www.uhasselt.be
DSpace

Document Server@UHasselt >
Research >
Research publications >

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1942/20422

Title: Development and implementation of miniature impedimetric systems for biosensor readout
Authors: Broeders, Jeroen
Advisors: De Ceuninck, Ward
Thoelen, Ronald
Issue Date: 2013
Abstract: Research in the field of biosensors, i.e. sensors that are based on a biological recognition layer, has steadily increased in popularity over the last few decades. Sensors suited for a wide variety of bio-medically relevant target molecules are constantly being developed. The number of biosensor devices that actually reach the commercial market is however highly limited. Very few examples of such devices can be found, aside from the well-known glucose sensor and pregnancy test strips. Recent work has lead to synthetic sensors mimicking biological detection. These molecularly imprinted polymers (MIP) offer significant advantages over biological layers, including robustness and long shelf life, making them theoretically ideal for commercial applications. These sensors would thus benefit greatly from a miniaturized readout not only in the end-applications, but also in the development and characterization phase. In this work small form factor biosensor readout devices are presented. First an introduction in biosensors and portable applications is given, from which it becomes clear that the current commercial biosensor device market is still in its infancy. The number of readout systems suited for a wide variety of these sensors, either for use in the lab or point-of-care settings, is also highly limited. Impedance spectroscopy was chosen as the measurement technique on which to base device design. This technique has proven its use in the development and characterization stage of numerous biosensors. It not only allows for response monitoring but also enables physical modeling of the sensor cell, e.g. in equivalent electrical circuits. Although impedance analyzers are readily available, a combination of high cost, large size and high excitation signals make them unsuited for the targeted applications. Therefore three devices, each targeting a specific biosensor setting, are presented. First the design steps taken to develop a unit suited for lab characterization are discussed. This eight-channel device is completely controlled and powered by a connected PC and has peripheral ports available for interfacing with other lab equipment. The frequency spectrum and impedance range are specifically chosen to allow for readout and characterization of numerous types of biosensors and sensor layouts. Care is taken to avoid any interference between the device and the sensor under test. A second device, incorporating touch screen technology and numerous (wireless) communication protocols is well suited for field use and point-of-care applications. The measurement circuitry is based on the previous device and specifications are comparable, though the number of channels is reduced to four. Bluetooth protocol allows for short-range wireless control of the system, while Ethernet makes the device well-suited for long-distance use over standard network infrastructure. Data is stored on an on-board SD card and an application-specific user interface can run on the touch-screen display. Last but not least, a smartphone based readout system is presented in which disposable biosensor strips can be inserted. This could bridge the gap towards consumer applications. The choice was made to use the audio signals of the smartphone itself for impedance measurements, thus highly limiting the required external hardware. This puts however some limitations on the frequency spectrum and impedance range. While the previous devices were intended for readout of a wide variety of sensors, the smartphone-based system is specifically intended and fine-tuned for the readout of MIP sensor strips. The electrodes on these strips were custom made using low-cost screen-printing technology. Performance of the presented devices is verified on passive components and equivalent circuits of biosensors. Setups typically used for lab characterization of these sensors are described and steps taken to interface the units with the setups are explained, after which verification is done on actual bio(mimetic) sensors. Here a close eye is kept on the viability of the systems for measuring within the complete operating range of the sensors. For adequate readout the measurement errors and noise need to be below the impedance response at the detection limit of the sensor. The design principles presented in this work could lead to the development of commercially viable biosensor devices and form a concept for the use of biosensors in different applications.
Onderzoek naar biosensoren, dit zijn sensoren op basis van een biologische herkenningslaag, is de laatste decennia sterk gestegen in populariteit. Sensoren geschikt voor de detectie van een breed gamma aan biomedisch relevante doelmoleculen zijn continu in ontwikkeling. Het aantal biosensor gebaseerde toestellen dat effectief een commerciële markt bereikt is echter zeer beperkt. Los van de bekende glucosemeter en zwangerschapsteststrookjes zijn zeer weinig voorbeelden van dergelijke toestellen beschikbaar. Recent onderzoek heeft geleid naar synthetische sensoren die in staat zijn om biologische detectie na te bootsen. Deze moleculair imprinte polymeren (MIP) bieden voordelen zoals robuustheid en lange levensduur ten opzichte van biologische lagen. Hierdoor is dit type sensor uitermate geschikt voor commerciële toepassingen. Miniatuur uitleesapparatuur kan bijgevolg een groot voordeel bieden in zowel eindapplicaties als de ontwikkelingsfase van deze sensoren. In deze thesis wordt de ontwikkeling van compacte uitleestoestellen voor biosensoren toegelicht. Eerst wordt een introductie in het onderwerp van biosensoren en compacte toepassingen gegeven, waaruit blijkt dat de markt van commerciële biosensor toestellen nog in de kinderschoenen staat. Ook is er weinig tot geen uitleesapparatuur beschikbaar die geschikt is voor een breed gamma aan biosensoren. Impedantie spectroscopie is gekozen als uitleestechniek waarop de ontwikkeling van de toestellen gebaseerd is. Deze meettechniek heeft zijn nut reeds bewezen voor de ontwikkeling en karakterisering van talloze sensoren. Niet alleen kan de respons van een sensor opgevolgd worden, maar de sensorsetup kan ook volledig fysisch gemodelleerd worden, vb. in equivalente elektrische circuits. Hoewel impedantie analyzers commercieel beschikbaar zijn zorgen combinaties van hoge kostprijs, grote omvang en hoge werkingsspanningen ervoor dat deze toestellen niet geschikt zijn voor biosensor uitlezing. Daarom worden drie systemen voorgesteld die elk focussen op een specifiek toepassingsgebied. In eerste instantie worden de stappen om tot een systeem te komen geschikt voor laboratoriumgebruik uit de doeken gedaan. Het ontwikkelde acht-kanaals uitleestoestel wordt gebruikt in combinatie met een meetcomputer en is in staat te communiceren met andere labo-apparatuur. Het frequentiespectrum en impedantie bereik zijn specifiek gekozen voor de uitlezing en karakterisering van een breed gamma aan biosensoren en sensor structuren. Er wordt zorg gedragen om invloeden van het uitleestoestel op de geteste sensor te voorkomen. Een tweede toestel dat bediend wordt door middel van een aanraakscherm en verscheidene communicatieprotocollen ter beschikking heeft is uitermate geschikt voor veldwerk en point-of-care toepassingen. Het meetcircuit is gebaseerd op het voorgaand systeem en de specificaties zijn vergelijkbaar. Het aantal kanalen is echter gereduceerd tot vier. Bluetooth protocol laat toe het toestel over korte afstand draadloos te bedienen terwijl Ethernet langeafstand communicatie verzorgd via standaard netwerk infrastructuur. Data wordt opgeslagen op een SD-kaart en een applicatie-specifieke gebruikersinterface kan op het aanraakscherm worden weergegeven. Verder wordt een smartphone-gebaseerde oplossing voorgesteld voor de uitlezing van wegwerpbare sensor strookjes. Op deze manier wordt een brug gevormd naar consumenten toepassingen. Er is geopteerd om de audio signalen van de smartphone te gebruiken voor impedantiemetingen, waardoor de benodigde externe hardware sterk beperkt blijft. Dit heeft als gevolg dat het frequentiespectrum en het impedantiebereik relatief klein zijn. De voorgaande toestellen laten toe een breed gamma aan biosensoren uit te lezen. Het smartphone-gebaseerde systeem is daarentegen specifiek ontwikkeld voor de uitlezing van MIP sensorstrookjes. De elektrodes op deze strookjes worden gefabriceerd door zeefdruktechnologie. De presentaties van de ontwikkelde systemen wordt geverifieerd aan de hand van passieve componenten en equivalente circuits van biosensoren. Meetopstelling die typisch gebruikt worden voor karakterisering van sensoren in het lab worden toegelicht en stappen die nodig zijn om de toestellen te interfasen met deze setups worden uit de doeken gedaan, waarna verificatie gebeurt op bio(mimetische)sensoren. Hierbij wordt aandacht besteed aan de mogelijkheden van de toestellen om biosensoren uit te lezen in hun volledig werkingsgebied. Hierbij is het belangrijk dat meetfouten en ruis lager zijn dan de impedantie verandering bij de detectielimiet van de sensoren. De ontwerp principes gepresenteerd in deze thesis kunnen leiden tot de ontwikkeling van commercieel bruikbare biosensorsystemen en vormen een concept voor het gebruik van biosensoren in diverse toepassingen.
URI: http://hdl.handle.net/1942/20422
Category: T1
Type: Theses and Dissertations
Appears in Collections: PhD theses
Research publications

Files in This Item:

Description SizeFormat
N/A39.83 MBAdobe PDF

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.