Contributions to an electromagnetic and microfluidic microsystem for immunological detection using magnetic nanoparticles

The ever-increasing exchange of people and goods these last decades creates pandemic risks that should be prevented by containing the hazardous antigens in the region of the outbreak. Therefore, the rapid detection of a biological entity is critical to tackle this issue and others like environment contamination and bioterrorism.Consequently, a multidisciplinary project between Sorbonne Université in Paris and RWTH University in Aachen has been conducted to create a completely integrated lab-on-a-chip (LOC) for easy, rapid and cost-effective immunoassays.The pathogen sensing system is composed of a microfluidic channel surrounded by planar PCB microcoils, which are responsible for the emission and the detection of magnetic fields. This system allows the detection of magnetic nanoparticles (MNP) used for immunoassays in a “sandwich” antigen-antibody configuration. Using microfluidics allows us to test very small volume samples quickly. We successfully tested this device with different concentrations of nanoparticles, different microfluidic channel layouts, different types of nanoparticles and different materials for the microfluidic channel. Using the frequency mixing magnetic detection technique, a LOD of 15 ng/µL for 20 nm core sized MNP has been achieved with a sample volume of 14 µL corresponding to a drop of blood. Antibody coating was also achieved on a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) surface which is a more suitable material than the classically used polydimethylsiloxane (PDMS) for our application. In this thesis, emphasis is put on the improvement of the device prototype and the surface functionalization of the microfluidic channel with antibodies.; L’augmentation continue de la circulation des populations et des biens ces dernières décennies accentue les risques de pandémie due à un mauvais confinement des antigènes dangereux à leur région d’apparition. Il est donc crucial de développer une technique rapide de détection de pathogène pour prévenir ces risques. Un projet multidisciplinaire a donc était mis en place entre Sorbonne Université à Paris et RWTH University à Jülich pour le développement d’un dispositif laboratoire-sur-puce intégré pour effectuer des tests immunologiques rapides, faciles et abordables. Ce dispositif de détection de pathogène est composé d’un canal microfluidique entouré de microbobines planaires en circuit imprimé responsables de l’émission et de la détection de champs magnétiques. Ainsi des nanoparticules magnétiques peuvent être détectées et quantifiées puis être corrélées à la présence du pathogène, en tant que marqueurs du test immunologique. Habituellement, l’étape de détection de la présence du pathogène dans un échantillon se fait grâce à un signal fluorescent ou électrochimique qui sont des techniques longues et avec une sensibilité limitée. En conséquence, les tests immunologiques magnétiques semblent être une alternative intéressante. L’utilisation de canaux microfluidiques permet de n’utiliser qu’une très petite quantité d’échantillon pour effectuer un test. Pendant ce doctorat, l’objectif principal a été d’améliorer le prototype du dispositif et la fonctionnalisation de surface du canal microfluidique avec des anticorps.