Integration of a zero dead-volume PDMS rotary switch valve in a miniaturised (bio)electroanalytical system

This work features the design, fabrication and characterisation of a miniaturised electroanalytical lab on a chip that allows the performance of a complete bioassay, from the capture of magnetic particles through their functionalisation and sample incubation to the detection of electroactive reaction products. The system is built using mainly polymeric materials such as PMMA and PDMS and fast prototyping techniques such as milling and moulding. The system also includes a set of microelectrodes, photo-lithographed on a silicon chip. The novelty lies in the design of the rotary microvalve, which contains a microreactor so that various reaction and incubation steps can be carried out in isolation from the detection event with zero dead volume. This avoids contamination and fouling of the electrodes by proteins or other organic matter, and extends the useful lifetime of the detector. The system operation is demonstrated by a model example, consisting in the functionalisation of streptavidin-coated magnetic particles with biotinylated β-galactosidase over periods ranging from 5 to 15 minutes, at which point the particles saturate. Although the system is intended for the development of enzyme-based electrochemical bioassays, the concept of its rotary microreactor can be applied more broadly.Peer reviewe

AICLE - CLIL - EMILE : educació plurilingüe. Experiencias, research & polítiques

Aquest volum és resultat del projecte R+D+i EDU2010-15783 Discurso Académico en lengua extranjera: Aprendizaje y evaluación de contenidos científicos en el aula multilingüe, finançat pel MICINN.El present volum és el resultat de la selecció de les millors comunicacions presentades en la primera Taula Rodona Internacional TRI-CLIL sobre Aprenentatge Integrat de Continguts i Llengües (AICLE). El congrés va aconseguir reunir professionals de la docència i de la recerca, tant de matèries escolars, llengües estrangeres i llengües considerades oficials o co-oficials a diferents territoris, que esdevenen llengües addicionals per a la població escolar migrada

Design and fabrication of miniaturised electroanalytical systems

La miniaturització de dispositius és sens dubte un procés més complex que la simple reducció de les seves mides. Aquesta tesi es centra en la miniaturització de dispositius d'electroanàlisis basats en detecció amperomètrica. Des del punt de vista de la detecció, la definició més acceptada de microelèctrode el defineix com un elèctrode pel qual una de les seves dimensions és inferior a la capa de difusió. En aquests cassos, la contribució de la difusió radial al perímetre del microelèctrode té un pes molt important en el valor del corrent global. Des del punt de vista de la integració, la reducció de la mida dels dispositius i la seva integració en sistemes microfluídics comporta una sèrie d'avantatges com: portabilitat, fiabilitats, reducció del consum de volum de la mostra i de reactius, així com l'automatització de l'anàlisi. Aquesta tesi s'ha centrat en dos objectius fonamentals: l'estudi i l'optimització de la detecció utilitzant models basats en elements finits, així com la integració dels detectors en sistemes microfluídics. Primer es van realitzar models sobre tècniques amperomètriques bàsiques, simulant tant el cas de macroelèctrode com el de microelèctrode. Una vegada capaços de modelar aquestes tècniques, els models van ser aplicats a la predicció del comportament de dispositius reals. El primer dispositiu modelat va ser un microrespiròmetre. Utilitzant simulacions, hem estat capaços d'extreure informació metabòlica d'un biofilm en aquest complicat sistema, on va ser necessari el càlcul de paràmetres de transport de l'oxigen a través de les diferents capes de materials que composaven el mateix. Més tard, el coneixement acumulat en el modelatge de matrius de microelèctrodes va ser aplicat al modelatge de matrius de nanoelèctrodes, els quals són un pas natural en el procés de miniaturització. En aquest cas, van ser necessaris models en tres dimensions per tal de descriure el procés de transport de matèria, ja que la contribució de la difusió radial, prèviament mencionada, és encara més important i fa impossible la reducció dels models a dues dimensions. A l'última part de la tesi, es van integrar microelèctrodes en sistemes microfluídics. En aquests dispositius es van combinar l'ús de partícules magnètiques amb detecció electroquímica, sent possible desenvolupar dispositius aplicables a un ampli rang de bioassajos. Els dispositius van ser fabricats utilitzant tècniques de prototipatge ràpid en polímers. L'objectiu era crear un sistema versàtil de fàcil ús al laboratori, així com de fàcil modificació, que pugui ser modificat en funció de les demandes de les diferents aplicacions. Aquest sistema va ser posteriorment optimitzat incloent una microvàlvula. Gràcies a l'ús d'aquest component actiu és possible minimitzar un dels problemes més importants en l'electroquímica, com és el deteriorament de la superfície dels elèctrodes. A més a més, és possible integrar i realitzar processos de biofuncionalització en el mateix dispositiu, ja que la càmera de detecció es manté en tot moment independent de la resta del sistema. Un dels reptes de l'esmentada integració d'aquesta vàlvula va ser la seva fabricació utilitzant els mateixos materials i els mateixos processos de prototipatge que la resta del microdispositiu

Centrifugal automation of a triglyceride bioassay on a low-cost hybrid paper-polymer device

We present a novel paper-polymer hybrid construct for the simple automation of fundamental microfluidic operations in a lab-on-a-disc platform. The novel design, we term a paper siphon, consists of chromatographic paper strips embedded along a siphon microchannel. The paper siphon relies on two main interplaying forces to create unique valving and liquid-sampling methods in centrifugal microfluidics. At sufficiently low speeds, the inherent wicking of the paper overcomes the rotationally induced centrifugal force to drive liquids towards inwards positions of the disc. At elevated speeds, the dominant centrifugal force will extract liquid from the siphon paper strip towards the edge of the disc. Distinct modes of flow control have been developed to account for water (reagent) and more viscous plasma samples. The system functionality is demonstrated by the automation of sequential sample preparation steps in a colorimetric triglyceride assay: plasma is metered from a whole blood sample and incubated with a specific enzymatic mixture, followed by detection of triglyceride levels through (off-disc) absorbance measurements. The successful quantification of triglycerides and the simple fabrication offer attractive directions for such hybrid devices in low-cost bioanalysis

Fabricating electrodes for amperometric detection in hybrid paper/polymer lab-on-a-chip devices

We present a novel, low-resource fabrication and assembly method for creating disposable amperometric detectors in hybrid paper-polymer devices. Currently, mere paper-based microfluidics is far from being able to achieve the same level of process control and integration as state-of-the-art microfluidic devices made of polymers. To overcome this limitation, in this work both substrate types are synergistically combined through a hybrid, multi-component/multi-material system assembly. Using established inkjet wax printing, we transform the paper into a profoundly hydrophobic substrate in order to create carbon electrodes which are simply patterned from carbon inks via custom made adhesive stencils. By virtue of the compressibility of the paper substrate, the resulting electrodeon- paper hybrids can be directly embedded in conventional, 3D polymeric devices by bonding through an adhesive layer. This manufacturing scheme can be easily recreated with readily available off-the-shelf equipment, and is extremely cost-efficient and rapid with turn-around times of only a few hours

Design and fabrication of miniaturised electroanalytical systems

Descripció del recurs: el 2 de febrer de 2011La miniaturització de dispositius és sens dubte un procés més complex que la simple reducció de les seves mides. Aquesta tesi es centra en la miniaturització de dispositius d'electroanàlisis basats en detecció amperomètrica. Des del punt de vista de la detecció, la definició més acceptada de microelèctrode el defineix com un elèctrode pel qual una de les seves dimensions és inferior a la capa de difusió. En aquests cassos, la contribució de la difusió radial al perímetre del microelèctrode té un pes molt important en el valor del corrent global. Des del punt de vista de la integració, la reducció de la mida dels dispositius i la seva integració en sistemes microfluídics comporta una sèrie d'avantatges com: portabilitat, fiabilitats, reducció del consum de volum de la mostra i de reactius, així com l'automatització de l'anàlisi. Aquesta tesi s'ha centrat en dos objectius fonamentals: l'estudi i l'optimització de la detecció utilitzant models basats en elements finits, així com la integració dels detectors en sistemes microfluídics. Primer es van realitzar models sobre tècniques amperomètriques bàsiques, simulant tant el cas de macroelèctrode com el de microelèctrode. Una vegada capaços de modelar aquestes tècniques, els models van ser aplicats a la predicció del comportament de dispositius reals. El primer dispositiu modelat va ser un microrespiròmetre. Utilitzant simulacions, hem estat capaços d'extreure informació metabòlica d'un biofilm en aquest complicat sistema, on va ser necessari el càlcul de paràmetres de transport de l'oxigen a través de les diferents capes de materials que composaven el mateix. Més tard, el coneixement acumulat en el modelatge de matrius de microelèctrodes va ser aplicat al modelatge de matrius de nanoelèctrodes, els quals són un pas natural en el procés de miniaturització. En aquest cas, van ser necessaris models en tres dimensions per tal de descriure el procés de transport de matèria, ja que la contribució de la difusió radial, prèviament mencionada, és encara més important i fa impossible la reducció dels models a dues dimensions. A l'última part de la tesi, es van integrar microelèctrodes en sistemes microfluídics. En aquests dispositius es van combinar l'ús de partícules magnètiques amb detecció electroquímica, sent possible desenvolupar dispositius aplicables a un ampli rang de bioassajos. Els dispositius van ser fabricats utilitzant tècniques de prototipatge ràpid en polímers. L'objectiu era crear un sistema versàtil de fàcil ús al laboratori, així com de fàcil modificació, que pugui ser modificat en funció de les demandes de les diferents aplicacions. Aquest sistema va ser posteriorment optimitzat incloent una microvàlvula. Gràcies a l'ús d'aquest component actiu és possible minimitzar un dels problemes més importants en l'electroquímica, com és el deteriorament de la superfície dels elèctrodes. A més a més, és possible integrar i realitzar processos de biofuncionalització en el mateix dispositiu, ja que la càmera de detecció es manté en tot moment independent de la resta del sistema. Un dels reptes de l'esmentada integració d'aquesta vàlvula va ser la seva fabricació utilitzant els mateixos materials i els mateixos processos de prototipatge que la resta del microdispositiu

Comprehensive integration of homogeneous bioassays via centrifugo-pneumatic cascading

This work for the first time presents the full integration and automation concept for a range of bioassays leveraged by cascading a centrifugo-pneumatic valving scheme to sequentially move several liquids through shared channel segments for multi-step sample preparation into the detection zone. This novel centrifugo-pneumatic liquid handling significantly simplifies system manufacture by obviating the need for complex surface functionalization procedures or hybrid material integration, as it is common in conventional valving methods such as capillary burst valves or sacrificial valves. Based on the centrifugopneumatic valving scheme, this work presents a toolkit of operational elements implementing liquid loading/transfer, metering, mixing and sedimentation in a microstructured polymer disc. As a proof of concept for the broad class of homogeneous bioassays, the full integration and automation of a colorimetric nitrate/nitrite test for the detection of clinically relevant nitric oxide (NO) in whole blood is implemented. First, 40 mL of plasma is extracted from a 100 mL sample of human blood, incubated for one hour with the enzymatic mixture (60 mL), and finally reacted with 100 mL of colorimetric (Greiss) reagents. Following just a single loading phase at the beginning of the process, all of these steps are automated through the centrifugo-pneumatic cascade with a high level of flow control and synchronization. Our system shows good correlation with controls up to 50 mM of nitrate, which adequately covers the healthy human range (4 to 45.3 mM)