix cost d’integració de les plataformes lab-on-CMOS.
Es proposa una nova arquitectura de píxel ISFET que aborda les limitacions conegudes dels ISFETs alhora que proporciona una conversió analògic-a-digital dins del mateix píxel. Aquesta arquitectura de píxel ISFET digital s’ha implementat en un procés CMOS comercial de 65\,nm de baix consum mitjançant una matriu de 88 i una altra de 1616 ISFETs, i s’ha validat tant a nivell elèctric com electroquímic. A més, es demostra la millora de la sensibilitat al pH i la reducció de la deriva electroquímica en ISFETs CMOS mitjançant un postprocessat amb deposició de capes atòmiques (ALD) d’HfO\textsubscript{2}.
Es demostren dues metodologies de fabricació per a la integració i encapsulat lab-on-CMOS mitjançant la integració d’estructures microfluídiques amb les matrius d'ISFETs CMOS fabricades de 65\,nm. Aquestes metodologies de fabricació, simples i fiables, són compatibles amb aplicacions biomèdiques de baix cost, i s’han desenvolupat amb l’objectiu de satisfer dues necessitats diferents: (i) la integració i encapsulat de xips CMOS d’escala mil·limètrica en estructures microfluídiques d’escala centimètrica, i (ii) la integració directa de microfluídica sobre el xip.
Les plataformes lab-on-CMOS desenvolupades s’exploren en tres aplicacions biomèdiques. En primer lloc, s’exploten les capacitats de miniaturització per produir una sonda multi-iònica sense elèctrode de referència, capaç de fer mesures en volums inferiors a 1\,mL. La segona aplicació aprofita l’alta densitat d’integració de les matrius d'ISFETs CMOS per permetre immunoassaigs digitals compactes i de baix cost per a la detecció de biomarcadors. Finalment, la tercera aplicació utilitza estratègies de disseny de circuits neuromòrfics per mitigar les no-idealitats dels ISFETs, permetent una detecció espaitemporal contínua de la dinàmica iònica per comprendre processos bioquímics i fisiològics.La integración de sensores en tecnología CMOS ha transformado el campo de la detección química y biológica al permitir una alta densidad de integración y bajos costes de producción. En particular, los transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFETs, por sus siglas en inglés) han ganado interés debido a su versatilidad y a su integración directa en procesos CMOS estándar. Cuando se integran en matrices a gran escala, su rendimiento se ve mejorado al permitir la detección paralela y en tiempo real de iones, lo que ha supuesto una revolución en aplicaciones biomédicas como la secuenciación de ADN.
Paralelamente, los sistemas lab-on-chip (LoC) han surgido como plataformas integradas compactas capaces de realizar análisis bioquímicos complejos en un solo chip. Estas plataformas amplían los límites de la miniaturización, resultando ventajosas frente a los sistemas tradicionales de laboratorio al reducir los costes y el tiempo de análisis. Cuando estos sistemas LoC se construyen sobre circuitos integrados CMOS, sus capacidades de detección pueden mejorarse considerablemente, evolucionando hacia plataformas lab-on-CMOS.
Esta tesis doctoral explora la integración de matrices de ISFETs CMOS en plataformas lab-on-CMOS para desarrollar sistemas de detección bioquímica compactos, altamente integrados e inteligentes, combinando la detección iónica en tiempo real de las matrices de ISFETs CMOS con la miniaturización y los bajos costes de integración de las plataformas lab-on-CMOS.
Se propone una nueva arquitectura de píxel ISFET que aborda limitaciones conocidas de los ISFETs y proporciona conversión analógica-digital en el propio píxel. Esta arquitectura digital de píxel ISFET se ha implementado en un proceso CMOS comercial de 65 nm de bajo consumo mediante matrices de 88 y 1616 ISFETs, y se han validado tanto a nivel eléctrico como electroquímico. Además, se demuestra la mejora de la sensibilidad al pH y la reducción de la deriva electroquímica en ISFETs CMOS mediante un postprocesado con deposición de capas atómicas (ALD) de HfO\textsubscript{2}.
Se presentan dos metodologías de fabricación para la integración y encapsulado lab-on-CMOS, integrando estructuras microfluídicas con las matrices de ISFETs CMOS fabricadas en 65\,nm. Estos métodos de fabricación, simples y fiables, son compatibles con aplicaciones biomédicas de bajo coste y han sido desarrollados para satisfacer dos necesidades distintas: (i) la integración y encapsulado de chips CMOS de escala milimétrica en estructuras microfluídicas de escala centimétrica, y (ii) la integración directa de microfluídica sobre el chip.
Las plataformas lab-on-CMOS desarrolladas se exploran en tres aplicaciones biomédicas. En primer lugar, se explotan las capacidades de miniaturización para producir una sonda multiiónica sin electrodo de referencia, capaz de realizar mediciones en volúmenes inferiores a 1\,mL. La segunda aplicación aprovecha la alta densidad de integración de las matrices de ISFETs CMOS para habilitar inmunoensayos digitales compactos y de bajo coste para la detección de biomarcadores. Finalmente, la tercera aplicación emplea estrategias de diseño de circuitos neuromórficos para mitigar las no idealidades de los ISFETs, permitiendo una detección espaciotemporal continua de la dinámica iónica, con el fin de comprender procesos bioquímicos y fisiológicos.The integration of sensors in CMOS technology has transformed the field of chemical and biological sensing by enabling high integration density and low production costs. In particular, Ion-Sensitive Field-Effect Transistors (ISFETs) have gained interest due to their versatility and direct integration into standard CMOS processes. When integrated in large-scale arrays, their performance is enhanced by enabling parallel real-time ion detection, which has induced a revolution in biomedical applications such as DNA sequencing.
Simultaneously, lab-on-chip (LoC) systems have emerged as compact integrated platforms capable of performing complex biochemical analyses on a single chip. These platforms push the boundaries of miniaturization, proving advantageous over traditional benchtop systems by greatly reducing costs and analysis time. When these LoC systems are built around CMOS integrated circuits, their sensing capabilities can be greatly enhanced, evolving into lab-on-CMOS platforms.
This PhD thesis explores the integration of CMOS ISFET arrays into lab-on-CMOS platforms to realize compact, highly integrated, and intelligent biochemical sensing systems by combining the real-time ion sensing of CMOS ISFET arrays with the miniaturization and low integration costs of lab-on-CMOS platforms.
A novel ISFET pixel architecture is proposed addressing known limitations of ISFETs while providing in-pixel analog-to-digital conversion. This digital ISFET pixel architecture is implemented in a commercial low-power 65-nm CMOS process through an 88 and a 1616 ISFET array, and validated both at electrical and electrochemical level. In addition, the enhancement of pH sensitivity and reduction of electrochemical drift is demonstrated on CMOS ISFETs by post-processing them with a HfO\textsubscript{2} atomic layer deposition.
Two fabrication methodologies for lab-on-CMOS integration and packaging are demonstrated by integrating microfluidic structures with the fabricated 65-nm CMOS ISFET arrays. These simple and reliable fabrication methods are compatible with cost-effective biomedical applications, and have been developed targeting two distinct needs: (i) integration and packaging of mm-scale CMOS chips into cm-scale microfluidic structures, and (ii) direct on-chip integration of microfluidics.
The developed lab-on-CMOS platforms are explored in three biomedical applications. First, the miniaturization capabilities of such platforms are exploited to produce a reference-electrode-free multi-ionic probe capable of sub-mL volume measurements. The second application leverages the high integration density of CMOS ISFET arrays to enable compact and low-cost digital immunoassays for biomarker detection. Finally, the latter exploits neuromorphic circuit design strategies to mitigate ISFET non-idealities, allowing uninterrupted spatiotemporal detection of ion dynamics for understanding biochemical and physiological processes.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Enginyeria Electrònica i de Telecomunicaci
New concepts for electrical detection of biomolecules
No full textConsultable des del TDXTítol obtingut de la portada digitalitzadaAquest treball discuteix difrerents aspects relacionats amb el disseny de sensors i sistemes de biodetecció. Descriu la fabricació i caracterització de transductors electrics particulars, així com el desenvolupament de nous sistemes de transduccio i el descobriment de noves methodologies per la fabricacio de nanomatrius de proteines. En primer lloc, es presenta un nou tipus de transductor impedimetric (I). Es va escollir un disseny basat en dos electrodes interdigitats per dos motius principals. Primer, aquesta geometria permet monitoritzar tant la resistència como la constant dieléctrica d'una solució, la qual cosa fa dels electrodes interdigitats eines més versatils que altres tipus transductors. Segon, els electrodes presenten una curta penetració del camp electric, la qual cosa els fa mes sensibles als canvis que tenen lloc a prop de la seva superfície. Aquest fet permet monitoritzar canvis locals en les magnituds d'interés. Finalment, són apropiats no nomes per construir sensors sinó també actuadors. Aquesta geometria sembla ser útil en experiments de dielectroforesi. Una innovació introduïda en aquesta tesi es el material escollit per fabricar els electrodes: silici policristal-lí o polisilici. El polisilici pot ser facilment modificat per donar lloc a superficies amb particulars propietats químiques i físiques, fent d'aquest material un excel-lent candidat per a la manufactura de biosensors, comparable a altres aproximacions com la quemisorció de alcanotiols sobre electrodes d'or. Els esmentats electrodes interdigitats es van fer servir per probar dos nous sistemes de transducció. Ambdues aproximacions comparteixen un tret comu: aprofiten la capacitat dels electrodes interdigitats per mesurar canvis local en les propietats elèctriques del medi on es troben submergits. En II, aquest fet és utilitzat per monitoritzar una reacció enzimàtica, i es mostra com la característica de mesura local en electrodes interdigitats dóna lloc a una detecció més sensible. A més, es demostra que aquesta aproximació es adequada per la detecció de proteïnes fent servir l'enzim com a marca en un immunoassaig. En III, els electrodes interdigitats actuen com a sensor i actuador. Com a actuador, els electrodes son capaços de concentrar esferes de làtex a la seva superficie. Com a transductors, la presencia de les micropartícules aïllants a la seva superficie dóna lloc a un canvi en la geometria de la cel-la, que pot ser detectat monitoritzant tant la resistència com la capacitat de la solucio. Aquest mode de funcionament es paral-lel al dels sensors magnetoresistius, i el principi de transduccio proposat es presenta com a una alternativa a ells. Finalment, un quart treball es presenta en aquesta tesi (anex). Comparteix dues característiques en comú amb els treballs previs: el sustrat (silici) i una metodologia per la inmoblització de biomolecules (silanització). Les seves aplicacions son, però, diferents i cobreixen un rang més ampli d'aplicacions. En concret, una nova metodologia pel nanoestructurat de superfícies, de baix cost i fàcil disponibilitat és presentada. Es van aconseguir motius fets amb molècules de silà amb dimensions inferiors als 10 nm. En el marc de la biodetecció, aquesta nova tècnica per nanoestructurat superficial es propossa com a alternativa a la nanolitografia dip-pen per la manufactura de nanomatrius de biomolècules. Les petites dimensions dels motius obtinguts obren el cami per la consecució de nanomatrius d'una única molècula.This work discusses different aspects related to the design of biosensors and biodetection systems. It describes the fabrication and characterization of particular electric transducers together with the development of new transduction systems and the finding of new methodologies for biomolecule nanoarray fabrication. Firstly, a new type of impedimetric transducer is presented (I). A two-electrode interdigitated design was chosen, mainly for three reasons. First, this geometry allows the monitoring of both the resistivity and the dielectric constant of a solution, thus making interdigitated electrodes more versatile tools than other kind of transducers. Second, they present short electric field penetration depths, which make them more sensitive to changes occurring close to their surface. This fact enables the monitoring of local changes in the magnitudes of interest. Finally, they are suitable for constructing not only sensors but also actuators. This geometry appears to be useful in dielectrophoresis experiments. One innovation introduced in this thesis is the material chosen to fabricate the electrodes: polycrystalline silicon, also known as polysilicon. Polysilicon can be easily modified to render surfaces with distinct physical and chemical properties, thus making this material an excellent approach for biosensors manufacture, comparable to other approaches like alkanethiol chemisorption on gold electrodes. The aforementioned interdigitated electrodes were used to test two new transduction principles. The two approaches share a common feature: they rely on the ability of interdigitated electrodes to measure local changes in the electrical properties of the medium where they are immersed. In II, this is used to monitor an enzymatic reaction, and it is shown that the characteristics of measuring local changes at interdigitated electrodes result in a more sensitive detection. Furthermore, the feasibility of this approach for protein detection is demonstrated by using the enzyme as a label for performing an immunoassay. In III, the interdigitated electrodes act both as a transducer and as an actuator. As an actuator, the electrodes are able to concentrate latex beads at their surface. As a transducer, the presence of the insulating microparticles at their surface results in a change in the geometry of the cell, that can be detected by monitoring either the resitance or the capacitance of the solution. Such device performance is parallel to that of magnetoresistive biosensors, and the proposed transduction principle is envisaged as a suitable alternative to them. Finally, a fourth work is presented in this thesis (Annex). It shares two features in common with the previous works: the substrate (silicon) and a method for biomolecule immobilization (silanization). However, the applications are somehow different, and cover a wider range. Precisely, a new methodology for low cost, easily available nanopatterning is shown. Features made of silane molecules, with dimensions less than 10 nm are successfully patterned. In the frame of biodetection, this new nanopatterning technique is proposed as an alternative to dip-pen nanolithography in nanoarray manufacture. Moreover, the small dimensions of the obtained patterns pave the way for the achievement of single-molecule nanoarrays
Desenvolupament d'una plataforma lab-on-a-chip per a la realització automatitzada d'assajos d'afinitat amb marca enzimàtica
No full textLa necessitat de tenir accés a eines per diagnosticar una malaltia ràpidament s’ha fet cada cop més evident, especialment després de la pandèmia provocada pel virus SARS-CoV-2. Actualment la majoria d’anàlisis els fa personal tècnic en laboratoris especialitzats, de manera que entre la presa de la mostra i l’obtenció dels resultats passen com a mínim 48h. Aquest retard dificulta prendre decisions i mesures de forma ràpida per actuar en conseqüència. Disposar d’eines d’anàlisis ràpides, robustes i que es puguin utilitzar al mateix lloc on s’atén al pacient (point-of-care) és una millora considerable de cara al diagnòstic i seguiment d’una malaltia. Algunes d’aquestes eines ja estan disponibles al mercat, com ara el test d’embaràs, el de detecció de glucosa per a diabètics o el de SARS-CoV-2. Aquests dispositius però, només permeten implementar protocols d’anàlisis molt simples que no requereixin la manipulació de gaires reactius ni constin de moltes etapes, o bé el resultat que se n’obté no és quantitatiu, fet que en limita l’ús per a determinades aplicacions on es requereix la quantificació de la mostra. El desenvolupament de dispositius (lab-on-a-chip) que permetin suplir aquestes carències, passa per incloure altres elements, com ara sistemes de detecció més precisos o sistemes per bombejar els fluids o per gestionar la circulació de múltiples reactius (e.g. vàlvules). Però per integrar-los en plataformes que siguin compactes i portables primer cal miniaturitzar-los, ja que actualment la gran majoria depenen d’elements externs voluminosos que impedeixen utilitzar-los in-situ. Aquesta tesis parteix de la tecnologia de vàlvules de cera integrades en dispositius lab-on-a-chip desenvolupada prèviament al Grup de Transductors Químics de l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC). Primerament aquestes vàlvules s’actuaven elèctricament, però se’n va adaptar l’actuació per polsos de llum LED, ja que permetia simplificar la interfície i desenvolupar una plataforma potencialment més compacta. La tesis se centra en adaptar la tecnologia per integrar les vàlvules en xips microfluídics fabricats per tècniques de prototipatge ràpid. Aprofitant els avantatges que confereixen aquestes vàlvules, s’ha desenvolupat un instrument portable, per a automatitzar el funcionament dels xips, que integra un sistema de bombeig i un sistema de mesura de l’absorbància. A banda d’això, la plataforma s’ha adaptat per desenvolupar assajos d’afinitat amb marcatge enzimàtic del tipus ELISA sandvitx (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay). Per dur a terme aquests assajos s’ha incorporat una fase sòlida al xip sobre la qual s’han immobilitzat les molècules de captura. S’ha avaluat el comportament fluídic de tres fases sòlides diferents: microesferes de poliestirè, nitrocel·lulosa i vidre. Posteriorment, s’han posat apunt un assaig del tipus ELISA sandvitx (sobre nitrocel·lulosa) i un assaig de tipus ELONA (Enzyme-Linked Oligonucleotide Assay) (sobre vidre). Els assaigs s’han optimitzat en xips sense vàlvules i utilitzant una bomba de xeringa comercial per garantir un control ideal dels paràmetres fluídics. El primer assaig es basa en la detecció del factor de necrosis tumoral alpha (TNFα), una proteïna pro-inflamatòria que participa, juntament amb altres citoquines, en la resposta del sistema immunitari. És una proteïna àmpliament utilitzada com a biomarcador per estudiar la resposta antiinflamatòria front a diverses malalties. El segon assaig està pensat per detectar la seqüència d’ARNr 16S d’Escherichia coli a través de la interacció d’aquesta amb seqüències complementàries, en un format d’assaig del tipus ELONA. E.coli és un dels bacteris més comuns causants d’infeccions, tant en humans com en animals. Per això és un bon indicador d’interès en àmbits com la medicina, la indústria alimentària o el medi ambient. S’ha demostrat la viabilitat de realitzar immunoassajos automatitzats, encara que s’han detectat necessitats de millora en el disseny que caldria solucionar per tal de poder explotar al màxim el potencial de la plataforma desenvolupada.La necesidad de tener acceso a herramientas para diagnosticar una enfermedad rápidamente es cada vez más evidente, especialmente después de la pandemia provocada por el virus SARS-CoV-2. Actualmente la mayoría de análisis los hace personal técnico en laboratorios especializados, de forma que entre la toma de la muestra y la obtención de los resultados transcurren como mínimo 48h. Este retraso dificulta tomar decisiones y medidas con rapidez para actuar en consecuencia. Disponer de herramientas de análisis rápidas, robustas y que se puedan utilizar en el mismo lugar de atención al paciente (point-of-care) es una mejora considerable para el diagnóstico y seguimiento de una enfermedad. Algunas de estas herramientas ya están disponibles en el mercado, como el test de embarazo, el de detección de glucosa para diabéticos o el de SARS-CoV-2. Pero estos dispositivos solo permiten implementar protocolos de análisis simples que no requieran la manipulación de muchos reactivos ni consten de muchas etapas, o bien el resultado que se obtiene no es cuantitativo, lo que limita su uso para determinadas aplicaciones donde se requiere la cuantificación de la muestra. El desarrollo de dispositivos (lab-on-a-chip) que permitan suplir estas carencias, pasa por incluir otros elementos, como sistemas de detección más precisos o sistemas de bombeo de fluidos o de gestión de la circulación de múltiples reactivos (e.g. válvulas). Pero para integrarlos en plataformas que sean compactas y portables primero hay que miniaturizarlos, ya que la gran mayoría depende de elementos externos voluminosos que impiden su uso in-situ. Esta tesis parte de la tecnología de válvulas de cera integradas en dispositivos lab-on-a-chip desarrollada previamente en el Grup de Transductors Químics del Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC). Estas válvulas se actuaban eléctricamente, pero se adaptó la actuación por pulsos de luz LED, ya que permitía simplificar la interfaz y desarrollar una plataforma potencialmente más compacta. La tesis se centra en adaptar la tecnología para integrar las válvulas en chips microfluídicos fabricados por técnicas de prototipado rápido. Aprovechando las ventajas que confieren estas válvulas, se ha desarrollado un instrumento portable para automatizar el funcionamiento de los chips que integra un sistema de bombeo y un sistema de medida de la absorbancia. Además, la plataforma se ha adaptado para desarrollar ensayos de afinidad con marcaje enzimático del tipo ELISA sándwich (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay). Para realizar estos ensayos se ha incorporado una fase sólida dentro del chip sobre la cual se han inmovilizado las moléculas de captura. Se ha evaluado el comportamiento fluídico de tres fases sólidas diferentes: microesferas de poliestireno, nitrocelulosa y vidrio. Se han puesto a punto un ensayo del tipo ELISA sándwich (sobre nitrocelulosa) y un ensayo del tipo ELONA (Enzyme-Linked Oligonucleotide Assay) (sobre vidrio). Los ensayos se han optimizado en chips sin válvulas y utilizando una bomba de jeringa comercial para garantizar un control ideal de los parámetros fluídicos. El primer ensayo se basa en la detección del factor de necrosis tumoral alpha (TNFα), una proteína pro-inflamatoria ampliamente usada como biomarcador para estudiar la respuesta antiinflamatoria frente a varias enfermedades. El segundo ensayo está pensado para detectar la secuencia de ARNr 16S de Escherichia coli mediante la interacción de esta con secuencias complementarias, en un formato de ensayo del tipo ELONA. E.coli es una de las bacterias más comunes causantes de infecciones, tanto en humanos como en animales. Por eso es un buen indicador de interés en ámbitos como la medicina, la industria alimentaria o el medio ambiente. Se ha demostrado la viabilidad de realizar inmunoensayos automatizados, aunque se han detectado necesidades de mejora del diseño que deberían solucionarse para poder explotar al máximo el potencial de la plataforma desarrollada.Recently, having access to tools to diagnose a disease in a rapid way has become of great importance, especially after the pandemic caused by SARS-CoV-2 virus. Currently, the vast majority of analysis are carried out by technicians in specialized labs. In this way, the span time between the sampling and the results is at least 48h. This delay hinders the possibility to act rapidly and accordingly to the results obtained. Therefore, having fast and robust analysis tools that could be used at the same point-of-care is a considerable improvement in the diagnosis and monitoring of a disease. Some of these tools are already available in the market, like for example the pregnancy test, the test for glucose detection for diabetic patients or the SARS-CoV-2 test. However, only simple analysis, that require few reagents and steps, can be done with these devices. Moreover, the obtained result is often non-quantitative, which limits the use of these devices to the applications where no quantification is required. The development of lab-on-a-chip devices to overcome these limitations requires to miniaturize and incorporate other elements, like more precise detection systems or fluid handling systems (e.g. valves and pumps). Nevertheless, the majority of these devices rely on bulky elements that restrict its use in-situ. This thesis is based on the wax valve technology previously developed by the Grup de Transductors Químics of Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC). The first valves were electrically actuated, but finally they were adapted to be controlled by LED light pulses which enables to simplify the interface and develop a potentially more compact platform. Taking these valves as the starting point, the thesis is focused on adapting the technology to integrate them into microfluidic chips fabricated by rapid prototyping techniques. In addition, taking advantage of the benefits of these valves, a portable instrument to automate the use of the chips, that incorporates a pumping system and an absorbance measurement system, has been developed. A part from that, the platform has been adapted to develop ELISA-like (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) affinity assays with enzymatic labelling. To perform those assays, a solid phase, in which the capture molecules have been immobilized, is incorporated inside the chip. The fluidic behaviour of three different solid phases has been studied: polystyrene microspheres, nitrocellulose and glass. Later, an ELISA sandwich like assay (onto nitrocellulose) and an ELONA (Enzyme-Linked Oligonucleotide Assay) (onto glass) have been implemented on-chip. To optimize the assays, chips without valves and a commercial syringe pump have been used to guarantee the ideal control of fluidic parameters. The first assay is based on the detection of tumour necrosis factor alpha (TNFα), a pro-inflammatory protein widely used as a biomarker to study the anti-inflammatory response to various diseases. The second assay is based on the detection of 16S rRNA sequence of Escherichia coli by the interaction between this sequence with complementary ones in an ELONA like assay. E.coli is one of the most common bacteria causing infections, both in humans and animals. That is why it is a good indicator of interest in areas like medicine, the food industry or the environment. The viability to perform automatic immunoassays has been demonstrated although some needs for design improvements have been detected which should be addressed in order to maximize the potential of the developed platform.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència dels Aliment
ISFET Based Microsensors for Environmental Monitoring
No full textThe use of microsensors for in-field monitoring of environmental parameters is gaining interest due to their advantages over conventional sensors. Among them microsensors based on semiconductor technology offer additional advantages such as small size, robustness, low output impedance and rapid response. Besides, the technology used allows integration of circuitry and multiple sensors in the same substrate and accordingly they can be implemented in compact probes for particular applications e.g., in situ monitoring and/or on-line measurements. In the field of microsensors for environmental applications, Ion Selective Field Effect Transistors (ISFETs) have a special interest. They are particularly helpful for measuring pH and other ions in small volumes and they can be integrated in compact flow cells for continuous measurements. In this paper the technologies used to fabricate ISFETs and a review of the role of ISFETs in the environmental field are presented
Sistema de lectura eléctrica de microarrays proteomicos
No full textEn esta tesis se presenta un sistema de lectura eléctrica de microarrays que comprenden una serie de transductores impedimétricos con los cuales realizar la detección multiplexada de hasta 36 eventos biológicos en un mismo sustrato. Al igual que con los microarrays de lectura fluorescente, se han empleado sustratos de vidrio desechables para la fabricación del microarray. Sin embargo, a diferencia de ellos , el sistema presentado es compacto y requiere una instrumentación sencilla y de bajo coste, lo que hace que el sistema pueda ser muy útil para realizar la descentralización de este tipo de medidas analíticas. Otros sistemas de lectura eléctricos compactos reportados anteriormente se basan en la inmovilización de los receptores biológicos específicos sobre la superficie del transductor, lo que hace que sean de un solo uso y por lo tanto costosos. Nuestro sistema combina las ventajas de los sistemas eléctricos anteriores y los escáneres de fluorescencia.
El array de electrodos interdigitados (IDEs) se fabricó sobre sustratos de vidrio. Las medidas conductimétricas fueron realizadas con estos transductores mediante la aplicación de reacciones de inmunoensayo que emplean la ureasa como marca. La hidrólisis de la urea catalizada por la ureasa produce especies iónicas en solución que aumentan su conductividad. Los microarrays se fabrican sobre portaobjetos de vidrio convencional. Para la lectura, se coloca sobre el microarray sobre el array de IDEs dejando un espacio de fijo entre ambos, de modo que cada punto del microarray se alinea con su IDE correspondiente.
En el proceso de medida se depositaron gotas de solución de medida que contienen urea que ponían en contacto el IDE y el punto correspondiente del microarray. Sin embargo, en un primero trabajo se presentaron algunos inconvenientes importantes relacionados con la evaporación de las gotas y el cross-talk químico entre las gotas adyacentes debido a migración de especies iónicas, lo que hizo que el sistema presentase unas características de sensibilidad y límite de detección sensiblemente más limitadas que las mostradas por los sistemas de detección fluorescente. Por otra parte, se requería de un microdispensador para posicionar con precisión las gotas sobre los transductores.
En un segundo trabajo, se encontró una solución para resolver estos inconvenientes y se demostró el potencial del sistema para se un competidor real, en términos de rendimiento analítico, frente a los sistemas basados en fluorescencia. Dicha solución se basó en el empleo una estructura de PDMS que incluye 36 micropocillos de 1.2 µL de volumen, los cuales se disponen sobre el array de transductores para contener el volumen de solución de urea y poder realizar la lectura de cada punto del microarray dentro de una cavidad cerrada. Con esta configuración se consiguió evitar por completo los problemas de evaporación y cross-talk químico.
Por último, se presenta un tercer trabajo donde se automatizó este sistema de lectura mediante la implementación de una estructura microfluídica que incluye el array de micropocillos de PDMS así como los componentes fluídicos necesarios para realizar el llenado automático de los mismos así como su lavado posterior una vez realizada la lectura de un microarray. De esta forma, se mejoró el rendimiento del sistema de lectura a la vez que su fiabilidad al minimizar la manipulación por parte de un usuario.An electrical readout system of microarrays comprising an array of conductimetric transducers, which enabled multiplexed detection of up to 36 biological events on the same substrate, is reported in this thesis. Similarly to fluorescent readout counterparts, regular glass slides were applied for carrying out the microarray. However, unlike them, the presented system is compact and requires a simple and inexpensive instrumentation, thus being ideally suited for deployment of bioarray detection approaches. Other compact electrical readout systems previously reported are based on the immobilization of the specific bioreceptors on the transducer surface, which make them single-use and thus expensive. Our system combines the merits of both previous electrical systems and the fluorescence scanner approaches.
An array of 40 μm-pitch gold interdigitated electrode pairs (IDEs) was fabricated on glass substrates. Conductimetric measurements were carried out with these transducers by applying urease-based (urease labeled) immunoassay reactions. The hydrolysis of urea catalyzed by urease produces ionic species in solution that increase its conductivity. In order to carry out such detection scheme, the bioarray was developed on a regular glass slide substrate, which was then placed over the IDE microarray leaving a fixed gap and aligned so that each spot of the bioarray faced one IDE.
Therein, the droplets of urea solution were placed in the gap to contact the IDEs and the corresponding spots of the bioarray. However, in the development of the first approach, some major drawbacks related to droplet evaporation and chemical cross-talk between adjacent droplets made the system to be far from achieving the performance of fluorescent detection approaches. Moreover, a microdispenser was required to accurately position the droplets.
In a second approach, we found the solution for circumventing these drawbacks and the demonstration of the potential of the system as a real competitor against fluorescence based systems in terms of analytical performance. An array structure of 36 PDMS microwells having a volume of 1.2 μL were fabricated by molding and positioned over the IDE array. The geometry of each microwell includes an O-ring like structure and an empty area around it, which enabled first, to easily fill it without using any specific instrumentation and second, to ensure its liquid tightness once the bioarray was positioned over it. This set-up was demonstrated to completely avoid the evaporation and chemical cross-talk issues.
Finally, a third approach is presented, where the readout automatized by means of a microfluidic structure that includes the PDMS microwells together with those fluidic components that enabled the automatic filling with the measuring solution as well as the cleaning step of the system once a microarray was measured. Working in this way improves the throughput of the electrical readout system as well as enhanced its reliability by minimizing the manipulation by the user
Integración de microsensores y estructuras microfluídicas para la medida de parámetros químicos en sistemas biológicos
No full textEl objetivo de esta tesis es resolver algunos aspectos científicos-técnicos de los LOC relacionados con la integración de sensores de estado sólido. Para conseguirlo se presenta el desarrollo de una tecnología que permite la integración de chips fabricados con tecnología microelectrónica y estructuras microfluídicas en sustratos poliméricos.
Este manuscrito se divide en 6 capítulos. En el Capítulo 1 se realiza una introducción general de los principales elementos involucrados en el desarrollo de esta tecnología de integración, que son los sensores fabricados con tecnología microelectrónica, las estructuras microfluídicas, y las tecnologías de integración existentes. Un análisis del estado del arte de las principales aplicaciones de los sistemas LOC en la literatura, nos ha llevado a dirigir la aplicación de los dispositivos fabricados hacia la medida de parámetros químicos para aplicaciones biológicas. En el Capítulo 2 se definen los objetivos y motivaciones que han llevado al trabajo de investigación de esta tesis.
En el Capítulo 3 se presenta la fabricación y caracterización de una serie de microsensores para su aplicación en cultivos celulares y en la medida de fluidos biológicos. Estos sensores son transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET), sensores amperométricos y sensores impedimétricos o electrodos interdigitados (IDE), para la medida de pH, ion potasio, oxígeno disuelto, glucosa y conductividad del medio, respectivamente. En el Capítulo 4 se expone el desarrollo de una tecnología que permite la integración de estos sensores en plataformas comerciales tipo PCB (printed circuit board) con sencillas estructuras microfluídicas fabricadas en PDMS. En el Capítulo 5 se demuestra la flexibilidad de la tecnología desarrollada mediante la fabricación de tres dispositivos de sistemas LOC, para su aplicación en la medida del pH extracelular de cultivos celulares y en el control del pH de la orina en la enfermedad de litiasis. En el Capítulo 6 se resume el trabajo futuro a realizar para optimizar la tecnología de integración desarrollada y seguir avanzando hacia la fabricación de sistemas LOC viables para su aplicación en sectores de interés industrial.The objective of this thesis is to solve some of the scientific-technical problems related to the integration of solid state sensors in lab on a chip systems (LOCs). To achieve this, the development of a technology that allows the integration of chips fabricated with microelectronics and microfluidic structures on polymer substrates is presented.
This manuscript is divided into 6 chapters. In Chapter 1 a general introduction to the main elements involved in the development of this technology is presented. These elements are microelectronic sensors, microfluidic structures and existing integration technologies. An analysis of the state of the art of the main applications of LOC systems in the literature has led us to address the application of the devices fabricated within this thesis to measure chemical parameters for biological applications. In Chapter 2 the objectives and motivations followed in this thesis are defined.
The production and characterization of a number of microsensors for use in cell culture and measurement of biological fluids is presented in Chapter 3. These microsensors are ion selective field effect transistors (ISFET), amperometric sensors and impedimetric interdigitated electrodes (IDE) and are applied to monitor pH, potassium ion, dissolved oxygen, glucose and conductivity of the extracellular medium, respectively.
In Chapter 4 the development of a technology that allows the integration of these sensors into commercial platforms, such as PCB (printed circuit board) with simple microfluidic structures made of PDMS is exposed. In Chapter 5, the flexibility of the technology developed is presented by the manufacture of three devices of LOC systems, for use in the measurement of the extracellular pH in cell cultures and controlling the pH of the urine in gallstone disease.
Future work involves optimizing integration technology developed and further progress towards making LOC systems viable for application in areas of industrial interest is summarized in Chapter 6
Dispositius impedimètrics per a la detecció directa de microorganismes
No full textLa detecció de bacteris patògens en medis aquosos és d’alta importància en diversos camps. Un diagnòstic ràpid de la qualitat de les aigües és fonamental per evitar exposar la població a patògens. Els mètodes de detecció tradicionals requereixen períodes d’incubació d’entre 18 a 96 hores i, per tant, fins que no se sàpiguen els resultats hi ha risc d’infecció. Els biosensors es caracteritzen per ser senzills d’utilitzar i per no requerir grans equips per realitzar-ne les mesures. A més, són fàcils d’integrar a sistemes de flux i els resultats es poden obtenir de manera instantània i serien idonis per assolir unes mesures a temps real.
Per aquest motiu, en aquest treball es planteja l'ús de biosensors elèctrics basats en impedància no faradaica per assolir l’objectiu de detectar bacteris en medis aquosos. Aquest tipus de biosensors permeten la detecció directa sense la necessitat d’afegir cap reactiu addicional i la distinció entre bacteris vius i morts.
Aquest treball de tesi parteix d'un treball previ en el què es proposava la detecció de bacteris mitjançant mesures de la capacitat de la solució (Cs) i s'atribuïa la diferenciació entre cèl·lules vives i mortes a la diferència de volums i propietats elèctriques dels diferents tipus de cèl·lula. En aquesta tesi es fa un replantejament d'aquests estudis i es proposa que la distinció entre cèl·lules vives i mortes recau en la diferència de la conductivitat del seu medi intern i que, com a conseqüència de la seva estructura, les cèl·lules vives poden actuar com a partícules conductores o aïllants en funció de la freqüència en què es mesurin. Partint d'aquestes hipòtesis es plantegen diferents objectius que comprenen des d'estudis mitjançant simulacions per elements finits (FEA), a mesures experimentals amb IDEs de diferents geometries, fins l'obtenció d'un nou dispositiu amb un sistema microfluídic integrat per automatitzar les mesures.
Mitjançant estudis de simulacions FEA s'avalua l'afectació que suposa el posicionament del bacteri i la conductivitat del medi de mesura. També s'estudia la relació òptima entre la mida del bacteri i la dels elèctrodes interdigitats.
Es realitzen mesures per la detecció d'E coli sobre IDEs de 1.5x1.5 µm i de S. cerevisiae sobre IDEs de 6x6 µm. En les mesures d'E. coli s'observa que aquestes responen seguint un patró espectral d'impedància que és únic i es diferencia de la resposta obtinguda per les mesures d'altres esdeveniments que també alteren la impedància. En canvi, pel cas dels llevats, s'observa que actuen com a partícules purament conductores i s'obté una relació lineal entre la cobertura de l'IDE per llevats i el senyal negatiu de Z.
Finalment es realitza el disseny i fabricació d'una nova geometria d'IDE per detectar microorganismes sub-micromètrics. Per aquest nou xip es dissenya un encapsulat amb un sistema microfluídic integrat i un imant amb diferents posicions per facilitat la captació immunomagnètica de la mostra. S'optimitzen tots els paràmetres per realitzar les mesures mitjançant la utilització de tècniques com la microscòpia confocal i, finalment, es realitzen mesures directes i indirectes del bacteri i s'analitza la raó dels diferents resultats obtinguts amb les mesures.Bacterial pathogens are important targets for detection and identification in medicine, food safety, public health, and security. A rapid diagnostic of water quality is fundamental to avoid population exposure to pathogens. Traditional bacterial detection methods need large incubation times (between 18 and 96 hours) during which time people are at risk. Biosensors are easy to use and no complex equipment are needed to use them. Moreover, they are easy to integrate with fluidic systems and the results can be achieved instantaneously.
For this reason, this thesis considers the use of electrical biosensors based on non-faradaic impedance to achieve the objective of detecting bacteria in aqueous media. Such biosensors allow direct detection without adding any additional reagent and they permit the distinction between live and dead bacteria.
This work is based on a previous work in which was proposed the detection of bacteria by measurements of the capacity of the solution (Cs). The differentiation between dead and living cells was attributed to the difference of volumes and electric properties of each type of cell. This thesis is a rethinking of these studies and it is proposed that in the difference in the conductivity of its internal medium lies the distinction between dead and living cells. Indeed, as a result of its structure, living cells can act as conductive or insulating particles depending on the measured frequency. Based on these assumptions the following studies are performed.
Using FEA simulations, we can evaluate the effect of bacteria positioning and the conductivity of measurement medium. The optimum relation between bacteria and interdigitated electrodes size is studied as well.
Moreover, measures to detect E. coli with 1.5x1.5 µm IDEs and S. cerevisiae with IDEs de 6x6 µm are performed. A differential impedance spectrum representation is used to study the unique fingerprint that arises when microorganisms attach to the surface of IDEs. For E. coli, that fingerprint shows the dual electrical behavior, insulating and conductive, at different frequency ranges. However, in the case of yeast, it is observed that it acts as purely conductive particle.
The design and manufacture of a new geometry of IDE to detect sub-micrometer microorganisms is performed. This new chip is designed with a microfluidic channel and a magnet integrated in the encapsulation to perform immunomagnetic catchment. All settings are optimized using techniques such as confocal microscopy and, finally, direct and indirect measurements of bacteria are carried out and the reason for the different results obtained are analyzed
