This work focuses on demonstrating the working principle of inkjet-printed Au nanoparticle (NP) two-layer Gigahertz (2.6 GHz) microwave split-ring resonators (SRRs) as a novel platform for the detection of analytes on flexible substrates. In contrast to the standard fabrication of split-ring resonator biosensors using printed circuit board technology, which results in a seven-layer system, the resonators in this work were fabricated using a two-layer system. A ground plane is embedded in the SRR measurement setup. In this method, a microwave electromagnetic wave is coupled into the Au SRR via an inkjet-printed Cu-NP stripline that is photonically sintered. This coupling mechanism facilitates the detection of analytes by inducing resonance shifts in the SRR. In this study, the functionality of the printed sensors was demonstrated using two different Au functionalization processes, firstly, with HS-PEG7500-COOH, and, secondly, with protein G with an N-terminal cysteine residue. The sensing capabilities of the printed structures are shown by the attachment of biomolecules to the SRR and the measurement of the resulting resonance shift. The experiments show a clear shift of the resonance frequency in the range of 20–30 MHz for both approaches. These results demonstrate the functionality of the simplified printed two-layer microwave split-ring resonator for use as a biosensor.

Zusammenfassung: Operationssäle der Raumklassen H1a und H1b, welche gemäß ÖNORM H6020 betrieben werden, werden auf Grund normativer Vorgaben mit einem leichten Überdruck zu den Umgebungsräumen betrieben, um das Eindringen potenziell kontaminierter Luft zu verhindern. Dieser Betriebszustand birgt jedoch das Risiko, dass infektiöse Keime aus dem Operationssaal in umliegende Bereiche entweichen könnten. Da diese Eingriffsräume in Einrichtungen des Gesundheitswesens eine zentrale Rolle in der Behandlung von Patientinnen und Patienten einnehmen, müssen die aerogen übertragbaren gesundheitsgefährdenden Partikel möglichst gänzlich aus der Raumluft abstrahiert werden. Im Zuge eines durch die COVID-19-Pandemie im Jahr 2019 initiierten Forschungsprojektes wurde untersucht, inwieweit sich ein Betrieb mit unterschiedlichen Unterdrücken auf die Integrität der Schutzzone der Operationssäle auswirkt. Im Zuge dieser Versuchsreihe wurde der OP der Raumklasse H1a des OPIC (Operation Innovation Center) an der FH-Campus Wien anstelle des üblichen Überdrucks von circa +1 Pa mit einem Unterdruck von circa −6 Pa betrieben. Mittels Partikelmessungen wurde überprüft, ob die Schutzzone durch die oben angeführte Veränderung im Betriebsdruck in ihrem Verhalten zur Partikelvermeidung negativ beeinflusst wird. Durch die durchgeführten Messungen konnte nachgewiesen werden, dass die Schutzzone mit einer Fläche von mindestens 8 m ² sowohl hinsichtlich der Anzahl der vorgegebenen Partikel als auch ihrer räumlichen Lage erhalten blieb. Diese Erkenntnisse liefern eine fundierte Grundlage für zukünftige Planungen und den Betrieb lüftungstechnischer Anlagen im OP-Bereich unter abweichenden Druckverhältnissen.

This work focuses on demonstrating the working principle of inkjet-printed Au nanoparticle (NP) split-ring resonators (SRRs) as a novel platform for the detection of analytes on flexible substrates. Potential applications of this technology include rapid and reusable near-patient diagnostics. In the method, a microwave electromagnetic wave is coupled into the Au SRR via a printed Cu-NP stripline sintered photonically on a solid FR1 substrate. This coupling mechanism facilitates the detection of analytes by inducing resonance shifts in the SRR. To demonstrate the sensing principle of the platform, biomolecules are attached to the SRR and the resulting resonance shift is measured. All experiments show resonance frequency shifts in the range of approximately 20–30 MHz.