Bow tie shaped coplanar waveguide microwave resonators for single cell detection, flow rate measurements, and nanopore sensing of viruses
Papyon şeklindeki düzlemdeş dalga kılavuzu mikrodalga rezonatörleri iletek-hücre tespiti, akış hızı ölçümü, ve virüslerin nanogözenekle algılanması
- Tez No: 639187
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET SELİM HANAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Physics and Physics Engineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Biyoalgılama uygulamalarının ölçüm hassasiyeti mikrodalga rezonatörleri ile arttırılabilir. İlk uygulamada papyon şeklindeki düzlemdeş dalga kılavuzu tabanlı rezonatörler tasarlanarak gerçek zamanlı tek-hücre tespiti yapılmıştır. Tınlatıcı, rezonans frekansında salınım yaparken, hücreler/parçacıklar algılayıcı elektrotlardan geçirilerek, hücrelerin/parçacıkların frekans kaymasındaki oluşturduğu değişimler kaydedilmiştir. Her bir hücre için, optik mikroskoptan elde edilen geometrik boyut, mikrodalga ölçümlerinden elde edilen elektriksel boyut ile ilişkilendirilmiştir ve geometrik boyut ile elektriksel boyut arasında çizgisel bir ilişki gözlenmiştir. Üretilen cihazın yapısından kaynaklanan dağıltılar, standart boyutlu polistren parçacıklar kullanılarak ortaya çıkarılmıştır. Tek hücre dinamiğini gözlemlemek için algılayıcı elektrotlar etrafında hedef bir hücre kapanlamış ve hücrenin mikrodalga tepkisi devamlı şekilde kaydedilmiştir. Daha sonra hücreler, su kaybını hızlandıracak Dimetil sülfoksit (DMSO) ile işleme tabii tutulmuş ve zamanla, hücrenin içerisindeki malzemenin azalması nedeniyle, rezonanstaki kayma miktarlarının azaldığı gözlemlenmiştir. İkinci uygulamada, aynı mikrodalga tasarımı, düşük gerilimli ince film membran üzerine desenlenmiş ve akış hızı ölçümlerinde kullanılmıştır. Akış, aktif hale geldiğinde membran üzerinde tekrarlı şekillerin oluştuğu ve kritik bir noktadan sonra membranın nabız atma şeklindeki hareketinin frekans kaymasında değişime neden olduğu kaydedilmiştir. Akış hızı arttırıldığında ise membran üzerindeki şekillerin daha hızlı oluştuğu, dolayısıyla frekanstaki kaymaların da daha hızlı olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle efektif akış hızı, membranın nabız atma frekansına ilişkilendirilebilir. Daha sonra, farklı membran ve kanal ölçülerinde aygıtlar üretilerek farklı akış hızı değerleri taranmıştır. İkincil bir ölçüm tekniği olarak, akış sıfırdan verilmiştir. Bu kez, akış hızı ile frekans kayması arasında tekdüze bir artış elde edilmiştir. Bir sonraki aşamada, mikrokanala sıvı yerine hava basınçlanarak akış hızı ölçülmüştür. Hava akış hızı ölçüm sensörleri, havalandırma makineleri için büyük önem arz etmektedir, nitekim havalandırma cihazları da COVID-19 pandemisi süresinde önemli hale gelmiştir. İkincil ölçüm tekniğini kullanarak frekans kaymaları kaydedilmiş ve uygulanan basınçla frekans kiplemeleri arasında çizgisel bir ilişki gözlemlenmiştir. Son uygulamada, algılayıcı elektrotlar yüzlerce nanometre aralıklı üretilerek nanoparçacıklar ve biyolojik numuneler, örneğin polistren nanoparçacık ve virüsler, tespit edilmiştir. Odaklanmış iyon ışını yöntemiyle membran üzerinde 400 nm çapında bir nano gözenek açılarak elektro kinetik yönetemiyle analitlerin bu gözenekten geçmeleri sağlanmıştır. Elektro kinetik yöntemiyle geçirilen analitlerin oluşturacağı kaymalar çok hızlı olacağından ötürü CompactRIO (cRIO) cihazı kullanılarak data toplanmıştır. Fakat LabVIEW üzerinden kontrol edilen faz kenetleme döngüsü çalışırken, cRIO bilgisinde sıçramalar görüldüğünden ötürü rezonatorün fazı sıfır derece kitlendikten sonra LabVIEW durdurulmuştur. Üretilen cihazın kalite faktörü düşük olduğundan ötürü (~100) faz değeri sıfır etrafında salınım yapmaya devam ederken analitlerin nanogözenekten geçişlerinden doğacak değişimlere de tepki verebilecek kadar duyarlıdır. Kontrol turunda, fazda herhangi bir ani değişim gözükmezken parçacıklar eklendikten sonra rezonatorün fazında ani sıçramalar kaydedilmiştir. İyileştirme sürecinden sonra mikrodalga rezonatörlerinin tek-virüs karakterizasyonu amacıyla biyofiziksel sensör olarak kullanılması önerilebilir.
Özet (Çeviri)
Measurement sensitivity of different biosensing applications can be enhanced by using the microwave resonators. In the first application, microwave sensors based on bow tie shaped coplanar waveguide (CPW) resonator was designed to detect single cells in real-time. While the resonator was kept at its resonance frequency, cells/particles were made a pass through the sensing electrodes and their frequency shift statistics were obtained. For each cell, the geometrical size that is obtained from the optical microscope was correlated to the electrical volume of the cell which was measured by the microwave signals. A linear relationship was observed between the electrical and geometrical volume of a cell. Dispersion caused by the device geometry was elucidated using the standard sized polystyrene microparticles. To observe the single-cell dynamic, a target cell was trapped around the sensing region, and its microwave response was continuously recorded. Then cells were treated with dimethyl sulfoxide (DMSO), a chemical accelerating dehydration, and a decline in the resonance shifts by time was observed as the cell lost total content. Secondly, the same microwave design was patterned on a low-stress thin film membrane and used for flow rate measurements. When the flow is on, there were certain shapes continuously formed on the membrane and after a critical point pulsation of the membrane cause a shift in the resonance frequency. When the flow rate was increased, it was observed that these shapes formed faster so does frequency shifts in the resonance. Therefore, the effective flow rate could be correlated to the pulsation frequency of the membrane. Then, devices with different membrane size and different channel geometry were fabricated to span different flow rate values. As a secondary sensing mechanism, the flow was given from the reset condition where there was no flow. In this case, the amount of frequency shift was related to the flow rate and a monotonically increasing relation was obtained. As a next step, instead of liquid, the air was pressurized to measure the flow rate. Airflow measurements have become important during the COVID-19 pandemic as the flow rate sensors are the most essential component of the ventilation machines. Using the secondary mechanism, frequency shifts induced by airflow were recorded and a linear relation was observed between the applied air pressure and frequency modulations. In the last application, the sensing electrodes were patterned down to hundreds of nanometer apart to detect nanoparticles and biological samples such as polystyrene nanoparticles or viruses. A nanopore having a diameter around 400 nm was drilled on the membrane using focused ion beam (FIB) and analytes were translocated using electrokinetic motion. Since the events would be quick in electrokinetic motion, data were collected with CompactRIO (cRIO), however, when the PLL was running, there were spikes in cRIO for this reason after the resonator was locked to zero degrees, LabVIEW was stopped. Yet, since the resonator has low quality factor ($\approx$100), the phase of the resonator dwells around zero degrees and still sensitive to translocations through the pore. In the control run, there were no precipitous jumps, however, when the particles were added sudden jumps induced by the particles were recorded. Therefore, can be optimized and proposed as a biophysical sensor to characterize single viruses.
Benzer Tezler
- Design and analysis of antennas mounted on cylinders for avionics applications
Aviyonik uygulamaları için silindir üstüne yerleştirilen antenlerin tasarımı ve analizi
MUSTAFA ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ
- A bowtie based quasi-yagi antenna design for microwavehyperthermia applications of breast cancer
Meme kanseri tedavisinde mikrodalga hipertermi uygulamaları için papyon tabanlı quası-yagı anten tasarımı
AYŞE IŞIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Non-destructive testing by using transmission line based microwave sensors
İletim hattı tabanlı mikrodalga sensörleri kullanarak tahribatsız test
SANAM MOVAZZAFGHAREHBAGH
Doktora
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FARUK KARADAĞ
- Bow-tie antenna and phantom materials for breast hyperthermia treatment
Meme kanserinde hipertermi tedavisi için papyon anten tasarımı ve meme fantomuna ait malzemeler
TAHA AL-ARS
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
İletişim Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
