Kernel-Based Analysis of Impedance Spectroscopy in a Quartz Crystal Microbalance Biosensor

Kırımlı E. E., Kırımlı C. E., Zorba O., Burgun P. E.

18th International Workshop on Impedance Spectroscopy,, Chemnitz, Almanya, 24 - 26 Eylül 2025, ss.13-18, (Tam Metin Bildiri)

  • Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
  • Doi Numarası: 10.1109/iwis69004.2025.11339413
  • Basıldığı Şehir: Chemnitz
  • Basıldığı Ülke: Almanya
  • Sayfa Sayıları: ss.13-18
  • Acıbadem Mehmet Ali Aydınlar Üniversitesi Adresli: Evet

Özet

Kuvars Kristal Mikroterazi (Quartz Crystal Microbalance, QCM) biyosensörleri, sensör yüzeyinde meydana gelen kütle değişimlerine bağlı rezonans frekansı kaymalarını ölçerek gerçek zamanlı ve etiketsiz algılama olanağı sağlar. Bu çalışmada, sinüzoidal olarak değişen bir konsantrasyon rejimi altında bir QCM biyosensörünün davranışı empedans spektroskopisi kullanılarak analiz edilmiştir. Zamana senkronize deneyler boyunca direnç, reaktans, mutlak empedans ve admitans, kondüktans, süseptans ve faz açısı gibi empedans parametrelerinden oluşan kapsamlı bir veri seti elde edilmiştir. Bu ölçümler hem analitik hem de istatistiksel yaklaşımlar çerçevesinde yorumlanmıştır. Akışkan yüklenmesine bağlı ölçülen frekans kaymalarından beklenen konsantrasyon değerini türetmek amacıyla Kanazawa denklemi kullanılmış ve böylece analitik bir karşılaştırma yapılmıştır. Empedans parametrelerinin tahmin gücünü değerlendirmek için Karşılıklı Bilgi (Mutual Information, MI) ve Hilbert-Schmidt Bağımsızlık Ölçütü (Hilbert-Schmidt Independence Criterion, HSIC) gibi doğrusal olmayan özellik seçimi yöntemleri uygulanmıştır. Çalışma sonucunda, empedans spektroskopisinin çekirdek tabanlı analiz yöntemleri ve fiziksel modelleme ile birlikte kullanıldığında, dinamik giriş koşulları altında gerçek zamanlı biyosensör uygulamaları için güçlü ve güvenilir bir platform sunduğu gösterilmiştir.

Quartz Crystal Microbalance (QCM) biosensors provide real-time, label-free detection by measuring shifts in resonance frequency caused by mass changes on a sensor surface. The behavior of a Quartz Crystal Microbalance (QCM) biosensor was analyzed under a sinusoidally varying concentration regime using impedance spectroscopy. A comprehensive dataset of impedance parameters—resistance, reactance, absolute impedance and admittance, conductance, susceptance, and phase angle—was collected across time-synchronized experiments. These measurements were interpreted through both analytical and statistical frameworks. The Kanazawa equation was employed to derive an expected concentration from the measured frequency shifts associated with fluidic loading, enabling analytical comparison. To evaluate the predictive capacity of the impedance parameters, non-linear feature selection techniques, including Mutual Information (MI) and the Hilbert-Schmidt Independence Criterion (HSIC), were applied. It was demonstrated that impedance spectroscopy, when coupled with both kernel-based analysis and physical modeling, provides a robust platform for real-time biosensing under dynamic input conditions. bu bildiri özetini Türkçeye çevirir misin?