University of Oulu

RF-microwave sensor development for cell and human in vitro and ex vivo monitoring

Saved in:
Author: Kilpijärvi, Joni1,2,3,4
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
3Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology (IFM)
4Infotech
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230344
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-10-15
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in Martti Ahtisaari auditorium (L2), Linnanmaa, on 22 October 2021, at 11 a.m.
Tutor: Docent Jari Juuti
Doctor Niina Halonen
Doctor Maciej Sobociński
Professor Kajsa Uvdal
Professor Anita Lloyd Spetz
Reviewer: Professor Hong Wang
Professor Mailadil Thomas Sebastian
Opponent: Doctor Karol Malecha
Description:

Abstract

In this research new RF/microwave-based sensor solutions were developed for the monitoring of biological cells and human beings to obtain a better understanding of their activity or state in a quick, cheap, easy and continuous way. The effect of different substances on cell behaviour can be monitored by measuring the electrical environment where changes are observed as cells react to a stimulus. The starting point of the study was a microchip with a capacitance measurement system integrated into the culturing chamber, enabling the monitoring of cell proliferation or death. The main challenge of the study was the correct interpretation of the received signals and the combination of “dry” electronics and “wet” biology, which is a difficult issue in terms of reliability and durability of the system. For this purpose, a low temperature co-fired ceramic package was developed which could withstand cell culture conditions and which did not interfere with the cell activity. A 1.1 MHz shift in resonance frequency of the system could clearly be measured, where the shift depended on the number of cells. Another topic of the research concentrated on a microwave sensor that can be utilized in the examination and analysis of fluid samples collected from the body which provide information about a person’s health status. A microwave sensor was developed, which was tested with liquid samples. Microfluidics were also integrated into the system which allowed the use of very small sample volumes and improved the usability of the device. The challenge of the work was to build the system so that the parts were integrated seamlessly without interfering with each other. The sensor concept was tested successfully using typical concentrations of NaCl found in human blood plasma i.e. 125 to 155 mmol/mol of water. The third topic of the thesis was aiming for a microwave sensor that enables real-time measurement of body fluid balance directly from the skin. The operation of the developed microwave sensor was based on a resonator whose resonance frequency reacted to the electrical properties of materials in its proximity, in this case the water content of the skin and its changes. The function of the sensor was tested with artificial skin, made in the laboratory, which corresponded to the properties of real skin. The observed changes in resonance frequency was +370 MHz and -220 MHz for dehydrated and hydrated skin compared to normal skin, thus providing a wide frequency range for detection of the status of the skin.

see all

Tiivistelmä

Tutkimuksessa kehitettiin uusia RF-/mikroaaltoihin perustuvia anturiratkaisuja solujen ja ihmisen mittaukseen, jotta niiden toiminnasta tai tilasta saataisiin parempi kuva nopeasti, edullisesti, helposti ja jatkuvatoimisesti. Solujen toimintaa voidaan seurata mittaamalla niiden sähköistä ympäristöä missä havaitaan muutoksia, kun solut reagoivat erilaisiin aineisiin. Tutkimuksen lähtökohtana käytettiin soluanturiksi suunniteltua mikrosirua, jossa oli viljelyalustaan integroitu kapasitanssin mittausjärjestelmä, jonka avulla voitiin monitoroida solujen jakaantumista tai kuolemista. Tutkimuksen haasteena oli saatujen signaalien oikeanlainen tulkinta sekä ”kuivan” elektroniikan ja ”märän” biologian yhdistäminen järjestelmän luotettavuuden ja kestävyyden kannalta. Tähän tarkoitukseen työssä kehitettiin matalan lämpötilan yhteissintrattavaan keraamiin perustuva pakkaus, joka kestää soluviljelyn olosuhteita eikä häiritse solujen toimintaa. Testeissä voitiin havaita selvä 1.1 MHz muutos resonanssitaajuudessa, jonka suuruus riippui solujen lukumäärästä. Tutkimuksen toinen alue oli mikroaaltoanturi, jolla voidaan tutkia ja analysoida kehosta saatavia nestemäisiä näytteitä ja saada tietoa henkilön terveydentilasta. Työssä kehitettiin mikroaaltoanturi, jota testattiin nestemäisillä näytteillä. Nestenäytteiden käsittelemiseksi systeemiin integroitiin myös mikrofluidistiikka mikä mahdollistaa hyvin pienten näytemäärien käyttämisen ja parantaa laitteen käytettävyyttä. Työn haasteena oli järjestelmän rakentaminen siten, että osat integroituvat toisiinsa saumattomasti toisiaan häiritsemättä. Anturikonsepti testattiin onnistuneesti käyttämällä tyypillistä ihmisen veriplasmasta löytyvää NaCl-pitoisuutta vaihteluvälillä 125–155 mmol/mol vedessä. Väitöstyön kolmas aihealue oli mikroaaltoanturin hyödyntäminen kehon nestetasapainon mittauksessa reaaliaikaisesti suoraan iholta. Kehitetyn mikroaaltoanturin toiminta perustui resonaattoriin, jonka resonanssitaajuus reagoi sen lähiympäristön sähköisiin ominaisuuksiin eli tässä tapauksessa ihon vesipitoisuuteen ja siinä tapahtuviin muutoksiin. Anturin toimintaa testattiin laboratoriossa valmistettujen keinoihojen avulla, jotka vastasivat ominaisuuksiltaan oikeata ihoa kuvastaen eri tilannetta kehon nestetasapainossa. Mitattu resonanssitaajuus muuttui +370 MHz ja -220 MHz kuivan ja kostean ihon välillä verrattuna normaaliin ihoon, tarjoten laajan taajuusalueen ihon tilanteen havainnointiin.

see all

Abstract

I denna forskning utvecklades nya RF / mikrovågsbaserade sensorlösningar för övervakning av celler och människor för att få en bättre förståelse för deras aktivitet eller tillstånd snabbt, billigt, enkelt och kontinuerligt. Effekten av olika ämnen på beteendet hos celler kan övervakas genom att mäta deras elektriska miljö där förändringar observeras när celler reagerar på stimulanser. Utgångspunkten för studien var ett mikrochip med ett kapacitansmätsystem integrerat i odlingskammaren, vilket möjliggör övervakning av cellproliferation eller död. Utmaningen med studien var den korrekta tolkningen av de mottagna signalerna och kombinationen av ”torr” elektronik och ”våt” biologi, vilket är utmanande problemställningar som måste lösas för systemets tillförlitlighet och hållbarhet. För detta ändamål utvecklades en keramisk förpackning “tillverkad vid låg temperature” som tål cellodlingsförhållanden och inte stör cellaktiviteten. Ett tydligt skift på 1,1 MHz i systemets resonansfrekvens kunde mätas, där storlek på skiftet berodde på antalet celler. En annan del av forskningen i avhandlingen koncentrerade sig på mikrovågssensorn som kan användas vid undersökning och analys av vätskeprover, som kan samlas in från kroppen och ge information om en persons hälsotillstånd. En mikrovågssensor utvecklades som testades på flytande prover. Mikrofluidik integrerades i systemet för hanteringen av flytande prover, vilket möjliggör användning av mycket små provvolymer och förbättrar enhetens användbarhet. Utmaningen med arbetet var att bygga systemet med full integration av delarna och utan att dessa störde varandra. Sensorkonceptet testades framgångsrikt med användning av en typisk NaCl-koncentration som finns i human blodplasma, dvs. 125 till 155 mmol / mol vatten. Den tredje delen av avhandlingen syftade till en mikrovågssensor som möjliggör realtidsmätning av kroppsvätskebalansen direkt på huden. Funktionen för den utvecklade mikrovågssensorn baserades på en resonator, resonansfrekvensen beror på de elektriska egenskaperna hos material i dess närhet, i detta fall hudens vätskeinnehåll och dess förändringar. Sensorns funktion testades med konstgjord hud, som tillverkades i laboratoriet, med motsvarade egenskaper som hos riktig hud. Observerade förändringar i resonansfrekvensen var +370 MHz och -220 MHz för uttorkad och hydratiserad hud jämfört med normal hud, vilket ger ett brett frekvensområde för detektion av hudens status

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Halonen, N., Kilpijärvi, J., Sobocinski, M., Datta-Chaudhuri, T., Hassinen, A., Prakash, S. B., Möller, P., Abshire, P., Kellokumpu, S., & Lloyd Spetz, A. (2016). Low temperature co-fired ceramic packaging of CMOS capacitive sensor chip towards cell viability monitoring. Beilstein Journal of Nanotechnology, 7, 1871–1877. https://doi.org/10.3762/bjnano.7.179

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Kilpijärvi, J., Halonen, N., Sobocinski, M., Hassinen, A., Senevirathna, B., Uvdal, K., Abshire, P., Smela, E., Kellokumpu, S., Juuti, J., & Lloyd Spetz, A. (2018). LTCC Packaged Ring Oscillator Based Sensor for Evaluation of Cell Proliferation. Sensors, 18(10), 3346. https://doi.org/10.3390/s18103346

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Kilpijärvi, J., Halonen, N., Juuti, J., & Hannu, J. (2019). Microfluidic Microwave Sensor for Detecting Saline in Biological Range. Sensors, 19(4), 819. https://doi.org/10.3390/s19040819

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Kilpijarvi, J., Tolvanen, J., Juuti, J., Halonen, N., & Hannu, J. (2020). A Non-Invasive Method for Hydration Status Measurement With a Microwave Sensor Using Skin Phantoms. IEEE Sensors Journal, 20(2), 1095–1104. https://doi.org/10.1109/jsen.2019.2945817

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3034-4
ISBN Print: 978-952-62-3033-7
Issue: 797
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
IDE