Development of PocketABLE Devices: The next generation of Point-Of-Care Biosensors

Abstract

Capítol 1: Introducció - FONAMENTS DELS DISPOSITIUS DE DIAGNÒSTIC PORTÀTILS La introducció estableix les bases per a la tesi discutint els fonaments de la tecnologia de sensors i el paper de la comunicació de camp proper (NFC) en els biosensors. Revisa la literatura existent sobre biosensors òptics assistits per telèfons intel·ligents i la integració de NFC en aplicacions de sensors, destacant el potencial i els reptes d'aquestes tecnologies en escenaris del món real. Capítol 2: Objectius Es presenten els objectius de la tesi Capítol 3: DESENVOLUPAMENT DE LES INTERFÀCIES DE SENSOR DE BUTXAQUES (LECTURA) En aquest capítol es presenten dos microxips d'alta rellevància per a aquesta tesi: el SIC4340 i el SIC4341. El primer és una interfície de sensor genèrica, capaç de realitzar mesures de resistència i capacitat. El segon és una interfície de sensor potenciòstat, capaç de fer mesures electroquímiques. Ambdós circuits integrats s'alimenten mitjançant el protocol Near Field Communication (NFC), de manera que, a més de caracteritzar els xips, aquest capítol consisteix en el disseny i caracterització d'antenes aptes per a la comunicació NFC. Capítol 4: SENSORS IMPRESOS PER A LES PORTABLES Aquest capítol examina el potencial de les plataformes sense fil i sense bateries, basades en els xips SIC4340 i SIC4341, per al desenvolupament de dispositius portàtils. Aquest capítol es centrarà en la fabricació, caracterització i implementació de sensors d'humitat i temperatura basats en resistències reparadores de plata i resistències rGO. A més, demostrem les capacitats avançades d'aquestes plataformes desenvolupant un dispositiu simplificat per a l'electromiografia de superfície, il·lustrant així el potencial d'aquestes tecnologies innovadores per millorar les funcionalitats del sensor portàtil. Capítol 5: TRANSDUCTORS PER A DISPOSITIUS I APLICACIONS DE DIAGNÒSTIC Aquest capítol presenta una anàlisi en profunditat del desenvolupament de diversos transductors electroquímics, inclosos elèctrodes de nanobanda, elèctrodes de grafè induïts per làser i elèctrodes de PCB. Cada tipus de transductor se sotmet a un examen dels seus reptes de fabricació, mètriques de rendiment i aplicacions potencials en dispositius de diagnòstic. El capítol fa èmfasi en la sensibilitat Capítol 6: APARELL ELECTROFORÈTIC PER A DIAGNÒSTIC PORTÀTIL En aquest capítol es descriu el disseny, desenvolupament i validació d'un dispositiu electroforètic portàtil centrat en aplicacions de diagnòstic. Aquest capítol examina la integració de tècniques electroforètiques i electroquímiques dins d'una única plataforma, amb l'ús de la tecnologia NFC per a la recollida d'energia i la transmissió de dades. Aquest capítol tracta el procés de fabricació, la creació d'interfícies de programari fàcils d'utilitzar i la validació integral del rendiment mitjançant execucions experimentals. Es demostra que el dispositiu resultant té un potencial significatiu per al seu ús en diagnòstics mèdics i monitoratge ambiental, destacant la seva portabilitat, facilitat d'ús i eficiència en diversos escenaris de diagnòstic. Capítol 7: Conclusió i orientació futura El capítol final resumeix les conclusions clau de la investigació, posant èmfasi en les contribucions al camp del diagnòstic portàtil i portàtil. S'hi discuteixen les implicacions més àmplies del treball i es descriuen les possibles futures direccions de recerca, inclosos els avenços en tecnologia de sensors, tècniques d'integració i àrees d'aplicació.

Capítulo 1: Introducción - FUNDAMENTOS DE LOS DISPOSITIVOS DE DIAGNÓSTICO PORTÁTIL La introducción sienta las bases para la tesis al discutir los fundamentos de la tecnología de sensores y el papel de la comunicación de campo cercano (NFC) en los biosensores. Revisa la literatura existente sobre biosensores ópticos asistidos por teléfonos inteligentes y la integración de NFC en aplicaciones de sensores, destacando el potencial y los desafíos de estas tecnologías en escenarios del mundo real. Capítulo 2: Objetivos Se presentan los objetivos de la tesis. Capítulo 3: DESARROLLO DE INTERFACES DE SENSORES DE BOLSILLO (LECTURA) Este capítulo presenta dos microchips de gran relevancia para esta tesis: el SIC4340 y el SIC4341. La primera es una interfaz de sensor genérica, capaz de realizar mediciones de resistencia y capacitancia. El segundo es una interfaz de sensor potenciostato, capaz de realizar mediciones electroquímicas. Ambos circuitos integrados se alimentan a través del protocolo Near Field Communication (NFC), por lo que, además de caracterizar los chips, este capítulo consiste en el diseño y caracterización de antenas aptas para comunicación NFC. Capítulo 4: SENSORES IMPRESOS PARA DISPONIBLES Este capítulo examina el potencial de las plataformas inalámbricas y sin batería, basadas en los chips SIC4340 y SIC4341, para el desarrollo de dispositivos portátiles. Este capítulo se centrará en la fabricación, caracterización e implementación de sensores de humedad y temperatura basados ​​en resistencias de plata y resistencias rGO. Además, demostramos las capacidades avanzadas de estas plataformas mediante el desarrollo de un dispositivo simplificado para electromiografía de superficie, lo que ilustra el potencial de estas tecnologías innovadoras para mejorar las funcionalidades de los sensores portátiles. Capítulo 5: TRANSDUCTORES PARA DISPOSITIVOS Y APLICACIONES DE DIAGNÓSTICO Este capítulo presenta un análisis en profundidad del desarrollo de varios transductores electroquímicos, incluidos electrodos de nanobanda, electrodos de grafeno inducidos por láser y electrodos de PCB. Cada tipo de transductor está sujeto a un examen de sus desafíos de fabricación, métricas de rendimiento y aplicaciones potenciales en dispositivos de diagnóstico. El capítulo enfatiza la sensibilidad Capítulo 6: DISPOSITIVO ELECTROFORÉTICO PARA DIAGNÓSTICO PORTÁTIL Este capítulo describe el diseño, desarrollo y validación de un dispositivo electroforético portátil centrado en aplicaciones de diagnóstico. Este capítulo examina la integración de técnicas electroforéticas y electroquímicas dentro de una única plataforma, con el uso de tecnología NFC para la recolección de energía y la transmisión de datos. Este capítulo cubre el proceso de fabricación, la creación de interfaces de software fáciles de usar y la validación integral del rendimiento a través de ejecuciones experimentales. Se ha demostrado que el dispositivo resultante tiene un potencial significativo para su uso en diagnóstico médico y monitoreo ambiental, enfatizando su portabilidad, facilidad de uso y eficiencia en diversos escenarios de diagnóstico. Capítulo 7: Conclusión y dirección futura El capítulo final resume los hallazgos clave de la investigación, enfatizando las contribuciones al campo de los diagnósticos portátiles y portátiles. Analiza las implicaciones más amplias del trabajo y describe posibles direcciones de investigación futuras, incluidos los avances en la tecnología de sensores, técnicas de integración y áreas de aplicación.

Chapter 1: Introduction - FUNDAMENTALS OF PORTABLE DIAGNOSTIC DEVICES The introduction lays the groundwork for the thesis by discussing the fundamentals of sensor technology and the role of near-field communication (NFC) in biosensors. It reviews the existing literature on smartphone-assisted optical biosensors and the integration of NFC in sensor applications, highlighting the potential and challenges of these technologies in real-world scenarios. Chapter 2: Objectives The objectives of the thesis are presented Chapter 3: DEVELOPMENT OF POCKETABLE SENSOR INTERFACES (READOUT) This chapter introduces two microchips of high relevance to this thesis: the SIC4340 and the SIC4341. The first one is a generic sensor interface, capable of performing resistance and capacitance measurements. The second is a potentiostat sensor interface, capable of electrochemical measurements. Both integrated circuits are powered through the Near Field Communication (NFC) protocol, so, in addition to characterising the chips, this chapter consists of the design and characterisation of antennas suitable for NFC communication. Chapter 4: PRINTED SENSORS FOR WEARABLES This chapter examines the potential of wireless and battery-free platforms, based on the SIC4340 and SIC4341 chips, for the development of wearable devices. This chapter will focus on the fabrication, characterisation and implementation of humidity and temperature sensors based on silver mender resistor and rGO resistors. Furthermore, we demonstrate the advanced capabilities of these platforms by developing a simplified device for surface electromyography, thereby illustrating the potential of these innovative technologies in enhancing wearable sensor functionalities. Chapter 5: TRANSDUCERS FOR DIAGNOSTIC DEVICES AND APPLICATIONS This chapter presents an in-depth analysis of the development of various electrochemical transducers, including nanoband electrodes, laser-induced graphene electrodes, and PCB electrodes. Each type of transducer is subjected to an examination of its fabrication challenges, performance metrics, and potential applications in diagnostic devices. The chapter emphasises the sensitivity Chapter 6: ELECTROPHORETIC DEVICE FOR PORTABLE DIAGNOSTICS This chapter outlines the design, development and validation of a portable electrophoretic device focusing on diagnostic applications. This chapter examines the integration of electrophoretic and electrochemical techniques within a single platform, with the use of NFC technology for energy harvesting and data transmission. This chapter covers the fabrication process, the creation of user-friendly software interfaces, and the comprehensive performance validation through experimental runs. The resulting device is demonstrated to have significant potential for use in medical diagnostics and environmental monitoring, emphasising its portability, ease of use, and efficiency in diverse diagnostic scenarios. Chapter 7: Conclusion and Future Direction The final chapter summarizes the key findings of the research, emphasizing the contributions to the field of wearable and portable diagnostics. It discusses the broader implications of the work and outlines potential future research directions, including advancements in sensor technology, integration techniques, and application areas.