A portable device for time-resolved fluorescence based on an array of CMOS SPADs with integrated microfluidics

[eng] Traditionally, molecular analysis is performed in laboratories equipped with desktop instruments operated by specialized technicians. This paradigm has been changing in recent decades, as biosensor technology has become as accurate as desktop instruments, providing results in much shorter periods and miniaturizing the instrumentation, moving the diagnostic tests gradually out of the central laboratory. However, despite the inherent advantages of time-resolved fluorescence spectroscopy applied to molecular diagnosis, it is only in the last decade that POC (Point Of Care) devices have begun to be developed based on the detection of fluorescence, due to the challenge of developing high-performance, portable and low-cost spectroscopic sensors. This thesis presents the development of a compact, robust and low-cost system for molecular diagnosis based on time-resolved fluorescence spectroscopy, which serves as a general-purpose platform for the optical detection of a variety of biomarkers, bridging the gap between the laboratory and the POC of the fluorescence lifetime based bioassays. In particular, two systems with different levels of integration have been developed that combine a one-dimensional array of SPAD (Single-Photon Avalanch Diode) pixels capable of detecting a single photon, with an interchangeable microfluidic cartridge used to insert the sample and a laser diode Pulsed low-cost UV as a source of excitation. The contact-oriented design of the binomial formed by the sensor and the microfluidic, together with the timed operation of the sensors, makes it possible to dispense with the use of lenses and filters. In turn, custom packaging of the sensor chip allows the microfluidic cartridge to be positioned directly on the sensor array without any alignment procedure. Both systems have been validated, determining the decomposition time of quantum dots in 20 nl of solution for different concentrations, emulating a molecular test in a POC device.[cat] Tradicionalment, l'anàlisi molecular es realitza en laboratoris equipats amb instruments de sobretaula operats per tècnics especialitzats. Aquest paradigma ha anat canviant en les últimes dècades, a mesura que la tecnologia de biosensor s'ha tornat tan precisa com els instruments de sobretaula, proporcionant resultats en períodes molt més curts de temps i miniaturitzant la instrumentació, permetent així, traslladar gradualment les proves de diagnòstic fora de laboratori central. No obstant això i malgrat els avantatges inherents de l'espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps aplicada a la diagnosi molecular, no ha estat fins a l'última dècada que s'han començat a desenvolupar dispositius POC (Point Of Care) basats en la detecció de la fluorescència, degut al desafiament que suposa el desenvolupament de sensors espectroscòpics d'alt rendiment, portàtils i de baix cost. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'un sistema compacte, robust i de baix cost per al diagnòstic molecular basat en l'espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps, que serveixi com a plataforma d'ús general per a la detecció òptica d'una varietat de biomarcadors, tancant la bretxa entre el laboratori i el POC dels bioassaigs basats en l'anàlisi de la pèrdua de la fluorescència. En particular, s'han desenvolupat dos sistemes amb diferents nivells d'integració que combinen una matriu unidimensional de píxels SPAD (Single-Photon Avalanch Diode) capaços de detectar un sol fotó, amb un cartutx microfluídic intercanviable emprat per inserir la mostra, així com un díode làser UV premut de baix cost com a font d'excitació. El disseny orientat a la detecció per contacte de l'binomi format pel sensor i la microfluídica, juntament amb l'operació temporitzada dels sensors, permet prescindir de l'ús de lents i filtres. Al seu torn, l'empaquetat a mida de l'xip sensor permet posicionar el cartutx microfluídic directament sobre la matriu de sensors sense cap procediment d'alineament. Tots dos sistemes han estat validats determinant el temps de descomposició de "quantum dots" en 20 nl de solució per a diferents concentracions, emulant així un assaig molecular en un dispositiu POC

Control d'una càpsula endoscòpica mitjançant un RTOS empotrat en un processador simple de 8 bits

Projecte Final de Carrera d'Enginyeria Electrònica, Universitat de Barcelona, Facultat de Física. Director: Diéguez Barrientos, Àngel. Any: 201

A Compact raster lensless microscope based on a microdisplay

Lensless microscopy requires the simplest possible configuration, as it uses only a light source, the sample and an image sensor. The smallest practical microscope is demonstrated here. In contrast to standard lensless microscopy, the object is located near the lighting source. Raster optical microscopy is applied by using a single-pixel detector and a microdisplay. Maximum resolution relies on reduced LED size and the position of the sample respect the microdisplay. Contrarily to other sort of digital lensless holographic microscopes, light backpropagation is not required to reconstruct the images of the sample. In a mm-high microscope, resolutions down to 800 nm have been demonstrated even when measuring with detectors as large as 138 μm × 138 μm, with field of view given by the display size. Dedicated technology would shorten measuring time

A Point-of-Care Device for Molecular Diagnosis Based on CMOS SPAD Detectors with Integrated Microfluidics

We describe the integration of techniques and technologies to develop a Point-of-Care for molecular diagnosis PoC-MD, based on a fluorescence lifetime measurement. Our PoC-MD is a low-cost, simple, fast, and easy-to-use general-purpose platform, aimed at carrying out fast diagnostics test through label detection of a variety of biomarkers. It is based on a 1-D array of 10 ultra-sensitive Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) detectors made in a 0.18 μm High-Voltage Complementary Metal Oxide Semiconductor (HV-CMOS) technology. A custom microfluidic polydimethylsiloxane cartridge to insert the sample is straightforwardly positioned on top of the SPAD array without any alignment procedure with the SPAD array. Moreover, the proximity between the sample and the gate-operated SPAD sensor makes unnecessary any lens or optical filters to detect the fluorescence for long lifetime fluorescent dyes, such as quantum dots. Additionally, the use of a low-cost laser diode as pulsed excitation source and a Field-Programmable Gate Array (FPGA) to implement the control and processing electronics, makes the device flexible and easy to adapt to the target label molecule by only changing the laser diode. Using this device, reliable and sensitive real-time proof-of-concept fluorescence lifetime measurement of quantum dot QdotTM 605 streptavidin conjugate is demonstrated

Pràctiques de Disseny i Síntesi de Sistemes Digitals - Bus I2C

Aquest document serveix com una guia per a les sessions pràctiques de Disseny i Síntesi de Sistemes Digitals, específicament dissenyada per als alumnes del Grau d'Enginyeria Electrònica de Telecomunicació. Detalla el procés integral de disseny d'un sistema digital, oferint una orientació pas a pas en la creació d'un dispositiu mestre del bus I2C. El document abasta totes les etapes, des de la concepció inicial del disseny fins a la verificació rigorosa i la implementació final en una FPGA, amb l'objectiu específic d'interactuar de manera efectiva amb un sensor. Aquesta guia es presenta com una eina indispensable per a l'assoliment de competències pràctiques en l'àmbit de la síntesi digital

Laboratori de Disseny i Síntesi de Sistemes Digitals

Grau Enginyeria Electrònica de TelecomunicacióGuió del laboratori de l'assignatura Disseny i Síntesis de Sistemes Digitals

Pràctiques de Eines de Disseny - Disseny de Circuits Impresos (PCBs)

Aquest document proporciona una guia completa per a les pràctiques d'Eines de Disseny de Circuits Impresos (PCBs) per als estudiants del Grau d'Enginyeria Electrònica de Telecomunicació. A través d'aquesta guia, els estudiants podran aprendre les tasques específiques que es requereixen per al disseny de PCBs, incloent-hi la concepció, l'esquemàtic, el Layout, verificació, i la fabricació. A més a més, aquest document també proporciona informació sobre l'ús de l'eina de disseny KiCad EDA, que és una eina de disseny de PCBs de codi obert i gratuïta. El document també ofereix una secció extensa de material addicional, incluint recursos sobre formats d'encapsulat estàndard, la incorporació de models SPICE a simulacions LTspice, i més. A més, es destaca la importància del control de versions en el disseny de PCBs, proporcionant enllaços a eines útils com CADLAB.io per a la gestió visual de versions de PCBs

Disulfide driven folding for a conditionally disordered protein

Altres ajuts: ICREA, ICREA-Academia 2015 to S.V.Conditionally disordered proteins are either ordered or disordered depending on the environmental context. The substrates of the mitochondrial intermembrane space (IMS) oxidoreductase Mia40 are synthesized on cytosolic ribosomes and diffuse as intrinsically disordered proteins to the IMS, where they fold into their functional conformations; behaving thus as conditionally disordered proteins. It is not clear how the sequences of these polypeptides encode at the same time for their ability to adopt a folded structure and to remain unfolded. Here we characterize the disorder-to-order transition of a Mia40 substrate, the human small copper chaperone Cox17. Using an integrated real-time approach, including chromatography, fluorescence, CD, FTIR, SAXS, NMR, and MS analysis, we demonstrate that in this mitochondrial protein, the conformational switch between disordered and folded states is controlled by the formation of a single disulfide bond, both in the presence and in the absence of Mia40. We provide molecular details on how the folding of a conditionally disordered protein is tightly regulated in time and space, in such a way that the same sequence is competent for protein translocation and activity