A theoretical study and a micro-scale sensing platform for the detection of germination in Bacillus stearothermophilus spores
Bacillus stearothermophilus bakteri sporunun çimlenmesinin tespiti üzerine teorik bir çalışma ve bir mikro ölçekli algılama platformu
- Tez No: 560790
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA İLKER BEYAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Antalya Bilim Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Elektriksel algılama teknikleri, çeşitli mikroorganizmaların aktivitelerini tespit etmek amacıyla kullanılan güvenilir ve maliyet gerektirmeyen çözümler sunar. Ancak, bu teknoloji sterilizasyon işlemlerinin başarısını doğrulamak için sağlık sektöründe henüz yaygın bir şekilde kullanılmamaktadır. Sterilizasyon işlemlerinin gerçekleştirilmesi için genellikle yüksek basınç ve yüksek sıcaklık gereklidir. Bacillus Stearothermophilus bakterisinin sporunun çimlenmesi, sterilizasyon işlemleri kullanılarak gözlemlenebilir. Bu tezde, Bacillus Stearothermophilus sporlarının çimlenmesi sırasında orta iletkenlikteki değişimi araştırmak ve bu biyolojik olayın saptanması için mikro-ölçekli bir cihaz tasarlamak amaçlanmaktadır. Çimlenme, elverişli bir ortamda endospordan vejetatif hücreye spor dönüşümü işlemidir. Çimlenme sırasında, sporlar DPA2- Ca2+, Mn2+, Mg2+, K+ ve Na+ dahil iyon içeriğinin çoğunu ortama bırakır ve çekirdek hidrasyonu ve genleşmesi için suyu emer. Serbest kalan bu iyonlar ortam iletkenliğinde bir değişikliğe neden olur. Bacillus Stearothermophilus sporları, diğer iyonlara kıyasla önemli ölçüde DPA2- iyonu içerdiğinden dolayı elektriksel olarak temel iletken elemandır. DPA2- 'nin elektriksel iletkenliği, parçacıkların difüzyonu için kullanılan Stockes-Einstein denklemi ve molar iletkenlik denklemi olmak üzere iki temel denkleme bağlı olarak hesaplanmaktadır. Difüzyon hesaplamasında, DPA2- molekülü kristal yapısına göre yarıçapı hesaplanan küresel bir parçacık olarak ele alınmıştır. Bakteri sporunun boyutları kullanılarak, 1 cm2 'lik alan için maksimum kapsama alanı 45.45 x 106 olarak hesaplanmıştır ancak beklenen deneysel hatalar nedeniyle bakteri sporlarının toplam kapsama alanının sadece %10'u dikkate alınmıştır. Bununla birlikte, belirli sayıda spor aktivasyonu için uygun koşulların olmamasından dolayı sporların yalnızca bir kısmının çimlendiği kabul edilmiştir. Bu sebeple, iletkenlik hesaplamaları için bakteri sporunun kapsama alanının sadece %1'i dikkate alınmış ve %1'lik kısmındaki iletkenlik değeri 7.7 mS/m olarak elde edilmiştir. Mikroçip tasarımının hassasiyetini incelemek amacıyla aynı teorik model kullanılarak bakteri spor DPA2- veriminin %5'i, %10'u, %25'i, %50'si ve %100'ü için tekrar uygulanmıştır. Her biri 0.05 mL gıda çözeltisi ile yüklenen 1 cm2 substrat alanı ve farklı elektrot geometrileri içeren üç farklı mikroçip tasarımı geliştirilmiştir. Deneysel çalışmada, çimlenme sırasındaki iletkenlik değişimini gözlemlemek amacıyla COMSOL Multiphysics® yazılımı kullanılmıştır. %1 bakteri sporu çimlenmesinin çözelti direncini 124.01 kΩ'dan 66.03 Ω'ya kadar değiştirebileceği gösterilmiştir. Bu tezde Bacillus Stearothermophilus sporu çimlenmesinin erken tespiti için, çözelti direncinin izlenebileceği ve endüstriyel sterilizasyon doğrulama sistemlerinde kullanılabileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Electrical sensing techniques offer reliable and inexpensive solutions for detecting various activities of microorganisms. However, this technology has not yet been extensively applied in health-care industry to verify the success of sterilization processes. One of such processes includes high temperatures, often combined with elevated pressures, where Bacillus Stearothermophilus bacteria spore germination is monitored for sterilization verification through optical means. This project aims to investigate the change in medium conductance during the germination of Bacillus Stearothermophilus spores, and to design a micro-scale device for detecting this biological event. Germination is a process of spore transformation from endospore to vegetative cell in favorable environment. During germination, spores release most of its ions content including DPA2-, Ca2+, Mn2+, Mg2+, K+ and Na+ into the medium and absorb water for core hydration and expansion. The released ions cause a change in the medium conductance. Bacillus Stearothermophilus spores contain a considerable amount of DPA2-compared to other ions, hence it is the major electrically conductive element. The DPA2- electrical conductivity was calculated by using a theoretical model based on two equations, the Stokes-Einstein equation for particle diffusion and the molar conductivity equation. For diffusion calculation, single DPA2- molecule was approximated as a spherical particle, whose radius was calculated based on its crystal data. Using the dimensions of the spore, maximum coverage for 1 cm2 area was calculated to be 45.45 × 106, yet, due to expected experimental artifacts, only 10% of the total spore coverage was taken into account. In addition, it is been reported that, due to the lack of suitable conditions for a specific number of spores' activation, only a partial number of them would germinate. Therefore, only 10% of the spore coverage germination was assumed, thus 1% of the calculated total spore coverage was considered for the conductance calculations. The conductance change value at 1% of spore germination was found to be 7.7 mS/m. The same theoretical model was again applied for 5%, 10%, 25%, 50% and 100% of spores DPA2 yield to investigate the sensitivity of the micro-chip design. Three micro-chip designs with 1 cm2 substrate area and different electrode geometries were developed each loaded with 0.05 mL food solution. These designs were simulated in COMSOL Multiphysics® software to observe the conductance change during germination. It has been shown that, 1% spore germination can change the solution resistance from 124.01 kΩ to 66.03 Ω. This work demonstrates that solution resistance can be monitored for the early detection of Bacillus Stearothermophilus spore germination and can be used in industrial sterilization verification systems.
Benzer Tezler
- Design, fabrication and characterization of subwavelength-scale distance sensors based on optical directional coupling
Optik yönlü bağlaşım temelli dalgaboyu-altı mesafe ölçüm sensörlerinin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu
SHAHAB BAKHTIARI GORAJOOBI
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Femtosaniye lazer ile işlenen yapıların katıhal lazerlerde uygulamaları ve üst çevrim pompalı Tm3+:KY3F10 lazerleri
Solid-state laser applications of femtosecond laser written structures and upconversion pumped Tm3+:KY3F10 lasers
YAĞIZ MOROVA
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA AKSOY ESİNOĞLU
PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
- Theoretical and experimental investigation of silicon nanowire waveguide displacement sensors
Eşzamanlı silikon nanokablo dalgakılavuzu yer-değişim algılayıcılarının kuramsal ve deneysel olarak incelenmesi
MUHAMMET MUSTAFA KAYKISIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Potential of microdroplet lasers for optofluidic biosensing applications
Mikrodamla lazerlerin olası opto-akışkan biyoalgılama uygulamaları
MEHDİ AAS
- Akarsu havzası sistemlerinin planlanması için genel maksatlı bir simülasyon modeli
A General-purpose simulation model for planning of river basın systems
DEMİRAY ŞİMŞEK