Publication: Integrated electrochemical and mass biosensor for early dengue detection
dc.contributor.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | en_US |
dc.contributor.author | Ahmad Anwar Zainuddin | en_US |
dc.contributor.supervisor | Anis Nurashikin Nordin, PhD | en_US |
dc.contributor.supervisor | Rosminazuin Ab Rahim, PhD | en_US |
dc.date.accessioned | 2024-10-07T03:01:55Z | |
dc.date.available | 2024-10-07T03:01:55Z | |
dc.date.issued | 2020 | |
dc.description.abstract | Dengue illness is an infectious tropical disease, transmitted by Aedes mosquitos which poses a serious health threat to the tropical world. Malaysia is among the seriously affected countries with a rapid increase of 133% of new dengue fever cases and 158% of deaths from 2013 to 2016. Currently, the dengue detection methods such as virus isolation, polymerase chain reaction (PCR), and Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) are popularly used due to its good sensitivities. However, they require long incubation periods of up to 48 hours with tedious processing steps, thus causing the patients to be diagnosed with dengue when they are at a late stage. To overcome these issues, the usage of biosensors have been proposed as an alternative technology for rapid detection of dengue. The major electrical biosensing strategies, including electrochemical, mass, and optical measurement are widely used because of their high sensitivity and real-time measurements. Among them, optical biosensor has the highest sensitivity, but this method is not applicable as point-of-care (PoC) devices due to its complex and expensive equipment. Alternatively, the use of electrochemical and mass detection method such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and quartz crystal microbalance (QCM) is highly recommended for detection of dengue due to its simplicity, cost-effectiveness and portability. In this work, an integrated electrochemical quartz crystal microbalance (IEQCM) was successfully developed for early dengue detection (NS1 antigen). This IEQCM sensor has a dual-function working electrode that enables in-situ measurements of both EIS and QCM. When the biological target attaches to the working electrode, the QCM detects shifts in resonance frequency due to dampened acoustic waves propagating through the quartz sensor. The same device can also detect impedance changes due to surface reaction via EIS measurement. The design of the biosensor is first simulated using COMSOL and its design parameters such as radius of working electrodes (rWE) and gap (g) between electrodes are optimized. Experimental measurements were conducted using the fabricated IEQCM to validate these simulation results. The best design parameters of sensors were found to have an array of three, 10MHz IEQCM biosensor on a single substrate with rWE of 2000µm which exhibits highest quality factor (Q-factor = 2.77 x 104). All the QCM sensors operate at a frequency of 9.79 MHz ± 1kHz. For EIS sensor, the optimal g between electrodes was found to be 70µm since it produces the highest current density (based on simulation) to enhance electro-migration of ions at sensor interfaces. The dengue NS1 measurement results, suggested that the EIS measurement showed the higher instrumental sensitivity (12.15 percentage decade-1) than QCM measurements (9.87 percentage decade-1) but the QCM measurement provided higher assay sensitivity in this work. This work has shown that IEQCM has the potential to provide rapid, early and accurate dengue detection in point-of-care settings with higher sensitivity and selectivity. | en_US |
dc.description.abstractarabic | مرض حمى الضنك هو مرض استوائي معدي ينتقل عن طريق البعوض الزاعجة التي تشكل تهديدًا صحيًا خطيرًا في المناطق الإستوائية. وتعتبر ماليزيا من بين البلدان المتأثرة بشدّة بهذا المرض، حيث سجلت 133٪ من حالات الإصابة بالحمى الجديدة لحمى الضنك و 158٪ من الوفيات من عام 2013 حتى عام 2016. من الطرق المستخدمة حالياً بشكل شائع لاكتشاف حمى الضنك: عزل الفيروس، وتفاعل البلمرة المتسلسل(PCR)، والمقايسة الممتصة المناعية المرتبطة بالإنزيم (ELISA). ولكنها تتطلب فترات حضانة طويلة لمدة تصل إلى 48 ساعة مع خطوات معالجة مملة، مما يؤدي إلى تشخيص المرضى بحمى الضنك عندما يكونون في مرحلة متأخرة. للتغلب على هذه المشكلة، تم استخدام أجهزة الاستشعار البيولوجي كتقنية بديلة للكشف السريع عن حمى الضنك. حيث تستخدم الاستراتيجيات الرئيسية في القياس البيولوجي على نطاق واسع، بما في ذلك الكشف الكهروكيميائي والكتليّ والبصري، بسبب حساسيتها العالية وقياساتها في الوقت الفعلي. وتعتبر طريقة الكشف الحيوي البصري أفضلها بسبب حساسيتها ولكنها غير قابلة للتطبيق كأجهزة للرعاية (POC) بسبب معداتها المعقدة والمكلفة. بدلاً من ذلك، يوصى بشدة باستخدام طريقة الكشف الكهروكيميائي والكتليّ مثل التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) وموازنة الكريستال الكوارتز (QCM) للكشف عن حمى الضنك بسبب بساطتها وفعاليتها وقابليتها للنقل. في هذا البحث، تم بنجاح تطوير التوازن الدقيق الكهروكيميائي لموازنة الكريستال الكوارتز (IEQCM) للكشف المبكر عن حمى الضنك (مولد الضدNS1). يحتوي مستشعر IEQCM على قطب كهربائي مزدوج الوظيفة يعمل على إجراء قياسات في الموقع لكل من EIS وQCM. عندما يتم ربط الهدف البيولوجي بالقطب الكهربائي العامل، يقوم QCM بالكشف عن التحولات في تردد الرنين بسبب الموجات الصوتية المرتدة التي تنتشر عبر جهاز استشعار الكوارتز. يمكن للجهاز نفسه أيضًا اكتشاف تغيرات المعاوقة بسبب التفاعل السطحي عبر قياس EIS. تم أولاً محاكاة تصميم جهاز الاستشعار البيولوجي باستخدام COMSOL ويتم تحسين معاملات التصميم مثل نصف قطر الأقطاب العاملة (rWE) والفجوة (g) بين الأقطاب الكهربائية. ثم أجريت القياسات التجريبية باستخدام IEQCM المصنعة للتحقق من صحة نتائج المحاكاة. تم التوصل إلى أن أفضل معاملات تصميم أجهزة الاستشعار لديها مجموعة من أجهزة الاستشعار البيولوجي IEQCM بسرعة 10 ميغاهرتز على ركيزة واحدة مع rWE منµm2000 والتي تظهر معامل أعلى جودة (Q-factor = 2.77 x 104). تعمل جميع أجهزة استشعار QCM بتردد 9.7 ميغاهرتز ± 1 كيلو هرتز. بالنسبة إلى مستشعرEIS، وجد أن g الأمثل بين الأقطاب الكهربائية هو 70 ميكرومتر لأنه ينتج أعلى كثافة تيار (على أساس المحاكاة) لتعزيز الترحيل الكهربائي للأيونات عند واجهات الاستشعار. نتائج قياس حمى الضنك NS1، بيّنت أن قياس EIS أظهر حساسية الاجهزة أعلى (12.15 بالمائة لوغارثمياً) من قياسات QCM (9.87 بالمائة لوغارثمياً) لكن قياس QCM يوفر حساسية أعلى للمقايسة في هذا البحث. وقد أظهر هذا العمل أن IEQCM لديه القدرة على توفير الكشف السريع والمبكر والدقيق لحمى الضنك في أماكن الرعاية ذات الحساسية العالية والانتقائية. | en_US |
dc.description.callnumber | t RC 137 M4 A286I 2020 | en_US |
dc.description.identifier | Thesis : Integrated electrochemical and mass biosensor for early dengue detection /by Ahmad Anwar Zainuddin | en_US |
dc.description.identity | t11100418275AhmadAnwarZainuddin | en_US |
dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Engineering | en_US |
dc.description.nationality | Malaysian | en_US |
dc.description.notes | Thesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2020. | en_US |
dc.description.physicaldescription | xxviii, 257 leaves : illustrations ; 30cm. | en_US |
dc.description.programme | Doctor of Philosophy (Engineering) | en_US |
dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/2933 | |
dc.language.iso | en | en_US |
dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2020 | en_US |
dc.subject.lcsh | Dengue | en_US |
dc.subject.lcsh | Dengue -- Research -- Malaysia | en_US |
dc.title | Integrated electrochemical and mass biosensor for early dengue detection | en_US |
dc.type | Doctoral Thesis | en_US |
dspace.entity.type | Publication |
Files
Original bundle
License bundle
1 - 1 of 1