Microsystems for biological cell characterization

Abstract

This thesis describes three techniques for the characterization of living cells using micro-electro-mechanical systems (MEMS) based devices. The study of cellular function and structure is essential for bioprocess control, disease diagnosis, patient treatment and drug discovery. Microsystem technology enables characterization of very small samples, minimal use of expensive reagents, testing of multiple samples in parallel, and point-of-care testing, all of which increase throughput and reduce the analysis cost. The three characterization techniques presented in this thesis could be integrated into a microfluidic cellular total analysis system to obtain complementary information of cellular function. The first part of the thesis presents the characterization of bovine adrenal cortex capillary endothelial cells by impedance spectroscopy in a microsystem which was realized using microfabrication techniques. The microsystem consists of a small-volume cell culture area defined on PDMS walls on a glass substrate with gold electrodes coated with a self-assembled monolayer to enable cell attachment. As the main result, it was possible to monitor the capillary formation of BACC endothelial cells in a microsystem using impedance spectroscopy. The second part describes calorimetric characterization of Saccharomyces cerevisiae yeast cells using a MEMS-based nanocalorimetric microsensor. The cells are introduced to the sensor membrane in small droplets (~1 μl), and the sensor thermopile voltage output is compared to the output of the reference water droplet to extract the effect of sample evaporation. The third part describes the design, process integration and fabrication of an electrically tunable Fabry-Perot interferometer (FPI) monolithically integrated on a photodiode for visible spectrum measurements. The options for the process integration of separate FPI optical filters are presented. The application of miniature spectrometers based on MEMS FPI technology in biological cell characterization is discussed.

Tämä väitöskirja käsittää kolme erilaista mikroelektromekaanisiin systeemeihin (MEMS) perustuvaa menetelmää elävien solujen karakterisoimiseksi. Solutoimintojen ja rakenteen karakterisointi on tärkeää bioprosessien kontrolloinnissa, sairauksien diagnosoinnissa, potilaiden hoidossa ja uusien lääkkeiden tutkimuksessa. Mikrosysteemitekniikka mahdollistaa hyvin pienien näytemäärien yhtäaikaisen karakterisoinnin ja paikan päällä testauksen sekä minimoi kalliiden reaktioaineiden käytön, lisäten näin läpimenoa ja vähentäen analyysin hintaa. Nämä kolme tässä väitöskirjassa esitettyä karakterisointitekniikkaa on mahdollista yhdistää osaksi mikrofluidistista solujen kokonaisanalyysisysteemiä ja saada näin toinen toistaan täydentävää mittausinformaatiota solujen toiminnoista. Ensimmäinen osa käsittää naudan lisämunuaiskuoren kapillaariendoteelisolujen (BACC) monitoroinnin impedanssispektrometrialla mikrosysteemissä, joka on toteutettu mikrotyöstötekniikoita käyttäen. Mikrosysteemi koostuu pienen tilavuuden PDMS (polydimetyylisiloksaani) seinillä rajatusta soluviljelyalueesta lasialustalle, johon on kuvioitu kultaelektrodit ja SAM-kalvo solujen kiinnittymisen mahdollistamiseksi. Keskeisenä tuloksena voitiin todeta, että BACC-endoteelisolujen kapillaarien muodostumista oli mahdollista monitoroida mikrosysteemissä käyttäen impedanssispektrometriaa. Toisessa osiossa kuvataan Saccharomyces cerevisiae -hiivasolujen kalorimetristä monitorointia käyttäen nanokalorimetristä MEMS-mikroanturia. Solut tuodaan anturille pienissä pisaroissa (~μl) ja anturin termoparin jänniteulostuloa verrataan referenssinestepisaran jännitteeseen, jotta haihtumisen aiheuttama lämpöhäviö voidaan kompensoida. Kolmas osio käsittää näkyvän valon spektrin mittaamiseen tarkoitetun monoliittisesti fotodiodille integroidun sähköisesti säädettävän Fabry-Perot-interferometrin (FPI) suunnittelun, prosessi-integraation ja valmistuksen. Myös erillisten FPI-suodattimien prosessi-integraation vaihtoehdot esitetään. Mikromekaanisiin FPI-suodattimiin perustuvien miniatyyrispektrometrien soveltamista biologisiin solumittauksiin käsitellään ja havainnollistetaan esimerkein.