مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی، شبیه‌سازی و ساخت حسگر موج سطحی به همراه عملگر دی‌الکتروفورز جهت اندازه گیری میزان تجمع سلول‌های هدف روی تراشه

نویسندگان
رضا غیور 1
یوسف حجت 2
1 ساخت و تولید - دانشگاه تربیت مدرس
2 دانشیار دانشگاه تربیت مدرس گروه ساخت و تولید،
چکیده
در سنسورهای موج صوتی سطحی، سلول های هدف توسط لایه فداشونده شامل آنتی ژن یا آنتی بادی به دام انداخته می شوند. در این ایده جدید، لایه فدا شونده با عملگر دی‌الکتروفورز جایگزین ‌شده که سریع تر عمل می کند، یک بار مصرف نیست و برای سلول های متفاوت نیز قابل استفاده است. مقادیر بهینه پارامترهای اثرگذار بر این سنسور به‌دست‌آمده است. رفتار موج صوتی سطحی که از نوع "لاو" است، برای زیر لایه لیتیوم نیوبات با لایه هدایت موج ZnO شبیه‌سازی ‌شده است. آنالیز حساسیت و ارتباط آن با جابجایی سنسور برای ساختار الکترود متمرکز و غیرمتمرکز انجام شده است. نتایج آزمایش‌ها نشان می دهد که برای تعداد ذرات هدف، ساختار متمرکز دایره-ای حساسیت بیشتری دارد. سنسور با سلول‌های سالم و سرطانی و برای سلول‌های مغز و روده در فرکانس MHz 142 مورد آزمایش قرار گرفت و به دام انداختن سلول هدف توسط عملگر دی‌الکتروفورز و اندازه گیری میزان تجمع آن توسط سنسور موج سطحی با موفقیت انجام شد. افت انرژی موج از پورت فرستنده به گیرنده و نیز شیفت فرکانس، دو مشخصه تمایزی بین سلول‌های سالم و سرطانی است. کاهش 90 و 80 کیلوهرتز در پیک فرکانس و 4.99 و 6.69 دسیبل افت کمتر برای سلول‌های سرطانی در مقابل سلول‌های سالم به ترتیب برای دو نوع سلول روده و مغز انسان مشاهده گردید. زمان به دام انداختن و اندازه گیری میزان تجمع سلول هدف حدود 5-10 ثانیه بود، که در مقایسه با روش های متعارف (10-15 دقیقه) کاهش چشمگیری را نشان می دهد.
کلیدواژه‌ها
SAW
دی الکتروفورز
سلول
نانو‌سیم

عنوان مقاله English

Design, Fabrication and performance of DEP-SAW sensor for measurement of cells aggregation on a lab on chip

نویسنده English

Reza Ghayour 1
1 Manufacturing Tarbiat Modares University
چکیده English

In surface acoustic wave sensors, target cells are trapped by sacrificial layer, containing antigens and antibodies. In this new idea, sacrificial layer is replaced by diectrophoresis electrodes. Fast response and not being disposable and usability for various types of cells are its advantages. In order to design and fabricate the sensor, the optimized values of effective parameters have been investigated. The behavior Love wave - which is used in this sensor - is simulated with lithium Niobate as substrate and ZnO layer as guiding layer. Two types of focus and unfocus interdigital transducer electrodes for sensor are investigated. The results of the sensitivity analysis and its relationship with the sensor displacement are presented. In graphs, results indicate that the focused circular structure is more sensitive, when the number of target cells in the fluid channel is more. The sensor was tested in 142 MHz for healthy and cancerous brain and intestinal cells. The suggested sensor has good results for measurement of cells aggregation. Wave power loss in transmission from sender to receiver ports and frequency shift are two special properties for detecting healthy and cancerous cells. Results show 80 and 90 KHz decrease in frequency and 4.99 and 6.69 dB loss decrease in cancerous cells comparing to healthy cells in brain and intestinal cells respectively. In this sensor, trapping, detecting and measurement of aggregation, happens in 5-10 second, which is an outstanding result compare to 10 – 15 minutes in conventional methods.

کلیدواژه‌ها English

SAW
Dielectrophoresis
cell
Nanowire
[1] J. W. Strutt, On waves propagated along the plane surface of an elastic solid, Proceedings of the London Mathematical Society, Vol. 17, No. 1, pp. 4-11, 1885.
[2] R. White, F. Voltmer, Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves, Applied Physics Letters, Vol. 7, No. 12, pp. 314–316, 1965.
[3] L. Bo, C. Xiao, C. Hualin, Surface acoustic wave devices for sensor applications, Journal of Semiconductors, Vol. 37, No. 2, pp. 1674-4926, 2016.
[4] K. Lange, B. Rapp, M. Rapp, Surface acoustic wave biosensors: a review, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, No. 5, pp. 1509–1519, 2008.
[5] S. Powell, A. David, K. Kalantar-Zadeh, Layered surface acoustic wave chemical and bio-sensors, Encyclopedia of Sensors, Melbourne, Australia, RMIT University, pp. 1–18, 2006.
[6] C. Campbell, Teqnique, Device and mobile application, Surface Acoustic Wave Devices and Their Signal Processing Applications, San diego, California Academic press, 1985, pp. 320-325.
[7] W. Welsch, C. Klein, M. V. Schickfus, Development of a surface acoustic wave immunosensor, Analytical Chemistry, Vol. 68, No. 13, pp. 2000–2004, 1996.
[8] R. C. Chang, S. Chu, C. S. Hong, Y. T. Chuang, A study of Love wave devices in ZnO/Quartz and ZnO/LiTaO3 structures, Thin Solid Films, Vol. 498, No. 1–2, pp. 146-151, 2006.
[9] D. Branch, S. Brozik, Low-level detection of a Bacillus anthracis simulant using Love-wave biosensors on 36°YX LiTaO3, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 19, No. 8, pp. 849–859, 2004.
[10] P. Kiełczyn´ski, M. Szalewski, A. Balcerzak, Applications of SH surface acoustic waves for measuring the viscosity of liquids in function of pressure and temperatures, Ultrasonics, Vol. 5, pp. 921–924, 2011.
[11] P. Kiełczyn´ski, M. Szalewski, A. Balcerzak, Applications of SH surface acoustic waves for measuring the viscosity of liquids in function of pressure and temperatures, Ultrasonics, Vol. 51, No. 8, pp. 921–924, 2011.
[12] P. Kiełczyn´ski, M. Szalewski, A. Balcerzak, Inverse procedure for simultaneous evaluation of viscosity and density of Newtonian liquids from dispersion curves of Love waves, Journal of Applied Physics, Vol. 116, No. 4, pp. 1-7, 2014.
[13] H. Oh, W. Wang, K. Lee, C. Min, S. Yang, The development of a wireless. Love wave biosensor on 41°YX LiNbO3, Smart Materials And Structures, Vol. 18, pp. 443-749, 2009.
[14] W. Wang, H. Oh, K. Lee, S. Yang, Enhanced sensitivity of wireless chemical sensor based on Love wave mode, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 6, pp. 7372–7379, 2008.
[15] H. Wang, Z. Zhao, Love waves in a two-layered piezoelectric/elastic composite plate with an imperfect interface, Archive of Applied Mechanics, Vol. 83, No. 1, pp. 43–51, 2013.
[16] I. Sayago, D. Matatagui, M. J. Fernández, J. Fontecha, I. Jurewicz, R. Garriga, E. Muñoz, Graphene oxide as sensitive layer in Love-wave surface acoustic wave sensors for the detection of chemical warfare agent simulants, Talanta, Vol. 148, pp. 393–400, 2016.
[17] D. Greve, T. Chin, P. Zheng, Surface acoustic wave devices for harsh environment wireless sensing, Sensors, Vol. 13, No. 6, pp. 6910-6935, 2013.
[18] H. Morgan, N. G. Green, AC Electrokinetics, pp. 23-80, Hertfordshire: Institute of Physics, 2003.
[19] Y. Fu, J. Luo, X. Du, A. Flewitt, Y. Li, G. Markx, A. Walton, W. Milne, Recent developments on ZnO films for acoustic wave based bio-sensing and microfluidic applications: a review, Sensor and Actuators B: Chemical, Vol. 143, No. 2, pp. 606–619, 2010.
[20] I. Voiculescu and A. Nordin, Acoustic wave based MEMS devices for biosensing applications, Biosensensor and Bioelectronics, Vol. 33, No. 1, pp. 1-9, 2012.
[21] C. K. Campbell, Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications, San Diego: Mc Master universaity, 1998.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 2
اردیبهشت 1397
صفحه 351-358