Multimode microwave sensors for microdroplet and single-cell detection

Parçacıkların morfolojik ve electriksel özelliklerini tespit edebilen yeni sistemler, Çip Üstü Laboratuvar Uygulamaları için gereklidir. Bu çalışmada, mikrodalga alanında, gerçek zamanlı, temassız ve etkitetleme ihtiyacı doğurmayan bir tespit etme yaklaşımı; bir mikrodalga rezonatörünün ilk ve ikinci elektromanyetik modları, kullanılmıştır. Sınır şartları dolayısıyla, mikroşerit hatlı bir rezönatör seçilmiştir. Parçacıkları algılama bölgesine ulaştırmak için mikrokanallar üretilmiştir. Kavramı kanıtlamak için rezönatörün ilk ve ikinci modu aynı anda sürülürken, parçacıklar, sinyal hattının altındaki bu mikrokanalları kullanarak algılama bölgesine gönderilmiştir. Parçacık olarak yağ içinde su mikrodamlacıkları; uygun besiyeri içindeki rahimağzı (HeLa) ve meme kanser hücreleri (MDA-MB-157) kullanılmış ve saptanmıştır; bu parçacıkların pozisyon ve elektriksel hacim özellikleri elde edilmiştir ve karşılaştırılmıştır. Allan Sapması değeri iki mod için de $2\times 10^{-8}$ değerinden az olup, mikrodalga rejiminde madde özellikleri dolayısıyla; örneğin biyolojik parçacık ve parçacığa özel besiyeri arasındaki büyük elektriksel geçirgenlik farkı, tespit etme mekanizmasını mümkün kılmıştır. Sistemin pozisyon bulma algoritmasındaki doğruluğunu test etmek için, iki farklı mikrokanal geometrisi dizayn edilmiştir. İlk geometri, zigzag şeklindedir ve sinyal hattı ile altı farklı lokasyonda karşılaşmaktadır. İkinci geometri ise dört kola ayrılmaktadır ve mikrodamlacıkları dört farklı lokasyona göndermek için tasarlanmıştır. Bu gönderme mekanizması hidrolik direnç mekanizmasını temel alarak çalışır: Her damlacık gideceği kanalı ondan bir önce giden kanalın yarattığı hidrolik dirence göre belirler, böylelikle dört kanala da damlacık dağılımı gözlemlenmiş olur. Parçacık sinal bölgelerinden geçerken göz önünde bulundurulan her modda farklı bir frekans kaymasına sebep olur. Bunun sebebi de her modun, ayrı bir mod şeklinin olmasıdır. Bu uygulamalardaki mikrokanal kısmı mikroakışkanlarda yaygın kullanılan litografi metodu ile üretilmiştir ve mikrokanalların üretiminde PDMS maddesi kullanılmıştır. Mikrodamlacıkların elektriksel hacmi de hesaplanmıştır. Prototip aletler pozisyon ve elektriksel hacim hesaplamalarında kullanıldıktan sonra, farklı cihazlar da dizayn edilmiş ve üretilmiştir. Bu yeni jenerasyon cihazların ilk modellerden en büyük farkı ise daha ucuza ve daha hızlı üretilmeleridir. Ayrıca, dielektrik materyal olarak Kapton seçilmiştir ve Kapton'un kayıp tanjantı değeri başta olmak üzere bazı üstün materyal özellikleri bulunmaktadır. Parçacıklar algılama bölgesine kapiler boru ile gönderilmiştir; böylelikle litografi metodu ve diğer fabrikasyon yöntemlerine duyulan ihtiyaç ortadan kaldırılmıştır. Kullanılan ekipmanların çalışma limitlerinden dolayı, yeni nesil cihazlarda sadece ilk mod sürülmüştür ve denemek için başka bir tür meme kanseri hücresi (SK-BR-3) saptanmıştır. Önceki aletlerle karşılaştırıldığında, sinyal gürültü oranında bir iyileşme gözlemlenmiştir. Anlatılan çalışmada mikroşerit hatlı rezönatörün ilk iki mod kullanılmıştır. Bununla birlikte, üst seviye modlar kullanılarak parçacıklarla ilgili daha çok bilgi; geometrik hacim, eğrilik, oryantasyon, parçacığın bileşimi, elde edilebilir. Pikselli görüntü alımındansa bu bilgiler ile parçacığın global görüntülemesi elde edilebilir. Ek olarak bu sistem, akışlı hücre sayımı aplikasyonlarında, dolaşımdaki tümör hücrelerinin saptanmasında ve uzun dönem çip üstü hücre kültürleme araştırmalarında (bu platformlar Çip-üstü-Organ olarak da bilinmektedir) kullanılabilir.