Bow tie shaped coplanar waveguide microwave resonators for single cell detection, flow rate measurements, and nanopore sensing of viruses

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.