Parametric analog signal amplification applied to nanoscale cmos wireless digital transceivers

Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the subject of Electrical and Computer Engineering by the Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e Tecnologia

Signal amplification of active rotators with phase-shifted coupling

In this paper, we study the signal amplification of coupled active rotators with phase-shifted coupling. We find that the system's response to the external subthreshold signal can be significantly affected by each of the two types of phase-shifted couplings: identical and non-identical phase-shifted couplings. Moreover, through both theoretical analysis and numerical simulations, we have figured out the optimal phase shift, at which the largest signal amplification is generated. These results show that the phase-shifted coupling plays an important role in regulating the system's response to the subthreshold signal.

A new ultrasonic signal amplification method for detection bacteria

A new method is presented that increases the sensitivity of ultrasound-based techniques for detection of bacteria. The technique was developed for the detection of catalase-positive microorganisms. It uses a bubble trapping medium containing hydrogen peroxide that is mixed with the sample for microbiological evaluation. The enzyme catalase is present in catalase-positive bacteria, which induces a rapid hydrolysis of hydrogen peroxide, forming bubbles which remain in the medium. This reaction results in the amplification of the mechanical changes that the microorganisms produce in the medium. The effect can be detected by means of ultrasonic wave amplitude continuous measurement since the bubbles increase the ultrasonic attenuation significantly. It is shown that microorganism concentrations of the order of 105 cells ml−1 can be detected using this method. This allows an improvement of three orders of magnitude in the ultrasonic detection threshold of microorganisms in conventional culture media, and is competitive with modern rapid microbiological methods. It can also be used for the characterization of the enzymatic activity.

Sensitive detection of DNA polymorphisms by the serial invasive signal amplification reaction

The invasive signal amplification reaction has been previously developed for quantitative detection of nucleic acids and discrimination of single-nucleotide polymorphisms. Here we describe a method that couples two invasive reactions into a serial isothermal homogeneous assay using fluorescence resonance energy transfer detection. The serial version of the assay generates more than 107 reporter molecules for each molecule of target DNA in a 4-h reaction; this sensitivity, coupled with the exquisite specificity of the reaction, is sufficient for direct detection of less than 1,000 target molecules with no prior target amplification. Here we present a kinetic analysis of the parameters affecting signal and background generation in the serial invasive signal amplification reaction and describe a simple kinetic model of the assay. We demonstrate the ability of the assay to detect as few as 600 copies of the methylene tetrahydrofolate reductase gene in samples of human genomic DNA. We also demonstrate the ability of the assay to discriminate single base differences in this gene by using 20 ng of human genomic DNA.

Dissecting Arabidopsis Gß signal transduction on the protein surface.

The heterotrimeric G-protein complex provides signal amplification and target specificity. The Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) G?-subunit of this complex (AGB1) interacts with and modulates the activity of target cytoplasmic proteins. This specificity resides in the structure of the interface between AGB1 and its targets. Important surface residues of AGB1, which were deduced from a comparative evolutionary approach, were mutated to dissect AGB1-dependent physiological functions. Analysis of the capacity of these mutants to complement well-established phenotypes of G?-null mutants revealed AGB1 residues critical for specific AGB1-mediated biological processes, including growth architecture, pathogen resistance, stomata-mediated leaf-air gas exchange, and possibly photosynthesis. These findings provide promising new avenues to direct the finely tuned engineering of crop yield and traits.

Immunoassays with rolling circle DNA amplification: A versatile platform for ultrasensitive antigen detection

We describe an adaptation of the rolling circle amplification (RCA) reporter system for the detection of protein Ags, termed “immunoRCA.” In immunoRCA, an oligonucleotide primer is covalently attached to an Ab; thus, in the presence of circular DNA, DNA polymerase, and nucleotides, amplification results in a long DNA molecule containing hundreds of copies of the circular DNA sequence that remain attached to the Ab and that can be detected in a variety of ways. Using immunoRCA, analytes were detected at sensitivities exceeding those of conventional enzyme immunoassays in ELISA and microparticle formats. The signal amplification afforded by immunoRCA also enabled immunoassays to be carried out in microspot and microarray formats with exquisite sensitivity. When Ags are present at concentrations down to fM levels, specifically bound Abs can be scored by counting discrete fluorescent signals arising from individual Ag–Ab complexes. Multiplex immunoRCA also was demonstrated by accurately quantifying Ags mixed in different ratios in a two-color, single-molecule-counting assay on a glass slide. ImmunoRCA thus combines high sensitivity and a very wide dynamic range with an unprecedented capability for single molecule detection. This Ag-detection method is of general applicability and is extendable to multiplexed immunoassays that employ a battery of different Abs, each labeled with a unique oligonucleotide primer, that can be discriminated by a color-coded visualization system. ImmunoRCA-profiling based on the simultaneous quantitation of multiple Ags should expand the power of immunoassays by exploiting the increased information content of ratio-based expression analysis.

Visualization of oligonucleotide probes and point mutations in interphase nuclei and DNA fibers using rolling circle DNA amplification

Rolling circle amplification (RCA) is a surface-anchored DNA replication reaction that can be exploited to visualize single molecular recognition events. Here we report the use of RCA to visualize target DNA sequences as small as 50 nts in peripheral blood lymphocytes or in stretched DNA fibers. Three unique target sequences within the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator gene could be detected simultaneously in interphase nuclei, and could be ordered in a linear map in stretched DNA. Allele-discriminating oligonucleotide probes in conjunction with RCA also were used to discriminate wild-type and mutant alleles in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, p53, BRCA-1, and Gorlin syndrome genes in the nuclei of cultured cells or in DNA fibers. These observations demonstrate that signal amplification by RCA can be coupled to nucleic acid hybridization and multicolor fluorescence imaging to detect single nucleotide changes in DNA within a cytological context or in single DNA molecules. This provides a means for direct physical haplotyping and the analysis of somatic mutations on a cell-by-cell basis.

Post-transplant recurrent hepatitis C: immunohistochemical detection of hepatitis C virus core antigen and possible pathogenic implications

Introduction: The mechanisms by which severe cholestatic hepatitis develops after liver transplantation are not fully understood. Reports on immunohistochemical distribution of hepatitis C virus (HCV) antigens are still scarce, but recently, HCV immunostaining was suggested for early diagnosis of cholestatic forms of recurrent hepatitis C in liver grafts. After purification, Rb246 pab anticore (aa1-68) yielded specific, granular cytoplasmic staining in hepatocytes. Signal amplification through the Envision-Alkaline Phosphatase System avoided endogenous biotin and peroxidase. Aims/Methods: Rb246 was applied to liver samples of explants of 12 transplant recipients, six with the most severe form of post-transplantation recurrence, severe cholestatic hepatitis (group 1) and six with mild recurrence (group 2). We also assessed immuno-reactivity at two time-points post-transplantation (median 4 and 22 months) in both groups. HCV-core Ag was semiquantified from 0 to 3+ in each time point. Serum HCV-RNA was also measured on the different time points by branched DNA. Results: In the early post-transplant time point, one patient had a mild staining (1+), two patients had a moderate staining (2+) and the other three had no staining in group 1, compared with five patients with no staining (0) and one patient with mild staining (1+) in group 2. Late post-transplant liver samples were available in nine patients, and two out of four samples in group 1 showed a mild staining, compared with no staining patients in five patients in group 2. Strikingly, on the explant samples, HCV immunostaining was strongly positive in group 1, and mildly positive in group 2. Two out of five samples showed 3+ staining, and three samples showed 2+ staining in group 1; two out of five samples showed no staining, two samples showed 1+ staining and one sample showed 2+ staining in group 2. Serum HCV-RNA was significantly higher in group 1, on both time-points post-transplantation. HCV-core Ag was not directly associated with serum HCV-RNA on the different time points. Conclusion: These preliminary results suggest that strong HCV immunostaining in the explant is predictive of more severe disease recurrence.

Correlation between c-Jun and human papillomavirus in oral premalignant and malignant lesions

c-Jun, one of the components of the transcription factor activating protein-1 (AP-1), is suggested as a factor in malignant progression of oral lesions. c-Jun and other AP-1 components relationships with human papillomavirus (HPV) infection have been investigated, but not yet focusing on oral carcinogenesis. The aim of this study was to verify whether c-Jun immunohistochemical expression is related to HPV DNA detection in oral premalignant and malignant lesions. Fifty cases diagnosed as oral leukoplakias, with different degrees of epithelial dysplasia, and as oral squamous cell carcinomas (OSCC) were submitted to immunohistochemistry to detect c-Jun and to in situ hybridization with signal amplification to assess HPV DNA. It was verified that c-Jun nuclear expression increased according to the degree of dysplasia within the lesion, with the greatest expression in OSCC. The same did not happen concerning HPV infection - a discrete proportional relation was observed in indexes found in leukoplakia with no dysplasia, leukoplakia with dysplasia and OSCC, but statistically insignificant. When separating the group of leukoplakia by degrees of dysplasia, this relation of proportion was not observed. Nevertheless, the overall prevalence of HPV infection was 24% and the high-risk HPV types were the most frequently identified, which does not allow excluding HPV as a risk factor in oral carcinogenesis. When relating c-Jun expression and HPV infection, no statistically significant relationship is observed. Results suggest then that malignant progression mediated by c-Jun is independent of the presence of HPV in oral carcinogenesis. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sistema de teste de transístores bipolares de junção e de efeito de campo

O estudo das curvas características de um transístor permite conhecer um conjunto de parâmetros essenciais à sua utilização tanto no domínio da amplificação de sinais como em circuitos de comutação. Deste estudo é possível obter dados em condições que muitas vezes não constam na documentação fornecida pelos fabricantes. O trabalho que aqui se apresenta consiste no desenvolvimento de um sistema que permite de forma simples, eficiente e económica obter as curvas características de um transístor (bipolar de junção, efeito de campo de junção e efeito de campo de metal-óxido semicondutor), podendo ainda ser utilizado como instrumento pedagógico na introdução ao estudo dos dispositivos semicondutores ou no projecto de amplificadores transistorizados. O sistema é constituído por uma unidade de condicionamento de sinal, uma unidade de processamento de dados (hardware) e por um programa informático que permite o processamento gráfico dos dados obtidos, isto é, traçar as curvas características do transístor. O seu princípio de funcionamento consiste na utilização de um conversor Digital-Analógico (DAC) como fonte de tensão variável, alimentando a base (TBJ) ou a porta (JFET e MOSFET) do dispositivo a testar. Um segundo conversor fornece a variação da tensão VCE ou VDS necessária à obtenção de cada uma das curvas. O controlo do processo é garantido por uma unidade de processamento local, baseada num microcontrolador da família 8051, responsável pela leitura dos valores em corrente e em tensão recorrendo a conversores Analógico-Digital (ADC). Depois de processados, os dados são transmitidos através de uma ligação USB para um computador no qual um programa procede à representação gráfica, das curvas características de saída e à determinação de outros parâmetros característicos do dispositivo semicondutor em teste. A utilização de componentes convencionais e a simplicidade construtiva do projecto tornam este sistema económico, de fácil utilização e flexível, pois permite com pequenas alterações

Three transducers for one photodetector: essays for optical communications

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Electrical and Computer Engineering - Electronics

Radiation damage in flexible TFTs and organic detectors

In this thesis was investigated the radiation hardness of the building blocks of a future flexible X-ray sensor system. The characterized building blocks for the pixel addressing and signal amplification electronics are high mobility semiconducting oxide transistors (HMSO-TFTs) and organic transistors (OTFTs), whereas the photonic detection system is based on organic semiconducting single crystals (OSSCs). TFT parameters such as mobility, threshold voltage and subthreshold slope were measured as function of cumulative X-ray dose. Instead for OSSCs conductivity and X-ray sensitivity were analysed after various radiation steps. The results show that ionizing radiation does not lead to degradation in HMSO-TFTs. Instead OTFTs show instability in mobility which is reduced up to 73% for doses of 1 kGy. OSSC demonstrate stable detector properties for the tested total dose range. As conclusion, HMSO-TFTs and OSSCs can be readily employed in the X-ray detector system allowing operation for total doses exceeding 1 kGy of ionizing radiation.

Sistema de aquisição e comunicação para sensores magnetoelétricos

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Molecular mechanisms for a switch-like mating decision in Saccharomyces cerevisiae

Les changements évolutifs nous instruisent sur les nombreuses innovations permettant à chaque organisme de maximiser ses aptitudes en choisissant le partenaire approprié, telles que les caractéristiques sexuelles secondaires, les patrons comportementaux, les attractifs chimiques et les mécanismes sensoriels y répondant. L'haploïde de la levure Saccharomyces cerevisiae distingue son partenaire en interprétant le gradient de la concentration d'une phéromone sécrétée par les partenaires potentiels grâce à un réseau de protéines signalétiques de type kinase activées par la mitose (MAPK). La décision de la liaison sexuelle chez la levure est un événement en "tout–ourien", à la manière d'un interrupteur. Les cellules haploïdes choisissent leur partenaire sexuel en fonction de la concentration de phéromones qu’il produit. Seul le partenaire à proximité sécrétant des concentrations de phéromones égales ou supérieures à une concentration critique est retenu. Les faibles signaux de phéromones sont attribués à des partenaires pouvant mener à des accouplements infructueux. Notre compréhension du mécanisme moléculaire contrôlant cet interrupteur de la décision d'accouplement reste encore mince. Dans le cadre de la présente thèse, je démontre que le mécanisme de décision de la liaison sexuelle provient de la compétition pour le contrôle de l'état de phosphorylation de quatre sites sur la protéine d'échafaudage Ste5, entre la MAPK, Fus3, et la phosphatase,Ptc1. Cette compétition résulte en la dissociation de type « intérupteur » entre Fus3 et Ste5, nécessaire à la prise de décision d'accouplement en "tout-ou-rien". Ainsi, la décision de la liaison sexuelle s'effectue à une étape précoce de la voie de réponse aux phéromones et se produit rapidement, peut-être dans le but de prévenir la perte d’un partenaire potentiel. Nous argumentons que l'architecture du circuit Fus3-Ste5-Ptc1 génère un mécanisme inédit d'ultrasensibilité, ressemblant à "l'ultrasensibilité d'ordre zéro", qui résiste aux variations de concentration de ces protéines. Cette robustesse assure que l'accouplement puisse se produire en dépit de la stochasticité cellulaire ou de variations génétiques entre individus.Je démontre, par la suite, qu'un évènement précoce en réponse aux signaux extracellulaires recrutant Ste5 à la membrane plasmique est également ultrasensible à l'augmentation de la concentration de phéromones et que cette ultrasensibilité est engendrée par la déphosphorylation de huit phosphosites en N-terminal sur Ste5 par la phosphatase Ptc1 lorsqu'elle est associée à Ste5 via la protéine polarisante, Bem1. L'interférence dans ce mécanisme provoque une perte de l'ultrasensibilité et réduit, du même coup, l'amplitude et la fidélité de la voie de réponse aux phéromones à la stimulation. Ces changements se reflètent en une réduction de la fidélité et de la précision de la morphologie attribuable à la réponse d'accouplement. La polarisation dans l'assemblage du complexe protéique à la surface de la membrane plasmique est un thème général persistant dans tous les organismes, de la bactérie à l'humain. Un tel complexe est en mesure d'accroître l'efficacité, la fidélité et la spécificité de la transmission du signal. L'ensemble de nos découvertes démontre que l'ultrasensibilité, la précision et la robustesse de la réponse aux phéromones découlent de la régulation de la phosphorylation stoichiométrique de deux groupes de phosphosites sur Ste5, par la phosphatase Ptc1, un groupe effectuant le recrutement ultrasensible de Ste5 à la membrane et un autre incitant la dissociation et l'activation ultrasensible de la MAPK terminal Fus3. Le rôle modulateur de Ste5 dans la décision de la destinée cellulaire étend le répertoire fonctionnel des protéines d'échafaudage bien au-delà de l'accessoire dans la spécificité et l'efficacité des traitements de l'information. La régulation de la dynamique des caractères signal-réponse à travers une telle régulation modulaire des groupes de phosphosites sur des protéines d'échafaudage combinées à l'assemblage à la membrane peut être un moyen général par lequel la polarisation du destin cellulaire est obtenue. Des mécanismes similaires peuvent contrôler les décisions cellulaires dans les organismes complexes et peuvent être compromis dans des dérèglements cellulaires, tel que le cancer. Finalement, sur un thème relié, je présente la découverte d'un nouveau mécanisme où le seuil de la concentration de phéromones est contrôlé par une voie sensorielle de nutriments, ajustant, de cette manière, le point prédéterminé dans lequel la quantité et la qualité des nutriments accessibles dans l'environnement déterminent le seuil à partir duquel la levure s'accouple. La sous-unité régulatrice de la kinase à protéine A (PKA),Bcy1, une composante clé du réseau signalétique du senseur aux nutriments, interagit directement avec la sous-unité α des petites protéines G, Gpa1, le premier effecteur dans le réseau de réponse aux phéromones. L'interaction Bcy1-Gpa1 est accrue lorsque la cellule croit en présence d'un sucre idéal, le glucose, diminuant la concentration seuil auquel la décision d'accouplement est activée. Compromettre l'interaction Bcy1-Gpa1 ou inactiver Bcy1 accroît la concentration seuil nécessaire à une réponse aux phéromones. Nous argumentons qu'en ajustant leur sensibilité, les levures peuvent intégrer le stimulus provenant des phéromones au niveau du glucose extracellulaire, priorisant la décision de survie dans un milieu pauvre ou continuer leur cycle sexuel en choisissant un accouplement.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.