A calibration method for smartphone camera photophlethysmography

Smartphone camera photoplethysmography (cPPG) enables non-invasive pulse oximetry and hemoglobin concentration measurements. However, the aesthetic-driven non-linearity in default image capture and preprocessing pipelines poses challenges for consistency and transferability of cPPG across devices. This work identifies two key parameters—tone mapping and sensor threshold—that significantly impact cPPG measurements. We propose a novel calibration method to linearize camera measurements, thus enhancing consistency and transferability of cPPG across devices. A benchtop calibration system is also presented, leveraging a microcontroller and LED setup to characterize these parameters for each phone model. Our validation studies demonstrate that, with appropriate calibration and camera settings, cPPG applications can achieve 74% higher accuracy than with default settings. Moreover, our calibration method proves effective across different smartphone models (N=4), and calibrations performed on one phone can be applied to other smartphones of the same model (N=6), enhancing consistency and scalability of cPPG applications

BEst (Biomarker Estimation): Health Biomarker Estimation Non-invasively and Ubiquitously

This dissertation focuses on the non-invasive assessment of blood-hemoglobin levels. The primary goal of this research is to investigate a reliable, affordable, and user-friendly point-of-care solution for hemoglobin-level determination using fingertip videos captured by a smartphone. I evaluated videos obtained from five patient groups, three from the United States and two from Bangladesh, under two sets of lighting conditions. In the last group, based on human tissue optical transmission modeling data, I used near-infrared light-emitting diode sources of three wavelengths. I developed novel image processing techniques for fingertip video analysis to estimate hemoglobin levels. I studied video images creating image histogram and subdividing each image into multiple blocks. I determined the region of interest in a video and created photoplethysmogram signals. I created features from image histograms and PPG signals. I used the Partial Least Squares Regression and Support Vector Machine Regression tools to analyze input features and to build hemoglobin prediction models. Using data from the last and largest group of patients studied, I was able to develop a model with a strong linear correlation between estimated and clinically-measured hemoglobin levels. With further data and methodological refinements, the approach I have developed may be able to define a clinically accurate public health applicable tool for hemoglobin level and other blood constituent assessment

CardioCam: Leveraging Camera on Mobile Devices to Verify Users While Their Heart is Pumping

With the increasing prevalence of mobile and IoT devices (e.g., smartphones, tablets, smart-home appliances), massive private and sensitive information are stored on these devices. To prevent unauthorized access on these devices, existing user verification solutions either rely on the complexity of user-defined secrets (e.g., password) or resort to specialized biometric sensors (e.g., fingerprint reader), but the users may still suffer from various attacks, such as password theft, shoulder surfing, smudge, and forged biometrics attacks. In this paper, we propose, CardioCam, a low-cost, general, hard-to-forge user verification system leveraging the unique cardiac biometrics extracted from the readily available built-in cameras in mobile and IoT devices. We demonstrate that the unique cardiac features can be extracted from the cardiac motion patterns in fingertips, by pressing on the built-in camera. To mitigate the impacts of various ambient lighting conditions and human movements under practical scenarios, CardioCam develops a gradient-based technique to optimize the camera configuration, and dynamically selects the most sensitive pixels in a camera frame to extract reliable cardiac motion patterns. Furthermore, the morphological characteristic analysis is deployed to derive user-specific cardiac features, and a feature transformation scheme grounded on Principle Component Analysis (PCA) is developed to enhance the robustness of cardiac biometrics for effective user verification. With the prototyped system, extensive experiments involving 25 subjects are conducted to demonstrate that CardioCam can achieve effective and reliable user verification with over 99% average true positive rate (TPR) while maintaining the false positive rate (FPR) as low as 4%

Developing a home monitoring system for patients with chronic liver disease using a smartphone

Liver disease is a growing problem in the UK, and one of the major causes of working-age premature death. Patients with advanced liver disease are typically admitted to hospital on multiple occasions, where they are stabilised before discharge. At home, there is little or no monitoring of their condition available, making it difficult to time additional treatment. Here, a system for non-invasive assessment of serum bilirubin level is proposed, based on imaging the white of the eye (sclera) using a smartphone. Elevated bilirubin level manifests as jaundice, and is a key indicator of overall liver function. Smartphone imaging makes the system low cost, portable and non-contact. An ambient subtraction technique based on subtracting data from flash/ no-flash image pairs is leveraged to account for variations in ambient light. The subtracted signal to noise ratio (SSNR) metric has been developed to ensure good image quality. Values falling below the experimentally-determined threshold of 3.4 trigger a warning to re-capture. To produce device-independent results, mapping approaches based on image metadata and colour chart images were compared. It was found that introducing a one-time calibration step of imaging a colour chart for each device leads to the best compatibility of results from different phones. In a clinical study at the Royal Free Hospital, London, over 100 sets of patient scleral images were captured with two different smartphones and paired clinical information was recorded. A filtering algorithm was developed to tackle the high density of blood vessels and specular reflection observed in the images, yielding a 94% success rate. Strong cross-sectional and longitudinal correlations of scleral yellowness and serum bilirubin level were found of 0.89 and 0.72 respectively (both p<0.001). When the proposed processing was applied, results from the two phones were demonstrated to be compatible. These results demonstrate the strong potential for the system as a monitoring tool

Towards portability in analytical chemistry: New tools

Desde principios de siglo los cambios en la sociedad, la investigación de nuevos (nano)materiales y la aparición de internet y de nuevas tecnologías han sido tres pilares fundamentales en los que se ha basado el desarrollo de la química analítica. Gracias a los recientes avances tecnológicos se ha generado un gran impulso hacia la creación de nuevas herramientas y dispositivos. Esto, junto con la evolución en la informática ha conllevado a la automatización y miniaturización de los sistemas analíticos, reduciendo los tiempos de análisis y mejorando los resultados obtenidos. Una de las exigencias a tener en cuenta dentro de la química actual es aproximarla a los calificativos sostenible y verde. El concepto “sostenible” apareció por primera vez en los años 70, basándose en la unión del desarrollo económico y la preservación de los ecosistemas naturales. Se planteó con la intención de concienciar sobre las consecuencias negativas en el medio ambiente derivadas de la globalización, la industrialización y del crecimiento de la población. En concreto, la química sostenible, tiene en cuenta los posibles efectos producidos por el procesado de materiales, la obtención de recursos energéticos y el impacto social y económico. Al mismo tiempo, la química sostenible también se centra en el control del consumo de recursos y de energía, de manera que se puedan regenerar de forma natural y que la generación de residuos vaya a un ritmo más lento que la gestión de estos. Más tarde, debido a la preocupación por la contaminación ambiental producida por la industria química, apareció en la década de los 90 el termino química verde. Fueron Anastas y Warner quienes en 1998 plasmaron estas preocupaciones en una lista de 12 principios como guía para realizar buenas prácticas en química. Así, la química verde puede ser entendida como el diseño, el desarrollo y la puesta en práctica de procesos químicos o de productos para reducir o incluso eliminar el uso y la generación de sustancias tóxicas y peligrosas. En el campo de la química analítica, siguiendo los pasos de la química verde, apareció la necesidad de crear protocolos y dispositivos para evitar el uso de reactivos peligrosos y para facilitar el análisis in-situ, la miniaturización de procedimientos y de instrumentación y la reducción de costes, de residuos y de consumo de energía, entre otros. Así pues, Gałuszka propuso doce principios para ayudar a la creación de laboratorios analíticos más verdes. Teniendo en cuenta estos principios, es importante encontrar el equilibrio entre rendimiento, coste, complejidad, fiabilidad y sostenibilidad en el momento de elegir la mejor opción para abordar cualquier cuestión que se plantee. Siguiendo las ideas expuestas anteriormente y en consonancia con los problemas de la sociedad actual, se ha observado la necesidad de desarrollar nuevos dispositivos que sean capaces de resolver problemas de la vida diaria en el mismo sitio donde aparecen. Estas necesidades, junto con las recientes evoluciones en las tecnologías de microsensores, ha conducido al desarrollo de instrumentación portátil como una posible alternativa para la solución de estos problemas. Estas herramientas se caracterizan por tener un tamaño y peso reducido, bajo consumo de energía, relación calidad precio muy satisfactoria, trabajar con interfaces de usuario sencillas, ser capaces de trabajar en diferentes ambientes y tener la capacidad de procesar y comunicar los datos obtenidos con facilidad. Cabe destacar también su facilidad para ser utilizados por personal no especializado, además de presentar una gran versatilidad, lo que les permite ser utilizados en diferentes campos de aplicación. En esta Tesis se ha descrito el concepto de instrumentación portátil tal como se entiende en la actualidad y se ha evaluado el posible uso de varios de estos dispositivos como instrumentos de medidas para realizar análisis in situ con diferentes técnicas y en diferentes campos. En los últimos 10 años, la mayoría de dispositivos portátiles desarrollados se han centrado en métodos de análisis espectroscópicos, seguidos de métodos cromatográficos, electroquímicos y de espectrometría de masas. Las principales características de las técnicas analíticas mencionadas han sido comparadas con instrumentación de laboratorio, estableciendo sus principales puntos fuertes y débiles. Concretamente, en esta tesis se ha evaluado la portabilidad en la química analítica desde tres estrategias distintas: 1- Sensores ópticos y medidas con instrumentación portátil. 2- Cromatografía de capa fina de alto rendimiento miniaturizada y medidas con dispositivos portátiles. 3- Sensores electroquímicos y voltamperometría cíclica portátil. Un (bio)sensor óptico consiste en un elemento de reconocimiento que interacciona con el compuesto de interés produciendo un cambio de color. Este color es proporcional a la concentración del analito objeto de estudio y puede ser fácilmente detectado por el ojo humano, aunque para obtener un análisis cuantitativo es necesario el uso de instrumentación. Diversos estudios se han realizado de manera satisfactoria utilizando estos tipos de sensores combinados con instrumentación portátil. Además, más recientemente también se ha visto como su combinación junto con el uso de teléfonos móviles puede dar lugar a aplicaciones sostenibles en diversos campos como la salud, la seguridad alimenticia y la protección medioambiental. Existen diversos tipos de dispositivos sensores ópticos, como los sensores de liberación de reactivos, sensores sólidos, kits de pruebas, tiras reactivas, plataformas microfluídicas, tubos colorimétricos, matrices colorimétricas y sensores plasmónicos. Además, estos dispositivos pueden estar producidos con diferentes materiales, en consecuencia, la investigación de nuevos polímeros capaces de presentar alternativas más sostenibles y la investigación de nanomateriales es una de las principales corrientes de estudio en el desarrollo de (bio)sensores. Los nanomateriales presentan una gran superficie específica que tiene un papel clave en la inmovilización de (bio)moléculas, además, muestran propiedades fisicoquímicas únicas difíciles de encontrar en las moléculas pequeñas. En consecuencia, una gran variedad de nanomateriales se ha utilizado para mejorar numerosas técnicas de desarrollo de (bio)sensores. Celulosa, zeína proteína que se extrae del maíz, polidimetilsiloxano (PDMS), nylon, vidrio o tetraetilortosilicato (TEOS) son algunos de los materiales utilizados en los últimos años. En esta Tesis se ha prestado especial atención al PDMS, Nylon y celulosa como soportes para diferentes sensores colorimétricos. Además, también se ha estudiado el TEOS como modificador hidrofílico y utilizado el vidrio para inmovilizar la enzima ureasa. Tradicionalmente, los sensores ópticos se han medido con instrumentación convencional; sin embargo, las medidas espectroscópicas también pueden realizarse con instrumentación portátil y con teléfonos móviles. Existen espectrómetros miniaturizados que pueden acoplarse a la cámara del smartphone para realizar el análisis espectral. Además, el espectrómetro puede equiparse con sondas de fibra óptica con el fin de obtener mediciones más exactas y precisas. Así pues, debido a su pequeño tamaño, su versatilidad y su fácil portabilidad, los espectrómetros para teléfonos móviles son una buena alternativa que puede ser utilizada en diferentes aplicaciones. Los teléfonos móviles también ofrecen la posibilidad de capturar imágenes con sus cámaras para su posterior análisis de imagen. Recientemente se han lanzado al mercado smartphones con mejores cámaras que presentan ajustes más complejos. Estas nuevas configuraciones permiten a los clientes ajustar parámetros de la cámara como la sensibilidad a la luz (ISO), el balance de blancos, el tiempo de exposición o la temperatura del color, reduciendo los errores sistemáticos al realizar el análisis del color. Para llevar a cabo el análisis del color, los colores de una imagen digitalizada se convierten en parámetros o valores numéricos, que dependen del modelo de color seleccionado, utilizando un software de edición de imágenes, los cuales permiten también procesar las imágenes para obtener mejores resultados. Los parámetros de color obtenidos dependen del modelo de color elegido, como las coordenadas rojo-verde-azul (RGB), cian-magenta-amarillo-negro (CMYK), tono-saturación-valor (HSV) o los parámetros CIELAB. Además, hoy en día, debido a su uso generalizado en todo el mundo, existe un amplio tipo de Apps comerciales para Android y para iOS que dan también la posibilidad de obtener parámetros de color al instante, así como aplicaciones diseñadas que analizan los datos obtenidos al instante para obtener resultados directos. En las últimas décadas se ha producido un importante crecimiento en el interés y la popularidad de la cromatografía hasta convertirse en una técnica líder en la química analítica motivado por la necesidad de separar analitos para el estudio de matrices complejas. La cromatografía de capa fina de alto rendimiento (HPTLC) es una técnica que permite realizar mediciones in situ con una detección rápida y un análisis de bajo coste. Para obtener un análisis cualitativo y cuantitativo adecuado, el desarrollo del método es uno de los pasos más críticos y puede dividirse en los siguientes pasos: selección de la fase estacionaria, selección y optimización de la fase móvil, aplicación de la muestra, desarrollo cromatográfico y detección. La HPTLC puede combinarse con diferentes metodologías de detección proporcionando separaciones eficientes y buenas sensibilidades. Además, también ofrece la posibilidad de realizar análisis cuantitativos utilizando instrumentación más moderna como los smartphones, lo que ha llevado a un rápido crecimiento con importantes implicaciones en el marco de la química analítica. En esta Tesis se ha estudiado la combinación de HPTLC con smartphones, para la determinación de lactosa y gluten en diferentes matrices. La electroquímica ofrece una perspectiva prometedora para la miniaturización de los sistemas analíticos, con características que incluyen una alta sensibilidad, bajo coste, bajos requisitos de energía y alta compatibilidad con tecnologías avanzadas. En consecuencia, las metodologías portátiles para el análisis electroquímico se han utilizado para la detección de analitos importantes (proteínas, ácidos nucleicos, proteínas, contaminantes, metabolitos o metales) en muchas áreas diferentes de la química analítica como, por ejemplo, la salud, el análisis clínico, la calidad de los alimentos y del agua, y la seguridad del medio ambiente. En este sentido, el desarrollo de sensores electroquímicos ha sido un tema de gran interés dentro de la química analítica. Se basa en tres componentes esenciales: la muestra, donde se encuentra el analito de interés, el elemento de reconocimiento, donde se produce una interacción biológica o química con la especie objeto de estudio y el transductor, un elemento físico-químico que convierte esta interacción en una respuesta electroquímica. Existen diferentes tipos de transductores que pueden utilizarse para construir biosensores. Los más utilizados son el oro (Au), el platino (Pt), el mercurio (Hg) y los materiales basados en el carbono como los electrodos de carbono serigrafiados (SPCE), diamante dopado con boro (BDD) y carbono vítreo (GC). Además, Los sensores electroquímicos pueden mostrar una alta selectividad y sensibilidad debido a la posibilidad de adaptar la interacción específica de los compuestos mediante la inmovilización, en la superficie del transductor, de elementos de reconocimiento químico o biológico que tengan una afinidad de unión específica con la molécula objetivo. Este proceso se conoce como modificación de la superficie y puede realizarse mediante diferentes estrategias. En la actualidad, existen diferentes métodos conocidos para la modificación de superficies, como la salinización y la fosfatación de superficies oxidadas, el autoensamblaje de tioles en oro y otros metales y la reacción electroquímica conocida como electrografting. En esta tesis se ha estudiado la modificación superficial de electrodos GC y BDD, prestando especial atención al electrografting por reducción de sales de diazonio para su posterior funcionalización. La modificación de los electrodos y la medida de su respuesta se han realizado mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. El objetivo general de esta Tesis es la evaluación de la instrumentación portátil y el estudio de varias estrategias para su combinación con diferentes metodologías analíticas con el fin de demostrar que no sólo pueden ser una alternativa adecuada a la instrumentación convencional, sino que, además, pueden aportar soluciones óptimas para el análisis in situ. En concreto, los objetivos específicos son: 1- Evaluar y optimizar instrumentación portátil, incluyendo smartphones. Estudio de diferentes estrategias de control de las condiciones experimentales y de la influencia de la luz. Realización de análisis con la instrumentación portátil propuesta para las mediciones de sensores ópticos in situ. 2- Desarrollar métodos analíticos basados en la combinación de HPTLC con medidas utilizando instrumentación portátil para la detección y cuantificación in situ de alérgenos alimenticios en diferentes muestras reales. 3- Modificar la superficie de electrodos de GC y BDD mediante electrografting de sales de diazonio para la fabricación de biosensores, y su posterior medida con voltametría cíclica utilizando instrumentación portátil. Se ha establecido la información proporcionada por varios instrumentos desde un punto de vista analítico, verde y sostenible, para evaluar la instrumentación portátil. Uno de los aspectos más importantes relacionados con la medida con smartphones es el control de las condiciones experimentales y de medida. Para ello, se estudió la influencia de condiciones, como el modelo de teléfono móvil y el tamaño y la posición de la muestra, y se han establecido reglas utilizando una paleta de 45 colores como conjunto de validación. Se obtuvieron buenos resultados en términos de intensidades de absorbancia, forma del espectro y en términos de precisión (RSD < 2.5%) en comparación con la instrumentación de laboratorio y otros equipos portátiles. Además, mediante la huella de carbono se observó que los teléfonos inteligentes son una alternativa adecuada y más sostenible para el análisis in situ. Otro aspecto clave a la hora de trabajar con smartphones es controlar la influencia de la luz. Es por esto, que se estudió su influencia, evaluando varias fuentes de luz, como la halógena, la LED y la luz diurna, con el fin de estudiar su influencia en los resultados analíticos. El análisis espectral y del color de la imagen se llevó a cabo utilizando una caja portátil de luz, para controlar la luz incidente, y un conjunto de 45 colores y una paleta de corrección del color como conjunto de validación. La paleta de corrección del color también se utilizó para el diseño de una metodología de procesado de imagen para la aproximación a colores reales. Los resultados obtenidos para el análisis espectral fueron mejores cuando se utilizó una lámpara halógena, sin embargo, para el análisis de las coordenadas RGB se obtuvieron mejores resultados con luz LED. También se estudió la elección de una determinada coordenada de color RGB observando que los mejores resultados se obtenían cuando el parámetro RGB seleccionado era el más cercano al color complementario del tono de color del sensor analizado. Otro de los enfoques estudiados en esta Tesis es el desarrollo de dispositivos colorimétricos para el análisis in situ y su posterior medición mediante las estrategias validadas. En este sentido, se ha propuesto un sensor colorimétrico basado en la inmovilización de NQS como reactivo derivatizante en un composite de PDMS/TEOS/SiO2NPs como sensor de amoníaco para cuantificar NH4+ y urea en muestras de agua y orina humana. El sensor mostró una buena precisión (RSD < 8%), una estabilidad satisfactoria y una versatilidad prometedora al analizar diferentes muestras de aguas residuales y diferentes orinas humanas. La respuesta colorimétrica obtenida se registró mediante reflectancia difusa con un instrumento de laboratorio como referencia y medidas con smartphone para el análisis cuantitativo. En ambos casos, se obtuvieron resultados satisfactorios y mostraron una buena concordancia. También se analizó su respuesta a urea sin y con la hidrólisis de la urea en presencia de la enzima ureasa en solución e inmovilizada en un soporte de vidrio. Los resultados obtenidos indican que el sensor propuesto también puede aplicarse para analizar grupos amino presentes en matrices biológicas, como la orina, además de matrices acuosas, demostrando también la idoneidad de los dispositivos móviles para realizar análisis colorimétrico de sensores sólidos. Las estrategias desarrolladas también se ensayaron analizando sensores de múltiples colores, cubriendo diferentes rangos espectrales. En este sentido, se han propuesto como casos de estudio un sensor plasmónico soportado en nylon para la evaluación de sulfuro de hidrógeno en muestras de aliento, un sensor basado en papel para determinar sulfuro de hidrógeno en matrices de agua y un sensor de PDMS que dispensa el reactivo de Griess para medir la presencia de nitritos en disolución. Se estableció el uso de la fibra óptica como la mejor opción cuando se trabaja con el espectrómetro portátil unido al teléfono móvil utilizando una fuente de luz halógena. Por otro lado, para el análisis de imágenes, se demostró que el uso de luz LED seguido del procesamiento de imágenes proporcionaba los mejores resultados. Los resultados obtenidos han demostrado que los teléfonos inteligentes son una herramienta satisfactoria para el análisis in situ. Se ha propuesto la combinación de la cromatografía en capa fina de alto rendimiento con una reacción de derivatización y detección colorimétrica basada en las medidas con un smartphone. Se han realizado dos estudios diferentes. Por un lado, se llevó a cabo una separación de carbohidratos para la detección de lactosa y por otro lado, también se realizó una separación cromatográfica de proteínas para el aislamiento del gluten. El objetivo de este estudio era la detección selectiva de ambos alérgenos en muestras reales. Se obtuvieron resultados satisfactorios alcanzando LOD a nivel de trazas y se demostró la potencial aplicación del método determinando lactosa en muestras de leche y en muestras de leche sin lactosa. Se obtuvieron buenos resultados en términos de precisión y exactitud con valores de RSD inferiores al 9% y una recuperación media del 102 %. También se ensayaron muestras de superficies de puntos críticos de industrias alimentarias y muestras de aguas efluentes de industrias lácteas obteniendo buenos resultados. También se ha desarrollado un método de separación de proteínas que combina la HPTLC con la detección colorimétrica con un smartphone para el análisis in situ del gluten. Se obtuvieron parámetros analíticos satisfactorios como la linealidad, LODs, LOQs y RSD. Además, se propuso un método de cribado que proporciona una respuesta sí/no utilizando el LOD como valor de corte para determinar gluten en las industrias alimentarias. Se analizaron muestras de superficies de puntos críticos de industrias alimenticias utilizando el método propuesto obteniendo resultados prometedores. También se ha evaluado el uso de instrumentación portátil en electroquímica. Se ha demostrado que la modificación de la superficie de los electrodos de trabajo puede ser una herramienta importante para obtener una mayor selectividad y sensibilidad. En este sentido, se ha estudiado el desarrollo de dos sensores electroquímicos y el uso de diferentes estrategias para su fabricación. En primer lugar, se evaluó un sensor electroquímico basado en la inmovilización de un compuesto redox activo como molécula sonda como la antraquinona en dos electrodos de trabajo diferentes con el fin de elaborar mejores biosensores. Por otro lado, también se estudió la determinación de 2,6-DNT por voltamperometría cíclica modificando un electrodo de carbono vitrificado mediante la reducción de una sal de diazonio y su posterior funcionalización con 2,6-DNT. Así pues, se ha propuesto una ruta fiable y consistente para la modificación superficial de electrodos de GC y BDD a través de la reducción de una sal de diazonio seguido de una inmovilización cruzada de antraquinona. La modificación de la superficie y la inmovilización de la antraquinona en los sensores electroquímicos se confirmó mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. Además, se demostró que la antraquinona inmovilizada en interfaces de GC y BDD mediante procedimientos idénticos tiene diferentes densidades superficiales, valores aparentes de pKa1 y cinética de transferencia de electrones. Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que las propiedades químicas y electroquímicas fundamentales de las moléculas adheridas dependen en gran medida del sustrato, lo que proporciona pautas para un mejor desarrollo de biosensores. También se ha estudiado la inmovilización de 2,6-DNT en la superficie de un electrodo de GC, tanto para superficies no modificadas como para superficies modificadas. Ambos electrodos mostraron buenas linealidades, sin embargo, se logró una mayor sensibilidad cuando se utilizaron electrodos modificados. Además, se han estudiado dos comportamientos diferentes que tienen lugar en función de la concentración de 2,6-DNT mediante el estudio de la densidad superficial, los eventos de tr

Integrating passive ubiquitous surfaces into human-computer interaction

Mobile technologies enable people to interact with computers ubiquitously. This dissertation investigates how ordinary, ubiquitous surfaces can be integrated into human-computer interaction to extend the interaction space beyond the edge of the display. It turns out that acoustic and tactile features generated during an interaction can be combined to identify input events, the user, and the surface. In addition, it is shown that a heterogeneous distribution of different surfaces is particularly suitable for realizing versatile interaction modalities. However, privacy concerns must be considered when selecting sensors, and context can be crucial in determining whether and what interaction to perform.Mobile Technologien ermöglichen den Menschen eine allgegenwärtige Interaktion mit Computern. Diese Dissertation untersucht, wie gewöhnliche, allgegenwärtige Oberflächen in die Mensch-Computer-Interaktion integriert werden können, um den Interaktionsraum über den Rand des Displays hinaus zu erweitern. Es stellt sich heraus, dass akustische und taktile Merkmale, die während einer Interaktion erzeugt werden, kombiniert werden können, um Eingabeereignisse, den Benutzer und die Oberfläche zu identifizieren. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine heterogene Verteilung verschiedener Oberflächen besonders geeignet ist, um vielfältige Interaktionsmodalitäten zu realisieren. Bei der Auswahl der Sensoren müssen jedoch Datenschutzaspekte berücksichtigt werden, und der Kontext kann entscheidend dafür sein, ob und welche Interaktion durchgeführt werden soll

Cellulose-Based Biosensing Platforms

Cellulose empowers measurement science and technology with a simple, low-cost, and highly transformative analytical platform. This book helps the reader to understand and build an overview of the state of the art in cellulose-based (bio)sensing, particularly in terms of the design, fabrication, and advantageous analytical performance. In addition, wearable, clinical, and environmental applications of cellulose-based (bio)sensors are reported, where novel (nano)materials, architectures, signal enhancement strategies, as well as real-time connectivity and portability play a critical role

Development of paper-based microfluidic devices for environmental and food quality analysis, The

Includes bibliographical references.2016 Fall.Providing safe and nutritious food and water, both domestically and internationally, has long been a goal for improving global health. Recent legislations enacted within the United States have enabled government agencies to further regulate agricultural and industry standards, necessitating the need for more preventative approaches with regards to food and beverage quality and safety. Increasing detection speed and enabling field and production detection of point-source contamination are crucial to maintaining food and beverage safety as well as preventing detrimental disease outbreaks, such as those caused by bacterial contamination. The development of simple, inexpensive, and portable methods for detecting contamination indicators are key to reaching this goal. Moreover, recent developments into microfluidic approaches for analysis have shown great promise as platforms for providing faster simplified methods for detection. The work conducted within this dissertation focuses on the development of simple, inexpensive and disposable platforms for colorimetric and electrochemical analysis of food and beverage quality. Aside from more commonly studied polymer-based devices, recent advances in paper-based diagnostics have demonstrated use as an analytical platform capable of self-pumping, reagent storage, mixing, and implementation of various detection motifs. Herein, the development of microfluidic paper-based analytical devices (μPADs) is presented as a platform for the colorimetric detection of bacteria in food and water samples. Initial work was conducted for the paper-based, colorimetric detection of Listeria monocytogenes, Salmonella Typhimurium, and E. coli O157:H7 bacteria species, all of which have been associated with fatal, multistate food- and waterborne outbreaks. Detection was performed on ready-to-eat meats using a swabbing technique to collect and quickly culture surface contamination of bacteria using enzymatic assays within paper-based microwells. A scanner was used for imaging followed by use of image analysis software for semi-quantitative measurement determination. This method was further applied to the detection of bacteria in irrigation water, a known source of foodborne contamination, using a 3D-printed filter for collection and culture of bacteria present in low concentrations within water. Although colorimetric detection offers a simple, visual detection method, electrochemistry is an alternative, sensitive and portable method for detection. Use of common office materials such as transparency film and copy paper, as well as laboratory filter papers were studied and developed for optimal electrochemical platform performance. The use of microwires as a simple fabrication method for incorporating metallic or modified metallic electrodes into electrochemical paper-based devices (ePADs) was also developed. Electrochemical behavior in both well-based and flow-based ePADs was studied and implemented for the nonenzymatic detection of sugars in beverages using copper oxide modified microwires, and for the in-line flow detection of enzymatic assays using gold and platinum microwire electrodes respectively. Furthermore, the fast, inexpensive, and simple fabrication of carbon stencil-printed electrodes (CSPEs) on transparency film were demonstrated for the electrochemical detection of E. coli and Enterococci bacteria species, both indicators of fecal contamination, in food and water samples using enzymatic assays. These same assays could also be determined colorimetrically and a more portable cell phone was used to image and wirelessly send paper-based well-plate results. This method was developed for use in place of a more bulky and expensive plate reader, and results were used for comparison to electrochemical detection of bacteria from a single assay

Grafeno em papel para dispositivos flexíveis: sensores e OLEDs

The interest in flexible electronics has been growing considerably due to the possibility of products and devices with novel functionalities and improved comfort in their utilization. Graphene, with a combination of properties, is a natural candidate for these applications. Simultaneously, paper electronics is proving itself as a potentially significant branch of flexible electronics. Thus, it is particularly interesting to investigate the combination of these two materials for the development of novel and disruptive applications. This work covers the development of two types of flexible devices based on gra-phene and paper: physical and electrochemical sensors and organic light emit-ting diodes (OLEDs). In the context of sensors, one of the most recent additions to the family of graphene-based materials is explored: laser-induced graphene obtained from paper (paper-LIG), a graphene foam synthesized by a fast and low-cost process. The sensibility of paper-LIG to mechanical stimuli (strain and bending), as well as to humidity and temperature (in the latter case also shown for laser-induced graphene obtained from xylan, a biopolymer similar to cellulose) is demonstrated. The development of these devices is accompanied by a study of the influence of the synthesis parameters on the obtained material, comprising a sizeable contribution to the description of this material and its applications in the literature. Additionally, a non-enzymatic paper-LIG transductor for the electrochemical detection and quantification of uric acid is presented, demonstrating its response capability in real human urine samples, with a sensitivity of 0.363 μA cm⁻² μM⁻¹ and a linear range that covers the clinically relevant concentration range for this physiological parameter. In the scope of OLEDs, an optimized graphene synthesis process by chemical vapour deposition is presented, with the goal of using this single-layer graphene as a transparent electrode. The issue of high surface roughness typical of paper is addressed by the use of cellulose nanocrystal membranes and transparent rolling papers as flexible, biodegradable substrates, accompanied by the development of modified graphene film transfer and stacking approaches. The properties of this material are improved by thermal evaporation of MoO3, allowing the construction of OLEDs with 0.34% external quantum efficiency. The development of these devices not only contributes to reaffirm the vast potential of graphene, but also serves to introduce novel approaches in the context of low-cost and biodegradable flexible devices.O interesse na eletrónica flexível tem crescido consideravelmente devido ao de-senvolvimento de produtos e dispositivos com novas funcionalidades e maior conforto na utilização dos mesmos. O grafeno, com uma combinação única de propriedades, surge como um candidato natural para este tipo de aplicações. Simultaneamente, a eletrónica em papel tem-se revelado como uma vertente potencialmente significativa na área da eletrónica flexível. Assim, torna-se parti-cularmente interessante investigar a combinação destes dois materiais para o desenvolvimento de novas e disruptivas aplicações. Este trabalho explora o desenvolvimento de dois tipos de dispositivos flexíveis à base de grafeno em papel: sensores físicos e eletroquímicos e díodos orgânicos emissores de luz (OLEDs). No contexto dos sensores é abordada uma das mais recentes adições à família dos materiais à base de grafeno: o grafeno induzido por laser obtido a partir do papel (paper-LIG), uma espuma de grafeno sintetizada por um processo rápido e de baixo custo. É demonstrada pela primeira vez a sensibilidade do paper-LIG a estímulos mecânicos (distensão e flexão), bem como à humidade e tempera-tura (neste último caso também para o grafeno induzido por laser obtido a partir de xilana, um biopolímero semelhante à celulose). O desenvolvimento destes dispositivos é acompanhado por um estudo da influência dos parâmetros de sín-tese no material obtido, constituindo uma contribuição significativa para a des-crição deste material e das suas aplicações na literatura. É ainda apresentado um transdutor não-enzimático de paper-LIG, para a deteção e quantificação ele-troquímica de ácido úrico, demonstrando a sua capacidade de resposta em amostras reais de urina humana, com uma sensibilidade de 0.363 μA μA cm⁻² μM⁻¹ e uma gama linear que abrange o intervalo de concentrações clinicamente rele-vante para este parâmetro fisiológico. No âmbito dos OLEDs, é apresentado um processo otimizado de síntese de grafeno monocamada por deposição química em fase vapor, com vista à sua utilização como elétrodo transparente. A questão da elevada rugosidade tipica-mente associada ao papel é colmatada pelo uso de membranas de celulose nanocristalina e de mortalhas transparentes como substratos flexíveis e biode-gradáveis, acompanhado pelo desenvolvimento de técnicas modificadas de transferência e empilhamento de múltiplas camadas de grafeno. As proprieda-des deste material são melhoradas pela evaporação térmica de MoO3, permi-tindo a construção de OLEDs com 0.34% de eficiência quântica externa. O desenvolvimento destes dispositivos não só contribui para reafirmar o vasto potencial do grafeno em conjugação com o papel, como serve também para introduzir novas abordagens no contexto de dispositivos flexíveis de baixo custo e biodegradáveis.Programa Doutoral em Nanociências e Nanotecnologi

Innovative designs and applications of Janus micromotors with (photo)-catalytic and magnetic motion

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el diseño y desarrollo de micromotores Janus biocompatibles y su aplicación en ámbitos relevantes de la salud y de la protección medioambiental. Los micromotores Janus son dispositivos en la microescala autopropulsados que tienen al menos dos regiones en su superficie con diferentes propiedades físicas y químicas, lo que les convierte en una clase distintiva de materiales que pueden combinar características ópticas, magnéticas y eléctricas en una sola entidad. Como la naturaleza del micromotor Janus -el dios romano de las dos caras- los objetivos de esta Tesis Doctoral presentan naturaleza dual y comprenden desarrollos de química fundamental y de química aplicada. En efecto, por una parte, el objetivo central aborda el diseño, síntesis y ensamblaje, así como la caracterización de micromotores Janus poliméricos propulsados por mecanismos (foto)-catalíticos y/o accionados por campos magnéticos. Por otra parte, el objetivo central implica la aplicación de los micromotores desarrollados para resolver desafíos sociales relevantes en los ámbitos químico-analítico, biomédico y ambiental. Partiendo de estas premisas, en la primera parte de la Tesis Doctoral, se sintetizaron micromotores Janus de policaprolactona propulsados químicamente integrando nanomateriales para el diseño de sensores móviles para la detección selectiva de endotoxinas bacterianas. De esta forma, el movimiento autónomo del micromotor mejora la mezcla de fluidos y la eficacia de las reacciones implicadas permitiendo detectar el analito en pocos minutos, incluso en muestras viscosas y medios donde la agitación no es posible. Además, esta autopropulsión es altamente compatible con su empleo en formatos ultra-miniaturizados para el desarrollo de futuros dispositivos portátiles en el marco de la tecnología point of care para aplicaciones clínicas y agroalimentarias. Con el fin de incrementar su biocompatibilidad para aplicaciones in vivo, en una segunda etapa de la Tesis Doctoral, se diseñaron micromotores Janus con propulsión autónoma utilizando luz visible para la eliminación de toxinas relevantes en procesos inflamatorios. El fenómeno autopropulsivo del micromotor y su capacidad de interacción con agentes tóxicos condujo a metodologías más rápidas y eficaces infiriéndose un futuro prometedor de estos micromotores para el tratamiento del shock séptico o intoxicación. En una tercera etapa, se sintetizaron micromotores propulsados por campos magnéticos. Estos micromotores utilizan una aproximación elegante de propulsión, exenta del empleo de combustibles químicos tóxicos como sucede en la propulsión catalítica y, en consecuencia, biocompatible. Asimismo, este mecanismo propulsivo permite controlar e incluso programar su trayectoria para aplicaciones que requieran de un guiado y de un control preciso de esta. De manera específica, estos micromotores han sido aplicados en esta Tesis Doctoral para la liberación controlada de fármacos en el tratamiento de cáncer pancreático y como elementos de remediación ambiental en la eliminación de agentes nerviosos en aguas contaminadas