Sample collection and processing are fundamental components in the study of a multitude of biological systems. The reliability of downstream analyses depend greatly on the integrity of the collected material and the processing steps. Consequently, efforts have been directed to the refinement of sampling strategies to collect samples while still maintaining quality, reducing invasiveness to allow for longitudinal and frequent monitoring, and enable decentralized sampling, simplifying the overall workflow. Thus, these are approaches that reduce the logistical burden and enable more decentralized, or field-based collection approaches that can broaden the context of where biological data can be obtained. 

This thesis presents novel microfluidic devices, designed to simplify sample collection and processing, for both plant and human systems, with the aim to detect environmental stressors and biomarkers of disease. Through the reduction of procedural complexity this work aim to support more accessible and easier sampling approaches that could be applied in different biological and health care settings. 

This is done through the development of a plant sap sampling device that is designed to enable low invasive sampling in-field. The device presents a disposable system with integrated drying, inspired by the dried blood spot concept for human diagnostics to enable collection and storage of a sap sample without the need of a cold chain. This device is also further developed and combined with a biosensor for detection of abscisic acid, a phytohormone used for stress signaling in plants, thus presenting on-site detection capabilities of drought and environmental stress. Additionally, the device is used for longitudinal monitoring of plants in an ozone environment where machine learning was used to identify predictors of ozone exposure in the phytohormonal fingerprint. 

The work also includes a device for a different biosample, blood. Here an autonomous capillary microfluidic filtration device for whole blood sample processing to extract nanoparticles and extracellular vesicles is presented. The device is based on a dual filtration approach to directly process a whole blood sample into a nanofiltrate. The device is characterized with polystyrene beads, synthetic extracellular vesicles and liposomes to verify functionality and is further used to evaluate cancer patient samples to detect biomarkers of disease. 

Together, these contributions present technological progress in the field of on-site sampling for plant sciences and a novel means of blood filtration for the analysis and detection of disease biomarkers. Thus, these contributions provide low invasive, patient and plant centric sampling approaches for potential applications in environmental monitoring, nutrient analysis, disease and treatment tracking or for screening purposes. 

Insamling av prover och bearbetning utav dessa är fundamentala steg när man studerar biologiska system. Pålitligheten i de efterföljande processerna är starkt beroende av kvalitén i det insamlade materialet och hur väl det återspeglar originalprovet. Följaktligen har ansträngningar riktats mot att förfina provtagningsstrategier för att samla in prover och samtidigt bibehålla kvalitén, reducera invasivitet, tillåta longitudinella och frekventa mätningar samt möjliggöra decentraliserade provtagningar och genom detta förenkla det övergripande arbetsflödet. Tekniker som reducerar den logistiska bördan möjliggör för mer decentraliserad och fältbaserad provinsamling som kan bredda kontexten i vilken biologisk data kan samlas in.

Denna avhandling presenterar nya mikrofluidiska system, designade för att förenkla provtagning och processering, för både växter och människor, med målet att möjliggöra detektion av stressfaktorer och biomarkörer för sjukdom. Genom minskning av processens komplexitet ämnar detta arbete att skapa mer tillgängliga och enklare provtagnings- och provhanteringsmetoder som kan appliceras i olika biologiska och kliniska miljöer.

Detta har gjorts dels genom utvecklingen av en teknik för provtagning av växtsav, designad för att möjliggöra låg-invasiv provtagning ute på fält. Provtagningen fungerar genom insamling av sav i ett disponibelt system med integrerad torkning, inspirerat av torkade blodfläckar utvecklat för mänsklig diagnostik. Detta möjliggör provtagning och lagring av ett savprov utan krav på kylkedja. Mikrofluidiksystemet har även integrerats med en biosensor för detektion av abskisinsyra, ett växthormon som signalerar stress. Således skapas en möjlighet för detektion av stressfaktorer direkt på plats. Systemet har även använts för longitudinella mätningar av växter i en ozonmiljö där den insamlade hormondatan sedan via maskininlärning analyserats  för att möjliggöra identifiering av prediktorer för ozonexponering i det hormonella fingeravtrycket.

Arbetet inkluderar också ett mikrofluidiksystem utvecklat för ett annat biologiskt prov, blod. Här presenteras ett autonomt kapillärt mikrofluidiskt filtreringssystem för extrahering av nanopartiklar och extracellulära vesiklar från helblod. Systemet är baserat på en dubbelfiltreringsmetod för att direkt processa blodprovet och generera ett nanofiltrat. Mikrofluidiksystemet har karaktäriserats med mikropärlor av polystyren, syntetiska extracellulära vesiklar samt liposomer för att verifiera funktionalitet. Vidare har det använts för att utvärdera prover från cancerpatienter för att detektera biomarkörer för sjukdomen. 

Sammantaget har detta bidragit till teknologisk utveckling och framsteg för provtagning på plats för växtvetenskap och ett nytt sätt att filtrera och processa helblod för analys och detektion av biomarkörer. Således tillhandahåller dessa bidrag låg-invasiva, patient- och växt-centrerade provtagnings och provhanteringsmöjligheter, för tillämpning inom miljöövervakning, näringsanalys, sjukdoms och behandlings övervakning samt för möjlighet till screening för sjukdomar.