Bio-sensing applications of electromagnetic scattering from spheroidal objects

Abstract

(English) Bio-sensing technology has progressed rapidly over the past years due to their plethora of applications such as disease diagnosis, drug monitoring detection of pollutants, and disease-causing micro-organisms. They enable us to quantify the chemical and biological reactions for specific applications. In this thesis, the electromagnetic theories are applied to design a biosensor for living cells detection in radio frequency and to come up with a route forward the corneal sensing in the terahertz frequency region. Bio-particles sensing plays a crucial role in electrophoresis, detection of biomass sources, food and water safety, and many other areas. The straightforward rod-shaped structure of Escherichia coli bacteria allows us to treat them as basic biological microorganisms. This thesis intends to shed some light on Escherichia coli detection by a devised capacitive Wheatstone bridge biosensor that gives leverage to detect Escherichia coli growth along with validating two geometrical models imitating Escherichia coli as layered spherical and layered spheroidal particles in a culture. Corneal diseases and disorders can be diagnosed by sensing variations in corneal tissue water content and corneal central thickness. Current clinical sensing approaches are not sufficiently accurate for the early detection of these conditions. Terahertz spectroscopy is a promising path for the non-invasive and accurate characterization of the cornea. This thesis makes an effort to enhance the estimation accuracy of corneal parameters by computing longitudinal modes coupling of the cornea, under Gaussianbeam illumination, with a theoretical method based on Fourier-optics analysis and vector spherical harmonics. The implemented theory was explored by an experimental assembly. The measured back-scattered field from a quartz dome sitting on an aqueous core (resembling a cornea) was in adequate agreement with the simulated theory. To enhance longitudinal modes resolution, a perfect electromagnetic conductor sphere was employed for calibration. Moreover, as a part of this thesis, the requirement and challenges of applying the calibration sphere were introduced and addressed. Two sensing applications in this thesis are clearly distinct in terms of scale, frequency of interest, theoretical approach and experimental setup. Escherichia colicells dimensions are in µm whereas cornea is in the scale of mm. Cell sensing was carried out in 50 kHz while cornea sensing was performed in the terahertz range. The implemented theory for cell sensing is based on Laplace’s equation, whereas corneal sensing originated from an approach based on the wave equation. From the experimental aspect, in cell culture sensing, variation in voltage is measured versus time, while in corneal sensing the back-scattered field is measured over time. Despite mentioned dissimilarity, cell culture and cornea sensing are rooted in bio-sensing applications of electromagnetic theory for spheroidal objects.

(Español) La tecnología de biodetección ha progresado rápidamente en los últimos años debido a su una plétora de aplicaciones tales como diagnóstico de enfermedades, monitoreo de drogas, detección de contaminantes, y microorganismos causantes de enfermedades. Nos permiten cuantificar la sustancia química y reacciones biológicas para aplicaciones específicas. En esta tesis, el campo electromagnético se aplican teorías para diseñar un biosensor para la detección de células vivas en radiofrecuencia y encontrar una ruta hacia la detección de la córnea en la frecuencia de terahercios región. La detección de biopartículas juega un papel crucial en la electroforesis, detección de biomasa seguridad alimentaria y del agua, y muchas otras áreas. La sencilla forma de barra estructura de la bacteria Escherichia coli nos permite tratarlos como microorganismos biológicos básicos. Esta tesis pretende arrojar algo de luz sobre la detección de Escherichia coli por un biosensor de puente de Wheatstone capacitivo ideado que da apalancamiento para detectar Crecimiento de Escherichia coli junto con la validación de dos modelos geométricos que imitan a Escherichia coli como partículas esferoidales en capas y esféricas en capas en un cultivo. Las enfermedades y los trastornos de la córnea se pueden diagnosticar mediante la detección de variaciones en el tejido corneal. contenido de agua y espesor central corneal. Enfoques actuales de detección clínica no son lo suficientemente precisos para la detección temprana de estas condiciones. Terahercios La espectroscopia es un camino prometedor para la caracterización precisa y no invasiva de la córnea Esta tesis hace un esfuerzo por mejorar la precisión de la estimación de la córnea parámetros mediante el cálculo de modos longitudinales de acoplamiento de la córnea, bajo Gaussianbeam iluminación, con un método teórico basado en el análisis de la óptica de Fourier y armónicos esféricos vectoriales. La teoría implementada fue explorada por un montaje experimental. el medido campo retrodispersado de un domo de cuarzo asentado en un núcleo acuoso (parecido a una córnea) estaba en acuerdo adecuado con la teoría simulada. Para mejorar longitudinal resolución de modos, se empleó una esfera conductora electromagnética perfecta para la calibración. Además, como parte de esta tesis, la exigencia y los desafíos de aplicación de la esfera de calibración se introdujeron y abordaron. Dos aplicaciones de detección en esta tesis son claramente distintas en términos de escala, frecuencia de interés, enfoque teórico y montaje experimental. Escherichia coli las dimensiones de las células están en µm mientras que la córnea está en la escala de mm. La detección celular fue llevado a cabo en 50 kHz mientras que la detección de la córnea se realizó en el rango de terahercios. los teoría implementada para la detección de células se basa en la ecuación de Laplace, mientras que la córnea La detección se originó a partir de un enfoque basado en la ecuación de onda. de lo experimental aspecto, en la detección de cultivo celular, la variación en el voltaje se mide en función del tiempo, mientras que en la detección corneal, el campo retrodispersado se mide a lo largo del tiempo. A pesar de lo mencionado disimilitud, el cultivo celular y la detección de la córnea tienen sus raíces en las aplicaciones de biodetección de teoría electromagnética para objetos esferoidales.