Kurzfassung
Bisher etablierte mikrofluidische dielektrische Messsysteme sind nicht sensitiv genug, um einzelne nanoskopische Partikel zu detektieren/charakterisieren. Um dieses Hindernis zu uberwinden, wurde ein neuartiger kopplungsbasierter koplanarer Wellenleitersensor entwickelt. Dieser Sensor besteht aus einem λ/4- Resonator, der uber eine Kapazitat mit der Zuleitung verbunden ist. Das Messprinzip dieses Sensors beruht auf der Modulation dieser Kopplungskapazitat. Diese Anordnung beruht also nicht nur auf der konventionellen Modulation der Eigenfrequenz eines elektrischen Schwingkreises, sondern auch auf der Modulation der Kopplung. Die Leistungsfahigkeit des Sensors wird im Vergleich zu konventionellen Sensoren durch die Einfuhrung einer neuen Metrik, der Figure-of-Merit (FOM), bewertet. Die FOM des Sensors betragt 1300, was eine 15-fache Verbesserung der Sensitivitat gegenuber den bisher sensitivsten Mikrowellensensoren bedeutet.
Daruber hinaus wurde ein Herstellungsverfahren auf Wafer-Ebene entwickelt, mit dem 16 Sensoren mit einer Grose von 8 x 12 mm auf einem einzigen 2-Zoll-Wafer hergestellt werden konnen. Auserdem wurde ein Aufbau entwickelt, der die Sensoren in einen Hochfrequenzschaltkreis, ein Fluoreszenzmikroskop und ein Fluidiksystem integriert. Diese Anordnung ermoglicht die gleichzeitige elektrische und optische Beobachtung von Partikeln bei paralleler Kontrolle des Partikelflusses. Eine Besonderheit des Hochfrequenzschaltkreises ist die Impedanzanpassung des Mikrowellensensors, die interferometrisch realisiert wurde. Dies ist die erste Anwendung einer solchen Impedanzanpassung in einem mikrofluidischen Sensor. Mit dem neuartigen Sensor und der Impedanzanpassung konnte die bisher hochste Sensitivitat bei ultraschneller Messgeschwindigkeit demonstriert werden. Mit dem neuen Aufbau wurden Polystyrolkugelchen, Zellen, Tropfchen und Liposomen detektiert. Bei der Detektion von Polystyrolkugelchen mit einer Grose von 200 nm wurde ein Signal-Rausch-Verhaltnis von bis zu 417 erreicht. Dies sind nach unserem Kenntnisstand die kleinsten Partikel mit dem hochsten Signal-Rausch-Verhaltnis, die mit Mikrowellen detektiert wurden. Daruber hinaus wurde ein Algorithmus zur Peakverarbeitung entwickelt, der die Impedanzanpassung sowie Amplituden und Phasendrift korrigiert und somit reproduzierbare Messungen gewahrleistet.
Unsere Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zur Hochdurchsatz-Charakterisierung von Virionen, Proteinen und DNA anhand ihrer dielektrischen Eigenschaften dar. Da die Charakterisierung mit Mikrowellen ein noch wenig erforschtes Gebiet ist, insbesondere die dielektrische Charakterisierung von einzelnen Nanopartikeln, eroffnet sie vielfaltige Moglichkeiten sowohl fur wissenschaftliche als auch fur diagnostische Anwendungen.
State-of-the-art microfluidic devices face challenges in detecting and characterizing the dielectric properties of individual nanoscale objects due to their limited sensitivity. To overcome this issue, a new coupling-based coplanar waveguide (cCPW) sensor was proposed and demonstrated. This sensor features a capacitively coupled λ/4 resonator with improved sensitivity owing to its reduced electrical length and finely tuned characteristic impedance. Additionally, the innovative design extends the established tank circuit configuration with a coupling component, significantly improving sensitivity. The performance of this system is evaluated against conventional sensors by introducing a new figure-of-merit (FOM). The sensor’s FOM is 1300, indicating a 15-fold sensitivity enhancement over the most sensitive microwave sensors to date. A wafer-level manufacturing process was developed that integrates 16 individual sensor chips onto a single two-inch wafer. Each chip occupies a compact footprint of 8 x 12 mm. Additionally, a setup was established that interfaces these chips with a radio frequency (RF) circuit, a fluorescent microscope, and a fluidic system. This arrangement permits the simultaneous electrical sensing and optical monitoring of particles while maintaining control over the fluidic flow. The RF circuit consists of a new interferometric impedance matching configuration, demonstrating unprecedented sensitivity and ultra-fast sensing capabilities by inflow detection of polystyrene beads, cells, droplets, and liposomes. In particular, for the detection of polystyrene beads as small as 200 nm, a signal-to-noise ratio of up to 417 has been achieved. To our best knowledge, these are the smallest single particles detected at RF with the highest signal-to-noise ratio. Furthermore, a peak processing algorithm was developed to ensure reproducible data by correcting the impedance-match quality and the drift in the amplitude and phase values. Our research represents a significant advancement towards the high-throughput classification of virions, proteins, and DNA utilizing their high-frequency dielectric properties. Since RF characterization is still an under-explored field, especially for the dielectric characterization of single nanoparticles, it opens up vast opportunities for advances in both scientific and diagnostic applications.