Terahertz chemical microscope biosensor: Optimizations and bio-applications.

Mohamed, Ahmed (2022). Terahertz chemical microscope biosensor: Optimizations and bio-applications. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 146 p.

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Résumé

L'identification des biomolécules est cruciale dans diverses applications, telles que le diagnostic médical, l'administration de médicaments et la surveillance de l'environnement. Par conséquent, des méthodes de détection robustes, rapides, sensibles et sélectives sont nécessaires. De nos jours, les biocapteurs sont omniprésents dans ces domaines car ils présentent ces caractéristiques (sélectivité, sensibilité et rapidité). Par exemple, le biocapteur à résonance plasmonique de surface (SPR) est le biocapteur optique le plus connu et le plus disponible dans le commerce utilisé pour détecter divers types de biomolécules. Bien qu'il offre une sensibilité élevée et une détection rapide, il souffre de la détection directe d'entités petites et grandes avec une sensibilité élevée. La technologie d'émission THz suscite un grand intérêt car elle peut être utilisée pour détecter et caractériser différents matériaux. Un nouveau biocapteur basé sur l'émission THz, nommé microscope chimique térahertz (TCM), a été inventé par T. Kiwa et ses collègues. Le TCM est un capteur THz multifonctionnel qui peut être utilisé pour détecter et surveiller, par balayage matriciel, le changement du potentiel chimique se produisant à la surface de la plaque de détection. La plaque de détection est le composant clé du biocapteur TCM qui se compose de trois couches (substrat en saphir, silicium et SiO2 naturel). Il a été utilisé dans diverses applications, telles que la surveillance des réactions immunitaires. Cependant, la principale limitation du biocapteur TCM est que le matériau Si a un coefficient d'absorption relativement faible en raison de sa bande interdite indirecte et de son émission THz non uniforme. Par conséquent, cela limite le rapport signal sur bruit (SNR) et la sensibilité du biocapteur TCM. En conséquence, les principaux objectifs de cette thèse sont d'améliorer le SNR (sensibilité) du biocapteur TCM en optimisant les paramètres laser et les matériaux de détection. Le deuxième objectif de cette thèse est d'utiliser le biocapteur TCM pour détecter des cibles petites et grandes, puis de comparer sa limite de détection (LoD) avec la LoD du biocapteur SPR. Pour améliorer le SNR (sensibilité) du biocapteur TCM, nous optimisons les paramètres laser de sortie de la source laser femtoseconde Yb. Tout d'abord, nous étudions l'effet des longueurs d'onde d'excitation (1045 nm et 522 nm) sur l'émission THz de la plaque de détection Si comme le coefficient d'absorption fonctionne sur la longueur d'onde d'excitation. De plus, la puissance d'excitation est également étudiée pour donner l'amplitude de signal THz la plus élevée. Enfin, l'angle azimutal entre la direction de polarisation laser et l'axe de symétrie a été optimisé pour avoir l'émission THz la plus élevée. Nous poursuivons notre enquête sur l'amélioration du SNR (sensibilité) en explorant de nouveaux matériaux de détection, tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le germanium (Ge). Nous répétons toutes les mesures ci-dessus sur ces matériaux pour optimiser le SNR. De plus, nous examinons l'uniformité de surface des deux matériaux en cartographiant l'émission THz à différents points de leurs surfaces. De plus, nous utilisons le biocapteur TCM pour détecter de petites cibles telles que la microcystine-LR (MC-LR). Dans ce projet, nous avons utilisé la plaque de détection Si irradiée par 250 mW de longueur d'onde d'excitation de 522 nm. De plus, les molécules MC-LR sont efficacement liées aux aptamères immobilisés en optimisant le pH, la concentration en Mg2+ du tampon de liaison et le temps d'incubation. Auparavant, nous utilisions le biocapteur TCM pour détecter de grandes cibles telles que les cellules cancéreuses du sein dans une solution tampon. En fin de compte, le biocapteur TCM est plus sensible et plus rapide pour détecter les petites et grandes cibles que le biocapteur SPR.

Identification of biomolecules is crucial in various applications, such as medical diagnosis, drug delivery, and environmental monitoring. Therefore, robust, rapid, sensitive, and selective detection methods are needed. Nowadays, biosensors are ubiquitous in these fields because they have characteristics such as selectivity, sensitivity, and speed. For example, the surface plasmon resonance (SPR) biosensor is the most well-known and commercially available optical biosensor used for detecting various types of biomolecules. However, although it offers high sensitivity and rapid detection, it suffers from directly detecting small and large entities with high sensitivity. THz emission technology is attracting significant interest as it can be used for sensing and characterizing different materials. A new biosensor based on THz emission, named the terahertz chemical microscope (TCM), was invented by T. Kiwa and his coworkers. TCM is a multifunctional THz sensor that can be used to sense and monitor, by raster scanning, the change in the chemical potential occurring at the surface of the sensing plate. The sensing plate is the key component in the TCM biosensor that consists of three layers (sapphire substrate, silicon, and natural SiO2). It has been used in various applications, such as monitoring immune reactions. However, the main limitation of the TCM biosensor is that the conventional Si material used in the sensing plate has a relatively low absorption coefficient for the pump laser, due to its indirect bandgap and nonuniform THz emission.Consequently, this limits the signal-to-noise ratio (SNR) and the sensitivity of the TCM biosensor. Accordingly, the main objectives of this thesis are improving the SNR (sensitivity) of the TCM biosensor by optimizing laser parameters and sensing materials. The second goal of this thesis is to employ the TCM biosensor for detecting small and large targets and then compare its limit of detection (LoD) with that of the SPR biosensor. To improve the SNR (sensitivity) of the TCM biosensor, we optimize output laser parameters of the Yb femtosecond laser source. First, we investigate the effect of the excitation laser wavelengths (1045 nm and 522 nm) on the THz emission from the Si sensing plate. Furthermore, the excitation power is also investigated to generate the highest THz signal amplitude. Finally, the azimuthal angle between the laser polarization direction and the axis of symmetry has been optimized to have the highest THz emission through the surface field mechanism and with no contribution from an optical rectification. We continue our investigation on the SNR (sensitivity) improvement by exploring new sensing materials, such as gallium arsenide (GaAs) and germanium (Ge). We repeat all the above measurements on these materials to optimize the SNR. In addition, we examine the surface uniformity of both materials by mapping the THz emission at different points on their surfaces. In addition, we use the TCM biosensor to detect small targets such as microcystin-LR (MC-LR). In this project, we used the Si sensing plate irradiated by 250 mW of 522 nm excitation wavelength. Furthermore, MC-LR molecules are efficiently bound to the immobilized aptamers by optimizing pH, Mg2+ concentration of the binding buffer, and the incubation time. Previously, we used the TCM biosensor to detect large targets such as breast cancer cells in buffer solution. Ultimately, we find that the TCM biosensor has higher sensitivity and speed to detect small and large targets compared with published results using SPR biosensors.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Ozaki, Tsuneyuki
Mots-clés libres:	microscope chimique térahertz ; biocapteur térahertz ; spectroscopie d'émission térahertz ; champ d'appauvrissement en surface ; photo-dember ; surveillance des réactions chimiques ; détection de petites molécules ; microcystine-LR ; dépistage environnemental ; terahertz chemical microscope ; terahertz biosensor ; terahertz emission spectroscopy ; surface depletion field ; photo-Dember ; chemical reaction monitoring ; small molecule detection ; microcystin-LR ; environmental screening
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	19 déc. 2023 20:00
Dernière modification:	19 déc. 2023 21:05
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13804

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