Geri Dön

Reduced hardware complexity for viscosity measurements by optical knife-edge detection on micropillar-based microfluidic chips

Mikrosütun tabanlı mikroakışkan çipler üzerindeki optik bıçak kenarı tespiti ile viskozite ölçümleri için azaltılmış donanım karmaşıklığı

  1. Tez No: 878247
  2. Yazar: EZGİ ŞENTÜRK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN, DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  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: 77

Özet

Bu çalışma, mikro-sütun tabanlı mikroakışkan sistemlerde optik bıçak kenarı tespitinin yenilikçi uygulamasını kullanarak kan, amniyotik sıvı ve benzeri biyolojik sıvıların viskozite değişikliklerinin mikro ölçekte izlenmesi ve analiz edilmesi için yeni bir yöntem geliştirmeyi amaçlamaktadır. Araştırmanın temelleri, hem mekanik sensörler hem de optik dalga kılavuzları olarak işlevselleştirilmiş mikro-sütunların mikroakışkan bir çip içerisine yerleştirilmesine dayanmaktadır. Mikroakışkan çipin içindeki her bir sütun, ışığı etkili bir şekilde yönlendirme ve manipüle etme yeteneğini korurken sıvı akışına hassas bir şekilde yanıt verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu ikili işlevler, mikropillerin yalnızca sıvı akışındaki değişiklikleri tespit etmesine değil aynı zamanda bu değişiklikleri ölçülebilir optik sinyallere dönüştürmesine de olanak tanıdığından bu çalışma için önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, bıçak-sırtı tekniği, mikro-sütunların akış altında mekanik tepkisinin nasıl değiştiğini ölçmek için kullanılan bir tekniktir. Önerilen yöntem, optik okuma ile sıvının viskozitesi gibi reolojik özelliklerinin tespit edilmesi üzerine kuruludur. İ şlem, bir ışık kaynağının mikroakışkan cihaz içindeki seçilen bir mikro sütuna bağlanmasıyla başlar. Işık kaynağı mikroakışkan çipin altına yerleştirilir ve fotodiyot, mikropillerin bulunduğu mikrokanal tarafına konumlandırılır. Bu mikro-sütun, ışığı uzunluğu boyunca hassas bir şekilde yönlendirmek için bir dalga kılavuzu görevi görecek şekilde konumlandırılmıştır. Lazer ışık kaynağı, mikro sütunun bir ucuna girecek şekilde hizalanmış, sütun çapına uyacak şekilde odaklanmış bir ışık hüzmesi yayar. Mikro sütuna maksimum ışık miktarının girmesini sağladığından ve böylece algılama sisteminin hassasiyetini ve doğruluğunu optimize ettiğinden hassas hizalama çok önemlidir. Işık mikro sütun boyunca ilerlediğinde, Toplam İç Yansıma (TIR) için kritik açıyla eşleşecek veya bu açıyı aşacak şekilde seçilen malzemenin doğal optik özellikleri (PDMS'nin kırılma indeksi) tarafından kapsanır. Bu optik özellik, ışığın önemli bir kayıp olmaksızın sütun boyunca ilerleyerek fotodiyot sisteminin bulunduğu karşı uca ulaşmasını sağlar. Deneyler için hassasiyet ve işlevsellik sağlamak, mikroakışkan viskozimetre çiplerinin imalatına bağlıdır. Burada mikroakışkan viskozimetre çip üretimi için Polidimetilsiloksandan (PDMS) kullanılmıştır; optik olarak berrak ve toksik olmayan bir polimerdir. Mikroakışkan çip üretimi temel yumuşak litografik aşamalara dayanmaktadır. Üretimde, mikroakışkan çip tasarımımızın negatif bir kopyası olan ana kalıbı oluşturmak için bir Bilgisayarlı Numerik Kontrol (CNC) makinesi kullanılarak 200 μm çapında 1 milimetre derinliğinde kuyulardan oluşan bir dizinin (3x16) işlendiği ana kalıp oluşturuldu. Daha sonra kalıba 10:1 (baz:çapraz bağlayıcı) oranlı PDMS iki aşamalı olarak döküldü. Mikrokuyulara PDMS'in homojen olarak dolması için kalıbın xxi gazı giderildi ve vakumlu bir fırında 75°C'de 1 saat süreyle sertleştirildi. Kürlenmiş PDMS daha sonra kalıptan soyuldu ve akışkan giriş ve çıkışları biyopsi zımbaları kullanılarak delindi. Son olarak, PDMS levhası, oksijen plazma işleminden sonra, mikroakışkan kanalın kapatılması için bir mikroskop cam slaytına bağlandı. Ayrıca mikro-sütundan çıkan ışık gücünün tamamının kayıp olmadan algılanabilmesi için ideal dedektör boyutunun mikro-sütun çapına göre belirlenmesinde kullanılabilecek bir optik model önerilmiştir. Toplam optik güç, farklı fotodedektör boyutları için mikro-sütun ucu yer değiştirmesinin bir fonksiyonu olarak modellenmiştir. Mikro-sütundan daha küçük bir dedektör boyutu, ilk sütun konumunda toplam optik ışık gücünün yarısını yakalayamazken, mikro-sütun çapından daha büyük bir dedektörün bitişik sütundan gelen ışığı yakalaması, yani çapraz bağlanma yaşaması muhtemeldir. Mikro-sütun çapından daha küçük bir dedektör için, toplanan optik güç, ışın demetinin detektör alanına girmesiyle eş zamanlı olarak artarken, ışın boyutu detektörden büyük olduğu için demetin bir kısmının aynı anda detektör alanından çıkmasıyla azalır. Genel olarak, verilen senaryo için algılamanın en uygun noktası olarak mikro-sütunun çapını ve fotodetektörün algılama alanının eşleştirilmesinin en optimal sonucu verdiği gösterilmiştir. Seçilen mikro-sütun ışık çıkışının, dışbükey bir mercek kullanılarak diğer düzlemlerede haritalanabileceğini ve bunun üzerine optimum dedektör boyutunun görüntünün büyütmesine göre ölçeklenedirilebileceği de göz ardı edilmemelidir. Çalışmanın başlangıçta iki ayrı kolda aynı anda devam ettiğini söylemek mümkündür; optik kurulum ve ışın izleme simülasyonları. Projenin temelleri, lazeri tek bir mikro-sütuna bağlanıp, dalga klavuzu olarak kullanılabilen sütundan optik güç okumak üzerine kuruludur. Ancak başlangıçta, lazer kaynağından çıkan ışık hüzmesinin, çapı 200 μm olan tek bir mikro-sütuna odaklanıp odaklanmayacağı bilinmiyordu. Deney kurulumundan önce sistemin çalışabilirliği simülasyonla doğrulanmış ve iki aşama eş zamanlı olarak yürütülmüştür. Deneysel ölçümlerin kontrolünü sağlamak için, mikro-sütun yapısı içerisinde ışığın kurulan optik sistemde nasıl davrandığını görselleştirmek ve analiz etmek amacıyla ışın izleme simülasyonları gerçekleştirildi. Bu simülasyonlar, optik yol kurulumunun iyileştirilmesine ve akışın neden olduğu mikro-sütun bükülmesine yanıt olarak ışık davranışını tahmin etmek için geliştirilen teorik modellerin doğrulanmasına da yardımcı oldu. Tüm ışın izleme simülasyonları, optik tasarım için kullanılan pratik bir yazılım olan Ansys Zemax OpticStudio yazılımında gerçekleştirildi. Işın izleme modeli, gerçek deney düzeneğini olabildiğince yakından yansıtacak şekilde yazılımdaki 'Sırasız' modda tasarlandı. Işık yolunu izlemek için yaratılan optik kurulum oldukça basit şekilde tasarlanmıştır. Mekanizma bir ışık kaynağı, odaklamak için bir mercek, mikroakışkan çip tasarımı ve bir detektörden oluşur. Mikroakışkan çip tasarımları Solidworks Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) programında çizildi ve daha sonra CAD dosyası olarak Zemax'a yüklendi. Mikro-sütunlar, kırılma indisi, boyutu ve ışık kaynağına ve dedektöre göre yönelimi de dahil olmak üzere hassas geometrik ve malzeme özellikleriyle modellenmiştir. Her mikroakışkan çip çizimi, farklı bir sütun ucu yer değiştirmesine karşılık gelecek şekilde, farklı sütun bükülme mesafesini temsil eder. Anahtar parametreler arasında dalga boyu 600 nm ve Gaussian'a yakın bir ışın yayan bir lazeri kopyalayacak şekilde ayarlanmış ışın profili gibi ışık kaynağı özellikleri yer alır. Mikro sütunun kesit alanıyla karşılaştırılabilir bir alana sahip bir xxii dedektör, mikro sütunlar hareketsizken tam optik gücü yakalayacak şekilde stratejik olarak konumlandırılmıştır. Bu yerleştirmenin bir sonucu olarak, ışık yolunda bükülme nedeniyle meydana gelen herhangi bir sapma, dedektörün okumalarını doğrudan etkileyerek sütun deformasyonunun hassas ölçümlerini sağlar. Simülasyon sonuçları, ışık yoğunluğu değişikliklerinin ölçülmesinde duyarlılığı, özgüllüğü ve yöntemin uygulanabilirliğini geliştirmek için algılama sistemini ayarlamak için de kullanıldı. Daha sonra her farklı bükülme mesafesi için dedektörden alınan yoğunluk verileri kaydedilerek Matlab'da işlendi. Simülasyon sonuçlarından ve analitik modellemeden elde edilen sonuçlardan alınan dedektör verilerinin mikro-sütun yer değiştirmesine göre normalleştirilmiş çıkış ışık yoğunluğunun bir karşılaştırması da sunulmaktadır. Deney düzeneği tasarlanırken ayrıntılara önem verilmiştir. Bu, mikroakışkan uygulamalarda kullanılabilecek lazer ışık kaynağının seçimiyle başladı. Dikkatlice oluşturulmuş bir mercek dizini kullanan bu sistemde, ışık demeti tek bir mikro-sütuna odaklanmak üzere ayarlanmıştır. Kullanılan lenslerin odak uzunlukları ve konumları, maksimum miktarda ışığın, önemli bir güç kaybı olmadan, mikro-sütuna uşalmasına izin verecek şekilde optimize edildi. Deney düzeneği, 100 mm odak uzaklığına sahip plano-dışbükey mercek kullanılarak seçilmiş tek bir mikro-sütuna bağlanan bir lazer kaynağı içerir. Mikro-sütun ucundan çıkan ışık önce yönlendirilir, ardından yansıtıcı Nötr Yoğunluk Filtresi (ND Filter) yardımıyla ikiye bölünür. Ardından, bölünmüş ışık, bir fotodiyot ünitesi ve bir CMOS kamera üzerine düşürülür. Fotodiyota yönlendirilen ışık hüzmesi, önce 50 mm odak uzaklığına sahip, 10 kat büyüten bir plano-dışbükey bir mercekden geçirildi; böylece lazer noktası çapı fotodiyot detektör alanıyla (3,2 mm x 3,2 mm) karşılaştırılabilir hale getirilmiş oldu. Bu cihazlar, mikro-sütunlardan çıkan ışığı yakalayacak ve sütunların akış nedeniyle bükülmesinden kaynaklanan ışık yoğunluk değişikliklerini ölçmek için kullanılmıştır. Tasarlanan optik kurulumda, CMOS kamera, fotodiyot konumuna karşılık gelen piksel grubu üzerindeki optik gücün izlenmesi ve sütun konumunun gözlemlenmesi için kullanılmıştır. Kamera ile kaydedilen görüntüler, görüntü ikilileştirme adımından sonra Hough Dönüşümü tabanlı daire tespiti yöntemi kullanılarak gerçekleştirildi. Bu yöntem, MATLAB yazılımındaki 'imfindcircles' komutu aracılığıyla uygulandı ve akışla birlikte bükülen mikro-sütun uçlarının bükülme açıları tespit edilmiş oldu. Elde edilen veriler, fotodiyot ölçümleri ile karşılaştırılarak yöntemin doğruluğunu kanıtlamak için kullanıldı. Projenin ilk aşamasında bir hava kompresörü kullanılarak hava akışı ile deneyler yapıldı. Daha sonra gliserol-su karışımı kullanılarak farklı akış hızlarında sıvı testleri gerçekleştirildi. Sütunların izin verilen eğrilik yarıçapının belirlenmesi, önerilen optik bıçak-sırtı okumasının limitlerini belirlemek için kullanılmıştır. Işık mikro sütun içerisinde TIR yoluyla hareket eder. Bu olay, geliş açısının kritik açı adı verilen belirli bir sınır açısından büyük olması durumunda meydana gelir. Mikropillerin bükülme derecesi arttıkça ışığın geliş açısı azalır ve ışık dışarıya kaçmaya başlar, yani micro-sütun dalga kılavuzu işlevini yerine getirememeye başlar. Tasarımımız için mikro-sütun bükülme davranışının sınırlamalarını anlamak amacıyla, su, kan, amniyotik sıvı, beyin omurilik sıvısı gibi diğer bazı biyolojik sıvılar için basitleştirilmiş bir matematiksel model önerilmiştir. Bu hesaplama yapılırken, akış altında mikro-sütunun bilinen uzunluğundan (1 mm) dairesel büküldüğü var sayılarak modellendi. Bükülme derecesi ve eğrilik yarıçapı hesaplandı. Ek olarak, bu matematiksel hesaptan elde edilen xxiii değerler, farklı kırınım indislerine sahip sıvılar içini ışın izleme simülasyonları yoluyla doğrulanmıştır. Deneylerden elde edilen veriler, bıçak sırtı tespit tekniğinin, sıvı akış hızları ve viskozite ile iyi uyum sağlayan ışık yoğunluğu değişikliklerinin güvenilir ve tutarlı ölçümlerini sağladığını göstermektedir. Deneysel veriler, optik kurulumun ve mikro sütun tasarımının, sıvı akışının niceliksel olarak analiz edilebilecek optik sinyallere yakalanması ve dönüştürülmesindeki rolünü doğrulamaktadır. Önerilen teknik için fotodiyot ve CMOS kamera tabanlı sütun bükülme tespiti karşılaştırılmış ve sonuçlar arasında iyi bir uyum gösterilmiştir. Aynı zamanda önerilen tekniğin hesaplama yükünün azaltılması ve maliyetin düşürülmesi gibi avantajları da sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

This study uses the innovative application of optical knife edge detection in micropillar-based microfluidic systems and aims to develop a new method for monitoring and analyzing viscosity changes of biological fluids such as blood, amniotic fluid, etc. in the microscale dimension. The basics of research are based on the placement of micropillars functionalized as both mechanical sensors and optical waveguides in a microfluidic chip. Each pillar within the microfluidic chip is designed to respond sensitively to liquid flow while maintaining the ability to effectively direct light. These dual functions become important for this study as they allow micropillars not only to detect changes in fluid flow but also to convert these changes into measurable optical signals. This microfluidic viscometer chip is made from Polydimethylsiloxane (PDMS); which is optically clear, inert, non-toxic polymer, and fabricated by basic soft lithographic processes Details were carefully considered when designing the experimental setup. This began with the selection of light emitting laser diode sources that could be used in microfluidic applications. Utilizing a carefully constructed lens system, this light beam is focused into a single micropillar. The focal lengths and positions of the lenses used were optimized to allow the maximum amount of light to enter the micropillar without significant loss. Through the micropillar, light is directed to an optical detection system for data acquisition with photodetector and CMOS camera for detection. These devices are calibrated to capture light emerging from micropillars and measure intensity changes caused by the bending of the pillars due to flow. In the first phase of the project, experiments were carried out with air flow using an air compressor. Afterwards, liquid tests were carried out at different flow rates using a glycerol-water mixture. To ensure control of experimental measurements, ray tracing simulations are performed to visualize and analyze how light behaves under different conditions within the micropillar structure. These simulations help improve the optical path setup and validate theoretical models developed to predict light behavior in response to flow-induced micropillar bending. The simulation results were used to adjust the detection system to improve sensitivity and specificity in measuring light intensity changes and the applicability of the method. Besides, an optical model that can be used to determine the detector size that can detect all of the light power coming from the micropillars without losing it is proposed. Additionally, a comparison of the normalized output light intensity with respect to the pillar displacement of the detector data from the simulation results and the results obtained from the analytical modeling is presented. Data from experiments show that the knife-edge detection technique provides reliable and consistent measurements of light intensity changes that agree well with liquid flow rates and viscosity. Experimental data confirms the effectiveness of the optical setup and micropillar design in capturing and converting liquid flow into optical signals that can be analyzed quantitatively. For the proposed technique, photodiode and CMOS camera based pillar bend detection were compared, and a good match between the results was shown. At the same time, advantages of the proposed technique, such as reduced computational load and cost reduction, are presented. In addition, a comparison of pillar bending angles based on the circle detection method, which will contribute to the accuracy of the proposed method, is also shown. Our work included an important investigation of bending limitations in micropillars, significantly influenced by the varying refractive indices of different liquids used in the microfluidic system for viscosity calculation. This variability has been identified as an important parameter because different fluids can change the conditions under which total internal reflection (TIR) occurs, for which micropillars can be used as waveguides. A simple mathematical model was proposed to determine these limits, and comprehensive ray tracing simulations were performed using different fluid indices available in the literature to predict how changes in the fluid refractive index affect the light-directing abilities of micropillars. This mathematical model was based on determining the limits of micropillar waveguides by measuring the critical angles and minimum radius of curvature for TIR in various liquids such as blood, cerebrospinal fluid, etc. The theoretical model was compared with data obtained from ray-tracing simulations. By gaining an understanding of the optical behavior within micropillars, its usability has been demonstrated in clinical diagnostic applications where the properties of fluids can vary significantly. The incorporation of a knife-edge detection system with micropillars into a microfluidic device represents a substantial advancement in optical fluid dynamics measurement. The research findings may facilitate the creation of novel microfluidic devices that are smaller in size, more cost-effective, and capable of delivering quicker and more precise outcomes. Subsequent investigations could prioritize the continued reduction in size of the device, broadening the scope of observable fluid characteristics, and exploring the practical implementation of this technology.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    506385

    Optimal design of sparse mimo arrays for wideband near-field imaging based on a statistical framework

    Genişbantlı yakın alan görüntülemesi için seyrek çok-girdili çok-çıktılı dizilerin istatistiksel çerçeveye dayalı optimal dizaynı

    MEHMET BURAK KOCAMIŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVİNÇ FİGEN ÖKTEM

  2. Tez No

    47484

    VLSI design and implementation of morphological filters

    Morfolojik süzgeçlerin çok büyük çapta tümdevre mimari tasarımı ve gerçeklenmesi

    SEZER GÖREN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1995

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    DOÇ.DR. SİNA BALKIR

    PROF.DR. EMİN ANARIM

  3. Tez No

    152594

    Volumetric acoustic array imaging using virtual transmit elements

    Akustik dizilerle hacimsel görüntülemede sanal eleman yöntemi

    BORA ÖZGEYİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2004

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Sistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. FİKRET GÜRGEN

  4. Tez No

    350527

    Anten seçimli fiziksel katman ağ kodlama

    Physical layer network coding with antenna selection

    MUSTAFA YAĞIMLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  5. Tez No

    179076

    High level power efficient synthesis of FIR based digital systems

    Sonlu Dürtü Yanıtlı süzgeç temelli sayısal sistemlerin yüksek seviyede güç verimliliğine göre sentezi

    MUSTAFA AKTAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR

Geri Dön