Towards the early malaria detection based on magneto-optical methods in specialty optical fiber

Azad, Saeed (2023). Towards the early malaria detection based on magneto-optical methods in specialty optical fiber. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Malaria is one of the most serious vector-borne diseases and a major public health concern worldwide. This potentially lethal disease is spread by mosquitos in tropical areas. During a mosquito bite, single-celled plasmodium parasites are carried by infected mosquitos and enter the human bloodstream. Plasmodium falciparum is the parasite that causes malaria's most severe form. Globally, 300 to 500 million people are infected with the disease every year and 1.5 to 2.7 million people die as a result. The majority of malaria detection techniques rely on expertise, sophisticated assays as well as time consuming processes.

The general subject of this thesis pertains to optical fiber sensors based on photonic crystal fibers (PCF) and specialty fibers (SF). We want to know what are the benefits of using PCF and SF instead of conventional sensing techniques. In particular, we are interested in the detection of malaria pigment in the early stages of infection.

Malaria pigment also known as hemozoin (Hz) is a byproduct of the disease formed during the growth cycle of the parasites. These pigments have triclinic crystal structure with various morphology depending on the parasite species. They usually have an elongated rod-like shape with a length ranging from 300 nm to 1 µm. Malaria pigments are inert, insoluble in aqueous solution with dark-brown color and a paramagnetic feature.

In a healthy individual, Hz is not present. As a result, Hz serves as a diagnostic biomarker of malaria infection. The significance and oddities of this biocrystal have prompted scientists to investigate it as a potential target for diagnostics and therapies against the disease using innovative techniques. Basically, extracting natural Hz (nHz) is a time-consuming and costly process that needs special biomedical facilities as well as the expertise to infect living hosts (e.g. rats) with malaria and obtain the nHz. Therefore, there is a strong argument for promoting new research advances in this area to work with the synthetic form of Hz (SHz), aka β-hematin. This Hz imitation has a structure that is physically and chemically comparable to its natural counterpart.

Several prior works have studied the synthesis of Hz while others investigated the physicochemical characteristics of SHz production. However, there are still gaps in the scientific literature on how to control the size of SHz compounds so as to obtain similar dimensions to the naturally occurring Hz.

The main goal of this thesis is to detect SHz employing PCF based on the magnetic feature of Hz. In this regard, a systematic procedure to produce SHz with controllable size features that are compatible with nHz was demonstrated. In addition, a detailed physical characterization was performed on the resulting samples, using various techniques including vibrating sample magnetometry (VSM), scanning electron microscopy (SEM), and refractive index (RI) measurements.

To the best of our knowledge, no study has produced SHz of comparable size to natural ones as well as considering structural, optical, chemical, and magnetic properties in one study.

This thesis is structured in three different parts. In the first step, the ability of the proposed sensor to detect the presence of magnetic particles in aqueous solution was considered. In this step the air holes of PCF infiltrated with magnetic fluid (MF) and the transmitted power of the PCF was monitored in presence of magnetic field. In the next step, we focused on synthesizing the mimic of nHz through straightforward procedure followed by detailed characterization. Finally, we considered the sensor performance to detect SHz in aqueous solution with various concentrations.

Titre traduit

Vers le dépistage précoce de la malaria basé sur des méthodes magnéto-optiques dans une fibre optique spéciale

Résumé traduit

La malaria est l'une des maladies transmises par vecteurs les plus graves et une préoccupation majeure pour la santé publique dans le monde entier. Cette maladie potentiellement létale est transmise par les moustiques dans les régions tropicales. Lors d'une piqûre de moustique, les parasites unicellulaires du plasmodium sont transportés par des moustiques infectés et entrent dans le sang humain. Le Plasmodium falciparum est le parasite responsable de la forme la plus grave de la malaria. Au niveau mondial, 300 à 500 millions de personnes sont infectées par la maladie chaque année et 1,5 à 2,7 millions de personnes en décèdent. La plupart des techniques de détection de la malaria dépendent de l'expertise, d'essais sophistiqués ainsi que de processus longs et fastidieux. Le sujet général de cette thèse concerne les capteurs à fibres optiques basés sur des fibres à cristaux photoniques (PCF) et des fibres spéciales (SF). Nous voulons connaître les avantages de l'utilisation de PCF et SF par rapport aux techniques de détection conventionnelles. En particulier, nous sommes intéressés par la détection du pigment de la malaria aux premiers stades de l'infection.

Le pigment de la malaria, également connu sous le nom de hemozoin (Hz), est un sous-produit de la maladie formé pendant le cycle de croissance des parasites. Ces pigments ont une structure cristalline triclinique avec une morphologie variée selon l'espèce de parasite. Ils ont généralement une forme allongée en forme de tige, avec une longueur allant de 300 nm à 1 µm. Ces micro-cristaux sont inertes, insolubles dans les solutions aqueuses, de couleur marron foncée et ont une caractéristique paramagnétique.

Chez une personne en bonne santé, Hz n'est pas présent. Par conséquent, Hz sert de biomarqueur diagnostique de l'infection à la malaria. L'importance et les singularités de ce biocristal ont incité les scientifiques à l'étudier comme cible potentielle pour les diagnostics et les thérapies contre la maladie à l'aide de techniques innovantes. En gros, l'extraction de Hz naturel (nHz) est un processus long et coûteux qui nécessite des installations biomédicales spéciales ainsi que l'expertise pour infecter des hôtes vivants (par exemple, des rats) avec la malaria et obtenir le nHz. Par conséquent, il existe un fort argument en faveur de la promotion de nouveaux progrès de la recherche dans ce domaine pour travailler avec la forme synthétique de Hz (SHz), également appelée β-hématine. Cette imitation de Hz a une structure qui est comparable physiquement et chimiquement à son homologue naturel.

Plusieurs travaux antérieurs ont étudié la synthèse de Hz, tandis que d'autres ont examiné les caractéristiques physico-chimiques de la production de SHz. Cependant, il reste des lacunes dans la littérature scientifique sur la façon de contrôler la taille des composés SHz afin d'obtenir des dimensions similaires à celles de Hz naturellement présentes.

Le but principal de cette thèse est de détecter SHz en utilisant des fibres à cristaux photoniques (PCF) basées sur les caractéristiques magnétiques de Hz. À cet égard, une procédure systématique pour produire des SHz avec des caractéristiques de taille contrôlables compatibles avec nHz a été démontrée. De plus, une caractérisation physique détaillée a été effectuée sur les échantillons obtenus, en utilisant divers diagnostics tels que la magnétométrie par échantillon vibrant (VSM), la microscopie électronique à balayage (SEM) et la mesure de l'indice de réfraction (RI).

À notre connaissance, aucune étude n'a produit de SHz de taille comparable à ceux naturels tout en considérant les propriétés structurelles, optiques, chimiques et magnétiques dans une seule étude. Cette thèse est classée en trois parties différentes. Dans la première étape, la capacité du capteur proposé à détecter la présence de particules magnétiques dans une solution aqueuse a été considérée. Dans cette étape, les trous d'air des PCF infiltrés avec un fluide magnétique (MF) et la puissance transmise des PCF ont été surveillés en présence d'un champ magnétique. Dans la prochaine étape, nous nous sommes concentrés sur la synthèse de l'imitation de nHz à travers une procédure simple suivie d'une caractérisation détaillée. Enfin, nous avons considéré les performances du capteur pour détecter le SHz dans une solution aqueuse à différentes concentrations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 62-70).
Mots-clés libres:	paludisme, hemozoin, paramagnétique, détection rapide, capteur à fibres optiques, fibre cristalline photonique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ung, Bora
Codirecteur:	Codirecteur Izquierdo, Ricardo
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 mai 2023 17:32
Dernière modification:	12 mai 2023 17:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3226

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