Geri Dön

Young's modulus characterization of polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chips for viscosity measurements

Viskozite ölçümleri için tasarlanmış polidimetilsiloksan (PDMS) mikroakışkan çiplerinin young modülü karakterizasyonu

  1. Tez No: 875279
  2. Yazar: CEYDA KÖKSAL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN, DOÇ. ONUR FERHANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Bioengineering, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

Viskozite, biyolojik ve kimyasal sıvıların kritik bir özelliği olarak kabul edilir ve çeşitli endüstriyel süreçlerde malzeme verimliliğinin artırılması için bu sıvıların viskozitesinin doğru bir şekilde ölçülmesi gereklidir. Bu bağlamda, polimerler, yağlar, boyalar, gıdalar ve ilaçlar gibi farklı malzemelerin viskozitelerinin hassas ölçümü büyük önem taşır. Son yıllarda, özellikle sağlık sektöründe kullanılmak üzere az miktarda numune ile viskozite ölçümü yapabilen basit, hızlı ve ekonomik yöntemlerin geliştirilmesine yönelik artan bir ilgi görülmektedir. Geleneksel viskozimetreler, genellikle döner ve kılcal viskozimetreler olmak üzere iki ana kategori altında incelenir. Ancak bu cihazların kullanımında karşılaşılan yüksek maliyet, büyüklük ve operasyonel zorluklar, rutin kullanımlarını sınırlandırır ve daha verimli alternatiflerin araştırılmasını zorunlu kılar. Mikroakışkan viskozimetreler, sadece küçük numune hacimleri kullanarak viskozitenin kesin olarak ölçülmesi için tasarlanmıştır ve bu viskozimetreler, özellikle tıbbi uygulamalar için değerli hale gelmiştir. Viskozite ölçümü için bükülme tespit tekniklerinin kullanılması, sıvı akışındaki değişiklikleri izlemek için önemlidir. Araştırmacılar, akışkan kaynaklı gerilimler sonucu oluşan minik deformasyonları tespit etmek için mikrofabrik konsollar ve sensörlerin kullanımını geliştirmişlerdir. Bu teknikler, viskozitenin gerçek zamanlı olarak ölçülmesinde etkili olmuş ve çevresel izleme ile bakım noktası teşhislerinde kullanılabilirliğini kanıtlamıştır. Ayrıca, polidimetilsiloksan (PDMS) gibi malzemeler mikroakışkan viskozimetrelerin yapımında sıklıkla tercih edilir. PDMS, şeffaflığı, biyouyumluluğu ve esnekliği ile bilinir ve mikroakışkan kanalların ve mikrosütunların entegrasyonu için ideal bir zemin sunar. Viskoziteyi ölçmek için mikroakışkan cihazlarda optik tekniklerin kullanımı, invazif olmayan yöntemlerle akışkan özelliklerinin gerçek zamanlı olarak analiz edilmesini mümkün kılar. İnterferometri, mikroskopi ve spektroskopi gibi teknikler, mikrosütunların ve hareketli sıvılar arasındaki etkileşimi kaydetmek için kullanılmıştır. Görüntü ve sinyal işleme tekniklerinin entegrasyonu, mikroakışkan cihazların viskozite tespiti için işlevselliğini artırırken, yüksek çözünürlüklü görüntüleme mikrosütun deformasyonlarını gözlemlemeyi sağlar ve gelişmiş sinyal işleme yöntemleri kaydedilen görüntülerden hassas viskozite verilerinin elde edilmesini kolaylaştırır. Bu ilerlemeler, tıbbi teşhisler ve endüstriyel süreçler gibi çeşitli uygulamalarda mikroakışkan teknolojilerin entegrasyonunun önemini artırmaktadır. Bu tez, mikroakışkan çipleri kullanarak viskozite ölçüm yöntemi sunan bir önceki çalışmanın karmaşıklığını basitleştirmeyi amaçlamaktadır. Önceki grubun yaptığı çalışmada, bilinen viskoziteleri sahip sıvılar kullanarak kalibrasyon parametreleri oluşturup, bu parametrelerle bilinmeyen sıvıların viskozitelerini ölçmekten oluşur. Bu süreç, mikropillerin sıvı ile etkileşimine dayanır ve bu etkileşim sırasında mikropillerin eğilme miktarı, sıvının viskozitesiyle orantılı olarak değişir. Tez, PDMS (polidimetilsiloksan) gibi mikroakışkan çip malzemelerinin temel özelliklerini inceleyerek, viskozite ölçümlerini doğrudan ve kalibrasyon gerektirmeden gerçekleştirebilecek yeni bir yaklaşım sunar. Bu yeni metodoloji, mikropillerin mekanik deformasyonunu ve sıvının viskozitesi arasındaki ilişkiyi doğrudan kurarak, bilinen viskozitelerle kalibrasyon ihtiyacını ortadan kaldırır. PDMS'nin Young modülü, çipin kimyasal bileşimi ve kürlenme koşulları tarafından etkilenir ve bu modül, optik yöntemlerle, özellikle bulanıklık ve benek kontrastı ile ölçülebilir. Bu yaklaşım, viskozite ölçüm sürecini sadeleştirecek, ölçüm hassasiyetini artıracak ve dış kalibrasyon standartlarına olan bağımlılığı azaltacaktır. Böylece, mikroakışkan çip kendi başına, gerçek zamanlı ve yerinde viskozite ölçümü yapabilen daha etkin bir araç haline gelecektir. Bu yöntem, mikroakışkan viskozimetride önemli bir ilerleme sağlayarak, çipin malzeme özelliklerini doğrudan ölçüm amaçları için kullanabilen basit ve ekonomik bir çözüm sunar. Dolayısıyla bu tezde, mikroakışkan çiplerde kullanılan PDMS maddesinin Young modülünü anlamak ve ölçmek için geliştirilen yenilikçi ve yerinde bir ölçüm tekniğini incelenmektedir. Bu çipler özellikle sıvıların viskozitelerini ölçmek üzere tasarlanmış olup, viskozite ölçümlerinin doğruluğu büyük ölçüde kullanılan PDMS'in Young modülünün doğru bilinmesine bağlıdır. Bu modül, malzemenin kimyasal bileşimi ve uygulanan kürlenme koşullarına göre değişkenlik göstermektedir. Araştırma dört ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölüm, ticari ve mikroakışkan viskozimetreler hakkındaki mevcut literatürün kapsamlı bir analiziyle başlar. PDMS'in fiziksel özellikleri ve viskozimetrelerdeki kullanım alanları detaylı bir şekilde incelenir. İkinci bölüm, mikrosütun bazlı viskozimetrelerin üretim süreçlerine ve bu süreçlerde kullanılan deneysel düzenekler ile optik yapılandırmalara odaklanır. Üçüncü bölüm, deneysel görüntülerde elde edilen benek ve bulanıklık kontrast yöntemleriyle piezo disklerin rezonans frekanslarının nasıl ayrıştırıldığını ele alır. Bu bölümde, piezo disklerin rezonans frekansları Van Dyke modeli kullanılarak elektronik olarak ölçülür ve bu modelin ayrıntıları daha sonra açıklanır. Bu yöntem, mikrosütunların rezonans frekanslarını piezo disklerinkinden bağımsız olarak doğru bir şekilde belirlemek için hayati öneme sahiptir. Dördüncü ve son bölüm, deney sonuçlarını özetler ve tez boyunca kullanılan çeşitli yöntemlerden elde edilen verileri tartışır. Bu kapsamlı tartışma, sonuçları, mikroakışkan araştırmaları ve uygulamalarının daha geniş bağlamında değerlendirir. Deneyler sırasında kullanılan yenilikçi deneysel düzenek, mikroakışkan çipin altına yerleştirilen bir piezoelektrik levha içerir. Bu düzenek, sürüş frekansının değiştirilmesiyle salınımların indüklenmesini sağlar ve test prosedürünün önemli bir parçasıdır. Mikrosütunların uçları, benek ve bulanıklık kontrastı kullanarak kaydedilir. Bunu yapmak için basit bir optik sistem çalışılmıştır. Burada kullanılan tüm sistem malzemelerinin oldukça temel ve karmaşık olmayan gereçler olduğu söylenebilir. Deneysel kurulum bir kamera, bazı lensler ve ND filtreler, bir lazer kaynağı, bir LED ve aydınlatmanın iletimi için plastik bir fiber kablodan ibaretti. Kaydedilen görüntülerde belirlenen bir alanın standart sapma ve ortalaması ImageJ ve Matlab gibi programlar aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Bu iki değerin birbirine olan oranı aydınlatma aracı olarak lazer kullanılan durumda benek kontrastı, görüntüleme aracı olarak LED kullanılan durumda ise bulanıklık kontrastı olarak adlandırıldı. Deney sonuçları, PDMS'in Young modülünün, baz polimer ile kürlenme ajanı oranları, kürlenme süreleri ve malzemenin üretildiği sıcaklıklardaki değişikliklerden büyük ölçüde etkilendiğini göstermiştir. Farklı bileşimlere sahip altı mikroakışkan çip test edilmiş ve Young modülü değerleri 0.72 MPa ile 3.64 MPa arasında değişmiştir. Bu değişkenlik, malzeme özelliklerinin çiplerin genel işlevselliği üzerindeki belirleyici etkisini vurgular. Ayrıca, bu çalışma, PDMS'in mekanik özelliklerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesi için benek ve bulanıklık kontrast ölçümlerinin kullanılabilirliğini göstermiştir. Bu yöntem, bu tür çalışmalarda tipik olarak kullanılan geleneksel kalibrasyon yöntemlerine kıyasla daha basit ve maliyet etkin bir alternatif sunar. Sunulan yöntemin doğruluğunu test etmek için çeşitli yöntemler ve cihazlar da kullanılmış, detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Bunun için Young's modulus'ü fizik camiasında önemli bir yer etmiş gerilim ve gerinim formülü kullanarak da ayrıca hesaplanmıştır. Uygulanan kuvvetin, kuvvetin uygulandığı alanın, ve toplam yer değiştirmenin bilinmesi kurulan basit bir kamera sistemi ve ImageJ ile analiz edilmesi sayesinde doğrulama olarak kullanılabilecek bir veri seti daha elde edilmiş olunmuştur. Sunulan bu optik yöntemlerin bir kez daha doğrulanması ise Sonlu Elemanlar Yöntemi'nin kullanılması sayesinde gerçekleştirilmiştir. Bunun için yaygın olarak kullanılan bir program olan COMSOL kullanılmıştır. COMSOL'da bu simülasyonların nasıl ve ne şartlar altında gerçekleştirildiği ise ayrıntılı bir şekilde anlatılmıştır. COMSOL simülasyonlarından elde edilen sonuçlar detaylı bir şekilde tartışılmış ve çeşitli yerlerde görsel olarak desteklenmiştir. Optik yöntemlerin elektriksel rezonans ölçümleriyle karşılaştırıldığında güvenilirliği, mekanik rezonansları elektriksel gürültüden ayırt etme yetenekleriyle kanıtlanır. Ayrıca Young modülünün PDMS'nin kimyasal bileşimine bağımlılığı da araştırılarak sertleştirici oranlarının ve kürleme sıcaklıklarının PDMS'nin mekanik özelliklerine etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Araştırma, PDMS tabanlı mikroakışkan çiplerin mekanik özelliklerinin anlaşılmasını ilerletmenin yanı sıra, mikroakışkan teknolojilerin geliştirilmesinde mekanik özelliklerin hızlı ve verimli karakterizasyonu için yeni bir standart belirledi. Bu çalışma, kapsamlı kalibrasyon gerektiren geleneksel yöntemlere alternatif olarak mikroakışkan cihazların mekanik testi için düşük maliyetli ve entegrasyonu kolay, yerinde Young modülü ölçüm tekniğini önermektedir. Bu yöntem, mikrosütun bazlı mikroakışkan çiplerle çalışan araştırmacılar ve uygulayıcılar için özellikle caziptir çünkü kapsamlı kalibrasyon prosedürlerine ihtiyaç duymadan mekanik özellikleri hızlı bir şekilde değerlendirmelerine olanak tanır. Bu teknik, biyomedikal teşhis, çevresel izleme ve farmasötik testler gibi kritik uygulamalarda mekanik ölçümlerin doğruluğunun önemli olduğu durumlarda cihaz performansını artırabilir. Sonuç olarak, bu tez, PDMS'in işletme koşullarındaki mekanik özelliklerinin anlaşılmasını ilerletmenin yanı sıra, çeşitli bilimsel ve endüstriyel alanlarda kullanılan mikroakışkan cihazların performansını ve güvenilirliğini artırmaya yönelik uygulanabilir yeni bir teknik sunmaktadır. Bu araştırmanın sonuçları önemlidir ve mikroakışkan sistemlerin tasarımı ve işlevselliğinde önemli iyileştirmeler sağlama potansiyeline sahiptir. Bu, hastalık teşhislerinin iyileştirilmesi, kimyasal analizlerin daha doğru yapılması ve biyokimyasal araştırmalarda yeteneklerin artırılması gibi sonuçlar doğurabilir. Yeni geliştirilen bu yerinde Young modülü ölçüm tekniği, mevcut bilimsel anlayıştaki kritik bir boşluğu doldurmanın yanı sıra mikroakışkan teknolojisi alanındaki gelecekteki yenilikler için de yol açar. İleri araştırmalar, bu tekniğin farklı materyaller üzerinde ve daha karmaşık çip tasarımlarında uygulanabilirliğini genişletebilir, böylece bilimsel ve endüstriyel arenalarda kullanım alanını daha da genişletebilir.

Özet (Çeviri)

Exploration of the rheological properties of both natural biofluids and industrially produced complex fluids involves a number of scientific and engineering disciplines. Viscosity is one of the characteristics of these complex liquids. In recent years, there has been considerable interest in developing precise viscosity measurements of liquids using minimal sample volumes, with the main objective of applying these techniques in the healthcare sector. Microfluidic viscometers that utilize a negligible volume of sample have thus substantially enhanced the ability to measure viscosity in medical diagnostics. Polydimethylsiloxane (PDMS) is a frequently employed material in the fabrication of microfluidics. Imaging apparatus, including cameras and microscopes, is commonly employed in scientific investigations to capture and examine fundamental fluid characteristics, including viscosity, flow rate, and particle behavior. This thesis describes a novel in-situ method for measuring the Young's modulus of PDMS in microfluidic chips that are designed for measuring fluid viscosity. Because the exact values of PDMS's Young's modulus depend on the material's unique composition and curing conditions, the accuracy with which these chips monitor viscosity is largely dependent on these values. This four-part thesis delves deeply into the mechanical characteristics and measuring methods of microfluidic viscometers, particularly those that use polydimethylsiloxane (PDMS). As an introduction, the first chapter includes a thorough literature analysis of the state of the art in terms of commercial and microfluidic viscometers. It explores also the characteristics and uses of PDMS, laying the groundwork for an appreciation of its importance in viscometry. The micropillar-based viscometer's intricate fabrication procedures are the main topic of discussion in the second chapter. The experimental setup and the optical configurations used to enable accurate measurements are also covered in this section. The third section examines the resonance frequencies obtained by blur and speckle contrast methods in the images taken during the experiments, as well as the integration of Finite Element Method (FEM) simulations using COMSOL Multiphysics to evaluate their accuracy. The resonant frequency of the piezo disc was first electronically measured using the equivalent circuit, which is explained in detail later on, in order to distinguish the piezo disc's resonances from the pillars' resonances. This method is essential to accurately determine and analyze the resonance frequencies of the micropillars independently of the piezo disc, guaranteeing accurate dynamic measurements. The fourth and final chapter summarizes the experimental findings and addresses the information gathered from the different approaches used in the thesis. In addition to highlighting the results, this thorough discussion places them in the larger context of microfluidic research and applications. The main focus of the study was to design a novel experimental configuration that included a piezoelectric sheet positioned underneath the microfluidic chip. This configuration makes it easier to induce oscillations by varying the drive frequency, which is an important part of the testing procedure. Micropillar tips are recorded with an external camera system so that blur and speckle contrast can be utilized. Crucially, the experimental results show that the Young's modulus of PDMS is extremely changeable, greatly impacted by changes in the ratios of base polymer to curing agent, curing durations, and temperatures at which the material is fabricated. A range of Young's modulus values, from 0.72 to 3.64 MPa, were found when six microfluidic chips with different compositions were tested. This variation demonstrates the significant influence that material characteristics have on the chips' overall functionality. Furthermore, this research showcased the practicality of employing blur and speckle contrast measurements for real-time monitoring of PDMS's mechanical properties. This method represents a simpler, more cost-effective alternative to the traditional calibration methods typically employed in such studies. The use of Finite Element Method (FEM) analysis further corroborated the experimental results, demonstrating a robust correlation between the tested and simulated resonant frequencies. Beyond advancing our understanding of PDMS mechanical properties in operational settings, this study introduces a viable new technique for enhancing the performance and reliability of microfluidic devices. These devices have broad applications across various scientific and industrial fields, where precise fluid handling and analysis are crucial. The implications of this research are significant, offering potential for substantial improvements in the design and function of microfluidic systems. This could lead to better disease diagnostics, more accurate chemical analysis, and enhanced capabilities in biochemical research. The development of this novel in-situ Young's modulus measurement technique not only fills a critical gap in the current scientific understanding but also paves the way for future innovations in microfluidic technology. Further research could explore the application of this technique across different materials and more complex chip designs, potentially broadening the scope of its utility in the scientific and industrial arenas.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    874473

    MEMS sensor platform for vital monitoring under mri and intraocular pressure measurement

    Yaşamsal işaretlerin ve göz içi basıncın ölçülmesine yönelik MEMS basınç ölçer platformunun geliştirilmesi

    PARVIZ ZOLFAGHARI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU

  2. Tez No

    436337

    Design and characterization of a micro mechanical test device

    Mikro mekanik test cihazının dizaynı ve karakterizasyonu

    ELİF ALTINTEPE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADNAN AKAY

  3. Tez No

    624580

    The mechanical characterization of two-dimensional materials (WS2, MOS2, and graphene) and the effect of defects on young's modulus of CVD grown single-layer graphene

    İki boyutlu malzemelerin (WS2, MOS2 ve grafen) mekanik karakterizasyonu ve tek tabakalı grafeninin young katsayısının kusur yoğunluğu ile değişimi

    BEGIMAI ADILBEKOVA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA

  4. Tez No

    620438

    C vitamini kullanılarak indirgenmiş grafen oksit (Rgoc) katkılı ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (Uhmwpe) kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of ultra high molecular weight polyethylene (Uhmwpe) composites with reduced graphene oxide (Rgoc) using vitamin c

    ALİME ÇOLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    BiyomühendislikBilecik Şeyh Edebali Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ FERDA MİNDİVAN

  5. Tez No

    357014

    Epoksi reçine/çar kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of epoxy resin/char composites

    PINAR BOZKURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Kimya MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜLNARE AHMETLİ

Geri Dön