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Publication
Transducers for extracellular signal measurements
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 21.79 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The objective of this thesis is to develop and optimize bioelectronic sensing devices for
extracellular signal measurements in vitro. Ultra-sensitive electrodes were fabricated and
electrically characterized. A signal detection limit defined by a noise level of 0.3-0.4 μV for a
bandwidth of 0.1 - 12.5 Hz was achieved. To obtain this high sensitivity, large area (4 mm2)
electrodes were used. The electrode surface is also micro-structured with an array of gold and
polymer mushroom-like shapes to further enhance the active area. In comparison with a flat
gold surface the micro-structured polymer surface increases the capacitance of the
electrode/electrolyte interface by six times.
The role of the electrode impedance on the signal quality is discussed in detail. The
impedance is modeled by an electrical equivalent circuit and a methodology is presented to
extract individual circuit parameters.
The electrode low impedance and low noise enable the detection of weak and low
frequency quasi-periodic signals produced by astrocytes populations that thus far had remained
inaccessible using conventional extracellular electrodes. Signals with 5 μV in amplitude and
lasting for 5-10 s were measured with a peak-to-peak signal-to-noise ratio of 10.
The microstructured electrodes were also used to stimulate electrical activity in glioma cell
cultures and astrocytes populations using a train of voltages pulses.
The electrodes and the methodology developed here can be used as an ultrasensitive
electrophysiological tool to reveal the synchronization dynamics of ultra-slow ionic signaling
between non-electrogenic cells.
Esta tese tem o objetivo de desenvolver e otimizar componentes eletrónicos para a deteção de sinais extracelulares in vitro. Elétrodos ultrassensíveis foram fabricados e caracterizados eletricamente. O nível de deteção mínimo alcançado foi definido pelo ruído térmico fundamental gerado pelo sensor. Este ruído é de aproximadamente 0,3-0,4 μV para uma largura de banda de 0,1 - 12,5 Hz. Para obter este nível de deteção utilizaram-se elétrodos de grande área (4 mm2). A superfície do elétrodo também é microestruturada com uma série de formas semelhantes a cogumelos para baixar a impedância do elétrodo. Em comparação com uma superfície plana de ouro, a superfície microestrutura da aumenta em seis vezes a capacidade da interface elétrodo/solução eletrolítica O papel da impedância do elétrodo na qualidade do sinal é discutido em detalhe na tese. A impedância é modelada por um circuito elétrico equivalente. É também apresentada uma metodologia para extrair os parâmetros individuais que caracterizam o sensor. O elétrodo de baixa impedância e baixo nível de ruído possibilita a deteção de sinais fracos e de baixa frequência produzidos por populações de astrócitos. Até agora estes sinais permaneceram inacessíveis usando técnicas de medida mais convencionais. Sinais com 5 μV em amplitude e com duração de 5-10 s foram medidos com uma relação sinal/ruído de pico-apico de 10. Os elétrodos microestruturados também foram utilizados para estimular a atividade elétrica em culturas de células glioma e populações de astrócitos. Esta tese propõe que os elétrodos e a metodologia aqui desenvolvida podem ser usados como uma ferramenta eletrofisiológica ultrassensível para revelar a dinâmica de sincronização da sinalização iónica ultra-lenta (na escala de vários segundos e minutos) entre células não eletrogéneas.
Esta tese tem o objetivo de desenvolver e otimizar componentes eletrónicos para a deteção de sinais extracelulares in vitro. Elétrodos ultrassensíveis foram fabricados e caracterizados eletricamente. O nível de deteção mínimo alcançado foi definido pelo ruído térmico fundamental gerado pelo sensor. Este ruído é de aproximadamente 0,3-0,4 μV para uma largura de banda de 0,1 - 12,5 Hz. Para obter este nível de deteção utilizaram-se elétrodos de grande área (4 mm2). A superfície do elétrodo também é microestruturada com uma série de formas semelhantes a cogumelos para baixar a impedância do elétrodo. Em comparação com uma superfície plana de ouro, a superfície microestrutura da aumenta em seis vezes a capacidade da interface elétrodo/solução eletrolítica O papel da impedância do elétrodo na qualidade do sinal é discutido em detalhe na tese. A impedância é modelada por um circuito elétrico equivalente. É também apresentada uma metodologia para extrair os parâmetros individuais que caracterizam o sensor. O elétrodo de baixa impedância e baixo nível de ruído possibilita a deteção de sinais fracos e de baixa frequência produzidos por populações de astrócitos. Até agora estes sinais permaneceram inacessíveis usando técnicas de medida mais convencionais. Sinais com 5 μV em amplitude e com duração de 5-10 s foram medidos com uma relação sinal/ruído de pico-apico de 10. Os elétrodos microestruturados também foram utilizados para estimular a atividade elétrica em culturas de células glioma e populações de astrócitos. Esta tese propõe que os elétrodos e a metodologia aqui desenvolvida podem ser usados como uma ferramenta eletrofisiológica ultrassensível para revelar a dinâmica de sincronização da sinalização iónica ultra-lenta (na escala de vários segundos e minutos) entre células não eletrogéneas.
Description
Dissertação de mestrado, Engenharia Eletrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017
Keywords
Sinal extracelular