Mikroelektrod dielektroforesis bagi pengesanan masa nyata patogen ESKAPE

Abstract

Sumber air adalah penting untuk kehidupan manusia. Namun, sumber air boleh dicemari bendasing seperti bahan kimia dan bakteria patogenik. Bakteria patogenik ESKAPE mempunyai enam spesis iaitu Enterococcus faecium (EF), Staphylococcus aureus (SA), Klebsiella pneumoniae (KP), Acinetobacter baumannii (AB), Pseudomonas aeruginosa (PA) dan Enterobacter aerogenes (EA). Bakteria ESKAPE adalah patogenik dan rintang terhadap antibiotik yang menjadi cabaran utama era pendamik COVID-19 ini. Permasalahan utama kaedah konvensional ialah ia memerlukan masa yang lama, dua sehingga tujuh hari untuk menganalisis sampel di dalam makmal bagi tujuan mengenalpasti bakteria patogenik. Teknologi dielektroforesis (DEP) dengan kelebihan pengesanan yang mudah dan masa nyata merupakan penyelesaian yang dikaji dalam penyelidikan ini. Metodologi pertama penyelidikan, melakukan pencirian teknik DEP untuk mengesan patogen ESKAPE daripada perbezaan saiz fizikal dan rupa bentuk serta melakukan simulasi pencirian mikroelektrod DEP bagi pengoptimuman reka bentuk mikroelektrod DEP. Perisian faktor polarisasi MyDEP 1.0.1 mengkaji tindak balas dielektrik patogen ESKAPE bertujuan menganggarkan nilai julat frekuensi efektif berdasarkan formulasi Clausius-Mossotti factor (𝐶𝑀𝐹 𝐶𝑀𝐹 ). Perisian COMSOL Multiphysics 5.5 digunakan bagi menganalisis sela mikroelektrod optimum berkaitan taburan keamatan medan elektrik dan trajektori kecekapan manipulasi. Kedua, mereka bentuk dan memfabrikasi mikroelektrod DEP dengan sela 20 μm dan 40 μm berdasarkan pengoptimuman pada simulasi aplikasi COMSOL Multiphysics 5.5. Ketiga, menentusahkan keupayaan peranti DEP bagi manipulasi dan pengesanan pada masa nyata melalui ujikaji DEP dan analisis ImageJ. Ujikaji patogen ESKAPE dalam larutan berakua air ternyah ion dititiskan sebanyak 0.25 μL di takungan pita polimit bersaiz 2080 μm × 2080 μm peranti DEP. Julat frekuensi masukan adalah 100 kHz sehingga 15 MHz pada 6 voltan puncak ke puncak (V p-p). Julat halaju relatif dan frekuensi pindah silang (fxo) ESKAPE telah dinilai semasa pergerakan dalam selang masa tertentu. Penilaian halaju relatif dan trajektori patogen ESKAPE menggunakan mikroskop optikal, Olympus BX53M yang diintegrasikan bersama kamera berkelajuan tinggi, DITECT (HAS-D71) dan analisis ImageJ. Penyelidikan ini telah membuktikan keunikan dielektrik spesis ESKAPE bagi manipulasi dan pengesanan melalui julat frekuensi pindah silang 𝐶𝑀𝐹 𝐶𝑀𝐹 iaitu EF 11 – 11.2 MHz, SA 6 – 10 MHz, KP 7.01 MHz, AB 6.1 – 7 MHz, PA 10 – 12 MHz dan EA 9.1 MHz. Dapatan ujikaji DEP menunjukkan dengan mengurangkan sela mikroelektrod, dari 80 μm hingga 20 μm memberikan kesan terhadap nilai taburan keamatan medan elektrik dan halaju relatif yang tinggi, ia berkadaran dengan FDEP. Sela mikroelektrod DEP 20 μm menghasilkan kecekapan manipulasi tertinggi iaitu 92.3 % diikuti 40 μm 86.7 % dan yang terendah adalah 80 μm iaitu 36.4 %. Parameter sifat fizikal seperti rupa bentuk sfera, ellipsoid, kehomogenan dan keheterogenan struktur dalamannya memberikan keunikan nilai dielektrik yang berbeza terhadap setiap spesis patogen ESKAPE. Kesimpulannya, peranti DEP yang optimum dengan takungan mikrofluidik telah berjaya direka bentuk, difabrikasi dan diujikaji bagi mencapai ketiga-tiga objektif yang telah nyatakan. Keberhasilan utama penyelidikan ini berpotensi bagi diaplikasikan sebagai kaedah manipulasi pantas (< 5 minit) untuk tujuan pengesanan patogen ESKAPE pada masa nyata.