Development of Electromagnetic Biosensors for Early Bacteria Detection and Real-Time Antimicrobial Susceptibility Testing. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis report_ Barakat Ishola O..pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 4 June 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

يُعد الكشف السريع عن الممرضات البكتيرية والتحديد المبكر لحساسيتها تجاه المضادات الحيوية أمرًا بالغ الأهمية لتحسين إدارة العدوى والحد من إساءة استخدام المضادات الحيوية. وعلى الرغم من أن طرق الكشف التقليدية المعتمدة على الزراعة البكتيرية واختبارات الحساسية للمضادات الحيوية ما تزال موثوقة، فإنها غالبًا ما تتطلب فترات حضانة طويلة وإجراءات مخبرية متخصصة، مما يؤخر الوصول إلى العلاج الموجه. تعرض هذه الدراسة إطارًا حيويًا للاستشعار الكهرومغناطيسي دون استخدام واسمات للكشف المبكر عن بكتيريا إي كولاي وإجراء اختبار الحساسية للمضادات الحيوية في الزمن الحقيقي باستخدام مستشعر ميكروويفي بلازموني قائم على الميتاماتيريال. تم تصميم المستشعر المقترح باستخدام برنامج CST Microwave Studio بالاعتماد على بنية هجينة تجمع بين البلازمون السطحي الموضعي الزائف (SLSP) والبلازمون السطحي القطبي الزائف (SSPP) على ركيزة من نوع FR-4، ثم جرى تصنيعه بتقنية النمذجة الأولية للدوائر المطبوعة (PCB) وتوصيفه تجريبيًا باستخدام محلل شبكة متجهية. وقد أظهر التحقق التجريبي على العينات البكتيرية حد كشف (LOD) مقداره 10^4 CFU/ml، كما أظهرت نتائج انزياح التردد انخفاضًا منتظمًا في (ΔF) مع زيادة التركيز البكتيري مقارنة بالعينة المرجعية، وهو ما يتوافق مع الخصائص العازلة للبكتيريا في الأوساط السائلة. وتم كذلك تقييم إطار الاستشعار المقترح في اختبار الحساسية للمضادات الحيوية باستخدام طريقة التخفيف المجهري في المرق مع مضاد السيبروفلوكساسين. وقد تم تحديد أقل تركيز مثبط للنمو (MIC) وأقل تركيز قاتل للبكتيريا (MBC) عند 1 mg/L و 8 mg/L على التوالي. وأظهرت قياسات اختبار الحساسية في الزمن الحقيقي أن عينات المرق، والبكتيريا فقط، وMIC، وMBC تمتلك خصائص عازلة مميزة يمكن التفريق بينها بصورة موثوقة بعد 120 دقيقة من الحضانة. وتبرهن آلية الاستشعار المقترحة على إمكانات قوية بوصفها نهجًا سريعًا ومنخفض التكلفة وخاليًا من الواسمات للاستشعار الحيوي الميكروويفي من أجل الكشف عن البكتيريا والتقييم السريع لحساسيتها تجاه المضادات الحيوية.

English Abstract

Rapid detection of bacterial pathogens and timely determination of antimicrobial susceptibility are critical for improving infection management and limiting antibiotic misuse. Conventional culture-based detection and antimicrobial susceptibility testing remain reliable but often require prolonged incubation and skilled laboratory workflows, delaying targeted treatment. This study presents a label-free electromagnetic biosensing framework for early detection of Escherichia coli and real-time antimicrobial susceptibility testing using a plasmonic microwave metamaterial sensor. The proposed sensor was designed in CST Microwave Studio using a hybrid spoof localized surface plasmon (SLSP) and spoof surface plasmon polariton (SSPP) configuration on an FR-4 substrate, fabricated through PCB prototyping, and experimentally characterized with a vector network analyzer. Experimental validation on bacterial samples established an LOD of 10^4 CFU/mL. The frequency shift decreased systematically as bacterial concentration increased relative to the control, which is consistent with concentration-dependent dielectric measurement of bacteria in liquid media. The sensing framework was further evaluated for antimicrobial susceptibility testing (AST) using the broth microdilution assay with ciprofloxacin. The minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) were identified as 1 mg/L and 8 mg/L, respectively. Real-time AST measurements showed that broth, bacteria-only, MIC, and MBC samples produced distinct dielectric responses that could be reliably differentiated after 120 minutes of incubation. The proposed sensing modality demonstrates strong potential as a rapid, low-cost, and label-free microwave biosensing approach for bacterial detection and accelerated antimicrobial susceptibility assessment.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Electrical
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Ibraheem Al Naib,
Thesis Committee Members:	Amjad Khalil, Abdulrahman Alqadami,
Depositing User:	BARAKAT ISHOLA
Date Deposited:	07 Jun 2026 05:27
Last Modified:	07 Jun 2026 05:27
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144498