Geri Dön

Microcantilever based lab-on-a-chip sensor for real-time mass, viscosity, density and coagulation measurements

Gerçek zamanlı kütle, özkütle, viskozite ve pıhtılaşma ölçümleri için mikroçubuk tabanlı mikroakışkan algılayıcılar

PDF İndir

  1. Tez No: 387574
  2. Yazar: ONUR ÇAKMAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÜREY
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 187

Özet

Son yıllarda gerek sensör boyutlarındaki küçülme gerekse“lab-on-a-chip (LoC) araçlarındaki gelişmeler insan sağlığını olumlu yönde etkileyecek teşhis ve tedavi yöntemlerine imkan tanımıştır. Araştırma laboratuvarlarındaki bu gelişmelere rağmen bu tip teknolojilerin ticarileştirilmesi ve yaygın bir kullanım kazanması kısıtlı kalmaktadır. Bu tip uygulamalar için basit algılama arayüzleri ve tek kullanımlık sensörler gerekmektedir. Bu zor gereklilikler ancak mekanik, akışkan, optik ve elektronik arayüzlerin iyi bir şekilde entegre edilmesiyle aşılabilmektedir. Bu tez çalışmasında tam entegre bir LoC ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Bu sistemde sensor teknolojisi olarak mikro-akışkan kartuş içerisinde çalışan, basit bir arayüz ve algılama teknolojisine sahip mikro-elektro-mekanik-sistem (MEMS) tabanlı mikroçubuklar kullanılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen mikroçubuk tabanlı biyosensor teknolojisi farklı medikal görüntüleme uygulamaları(kan plazması viskozitesi ve pıhtılaşma zamanı ölçümleri), akışkan özellik ölçümleri ve virüs tespiti amaçlarıyla kullanılmıştır. Mikroçubuklar Koç Üniversitesi Mikro/Nano İmalat Temiz Odası'nda imal edilmiş olup, elektro kaplama metoduyla üretilen Nikel malzemeden yapılmıştır. Mikroçubuk tasarımları farklı uygulamalar için modifiye edilmiştir. Çubuk uzunlukları 60 µm ile 200 µm arasında genişlikleri 5 µm ile 100 µm arasında değişmekte olup, kalınlıkları da 1-2 µm mertebesindedir. Tamamen sıvıya daldırılmış olup elektro-bobin eyleyici yardımıyla rezonans frekansları civarında tahrik edilmektedir. Ayrıca çubuk titreşimleri de farklı optik okuma düzenekleri ile algılanmaktadır. Çalışma sırasında özel geliştirilmiş girişimsel (interferometric) okuma metodu veya lazer Doppler Vibrometre tabanlı okuma kullanılmıştır. Hem tahrik hem de algılama temassız olarak gerçekleşmektedir. Böylelikle mikroçubuğa herhangi bir elektriksel bağlantıya ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu özellik sayesinde geliştirilen teknoloji tek kullanımlık kartuşlara sahip hasta başı testlere (point-of-care) dönüştürülebilmektedir. Mikroçubuk dinamiği içerisinde salınım yaptığı akışkanın özelliklerine göre veya mikroçubuğa bağlanan biyolojik kütlelere bağlı olarak değişmektedir. Bu değişikler ”lock-in yükselteç“ veya ”Phase-Locked Loop (PLL)" yardımıyla görüntülenebilmektedir. Lock-in yükselteç sabit bir tahrik frekansında tahrik sinyali ile optik okuma sinyali arasındaki faz farkını ölçmekteyken, PLL ise bu faz farkını sabit tutup rezonans frekansındaki değişimleri anlık olarak takip edebilmektedir. Mikroçubuk tabanlı sensör platformu dört ana uygulama için kullanılmıştır. İlk olarak, sistemde kan plazması ve kan serumu akışkanlığı ölçülmüştür. Kan plazması viskozite ölçümleri kardiovasküler bozukluklar, romatizmal kireçlenme ve çeşitli otoimmun hastalıkların teşhisinde kullanılmaktadır. Önerilen sistem çok küçük numuneler ile (~10µl) hızlı ve güvenilir ölçümler yapabilmekte olup bu özellik mevcut laboratuvar cihazlarına göre büyük bir avantaj sağlamaktadır. Bu ölçümler için yeni ölçüm protokolleri oluşturulmuş ve sistemin tekrarlanabilirliği ve güvenilirliği referans ticari cihazlarla kıyaslanarak test edilmiştir. En küçük ölçülebilen kan plazması viskozite değeri 0.01 mPa.s olup ölçüm doğruluğu %6'dır. İkinci olarak, özkütle ve viskozitenin mikroçubuk dinamiği üzerindeki akuple etkilerini ayırabilmek için yeni bir metot geliştirilmiştir. Basit bir algoritma ile viskozite ve özkütle değerlerinin rezonans frekansı üzerine olan etkileri belirlenmiştir. Böylelikle farklı genişlikteki iki adet mikroçubuk kullanılarak bu etkilerin birbirinden ayrıştırılabileceği gösterilmiştir. Sistem ile alınan hassas ölçümler referans cihazlar ile karşılaştırılmıştır. Kullanılan metot ile 995 kg/m3 ile 1150 kg/m3 arasındaki özkütle ölçümlerinde %3 doğruluk, 0.935 mPa.s ile 4 mPa.s arasındaki viskozite ölçümlerinde %4,6 doğruluk elde edilmiştir. Ayrıca ölçülebilecek en küçük viskozite değeri 1.6x10-3 mPa.s ve özkütle değeri 0,3 kg/m3 dir. Üçüncü uygulama olarak, sistem kan plazması pıhtılaşma testleri için adapte edilmiştir. Sürekli antikoagulan ilaç kullanan hastalarda, ameliyata girecek hastaların değerlendirilmesinde ve emboli riski taşıyan hastalarda periyodik olarak pıhtılaşma sürelerinin ölçülmesi gerekmektedir. Bu amaçla, hastaların sürekli olarak kliniklere gitmeleri ve bu testleri yaptırmaları gerekmektedir. Bu prosedür sağlık sistemleri üzerinde önemli bir yük olup test sürelerinin uzamasına neden olmaktadır. Bu sebeple pıhtılaşma ölçümleri için hızlı, güvenilir ve basit sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, MEMS çipler mikroakışkan kanallarla entegre edilmiş ve tek bir kartuştan çoklu pıhtılaşma zamanı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Protrombin Zamanı (PT) ve aktive Parsiyel Tromboplastin Zamanı (aPTT) ölçümleri için yeni protokoller geliştirilmiştir. Testler hem standart kontrol plazmaları ile hem de gerçek insan plazmaları ile yapılmıştır. Sistem PT ve aPTT ölçümleri için sırasıyla %7.28 ve %6.33, %CV(coefficient of variation) tekrarlanabilirlik değerlerine sahip olup bu değerler mevcut cihazlarla kıyaslanabilecek seviyededir. Dördüncü uygulama olarak da sistem çeşitli antijenlerin tespiti amaçlı kullanılmıştır. Hepatit B, Hepatit C, HIV ve sifilis virüslerinin proteinleri iyi hassasiyetle ölçülebilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen entegre teknoloji yardımıyla tek kullanımlık kartuşlarla birden fazla testin kolayca ve etiketleme gerektirmeden yapılması mümkün olmuştur. Dolayısıyla çalışma, hasta başı ve ev içi tanı ve görüntüleme test uygulamaları için yüksek bir potansiyel taşımaktadır.

Özet (Çeviri)

Miniaturization of sensor technologies and the development of lab-on-a-chip (LoC) devices in the last decade enabled new opportunities in diagnostics and therapeutics to improve human health. Despite the great technological advances in research labs, there are only a few commercially successful LoC devices used for point-of-care diagnostics applications. Such applications demand simple sensor readout and single-use disposable sensors, which are difficult requirements to achieve due to mechanical, fluidic, optical, and electronic interface and integration problems. This thesis focuses on the development of a fully integrated LoC measurement system that use micro-electro-mechanical-system (MEMS) based microcantilevers operated in a microfluidic cartridge with simple interface and simple sensor readout. Microcantilever biosensors developed in this research have been adapted for different point-of care applications (blood plasma viscosity and coagulation time measurements), liquid property monitoring and immunoassay detection purposes. The cantilevers are made of electroplated Nickel and fabricated with a simple process using Koç University Micro/Nano Fabrication Clean Room. Cantilever designs varied according to the application. The length of the cantilevers are between 60 µm and 200µm, the width varies between 5 µm and 100µm and the thickness is generally in the order 1- 2µm. They are fully immersed in liquid and actuated by an external electro-coil that operates close to cantilever resonant frequencies and sensing is conducted by means of an optical read-out. A unique optical interferometric method or a laser Doppler Vibrometer is employed for the optical read-out. Both actuation and read-out are conducted remotely. Thus electrical connections to the cantilevers are not required. This feature enables the use of the developed technology as a point of care device with disposable cartridges. The oscillation dynamics of the cantilevers change due to the variations in the liquid properties or the accreted mass on the cantilever surface. The changes in the dynamics are either tracked with lock-in amplifier or phase-locked loop (PLL) based electronics that follows the optical detector. The lock-in amplifier method tracks the phase difference between the actuation signal (coil drive current) and the sensor signal (photo detector output) whereas the PLL method tracks the oscillation frequency real-time by using a fixed phase difference between the actuation and the sensor signals. The cantilever biosensor platform has been used for four biological applications during this thesis research. First, the system is utilized as a viscosity sensor and viscosities blood plasma and blood serum are measured. Blood plasma viscosity can be used for the diagnosis of several diseases such as cardiovascular disorders, rheumatoid arthritis, and certain autoimmune diseases. The proposed system enables fast and convenient measurements with small sample volumes (~10µl), which is superior to common bench-top clinical devices and makes the system suitable for point of care use. New protocols are developed, the systems repeatability and reliability is also tested with reference measurements using commercial laboratory devices. For viscosity detection a detection limit of 0.01 mPa.s is achieved for blood plasma with error less than 6%. Second, a novel method is proposed and demonstrated to separate the coupled effects of density and viscosity on the cantilever oscillation dynamics. A set of equations and a simple algorithm is developed to relate the density and the viscosity to the frequency shifts of the cantilevers. We found that the effect of the density and the viscosity can be well separated if cantilevers have different widths. The method uses the PLL based system to track the resonant frequencies of two cantilevers with different widths immersed in the same liquid. Precise density and viscosity measurements are performed and compared with the reference measurements. The measurement error with the new method was lower than 3 % in density in the range 995 to 1150 kg/m3 and 4.6 % in viscosity in the range 0.935 to 4 mPa.s. Based on the signal-to-noise ratio, the minimum detectable difference in the viscosity is 1.6x 10-3 mPa.s and the density is 0.3 kg/m3. As the third application, the system is adapted for blood plasma coagulation time tests. Periodical coagulation time tests are required for patients who are receiving anticoagulant therapy, undergoing pre-operation evaluation or for patients under risk of embolism, stroke or atrial fibrillation. In general practice, patients need to visit a hospital or a central laboratory periodically for coagulation tests. Such a procedure puts a significant burden on the health-care provider and increases the return time and the cost of the test. Thus, fast, reliable and simple assays are needed to monitor the coagulation parameters. For this purpose the MEMS chips containing cantilevers are integrated with microfluidic channels and multiplexed coagulation time measurements are enabled from single cartridge. New protocols are developed for standard coagulation tests (Prothrombin time (PT) and activated partial thromboplastin time (aPTT)). The tests are conducted not only with standard control plasma samples but also with human plasma samples. The measurement system has an overall 7.28 % and 6.33 % CV (Coefficient of Variation) for PT and aPTT, respectively which are comparable with the commercial devices with different technologies. As the fourth application, the system is tested for immunoassay detection in parallel channels. The proteins of Hepatitis B, Hepatitis C, HIV and Syphilis antigens are detected with reasonable detection limits. The technology developed in this thesis is simple to use, label-free, can be integrated in a disposable cartridge, and suitable for multiple tests in the same cartridge; therefore, it has high potential for point-of-care and home diagnostics applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    688204

    Development of high fracture toughness hard coatings

    Yüksek kırılma tokluğuna sahip sert kaplamaların geliştirilmesi

    BURÇİN KAYGUSUZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. SEZER ÖZERİNÇ

    PROF. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI

  2. Tez No

    518145

    Microcantilever based sensor for characterization of ethanol-CO2 fluid mixtures at high pressures

    Mikro-mekanik çubuk temelli sensörlerin etanol-CO2 akışkan karışımlarının yüksek basınçta karakterizasyonu için kullanımı

    SHADI KHAN BALOCH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

    PROF. DR. CAN ERKEY

  3. Tez No

    450990

    Design simualtion and analysis of piezoresistive microcantilever for biosensing applications

    Biyolojik tespit uygulamaları için piezoresistive mikrokantilever tasarım, simülasyon ve analizi

    AMAL AHMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  4. Tez No

    317836

    MEMS' lerin biyomedikal alanındaki uygulamalarının incelenmesi

    Investigation of biomedical applications of MEMS

    İBRAHİM ETHEM SAÇU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ALÇI

  5. Tez No

    507744

    Design, analysis, simulation and optimization of a MEMS Lorentz force magnetic field sensor for biosensing of biowarfare agents

    Biyolojik savaş ajanlarının tespit uygulamaları için Lorentz kuvveti temelli manyetik alan sensörünün tasarımı, analizi, simülasyon ve optimizasyonu

    EMİNE RUMEYSA YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

Geri Dön