Design and Evaluation of a Complementary CPW Microwave Biosensor for Real-Time Yeast Quantification. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_Imtiaz Saiqa.pdf Restricted to Repository staff only until 6 June 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تُعَدُّ عمليةُ التحديد الكمي الدقيق وفي الوقت المناسب للكتلة الحيوية الميكروبية عنصرًا أساسيًا لضمان المراقبة الفعّالة والتحكم الأمثل في العمليات الحيوية عبر قطاعات الصناعات الغذائية والطاقة والدوائية. ويُعَدُّ كائن الخميرة \textit{Saccharomyces cerevisiae} من أكثر الكائنات الحية الدقيقة استخدامًا في أنظمة التخمير، حيث تؤثر التغيرات في تركيز الخلايا بصورة مباشرة في كفاءة العمليات الإنتاجية وجودة المنتجات واستقرار التشغيل. ومع ذلك، لا تزال العديد من الطرق التقليدية لتحديد تركيز الخلايا تعتمد على إجراءات مخبرية غير آنية، وتتطلب جهدًا ووقتًا كبيرين، مما يحد من ملاءمتها للتطبيقات السريعة أو للمراقبة في الزمن الحقيقي. تتناول هذه الرسالة دراسة استخدام الاستشعار بالموجات الميكروية بوصفه تقنيةً بديلةً مدمجة وخاليةً من الوسوم الكيميائية لقياس تركيز الخميرة، وذلك من خلال تصميم وتقييم مستشعر رنيني يعتمد على بنية الدليل الموجي المستوي المزدوج ذي التصميم التكميلي. وقد جرى أولًا توصيف الخصائص العازلية لمعلقات الخميرة ضمن نطاق ترددي يتراوح بين 500 ميكاهرتز و20 غيغاهرتز لتحديد نافذة التشغيل المناسبة، حيث أظهرت النتائج أن النطاق المنخفض من ترددات الموجات الميكروية يوفر استجابةً عالية الاعتماد على التركيز، الأمر الذي جعله الخيار الأنسب لعملية الاستشعار. استنادًا إلى نتائج التوصيف العازلي، تم تصميم مستشعر تكميلي مبتكر من نوع الدليل الموجي المستوي المزدوج، وتحسين أدائه من خلال المحاكاة الكهرومغناطيسية، ثم تصنيعه على ركيزة FR4 والتحقق من أدائه تجريبيًا باستخدام محلل الشبكات المتجهي. وقد أظهر المستشعر المصنَّع تردد رنين يقارب 1520 ميكااهرتز، مع انزياح ترددي واضح ومتزايد بصورة منتظمة عبر نطاق تراكيز الخميرة الممتد من $10^{4}$ إلى $10^{10}$ خلية/مل. وبلغ إجمالي الانزياح الترددي المسجل 103 ميغاهرتز، مما يؤكد قدرة المستشعر على التمييز بين التغيرات في تركيز الخلايا عبر عدة مراتب أسية بكفاءة وحساسية مرتفعة. كما أكّد تحليل توزيع المجالات الكهرومغناطيسية وجود تركّز قوي للمجال في منطقة الاستشعار، وهو ما يفسر الحساسية الملحوظة التي أظهرها المستشعر. وللتحقق من صحة الاستجابة الميكروية، تمت مقارنتها بقياسات حيوية مستقلة شملت تعداد الوحدات المكوِّنة للمستعمرات (CFU) وتحليل الكثافة الضوئية (OD) حيث أظهرت النتائج توافقًا جيدًا يؤكد أن الانزياح الترددي يعكس بدقة التغيرات الحيوية الفعلية في تركيز الخلايا. علاوةً على ذلك، أظهر المستشعر المقترح قدرةً على القياس الآني والمستمر لتركيز الخميرة تحت ظروف الجريان المستمر باستخدام منظومة ميكروفلويدية مدعومة بمضخة حقن، مما يبرز إمكاناته في تطبيقات المراقبة الديناميكية. وبناءً على ذلك، تؤكد نتائج هذه الدراسة أن الاستشعار بالموجات الميكروية المعتمد على بنية الدليل الموجي المستوي المزدوج التكاملية يمثل منصةً واعدة وعملية لتحديد تراكيز الخميرة بصورة مدمجة وسريعة وفي الزمن الحقيقي، بما يخدم طيفًا واسعًا من التطبيقات الصناعية.

English Abstract

Accurate and timely quantification of microbial biomass is essential for effective monitoring and control of bioprocesses across food, energy, and pharmaceutical industries. In particular, \textit{Saccharomyces cerevisiae} is widely used in fermentation-based systems, where variations in cell concentration directly influence process efficiency, product quality, and operational stability. However, many conventional quantification methods remain offline, labor-intensive, and less suitable for rapid or real-time analysis. This thesis investigates the use of microwave biosensing as a label-free and compact alternative for yeast quantification through the design and evaluation of a complementary coplanar waveguide (CPW) resonant sensor. The dielectric properties of yeast suspensions were first characterized over the frequency range of 0.5--20~GHz to determine a suitable operating window, leading to the selection of the lower microwave region due to its large concentration-dependent response. Based on this analysis, a novel complementary CPW sensor was designed, optimized, fabricated on an FR4 substrate, and experimentally validated using a vector network analyzer. The fabricated sensor exhibits a resonance near 1.52~GHz and demonstrates a clear monotonic frequency shift across yeast concentrations from $10^{4}$ to $10^{10}$~cells/mL, with a total shift of 103~MHz. Electromagnetic field analysis confirmed strong field localization in the sensing region, supporting the observed sensitivity. The microwave response was further cross-validated using colony-forming unit measurements and optical density analysis, confirming that the frequency shift accurately reflects biologically relevant changes in concentration. The proposed sensor further demonstrated real-time continuous-flow yeast concentration sensing using a syringe-assisted microfluidic setup, highlighting its potential for dynamic monitoring applications. Thus, these results demonstrate the potential of complementary CPW microwave sensing as a practical platform for compact, rapid and real-time quantification of yeast in various industrial applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Ibraheem Al Naib,
Thesis Committee Members:	Amjad Khalil, Arif Cetin,
Depositing User:	SAIQA IMTIAZ
Date Deposited:	07 Jun 2026 05:24
Last Modified:	07 Jun 2026 05:24
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144517