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Nanopore technology has introduced new techniques for single particle detection and analysis. A nanopore consists of a small opening in a membrane on the nanometer scale. Nanopores are found in nature and are utilized for transporting molecules through biological membranes. Researchers have been able to mimic naturally forming biological nanopores and utilize them for a variety of sensing applications. Nanopores, fabricated either organically or inorganically, can be used for detecting biomarkers such as proteins, nucleic acids, and metabolites that translocate the membrane by way of the nanopore. Constant ionic current flow is measured through the nanopore by way of a sensitive ammeter. In the presence of a biomarker, the ionic current flow will be impeded, causing the electrical signal to drop. This drop uniquely corresponds to the type of particle passing through the nanopore. In this work, the thin membrane on which the nanopore resides is created through a newly developed meniscus shaped sacrificial technique. The sacrificial polymer material starts as a liquid and is confined to the microfluidic channel through the capillary effect, giving it the meniscus profile. It is used as a structural support on which a thin silicon dioxide layer is grown. The layer of oxide takes on the same natural meniscus shape as the sacrificial material. The polymer is subsequently etched, resulting in a hollow core liquid channel with a suspended meniscus membrane. This process allows a thin membrane to be fabricated on top of a microfluidic channel that ranges from 50-200 nm in thickness. The meniscus membrane is crucial to the success of nanopore formation. The nanoscale membrane allows for smaller, more precise nanopores to be created. Reduced nanopore dimensions are advantageous for the detection of smaller biomarkers. The platform described in this dissertation integrates solid-state naturally forming meniscus membranes with solid-core and optofluidic waveguides for nanopore detection applications. The waveguides allow for a particle trap to be introduced to the system. The ability to trap particles directly under the nanopore is critical to the speed of which the nanopore can operate. This dissertation focuses on the fabrication, characterization, and testing of an optofluidic platform that features a nanopore for rapid single molecule detection and analysis.

This Diploma Thesis is focused on study of electrochemical behavior of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and 2,4,6-trinitrophenol (picric acid) on finding the optimum conditions for their determination using direct current voltammetry (DCV) and differential pulse voltammetry (DPV) at a mercury meniscus modified silver solid amalgam electrode (m-AgSAE) in the solution of Britton-Robinson (BR) and on finding of the limit of quantification (LQ) for these substances. Practical applicability of the newly developed methods was verified on direct determination of TNT and picric acid in model samples of drinking and river water. Moreover, the electrochemical behaviors of TNT and picric acid was studied using cyclic voltammetry (CV). Optimum medium for the determination of TNT at m-AgSAE was: methanol-BR buffer pH 4.0 (1:9). Upon the DCV it is proper to apply regeneration potentials Ereg,1= 0 mV and Ereg,2= -1100 mV and upon the DPV was apply regeneration potentials Ereg,1= 0 mV and Ereg,2= -600 mV were applied. The concentration dependence of the peak current was found to be linear for both techniques over the concentration range of 1·10-6 -1·10-4 mol/l with LQ of 0.54 µmol/l (for DCV) and 0.46 µmol/l (for DPV). The method developed for the determination of TNT were verified on the model samples of drinking...

The aim of presented Diploma Thesis was to study an electrochemical behavior of nitroimidazole drugs metronidazole and ornidazole and to find optimal conditions for their voltammetric determination at a mercury meniscus modified silver solid amalgam electrode using DC voltammetry (DCV) and differential pulse voltammetry (DPV). Voltammetric behavior of selected drugs was investigated in dependence on the pH of the medium used (realized using a Britton-Robinson buffer (BR buffer)) and a mechanism of the reduction of both drugs was investigated using cyclic voltammetry (CV). The optimum medium for voltammetric determination of studied nitroimidazole drugs at the m-AgSAE in a region of cathodic potentials was found to be the BR buffer of pH 8.0. Then, the concentration dependences were measured in this optimum medium in the concentration range from 2·10-7 mol/L to 1·10-4 mol/L. The limits of quantification (LQs) for both metronidazole and ornidazole were found in the concentration order of 10-7 mol/L by using DCV and DPV at the m-AgSAE. The applicability of the newly developed voltammetric methods of the determination of nitroimidazole drugs was verified on the model samples of drinking and river water, with LQ ≈ 2·10-7 mol/L for both DC voltammetry and differential pulse voltammetry at the m-AgSAE....

Nous avons développé, et évalué en détail, un nouveau prototype d'inclinomètre longue base à niveaux hydrostatiques appelé " wth2o ". Ce système, aux principes particulièrement simples grâce à l'absence de pièces mécaniques mobiles, présente une grande fiabilité et une excellente stabilité (dérive linéaire de 0.05 µrad par mois). Sa haute résolution jusque dans la gamme des ondes sismiques longues périodes (où, par exemple, la résolution est meilleure que 0.001 masec, soit 5. 10-12 rad), et son niveau de bruit très bas, ont permis d'obtenir des résultats d'analyses harmoniques de marées terrestres (5 ans d'enregistrements) en excellent accord avec les modèles, et dont les écarts quadratiques moyens sont les plus bas de toutes les mesures inclinométriques réalisées au Laboratoire de Géodynamique de Walferdange (Luxembourg). A titre d'exemple, l'amplitude de l'onde M2 est déterminée avec une incertitude de seulement 0.003 masec, tandis que sa phase est déterminée avec un EQM de 0.028°, ce qui correspond à une incertitude de seulement 3.3 secondes. Cet instrument permit également d'observer des phénomènes rarement mesurés avec ce type d'appareil, tel les modes sphéroïdaux et toroïdaux les plus graves des oscillations libres de la Terre excitées par le séisme du Dénali (Mw 7.9) en novembre 2002, ou les passages successifs des ondes de Love jusqu'à G7, correspondant à 3 révolutions de ces ondes de surface autour du globe. Il fut également possible de séparer pour la première fois dans une analyse harmonique de marée terrestre inclinométrique, les constituants des groupes ter- et quater-diurnes. Ces très petites ondes enregistrées sont vraisemblablement liées aux ondes de marées océaniques propres aux eaux peu profondes présentes en Mer du Nord. Les modèles théoriques détaillés de cet appareil (comprenant des composantes relatives à l'amortissement produit par l'écoulement des fluides entre les électrodes des capteurs capacitifs) ont permis de dériver les solutions des équations du mouvement en composante inclinométrique et accélérométrique. De ces solutions furent tirées les formes théoriques des fonctions de transfert de l'appareil. Ces fonctions de transferts furent comparées avec succès aux mesures expérimentales de la réponse en fréquence. Grâce aux formes analytiques des fonctions de transfert en composante inclinométrique et accélérométrique qui sont données dans le présent travail, il est possible de calculer les caractéristiques géométriques optimales pour la construction d'un prototype devant répondre aux besoins particuliers d'une nouvelle application. Une étude originale des effets de ménisques (déformations de l'interface des fluides au contact de la paroi solide des pots) a montré que, s'ils n'ont pas d'influence sur les mesures en mode différentiel, ils peuvent par contre introduire des erreurs de plusieurs pour-cent sur l'estimation de la sensibilité par déplacement d'une quantité de liquide supposée connue. Cette erreur, ne dépendant que des propriétés physico-chimiques des fluides et matériaux en contacts, provient des variations de volumes de liquide contenu dans les ménisques lors des mouvements des interfaces. Si ces mouvements sont effectués lors des étalonnages sans que la ligne de contact ne se déplace, ces erreurs [en %] seront indépendantes du volume déplacé. Ces erreurs ne sont pas particulières à notre instrument mais peuvent affecter les étalonnages réalisés de la sorte pour tout inclinomètre à niveaux hydrostatiques, quel que soit le principe de mesure de l'instrument (mesures différentielles de pression, positionnement de flotteurs etc…). / We developed and evaluated a new prototype of long base water-tube tiltmeter named "wth2o". This system, particularly simple by the absence of moving parts, showed a great reliability and a fairly high stability (linear drift rate of 0.05 µrad/month). We analyzed a 5 years-long data set of Earth tides measurements performed in the Underground Laboratory for Geodynamics in Walferdange (Luxemburg). Its high resolution up to the long-period seismic band (where for instance the resolution is better than 0.001 masec, or 5. 10-12 rad) and its very low noise rate enabled us to obtain results in excellent accordance with the models, with the lowest root mean squares among all the results obtained with other tiltmeters in Walferdange. For instance, the amplitude of the M2 wave is estimated with a RMS as small as 0.003 masec and its phase is determined with an uncertainty below 0.028°, which represents 3.3 seconds only. With the "wth2o" we have also observed some events rarely measured with a water-tube, such as the gravest toroidal and spheroidal modes of the Earth free oscillations excited by the Mw 7.9 Denali earthquake or the successive passages of Love waves (up to G7) circling the globe. For the first time in an analysis of tilt Earth tide measurements, it was possible to separate the small constituents of the ter- and quater-diurnal band. The presence of these very small waves is most likely due to the effects of the shallow-water tides known to be remarkable in the North Sea. Theoretical models of this instrument (taking into account the damping produced by the liquids' flow between the plates of the capacitive sensors) allowed to obtain the solutions of the equations of motion for tilt as well as for acceleration. From these solutions we were able to produce very accurate theoretical transfer functions, as confirmed by the successful comparison with observed frequency responses. Thanks to the analytical tilt and acceleration transfer functions given in the present document it is possible to calculate the best geometrical characteristics for the construction of a new prototype having to respond to specific requirements of a new application. A new extended study of the menisci effects (deformations of the interface of the fluids in contact with the solid wall of the end vessels) showed that they do not influence the differential measurements but they could introduce errors of a few percents in the calibration factor when this factor is evaluated by the displacement of a "known" volume of liquid. This error depends only on the physical and chemical properties of the fluids and solids put in contact. It is due to the variation of volume of liquid trapped in the menisci while the interface is moving up- or downwards. If these interface movements are made without displacing the contact line, the errors [in %] will remain the same whatever the displaced volume of liquid could be. These errors can not only affect our results but can also be found in the calibration procedure of any kind of water-tube (central differential pressure, float positioned etc…).

Ce travail de recherche traite du couplage entre un liquide incompressible, irrotationnel et son contenant : une structure élastique. Cette interaction fluide-structure est traitée dans le cadre des petites déformations autour d'un état d'équilibre.Dans un premier temps, on présente une méthode d'introduction des sources dissipatives visqueuses dans le liquide à partir des équations du système couplé conservatif en s'appuyant sur une approche de type fluide potentiel généralement utilisée pour traiter les problèmes de couplage fluide-structure linéarisés non amortis. Un modèle d'amortissement diagonal est alors choisi pour le liquide et les effets dissipatifs de celui-ci sont pris en compte en calculant les coefficients d'amortissement modaux. Seuls les effets dissipatifs liées à la viscosité du liquide sont alors pris en compte. Le système couplé dissipatif obtenu possède une matrice d'amortissement non symétrique. Une résolution de ce système à amortissement non classique est alors présentée et les expressions des réponses fréquentielle et temporelle linéarisées sont données pour différents types d'excitations.Dans un deuxième temps, le liquide est supposé non visqueux et les forces de tension surfacique sont prises en compte. Cette configuration concerne principalement les satellites où le système couplé est en situation de microgravité. Une formulation du problème conservatif permettant de prendre en compte l'incompressibilité du fluide, la condition de continuité à l'interface fluide structure, les effets de capillarité du fluide ainsi que les effets éventuels de précontraintes statiques est alors établie. On se propose pour cela d'utiliser une méthode énergétique via le Principe de Moindre Action. La démarche est alors décomposée en deux étapes : une étude statique afin de déterminer la position de référence, puis une étude dynamique linéarisée autour de cette position d'équilibre. Cette formulation forme notamment une base pour l'introduction des sources dissipatives liées aux effets de capillarité via la méthode précédemment introduite. / This study deals with the coupling between an incompressible, irrotational fluid and an elastic container in the context of small amplitude vibrations.Firstly, we present a method to introduce the viscous dissipative sources in the liquid directly from the equations of the conservative coupled problem using a fluid potential approach generally used to treat linear undamped problems. A diagonal damping model is chosen for the liquid and its dissipative effects are taken into account through modal damping coefficients. Only the viscous effects are considered here. The coupled system obtained has a non symmetric damping matrix. This system with non classical damping is solved and expressions of the frequency and linearized time responses are given for different load examples.Secondly, the liquid is supposed to be inviscid and surface tension forces are considered. This configuration is related to satellite applications where the coupled system is in microgravity conditions. A unified formulation of the conservative problem taking into account the fluid incompressibility, the contact condition at the fluid structure interface, capillarity and prestress effects is given. Thus, we propose to use an energy method via the Least Action Principle. The reasoning is then divided into two parts: a static study to determine the reference state and a linearized dynamic study around this equilibrium state. This formulation is a good framework to introduce the dissipative sources associated with the capillary effects by using the method previously introduced.

Deux techniques de caractérisation thermique des matériaux et d’analyse du transfert de chaleur aux micro- et nano- échelles ont été étudiées et sont présentées dans ce mémoire. La première technique est la microscopie thermique à sonde locale (SThM). La pointe d’un microscope à force atomique intègre un élément résistif. Utilisée en mode contact, cette pointe, chauffée par effet joule, permet l'excitation thermique localisée de l’échantillon. La détermination des propriétés thermiques de l’échantillon nécessite l'analyse de la réponse de cette pointe avec un modèle du système sonde-échantillon et de son environnement. Un état de l'art général des études réalisées en SThM permet de poser les questions scientifiques actuellement traitées dans le domaine. Une attention particulière est accordée à l'interaction thermique sonde-échantillon. L’étude ici présentée tient compte des propriétés thermiques, de la rugosité et de la mouillabilité de la surface de différents échantillons. Une nouvelle méthodologie est établie pour la spécification du transfert de chaleur échangée par conduction thermique au travers du ménisque de l'eau formé au contact sonde-échantillon. Cette méthodologie est basée sur l'analyse de la dépendance à la température de la sonde des courbes de force-distance obtenues à l'air ambiant. Elle est appliquée à trois sondes de taille, forme et constitution différentes: la sonde Wollaston, la sonde KNT et une sonde en silicium dopé. Quels que soient la sonde et l'échantillon, la contribution du ménisque d’eau à l'interaction est montrée être inférieure à celle de l'air. La conductance thermique au contact solide-solide est déterminée pour différents échantillons. Cela a permis d’identifier le coefficient de transmission de phonons dans le cas de la sonde KNT et des échantillons non-métalliques. La conduction thermique via l’air dépend fortement de la conductivité thermique de l'échantillon. La sensibilité à la conductivité thermique pour les sondes Wollaston et KNT est part ailleurs montrée fortement réduite pour les matériaux de conductivité thermique supérieure à 10 et quelques W.m-1.K-1 respectivement. La seconde technique développée est une méthode d’analyse thermique moins locale nécessitant l’instrumentation de la surface de l’échantillon avec un réseau de sondes résistives filiformes. L’un des fils du réseau, chauffé par un courant alternatif à la fréquence f, a le rôle de source excitatrice continue et à la fréquence 2f de l’échantillon. Un modèle analytique 2D, basé sur le principe des ondes thermiques et développé pour identifier les propriétés thermiques d’échantillons anisotropes est présenté. Des simulations par éléments finis et avec ce modèle ont été utilisées pour dimensionner le montage expérimental et valider la méthode sur un échantillon de silicium pur. Les résultats obtenus à des températures de l’échantillon variant de l’ambiante à 500 K corroborent ceux de la littérature. / Two techniques to characterize the thermal properties of materials and to analyze the heat transfer at the micro/nanoscales have been studied and are presented in this manuscript. The first technique is an Atomic Force Microscopy (AFM)-based Scanning Thermal Microscopy (SThM) technique. Operating in its active mode, the AFM probe integrates a resistive element that is electrically heated. Used in AFM contact mode, it allows the localized thermal excitation of the material to be studied. The determination of the sample thermal properties requires the analysis of the probe thermal response through the modeling of the probe-sample system including its surrounding. Through a state of the art of the SThM studies, the current scientific questions and the analytical models used to analyze the probe-sample system are exposed. Special attention is given to the probe-sample thermal interaction that conditions the tip-sample interface temperature. In this work, a new methodology based on the analysis of the dependence of force-distance curves on probe temperature obtained in ambient air has been established. It permits the study and the specification of the heat rate exchanged between probe and sample through thermal conduction through water meniscus. The methodology has been applied with samples with different thermal properties, surface roughness and wettability to three resistive probes different in size and heater configurations: Wollaston, KNT and doped silicon (DS) probes. Whatever the probe and the sample are, the contribution of water meniscus in the probe-sample interaction has been shown to be lower than the one through air. The thermal conductances at the solid-solid contact were determined for various samples. This allowed identifying the phonon transmission coefficient in the case of KNT probe and a nonmetallic sample. The heat conduction through air strongly depends on the sample thermal conductivity. Moreover, the sensitivity to sample thermal conductivity for the Wollaston and KNT probes is shown to be strongly reduced for thermal conductivities larger than 10 and few W.m-1.K-1 respectively. The second technique developed in this thesis is a less local thermal analysis method. It operates by contact, requiring the implementation of the sample with a network of resistive wire probes. One wire of the network is heated by an alternating current at frequency f and has the role of heating source, continuous and at 2f frequency, for the sample. A 2D analytical model, based on the principle of thermal-waves, was developed to identify though the measurements the effective thermal properties of anisotropic samples. Finite element simulations and this model were used to design the experimental set-up and validate the method on a sample of pure silicon. The results obtained at sample temperatures ranging from ambient to 500 K are consistent with literature.

Presented Diploma Thesis is focused on electroanalytical determination of genotoxic 4-nitroindane, one of the nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons (NPAHs). A hydrocarbon indane (a component of petrol) is a precursor of 4-nitroindane. NPAHs are produced all above by combustion processes in gasoline and diesel engines. It has been shown that NPAHs can be many times more mutagenic or carcinogenic than their parent PAHs, so the analysis of these dangerous pollutants becomes important for modern environmental analytical chemistry. Optimal conditions for determination of 4-nitroindane have been investigated in buffered water-methanolic solutions and electrochemical transformations of 4-nitroindane have been studied by DC voltammetry (DCV), differential pulse voltammetry (DPV) and cyclic voltammetry at a hanging mercury drop electrode (HMDE) and at a mercury meniscus modified silver solid amalgam electrode (m-AgSAE). For voltammetric determination of 4-nitroindane, the following techniques were used: DCV (limit of quantification (LQ) ~ 7. 10-8 mol. l-1 ), DPV (LQ ~ 1. 10-7 mol. l-1 ) and adsorptive stripping voltammetry (AdSV; LQ ~ 7. 10-9 mol. l-1 ) at HMDE, and DCV (LQ ~ 1. 10-7 mol. l-1 ) and DPV (LQ ~ 1. 10-7 mol l-1 ) at m-AgSAE. The applicability of the newly developed...

Presented Ph.D. Thesis is focused on the development of analytical methods applicable for determination of selected xenobiotic compounds and for monitoring DNA damage they can induce. The main attention has been paid to the development and testing of non-toxic electrode materials for preparation of miniaturized electrochemical devices and novel electrochemical DNA biosensors. 2-Aminofluoren-9-one (2-AFN) was selected as a model environmental pollutant, which belongs to the group of hazardous genotoxic substances. Its carcinogenic and mutagenic effects may represent a risk to living and working environment. 2-AFN has one oxo group, where the cathodic reduction occurs, and one amino group, where the anodic oxidation occurs. The voltammetric behavior of 2-AFN in the negative potential region was investigated at a mercury meniscus modified silver solid amalgam electrode (m-AgSAE) representing a non-toxic and more mechanically robust alternative to mercury electrodes. This working electrode was subsequently used for the development of a newly designed miniaturized electrode system (MES), which has many benefits as the possibility of simple field measurements, easy portability, and the measurement in sample volume 100 µL. Moreover, a glassy carbon electrode (GCE) was used for further investigation of...