Analysis of monodisperse microfluidic droplet generation and its biochemical applications
Eşdağılımlı mikroakıskan damlacık olusumunun analizi ve biyokimyasal uygulamaları
- Tez No: 651930
- Danışmanlar: PROF. CAGLAR ELBUKEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Kimya Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Physics and Physics Engineering, Chemical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Damlacık akı¸skan sistemler, ¨ornek hacminin kontrol¨un¨un ¨onemli rol oynadı˘gı polimeraz zincir reaksiyonu, biyokimyasal analiz ve par¸cacık sentezi gibi bir ¸cok uygulamada, kesinli˘gi ¨onemli ¨ol¸c¨ude geli¸stirmi¸stir. Iki fazlı akı¸s sistemlerinde, _ sıkı¸sma rejimi ile damlacık olu¸sumu fizi˘ginin ¸cok iyi anla¸sılmasına ra˘gmen, ¨ozde¸s boyutta damlacık olu¸sturabilme, hala ula¸sılması zor bir hedeftir. Damlacık b¨uy¨ukl¨u˘g¨un¨u etkileyen parametreler, kanal boyutu, ıslanırlık, vizkozite, akı¸s miktarı ve basın¸c oranı olarak tanımlansa da, damlacık b¨uy¨ukl¨uk varyasyonlarını belirleyen mekanizma tam anlamıyla analiz edilmemi¸stir. Daha ¨onemlisi, damlacık olu¸sum sistemleri i¸cin e¸sda˘gılımlılık limiti hala bilinmemektedir. Bunun nedeni, damlacık olu¸sumunun analitik modellemesindeki zorluktur. Zira, modelleme genellikle deneysel yakla¸sımlarla kompanse edilmektedir ki bu evrensel sonu¸clara y¨onlendirmede yetersiz kalmaktadır. Bu tezde, akı¸skanları s¨urmek i¸cin kullanılan akı¸s kayna˘gına ba˘glı olarak, e¸sda˘gılımlılı˘gı bozan b¨ut¨un sistem dinamiklerini, i¸c ve dı¸s fakt¨orleri hesaba katarak, analitik bir yakla¸sım sunulmaktadır. Akı¸skan ve elektrik devrelerdeki analojiyi kullanarak, damlacık e¸sda˘gılımlılı˘gını etkileyen fakt¨orleri analiz ettik. _ Ilgin¸c ¸sekilde, tek faz akı¸s analojisi ve devrelerdeki elektron akı¸sı kullanılarak, par¸calı iki faz akı¸s sisteminin dinamiklerini modellemeyi ba¸sardık. Bunu yaparak, damlacık hacminde varyasyonlara neden olan bozulmaların kayna˘gını ortaya ¸cıkardık. Ozg¨un bir ¸c¨oz¨um ¨onerdik ve y¨uksek e¸sda˘gılımlı damlacık ¨ olu¸sumu i¸cin bir kılavuz hazırladık. Analitik sonu¸clarımız deneysel olarak, basın¸c kayna˘gı marifetiyle T-kesi¸sim ve akı¸s-odaklama damlacık olu¸sturucularıyla do˘grulandı. E¸sit ¨onemde, e¸sda˘gılımlılı˘gın teorik maksimumuna ula¸smadaki limitleyici deneysel fakt¨orleri g¨osterdik. Yerde˘gi¸sim pompası durumunda, akı¸s stabilitesini geli¸stirmek i¸cin, daha etkili ve geni¸s ¸cer¸cevede uygulanabilir bir ¸c¨oz¨um ¨onerdik. Bunu, akı¸s kayna˘gı nedenli de˘gi¸simleri azaltmak i¸cin, ¸cip dı¸sı uyun¸c yetene˘gini kontrol ederek yaptık. Sonunda, iki yaygın s¨ur¨u¸s biriminin (basın¸c ve yerde˘gi¸sim pompaları) performaslarını, ¨onerdi˘gimiz metotlar da kullanılarak, damlacık e¸sda˘gılımlılı˘gı a¸cısından kar¸sıla¸stırdık. En nihayetinde, poli dopamin ve hidrojen peroksidin reaksiyon kineti˘gi ¨uzerine ¸calı¸stık ve silika ve polietilen glikol (PEG) par¸cacıklar ile supramolek¨uler polimer kaps¨uller, y¨uksek e¸sda˘gılımlı damlacıklar yoluyla y¨uksek e¸sda˘gılımlılıkla sentezlenmi¸stir.
Özet (Çeviri)
Droplet fluidic systems have dramatically improved precision in many applications, such as polymerase chain reaction, biochemical analysis, and particle synthesis in which accurate control of sample volume plays a significant role. Despite the well-understood physics of squeezing regime droplet formation in two-phase flow systems, the long-sought-after goal of generating identical, equal size droplets is challenging. Although the individual parameters that affect the droplet size were identified as channel dimension, wettability, viscosity, and flow rate or pressure ratio of the two immiscible fluids, the governing mechanism of droplet size variation is not completely analyzed. More importantly, the limit of monodispersity for droplet generation systems is still unknown. This is due to the difficulty in analytical modeling of droplet formation that is usually compensated by experimental approaches, which fall short in leading to universal conclusions. In this thesis, depending on the flow source used for driving fluids we present an analytical approach that takes into account all the system dynamics and internal and external factors that disturb monodispersity. We use the analogy between fluidic and electrical circuits to analyze the factors that influence droplet monodispersity. Interestingly, we enable to model the dynamics of a segmented two-phase flow system using a single-phase flow analogy, electron flow, in electrical circuits. Doing so, we reveal the sources of disturbances that lead to variation in droplet volume. We offered a unique solution and designed guidelines to ensure ultramonodisperse droplet generation. Our analytical conclusions are experimentally verified using a T-junction and flow-focusing droplet generator design driven by a pressure supply. Equally importantly, we show the limiting experimental factors for reaching the theoretical maximum of monodispersity. For the displacement pump case, we propose a more effective and widely applicable solution to improve flow stability, by controlling off-chip compliances to minimize fluctuations due to the flow source. Eventually, we compare the performance of the two common drive units (pressure-driven and displacement pump) in terms of droplet monodispersity, while using our proposed methods and guidelines. Finally, we did study in reaction kinetics of poly dopamine and hydrogen peroxide and synthesize silica and polyethylene glycol (PEG) particles and supramolecular polymer capsules with high monodispersity using ultra-monodisperse droplets.
Benzer Tezler
- Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications
Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications
GÜRKAN YEŞİLÖZ
Doktora
İngilizce
2017
BiyomühendislikUniversity of WaterlooMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAROLYN L. REN
- Design of a droplet-based microfluidic system for hybrid polymer nanoparticle synthesis
Hibrit polimer nanoparçacık sentezi için damlacık temelli mikroakışkan sistem tasarımı
OSMAN BERKAY ŞAHİNOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİNE YEGAN ERDEM
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜNEŞ KİBAR
- Real-time impedimetric microfluidic droplet measurement: iDM
Gerçek zamanlı impedimetrik mikroakışkan damlacık ölçümü: IDM
ABTIN SAATEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiNanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÇAĞLAR ELBÜKEN
- Optimization of flow conditions and investigation of crystallization kinetics from a supersaturated solution in a two-phase microfluidic system
İki-fazlı bir mikro-akışkan sistemde akış koşullarının pptimizasyonu ve aşırı doygun bir çözeltide kristalleşme kinetiğinin incelenmesi
TIJANI AHMED AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELİS ÖNEL KAYRAN
- Monodispers-gözenekli titanyum dioksit mikrokürelerin nükleosit izolasyon performanslarının incelenmesi
Investigation of nucleoside isolation performance of monodisperse-porous titanium dioxide microspheres
AYKUT BİLİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL