Optical holographic microscopy for bio- and nanoparticle characterization

(English) Nowadays, being able to precisely characterize nanoparticles is of key relevance in a wide range of scenarios. For instance, chemical and pharmaceutical industries often rely in particle-sizing for quality control. In a clinical context, in contrast, sensitive bioparticle characterization platforms can lead to the diagnosis of early-stage illnesses. However, the needs between each scenario vary, due to the differences in samples’ composition and the particle-property of interest. Hence, several nanoparticle characterization techniques have emerged, each one based on a different physical principle and best suited for particular usage scopes. In this thesis, I improve the optical nanoparticle sizing techniques by using holography. I present different optical systems that image nanoparticles and record their scattering signal into holograms. I show how to reconstruct the scattered light’s wavefront using holographic processing tools and how to extract the particle size information from it. I prove the capabilities of the holographic imaging systems that I introduce by providing their technical characterization and by measuring relevant samples. First, I introduce an imaging system with an extended the dynamic range compared to conventional darkfield microscopes. I demonstrate the nanoparticle sizing capabilities of such holographic platform using calibration samples. Moreover, I provide a proof-of-concept in the form of the characterization of a clinical sample, composed by extracellular vesicles, to demonstrate the feasibility of the platform for the development of point-of-care systems. Afterwards, I show how nanoparticle tracking analysis (NTA), that is to size particles from their diffusion, can be improved by using holography. The use of holography not only increases the NTA’s precision, thanks to its ability to capture better the particles’ diffusion, but also provides the refractive index information of the sample. The latter is of especial interest when measuring samples of unknown compositions, such as clinical extractions. I present experimental evidence of the improvements in the NTA’s sizing precision and the simultaneous retrieval of the refractive index. Additionally, I measure the radial shift of the nanoparticles induced by the formation of protein-coronas, which I believe that proves the platform’s relevance for studying the particles’ behaviour in biological fluids. Finally, I present a system that confines particles in the volume-of-view of a holographic imaging system for further improving the NTA’s sizing precision. Such platform’s design was motivated by the promising results obtained using holographic NTA and its potential usage on fundamental research of protein-corona formation. The idea behind the system is to obtain longer particle-diffusion trajectories for pushing the holographic NTA sensitivity down to what is necessary to detect the absorption of a single protein onto a nanoparticle. I demonstrate the capabilities of such platform by showing a thorough technical evaluation based on experimental evidence. I foresee that the presented holographic platforms will find many applications of both fundamental and applied nature. In particular, considering the ability of such platforms to analyse polydisperse samples, I expect to contribute to advances in the fundamental research of extracellular vesicles.(Català) Avui en dia, la correcta caracterització de les nanopartícules és clau en molts aspectes. Per exemple, las industries química i farmacèutica normalment confien en la mida de les partícules per a fer el control de qualitat. Per altra banda, en un context clínic la caracterització de certes biopartícules pot ajudar a diagnosticar diferents malalties en el seu inici. Tot i així, les necessitats en els diferents camps varia, degut a la diferència en la composició de les mostres i les propietats de les partícules d’interès. Per tant, s’han desenvolupat diferents tècniques per a caracteritzar nanopartícules, cadascuna basada en un principi físic diferent i adequades a àmbits d’ús específics. En aquesta tesi, he millorat les tècniques òptiques per a mesurar la mida de nanopartícules fent servir holografia. Presento diferents sistemes òptics d’imatge que capten la llum que dispersen les nanopartícules i la graven en hologrames. Mostro com reconstruir el front d’ona de la llum dispersada fent servir eines de processament hologràfic i com extreure d’aquesta informació la mida de la partícula. Demostro la capacitat dels sistemes d’imatge per holografia que presento proporcionant una caracterització tècnica i mesurant mostres rellevants. Primer, introdueixo un sistema d’imatge amb un rang dinàmic ampliat en comparació als microscopis de camp fosc convencionals. Demostro la capacitat de mesura de nanopartícules d’aquesta plataforma hologràfica fent servir mostres de calibratge. A més a més, aporto una prova de concepte caracteritzant una mostra clínica formada per vesícules extracel·lulars, per tal de demostrar la viabilitat de la plataforma per a desenvolupar sistemes de proves al punt de atenció. Tot seguit, milloro el anàlisi de seguiment de nanopartícules (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA), fet servir per mesurar partícules a partir de la seva difusió, gracies a la holografia. L’ús d’holografia no només augmenta la precisió del NTA per la seva capacitat de capturar millor la difusió de les partícules, si no que també aporta l’índex de refracció de la mostra. Aquest és d’especial interès a mesurar mostres de composició desconeguda, com les extraccions clíniques. Presento proves experimentals de la millora de mesures de mida per NTA i de l’obtenció simultània de l’índex de refracció. Addicionalment, mesuro el canvi radial induït per la formació de corones de proteïnes, demostrant la rellevància de la plataforma per l’estudi del comportament de les partícules en fluids biològics. Finalment, presento un sistema que confina partícules en el volum de visió d’un sistema d’imatge hologràfic per a millorar la precisió de les mesures per NTA. El disseny d’aquesta plataforma va ser motivat per els bons resultats fent servir el NTA hologràfic i el seu potencial ús en investigació bàsica en la formació de corones de proteïnes. La idea d’aquest sistema és obtenir trajectòries de la difusió de partícules més llargues, augmentant la sensibilitat del NTA hologràfic per tal de detectar l’absorció d’una única proteïna a una nanopartícula. Demostro les capacitats d’aquesta plataforma mitjançant una minuciosa avaluació tècnica basada en evidencies experimentals. Preveig que les plataformes hologràfics presentades en aquesta tesi es podran utilitzar en varies aplicacions, tan en investigació bàsica com aplicada. En particular, considerant la capacitat d’aquestes plataformes per analitzar mostres polidisperses, espero contribuir a avançar la recerca bàsica de vesícules extracel·lulars.Postprint (published version

Light-actuated microfluidics

Lab-on-a-chip (LoC) technologies are nominated to revolutionize chemical and bio-chemical analysis. Although their great potential, they have not reach the consumer grade market, due to a lack of truly enabled functionality compared to current analytical methods. This works focuses on performing absorbance detection on LoC devices, by an easy to implement set-up. The present work is enclosed in a project which aims to combine, low-price absorption detection, low-cost materials and fast prototyping/fabrication method for developing an affordable and portable diagnostic tool based on enzymatic immunoassays. The obtained results are satisfactory, due to the obtained sensitivity, an order of magnitude higher than a standard microplate reader

Survival of <i>Escherichia coli</i> under Nutrient-Deprived Conditions: Effect on Cell Envelope Subproteome

In the aquatic ecosystems, microorganisms are exposed to seasonal and circadian cycles. Abiotic factors (e.g. low temperature, nutrient deprivation) can cause morphological and physiological changes in bacteria, thereby facilitating cell survival. While representing the interface between the cells and external environment, the cell envelope plays a major role in bacterial response to stress and characterization of the changes it undergoes can help to understand the adaptation process. In this study, analysis of the morphological and physiological changes as well as variations in protein composition of the Escherichia coli cell envelope was carried out for populations maintained for 21 days under nutrient deprivation and suboptimal temperatures (4°C and 20°C). It was found that the absence of nutrients led to a temperature-dependent reduction of cell culturability but had no effect on cell viability and integrity. The concentration of membrane proteins playing the key roles in cellular transport, maintenance of cell structure or bioenergetics processes remained mainly unchanged. In contrast, the level of several proteins such as the elongation factor EFTu 1, components of Bam complex or proteins implicated in chemotaxis was altered, thus indicating that cells were readily responding and adapting to stress

Ivan Illich: la desescolarización en la Educación social

Ivan Illich (Viena, 1926 - Bremen, 2002), Pedagogo y ensayista mexicano de origen austríaco. Centra sus obras y su vida en la crítica de las instituciones tradicionales de la sociedad industrial y cómo estas, no responden a las necesidades reales del mundo actual, por lo que propone una exhaustiva revisión de todas ellas comenzando con la más influyente: la escuela. Para el radical pensador la educación pedagógica sostenida institucionalmente por la escuela tradicional se ha convertido en una mercancía carente de valores éticos, y concebida, únicamente como un hábil instrumento para la formación de escolares utilitaristas y competitivos. Para evitar la constante inmersión de los educandos en los desdenes de la sociedad industrial pone sobre la mesa su propuesta pedagógica más agresiva y radical: la desescolarización, por la que plantea que la mayor parte de los conocimientos útiles para un individuo de la sociedad contemporánea se adquieren fuera de la escuela.Grado en Educación Socia

Programa de salud para la planificación familiar masculina

Los nuevos avances en anticoncepción masculina y su posible comercialización en un futuro próximo, plantean un cambio social sobre el rol a desempeñar en la planificación familiar y la necesidad de crear programas de salud dirigidos a la población joven.<br /

Diru sarrerak bermatzeko errenta: eraginkortasunetik kontrolera

[EU] Lan honen bitartez pobreziari aurre egiteko egun indarrean dauden tresna juridikoak aztertuko dira, Euskal Autonomi Erkidego mailan gai honetan indarberritu den legearen azterketa nabarmenduz. Oinarriak ezartzeko ezinbestekoa izango da gaur egun eskubide sozialek orokorrean duten eraginkortasun eta galdagarritasun juridikoa adieraztea. Behin oinarriak finkatuta gizarte bazterketa ekiditzeko dauden tresnak aipatuko dira. Horretarako administrazio bakoitzak gizarte laguntzan eta gizarte segurantzan duen egikaritza maila argituko da, politika bakoitzak zein eremutan duen indarra zehaztuz. Gainera, EAEn lege berriak ekarritako aldaketa batzuk adierazteaz aparte, duintasunez bizi ahal izateko galdagarriak diren ezaugarriak aipatuko dira. Azkenik, diru sarrerak bermatzeko errentaren eraginkortasunaren izenean administrazioaren aldetik burutzen den kontrolaren inguruko analisia burutuko da

Ikerketan oinarritutako ikaskuntza (IOI) lehen hezkuntzan: disoluzio ezezagunak identifikatzeko irakaskuntza-ikaskuntza sekuentzia baten diseinua, inplementazioa eta ebaluazioa

164 p. : il. -- Bibliogr.: pp. 56-63[EUS] Gradu amaierako lan honek ikerketan oinarritutako ikaskuntza (IOI) metodologian eta sentsoreen erabilpenean oinarritutako irakaskuntza-ikaskuntza sekuentzia baten diseinua (IIS), ezarpena eta ebaluazioa lantzen ditu, kimika hezkuntzaren oinarrizko kontzeptuak Lehen hezkuntzan helarazteko. Modu berean, baliabide didaktiko berritzaile honen bidez lehen hezkuntzan gaitasun zientifikoa garatzea du helburu. Esku-hartze didaktikoa Gasteizko Lehen Hezkuntzako Hogar San José Ikastetxean jorratu izan da LH-ko 42 ikasleekin (n=20 5. mailan eta n=22 6. mailan). Ikerketa eta esku-hartze didaktikoa hiru fase ezberdinetan antolatu izan da: 1) aldez-aurretiko (pre-test) galdetegia, ikasleriaren zientziarekiko interesa, produktu kimikoen inguruko pertzepzioa eta oinarrizko bi kontzeptu kimiko ezberdinen ezagutza aztertzeko: Disoluzio (identifikazioa, osagaiak, propietateak eta sailkapen irizpideak) eta pH (identifikazioa, pertzepzioa eta erabilera) kontzeptuak; 2) Irakaskuntza-ikaskuntza sekuentziaren (IIS) inplementazio pilotua, ikasleek IOI metodologiaren bidez, laborategian jarduera esperimentalak jorratuz, disoluzio ezezagunak nola identifikatzen diren ikertzeko eta 3) azkenik, jarduera ondoko (post-test) galdetegia, ikasleen ezagutzaren eraikuntzaz jabetzeko eta IIS-ren ebaluazioa aztertzeko. Orokorrean, emaitzek adierazten dute produktu kimikoen inguruko pertzepzioa oraindik ezkorra dela eta ikasle askok kimikaren garrantzia ez dutela ulertzen. Izan ere, ikasleen disoluzio eta pH inguruko hasiera ezagutzak murritzak eta partzialak dira. Hala ere, IIS egin ostean, aldaketa baikorra sumatu izan da Lehen Hezkuntzako ikaslerian, batik bat, disoluzioen identifikazioan eta pH-a kontzeptuari buruzko ezagutzan (erabilera eta pertzepzioa). Era berean, ikasleek IIS-ri buruz egindako ebaluazioa oso positiboa izan da.[ENG] This end-of-degree project develop the design, implementation and evaluation of a Teaching and Learning Sequence (TLS) grounded on inquiry based learning methodology. The TLS aims to transmit the main concepts of chemistry education in Elementary Education. Moreover, another objective is to work scientific abilities on primary education. The educational intervention has taken place in a school of Vitoria-Gasteiz with 42 students from the last two years of primary education (n=20 5th & n=22 6th grade). The educational intervention has three different phases: 1) pre-test to analyze all the students’ previous knowledge about their interest in science, the perception of chemical products and the knowledge on two basic chemical concepts: solution (identification, components, characteristic and classification criteria) and pH (identification, perception and use); 2) the implementation of the teaching unit where students make experimental activities in the laboratory to investigate how to identify unknown solutions by inquiry based learning methodology and 3) a post-test in order to evaluate the students’ knowledge after the intervention together with and assessment test of the activities. In general, the results showed the perception of chemical products still has been negative and the majority of the students do not understand the importance of chemistry. In fact, students’ previous knowledge about solution and pH are limited and partial. However, before the TLS appreciate a positive change in the Elementary Education students, especially, in solutions identification and in pH concept (perception and use). It is also worth to say that the evaluation of students about this teaching unit has been positive.[ES] Este trabajo de fin de grado desarrolla el diseño, aplicación y evaluación de una secuencia de enseñanza-aprendizaje (SEA) fundamentada en la metodología de aprendizaje basado en la indagación, para transmitir los conceptos básicos de la educación química en Educación Primaria. Además de ello, otro de sus objetivos es trabajar la competencia científica en la Educación Primaria. La intervención didáctica se ha llevado a cabo en un colegio de VitoriaGasteiz donde han participado 42 alumnos (n=20 5º curso y n=22 6º curso). Dicha intervención está dividida en tres fases principales: 1) un cuestionario previo (pre-test) para analizar el nivel de conocimiento del alumnado sobre el interés por la ciencia, la percepción de los productos químicos y el conocimiento de dos conceptos químicos básicos: disolución (identificación, componentes, propiedades y criterios de clasificación) y pH (identificación, percepción y uso); 2) una implementación piloto de la secuencia de enseñanza-aprendizaje (SEA) donde los alumnos han realizado actividades experimentales en el laboratorio para investigar como identificar disoluciones desconocidas mediante la metodología de aprendizaje por indagación y 3) para terminar, un cuestionario (post-test) para evaluar el nivel de conocimiento del alumnado y la valoración de la SEA. En general, los resultados dejan patente que la percepción de los productos químicos todavía sigue siendo negativa y una gran mayoría de los alumnos no entiende la importancia de la química. De hecho, los conocimientos previos que tienen los alumnos sobre los conceptos de disolución y pH son escasos y parciales. Sin embargo, tras la realización de la secuencia didáctica de enseñanzaaprendizaje (SEA) se percibe un cambio positivo en los conocimientos del alumnado de Educación Primaria, sobre todo, en la identificación de las disoluciones y el conocimiento del concepto del pH (percepción y uso). Así mismo, cabe destacar que la valoración de la SEA por parte del alumnado ha sido positiva

A propósito de la ocupación napoleónica: guerra, historia y memoria

This bibliographical essay analyzes several publications on the Spanish Independence War that appeared to mark the Bicentenary in relation to four specific issues: the nature of the war, the reign of Joseph Bonaparte and the guerrilla phenomenon. If those three paragraphs have a clear thematic content, the fourth is influenced by the epistemological shift experienced in recent years from the factual history to cultural history, and addresses issues relating to the representation and memory of war.; Este ensayo bibliográfico comenta diversas publicaciones sobre la Guerra de la Independencia aparecidas con motivo del Bicentenario en relación con cuatro aspectos concretos: la naturaleza de la contienda, el reinado de José Bonaparte y el fenómeno guerrillero. Si esos tres apartados tienen un claro contenido temático, el cuarto está influenciado por el giro epistemológico experimentado en los últimos años desde la historia factual a la historia cultural, y trata cuestiones relacionadas con la representación y la memoria de guerra