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
- Tez No: 825877
- Danışmanlar: PROF. DR. CAROLYN L. REN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Waterloo
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 251
Özet
Çip üzerinde laboratuvar ve damlacık bazlı mikroakışkanlara olan ilgi, hücre analizi, DNA hibridizasyonu, ilaç taraması ve teşhis gibi çok çeşitli bilimsel araştırmaları ve biyolojik/kimyasal süreçleri kolaylaştırma potansiyeli nedeniyle son zamanlarda artmıştır. Damlacık bazlı mikroakışkanların geleneksel biyoanalizlere göre başlıca avantajları arasında, geleneksel yüksek verimli sistemlere göre daha yüksek verime (yani kHz) sahip reaksiyonlar için oldukça tek dağılımlı, iyi izole edilmiş ortam sağlama yeteneğinin yanı sıra düşük reaktif tüketimi ve çapraz kontaminasyonun ortadan kaldırılması yer alır. Damlacık mikroakışkanlarının dağıtımı için gereken temel işlevler arasında damlacık üretimi, birleştirme, sıralama, bölme, yakalama, algılama, ısıtma ve depolama yer alır; bunların arasında bireysel damlacıkların algılanması ve ısıtılması büyük zorluklar ve yeni teknolojiye yönelik talep olmaya devam etmektedir. Bu tez, bu zorlukların üstesinden gelmek için damlacık tabanlı mikroakışkan platformlarla entegre edilebilecek yeni mikrodalga teknolojisinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bu tez, mikrodalga algılamanın ve bireysel damlacıkların ısıtılmasının hem temellerini hem de uygulamalarını çok geniş bir şekilde ele alacak şekilde yapılandırılmıştır. Yüksek verimli uygulamalar için bireysel damlacıkların tespiti ve içerik algılaması için mikroakışkan platformlarla entegre edilebilen, etiketsiz, hassas, ucuz ve taşınabilir bir mikrodalga sisteminin geliştirilmesiyle başlar. Damlacık bazlı mikroakışkan çalışmaların çoğu, genellikle pahalı ve hacimli sistemler, floresan boyaların kullanımı ve kapsamlı görüntüleme sonrası analiz gerektiren optik görüntülemeye dayandığından bu gerçekten önemlidir. Elektrikli algılama sistemleri ucuz, etiketsiz ve taşınabilir hale getirilebilse de çoğu genellikle düşük frekanslarda çalışır ve bu da uygulamalarını hızlı hareket eden damlacıklarla sınırlar. Geliştirilen mikrodalga devresi, kullanıma hazır bileşenlerin kullanımı nedeniyle ucuzdur ve kompakttır ve kHz hızlarında damlacık varlığını tespit etme ve penisilin antibiyotiği, fetal sığır serumu çözeltileri ve bir dizideki varyasyonlar gibi biyolojik materyallerin damlacık içeriğini algılama yeteneğine sahiptir. Ayrıca, ilaç bileşiği konsantrasyonu (örneğin Alzheimer Hastalığı için) de kullanılabilir. Daha sonra entegre platformun algılama ve ısıtma performansını daha iyi anlamak için hangi parametrik analizin yapıldığına dayalı sayısal bir model geliştirilmiştir. Spesifik olarak, algılama performansını önemli ölçüde etkileyen GHz frekansında çalışan mikrodalga rezonatör yapısı ve iç elektromanyetik alanı ve enerji dağılımını yüksek oranda etkileyen mikroakışkan çip bileşenlerinin dielektrik özellikleri sistematik olarak incelenmektedir: algılama ve ısıtma verimliliği üzerindeki etkileri için. Sonuçlar, entegre cihaz işletimi ve optimizasyon stratejileri hakkında önemli bulgular ve anlayış sağlamıştır. Daha sonra, biyokimyasal analizler ve malzeme sentezi gibi birçok uygulamada damlacıkların içinde isteğe bağlı, hızlı karıştırma ihtiyacından hareketle, mikrodalga bazlı bir mikroakışkan karıştırıcı geliştirilmiştir. Damlacıklar halinde hızlı karıştırma, damlacığın her bir yarısında elde edilebilir, ancak damlacığın tamamı için bu mümkün değildir. Merkezler arası karışıma hâlâ difüzyon hakimdir. Bu projede, esas olarak bir rezonatör olarak çalışan mikrodalga karıştırıcı, üzerinde bir mikro kanalın hizalandığı spiral kapasitif bir boşlukta (yaklaşık 200 μm) yoğun, düzgün olmayan bir elektromanyetik alan biriktirir. Damlacıklar boşluk bölgesinden geçerken, uzaysal olarak tekdüze olmayan enerji alırlar ve dolayısıyla tekdüze olmayan sıcaklık dağılımına sahiptirler, bu da arayüzde tekdüze olmayan Marangoni gerilimlerine ve dolayısıyla damlacık içinde üç boyutlu (3D) kaotik harekete neden olur. Damlacık içindeki 3 boyutlu kaotik hareket, damlacığın tamamında hızlı karışıma olanak sağlar. Karıştırma verimliliği, uygulanan güç, damlacık uzunluğu ve akışkan viskozitesi değiştirilerek değerlendirilmiştir. Mikroakışkan uygulamalar için mevcut çeşitli termometri yöntemlerine rağmen, bireysel hızlı hareket eden damlacıkların sıcaklığını ölçmek hala zorlu olmaya devam ediyor çünkü bunlar hem floresans bazlı teknikler hem de dirençli sıcaklık dedektörleri tarafından talep edilen yeterli maruz kalma süresine izin vermemektedir. Bu nedenle burada, sıvı geçirgenliğinin sıcaklığın bir fonksiyonu olduğu gerçeğine dayanarak, sıvı sıcaklığının rezonans frekansı ve mikrodalga sensörünün yansıma katsayısı ile ilişkilendirilmesine dayanan bir mikrodalga termometri yöntemi geliştirilmiştir. Sensörün bireysel damlacıkların sıcaklığını ±1,2 °C doğrulukla algılayabildiği gösterilmiştir. Tezin son bölümünde platform teknolojisi hastalık teşhisi ve ilaç dağıtımı gibi uygulamalara kadar genişletilmiştir. İlk olarak, yapısı sıcaklığa, kimyasal bileşime ve pH değerlerine göre değişen poli (akrilamid-ko-sodyum akrilat) kopolimer hidrojel mikropartiküllerinin kontrollü sentezi için bir mikroakışkan çip geliştirilmiştir. Bu proje, monomer bileşimlerinin ve çapraz bağlayıcı konsantrasyonlarının şişme oranı üzerindeki etkilerini araştırmaktadır. Sonuçlar Fourier dönüşümü kızılötesi spektrumları (FTIR), SEM ve şişme testiyle doğrulanmıştır. İkinci olarak hastalık tanısına yönelik olarak mikrodalga sensörler aracılığıyla DNA hibridizasyon tespiti üzerine bir ön çalışma yürütülmektedir. Altın sensörler ve DNA hibridizasyonu olayının biyolojik protokolleri araştırılmaktadır. Sabitlenmiş tiol ile modifiye edilmiş ss-DNA oligoları ve tamamlayıcı DNA (c-DNA) ile DNA hibridizasyonu olayı izlenmiştir. Sonuçlar umut verici ve mikrodalga entegreli çip üzerinde laboratuvar platformlarının hastalık teşhis çalışmaları gerçekleştirebileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Interest in Lab-on-a-chip and droplet-based microfluidics has grown recently because of their promise to facilitate a broad range of scientific research and biological/chemical processes such as cell analysis, DNA hybridization, drug screening and diagnostics. Major advantages of droplet-based microfluidics versus traditional bioassays include its capability to provide highly monodispersed, well-isolated environment for reactions with magnitude higher throughput (i.e. kHz) than traditional high throughput systems, as well as its low reagent consumption and elimination of cross contamination. Major functions required for deploying droplet microfluidics include droplet generation, merging, sorting, splitting, trapping, sensing, heating and storing, among which sensing and heating of individual droplets remain great challenges and demand for new technology. This thesis focuses on developing novel microwave technology that can be integrated with droplet-based microfluidic platforms to address these challenges. This thesis is structured to consider both fundamentals and applications of microwave sensing and heating of individual droplets very broadly. It starts with developing a label-free, sensitive, inexpensive and portable microwave system that can be integrated with microfluidic platforms for detection and content sensing of individual droplets for high-throughput applications. This is, indeed, important since most droplet-based microfluidic studies rely on optical imaging, which usually requires expensive and bulky systems, the use of fluorescent dyes and exhaustive post-imaging analysis. Although electrical detection systems can be made inexpensive, label-free and portable, most of them usually work at low frequencies, which limits their applications to fast moving droplets. The developed microwave circuitry is inexpensive due to the use of off-the-shelf components, and is compact and capable of detecting droplet presence at kHz rates and droplet content sensing of biological materials such as penicillin antibiotic, fetal bovine serum solutions and variations in a drug compound concentration (e.g., for Alzheimer's Disease). Subsequently, a numerical model is developed based on which parametrical analysis is performed in order to understand better the sensing and heating performance of the integrated platform. Specifically, the microwave resonator structure, which operates at GHz frequency affecting sensing performance significantly, and the dielectric properties of the microfluidic chip components that highly influence the internal electromagnetic field and energy dissipation, are studied systematically for their effects on sensing and heating efficiency. The results provide important findings and understanding on the integrated device operation and optimization strategies. Next, driven by the need for on-demand, rapid mixing inside droplets in many applications such as biochemical assays and material synthesis, a microwave-based microfluidic mixer is developed. Rapid mixing in droplets can be achieved within each half of the droplet, but not the entire droplet. Cross-center mixing is still dominated by diffusion. In this project, the microwave mixer, which works essentially as a resonator, accumulates an intensive, nonuniform electromagnetic field into a spiral capacitive gap (around 200 μm) over which a microchannel is aligned. As droplets pass by the gap region, they receive spatially non-uniform energy and thus have non-uniform temperature distribution, which induces non-uniform Marangoni stresses on the interface and thus three-dimensional (3D) chaotic motion inside the droplet. The 3D chaotic motion inside the droplet enables fast mixing within the entire droplet. The mixing efficiency is evaluated by varying the applied power, droplet length and fluid viscosity. In spite of various existing thermometry methods for microfluidic applications, it remains challenging to measure the temperature of individual fast moving droplets because they do not allow sufficient exposure time demanded by both fluorescence based techniques and resistance temperature detectors. A microwave thermometry method is thus developed here, which relies on correlating fluid temperature with the resonance frequency and the reflection coefficient of the microwave sensor, based on the fact that liquid permittivity is a function of temperature. It is demonstrated that the sensor can detect the temperature of individual droplets with ±1.2 °C accuracy. At the final part of the thesis, I extend my platform technology further to applications such as disease diagnosis and drug delivery. First, I develop a microfluidic chip for controlled synthesis of poly (acrylamide-co-sodium acrylate) copolymer hydrogel microparticles whose structure varies with temperature, chemical composition and pH values. This project investigates the effects of monomer compositions and cross-linker concentrations on the swelling ratio. The results are validated through the Fourier transform infrared spectra (FTIR), SEM and swelling test. Second, a preliminary study on DNA hybridization detection through microwave sensors for disease diagnosis is conducted. Gold sensors and biological protocols of DNA hybridization event are explored. The event of DNA hybridization with the immobilized thiol-modified ss-DNA oligos and complimentary DNA (c-DNA) are monitored. The results are promising, and suggests that microwave integrated Lab-on-a-chip platforms can perform disease diagnosis studies.
Benzer Tezler
- Development of an integrated lab-on-a-chip (LOC) platform for multidrug effect analysis
Çoklu ilaç etkisi analizi için entegre bir çip üstü laboratuvar platformunun geliştirilmesi
ALİ CAN ATİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
DOÇ. DR. ENDER YILDIRIM
- Uydu verileri ile İstanbul Boğazı ve Haliç'de su kirliliğinin makro düzeyde belirlenmesi
Intrepretation at macro level as pollution of water resources of remotely sensed data of Bosphorus and golden horn estuary by an unsupervised and supervised classification method
H.GONCA COŞKUN
- Atık tuğla tozu ve uçucu kül kullanılarak mikrodalga kürü ile gözenekli geopolimer yapı malzemesi geliştirilmesi
Development of microwave-cured waste brick powder- and fly ash-based geopolymer building material
MERVE TOKDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiEge Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAMBİZ RAMYAR
DR. ADİL GÜLTEKİN
- Development of fiber optical delay line based 10 ghz phase noisemeasurement system
Fiber optik gecikme hattı tabanlı 10 ghz faz gürültüsü ölçüm sistemi geliştirilmesi
BİLGEHAN PARAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Development of MEMs technology based microwave and millimeter-wave components
MEMs teknolojisi tabanlı mikrodalga ve milimetrik dalga bileşenlerin geliştirilmesi
ÇAĞRI ÇETİNTEPE
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞİMŞEK DEMİR
PROF. DR. TAYFUN AKIN