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Honeyeh Matbaechi Ettehad

• The rapid detection of infectious diseases is still an unsolved problem since their identification must be carried out either by cultivation or DNA analysis in a laboratory. The development of point-of-care (PoC) is a current development trend that requires further technological impulses to produce reliable and cost-effective systems. By miniaturizing and integrating microfluidic and electronic components, the advantages of electronic methods can be transferred to the field of PoC testing. The combination of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology with microfluidic platforms allowed the development of fully functional sample-to-result LoC setups, which served the portability of the device even out of the laboratory or hospitals. CMOS-based LoC device can control and manage the data from sensors, microfluidics, and actuators. Dielectrophoresis (DEP) is a non-destructive and non-invasive method promising to be used in PoC medical applications. Utilizing MEMS technology and fabrication of microelectrodes allow DEP to beThe rapid detection of infectious diseases is still an unsolved problem since their identification must be carried out either by cultivation or DNA analysis in a laboratory. The development of point-of-care (PoC) is a current development trend that requires further technological impulses to produce reliable and cost-effective systems. By miniaturizing and integrating microfluidic and electronic components, the advantages of electronic methods can be transferred to the field of PoC testing. The combination of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology with microfluidic platforms allowed the development of fully functional sample-to-result LoC setups, which served the portability of the device even out of the laboratory or hospitals. CMOS-based LoC device can control and manage the data from sensors, microfluidics, and actuators. Dielectrophoresis (DEP) is a non-destructive and non-invasive method promising to be used in PoC medical applications. Utilizing MEMS technology and fabrication of microelectrodes allow DEP to be applied in biomedical applications such as cell manipulation and separation with high speed, sensitivity and without any labeling. Cell detection and separation occupy an important place in diagnostics of viral and infectious diseases such as Influenza and COVID-19. Therefore, rapid, sensitive, and automated LoC devices are needed to detect such diseases. Starting from this point of view, manipulating the cells as a way to detect them using DEP was decided as the main objective of the thesis. This work aimed at developing a miniaturized CMOS integrated silicon microfluidic device, in line with a standard CMOS procedure, for characterization and manipulation of live and dead yeast cells using the DEP technique. Understanding the relationship between the microelectrode’s geometry and the magnitude of DEP force, the microfluidic devices can be designed to produce the most effective DEP implication on biological samples. In this work, interdigitated electrode arrays (IDEs) were used to manipulate the cells. This microelectrode was primarily used to detect microorganisms in a solution, based on the measurement of the variation of the dielectric constant by the concentration of the microorganisms. Therefore, finite element simulations were performed to optimize this microelectrode and adapt it to our application. Thus, the IDEs were optimized as a function of finger width and spacing between adjacent fingers. One of the most serious matters related to DEP-based microfluidic devices is that the DEP spectra of the targeted cell should precisely be known. Therefore, the DEP spectrum analysis of various cell suspensions with different medium conductivities was studied comprehensively by finite element simulation and experimentally. This study presented an optimized trapping platform for both detection and separation applications in terms of electrode dimension and electrical parameters.…
• Die schnelle Erkennung von Infektionskrankheiten ist nach wie vor ein ungelöstes Problem, da deren Identifizierung entweder durch Kultivierung oder DNA-Analyse im Labor erfolgen muss. Die Entwicklung von Point-of-Care (PoC)-Verfahren ist ein aktueller Entwicklungstrend, der weitere technologische Impulse erfordert, um zuverlässige und kostengünstige Systemlösungen herzustellen. Durch die Miniaturisierung und Integration mikrofluidischer und elektronischer Komponenten können die Vorteile elektronischer Methoden auf den Bereich der PoC übertragen werden. Die Kombination der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie mit Mikrofluidisch ermöglicht voll funktionsfähigen Sample-to-Result LoC, was die Nutzbarkeit des Geräts auch außerhalb des Labors oder Krankenhauses unterstützt. Die Elektrophorese (DEP) ist eine zerstörungsfreie und nicht-invasive Methode, die für medizinische Diagnosetests am PoC vorteilhaft ist. Die Verwendung der MEMS-Technologie und die Herstellung von Mikroelektroden ermöglichen den Einsatz der DEP inDie schnelle Erkennung von Infektionskrankheiten ist nach wie vor ein ungelöstes Problem, da deren Identifizierung entweder durch Kultivierung oder DNA-Analyse im Labor erfolgen muss. Die Entwicklung von Point-of-Care (PoC)-Verfahren ist ein aktueller Entwicklungstrend, der weitere technologische Impulse erfordert, um zuverlässige und kostengünstige Systemlösungen herzustellen. Durch die Miniaturisierung und Integration mikrofluidischer und elektronischer Komponenten können die Vorteile elektronischer Methoden auf den Bereich der PoC übertragen werden. Die Kombination der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie mit Mikrofluidisch ermöglicht voll funktionsfähigen Sample-to-Result LoC, was die Nutzbarkeit des Geräts auch außerhalb des Labors oder Krankenhauses unterstützt. Die Elektrophorese (DEP) ist eine zerstörungsfreie und nicht-invasive Methode, die für medizinische Diagnosetests am PoC vorteilhaft ist. Die Verwendung der MEMS-Technologie und die Herstellung von Mikroelektroden ermöglichen den Einsatz der DEP in biomedizinischen Anwendungen, wie z. B. die Manipulation und Trennung mit hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit und ohne Markierung. Zelldetektion und -separation nehmen einen wichtigen Platz in der Diagnostik von viralen und infektiösen Krankheiten wie Influenza und COVID-19 ein. Daher werden schnelle, empfindliche und automatisierte LoC zum Nachweis solcher Krankheiten dringend benötigt. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein miniaturisiertes CMOS-integriertes, silizium- mikrofluidik zu entwickeln, das mit einem Standard-CMOS-Prozess kompatibel ist, um die Charakterisierung und Manipulation von Hefezellen mit Hilfe der DEP-Technik zu ermöglichen. Durch das Verständnis der Beziehung zwischen der Geometrie der Mikroelektrode und der Größe der DEP-Kraft können die mikrofluidische Geräte so optimiert werden, dass ihre DEP Wirkung auf biologische Proben maximiert wird. In dieser Arbeit wurden interdigitale Elektrodenarrays (IDEs) zur Manipulation der Zellen verwendet. Diese Mikroelektrode wurde in erster Linie zum Nachweis von Mikroorganismen in einer Lösung verwendet, basierend auf der Messung der Variation der Dielektrizitätskonstante durch die Konzentration der Mikroorganismen. Um die Mikroelektrode zu optimieren und um sie an unsere Anwendung anzupassen, wurden finite Elemente Simulationen durchgeführt. So wurden die IDEs als Funktion der Fingerbreite und des Abstandes zwischen benachbarten Fingern optimiert. Einer der kritischsten Punkte im Zusammenhang mit DEP mikrofluidischen Geräten ist, dass die DEP-Spektren der Zielzellen genau bekannt sein sollten. Dafür wurde eine DEP-Spektrum-Analyse für verschiedene Zellsuspensionen unterschiedlicher Medium-Leitfährigkeit experimentell und mit Finite-Elemente Simulationen untersucht. In dieser Studie wurde eine optimierte Trapping-Plattform sowohl für Detektions- als auch für Separationsanwendungen in Bezug auf die Elektrodengröße und die elektrischen Parameter vorgestellt.…