Methods for Infrared Spectral Sensing of Chemical and Biological Matter at the Microscale : Theory and Experiments
Méthodes de mesure spectrale infrarouge de la matière chimique et biologique à la micro-échelle : théorie et expérience
Résumé
The use of infrared spectroscopy for biological and clinical applications has been demonstrated by a large number of proof-of-principle studies showing a high sensitivity and specificity for disease detection. Infrared spectroscopy was also proven to be efficient for the analysis of biomarkers in biological fluids such as blood, saliva, and urine. In all cases, the measurements can be done in a non-destructive way, and without the need for labels and reagents, and with minimal need for sample preparation. However, most of these proof-of-principle studies rely on the use of costly and bulky bench-top devices, and expensive lab equipment for the measurements. The ability to use optical spectroscopy techniques for rapid diagnosis, in point-of-care (PoC) settings is one of the big challenges of modern medicine development, where it could lead to the reduction of mortality, reducing disease transmission, the early detection of cancers, and improving patient outcomes. This thesis aims at the development of miniaturized and low-cost devices, structures, and related techniques, for the use of infrared spectroscopy, especially mid-infrared FT-IR spectroscopy and Raman spectroscopy, with the ultimate goal of their use in PoC testing, analysis and diagnostic applications. The first part of the thesis focuses on the detection of solid microparticles in water, which can mimic the detection of bacteria, yeast, or blood cells in usually water-dominated biological fluid media. A comparison between ATR and Raman spectroscopy is conducted. Additionally, the detection of the size of the microparticle from its ATR spectrum is studied, and the method is used to successfully measure the diameter of baker's yeast cells. The second part of the thesis is dedicated to the modeling, development and experimental study of disposable sample interfaces for mid-infrared spectroscopy of biological samples. The sample interfaces involved in this thesis can be divided into two categories depending on the sampling method used. The first is ATR-based sample interfaces, as ATR spectroscopy is one of the most preferred techniques for PoC diagnosis as it requires a small sample volume, as well as minimal sample preparation. However, it usually uses an expensive non-disposable crystal as a sample interface. Hence, three disposable silicon-based ATR sample interfaces are studied or proposed. The second category is transmission or trans-reflection-based sample interfaces, where a simple method for making a transmission-cell with defined path length is proposed and studied, and a design for a novel silicon trans-reflection sample interface is presented
L'utilisation de la spectroscopie infrarouge pour des applications biologiques et cliniques a été démontrée par un grand nombre d'études de preuve de principe montrant une sensibilité et une spécificité élevées pour la détection des maladies. La spectroscopie infrarouge est apparue également efficace pour l'analyse de biomarqueurs dans les fluides biologiques tels que le sang, la salive et l'urine. Dans tous les cas, ces tests peuvent être effectués de manière non-destructive et sans recours à des marqueurs ni des réactifs, et avec un besoin minimal de préparation d'échantillon. Cependant, la plupart de ces études de preuve de principe reposent sur l'utilisation d'appareils de paillasse coûteux et encombrants, et d'équipement de laboratoire coûteux pour effectuer la analyse. La capacité d'utiliser des techniques de spectroscopie optique pour un diagnostic rapide, dans les milieux médicaux de point de service (PoC) est l'un des grands défis du développement de la médecine moderne, où elle pourrait conduire à la réduction de la mortalité, à la réduction de la transmission de maladies, à la détection précoce des cancers et à l'amélioration des résultats pour les patients. Cette thèse vise le développement de dispositifs et de structures miniatures peu coûteux, ainsi que des techniques associées, pour l'utilisation de la spectroscopie infrarouge, en particulier la spectroscopie FT-IR dans l'infrarouge moyen et de la spectroscopie Raman, avec pour objectif ultime de permettre la réalisation de tests, d'analyse et d'aide au diagnostic (PoC). La première partie de la thèse porte sur la détection de microparticules solides dans l'eau, qui émulent les micro-organismes de taille similaires telles que bactéries, levures ou cellules sanguines, lesquelles baignent le plus souvent dans des milieux biologiques fluides, généralement dominés par l'eau. Une comparaison entre les spectroscopies ATR et Raman est effectuée. En outre, la détection simultanée de la nature chimique de la microparticule et de sa taille à partir du même spectre ATR a été démontrée et la méthode est utilisée avec succès pour identifier et mesurer le diamètre des cellules de levure de boulanger. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la modélisation, le développement et l'étude expérimentale d'interfaces à usage unique d'échantillons biologiques pour la spectroscopie infrarouge moyen. Les interfaces conçus et réalisés dans cette thèse peuvent être divisées en deux catégories en fonction de la méthode de mesure utilisée. La première concerne les interfaces d'échantillon basées sur la mesure ATR, car la spectroscopie ATR est l'une des techniques préférées pour le diagnostic du fait qu'elle nécessite un petit volume d'échantillon, ainsi qu'une préparation minimale de l'échantillon. Cependant, la mesure ATR requiert généralement un cristal non jetable coûteux (en quartz) comme interface d'échantillon. Par conséquent, trois types d'interfaces ATR jetables à base de silicium ont été étudiées ou proposés. La deuxième catégorie concerne les interfaces d'échantillons basées sur la mesure en transmission ou en trans-réflexion. A cet effet, nous avons proposé une nouvelle méthode simple de réalisation d'une cellule de transmission à base de silicium présentant un trajet optique prédéfini avec précision. Ces interfaces ont été testés avec succès
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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