Rapid Label-Free Detection of Pathogens by Local pH Modulation

Pathogenic bacteria present major issues for human health across the world. One of the ways to mitigate the negative impacts from contaminated food and water sources is to decrease the time required to test potentially contaminated sources. This study examined a new method of label free detection using local pH modulation to quantitatively detect bacteria. By tagging antibodies with a pH-sensitive fluorescent dye it was possible to detect the presence of bacteria bound to antibodies. Local pH can be effected by the presence of charged molecules because they attract counter ions. By utilizing the negatively charged surface of bacteria to attract counter ions in the form of hydrogen ions the local pH can be lowered, thereby lowering the fluorescence of fluorescein. By measuring fluorescence with respect to bacterial cell concentration a relationship between bacteria concentration and fluorescence can be established. It is also advantageous to know if the pathogens detected are active and alive or dead. Adding a rapidly uptaken carbon source (glucose) allows for differences between live and dead cells to be detected. This approach was tested in microtiter plates and using immunomagnetic beads as the testing platforms. Using microtiter plates concentrations of ~10^6 E. coli cells could be detected although not to a statistically significant level. The addition of glucose showed that live cells could be distinguished from UV killed cells but cell numbers could not be established. Immunomagnetic beads displayed inconclusive results indicating the need for continued experiments

Field-effect based chemical and biological sensing : theory and implementation

Electrochemical sensors share many properties of an ideal (bio)chemical sensor. They can be easily miniaturized with high parallel sensing capabilities,with rugged structure and at low cost. The response obtained from thetarget analyte is directly in electrical form allowing convenient data post-processing and simple interfacing to standard electrical components. With field-effect transistor (FET) based sensors, the transducing principle relies on direct detection of interfacial charge allowing detection of various ions and charged macromolecules. This thesis investigates FET based sensors for biological and chemical sensing. First, an ion-sensitive floating gate FET (ISFGFET) structure is studied and modeled. The proposed model reveals novel abilities of the structure not found in conventional ion-sensitive FETs (ISFETs). With IS-FGFET, we can simultaneously optimize the transistor operating point and modulate the charging of the surface and the ionic screening layer via the field effect. This control is predicted to allow reduced electric double layer screening as well as the possibility to enhance charged molecule attachment to the sensing surface. The model can predict sensor characteristic curves in pH sensing in absolute terms and allows any potential to be computed in the sensor including the electrical part and the electrolyte solution. Furthermore, a compact ISFGFET variant is merged into electric circuit simulator, which allows it to be simulated as a standard electrical component with electrical simulations tools of high computational efficiency, and allows simple modifications such as addition of parasitic elements, temperature effects, or even temporal drifts. Next, another transistor based configuration, the extended-gate ISFET is studied. The simplicity of the proposed configuration allows a universal potentiometric approach where a wide variety of chemical and biological sensors can be constructed. The design philosophy for this sensing structure is to use the shelf electric components and standard electric manufacturing processes. Such an extended-gate structure is beneficial since the dry electronics can be completely separated from the wet sensing environment. The extended-gate allows simple functionalization towards chemical and biological sensing. A proof-of-concept of this structure was verified through organo modified gold platforms with ion-selective membranes. A comparison with standard open-circuit potentiometry reveals that the sensing elements in a disposable sensing platform arrays provide comparable performance to traditional electrodes. Finally, a universal battery operated hand-held electrical readout device is designed for multiplexed detection of the disposable sensors with wireless smartphone data plotting, control, and storage. Organic polymers play an important role in the interfacial properties of sensors studied in this thesis. The polymer coating is attractive in chemical sensing because of its redox sensitivity, bio-immobilization capability, ion-to-electron transducing capability, and applicability, for example via a simple low-cost drop-casting. This structure simplifies the design of the sensor substantially and the coating increases the amount of possible target applications.Siirretty Doriast

Prinsip Pemeriksaan Mikrobiologi dan Aplikasi dalam Bentuk Laboratorium Bergerak Covid-19

Buku ini menjelaskan tentang prinsip dasar pemeriksaan Mikrobiologi sebagai sebuah solusi dalam mendeteksi keberadaan mikroorganisme dan perubahan fisiologis mikroorganisme tersebut yang berlangsung dengan cepat dan berada dalam tataran skala mikro/nano. Pandemi Covid-19 menjadi bukti konkret betapa mikroorganisme mengalami perubahan (mutasi) yang begitu cepat yang membutuhkan penangan deteksi dini yang Real Time, guna memberikan informasi akurat dan cepat. Kombinasi Internet dan mobilisasi laboratorium Bergerak covid-19 yang langsung mengirimkan hasil pemeriksanaan langsung di lokasi, akan memberikan solusi dalam penanganan covid 19

CMOS and MEMS Based Microsystems for Manipulation and Detection of Magnetic Beads for Biomedical Applications

RÉSUMÉ Les micro et nano billes magnétiques dédiées à l'étiquetage des bio-particules attirent de plus en plus d'intérêt dans de nombreuses applications environnementales et sanitaires, tels que l'analyse de gènes, le transport des médicaments, la purification et l'immunologie. Les dimensions réduites et la haute sensibilité des billes magnétiques rendent leurs manipulations à haute précision possibles. Leur simplicité de suivi dans le milieu biologique et leur biocompatibilité permettent d’effectuer des détections rapides et à haute sensibilité pour des applications in vivo et in vitro. L'utilisation traditionnelle des billes magnétiques prend place dans un laboratoire se servant du matériel encombrant et dispendieux. Avec le développement de la technologie de microfabrication, des billes magnétiques peuvent être traitées dans un microsystème, plus précisément, dans une structure laboratoire sur puce (LoC). La combinaison microfluidique et microélectronique offre des possibilités d’autoévaluation, ce qui peut augmenter l'efficacité du travail. Cette thèse est orientée vers de nouvelles approches pour la manipulation et la détection de bio-particules se servant de la technologie de microsystèmes basées sur des structures microelectroniques et microfluidiques et en utilisant des marqueurs de billes magnétiques. Basé sur un réseau de microbobines à la fois comme une source de champ magnétique et un capteur inductif, le microsystème proposé est réalisé grâce à l'efficacité de fabrication de structures CMOS-MEMS, ainsi que des circuits intégrés dédiés CMOS de haute performance afin d'obtenir un rendement élevé de manipulation et de détection de billes magnétiques. Plusieurs défis ont été analysés dans la mise en œuvre de ces microsystèmes et des solutions correspondantes fournies. Plus précisément, la conception et la mise en œuvre d'une plate-forme contrôlée en température en format portable sont d'abord présentées, dans un effort réalisé pour résoudre la question de la chaleur par effet Joule lors de l'application du réseau de microbobines comme une source de champ magnétique dédié à la manipulation de billes magnétiques. Une plateforme similaire à cette dernière a été améliorée pour effectuer une analyse magnétique immunologique, en ajoutant des circuits de détection par des billes magnétiques. De plus, des IgG et anti-IgG de souris ont été utilisés dans des expériences pour vérifier les performances de détection de la plateforme de microsystème proposé.----------ABSTRACT Magnetic micro/nano beads as labels of bio-particles have been attracting more and more interest in many environmental and health applications, such as gene and drug delivery, purification, and immunoassay. The miniature size and high sensitivity of magnetic bead allow accurate manipulation, whereas its high distinguishability from biological background and biocompatibility make fast and high sensitivity detection possible for in vitro and in vivo applications. Traditional employment of magnetic beads is done in laboratory environment with the assist of bulky and expensive equipment. Thanks to the development of microfabrication technology, magnetic beads therefore can be handled on a microsystem, more specifically, a Lab-on-Chip (LoC). The combination of microfluidics with microelectronics offers the possibility of automatic analyses, which can liberate the labor and increase the efficiency.This thesis focuses on new approaches for bio-particles manipulation and detection on microelectronic/microfluidic hybrid microsystems using magnetic beads as labels. Based on planar microcoil array as both magnetic field source and the front-end inductive sensor, the proposed microsystems can take advantage of the massive producible CMOS/MEMS fabrication process, as well as the customized high performance CMOS circuits, to achieve a high efficient magnetic beads manipulation and a quantitative detection. Several challenges in implementing such microsystems are analyzed and corresponding solutions are provided. Specifically, the design and implementation of a temperature controllable LoC platform in portable format is firstly presented, for the sake of resolving the Joule heat issue when applying microcoil array as magnetic field source in magnetic beads manipulation. The similar platform is then improved to be used for magnetic immunoassay, by adding magnetic beads sensing circuits. Mouse IgG and anti-mouse IgG are employed in experiments to verify the detection performance of the proposed microsystem platform. Additionally, a fully integrated silicon substrate MEMS chip which integrates both microfluidic channel and microcoil array on a single chip is designed and fabricated following the Finite Element Analysis (FEA) simulation results and tested using bio-particles attached magnetic beads. This monolithic chip has the potential to be applied for in vivo applications

Nanotechnologie des Semi-conducteurs Quantiques III-V pour la Détection de Legionella pneumophila en Milieu Aqueux

Abstract: It has been known that GaAs and AlGaAs could be decomposed in aqueous environments and, if irradiated with photons of energy exceeding bandgap of these materials, their decomposition accelerates through a well-known photocorrosion process. The sensitivity of photoluminescence (PL) of semiconductors to the presence of surface states has been investigated quite extensively for many years, however it was not until recently that the measurements of PL were proven to be sensitive to monitor in situ photocorrosion with a sub-monolayer precision. One important consequence of this characteristics is a strong sensitivity of PL to the perturbation of a near surface electric field and transfer of the electric charge. This made photocorrosion of GaAs/AlGaAs nanoheterostructures appealing, as a propitious transducer, for sensing the near surface electric charge perturbations induced by the negatively charged bacteria. In this thesis, the mechanisms of photo-induced III-V semiconductor dissolution have been investigated by conducting inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) of aqueous photocorrosion products. The experiments carried out for GaAs/Al0.35Ga0.65As nanoheterostructures photocorroding in DI H2O and NH4OH milieus confirmed that the digital photocorrosion (DIP) of these nanoheterostructure could be controlled with a sub-monolayer precision. The conditions leading to a congruent decomposition, defined by a constant photocorrosion rate, were investigated with ICP-MS measurements and a set of surface/interface characterization methods employing FTIR, XPS and AFM. This allowed demonstrating that, in contrast to the DI H2O supporting photocorrosion, the NH4OH environment leads to formation of stoichiometric surfaces of the investigated nanoheterostructures photocorroding by at least 100 nm. The constant photocorrosion rate was also observed in situ by monitoring temporal positions of PL revealed interfaces between GaAs and AlGaAs layers. These results demonstrate the feasibility of a simple and relatively inexpensive process for in situ diagnostics of atomic layer etching of compound semiconductors that could lead to formation of stoichiometric surfaces of such materials. The study of digital photocorrosion were expanded on investigation of this process for sensitive detection of electrically charged Legionella pneumophila in an aqueous environment. The enhanced immobilization of these bacteria on the biosensor surface was confirmed with electrically biased GaAs/AlGaAs biochip. Thus, a central hypothesis was that decorating naturally found L. pneumophila with negatively charged biomolecules should lead to a digital photocorrosion based detection with a much-enhanced limit of detection (LOD). In agreement with the zeta potential measurements, the sodium dodecyl sulfate (SDS) decorated L. pneumophila interacted much stronger with the photocorroding GaAs/AlGaAs biochips. This allowed detecting these bacteria in a diluted phosphate buffered saline (PBS) solution at 103 colony forming units (CFU) per ml. The results of this research give a deeper insight into the capability of DIP process for tracking down the conditions leading to formation of stoichiometric surfaces of etched compound semiconductors. Furthermore, this thesis contributes towards development of an innovative method of detecting electrically charged molecules in liquid environments.Il a été avéré que le GaAs et l'AlGaAs peuvent être décomposés dans des environnements aqueux et que s'ils sont irradiés avec des photons d'énergie dépassant la bande interdite de ces matériaux, leur décomposition s'accélère grâce à un processus de photocorrosion bien connu. La sensibilité de la photoluminescence (PL) des semi-conducteurs à la présence d’états de surface a fait l’objet des études approfondies pendant de nombreuses années. Cependant, ce n'était que récemment qu’il a été démontré que les mesures de PL étaient sensibles à la photocorrosion in situ avec une précision de sous-monocouche. Une conséquence importante de ces caractéristiques est la forte sensibilité de PL à la perturbation d'un champ électrique proche de la surface et au transfert de la charge électrique. Ceci a rendu la photocorrosion des nano-hétérostructures de GaAs/AlGaAs attrayante, en tant que transducteur propice, pour détecter les perturbations de la charge électrique proche de surface induite par les bactéries chargées négativement. Dans cette thèse, les mécanismes de dissolution des semi-conducteurs III-V photo-induits ont été étudiés en réalisant une spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) de produits aqueux de photocorrosion. Les expériences réalisées pour la photocorrosion de nano-hétérostructures GaAs/Al0.35Ga0.65As dans des milieux DI H2O et NH4OH ont confirmé que la photocorrosion digitale (DIP) de ces nano-hétérostructures pouvait être contrôlée avec une précision inférieure à la monocouche. Les conditions conduisant à une décomposition congruente, définie par un taux de photocorrosion constant, ont été étudiées avec des mesures ICP-MS et un ensemble de méthodes de caractérisation de surface/interface utilisant FTIR, XPS et AFM. Cela a permis de démontrer que, contrairement à l'environnement DI H2O, l'environnement NH4OH conduit à la formation des surfaces stœchiométriques des nano-hétérostructures étudiées, d'au moins 100 nm. Le taux de photocorrosion constant a également été observé in situ en analysant les positions temporelles des interfaces révélées par PL entre les couches de GaAs et d'AlGaAs. Ces résultats démontrent la faisabilité d'un procédé simple et relativement peu coûteux pour le diagnostic in situ de la gravure par couche atomique de semi-conducteurs composés qui pourrait conduire à la formation de surfaces stœchiométriques de tels matériaux. L'étude de la photocorrosion digitale a été étendue à l'étude de ce processus pour la détection sensible de Legionella pneumophila chargée électriquement en milieu aqueux. L'immobilisation efficace de ces bactéries sur la surface du biocapteur a été confirmée avec une biopuce GaAs/AlGaAs polarisée électriquement. Ainsi, l’hypothèse principale proposée est que la décoration de L. pneumophila avec des biomolécules chargées négativement devrait mener à une détection à base de la photocorrosion digitale avec une limite de détection améliorée. En concordance avec les mesures du potentiel zêta, la bactérie L. pneumophila décoré avec du dodécylsulfate de sodium (SDS) a montré une interaction beaucoup plus forte avec les biopuces GaAs/AlGaAs photo-corrodées, ce qui a permis de détecter ces bactéries dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) à 103 UFC/ml (unités formant colonies). Les résultats de cette recherche permettent de mieux comprendre la capacité du processus DIP à identifier les conditions conduisant à la formation de surfaces stœchiométriques de semi-conducteurs gravés. De plus, cette thèse contribue au développement d'une méthode innovante de détection de molécules chargées électriquement dans des environnements liquides