High-performance analytical platforms have gained significant research interests recently and proved themselves as powerful tools for enabling low-cost, portable, and reliable analysis for a variety of practical applications. This thesis aims to develop novel portable analytical platforms for two important types of applications including disease diagnostics and environmental monitoring.

In one branch of this research, new types of cellulose-based microfluidic biosensors are developed for quantifying physiologically relevant biomarkers in human fluids, with target applications of point-of-care diagnosis and physiological condition monitoring. Specifically, an electrochemical microfluidic paper-based immunosensor array (E-µPIA) is proposed, featuring ultralow cost, high portability, high throughput, excellent user friendliness. To interface with the E-µPIA, a customized, handheld electrochemical reader (potentiostat) is designed for multiplexed readout of electrochemical signals from the E-µPIA with high resolution. Based on this platform, multiplexed detection of three metabolites (glucose, lactate, and uric acid) in urine samples is first demonstrated with comparable performance to existing standard tests. Then, the E-µPIA biosensing platform was further optimized for diagnosis of human immunodeficiency virus (HIV) and hepatitis C virus (HCV) co-infections in serum samples. Indirect ELISA of HIV/HCV antibodies is realized on the E-µPIA with LODs of 300 pg/ml and 750 pg/ml, respectively, both lower than that of standard HIV/HCV tests. Targeting wearable biosensing for physiological condition monitoring, a wearable microfluidic thread-based zinc-oxide-nanowire (ZnO-NW) biosensor is developed for continuous monitoring of lactate and sodium concentrations in sweat during perspiration. Based on this platform, multiplexed detection of lactate and sodium in human sweat is demonstrated with dynamic ranges of 0-25 mM and 0.1- 100 mM, and LODs of 3.61 mM and 0.16 mM, respectively, both covering the clinical sweat levels. Accurate measurements on real sweat samples from a healthy donor are conducted, and the results (13.16 ± 0.83 mM for lactate and 92.9 ± 5mM for sodium) are in good agreement with standard test results.

Along the other branch of this research, novel portable chemical analyzers are developed for rapid, on-site detection of pollutants (metal ions and total nitrogen) in water. Heavy metal ions released into various water systems have severe impact on the environment, and excess exposure to toxic metal ions through drinking water pose high risks to human health and cause lifethreatening diseases. To meet the urgent needs of on-site heavy metal ion detection, a portable analytical platform is developed for rapid and sensitive detection of aluminum (Al³⁺) and lead (Pb²⁺) ions in water. This platform involves a handheld colorimetric reader implementing gold nanoparticle based colorimetric assays for quantifying the concentrations of Al³⁺ and Pb²⁺. The LODs of 30 ppb for Pb²⁺ and 89 ppb for Al³⁺ are achieved, with comparable performance to that of a bench-top analytical spectrometer. Another important type of pollutant we target here is total nitrogen (TN), a nutrient pollutant in water that is primarily released from our sewage systems. The excess amount of TN present in water leads to algae bloom with a notable negative impact on the environment, the economy, and the human health. To face this situation, regular monitoring of TN levels in our water systems is required, for which portable TN analyzers represent an attractive solution. To this end, a novel analytical system is developed comprising a portable ultraviolet C reaction chamber (for digesting organic nitrogen) and a colorimetric reader (for final detection of total nitrite). With this system, rapid digestion and colorimetric determination of total nitrogen are achieved in 36 minutes, with a LOD of 1.20 mg/l, which is much lower than the required LOD of WHO standard (10 mg/l).

The portable platforms developed in this research hold significant potential for on-site analysis of disease markers and environmental pollutants, which will enable effective identification and control of pathological, physiological, and environmental threats to human health and our environment.

L’intérêt scientifique porté aux plateformes analytiques hautes performances s’est accru considérablement ces dernières années. Cet outil puissant permet une analyse fiable, mobile et peu coûteuse pour une variété d'applications pratiques. L’objectif de cette thèse est de développer des nouvelles plateformes analytiques portables pour deux applications majeures à savoir le diagnostic des maladies et la surveillance de l'environnement.

Dans la première partie de cette recherche, de nouveaux types de bio-détecteurs microfluidiques à base de cellulose sont développés afin de quantifier les biomarqueurs pertinents dans les fluides humains, le but étant d’améliorer le diagnostic au point d’intervention et la surveillance de l'état physiologique du patient. Plus précisément, on propose un réseau électrochimique microfluidique d'immuno-sensibilité (E-μPIA) qui présente un coût très bas, une portabilité élevée, un débit élevé, le tout avec une grande facilité d’utilisation.

Pour interagir avec l'E-μPIA, un lecteur électrochimique portatif (potentiostat) personnalisé est conçu pour une lecture simultanée et haute résolution des signaux électrochimiques de l'EμPIA. Cette plateforme est d’abord appliquée à la détection simultanée de trois métabolites (glucose, lactate et acide urique) dans des échantillons d'urine et les résultats sont comparés aux méthodes standard de détection existantes. Ensuite, la plateforme de bio-détection E-μPIA a été adaptée au diagnostic de la co-infection du Virus de l'Immunodéficience Humaine (VIH) et du Virus de l'Hépatite C (VHC) dans des échantillons de sérum. L'ELISA indirecte des anticorps anti-VIH/HCV est réalisée sur l'E-μPIA avec des LOD de 300 pg/mL et 750 pg/mL respectivement, doses inférieures à celles des tests standard de HIV/VHC.

Ciblant la bio-sensibilité portable pour la surveillance de l'état physiologique, un biocapteur microfluidique à base de nanofil (ZnO-NW) est développé pour la surveillance continue des concentrations de lactate et de sodium dans la sueur pendant la transpiration. Sur la base de cette plateforme, la détection simultanée de lactate et de sodium dans la sueur humaine est démontrée avec des plages dynamiques de 0 à 25 mM et de 0,1 à 100 mM, et des LOD de 3,61 mM et 0,16 mM respectivement, tous deux couvrant les niveaux de sueur cliniques. Des mesures précises de la sueur ont été effectuées à partir d'un donneur sain, et les résultats (13,16 ± 0,83 mM pour le lactate et 92,9 ± 5 mM pour le sodium) étaient en accord avec les résultats des tests standard.

Dans l'autre branche de cette recherche, de nouveaux analyseurs portables chimiques sont développés pour la détection rapide in situ de polluants dans l'eau (ions métalliques et azote). Les ions de métaux lourds libérés dans divers systèmes d'eau ont un impact important sur l'environnement et l'exposition excessive à des ions métalliques via l’absorption d'eau pose des risques élevés pour la santé humaine et peut causer des maladies mortelles. Pour répondre aux besoins urgents de détection d'ions de métaux lourds sur site, une plateforme analytique portable est développée pour la détection rapide et précise des ions aluminium (Al³⁺) et plomb (Pb²⁺) dans l'eau. Cette plateforme dispose d’un lecteur colorimétrique portatif dont l’analyse se base sur des nanoparticules d'or pour quantifier les concentrations d'Al³⁺ et de Pb²⁺. Les LOD de 30 ppb pour Pb²⁺ et de 89 ppb pour Al³⁺ sont atteints, avec des performances comparables à celles d'un spectromètre analytique de banc. Un autre type important de polluants que nous ciblons ici est l'azote total (TN), un polluant nutritif dans l'eau qui est principalement libérée par les égouts. L'excès de TN présent dans l'eau conduit à la floraison d’algues avec un impact négatif considérable sur l'environnement, l'économie et la santé humaine. Pour faire face à cette situation, une surveillance régulière des niveaux de TN dans nos réseaux d'eau est nécessaire et pour laquelle les analyseurs TN portables représentent une solution attrayante. À cet effet, on développe un nouveau système analytique comprenant une chambre de réaction ultraviolette C portative (pour « digérer » l'azote organique) et un lecteur colorimétrique (pour la détection finale du nitrate total). Grâce à ce système, la détermination colorimétrique de l'azote total est obtenue en 36 minutes, avec une LOD de 1,20 mg/L, ce qui est bien plus faible que la LOD requise par la norme de l’OMS (10 mg/L).

Les plateformes portables développées dans le cadre de cette recherche offrent un potentiel important d'analyse in situ des marqueurs de la maladie et des polluants environnementaux, ce qui permettra d'identifier et de contrôler efficacement les menaces pathologiques, physiologiques et environnementales pour la santé humaine et pour notre environnement.