2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15686Wie in der einschlägigen Literatur ausführlich diskutiert, eignen sich Mikrowellen zur zerstörungs- und marker-freien Charakterisierung von biologischen Zellen. Dies könnte völlig neue Möglichkeiten in biomedizinischen und biotechnologischen Anwendungen eröffnen. Messungen sowohl von Zellkulturen als auch an einzelnen Zellen haben unterschiedliche elektromagnetische Antworten (Streuparameter) ergeben. Eine eindeutige Signatur, wie die Permittivität, wurde für Einzelzellen bisher allerdings nur ansatzweise bestimmt. Der Einfluss von Größe und Inhomogenität der Zelle wurde noch gar nicht berücksichtigt. Mit diesem Vorhaben beabsichtigen wir diese Lücke zu schließen. Es sollen dafür Mikrowellensensoren und Charakterisierungsmethoden erforscht werden, mit denen die breitbandigen dielektrischen Eigenschaften von einzelnen Zellen unabhängig von deren Größe extrahiert werden können. Dabei sollen die irreguläre Form, die Verformbarkeit und die Inhomogenität der Zellen berücksichtigt werden.Um diese Ziele zu erreichen verfolgen wir zwei komplementäre Ansätze. Der erste beruht auf einem planaren Sensor, der einen Teil der Zelle abtastet. Für eine umfassende Untersuchung soll die Zelle von verschiedenen Seiten gemessen werden. Hierfür muss sie gedreht werden, was mit Hilfe der Elektrorotation geschehen soll. Zusammen mit der Dielektrophorese ergibt sich ein flexibles Mittel für die Zellmanipulation und -positionierung.Im zweiten Ansatz wird die Zelle mit einem nahezu homogenen Feld durchleuchtet. Hierfür soll ein Parallelplattenkondensator mit Schirmelektrode entworfen werden. Schirmelektroden sind im Niedrigfrequenzbereich eine bewährte Methode, um Streufelder zu verringern. Der Sensor misst also die ganze Zelle, oder zumindest einen signifikanten Teil davon. Eine einfache mechanische Dreiwege-Falle soll zur Positionierung der Zellen integriert werden.Bei beiden Ansätzen soll die Permittivität mit Hilfe von aus gemessenen Streuparametern gewonnenen Ersatzschaltbildern extrahiert werden. Hierfür soll eine einfache Kalibriermethode weiterentwickelt werden. Ein (statistischer) Vergleich beider Ansätze soll Hinweise auf die Aussagekraft geben. Dies wird dazu beitragen, die Resultate der verschiedenen Zellmessungen zu klassifizieren, interpretieren und verstehen.Als übergeordnetes Ziel dieser Projektphase sollen die Permittivitätsmuster unterschiedlicher kommerzieller Zelllinien ermittelt werden sowie, sofern möglich, zwischen unterschiedlichen pathologischen Zuständen, wie gesund, tot, kanzerös oder durch Elektroporation geschädigt, differenziert werden können. In einer möglichen zweiten Phase sollen die Sensoren und Messmethoden auf die Charakterisierung von Primärzellen übertragen werden.As extensively discussed in the relevant literature, microwave cell characterization offers the distinct advantage of being non-destructive and label-free. This is expected to open-up new opportunities in biomedical and biotechnological applications. Measurements on both cell suspensions and single cells in microfluidic channels have been reported and differences in the (electromagnetic) response of healthy and dead cells have been documented. However, so far only little effort has been spent at single-cell level in determining a unique signature, like the permittivity. The influence of the cell size and of its inhomogeneity has not been addressed at all. We aim at closing this gap by developing (miniaturized) high-frequency sensors and characterization methods with which the broadband dielectric properties of single cells can be determined independently of their size. It shall be taken into account that cells are irregularly shaped, squeezable, and possibly inhomogeneous. To reach these goals we propose two complementary approaches. The first one shall rely on a planar sensor probing only a part of the cell, but not the surrounding culture medium. For a comprehensive examination, the cell shall be probed from different directions/angles. For this, it is to be rotated, which shall be done electrically by means of electrorotation. This will be combined with dielectrophoresis to yield a very flexible means to manipulate and position the cells.In the second approach, the cell shall be probed with a homogeneous field. For this, the sensor shall be a parallel plate capacitor provided with properly biased guard electrodes, a well-proven way to mitigate the negative effect of fringing fields at low frequencies. The sensor shall thus illuminate the whole cell – or at least significant portions of it. A simple three way single cell mechanical trap is to be integrated in this approach.In both approaches, the broadband permittivity shall be extracted by means of measurement-based equivalent circuit models. For this, a simple calibration procedure, which has been developed at our institute, shall be adapted. A (statistical) comparison of the results from the two approaches is expected to provide clues regarding their meaningfulness. This will help classifying, interpreting, and understanding the results obtained with cells of different pathological state.The ultimate objective of this project phase is to find a permittivity footprint for different commercially available cell lines and to differentiate, as far as possible, between different pathological states of cells, which could be healthy, dead, cancerous, or affected by electroporation. In a possible second project phase, the measurements and methods shall be applied to study primary cells.