Laboratoire sur puce pour la séparation et détection des particules à base de diélectrophorèse à basse tension

Résumé Notre recherche est construite autour de la volonté de développer et d'élargir l'utilisation des laboratoires sur puce (LsP), d'y intégrer de nouvelles fonctions et de proposer des approches de modélisation plus rigoureuses. En effet, les travaux de pointe montrent que pour réaliser des modèles mimant le plus fidèlement possible les systèmes vivants, les LsP doivent évoluer des simples supports fonctionnalisés que sont les puces d'analyse et de séparation de l'ADN vers des systèmes intégrant davantage de fonctions. Pour ce faire, nous proposons tout d'abord un premier prototype d'un LsP comprenant des modules microélectroniques, microfluidiques, de communication radio fréquence et d'alimentation intégrée, pour la séparation des particules avec des validations in-vitro. Cette plateforme a pour objectif d'observer le comportement des particules face à une variation de la fréquence, de la phase ou de l'amplitude du champ électrique avec différentes architectures d'électrodes. De plus, étant programmable et reconfigurable, elle nous a permis de valider plusieurs concepts, notamment l'identification fréquentielle des micro et nanoparticules. Cette dernière représente notre principale contribution qui pourrait, éventuellement, ouvrir la porte à plusieurs recherches notamment celles portant sur l'identification des maladies neurodégénératives. Notre but étant d’offrir une grande flexibilité dans la modélisation, nous présentons une nouvelle approche pour modéliser les LsP dans laquelle le comportement des particules est modélisé en tenant compte de l'architecture des électrodes, des signaux appliqués et des propriétés biologiques du milieu. Cette première modélisation en son genre est une approche hybride combinant une modélisation par éléments finis à l’aide d’ANSYS et une implémentation d’un algorithme sur Matlab. Elle permet de calculer la position d'une particule dans un microcanal en se basant sur les résultats fournis par ANSYS. Cette modélisation présente de nombreux avantages dont notamment, la possibilité d’identifier l’emplacement d'une particule avec précision en 3D, en plus de valider la séparation des particules à travers toute la profondeur du microcanal, ce qui n'est pas possible en se basant uniquement sur les résultats expérimentaux. De plus, nous avons fabriqué le système complet avec une architecture 3D de 5 PCB, une plateforme microfluidique, un contrôle sans fil par Bluetooth et un bloc d'alimentation programmable et intégré dans un même microsystème. Toute la partie microélectronique du LsP a été implémentée sur une puce microélectronique fabriquée avec la technologie CMOS 0.18 um de TSMC. Quant à l'architecture microfluidique, elle a été fabriquée avec les procédé Sensonit et Lionix.----------Abstract Our research project is devoted to develop and extend the use of laboratories on chip (LoC), and to add to them new functions and more rigorous modeling techniques. Without a doubt, the state of art shows that, in order to create models that reflect living organisms best, LoCs need be more evolved systems that serve more functions than simple and limited-function DNA chips. To do so, we propose a first prototype of a Lab on Chip with microelectronic and microfluidic modules, and integrated radio-frequency communication and power supply to separate the different particles in the cerebrospinal fluid with validations done in vitro. The purpose of this platform is to observe the particles' behaviour when facing a change in the electric field's, frequency, phase, or amplitude, all this using different architectures of electrodes. Moreover, the platform is programmable and reconfigurable, which is important as it allows the validation of many concepts, such as the frequency separation of micro and nanoparticles. This platform actually represents our main focus in this research. We believe that it will eventually lead to many other research and medical advancements, such as identifying the source of many degenerative neurological disorders. We also came up with an innovative approach to give a greater flexibility to the modeling of LoCs. This approach consists of modeling the behaviour of particles based on the architectural design of the electrodes, the applied signals, and the biological properties of the medium. This first type of modeling is based on a hybrid approach between a Finete element modeling using ANSYS, and an algorithmic implementation on Matlab that makes it possible to calculate each particle's position in a micro canal based on the results provided by ANSYS. Such modeling has many advantages; for example, it can precisely identify the location of a particle in 3D, as well as separate the particles throughout the whole micro canal, all of which is not possible based on experimental results. Also, we built this system entirely with a 3D architecture of PCB, a microfluidic platform, a Bluetooth wireless controller, and a source of power supply integrated all in one microsystem. The whole microelectronic part of the LoC is put on a microelectronic chip made with the CMOS 0.18 um TSMC technology. As for the microfluidic architecture, it was fabricated using both the Sensonit and Lionix processes

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

Self-powered mobile sensor for in-pipe potable water quality monitoring

Traditional stationary sensors for potable-water quality monitoring in a wireless sensor network format allow for continuous data collection and transfer. These stationary sensors have played a key role in reporting contamination events in order to secure public health. We are developing a self-powered mobile sensor that can move with the water flow, allowing real-time detection of contamination in water distribution pipes, with a higher temporal resolution. Functionality of the mobile sensor was tested for detecting and monitoring pH, Ca2+, Mg2+, HCO3-/CO32-, NH4+, and Clions. Moreover, energy harvest and wireless data transmission capabilities are being designed for the mobile sensor

A N-ary sorting system using an Integrated Droplet-Digital Microfluidics (ID2M)

Droplet microfluidics has the ability to compartmentalize reactions in sub nano-liter (or pico) volumes that can potentially enable millions of distinct biological assays to be performed on individual cells. Typically, there are two main droplet operations that can be performed with these platforms: cell encapsulation and sorting. Droplet sorting has been a means to select a subset of reactions or activities that can be used for further manipulation and it has been used for single cell analysis and directed evolution. But one of the challenges with these techniques is that these are typically binary sorters – i.e. only relying on two sorting channels. This can limit the range of detecting rare events and to sort based on multiple conditions (i.e. more than two conditions). To alleviate this challenge, we have integrated droplet microfluidics with digital microfluidics to enable n-ary sorting techniques, which we call ‘Integrated Droplet-Digital Microfluidics’ (ID2M). Furthermore, our ‘ID2M’ microfluidic technique also allow on-demand droplet creation and droplet mixing which are two other operations that are difficult to perform in current droplet microfluidic platforms. ID2M is integrated to an automation system for on-demand manipulation of droplets and a spectrometer to detect droplet of interest. The ID2M platform has been validated as a robust on-demand screening system by sorting fluorescein droplets of different concentration with an efficiency of ~ 96 %. The device is further demonstrated for sorting tolerant wild-type and yeast mutants to ionic liquid. We propose that this system has the potential to be used for screening different types of cells and for performing directed evolution on chip

A N-ary sorting system using an Integrated Droplet-Digital Microfluidics (ID2M)

Droplet microfluidics has the ability to compartmentalize reactions in sub nano-liter (or pico) volumes that can potentially enable millions of distinct biological assays to be performed on individual cells. Typically, there are two main droplet operations that can be performed with these platforms: cell encapsulation and sorting. Droplet sorting has been a means to select a subset of reactions or activities that can be used for further manipulation and it has been used for single cell analysis and directed evolution. But one of the challenges with these techniques is that these are typically binary sorters – i.e. only relying on two sorting channels. This can limit the range of detecting rare events and to sort based on multiple conditions (i.e. more than two conditions). To alleviate this challenge, we have integrated droplet microfluidics with digital microfluidics to enable n-ary sorting techniques, which we call ‘Integrated Droplet-Digital Microfluidics’ (ID2M). Furthermore, our ‘ID2M’ microfluidic technique also allow on-demand droplet creation and droplet mixing which are two other operations that are difficult to perform in current droplet microfluidic platforms. ID2M is integrated to an automation system for on-demand manipulation of droplets and a spectrometer to detect droplet of interest. The ID2M platform has been validated as a robust on-demand screening system by sorting fluorescein droplets of different concentration with an efficiency of ~ 96 %. The device is further demonstrated for sorting tolerant wild-type and yeast mutants to ionic liquid. We propose that this system has the potential to be used for screening different types of cells and for performing directed evolution on chip

Towards Single Bacterium Detection: A Microelectronic/Microfluidic Hybrid System Based on a CMOS Technology

RÉSUMÉ Cette thèse porte sur le développement d'un biocapteur hybride CMOS microfluidique capable de détecter des bactéries pathogènes une à une en temps réel basé sur un principe de spectroscope impédimétrique. Le biocapteur proposé se compose d'une matrice de capteurs qui comportent une matrice de microélectrodes, desmultiplexeurs à commande numérique, et des circuits de détection intégrés sur une puce de silicium CMOS. Cette recherche propose une nouvelle structure de microélectrodes qui permet à une structure de microélectrodes face à face à haute densité intégrable par post-traitement d’une puce CMOS. Au lieu d’être créée par le dépôt et la gravure de couches métalliques supplémentaires, la structure de microélectrodes face à face est construite en exploitant un empilement de couches métalliques disponible avec la technologie CMOS adoptée. Les détecteurs sont obtenus en construisant des microcanaux qui traversent le substrat. Ces microcanaux passent entre les microélectrodes face à face. Lorsque les fluides où se trouvent les échantillons traversent le microcanal, le système détecte de façon continue les changements d'impédance entre les microélectrodes induits par le passage de chaque bactérie . Cette thèse étudie le processus de microfabrication qui permet de libérer la matrice de microélectrodes et de fabriquer les microcanaux traversant le substrat. Les techniques dites de FIB (pours Focused Ion Beam) et de DRIE (pour Deep Reactive Ion Etching) sont utilisées. Les forces et faiblesses de chaque technologie sont analysées et des recettes de processus optimisés sont étudiées. La matrice de microélectrodes a été réalisée avec succès par les deux technologies. Comme preuve de concept, plusieurs microcanaux traversant le substrat sont également formés en utilisant la technologie FIB. Cette thèse propose également un nouveau circuit de détection. Réalisé grâce à la micro-électronique, ce circuit est capable de détecter les changements d'impédance causés par le passage d’une seule bactérie dans un milieu conducteur. Sans conditionnement de signaux et de circuit de traitement complexes, tels que des amplificateurs de haute précision, des filtres ou des convertisseurs analogue à numérique ou numérique à analogique, les circuits de détection sont conçus pour offrir une bonne sensibilité et une configurabilité qui permet de l'adapter aux différentes conditions de détection. Une technique de mise en boîtier biocompatible est également mise en oeuvre pour encapsuler le capteur intégré tout en fournissant des interfaces fluidiques et électriques pour l'injection d'échantillons et de signaux électriques. Une nouvelle approche pour améliorer la sélectivité de détection basée sur l’utilisation de bactéries magnétotactiques est également proposée dans cette thèse. Sous le contrôle d’un champ magnétique extérieur, les bactéries magnétotactiques sont utilisées comme bio-transporteurs, qui peuvent chercher activement et capturer les bactéries pathogènes cibles afin de les amener à la zone de détection. Une puce microfluidique est fabriquée grâce à des techniques de prototypage rapide afin de valider les idées proposées et de fournir des guides de conception d'une puce plus avancés. Les résultats de microfabrication et les résultats des tests préliminaires montrent que l'intégration monolithique des technologies CMOS et microfluidique est possible et qu’elle permet la réalisation de microélectrodes face à face dans une plate-forme capable de détecter le passage d’une seule bactérie en isolation.----------ABSTRACT This thesis reports on the development of a CMOS Microfluidic hybrid biosensor technology that is proposed to detect single pathogenic bacterium in real time based on impedimetric spectroscopy. The proposed biosensor consists of a CMOS silicon die that incorporates a microelectrode array, digitally controlled multiplexers, and sensing circuits. This research proposes a novel microelectrode structure, which is obtained by first manufacturing high density face to face microelectrodes on a CMOS die, possible by a relatively simple CMOS post-processing. Instead of deposition and patterning of additional metal layers, the face to face microelectrode array is constructed by stacking metal and via layers of the adopted CMOS technology. By constructing through substrate microchannels in between pairs of face to face microelectrodes, when a fluid sample flows through the microchannel, the microelectrodes on the wall detect the impedance change induced by bacterium in the fluid in a continuous way. This thesis investigates the microfabrication process of releasing microelectrode arrays and constructing through substrate microchannels. FIB (Focused Ion Beam) and DRIE (Deep Reactive Ion Etching) technologies are utilized. The strength and weakness of each technology are analyzed and optimized process recipes are investigated. Microelectrode array were successfully released using both process technologies. As a proof of concept, several through substrate microchannels were also formed by using the FIB technology. This thesis also proposes a novel sensing microelectronic circuit, which is able to sense the impedance change caused by a single bacterium in a conductive medium. The system does not require complex signal conditioning and processing circuits, such as high precision amplifiers, filters or ADC/DAC. The proposed simple sensing structure offer high sensitivity, reliability and configurability. A dedicated biocompatible packaging is also implemented to encapsulate the CMOS die and provide a microchamber, fluidic and electrical interfaces for sample injection and signal interfaces. A new approach to achieve detection selectivity or specificity assisted by magnetotactic bacterium is also proposed in this thesis. Under the control of an external magnetic field, the viii magnetotactic bacteria are used as bio-carriers, which can actively search and capture some target pathogenic bacteria and bring them to the sensing area. A microfluidic chip is fabricated by rapid prototyping techniques to validate the proposed idea and to provide design guides for a more advanced and highly integrated CMOS chip. The achieved microfabrication results and preliminary testing results show that the monolithic integration of CMOS and microfluidic technology, especially the face to face microelectrode structure is a suitable platform for single bacterium detection and analysis

Microdevices and Microsystems for Cell Manipulation

Microfabricated devices and systems capable of micromanipulation are well-suited for the manipulation of cells. These technologies are capable of a variety of functions, including cell trapping, cell sorting, cell culturing, and cell surgery, often at single-cell or sub-cellular resolution. These functionalities are achieved through a variety of mechanisms, including mechanical, electrical, magnetic, optical, and thermal forces. The operations that these microdevices and microsystems enable are relevant to many areas of biomedical research, including tissue engineering, cellular therapeutics, drug discovery, and diagnostics. This Special Issue will highlight recent advances in the field of cellular manipulation. Technologies capable of parallel single-cell manipulation are of special interest

Distributed manipulation by controlling force fields through arrays of actuators

Tato práce se zaměřuje na řízení distribuované manipulace prostřednictvím fyzikálních polí vytvářených maticí akčních členů. Práce se zabývá především manipulací s objekty pomocí nehomogenního elektrického a magnetického pole - dielektroforézou a magnetoforézou. Pro oba principy jsou odvozeny matematické modely vhodné pro začlenění do zpětnovazební řídicí smyčky. Modely mají v obou doménách podobnou strukturu, která dovoluje vývoj jednotného řídicího systému. Nelineární model dynamiky systému je v každé vzorkovací periodě invertován pomocí numerického řešení optimalizačního problému. Výhodou navržené strategie řízení je, že dovoluje paralelní manipulaci - nezávislou manipulaci s několika objekty najednou. Práce vedle teoretických konceptů popisuje také technické detaily experimentálních platforem spolu s výsledky mnoha experimentů. Pro dielektroforézu je navrženo nové uspořádání elektrod, které umožňuje manipulaci s více objekty v rovině a zároveň vyžaduje pouze jednovrstvou výrobní technologii. Na algoritmické straně práce představuje nové použití fázové modulace napětí pro řízení dielektroforézy. Dále také popisuje součásti vyvinuté instrumentace, jako jsou vícekanálové generátory pro řízení dielektroforézy prostřednictvím amplitudové a fázové modulace a optické měření polohy v reálném čase pomocí senzoru bez objektivu. Pro magnetoforézu je detailně popsána modulární experimentální platforma sestávající se z pole cívek se železnými jádry. Díky modularitě může být platforma použita k ověření nejen centralizovaných, ale také distribuovaných řídicích systémů.This work focuses on the control of distributed manipulation through physical fields created by arrays of actuators. In particular, the thesis addresses manipulation of objects using non-uniform electric and magnetic fields---dielectrophoresis and magnetophoresis, respectively. In both domains, mathematical models suitable for incorporation into a feedback control loop are derived. The models in the two domains exhibit a similar structure, which encourages the development of a unified approach to control. The nonlinear model of the system dynamics is inverted by solving a numerical optimization problem in every sampling period. A powerful attribute of the proposed control strategy is that a parallel manipulation---the simultaneous and independent manipulation of several objects---can be demonstrated. Besides the theoretical concepts, the thesis also describes technical details of experimental platforms for both physical domains, together with outcomes from numerous experiments. For dielectrophoresis, a new layout of electrodes is documented that allows full planar manipulation while requiring only a one-layer fabrication technology. On the algorithmic side, work presents a novel use of phase modulation of the voltages to control dielectrophoresis. Dedicated instrumentation is also discussed in the thesis such as multichannel generators for control of dielectrophoresis through amplitude and phase modulation and optical real-time position measurements using common optics and a lensless sensor. For magnetophoresis, a modular test bed composed of a planar array of coils with iron cores is described in detail. Thanks to the modularity, the platform can be used for verification of not only the centralized but also distributed control strategies

REVERSE INSULATOR DIELECTROPHORESIS: UTILIZING DROPLET MICROENVIRONMENTS FOR DISCERNING MOLECULAR EXPRESSIONS ON CELL SURFACES

Lab-on-a-chip (LOC) technologies enable the development of portable analysis devices that use small sample and reagent volumes, allow for multiple unit operations, and couple with detectors to achieve high resolution and sensitivity, while having small footprints, low cost, short analysis times, and portability. Droplet microfluidics is a subset of LOCs with the unique benefit of enabling parallel analysis since each droplet can be utilized as an isolated microenvironment. This work explored adaptation of droplet microfluidics into a unique, previously unexplored application where the water/oil interface was harnessed to bend electric field lines within individual droplets for insulator dielectrophoretic (iDEP) characterizations. iDEP polarizes particles/cells within non-uniform electric fields shaped by insulating geometries. We termed this unique combination of droplet microfluidics and iDEP reverse insulator dielectrophoresis (riDEP). This riDEP approach has the potential to protect cell samples from unwanted sample-electrode interactions and decrease the number of required experiments for dielectrophoretic characterization by ~80% by harnessing the parallelization power of droplet microfluidics. Future research opportunities are discussed that could improve this reduction further to 93%. A microfluidic device was designed where aqueous-in-oil droplets were generated in a microchannel T-junction and packed into a microchamber. Reproducible droplets were achieved at the T-junction and were stable over long time periods in the microchamber using Krytox FSH 157 surfactant in the continuous oil FC-40 phase and isotonic salts and dextrose solutions as the dispersed aqueous phase. Surfactant, salts, and dextrose interact at the droplet interface influencing interfacial tension and droplet stability. Results provide foundational knowledge for engineering stable bio- and electro-compatible droplet microfluidic platforms. Electrodes were added to the microdevice to apply an electric field across the droplet packed chamber and explore riDEP responses. Operating windows for droplet stability were shown to depend on surfactant concentration in the oil phase and aqueous phase conductivity, where different voltage/frequency combinations resulted in either stable droplets or electrocoalescence. Experimental results provided a stability map for strategical applied electric field selection to avoid adverse droplet morphological changes while inducing riDEP. Within the microdevice, both polystyrene beads and red blood cells demonstrated weak dielectrophoretic responses, as evidenced by pearl-chain formation, confirming the preliminary feasibility of riDEP as a potential characterization technique. Two additional side projects included an alternative approach to isolate electrode surface reactions from the cell suspension via a hafnium oxide film over the electrodes. In addition, a commercially prevalent water-based polymer emulsion was found to adequately duplicate microchannel and microchamber features such that it could be used for microdevice replication