Bacillus stearothermophilus bakteri sporunun çimlenmesinin tespiti üzerine teorik bir çalışma ve bir mikro ölçekli algılama platformu

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.