Conformal Titanium Nitride in a Porous Silicon Matrix: a Nanomaterial for In-Chip Supercapacitors

Today's supercapacitor energy storages are typically discrete devices aimed for printed boards and power applications. The development of autonomous sensor networks and wearable electronics and the miniaturisation of mobile devices would benefit substantially from solutions in which the energy storage is integrated with the active device. Nanostructures based on porous silicon (PS) provide a route towards integration due to the very high inherent surface area to volume ratio and compatibility with microelectronics fabrication processes. Unfortunately, pristine PS has limited wettability and poor chemical stability in electrolytes and the high resistance of the PS matrix severely limits the power efficiency. In this work, we demonstrate that excellent wettability and electro-chemical properties in aqueous and organic electrolytes can be obtained by coating the PS matrix with an ultra-thin layer of titanium nitride by atomic layer deposition. Our approach leads to very high specific capacitance (15 F/cm$^3$), energy density (1.3 mWh/cm$^3$), power density (up to 214 W/cm$^3$) and excellent stability (more than 13,000 cycles). Furthermore, we show that the PS-TiN nanomaterial can be integrated inside a silicon chip monolithically by combining MEMS and nanofabrication techniques. This leads to realisation of in-chip supercapacitor, i.e., it opens a new way to exploit the otherwise inactive volume of a silicon chip to store energy

Compartmentalized organ-on-a-chip structure for spatiotemporal control of oxygen microenvironments

Hypoxia is a condition where tissue oxygen levels fall below normal levels. In locally induced hypoxia due to blood vessel blockage, oxygen delivery becomes compromised. The site where blood flow is diminished the most forms a zero-oxygen core, and different oxygenation zones form around this core with varying oxygen concentrations. Naturally, these differing oxygen microenvironments drive cells to respond according to their oxygenation status. To study these cellular processes in laboratory settings, the cellular gas microenvironments should be controlled rapidly and precisely. In this study, we propose an organ-on-a-chip device that provides control over the oxygen environments in three separate compartments as well as the possibility of rapidly changing the corresponding oxygen concentrations. The proposed device includes a microfluidic channel structure with three separate arrays of narrow microchannels that guide gas mixtures with desired oxygen concentrations to diffuse through a thin gas-permeable membrane into cell culture areas. The proposed microfluidic channel structure is characterized using a 2D ratiometric oxygen imaging system, and the measurements confirm that the oxygen concentrations at the cell culture surface can be modulated in a few minutes. The structure is capable of creating hypoxic oxygen tension, and distinct oxygen environments can be generated simultaneously in the three compartments. By combining the microfluidic channel structure with an open-well coculture device, multicellular cultures can be established together with compartmentalized oxygen environment modulation. We demonstrate that the proposed compartmentalized organ-on-a-chip structure is suitable for cell culture.publishedVersionPeer reviewe

Bioactive glass granules versus standard autologous and allogeneic bone grafts: a randomized trial of 49 adult bone tumor patients with a 10-year follow-up

Background and purpose: As a synthetic bone void filler, bioactive glasses (BGs) may enhance angiogenesis and osteogenesis. In this randomized trial, we compared the clinical efficacy of BG granules and standard bone grafts in patients undergoing surgery for benign bone tumors.Patients and methods: 49 recruited patients were randomized to receive BG granules or undergo conventional bone grafting to fill defects following tumor removal. As the standard of care, small-sized defects were filled with autologous graft, and large-sized defects were filled with allogeneic graft. The primary endpoint was treatment success at 1 year, defined by no reoperation, no tumor recurrence, and no device-related adverse events. Secondary endpoints included patient-reported outcomes (Rand-36 and pain scores) and quantitative assessment of blood flow and metabolic activity by means of F-18-fluoride PET/CT imaging. As an off-trial group, 15 children and adolescents (age Results: At 1-year, 21 of 25 BG-treated patients (risk estimate 0.84, 95% confidence interval [CI] 0.70-0.98) and 20 of 24 patients in the standard of care group (0.83, CI 0.68-0.98) met the criteria for treatment success. The groups had similar Rand-36 scores. In patients with small defects, BG filling was associated with shorter operative time and less postoperative pain at 1 month. In patients with large defects, blood flow was similar, but BG-filled defects showed higher metabolic activity than allograft-filled defects at 1-year. The survey of the postoperative period >= 10 years revealed no BG-related adverse events.Interpretation: BG granules had similar overall rates of treatment success compared with autografts and allografts, but large-scale trials are needed for the confirmation of clinical equivalence. The extended metabolic activity confirms the expected cellular responses of osseointegrated BG granules.</p

Building blocks of microphysiological system to model physiology and pathophysiology of human heart

Microphysiological systems (MPS) are drawing increasing interest from academia and from biomedical industry due to their improved capability to capture human physiology. MPS offer an advanced in vitro platform that can be used to study human organ and tissue level functions in health and in diseased states more accurately than traditional single cell cultures or even animal models. Key features in MPS include microenvironmental control and monitoring as well as high biological complexity of the target tissue. To reach these qualities, cross-disciplinary collaboration from multiple fields of science is required to build MPS. Here, we review different areas of expertise and describe essential building blocks of heart MPS including relevant cardiac cell types, supporting matrix, mechanical stimulation, functional measurements, and computational modelling. The review presents current methods in cardiac MPS and provides insights for future MPS development with improved recapitulation of human physiology.Peer reviewe

Electrophysiological Changes of Human-Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes during Acute Hypoxia and Reoxygenation

publishedVersionPeer reviewe

Surface-selective Luminescence Methods : Enabling technologies for rapid immunoassays and chemical sensing in cell cultures

Luminesenssiin perustuvia mittaustekniikoita hyödynnetään laajasti kemiallisissa ja biokemiallisissa määrityksissä, anturisovelluksissa ja kuvantamisessa, ja ne ovat vakiinnuttaneet paikkansa erityisesti biotekniikan ja lääketieteellisen diagnostiikan alalla. Lisäksi tekniikkaa käytetään hyödyksi monissa ympäristö- ja turvallisuussovelluksissa kuten viranomaisten tekemissä kenttätesteissä. Luminesenssitekniikan etuja ovat sen herkkyys ja sen tarjoamat monipuoliset mittaustavat ja -parametrit. Luminesenssitekniikka perustuu luminoivan eli valoa säteilevän molekyylin käyttöön. Tyypillisesti luminoiva molekyyli toimii mitattavaan yhdisteeseen eli analyyttiin kiinnittyvänä leimamolekyylinä tai analyytille herkkänä indikaattorina. Sopivan mittausjärjestelyn avulla analyytin pitoisuusmuutokset voidaan havaita muutoksina mitatussa luminesenssiemissiossa, joko sen intensiteetissä, elinajassa, anisotropiassa, energiansiirrossa tai spektroskooppisissa ominaisuuksissa. Mitattavat luminesenssimolekyylit sijaitsevat useimmiten jollakin rajapinnalla. Esimerkiksi tavallisessa fluoroimmunomäärityksessä leimatut vasta-ainemolekyylit sitoutuvat funktionalisoidulle mittauspinnalle, joka on usein läpinäkyvää dielektristä ainetta. Vastaavasti kemiallisessa anturoinnissa hyödynnetään usein järjestelyä, jossa analyytille herkät luminesenssi-indikaattorit sijaitsevat mittauspinnalla ohuen dielektrisen kalvon sisällä. Nämä dielektriset rajapinnat luovat optiseen taitekerroinavaruuteen epäjatkuvuuskohtia, jotka vaikuttavat merkittävästi sekä virittävän sähkökentän ominaisuuksiin että luminesenssiemission intensiteettiin ja avaruudelliseen säteilyjakaumaan rajapintojen lähellä. Sopivilla järjestelyillä näitä ilmiöitä voidaan hyödyntää luminesenssin mittaamisessa. Rajapintojen avulla sekä luminesenssin viritys että emission keräystekniikka voidaan tehdä pintaselektiivisesti. Tämä lisää merkittävästi pinnasta kerätyn luminesenssin intensiteettiä ja vaimentaa pinnan ulkopuolelta tulevia taustasignaaleja. Pintaselektiivinen fluoresenssitekniikka soveltuu erinomaisesti nopeisiin immunomäärityksiin. Tekniikan avulla immunologisia sitoutumisreaktioita voidaan seurata reaaliaikaisesti, mikä mahdollistaa analyyttipitoisuuden ennustamisen jo testin varhaisessa vaiheessa. Erityisen hyvin tekniikka soveltuu pienten analyyttien, kuten steroidien, hormonien ja huumeiden pikadiagnostiikkaan haastavissa biologisissa näytematriiseissa. Tämän väitöskirjan keskeisen osan muodostaakin pintaselektiivisen mittausalustan kehittäminen nopean fluoroimmunomäärityksen tarpeisiin. Maksimaalisen pintaselektiivisyyden saavuttamiseksi kehitetyssä mittausalustassa hyödynnetään yhtä aikaa sekä sisäiseen kokonaisheijastukseen perustuvaa fluoresenssiviritystä (engl. total internal reflection, TIR) että ylikriittiseen kulman fluoresenssiin (engl. supercritical angle fluorescence, SAF) perustuvaa emission keräämistä. Mittausalustan keskeisenä komponenttina toimii mittatilaustyönä valmistettu paraboloidinen linssi, jonka avulla TIR ja SAF tekniikat voidaan yhdistää. Linssi on valmistettu polystyreenistä, jonka suhteellisen korkea taitekertoimen arvo parantaa SAF fluoresenssin keräystehokkuutta. Lisäksi näytealustana voidaan käyttää tavallisia polystyreenistä valmistettuja suorapohjaisia mikrokuoppalevyjä. Mittausalustan toiminta ja pintaselektiivisyys karakterisoidaan kokeellisesti, ja sen käyttöä tutkitaan kahden huumausaineen, morfiinin ja kokaiinin immunomäärityksessä. Morfiinimääritys perustuu ei-kompetitiiviseen, kahta vasta-ainetta hyödyntävään immunomääritykseen. Merkkiaineilla leimattujen vasta-aineiden sitoutumista mittauspinnalle seurataan kehitetyllä mittausalustalla reaaliaikaisesti. Tulosten mukaan 30 sekunnin testissä voidaan määrittää morfiinipitoisuuksia, jotka ovat alle kymmenesosan viranomaisten morfiinille määrittämistä seulontarajoista (40 ng/mL). Kokaiinimääritys perustuu syrjäytys-tyyppiseen (engl. displacement-type) immunomääritykseen, jossa leimattujen vasta-aineiden irtoamista mittauspinnalta seurataan reaaliaikaisesti. Tulosten perusteella viranomaisten seulontarajoja vastaavien kokaiinipitoisuuksien (8 – 20 ng/mL) määrittäminen sylkinäytteistä on mahdollista 30 sekunnissa. Toinen pintaselektiivistä luminesenssimenetelmistä hyötyvä sovellus on in vitro soluviljelmien kemiallinen anturointi. Tyypillisessä mittausjärjestelyssä analyytille herkät indikaattorimolekyylit on upotettu ohueen dielektriseen mittauskalvoon, joka on kiinnitetty soluviljelmän kasvatusalustaan. Pintaselektiivisten menetelmien käyttö tehostaa tällaista mittausta, sillä menetelmien avulla emissiovaloa saadaan kerättyä moninkertainen määrä verrattuna tavanomaisiin optisiin järjestelyihin. Tämä antaa mahdollisuuden käyttää alhaisempaa indikaattoripitoisuutta ja luminesenssin viritystehoa ja vähentää näin mittauksen invasiivisuutta ja solujen kokemaa häiriötä. Lisäksi pintaselektiivinen virityksessä solut eivät altistu suoralle viritysvalolle. Erityisesti herkkien, ihmisperäisistä kantasoluista johdettujen (engl. human induced pluripotent cell-derived, hiPSC-derived) solumallien yhteydessä nämä tekijät voivat olla merkittäviä. Työssä kehitetään kaksi pintaselektiiviseen TIR ja SAF tekniikkaan perustuvaa happianturia in vitro soluviljelmien ja -mallien monitoroimiseen. Anturiratkaisujen lähtökohtana on minimoida niiden invasiivisuus ja toteuttaa optinen ratkaisu siten, että integroimien osaksi laajempaa solunkasvatusjärjestelmää on mahdollista. Molempien anturien keskeisenä optisena komponentti toimii mittatilaustyönä valmistetuttu paraboloidinen linssi. Kehitetyt happianturit karakterisoidaan, ja niitä käytetään ihmisperäisistä kantasoluista johdettujen sydänsolumallien happikonsentraation mittaamiseen yhdessä lämpötila- ja kaasunohjauksen, mikroelektrodi-matriisimittausten ja mikroskopian kanssa. Lopuksi työssä osoitetaan, että indikaattorien kovalenttinen kiinnittäminen mittauskalvoon parantaa ratkaisevasti mittauskalvon materiaalista bioyhteensopivuutta.Luminescence is the most widely used technology in chemical and biochemical assays and sensor applications. It is used extensively in the fields of biotechnology, medical diagnostics, DNA sequencing, genetic research, forensic analysis as well as in various on-site diagnostic, screening and safety applications. Luminescence technology is attractive, since it provides high sensitivity, a wide variety of sensing schemes and several measurable parameters. The technology is based on the use of luminescent labels or indicator molecules, whose radiation in the detector is modulated by the analyte in terms of emission intensity, lifetime, anisotropy, energy transfer or spectroscopic properties. Typically, the luminescent molecules to be detected are located at interfaces. There is a myriad of fluorescent immunoassays, where the fluorescently labelled biomolecules bind on transparent surfaces. Similarly, a typical sensing element a luminescence-based chemical sensor is composed of a thin dielectric layer embedded with analyte-sensitive indicators. In these common sensing geometries, the dielectric interfaces create discontinuities in the refractive index, which has substantial effects on the local electric field and the spatial radiation distribution of the adjacent molecular emitters. With appropriate optical arrangements, these effects can be exploited in the luminescence detection. Indeed, both the luminescence excitation and emission collection can be transformed into surface-selective or layer-selective modes, which significantly enhances the detected emission and suppresses the background signals. The surface-selective fluorescence detection is an excellent technological choice for rapid fluorescent immunoassays. The technique gives highly sensitive means to monitor biochemical binding processes in real time and thus generate estimates for the analyte concentrations as soon as the assay begins. The technique is also relatively insensitive to many bulk matrix effects, which makes it especially well-suited for rapid on-site applications with challenging sample matrices, such as point-of-care diagnostics and rapid on-site screening of many small but important molecules, including steroids, hormones, toxins and abused drugs. In this thesis, a fluorescent measurement platform with surface-selective techniques is developed for rapid immunoassays. For maximal surface-selectivity, the platform incorporates both the technique of total internal reflection excitation (TIR) and supercritical angle fluorescence (SAF). The key element of the platform is a parabolic lens, designed in the thesis and custom-manufactured from polystyrene, which facilitates the simultaneous application of TIR and SAF. The relatively high refractive index of polystyrene is advantageous in terms of the SAF collection efficiency and, in addition, polystyrene lens makes the platform compatible with standard flat-bottom microtiter plates. The thesis reports on the design, construction and characterization of the platform, as well as on its application to rapid immunoassays of two abused drug molecules: morphine and cocaine. The morphine assay is based on a noncompetitive immunoassay utilizing two antibodies. The fluorescent detection antibodies bind on the sensing surface, which is monitored with the developed platform in real time. As a result, morphine concentrations below one tenth of the typical screening cutoff concentration of the authorities (40 ng/mL) can be detected in 30 sec. The cocaine assay is based on a displacement-type immunoassay. The developed platform makes it possible to follow the displacement process in real time. The results show that cocaine concentrations down to 10 ng/mL, comparable to the common cutoff values of the authorities (8 - 20 ng/mL), can be detected in untreated saliva samples in 30 sec. Chemical sensing in in vitro cell cultures represents another key application for the surface-selective luminescence technology. In a widely applied chemical sensing geometry, analyte-specific indicators are embedded in an analyte-permeable thin film on the culturing substrate, and the analyte molecules modulate the luminescence properties of the indicator. To this geometry, the surface-selective (or layer-selective) detection techniques bring certain advantages, especially in terms of minimizing the invasiveness and the disruptions the cells experience. Firstly, compared to conventional luminescence collection set-ups, the surface-selective methods enhance the signal multiple times, thus allowing the use of low indicator concentrations and excitation power. Secondly, the surface-selective excitation protects the cells from a direct illumination. Especially in sensitive cell cultures, such as based on human induced pluripotent stem cell-derived (hiPSC-derived) cells, these features can be significant. In the thesis, luminescence-based oxygen sensors with surface-selective TIR and SAF techniques are developed for in vitro cell cultures. The key factors in the designs are the minimal invasiveness and the integrability to the modular cell culture platform with numerous other functionalities, including temperature and gas control, microelectrode arrays and microscopy. The optical read-outs are based on custommanufactured parabolic lenses. The developed oxygen sensors are characterized and applied in experiments, where the functionality of hiPSC-derived cardiomyocytes is monitored under varying oxygen conditions. Finally, the thesis demonstrates how the luminescent sensing material itself can be made significantly more biocompatible by linking of the indicators covalently into the supporting matrix, that is, by preventing the leaching of the indicators

Surface-selective Luminescence Methods : Enabling technologies for rapid immunoassays and chemical sensing in cell cultures

Luminesenssiin perustuvia mittaustekniikoita hyödynnetään laajasti kemiallisissa ja biokemiallisissa määrityksissä, anturisovelluksissa ja kuvantamisessa, ja ne ovat vakiinnuttaneet paikkansa erityisesti biotekniikan ja lääketieteellisen diagnostiikan alalla. Lisäksi tekniikkaa käytetään hyödyksi monissa ympäristö- ja turvallisuussovelluksissa kuten viranomaisten tekemissä kenttätesteissä. Luminesenssitekniikan etuja ovat sen herkkyys ja sen tarjoamat monipuoliset mittaustavat ja -parametrit. Luminesenssitekniikka perustuu luminoivan eli valoa säteilevän molekyylin käyttöön. Tyypillisesti luminoiva molekyyli toimii mitattavaan yhdisteeseen eli analyyttiin kiinnittyvänä leimamolekyylinä tai analyytille herkkänä indikaattorina. Sopivan mittausjärjestelyn avulla analyytin pitoisuusmuutokset voidaan havaita muutoksina mitatussa luminesenssiemissiossa, joko sen intensiteetissä, elinajassa, anisotropiassa, energiansiirrossa tai spektroskooppisissa ominaisuuksissa. Mitattavat luminesenssimolekyylit sijaitsevat useimmiten jollakin rajapinnalla. Esimerkiksi tavallisessa fluoroimmunomäärityksessä leimatut vasta-ainemolekyylit sitoutuvat funktionalisoidulle mittauspinnalle, joka on usein läpinäkyvää dielektristä ainetta. Vastaavasti kemiallisessa anturoinnissa hyödynnetään usein järjestelyä, jossa analyytille herkät luminesenssi-indikaattorit sijaitsevat mittauspinnalla ohuen dielektrisen kalvon sisällä. Nämä dielektriset rajapinnat luovat optiseen taitekerroinavaruuteen epäjatkuvuuskohtia, jotka vaikuttavat merkittävästi sekä virittävän sähkökentän ominaisuuksiin että luminesenssiemission intensiteettiin ja avaruudelliseen säteilyjakaumaan rajapintojen lähellä. Sopivilla järjestelyillä näitä ilmiöitä voidaan hyödyntää luminesenssin mittaamisessa. Rajapintojen avulla sekä luminesenssin viritys että emission keräystekniikka voidaan tehdä pintaselektiivisesti. Tämä lisää merkittävästi pinnasta kerätyn luminesenssin intensiteettiä ja vaimentaa pinnan ulkopuolelta tulevia taustasignaaleja. Pintaselektiivinen fluoresenssitekniikka soveltuu erinomaisesti nopeisiin immunomäärityksiin. Tekniikan avulla immunologisia sitoutumisreaktioita voidaan seurata reaaliaikaisesti, mikä mahdollistaa analyyttipitoisuuden ennustamisen jo testin varhaisessa vaiheessa. Erityisen hyvin tekniikka soveltuu pienten analyyttien, kuten steroidien, hormonien ja huumeiden pikadiagnostiikkaan haastavissa biologisissa näytematriiseissa. Tämän väitöskirjan keskeisen osan muodostaakin pintaselektiivisen mittausalustan kehittäminen nopean fluoroimmunomäärityksen tarpeisiin. Maksimaalisen pintaselektiivisyyden saavuttamiseksi kehitetyssä mittausalustassa hyödynnetään yhtä aikaa sekä sisäiseen kokonaisheijastukseen perustuvaa fluoresenssiviritystä (engl. total internal reflection, TIR) että ylikriittiseen kulman fluoresenssiin (engl. supercritical angle fluorescence, SAF) perustuvaa emission keräämistä. Mittausalustan keskeisenä komponenttina toimii mittatilaustyönä valmistettu paraboloidinen linssi, jonka avulla TIR ja SAF tekniikat voidaan yhdistää. Linssi on valmistettu polystyreenistä, jonka suhteellisen korkea taitekertoimen arvo parantaa SAF fluoresenssin keräystehokkuutta. Lisäksi näytealustana voidaan käyttää tavallisia polystyreenistä valmistettuja suorapohjaisia mikrokuoppalevyjä. Mittausalustan toiminta ja pintaselektiivisyys karakterisoidaan kokeellisesti, ja sen käyttöä tutkitaan kahden huumausaineen, morfiinin ja kokaiinin immunomäärityksessä. Morfiinimääritys perustuu ei-kompetitiiviseen, kahta vasta-ainetta hyödyntävään immunomääritykseen. Merkkiaineilla leimattujen vasta-aineiden sitoutumista mittauspinnalle seurataan kehitetyllä mittausalustalla reaaliaikaisesti. Tulosten mukaan 30 sekunnin testissä voidaan määrittää morfiinipitoisuuksia, jotka ovat alle kymmenesosan viranomaisten morfiinille määrittämistä seulontarajoista (40 ng/mL). Kokaiinimääritys perustuu syrjäytys-tyyppiseen (engl. displacement-type) immunomääritykseen, jossa leimattujen vasta-aineiden irtoamista mittauspinnalta seurataan reaaliaikaisesti. Tulosten perusteella viranomaisten seulontarajoja vastaavien kokaiinipitoisuuksien (8 – 20 ng/mL) määrittäminen sylkinäytteistä on mahdollista 30 sekunnissa. Toinen pintaselektiivistä luminesenssimenetelmistä hyötyvä sovellus on in vitro soluviljelmien kemiallinen anturointi. Tyypillisessä mittausjärjestelyssä analyytille herkät indikaattorimolekyylit on upotettu ohueen dielektriseen mittauskalvoon, joka on kiinnitetty soluviljelmän kasvatusalustaan. Pintaselektiivisten menetelmien käyttö tehostaa tällaista mittausta, sillä menetelmien avulla emissiovaloa saadaan kerättyä moninkertainen määrä verrattuna tavanomaisiin optisiin järjestelyihin. Tämä antaa mahdollisuuden käyttää alhaisempaa indikaattoripitoisuutta ja luminesenssin viritystehoa ja vähentää näin mittauksen invasiivisuutta ja solujen kokemaa häiriötä. Lisäksi pintaselektiivinen virityksessä solut eivät altistu suoralle viritysvalolle. Erityisesti herkkien, ihmisperäisistä kantasoluista johdettujen (engl. human induced pluripotent cell-derived, hiPSC-derived) solumallien yhteydessä nämä tekijät voivat olla merkittäviä. Työssä kehitetään kaksi pintaselektiiviseen TIR ja SAF tekniikkaan perustuvaa happianturia in vitro soluviljelmien ja -mallien monitoroimiseen. Anturiratkaisujen lähtökohtana on minimoida niiden invasiivisuus ja toteuttaa optinen ratkaisu siten, että integroimien osaksi laajempaa solunkasvatusjärjestelmää on mahdollista. Molempien anturien keskeisenä optisena komponentti toimii mittatilaustyönä valmistetuttu paraboloidinen linssi. Kehitetyt happianturit karakterisoidaan, ja niitä käytetään ihmisperäisistä kantasoluista johdettujen sydänsolumallien happikonsentraation mittaamiseen yhdessä lämpötila- ja kaasunohjauksen, mikroelektrodi-matriisimittausten ja mikroskopian kanssa. Lopuksi työssä osoitetaan, että indikaattorien kovalenttinen kiinnittäminen mittauskalvoon parantaa ratkaisevasti mittauskalvon materiaalista bioyhteensopivuutta.Luminescence is the most widely used technology in chemical and biochemical assays and sensor applications. It is used extensively in the fields of biotechnology, medical diagnostics, DNA sequencing, genetic research, forensic analysis as well as in various on-site diagnostic, screening and safety applications. Luminescence technology is attractive, since it provides high sensitivity, a wide variety of sensing schemes and several measurable parameters. The technology is based on the use of luminescent labels or indicator molecules, whose radiation in the detector is modulated by the analyte in terms of emission intensity, lifetime, anisotropy, energy transfer or spectroscopic properties. Typically, the luminescent molecules to be detected are located at interfaces. There is a myriad of fluorescent immunoassays, where the fluorescently labelled biomolecules bind on transparent surfaces. Similarly, a typical sensing element a luminescence-based chemical sensor is composed of a thin dielectric layer embedded with analyte-sensitive indicators. In these common sensing geometries, the dielectric interfaces create discontinuities in the refractive index, which has substantial effects on the local electric field and the spatial radiation distribution of the adjacent molecular emitters. With appropriate optical arrangements, these effects can be exploited in the luminescence detection. Indeed, both the luminescence excitation and emission collection can be transformed into surface-selective or layer-selective modes, which significantly enhances the detected emission and suppresses the background signals. The surface-selective fluorescence detection is an excellent technological choice for rapid fluorescent immunoassays. The technique gives highly sensitive means to monitor biochemical binding processes in real time and thus generate estimates for the analyte concentrations as soon as the assay begins. The technique is also relatively insensitive to many bulk matrix effects, which makes it especially well-suited for rapid on-site applications with challenging sample matrices, such as point-of-care diagnostics and rapid on-site screening of many small but important molecules, including steroids, hormones, toxins and abused drugs. In this thesis, a fluorescent measurement platform with surface-selective techniques is developed for rapid immunoassays. For maximal surface-selectivity, the platform incorporates both the technique of total internal reflection excitation (TIR) and supercritical angle fluorescence (SAF). The key element of the platform is a parabolic lens, designed in the thesis and custom-manufactured from polystyrene, which facilitates the simultaneous application of TIR and SAF. The relatively high refractive index of polystyrene is advantageous in terms of the SAF collection efficiency and, in addition, polystyrene lens makes the platform compatible with standard flat-bottom microtiter plates. The thesis reports on the design, construction and characterization of the platform, as well as on its application to rapid immunoassays of two abused drug molecules: morphine and cocaine. The morphine assay is based on a noncompetitive immunoassay utilizing two antibodies. The fluorescent detection antibodies bind on the sensing surface, which is monitored with the developed platform in real time. As a result, morphine concentrations below one tenth of the typical screening cutoff concentration of the authorities (40 ng/mL) can be detected in 30 sec. The cocaine assay is based on a displacement-type immunoassay. The developed platform makes it possible to follow the displacement process in real time. The results show that cocaine concentrations down to 10 ng/mL, comparable to the common cutoff values of the authorities (8 - 20 ng/mL), can be detected in untreated saliva samples in 30 sec. Chemical sensing in in vitro cell cultures represents another key application for the surface-selective luminescence technology. In a widely applied chemical sensing geometry, analyte-specific indicators are embedded in an analyte-permeable thin film on the culturing substrate, and the analyte molecules modulate the luminescence properties of the indicator. To this geometry, the surface-selective (or layer-selective) detection techniques bring certain advantages, especially in terms of minimizing the invasiveness and the disruptions the cells experience. Firstly, compared to conventional luminescence collection set-ups, the surface-selective methods enhance the signal multiple times, thus allowing the use of low indicator concentrations and excitation power. Secondly, the surface-selective excitation protects the cells from a direct illumination. Especially in sensitive cell cultures, such as based on human induced pluripotent stem cell-derived (hiPSC-derived) cells, these features can be significant. In the thesis, luminescence-based oxygen sensors with surface-selective TIR and SAF techniques are developed for in vitro cell cultures. The key factors in the designs are the minimal invasiveness and the integrability to the modular cell culture platform with numerous other functionalities, including temperature and gas control, microelectrode arrays and microscopy. The optical read-outs are based on custommanufactured parabolic lenses. The developed oxygen sensors are characterized and applied in experiments, where the functionality of hiPSC-derived cardiomyocytes is monitored under varying oxygen conditions. Finally, the thesis demonstrates how the luminescent sensing material itself can be made significantly more biocompatible by linking of the indicators covalently into the supporting matrix, that is, by preventing the leaching of the indicators