Multimode microwave sensors for microdroplet and single-cell detection
Çok modlu mikrodalga sensörleri ile mikrodamlacık ve tek hücre saptanması
- Tez No: 520252
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MEHMET SELİM HANAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Parçacıkların morfolojik ve electriksel özelliklerini tespit edebilen yeni sistemler, Çip Üstü Laboratuvar Uygulamaları için gereklidir. Bu çalışmada, mikrodalga alanında, gerçek zamanlı, temassız ve etkitetleme ihtiyacı doğurmayan bir tespit etme yaklaşımı; bir mikrodalga rezonatörünün ilk ve ikinci elektromanyetik modları, kullanılmıştır. Sınır şartları dolayısıyla, mikroşerit hatlı bir rezönatör seçilmiştir. Parçacıkları algılama bölgesine ulaştırmak için mikrokanallar üretilmiştir. Kavramı kanıtlamak için rezönatörün ilk ve ikinci modu aynı anda sürülürken, parçacıklar, sinyal hattının altındaki bu mikrokanalları kullanarak algılama bölgesine gönderilmiştir. Parçacık olarak yağ içinde su mikrodamlacıkları; uygun besiyeri içindeki rahimağzı (HeLa) ve meme kanser hücreleri (MDA-MB-157) kullanılmış ve saptanmıştır; bu parçacıkların pozisyon ve elektriksel hacim özellikleri elde edilmiştir ve karşılaştırılmıştır. Allan Sapması değeri iki mod için de $2\times 10^{-8}$ değerinden az olup, mikrodalga rejiminde madde özellikleri dolayısıyla; örneğin biyolojik parçacık ve parçacığa özel besiyeri arasındaki büyük elektriksel geçirgenlik farkı, tespit etme mekanizmasını mümkün kılmıştır. Sistemin pozisyon bulma algoritmasındaki doğruluğunu test etmek için, iki farklı mikrokanal geometrisi dizayn edilmiştir. İlk geometri, zigzag şeklindedir ve sinyal hattı ile altı farklı lokasyonda karşılaşmaktadır. İkinci geometri ise dört kola ayrılmaktadır ve mikrodamlacıkları dört farklı lokasyona göndermek için tasarlanmıştır. Bu gönderme mekanizması hidrolik direnç mekanizmasını temel alarak çalışır: Her damlacık gideceği kanalı ondan bir önce giden kanalın yarattığı hidrolik dirence göre belirler, böylelikle dört kanala da damlacık dağılımı gözlemlenmiş olur. Parçacık sinal bölgelerinden geçerken göz önünde bulundurulan her modda farklı bir frekans kaymasına sebep olur. Bunun sebebi de her modun, ayrı bir mod şeklinin olmasıdır. Bu uygulamalardaki mikrokanal kısmı mikroakışkanlarda yaygın kullanılan litografi metodu ile üretilmiştir ve mikrokanalların üretiminde PDMS maddesi kullanılmıştır. Mikrodamlacıkların elektriksel hacmi de hesaplanmıştır. Prototip aletler pozisyon ve elektriksel hacim hesaplamalarında kullanıldıktan sonra, farklı cihazlar da dizayn edilmiş ve üretilmiştir. Bu yeni jenerasyon cihazların ilk modellerden en büyük farkı ise daha ucuza ve daha hızlı üretilmeleridir. Ayrıca, dielektrik materyal olarak Kapton seçilmiştir ve Kapton'un kayıp tanjantı değeri başta olmak üzere bazı üstün materyal özellikleri bulunmaktadır. Parçacıklar algılama bölgesine kapiler boru ile gönderilmiştir; böylelikle litografi metodu ve diğer fabrikasyon yöntemlerine duyulan ihtiyaç ortadan kaldırılmıştır. Kullanılan ekipmanların çalışma limitlerinden dolayı, yeni nesil cihazlarda sadece ilk mod sürülmüştür ve denemek için başka bir tür meme kanseri hücresi (SK-BR-3) saptanmıştır. Önceki aletlerle karşılaştırıldığında, sinyal gürültü oranında bir iyileşme gözlemlenmiştir. Anlatılan çalışmada mikroşerit hatlı rezönatörün ilk iki mod kullanılmıştır. Bununla birlikte, üst seviye modlar kullanılarak parçacıklarla ilgili daha çok bilgi; geometrik hacim, eğrilik, oryantasyon, parçacığın bileşimi, elde edilebilir. Pikselli görüntü alımındansa bu bilgiler ile parçacığın global görüntülemesi elde edilebilir. Ek olarak bu sistem, akışlı hücre sayımı aplikasyonlarında, dolaşımdaki tümör hücrelerinin saptanmasında ve uzun dönem çip üstü hücre kültürleme araştırmalarında (bu platformlar Çip-üstü-Organ olarak da bilinmektedir) kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
A novel detection mechanism which can reveal both morphological and electrical properties of analytes are needed for Lab-on-a-Chip applications. Herein, a label-free, real-time and non-contact detection paradigm in microwave domain is constructed, by using first and second electromagnetic modes of a microwave resonator. As the resonator, microstrip line is chosen since it offers accessible boundary conditions. In order to deliver the analytes into the sensing region, microfluidic channels are fabricated. As a proof-of-concept, while the microstrip line resonator's first and second modes are tracked simultaneously, analytes are delivered through the microchannel embedded underneath the signal layer. As the analytes, water microdroplets in oil, cervical (HeLa) and breast (MDA-MB-157) cancer cells in their appropriate medium are used and detected; their position and electrical volume informations are obtained and compared. Allan Deviation of the measurement is smaller than $2\times 10^{-8}$ for both modes, and due to analyte properties in microwave domain, such as the great permittivity difference between the biological analyte and medium, detection is possible. In order to test the accuracy of finding the position of the analyte, two different microchannel geometries are designed. The first geometry is based on a zigzag channel, where microstrip line crosses the channel at 6 different locations. Secondly, a branched channel is designed, to send the microdroplets at four different locations. This delivery mechanism is mostly based on the hydraulic resistance: Each droplet chooses its path by the hydraulic resistance that is caused by the previous droplet. Hence, microdroplets are distributed to four channels. Due to the mode shape of the specific mode, when analyte passing through these regions, it induces different frequency shifts. For these applications, microfluidic part is fabricated by conventional soft lithography methods, and the material for the microchannels is PDMS. Electrical volume of the droplets is also obtained. After the usage of prototypes for position and electrical volume calculations, second generation devices are fabricated. Compared to the PDMS-based devices, these devices offer rapid and low-cost prototyping. Additionally, Kapton is chosen for the dielectric material, and it has some material-wise benefits, such as the tangent loss level. Analytes are delivered through the sensing region by capillary tubings, hence soft lithography steps can be eliminated. Due to the equipment limitations, only the first mode is tracked with these novel devices, while another type of breast cancer cells (SK-BR-3) are delivered through the sensing region. Signal-to-noise ratio, when compared to the PDMS based devices, is improved. In this work, the first two modes of microstrip line resonators are used. However, by using higher order modes, more properties about the particles as skewness, geometrical volume, orientation, and composition can be obtained. These informations can be used to construct a global image of the analyte; rather than a pixel by pixel image. Additionally, flow cytometry applications, detection of Circulating Tumour Cells and applications for long term cultivation on chip (also known as Organ-on-Chip platforms) can be achieved.
Benzer Tezler
- Elmalı ve Alibey su havzalarının uydu görüntü verileriyle izlenmesi ve bilgi sistemi oluşturma olanakları
Başlık çevirisi yok
ÇİĞDEM GÖKSEL
- 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
- NiMn,NiMnP+ ve CrFe alaşım ince filmlerinde elektron spin rezonans (ESR) ve direnç ölçümleri
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA ÖZDEMİR
Doktora
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIRHAN ÖNER
- Frequency-selective remote actuation via continuous beam spans
Sürekli kiriş dizileri yardımıyla frekans-seçici uzaktan tahrik
JABER SALAMAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Ev tipi fırında sıcak hava ile kızartma işleminin, taze ve dondurulmuş parmak patateslerin kalite parametrelerine etkisinin incelenmesi
Hot air frying of fresh and frozen finger potatoes in domestic ovens and its effects on various quality parameteres
BENGÜL ASAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ