Microwave-based microfluidic biosensors: from the design and implementation to real-time sensing.

Abstract

Observar materiais biológicos é um passo crucial em aplicações médicas. As técnicas convencionais de estudo celular são muito bem estabelecidas e eficazes. No entanto, os métodos de detecção são baseados em técnicas de imagem de fluorescência e coloração que podem ser invasivas para as células. A espectroscopia dielétrica em frequências de micro-ondas é uma metodologia analítica nova e não destrutiva para investigar matérias biológicas sem ligação química ou preparação e manipulação prévias que eliminam a modificação do conteúdo. Além disso, oferece a vantagem atraente de monitoramento em tempo real. Esta tese teve como objetivo desenvolver biossensores microfluídicos integrados baseados em micro-ondas capazes de medir as propriedades dielétricas de matérias biológicas como glicose e suspensões celulares para caracterização celular. Depois de revisar os métodos atuais de análise do estado da arte, focamos no desenvolvimento de biossensores de micro-ondas de alta sensibilidade para investigar questões biológicas. Durante o desenvolvimento, a concepção das estruturas dos circuitos em micro-ondas juntamente com a parte fluídica, bem como seus processos de fabricação foram otimizados para melhorar o desempenho dos biossensores em relação à sensibilidade e repetibilidade. Primeiro, a evolução do desempenho do biossensor foi avaliada medindo-se as mudanças de amplitude, fase e frequência nas frequências ressonantes em função das concentrações de glicose em soluções aquosas. O sensor proposto distingue variação de concentrações de glicose em torno de 5,2 GHz e é considerado simples, fácil de operar e bastante sensível (0,32 MHz/(mg/dL). Em seguida, a pesquisa seguiu investigando estruturas biológicas mais complexas, e células vivas foram individualmente detectadas em seu meio de cultura num fluxo em tempo real para fins de quantificação de células. As variações nos parâmetros de espalhamento foram medidas ao longo do tempo na frequência ressonante para conduzir a medição dielétrica de suspensões de células, resultando em sensores com alto desempenho sensibilidade e repetibilidade. O dispositivo proposto neste trabalho distinguiu as células de seu meio medindo uma diferença de aproximadamente 23º na fase do sinal transmitido. Este biossensor pode detectar as células em seu meio de cultura mesmo em fluxo rápido em tempo real e, portanto, pode ser usado como uma ferramenta de diagnóstico precoce e monitoramento de doenças.