Design of an electrode matrix biosensor for the characterization of biological mediums by impedance spectroscopy
Conception et réalisation d'un biocapteur à matrice d’électrodes pour la caractérisation de milieux biologiques par spectroscopie d’impédance
Abstract
Knowledge of the electromagnetic properties of cells can provide early signals of disease or abnormal conditions in the human body for medical applications. In combination with microfluidic devices, impedance spectroscopy can be a powerful tool for sorting, analyzing, counting and discriminating cells. The main objective of this thesis is the characterization of isolated biological cells by measurement of unit-scale impedance spectroscopy and thus to be able to characterize them, in this thesis project we have done. The design and development of a coplanar electrode matrix biosensor are the second objective of this work, the idea being ultimately to be able to perform simultaneous measurements on several unit cells. The electrode matrix-shaped structure makes it possible to increase the number of cells measured as the number of electrodes increases. However, the electrode lead tracks can reduce the normalized impedance variation and thereby increase the difficulty in measuring cells between the electrodes. To analyze the effects of the connection tracks, propose improvements and observe the feasibility, we first used a simple 2x2 matrix. With this structure, we analyze analytically, by simulations and by experimental measurements, the influence of the connection tracks on the frequency band and on the standardized impedance variation. To reduce the effects of connection tracks, we have reduced their dimensions as well and we have used shown the advantage of using an insulator layer on the connection tracks.
La connaissance des propriétés électromagnétiques des cellules peut fournir des signaux précoces de maladie ou de conditions anormales dans le corps humain pour des applications médicales. Combinée à des dispositifs microfluidiques, la spectroscopie d'impédance peut constituer un outil puissant pour le tri, l'analyse, le comptage et la discrimination de cellules. L’objectif principal de cette thèse est la caractérisation de cellules biologiques isolées par spectroscopie d’impédance. La conception et le développement d’un biocapteur à matrice d’électrodes coplanaires sont le second objectif de ce travail, l’idée étant in fine de pouvoir effectuer des mesures simultanées sur plusieurs cellules unitaires. La structure en forme de matrice d’électrodes permet d’augmenter le nombre de cellules mesurées lorsque le nombre d’électrodes augmente. Cependant, les pistes de connexion des électrodes peuvent réduire la variation d’impédance normalisée et ainsi augmenter la difficulté de mesurer les cellules entre les électrodes. Pour analyser les effets des pistes de connexion, proposer des améliorations et observer la faisabilité, nous avons d’abord utilisé une matrice simple 2x2. Avec cette structure, nous analysons de façon analytique, par simulation et par mesures expérimentales l’influence des pistes de connexion sur la bande de fréquence et sur la variation d’impédance normalisée. Pour réduire les effets de pistes de connexion, nous avons réduit leurs dimensions et nous avons montré l’avantage d’utiliser une couche d’isolant sur les pistes de connexion.
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