Analysis and characterisation of biological samples in nano and microfluidic devices using AC and DC electric fields

Abstract

The present thesis work titled “Analysis and characterisation of biological samples in nano and microfluidic devices using AC and DC electric fields” has as main objective study the effects that electric fields have biologic samples to develop microfluidic tools (lab-on-a-chip) that allow to manipulate and sensing these samples. This work is divided in three main issues oriented to develop different modules for a diagnostic device.

In the first block, we studied the movement of DNA molecules confined in a nanochannel of 20 nm height under the effect of DC and AC electric fields. The objective is to determine the mechanism behind the size separation of DNA molecules, in gel-free environments.

The second block presents the development of a new dielectrophoretic system for size sorting of cells. It is based in the competence between dielectrophoretic forces and the dragging forces generated by the fluid motion. The system is able to separate red blood cells form monocytes in physiological conditions (high conductivity) in continuously flow.

And finally, in the third block it is developed a new instrumentation for microcytometry applications based on impedance detection. The electronic device is validated by using a synchronised optical detection system that allow us relate the obtained signal with the position of the cell on the sensing area. The system demonstrated good sensing and sizing capabilities. We also used hydrodynamic focusing, to increase the sensing capabilities of a sensing geometry base don coplanar electrodes.

Esta tesis titulada “Analysis and characterisation of biological samples in nano and microfluidic devices using AC and DC electric fields” tiene como objetivo el estudiar los efectos que tienen los campos eléctricos sobre muestras biológicas con el fin de desarrollar herramientas microfluídicas (lab-on-a-chip) para la manipulación y detección de las muestras biológicas. El trabajo está dividido en tres ámbitos orientados a desarrollar dispositivos o módulos en un dispositivo para diagnóstico.

En el primer bloque estudiamos el movimiento de moléculas de ADN (-DNA) en el interior de nanocanales de 20 nm de alto bajo la influencia de campos DC y AC. El objetivo es determinar el mecanismo que hay detrás de la separación por tamaño de esta molécula en ausencia de geles y matrices.

En el segundo bloque desarrollamos un nuevo sistema dielectroforético de separación celular por tamaño, basado en la competencia entre la fuerza dielectroforética y las fuerzas fluídicas de arrastre. El sistema se utiliza para separar glóbulos rojos de monocitos en condiciones fisiológicas (alta conductividad) y en flujo continuo.

En el tercer bloque desarrollamos una instrumentación para un microcitómetro de flujo basado en medidas de impedancia. El sistema electrónico se valida mediante la utilización de un sistema de óptico sincronizado que nos permite relacionar la señal obtenida con el paso de las células sobre el área de detección. Mediante este sistema se ponen aprueba las capacidades de detección, así como la capacidad de distinguir células por tamaño. Finalmente utilizamos el efecto de la focalización hidrodinámica para mejorar las prestaciones de sensibilidad de un sistema de electrodos coplanares.