Monitoring and controlling pH is of utmost importance in bioprocessing as it directly affects product yield and quality. Multiplexed experiments can be performed in nanobioreactors for optimisation of yield and cell heterogeneity in a relatively quick and inexpensive manner. In this thesis, a pH holographic sensor (holosensor) is miniaturised to 3.11 nL in volume and integrated into a PDMS-glass microfluidic chip for monitoring the growth of Lactobacillus casei Shirota. Although other established methods for monitoring cell cultures can be utilised, miniaturised holosensors enable real-time and non-consumptive monitoring of the bacterial cell culture growth medium. The 2-hydroxyethylmethacrylate (HEMA)-co-2-(trifluoromethyl) propenoic acid (TFMPA) holosensor was fabricated using an adapted technique from photolithography, coupled with the use of a polymerisation inhibitor to control the gel polymerisation with diameters not exceeding a standard deviation of 0.067. The hologram brightness was optimised to 1.05 ms integration time with 36X magnification using a low power (0.290 mW) 532 nm green continuous wave (CW) laser with a devised beam-offset technique. The holosensor was characterised with ionic strength balanced (9.50 mS/cm) McIIvaine pH buffers and a calibration curve plotted together with measured ionic strength, optical density at 600 nm (OD600) and pH. Correspondingly, RGB-xyY transformed values were plotted in the CIE 1931 chromaticity diagram. Later, a miniaturised 0.4φ HEMA-co-TFMPA holosensor and array was also demonstrated. Together with the 3.0φ holosensor, an accuracy parameter for the 0.4φ spot and array holosensors were calculated to be 99.08%, 99.38% and 97.77% respectively. Further work involved studying the issues associated with fabricating gels with unusually flat gel profiles. Other preliminary results suggested the alternative of utilising polymers as a holosensor substrate, together with a dye-free method for hologram fabrication, outlined the prospective possibility of a miniaturised holosensor integrated into a polymer microfluidic chip with the flexibility of hologram colour customisation for cell culture monitoring.

Submitted by Luciano Silva (lucianonilx@gmail.com) on 2018-10-18T19:54:34Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) / Approved for entry into archive by PPGEE Engenharia Elétrica (mestrado_engeletrica@ufam.edu.br) on 2018-10-19T12:22:09Z (GMT) No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) / Rejected by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br), reason: É necessário anexar a "carta de Encaminhamento para o Autodepósito". Disponível o modelo em http://biblioteca.ufam.edu.br/servicos/teses-e-dissertacoes Dúvidas: ddbc@ufam.edu.br on 2018-10-19T12:54:42Z (GMT) / Submitted by Luciano Silva (lucianonilx@gmail.com) on 2018-10-19T15:23:11Z No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) / Approved for entry into archive by PPGEE Engenharia Elétrica (mestrado_engeletrica@ufam.edu.br) on 2018-10-22T11:50:50Z (GMT) No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2018-10-22T18:01:03Z (GMT) No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-22T18:01:03Z (GMT). No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) Previous issue date: 2018-06-29 / In recent decades, special attention has been paid to the study of silicon-based biosensors in the field of bioanalytical applications, due to their favorable operating characteristics, which include: good sensitivity, processing speed, miniaturization and low cost. Among these, the Ion Sensing Field Effect Transistor (ISFET) is one of the most popular biosensors and is regarded as the first miniaturized silicon-based chemical sensor. The ISFET conventionally used as a pH sensor has been widely used to measure the concentration of hydrogen ions of a substance (H + or OH-) [1] [2]. This work presents an alternative model for ISFET sensors based on the simulation limitations of the classic model presented by Martinoia [3] [4]. The alternative model can be used in both permanent and transient regime simulations, including also the effect of temperature, where it is desired to investigate the electrical signal resulting from a reading circuit used for the initial treatment of the signal transduced by a pH sensitive ISFET sensor. The electrochemical stage of an ISFET is responsible for emulating the device's ion sensitivity. The alternative model is able to represent this stage through a simpler circuit topology than those found in the literature, without loss of generality. The simulation results using the proposed ISFET model are compatible with those presented in the literature, thus affirming its effectiveness. This work also presents a signal conditioning circuit for ISFET sensors sensitive to pH with temperature compensation. As compared to the conventional circuit topologies found in the literature, besides the temperature effect compensation, the proposed analog interface has at least two advantages. The first is related to simplicity and, consequently, to the reduced size of the circuit; the second is the additional gain conferred to the sensor output signal. Its performance was investigated through simulations performed in SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasys) simulator using the BSIM3v3 models. The BSIM3 (Berkeley Short Channel Insulated field effect transistor Model) models are public models developed at the University of Berkeley, California; such models are widely used in simulations of analog and digital circuits that use MOS devices of submicron dimensions. The conventional reading circuit topologies for ISFET sensors do not confer sensitivity gain and have their output limited to the sensitivity of the transducer element, as predicted by the Nernst model [2] and observed by Martinoia [3] [4]. The simulation results show that in its basic design, the circuit topology proposed in this work grants additional gains to the sensor output signal, increasing its sensitivity up to forty times the theoretical limit of Nernst; in an alternative design the gain granted reaches up to ten times the sensor limit, but with the compensation of the effect of the temperature. / Nas últimas décadas, uma atenção especial vem sendo dada ao estudo de biosensores baseados em silício no campo de aplicações bioanalíticas, devido as suas características favoráveis de operação que incluem: boa sensibilidade, velocidade de processamento, miniaturização e baixo custo. Entre estes, o Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons (ISFET) é um dos biosensores mais populares e é tido como o primeiro sensor químico à base de silício miniaturizado. O ISFET utilizado convencionalmente como sensor de pH, tem sido amplamente utilizado para medir a concentração de íons de hidrogênio de uma substância (H+ ou OH-) [1] [2]. Este trabalho apresenta um modelo alternativo para sensores ISFET com base nas limitações de simulação do modelo clássico apresentado por Martinoia [3] [4]. O modelo alternativo pode ser empregado tanto em simulações de regime permanente quanto transientes, incluindo também o efeito da temperatura, onde se deseja investigar o sinal elétrico resultante de um circuito de leitura utilizado para o tratamento inicial do sinal transduzido por um sensor ISFET sensível a pH . O estágio eletroquímico de um ISFET é responsável por emular a sensibilidade a íons do dispositivo. O modelo alternativo é capaz de representar esse estágio por meio de uma topologia de circuito mais simples do que as encontradas na literatura, sem perda de generalidade. Os resultados de simulação empregando o modelo de ISFET proposto são compatíveis com os apresentados na literatura, afirmando assim sua eficácia. Este trabalho apresenta ainda um circuito de condicionamento de sinais para sensores ISFET sensíveis a pH com compensação do efeito da temperatura. Quando comparada às topologias de circuito convencionais encontradas na literatura, além da compensação do efeito de temperatura, a interface analógica proposta apresenta pelo menos duas vantagens. A primeira está relacionada à simplicidade e, consequentemente, ao tamanho reduzido do circuito; o segundo é o ganho adicional conferido ao sinal de saída do sensor. Seu desempenho foi investigado através de simulações realizadas em simulador SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasys) utilizando os modelos BSIM3v3. Os modelos BSIM3 (Berkeley Short channel Insulated field effect transistor Model) são modelos públicos desenvolvidas na Universidade de Berkeley, Califórnia; tais modelos são amplamente utilizados em simulações de circuitos analógicos e digitais que se utilizam de dispositivos MOS de dimensões submicrométricas. As topologias de circuitos de leitura convencionais para sensores ISFET não conferem ganho de sensibilidade e têm sua saída limitada à sensibilidade do elemento transdutor, conforme previsto pelo modelo de Nernst [2] e observado por Martinoia [3] [4]. Os resultados de simulação mostram que em sua concepção básica, a topologia de circuito proposta neste trabalho concede ganhos adicionais ao sinal de saída do sensor, aumentando sua sensibilidade em até quarenta vezes o limite teórico de Nernst; numa concepção alternativa o ganho concedido chega a até dez vezes o limite do sensor, mas com a compensação do efeito da temperatura.

O transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET) é um dispositivo composto por uma membrana sensível a íons e um MOSFET comercial, que pode ser aplicado para a medição do teor de íons em uma solução. O filme fino de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) foi utilizado como a membrana seletiva do EGFET, e todo o sistema foi utilizado como sensor de pH. Os sensores de pH desenvolvidos a partir de transistores de efeito de campo (FETs) detectam o campo elétrico criado pelos íons da solução. A alteração do pH no organismo afeta a estrutura e a atividade das macromoléculas biológicas, por isso a detecção da alteração do pH no organismo é de grande importância. O objetivo deste trabalho foi o estudo da influência de alguns agentes externos sobre o FTO para ser utilizado como membrana sensível a íons do EGFET como sensor de pH. O sensor padrão apresentou uma resposta linear no escuro por volta de 37 mV/pH, para uma área de membrana de 230 mm2 . Foram estudados o efeito da evolução da medida no tempo, o efeito da iluminação, o efeito da alteração da área de contato do filme fino de FTO com a solução de pH e o efeito da alteração da temperatura da solução de pH. Para as medições feitas no escuro a dependência do tempo foi diferente das medições feitas na presença de luz UV-VIS. Para pHs ácidos a presença da luz faz com que o valor da corrente Ids diminua em relação a mesma medição no escuro enquanto que para pHs básicos, o valor da corrente aumenta. A sensibilidade na presença da luz altera em torno de 10%. Para o estudo do efeito da área foram utilizadas duas formas diferentes de medições, sendo a primeira forma utilizando diferentes áreas da mesma amostra e a segunda forma utilizando áreas diferentes para diferentes amostras. O aumento da temperatura da solução aumenta o valor da corrente do sensor em até 5% e aumenta a sensibilidade em 60%. / The extended gate field effect transistor (EGFET) is a device composed of a conventional ion sensitive electrode and a commercial MOSFET device, which can be applied for the measurement of ion content in a solution. The fluorine-doped tin oxide thin film (FTO) is used as a sensitive membrane of the EGFET, and the whole system was used as a pH sensor. The pH sensor developed from field effect transistors (FTO) detect the electric field created by the ions of the solution. Changing the pH in the body affects the structure and activity of biological macromolecules, and the detection of pH change in the body is of great importance. The aim of this paper was study the influence of some external agents in the FTO for used as ion sensitive membrane EGFET as pH sensor. The standard sensor presented a linear response in the dark about 37 mV/pH, for a membrane area of 230 mm2 . Was studied the effect of the evolution of the measure in time, the illumination effect, the effect of changing the contact area of the FTO thin film with the solution pH and the effect of changing the temperature of the pH solution. For measurements in the dark the time dependence is different than for the case under UV-VIS illumination. For acids solutions the light presence causes a current value decreases over the same measurement in the dark, whereas for basic solution the current values increases. The sensitivity in light presence changes around 10%. To study the area effect two different studies was applied. The first measure was using different areas of the same sample and the second measure was using different areas of different samples. Increasing the solution temperature the current value of the sensor also increases and the sensitivity increase about 60%.

O transistor de efeito de campo de porta estendida (EGFET) é um dispositivo composto por uma membrana sensível a íons e um MOSFET comercial, que pode ser aplicado para a medição do teor de íons em uma solução. O filme fino de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) foi utilizado como a membrana seletiva do EGFET, e todo o sistema foi utilizado como sensor de pH. Os sensores de pH desenvolvidos a partir de transistores de efeito de campo (FETs) detectam o campo elétrico criado pelos íons da solução. A alteração do pH no organismo afeta a estrutura e a atividade das macromoléculas biológicas, por isso a detecção da alteração do pH no organismo é de grande importância. O objetivo deste trabalho foi o estudo da influência de alguns agentes externos sobre o FTO para ser utilizado como membrana sensível a íons do EGFET como sensor de pH. O sensor padrão apresentou uma resposta linear no escuro por volta de 37 mV/pH, para uma área de membrana de 230 mm2 . Foram estudados o efeito da evolução da medida no tempo, o efeito da iluminação, o efeito da alteração da área de contato do filme fino de FTO com a solução de pH e o efeito da alteração da temperatura da solução de pH. Para as medições feitas no escuro a dependência do tempo foi diferente das medições feitas na presença de luz UV-VIS. Para pHs ácidos a presença da luz faz com que o valor da corrente Ids diminua em relação a mesma medição no escuro enquanto que para pHs básicos, o valor da corrente aumenta. A sensibilidade na presença da luz altera em torno de 10%. Para o estudo do efeito da área foram utilizadas duas formas diferentes de medições, sendo a primeira forma utilizando diferentes áreas da mesma amostra e a segunda forma utilizando áreas diferentes para diferentes amostras. O aumento da temperatura da solução aumenta o valor da corrente do sensor em até 5% e aumenta a sensibilidade em 60%. / The extended gate field effect transistor (EGFET) is a device composed of a conventional ion sensitive electrode and a commercial MOSFET device, which can be applied for the measurement of ion content in a solution. The fluorine-doped tin oxide thin film (FTO) is used as a sensitive membrane of the EGFET, and the whole system was used as a pH sensor. The pH sensor developed from field effect transistors (FTO) detect the electric field created by the ions of the solution. Changing the pH in the body affects the structure and activity of biological macromolecules, and the detection of pH change in the body is of great importance. The aim of this paper was study the influence of some external agents in the FTO for used as ion sensitive membrane EGFET as pH sensor. The standard sensor presented a linear response in the dark about 37 mV/pH, for a membrane area of 230 mm2 . Was studied the effect of the evolution of the measure in time, the illumination effect, the effect of changing the contact area of the FTO thin film with the solution pH and the effect of changing the temperature of the pH solution. For measurements in the dark the time dependence is different than for the case under UV-VIS illumination. For acids solutions the light presence causes a current value decreases over the same measurement in the dark, whereas for basic solution the current values increases. The sensitivity in light presence changes around 10%. To study the area effect two different studies was applied. The first measure was using different areas of the same sample and the second measure was using different areas of different samples. Increasing the solution temperature the current value of the sensor also increases and the sensitivity increase about 60%.

[pt] A detecção da corrosão metálica em estruturas complexas e de difícil acesso apresenta dificuldades que até o presente não foram satisfatoriamente contornadas nos diversos setores industriais. Os sensores para avaliação da corrosão metálica baseiamse normalmente em corpos de sacrifício ou na monitoração da reação catódica que ocorre junto com o processo de oxidação e redução da corrosão. Condições ambientais, como temperatura, pressão, vazão, composição química e pH, têm influência direta sobre a agressividade do meio e seu conhecimento é fundamental para a previsão das taxas de corrosão. Na indústria do petróleo a corrosão metálica pode significar a falha prematura de equipamentos e vazamentos, causando onerosas operações de manutenção e pondo em risco a segurança e o meio ambiente. O presente trabalho mostra a concepção e desenvolvimento de um sensor de pH a fibra ótica para monitoração permanente de poços de petróleo. Dois princípios de medição foram avaliados. O primeiro, baseia-se na medida da variação do índice de refração efetivo em uma rede de Bragg, especialmente preparada para este fim, imersa em um meio contendo indicadores comerciais de pH. A segunda concepção utiliza a variação de volume proporcionada por um polímero sensível ao pH para deformar uma rede de Bragg. Os resultados experimentais obtidos demonstraram que a segunda técnica possibilita uma maior sensibilidade para as condições de operação do sensor. Esta segunda solução viabiliza também a utilização de múltiplos sensores, em uma única fibra óptica, monitorando ao mesmo tempo outras grandezas físicas que influenciam diretamente as taxas de corrosão, como pressão, temperatura e vazão. O sensor foi avaliado em meio ácido, sob diferentes condições de temperatura, produzindo resultados se sensibilidade melhor 0,01 unidades de pH. Novas investigações ainda precisam ser conduzidas para se chegar a um protótipo que possa ser testado em condições reais de operação de um poço de petróleo. / [en] Evaluation of corrosion rates in hard-to-access equipments, such as those found in petroleum production, is still a difficult task. Sensors for corrosion rate evaluation are normally based on sacrifice bodies or in the cathodic reaction that occurs with the oxidation and reduction reactions of the corrosion process. Environmental conditions like temperature, pressure, chemical composition, and pH, are fundamental factors of environment severity and have a direct influence on corrosion rate predictions. In the Petroleum Industry, metallic corrosion may cause premature failure of equipments and fluid leaks, often resulting in expensive maintenance operations and posing safety and environmental risks. This work presents new concepts for fiber optic pH sensors that may be applied for permanent monitoring of petroleum wells. Two measurements principles were evaluated. The first one is based on measurements of refractive index changes in commercial pH indicators. The second solution explores a pH sensitive polymer, whose changes in volume strains a fiber Bragg grating. Experiments reported here show that the second technique has a better sensitivity, particularly under the operation conditions found in oil wells. It also allows the use of multiple fiber optic sensors simultaneously monitoring other physical quantities, such as temperature, pressure, and flow rate, which directly affect corrosion rates. The sensor was tested in acid environment, with special attention paid to temperature, solubility and response time. The sensitivity achieved was better than 0.01 pH units. More experiments still need to be performed in order to produce a prototype that will be testes in real operation conditions in producing petroleum well.