Desenvolvimento de uma plataforma microfluídica para contagem de espécies de fitoplâncton tóxico

Abstract

O ciclo de nutrientes e o fluxo de energia nos ecossistemas marinhos está fortemente relacionado com a população de fitoplâncton, uma vez que este se encontra na base da cadeia alimentar marinha. No entanto, em certas condições ambientais pode ocorrer a proliferação de algumas espécies de fitoplâncton produtoras de toxinas, chamadas de florescimento de algas nocivas, as quais podem afetar a cadeia alimentar marinha e, consequentemente, a saúde humana quando são consumidos produtos contaminados provenientes da aquacultura e pesca. Apesar de já existirem várias técnicas sensíveis para a identificação de espécies de fitoplâncton, especialmente a citometria de fluxo, estas ainda não permitem análises rotineiras, in-situ, de baixo custo e de forma automatizada. Assim, o objetivo desta dissertação assenta no desenvolvimento de uma plataforma Lab-on-a-chip para contagem de células de fitoplâncton de uma forma automatizada, a qual será futuramente integrada num citómetro microfluídico. A plataforma desenvolvida compreende um canal microfluídico para passagem individual das células pela zona de deteção, no qual está integrado um sensor de impedância fabricado com microeléctrodos em filme fino. O princípio de deteção deste sensor é baseado na tecnologia Resistive Pulse Sensing (RPS), onde a identificação de células é obtida a partir das variações da tensão provocadas pela passagem destas sobre os microeléctrodos. A melhor geometria e configuração dos microeléctrodos bem como dos microcanais foram estudadas através de simulações numéricas utilizando o software COMSOL Multiphysics. As configurações com melhores resultados foram fabricadas com recurso às microtecnologias e validadas experimentalmente. Para além disso, foi também implementada a eletrónica de atuação e leitura necessária para efetuar as medições elétricas, que compreende um circuito de excitação e um de amplificação. Os resultados experimentais permitiram observar alterações distintas na tensão com a passagem de partículas de diferentes tamanhos bem como com a passagem de diferentes células de fitoplâncton, demonstrando assim a viabilidade desta plataforma para ser integrada com um citómetro microfluídico.

The nutrient cycle and energy flow on marine ecosystems are strongly related to the phytoplankton population since they are the base of the marine food chain. However, under certain environmental conditions, the proliferation of some toxin-producing phytoplankton species may occur, called harmful algae blooms, which can affect the marine food chain and consequently, human health when contaminated products from aquaculture and fishing are consumed. Although there are already several sensitive techniques for the identification of phytoplankton species, especially flow cytometry, they still do not allow routine, in-situ, low-cost and automated analyses. Thus, the objective of this dissertation is to develop a Lab-on-a-chip platform for automated counting of phytoplankton cells, which in the future will be integrated with a microfluidic cytometer. The developed platform comprises a microfluidic channel for individual passage of cells through the detection zone, in which an impedance sensor made with thin film microelectrodes is integrated. The detection principle of this sensor is based on Resistive Pulse Sensing (RPS) technology, where the identification of cells is obtained from variations in electrical tension caused by their passage through microelectrodes. The best geometry and configuration of the microelectrodes as well as the microchannels, were studied by numerical simulations using the COMSOL Multiphysics software. The configurations with the best results were fabricated by microtechnologies and validated experimentally. In addition, the actuation and readout electronics necessary to perform the electrical measurements were also implemented, which comprises an excitation and an amplification circuit. The experimental results allowed to observe different changes in the tension with the passage of particles of different sizes as well as with the passage of different cells of the phytoplankton, demonstrating the viability of this platform to be integrated with a microfluidic cytometer.