Bitirme tasar m projesi

MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ MAKĠNA FAKÜLTESĠ

BĠTĠRME TASARIM PROJESĠ

HAZĠRAN 2012

MĠKRO-PARÇACIK AYRIġTIRMASI AMACINA UYGUN POLĠMER

TABANLI MĠKROAKIġKAN SĠSTEMĠ TASARIMI, ÜRETĠMĠ VE

KARAKTERĠZASYONU

DanıĢman: Doç. Dr. Levent TRABZON

Hazırlayanlar

030070083Alperen ACEMOĞLU

030070106 Yahya Ubeyde GÜNGÖR

030080062 Yavuz Selim BALCI

Hazırlayanlar

030070083Alperen ACEMOĞLU

030070106 Yahya Ubeyde GÜNGÖR

030080062 Yavuz Selim BALCI

iii

Ailelerimize,

v

ÖNSÖZ

Son yıllarda, gelişen teknolojiyle birlikte mikro akışkan biliminde önemli gelişmeler

kat edilmiştir. Bu gelişmeler parçacık ayrıştırma, mikro karıştırıcı, hücre ayrıştırması

ve sayımı gibi bir çok pratik uygulama alanına yansımıştır. Özellikle, hücre

ayrıştırması ve sayımı gibi uygulamalar biyoloji ve tıp alanında oldukça önem arz

etmektedir. Örneğin hücre ayrıştırması uygulamasıyla kanserli hücrelerin kandan

ayrıştırılması gerçekleştirilebilmiştir. Hücre ayrıştırma işlemini gerçekleştirebilmek

için parçacık kullanımıyla, ayrıştırma metotları ve mekanizmaları geliştirilmektedir.

Bu çalışmada da gelecekte çok daha etkin bir şekilde uygulanması öngörülen hücre

ayrıştırma işlemi için pasif ayrıştırma metotlarından atalet ve Dean kuvvetleri

etkisine dayalı ayrıştırma yöntemi üzerinde durulmuştur. Bu amaçla, mikrokanal

tasarımları üretilmiş, karakterize edilmiş, deneyleri yapılmış, ve sonuçlar

incelenmiştir.

İTÜ MEMS laboratuvarında çalışma imkanı sağlayıp, bilgi birikimi ve deneyimlerini

bizimle paylaşarak projemizde bize yol gösteren başta danışman hocamız Doç. Dr.

Levent Trabzon’ave Yrd. Doç. Dr. Hüseyin Kızıl’a teşekkürü bir borç biliriz. Bu

süreçte bizimle bilgi ve deneyimlerini paylaşan ve karşılaştığımız problemlere çözüm

üreten Yük. Makina Mühendisi Arzu Özbey ve Yük. Malzeme Mühendisi Mustafa

Yılmaz’a çok teşekkür ederiz. Ayrıca projemiz boyunca daima yanımızda olan ve

desteklerini esirgemeyen, İTÜ MEMS Laboratuvarı üyeleri, Merve Züvin ve Mümin

Balaban’a teşekkür ederiz.

Mayıs 2012

Alperen Acemoğlu

Yahya Ubeyde Güngör

Yavuz Selim Balcı

vii

ĠÇĠNDEKĠLER

Sayfa

ÖNSÖZ ........................................................................................................................ v ĠÇĠNDEKĠLER ........................................................................................................ vii KISALTMALAR ...................................................................................................... ix

ÇĠZELGE LĠSTESĠ .................................................................................................. xi ġEKĠL LĠSTESĠ ...................................................................................................... xiii ÖZET ....................................................................................................................... xvii

SUMMARY ............................................................................................................. xix 1. GĠRĠġ .................................................................................................................. 1

1.1 Projenin Amacı ................................................................................................... 1 1.2 Tasarlanan Projenin Sınırları .............................................................................. 2

1.3 Literatür Özeti .................................................................................................... 2 1.3.1 Mikro ayrıştırma sistemleri ......................................................................... 2

1.3.1.1 Mikro akışkan sistemlerinde aktif parçacık ayrıştırma teknikleri 3 1.3.1.1.2 Magnetoforez 3 1.3.1.1.2Akustoferez 5

1.3.1.1.3 Elektroforez 6 1.3.1.1.4 Dielektroforez 6

1.3.1.2 Mikro akışkan sitemlerinde pasif ayrıştırma teknikleri 9 1.3.1.2.1 Mikro filtre 9 1.3.1.2.2 Hidrodinamik filtreleme 10

1.3.1.2.3 Sıkıştırılmış akış fraksiyonu (PFF) 11 1.4 Takım Görev Dağılımı ve Zaman Çizelgesi .................................................... 12

2. TASARIM TEORĠSĠ VE SEÇĠM KRĠTERLERĠ ........................................ 13 2.1 Dönel Kanallar ................................................................................................. 13

2.1.1 Dean akışı .................................................................................................. 13 2.1.2 Atalet etkisinin ve Dean akışının uygulama alanları ................................ 13 2.1.3 Dönel mikrokanallarda parçacık ayrıştırma mekanizması ........................ 14 2.1.4 Tasarım kriterleri ....................................................................................... 17

2.2 Doğrusal Kanallar ............................................................................................ 17 2.2.1 Genişleyen daralan doğrusal mikrokanallar .............................................. 19

3. PDMS TABANLI MĠKROKANAL ÜRETĠMĠ ............................................ 21 3.1 Asetat Maske Üretimi ....................................................................................... 21 3.2 Si-pul(wafer) Üzerine Fotorezist Kaplanması .................................................. 22

3.3 Litografi ............................................................................................................ 23 3.4 SU-8’e Developer Uygulanması ...................................................................... 26

3.5 SU-8 Master’ın Karakterizasyonu .................................................................... 27 3.6 SU-8 Master Üzerine PDMS Dökülmesi ......................................................... 27 3.7 Plazma ile PDMS ile Cam Lamelin Yapıştırılması .......................................... 28

4. KARAKTERĠZASYON .................................................................................. 29 5. MALĠYET ANALĠZĠ ...................................................................................... 31 6. DENEYSEL ÇALIġMALAR VE SONUÇLAR ............................................ 33

viii

6.1 Genişleyen-Daralan Doğrusal Kanal Deney Analizleri ................................... 33

6.1.1 30˚lik doğrusal mikrokanal deney sonuçları ve analizleri ........................ 35 6.1.2 45˚lik doğrusal mikrokanal deney sonuçları ve analizleri ........................ 37 6.1.3 60˚lik doğrusal mikrokanal deney sonuçları ve analizleri ........................ 38

200 µl/dak debide, kanalın daralma bölgesinde daha önce oluştuğu gözlenen çift

fokus birleşerek, kalın, tek fokus çizgisi oluşturmuştur. Kanalın genişleme

bölgesindeki iki fokusun kanal merkezinden uzaklaşarak birbirlerine daha çok

yaklaştığı gözlenmiştir. ...................................................................................... 40 6.1.4 Fokus yoğunluk analizleri ......................................................................... 40

6.2 DönelMikrokanal Deney Analizleri ................................................................. 43 6.2.1 180˚lik dönel mikrokanal deney sonuçları ve analizleri ........................... 44 Şekil 6.14: 180˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği .... 45 6.2.2 225˚lik dönel mikrokanal deney sonuçları ve analizleri ........................... 46 Şekil 6.16:225˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği ..... 47

6.2.3 270˚lik dönel mikrokanal deney sonuçları ve analizleri ........................... 47

Şekil 6.18:270˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(μ)- Dean Sayısı Grafiği ..... 48

6.2.3 Fokus yoğunluk analizleri ......................................................................... 48

7. DEĞERLENDĠRMELER ............................................................................... 51 KAYNAKLAR .......................................................................................................... 55

EKLER ...................................................................................................................... 61 EKA1. Teknik Resim Çizimleri

ix

KISALTMALAR

MEMS : Micro Electro Mechanical Systems

PDMS : Polydimethyl Siloxane

μTAS : Micro Total Analysis System

DEP : Dielectrophoresis

pDEP : Positive Dielectrophoresis

nDEP : Negative Dielectrophoresis

PFF : Pinch Flow Fractionation

ap : Parçacık Çapı

CL : Kayma Katsayısı

D : Difüzyon Katsayısı

De : Dean Sayısı

Dh : Kanal Hidrolik Çapı

FD : Dean Sürüklenme Kuvveti

FL : Net Atalet Kuvveti

H : Kanal Yüksekliği

LC : Karakteristik Kanal Uzunluğu

LD : Dean Yer Değiştirme Uzunluğu

LM : Atalet Etkisi ile Yer Değiştirme Uzunluğu

μ : Dinamik Viskozite

Re : Reynolds Sayısı

Rep : Parçacık Reynolds Sayısı

Up : Parçacık Hızı

Uf : Hız Vektörü

W : Kanal Genişliği

xi

ÇĠZELGE LĠSTESĠ

Sayfa

Çizelge 1.1 : Zaman çizelgesi .................................................................................... 12 Çizelge 3.1 : SU-8 kalınlığına göre gereken ön ısıtma süreleri ................................. 24 Çizelge 3.2 : SU-8 yüksekliğine göre uygulanması gereken enerji miktarları .......... 24 Çizelge 3.3 : SU-8 yüksekliğine göre uygulanması gereken ara ısıtma süreleri ...... 25

Çizelge 3.4 : SU-8 yüksekliğine göre kimyasalda bekletme süreleri ........................ 26 Çizelge 5.1 : Bir mikrokanalın üretim ve deney maliyeti .......................................... 31 Çizelge 6.1 : Doğrusal mikrokanallar için genişleme ve daralma kısımlarında

belirlenen genişlikler ve üç farklı açı değeri ........................................ 34 Çizelge 6.2 : Debi değerlerine genişleme ve daralma bölgelerinde göre hesaplanan

Rep sayıları ........................................................................................... 35 Çizelge 6.3 : Dönel mikrokanalların tasarımında kullanılan genişlikler ve açılar .... 44

Çizelge 6.4 : Dönel mikrokanallar için Reynolds ve Dean sayıları, atalet

kuvvetlerinin Dean sürüklenme kuvvetine oranı .................................. 44

xiii

ġEKĠL LĠSTESĠ

Sayfa

ġekil 1.1: Farklı çıkışlardan partikülleri ayırmak için dışarıdan homojen olmayan

manyetik alan uygulayan mikro akışkan cihazı. ...................................... 4

ġekil 1.2: Manyetik olarak işaretlenmiş lökosit hücreleri, şekilde beyaz oklarla

gösterilen akış yönüyle 9,6 açı yapan ferromanyetik bantı takip ediyor..... 4

ġekil 1.3: Akustoforetik ayrıştırma cihazındaki cihazındaki partikül değişiminin

şematik gösterimi. ....................................................................................... 5

ġekil 1.4: Serbest akışlı elektroforezde, homojen bir elektrik alan akışa dik bir

şekilde uygulanır. Yüklü numune bileşenleri yüklerinin boyutlarına

oranlarına bağlı olarak ana akıştan saptırılırlar. .......................................... 6

ġekil 1.5: Partiküller elekrik alana maruz kaldıklarında polarize olurlar. Eğer elektrik

alan homojen değilse, dipolün iki tarafına etkiyen elektrostatik kuvvet eşit

olmaz ve bu bir harekete yol açar. (a) pozitif DEP, partikül çevresindeki

maddeden daha büyük polarizasyona sahip olursa meydana gelir. (b)

Negatif DEP, partikül çevresindeki maddeden daha küçük olursa meydana

gelir. ............................................................................................................ 7

ġekil 1.6: Mikrofiltre dizaynları; (a) Eşik filtreleme, (b) Kolon ile filtreleme,

(c)Engel ile filtreleme. ................................................................................ 9

ġekil 1.7: Küçük ve büyük partiküllerin ayrıştırılması için hidrodinamik filtreleme

ağının tasarımı. .......................................................................................... 10

ġekil 1.8: Sıkıştırılmış akış fraksiyonu ile ayrıştırma. ............................................... 11

ġekil 2.1: Dean akışında oluşan ters simetrik iki vorteks. ......................................... 13

ġekil 2.2: Dönel mikrokanallarda parçacıklara etkiyen atalet kuvvetleri. a) Kayma

etkisi ile oluşan atalet kuvvetleri b) Çeper etkisi ile oluşan atalet kuvveti 16

ġekil 2.3: Dönel mikrokanallarda parçacıklara etkiyen sürüklenme kuvvetlerinin ve

atalet kuvvetlerinin gösterilişi. .................................................................. 16

ġekil 2.4: Dikdörtgen mikrokanalda rastgele dağılmış parçacıkların tubular pinch

etkisi ile oluşan denge pozisyonları .......................................................... 18

ġekil 2.5: Atalet etkileri ile parçacıkların (a) yuvarlak, (b) kare, (c) dikdörtgen kesitli

mikro kanaldaki denge pozisyonları ..................................................... 18

ġekil 2.6: 30˚ Doğrusal kanal tasarımında oluşan atalet kuvvetleri bileşenleri

FG:Kayma etkisi ile oluşan atalet kuvveti FW:Çeper etkisi ile oluşan atalet

kuvveti ....................................................................................................... 20



kuvveti ....................................................................................................... 20

xiv



kuvveti ....................................................................................................... 20

ġekil 3.1: PDMS mikrokanalların üretim şeması ...................................................... 21

ġekil 3.2: Asetat maske .............................................................................................. 21

ġekil 3.3: Si-pulun spinnera yerleştirilmesi. .............................................................. 22

ġekil 3.4: Si-pul üzerine SU-8 dökülmesi. ................................................................ 22

ġekil 3.5: İstenen SU-8 kalınlığı için gereken dönme hızları. ................................... 23

ġekil 3.6: Si-pulun sıcak tablada ısıtılması ................................................................ 24

ġekil 3.7: Litografi cihazı. ......................................................................................... 25

ġekil 3.8: SU-8 kaplanmış Si-pula, SU-8 developer uygulanması ............................ 26

ġekil 3.9: Profilometre analizi örneği ........................................................................ 27

ġekil 3.10: PDMS karışımının SU-master üzerine dökülmesi. ................................. 27

ġekil 3.11: Vakum fırını ............................................................................................ 28

ġekil 3.12: Plazma işlemi........................................................................................... 28

ġekil 4.1: Yoğunluk – Mesafe grafiği ........................................................................ 29

ġekil 4.2: Manyetik karıştırıcı ................................................................................... 29

ġekil 4.3: Enjektör pompası ....................................................................................... 30

ġekil 4.4: Kanalın görüntülenmesi ............................................................................. 30

ġekil 4.5: Deney düzeneği ......................................................................................... 30

ġekil 6.1: Doğrusal mikrokanal tasarımında belirlenen genişlikler ve açı değerlerinin

şematik gösterimi. ..................................................................................... 34

ġekil 6.2: 30˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Partikül Görüntüleri ........................ 35

ġekil 6.3: 30˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal

Genişliği(µ)-Rep Grafikleri ....................................................................... 36

ġekil 6.4: 45˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Partikül Görüntüleri ........................ 37



ġekil 6.6: 60˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Partikül Görüntüleri ....................... 39



ġekil 6.8: Örnek Bir Profil Analiz Grafiği ................................................................. 41

ġekil 6.9: 30˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi) –

Rep Grafiği ................................................................................................. 42

ġekil 6.10: 45˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi)

– Rep Grafiği .............................................................................................. 42


– Rep Grafiği .............................................................................................. 43

ġekil 6.12: Dönel mikrokanal tasarımları a) 180˚ b) 225˚ c) 270˚ ............................ 44

ġekil 6.13: 180˚ dönel mikrokanal deney görüntüleri ............................................... 45

ġekil 6.14: 180˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği ........... 45




xv


ġekil 6.19: a)180˚ve b) 225˚ Dönel mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x

Akış Debisi) – Dean Sayısı grafiği............................................................ 49

ġekil 6.20: 270˚ Dönel mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi) –

Dean Sayısı grafiği .................................................................................... 49

xvii

MĠKRO-PARÇACIK AYRIġTIRMASI AMACINA UYGUN POLĠMER

TABANLI MĠKROAKIġKAN SĠSTEMĠ TASARIMI, ÜRETĠMĠ VE

KARAKTERĠZASYONU

ÖZET

Partikül ayrıştırma ve filtreleme işlemleri başta kimya, biyoloji ve sağlık olmak üzere

birçok uygulama alanına sahiptir. Partikül ayrıştırma sistemlerinin araştırılması ve

geliştirilmesi hücre ayrıştırma çalışmalarına temel oluşturmaktadır. Ayrıştırma

işlemlerinde mikro ayrıştırma sistemlerinin kullanılması özellikle son yıllarda öne

çıkmaktadır. Mikrokanallar, mikroakışkan uygulaması içeren mikro ayrıştırma

sistemlerinde kullanılmaktadır.Mikrokanal kullanımıyla parçacık ayrıştırma

işlemleri, aktif ve pasif olmak üzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Aktif partikül

ayrıştırma sistemlerinde, manyetik alan veya akustik kuvvet gibi dış etkiler

kullanılmaktadır. Dış etkiler kullanılan ayrıştırma sistemlerinin birçok avantajı

bulunsa da, yüksek üretim maliyetleri ve enerji kaynağına bağlılıklarından dolayı

kapladıkları alanın büyük olması gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Pasif partikül

ayrıştırma sistemlerinde ise taşıyıcı sıvının akışıyla oluşan etkiler kullanılmaktadır.

Ayrıştırma işlemi, temel olarak parçacıklara etki eden kuvvetlerle

gerçekleştirilmektedir. Bu kuvvetlerin oluşmasını sağlayan en önemli etken ise

sistemin geometrisidir.

Bu çalışmada doğrusal ve dönel olmak üzere iki farklı mikrokanal tipi çalışılmıştır.

Doğrusal mikrokanallarda parçacığın fokuslanma mekanizması atalet etkilerinin iki

bileşeni ile açıklanabilir: çeper etkisi ile oluşan kaldırma kuvveti ve kayma etkisi ile

oluşan kaldırma kuvveti. Bu kuvvetler dışında parçacıklara akış yönünde etki eden

sürüklenme kuvvetleri vardır. Kaldırma kuvvetleri ise akış yönüne dik yönde etki

ettiğinden kanal kesiti boyunca parçacıkların hareket edip denge konumuna

gelmelerini sağlamaktadır. Dönel mikrokanallarda ise kanal geometrisinde dolayı

kanal içinde ikincil bir akış meydana gelmektedir. Kanal içerisinde birbirine ters iki

adet vorteks oluşur ve bu akış Dean akışı olarak adlandırılır. Fokuslanmanın

gerçekleşmesi düşük Re sayılarında, atalet kuvvetlerinin, Dean sürüklenme

kuvvetinden büyük olmasıyla gerçekleşir. Bu kuvvetler eşitlendiğinde parçacıklar

sıralanarak denge konumuna gelir. Re sayısı arttırıldığında Dean sürüklenme

kuvvetleri, atalet kuvvetlerinden daha büyük olur ve parçacıklar denge konumundan

uzaklaşır.

xviii

Bu çalışmada 9,9 µm yeşil ve 3 µm kırmızı parçacıklar kullanılmıştır. Doğrusal

kanallarda 90 – 200 µl/dak debilerde çalışılırken, dönel kanallarda 3000 µl/dak

debilere kadar çıkılmıştır.Tasarlanan doğrusal kanallarda 105 µl/dak debide fokus

elde edilirken, dönel kanallarda 2000 µl/dak’dan sonra fokus elde edilmiştir.

xix

PRODUCING, DESIGNING AND CHARACTERISING POLYMER BASED

MICROFLUIDIC SYSTEM TO SEPERATE MICRO-PARTICLE

SUMMARY

Particle separation and filtration processes have a lot of application areas especially

in chemistry, biology and health. Research an development of particle separation

systems are basis for cell separation studies. Especially in recent years, use of

microseparation systems for separation processes came to the fore. Microchannels

are used in microseparation processes consisting of microfluidic applications.

Particle separation processes using microchannel, are divided into two main groups

including active and passive. Active separation systems rely on external influences

like magnetic field or acoustic force. Although separation systems using external

influences have many advantages, they also have disadvantages such as high

production cost, using large area due to dependence on energy source. Passive

particle separation systems rely oneffects resulted from carrier fluid flow. Separation

process is basically performed by forces acting on particles. System geometry is the

most important factor creating of these forces.

In this study, two different microchannel types, straight and curved, are used. In

straight microchannels, particle focusing mechanism can be explained by two

elements of inertial effects: Firstly, wall induced inertial lift force and secondly

shear gradient inertial lift force. Except of these forces, there are drag forces

affecting particles through flow direction. As inertial lift forces acting on particles

are perpendicular to the fluid flow, particles are focused moving through channel

cross section. In curved microchannels, secondary flow, called Dean flow, occurs

due to channel geometry. This flow has two vortexes which are opposing and turning

in opposite directions. In case of small Re, inertial force are higher than Dean drag

force and so, focusing starts. By the time two forces are equal, particles reach

equilibrium position forming a line. In case Re is increased, Dean drag force are

higher than inertial force and equilibrium position is lost.

xx

For this experimental study, 9,9 µm green and 3 µm red particles are used. As flow

rates in straight microchannels are between 90µl/min and 200 µl/min, in curved

microchannels, flow rates up to 3000µl/min are used. In straight microchannels,

focusing occurs at 105µl/min, if in curved microchannels focusing occurs after

2000µl/min.

1

1.GĠRĠġ

Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS), bilim dünyasında en hızlı gelişen alanlar

arasındadır [1]. MEMS, geleneksel yöntemlerle gözlenmesi ve çözümlenmesi zor

olan problemlerde kullanılmıştır [2]. Optik ve akışkan sistemlerin MEMS’de yer

almasıyla, 1980’lerin sonuna doğru, mikroakış sensörleri, mikropompalar ve

mikrovalfler geliştirilmiştir. Bu çalışmalar mikroakışkan sistemlerin ortaya çıkmasını

sağlamıştır [1].

Son zamanlarda yapılan çalışmalardamikroakışkan sistemler kullanarak, tek bir

düzeneklebiyolojik moleküllerin tespit edilmesi, taşınması, ayrıştırılması ve

karakterize edilmesi hedeflenmiştir [2]. Bu çalışmalarla oluşturulan sistem, Mikro-

Bütünleşik-Analiz Sistemi (μTAS) ya da Lab-on-a-chip olarak bilinmektedir [2].

Mikroakışkan sistemler uygulama alanlarına göre; dış akış kontrolü, iç akış kontrolü,

kimya ve doğa bilimleri olarak sınıflandırılabilir [1]. Hız sensörleri, mikrovalfler,

mikropompalar, mikrokarıştırıcılar, mikroreaktörler ve mikroayrıştırıcılar

mikroakışkan düzeneklerine örnek verilebilir. Artan bir hızla yeni kullanım alanları

ve düzenekler keşfedilmektedir [1].

Mikroakışkan sistemleri üzerine yapılan çalışmalarda parçacık ayrıştırma ve biyo-

molekül tespit edilmesi önemli yer tutmaktadır. Bu çalışmaların sonucunda elle

taşınabilen tanı testleri (point-of-care(POC)), ticari olarak kullanılmaya başlanmıştır.

POC test cihazlarının geliştirilerek seri üretime geçilmesi hedeflenmektedir.

1.1 Projenin Amacı

Mikro akışkan sistemleri; biyoreaktör, hücre uygulamaları, ayrıştırma, karıştırma

işlemleri için kullanılmaktadır. Bu işlemlerin kısa sürede ve az numune ile yapılması

önemlidir. Günümüzdeki mikro akışkan sistemi içermeyen uygulamalarda numune

miktarı 1 litreye kadar çıkarken, mikro akışkan sitemlerinde 1ml’nin altındaki

numune miktarları yeterli olmaktadır. Bunun yanında sağlık alanında kullanılan

teşhis uygulamaları için işlemin kısa sürede yapılması önemlidir. Özellikle mikro

akışkan sistemlerinin, başka sistemlerle kullanılarak Lab-on-a-chip(LOC)

sistemlerinin oluşturulması, küçük boyutlu cihazlarla birden fazla işlemi yapabilmeyi

2

sağlamaktadır. Bunlar göz önünde bulundurulduğunda geliştirilecek sistemin düşük

maliyetli, küçük boyutlarda, az numune kullanarak hızlı analiz yapabilen nitelikte

olması hedeflenmektedir.

1.2 Tasarlanan Projenin Sınırları

Bu projede, tasarımı sınırlayan en önemli etken mikron düzeyinde çalışma

yapılmasıdır. Mikron düzeyinde yapılan üretimde toleranslar 2-3 μm düzeyindedir.

Bu toleransları sağlamak için oldukça hassas bir çalışma yapılması gerekmektedir.

Ayrıca ortamda bulunan toz tanecikleri üretimi etkilediğinden, en azından sınıf 1000

temiz odada çalışılması gerekmektedir.

Mikrokanal genişliği teorik olarak sınırlandırılmıştır. Belirli bir genişlik/yükseklik

oranının üzerinde fokuslanma davranışı etkilenmekte ve verim değişmektedir. Diğer

yandan, bu çalışma hücre ayrıştırmasına temel oluşturması açısından yapıldığından

hücreleri etkileyen unsurların da göz önüne alınması gerekmektedir. Debi değerleri

belli bir sınırın üzerine çıktığında yüksek basınç düşüşü nedeniyle hücreler zarar

görmektedir.

Tasarıma sınır oluşturan bir başka nokta ise PDMS kalınlığıdır. Bu kalınlık, çok

yüksek veya çok düşük değerlerde olduğunda mikroskoptan elde edilen görüntü

bozulmaktadır.

1.3 Literatür Özeti

1.3.1 Mikro ayrıĢtırma sistemleri

Ayrıştırma işlemleri bir çok endüstri alanında; arıtma, yoğunlaştırma ya da

ayrıştırma gibi çeşitli konularda kullanılmaktadır. Filtrasyon, santrifüjleme ve

elektroforez endüstride kullanılan en yaygın ayrıştırma teknikleridir [3]. Ayrıştırma

işlemi özellikle ayrıştırılan parçacıkların boyutlarına bağlıdır [4]. Mikro ayrıştırma

sistemleriyle ilgili ana araştırma, ayrıştırmayı sağlayan mekanizmayı anlama

üzerinedir. Yapılan çalışmalar ile ayrıştırma oranını artıran iki ana mekanizma,

mikrokanalın geometrik yapısı ve dış kuvvet kullanılması olarak belirlenmiştir. Bu

mekanizmaları kullanan ayrıştırma sistemleri, pasif ve aktif mikro ayrıştırıcılar

olarak adlandırılırlar [3].

3

1.3.1.1 Mikro akıĢkan sistemlerinde aktif parçacık ayrıĢtırma teknikleri

1.3.1.1.2 Magnetoforez

Magnetoforez temelli parçacık ayrıştırması yapan mikro akışkan sistemlerinde,

parçacığın manyetik etkilere cevabı bilinmekte ve sistem bu özellikler dâhilinde

tasarlanmaktadır. Sıvı akış yönüne dik şekilde dışarıdan etkiyen manyetik kuvvetler

kullanılmaktadır. Biyolojik çalışmalarda, istenilen manyetik özellikleri

kazandırabilmek için, hücreler veya proteinler manyetik parçacıklarla

kaplanmaktadır. Bu metot ile manyetik özellikli parçacıklar veya manyetik

parçacıklarla işaretlenmiş hücreler, dışarıdan etkitilen manyetik kuvvetler ile

yönlendirilmektedir. Parçacıklara uygulanan manyetik alan, uygulanan manyetik

kuvvet ile parçacık özelliklerine – hacim, manyetizasyon gibi – bağlıdır [3,5,6].

Sisteme uygulanan manyetik kuvvet, parçacık yörüngesi iki kuvvet vektörü ile

belirlenmektedir. Bunlar hidrodinamik hız ve manyetik kaynaklı hız vektörlerdir

[3,5,6]. Bu sistemler manyetik kuvvet etkileri kullanıldığı için, ana akış yönünde

herhangi bir engel bulunmamaktadır. Bu sebeple, magnetoforez yöntemi manyetik

özellikli biyoparçacıklar için şekilleri bozulmadan yönlendirilebildikleriiçin uygun

bir yöntemdir.

Deng ve diğerleri, bu tekniği ilk olarak minyatürize edilmiş ölçekte kullanmışlardır.

Deneysel çalışmalarında, 6µm’lik manyetik olmayan ve 4.5µm’lik manyetik

parçacıkları yüksek bir ayrıştırma verimiyle ayrıştırmışlardır. Karşılaştıkları tek

problem, sistemin oldukça düşük bir çıktıya sahip olmasıydı [7]. Pamme ve diğerleri

2.8µm ve 4.5µm’lik, farklı manyetik özellikte parçacıklar ile çalıştılar. Akış yönüne

dik, homojen olmayan manyetik alan uygulamışlardır. Farklı boyutlarından ve

manyetik özelliklerinden dolayı, parçacıklar mikro akışkan sisteminde farklı

bölgelerde fokuslanmışlardır [8] (Şekil 1.1). Bu bakış açısı, yanal kanallar açılarak

başka deneylerde de kullanılmıştır [9]. Ayrıca bu metod, biyolojik hücrelerin

ayrıştırılmasını içeren sistemlerin verimlerini belirlemek amacıyla biyolojik

hücrelere de uygulanmıştır [10].

Inglis ve diğerleri, manyetik olarak işaretli hücreleri ayrıştırmak için mikro akışkan

sistemdeki ferromanyetik bantları akış yönüyle küçük bir açı yapacak şekilde

yerleştirmişlerdir. Manyetik olarak işaretlenmiş hücrelerin manyetik alan oluşturan

ferromanyetik bantları takip ettiklerini gözlemişlerdir. Bu durum Şekil 1.2’de

gösterilmiştir [11].

4

ġekil 1.1: Farklı çıkışlardan parçacıkları ayırmak için dışarıdan homojen olmayan

manyetik alan uygulayan mikro akışkan cihazı [3].

ġekil 1.2:Manyetik olarak işaretlenmiş lökosit hücreleri, şekilde beyaz oklarla

gösterilen akış yönüyle 9,6 açı yapan ferromanyetik bantı takip ediyor

[11].

Manyetik kuvvetler sadece manyetik ya da sonradan manyetik olarak işaretlenmiş

parçacıklara değil, manyetik özelliğe sahip olmayan parçacıklara da uygulanır.

Manyetik alan altında, manyetik olmayan parçacıklara zayıf bir itme kuvveti etkir.

Furlani, kırmızı ve beyaz kan hücrelerini ayrıştırmak için bu kuvvetin etkisini

kullanmıştır [12].

Han ve Frazier de kırmızı ve beyaz kan hücrelerinin ayrıştırılmasını çalışmıştır. Bir

ferromanyetik tel mikro akışkan sistemin içine akış yönüne paralel olacak şekilde

yerleştirilmiştir. Bu manyetik tel dışarıdan manyetik alan etkisiyle aktif edilmiştir.

Kırmızı ve beyaz kan hücreleri kendi manyetik özelliklerine bağlı olarak,

ferromanyetik tele doğru ya da ters yönde hareket etmişlerdir [13].

Zborowski ve diğerleri, diyamanyetik beyaz kan hücrelerini ve paramanyetik ya da

diyamanyetik kırmızı kan hücrelerini çalışmalarında kullanmıştır. Kırmızı kan

5

hücrelerini beyaz kan hücrelerinden insan lenfosit işaretleme yöntemiyle

ayrıştırmaya çalışmıştır [14].

Huang ve diğerleri, bir hamile kadınının kanından çekirdekli kırmızı kan hücrelerini

ayırmak için iki modüllü mikroakışkan sistemiyle çalışmıştır. Bu sistemde, beyaz

kan hücrelerinin, mikroakışkan sistemi çıkışından geçmesi sağlanmıştır [15].

1.3.1.1.2Akustoferez

Parçacıkların ve biyolojik hücrelerin ayrıştırılması ultrasonik dalgaların

kullanılmasıyla yapılabilir. Ultrasonik dalgalarla ayrıştırma rejimi elde etmek için,

sürekli bir ses dalgası akış yönüne dik olarak uygulanmalıdır. Ses dalgalarından

etkilenen parçacıklar ses dalgalarından dolayı kanal içinde oluşan düğüm(nod) veya

dalga karınlarına(anti nod) doğru hareket ederler. Uygulanan akustik kuvvet, akustik

alanına, parçacık özelliklerine ve çevre koşullarına bağlıdır. Akustik kuvvet, parçacık

hacmiyle, parçacığın sıkıştırılabilirliğiyle ve çevreleyen materyallerin özellikleriyle

doğru orantılıdır [3,5,6]. Böylelikle, farklı boyutlara, yoğunluğa ve sıkıştırılabilirliğe

sahip parçacıklar bu metotla ayrıştırılabilir [3].

Akustik kuvvetler kullanan mikro akışkan ayrıştırma cihazlarıyla ilgili ilk

çalışmalardan birisi Petterson ve diğerleri tarafından yapıldı. Şekil 1.3’de görülen

akustik etki altındaki 5 µm boyutundaki parçacıkların ve kan hücrelerinin

davranışları üzerinde çalıştılar. Piezoseramik katmanı mikro akışkan sisteme entegre

ederek ses dalgaları ürettiler [16].

ġekil 1.3Akustoforetik ayrıştırma sistemindekiparçacıkhareketlerinin değişiminin

şematik gösterimi.

Goddard ve diğerleri 7.8 µm boyutundaki parçacıkları ve hamster hücrelerini,

piezoseramik kristal tarafından oluşturulup dışarıdan uygulanan ultrasonik akustik

enerji ile mikro akışkan sistemin merkezinde toplamaya çalıştılar [17,18].

6

Shi ve diğerleri, piezoelektrik substrat ile PDMS mikrokanalların arasında bağ

oluşumunu sağlamıştır. Bu mikrokanalla 1.9 µm’lik parçacıkları, düşük akım

rejiminde, mikroakışkan sisteminin merkezinde fokuslamayı başarmışlardır [19].

Aynı mikrokanalı kullanarak hücrelerle ve polimer parçacıklarla da çalışmışlardır.

1.3.1.1.3 Elektroforez

Elektroforez, parçacık ve hücre ayrıştırmada kullanılan en güçlü yöntemlerden

biridir; fakat bu teknik fazla dikkat çekmemiştir. Çünkü verimsiz ayrıştırmaya ve

teorik arka planda karmaşıklığa sebep olan konveksiyon gibi teknik problemleri

vardır [20]. Mikroakışkan uygulamalarındaki en ideal elektroforez yöntemi, serbest

akışlı elektroforezin uygulanmasıdır.

Serbest akışlı elektoroforez yönteminde, akış içindeki parçacıklar dışarıdan

uygulanan elektrik alanı ile yönlerini değiştirmektedirler. Parçacıklar x ekseninde

hidrodinamik kuvvetlere maruz kalırken; y ekseninde elektrik alanına maruz

kalmaktadırlar (Şekil 1.4). Bu kuvvet vektörlerinin toplamı parçacık hareket

yörüngelerini belirlemektedir [3].

ġekil 1.4: Serbest akışlı elektroforezde, homojen bir elektrik alan akışa dik bir

şekilde uygulanır. Yüklü numune bileşenleri yüklerinin boyutlarına

oranlarına bağlı olarak ana akıştan saptırılırlar [3].

1.3.1.1.4 Dielektroforez

Parçacıkları homojen olmayan bir elektrik alan kullanarak ayrıştırmak

dielektroforezin (DEP) temel prensibidir. Elektrik alana maruz kalan parçacık,

elektrik elektrik yükündenden dolayı elektrik alan boyunca polarize olur. Homojen

elektrik alan içinde, zıt yönlerdeki elektrostatik kuvvetler birbirini dengeler ve

parçacık hareketsiz kalır. Homojen olmayan elektrik alan içinde ise, bu kuvvetler eşit

7

olmamakta ve bunun sonucunda parçacıklar hareket etmektedirler. Eğer parçacığın

polarizasyonu, kendisini çevreleyen maddeninkinden büyük olursa, parçacık elektrik

alana doğru hareket etmektedir. Bu pozitif dielektroforez(pDEP) olarak adlandırılır.

Parçacığın polarizasyonu, kendisini çevreleyen maddeninkinden küçük olursa,

parçacık elektrik alandan uzaklaşmaktadır. Bu negatif dielektroforez(nDEP) olarak

adlandırılır. Bu nedenlerle dielektroforez kuvvet, parçacık ve parçacığı çevreleyen

maddenin polarizasyon farkına bağlıdır. Ayrıca, bu kuvvet parçacık hacmi ve

elektrik alan gradyanı ile doğru orantılı olarak değişmektedir [3]. nDEP ve pDEP’in

genel bir şematik gösterimi Şekil 1.5’de görülebilir [3].

ġekil 1.5 :Parçacıklar elekrik alana maruz kaldıklarında polarize olurlar. Eğer

elektrik alan homojen değilse, dipolün iki tarafına etkiyen elektrostatik

kuvvet eşit olmaz ve bu bir harekete yol açar. (a) pozitif DEP, parçacık

çevresindeki maddeden daha büyük polarizasyona sahip olursa meydana

gelir. (b) Negatif DEP, parçacık çevresindeki maddeden daha küçük

olursa meydana gelir [3].

Dielektroforez mikroakışkan sisteminde genellikle, düzgün olmayan AC elektrik

alanı ve mikrokanal içerisinde elektrotlar parçacık fokuslama amacıyla kullanılır [3].

Ayrıca, kanal içine mikro-yalıtkanlar yerleştirmek de parçacıkları fokuslamak için

kullanılabilir. Bu yöntemle, DC elektrik alanı kanala uygulandığında, mikro-yalıtkan

çevresinde oluşan dielektroforatik kuvvet nedeniyle parçacıklar yer değiştirir [21,22].

Negatif dielektroforez çoğunlukla, dielektroforatik kuvvet oluşturmak için elektrot

kullanan mikroakışkan sistemlerinde kullanılır. Bu tip sistemlerde, parçacıklar

elektrotlardan uzağa hareket etmektedir [23].

Cummings and Singh yalıtkan kullanılan dielektroforatik sistemi ilk olarak

geliştirmiştir [24]. Cummings and Singh, mikroakışkan sistemin içinde yalıtkan

8

olarak silindirik kolonlar kullanmışlardır. Bu kolonların çevresinde oluşan elektrik

alan parçacıkların üzerinde DEP etkisi oluşturmuştur. Eğer dielektroforetik hareket,

elektrokinetik ve Brownian hareketine baskın çıkarsa, parçacıklar bu kolonlar

arasında toplanır [25]. Bu metod, çeşitli çalışmalarda biyomoleküller üzerinde de

uygulanmıştır [26-30]. Ayrıca, polimer parçacıkların ve hücrelerin boyutlarına bağlı

olarak ayrıştırılması amacıyla da uygulanmıştır [31,32].

Cummings and Singh, dielektroforetik parçacık ayrıştırma mekanizmasını düz ve

dönel kanallara da uygulamıştır. Daralan ve genişleyen kanallarda pozitif

dielektroforez yöntemi kullanarak 200 nm’lik parçacıkların fokuslanmasını

gözlemlemişlerdir [33]. Xuan ve diğerleri negatif dielektroforez kullanarak benzer

mikrokanallar üzerinde çalışmışlardır ve 40 µm’lik parçacıkların kanal merkezinde

fokuslandıklarını gözlemlemişlerdir [34].

Zhu ve Xuan, DC etkili AC elektrik alanını kullanarak mikrokanallarda parçacık

fokuslanması üzerinde çalışmışlardır ve 10 µm’lik polistren parçacıkları kanal

merkezinde fokuslamayı başarmışlardır [35]. Thwar ve diğerleri, elektrik alanı kotrol

etmek ve parçacık fokuslanma verimini artırmak için yağ kullanmışlardır [36]. Yağ

kullanılarak kontrol edilen elektrik alan daralan ve genişleyen kanallar üzerinde de

parçacıkları ayrıştırmak amacıyla incelenmiştir [37].

Xuan, DC elektrokinetik akış kullanarak dönel mikrokanallar üzerinde parçacık

fokuslama mekanizması üzerinde çalışmıştır [38,39]. Bu çalışmada, düşük Reynolds

sayılarından dolayı, atalet ve dean kuvvetleri görece olarak düşüktür. Elektrik alan,

tüm mikrokanal boyunca iç duvarda maksimum, dış duvarda ise minimumdur. Bu

nedenle, parçacıklar eğriler boyunca elektrokinetik olarak yanal olarak hareket

ederler. İç veya dış duvarda fokuslanma, uygulanan negatif ya da pozitif

dielektroforeze bağlıdır [40,41]. Zu ve diğerleri, 5 µm’lik parçacıkların spiral

mikrokanallarda dielektroforez ile fokuslanmasını çalışmışlardır [39]. Parçacıkların

dönel kanallardakinden farklı olarak, parçacıkların negatif DEP’te dış çepere doğru

yönlendiği ve parçacık hareketinin dönüşlerden etkilenmediği gözlemlenmiştir. Zhu

and Xuan, çift spiralli kanal geometrisiyle parçacık fokuslanmasını çalışmışlardır

[38]. Sonrasında, bu mikro akışkan sistemini dielektroforez ile entegre etmişler ve

parçacıkların boyutlarına göre ayrıştırılması üzerinde çalışmışlardır [42].

9

1.3.1.2 Mikro akıĢkan sitemlerinde pasif ayrıĢtırma teknikleri

1.3.1.2.1 Mikro filtre

Farklı boyutlardaki parçacıkları ve hücreleri filtreleme yöntemiyle ayrıştırmak

mümkündür ancak bu teknik düşük bir verim sunmaktadır. Dört çeşit mikrofiltreleme

tekniği bulunmaktadır ve bu mikrokanallar eşik, kolon, engel ve süzgeç şeklinde

geometrilere sahiptirler. Bu kanal türlerinin şematik gösterimleri Şekil 2.6’da

görülebilir [43].

ġekil 1.6 :Mikrofiltre dizaynları; (a) Eşik filtreleme, (b) Kolon ile filtreleme,

(c)Engel ile filtreleme [43].

Eşik kullanılan mikrofiltrelerde, daha küçük olan parçacıkların, baraj şeklinde

engellerden geçmesi sağlanarak ayrıştırma yapılır. Brody ve diğerleri çalışmalarında,

kandan kan plazmasını ayrştırmak için kapiler etkiyi kullandılar [44]. Kapiler etki

kullanılarak, kan hücrelerinin geçemeyeceği bir eşikten, kan plazmasının geçmesi

sağlanmıştır. Çok düşük miktarlarda kan hücreleri elde edilebilmiştir. Daha sonra bu

yöntemin geliştirilmesiyle, yüksek müktarlarda kan plazması, kan örneğinden

ayrıştırılmıştır [45].

Kolonların kullanıldığı mikrofiltrelerde, akış ve parçacıklar eşit aralıklarla

hizalanmış kolonlarla kontrol edilmektedir. Fakat, bu tip sistemde hücrelerin

tıkanması ve bozulması gibi sorunlar ortaya çıktı. Mohammed ve diğerleri

çalışmalarında, kordondan alınan ve anneye ait kırmızı kan hücrelerini içeren

kandan, cenine ait kırmızı kan hücrelerini ayrıştırmışlardır [46].

Engellerin kullanıldığı mikrofiltrelerde, akış ve parçacık yörüngeleriakışa dik yönde

belirli aralıklarla bariyer tipi engeller kullanılarak kontrol edilmeye çalışılmıştır. Bu

10

engellerin aralıklarından küçük parçacıklar geçebilirken, büyük parçacıklar ana akışı

takip etmektedirler. Bu tip mikro filtreler tıkanma problemini azaltmak için

geliştirilmişlerdir. Bu tip filtrelerle plazmanın kandan ayrıştırılması, beyaz kan

hücrelerinin kandan ayrıştırılması ve DNA pürifikasyonu üzerine çalışılmıştır [45].

Süzgeç şeklinde geometriye sahip mikrokanallarda, belirli boyutlardaki hücre ve

parçacıkların geçmesine izin veren delikler kullanılmıştır. Parçacık tıkanması bu tip

mikrofiltrelerde de önemli bir problemdir. Zheng ve diğerleri, yumurta ve daire

şeklinde delikler içeren mikro filtreler kullanarak, kanser hücrelerini kandan

ayrıştırmaya çalışmışlardır [48].

1.3.1.2.2 Hidrodinamik filtreleme

Hidrodinamik filtrasyon tekniği, parçacıkları kanal özelliklerine ve akış

karakteristiğine göre ayrıştırmada kullanılmaktadır. Bu yöntemde mikrokanal, bir

ana akış hattı ve bu ana akış hattına dik olarak yerleştirilmiş yan kanallardan

oluşmaktadır. Bu tip kanalların genel bir şematik gösterimi Şekil 1.7’de görülebilir.

Akışın içindeki küçük parçacıklar büyük parçacıklara göre ana akış hattının kanal

çeperlerine daha fazla yaklaşma eğilimindedirler. Küçük parçacıkların yan kollar ile

ana kanalından alınması, çepere yakın bölgedeki akışın hızına bağlıdır. Bu akış hızı

düşük olduğunda, küçük parçacıklar yan kanallardan alınamaz. Orta büyüklükte

hızlarda sadece küçük parçacıklar yan kanallardan toplanabilmektedir. Yüksek akış

hızlarında ise iki parçacık tipi de yan kanallardan toplanabilmektedir [11].

ġekil 1.7:Küçük ve büyük parçacıkların ayrıştırılması için hidrodinamik filtreleme

ağının tasarımı [11].

11

Yamada ve Seki bu tip mikro ayrıştırma tekniğini çalışan ilk gruptur. 1 ve 2 µm’lik

parçacıkları 1 µl/dak debi kullanarak ayrıştırmayı başardılar [49]. Kanal tasarımını

değiştirerek, 1,2 ve 3 µm’lik parçacıkların farklı çıkışlardan ayrıştırılmasında daha

yüksek verim elde ettiler. Yamada ve diğerleri daha sonra bu yöntemi, 50 µl/dak debi

kullanarak, karaciğer hücrelerini parankimal sıvıdan ayrıştırmak için uygulamışlardır

[50]. Grup daha sonra geniş debi aralığında, hidrodinamik filtreleme tekniğini

kullanarak, küresel ve küresel olmayan parçacıkların ayrıştırılması üzerinde

çalışmıştır [51].

Aoki ve diğerleri, yan kanalları, parçacıkları ana kanalın merkezinde fokuslamak

amacıyla kullandılar [52].

1.3.1.2.3 SıkıĢtırılmıĢ akıĢ fraksiyonu (PFF)

Bu yöntemde, en az iki farklı besleme çözeltisi kullanılmaktadır. Girişlerden biri

örnek çözeltiyi beslemek için kullanılırken, diğeri sadece taşıyıcı akışkanı beslemek

için kullanılır. Bu kanal geometrisinde, iki farklı akış dar bir ana kanal üzerinde

birleştirilir. Kanal tasarımımda dar ana kanaldan sonra ani genişleyen bölüm

bulunmaktadır. Genel bir şematik gösterim bu tip mikro akışkan sistem için genel bir

şematik gösterim Şekil 1.8’de görülebilir [3].

ġekil 1.8: Sıkıştırılmış akış fraksiyonu ile ayrıştırma [3].

Parçacıklı akışkanın debisi taşıyıcı akışkanın debisinden daha büyük olmalıdır. Dar

kanaldaki bu farklılıkla, küçük parçacıklar, kanalın çeperine yakın bölgede

fokuslanabilmektedir. Kanal genişlediğinde parçacıklar farklı çıkışlardan

toplanabilmektedir çünkü debilerine uygun olarak farklı yörüngeler izlerler [3].

12

Bu yöntem de ilk olarak Yamada ve diğerleri tarafından çalışılmıştır [53]. Bu

çalışmada ayrıştırma işlemi için 12 ve 30µm’lik polistren parçacıklarla çalışılmıştır.

Grup bu yöntemi farklı geometrilerle de çalışmıştır. Ayrıca, kontrol valfleri de

eklenerek ayrıştırma verimi arttırılmıştır ve 90% gibi oldukça yüksek ayrıştırma

verimleri elde edilmiştir [54].

1.4 Takım Görev Dağılımı ve Zaman Çizelgesi

Çizelge1.1: Zaman çizelgesi

1. Hafta 2. Hafta 3. Hafta 4. Hafta 5. Hafta 6. Hafta 7. Hafta 8. Hafta 9. Hafta 10. Hafta 11. Hafta 12. Hafta 13. Hafta 14. Hafta

06.02.12 13.02.12 20.02.12 27.02.12 05.03.12 12.03.12 19.03.12 26.03.12 02.04.12 09.04.12 16.04.12 23.04.12 30.04.12 07.05.12

Mikro kanal tasarım probleminin ve

sınırlarının tanımlanması

Tasarım esasları ile ilgili mühendislik

hesaplamalarının yapılması

Belirlenmiş mikroakışkan sistemlerin

teknik çizimlerinin yapılarak

lithografi maskelerinin üretilmesi

Üretim teknolojisinin ve

metodolojisinin seçimi

PDMS tabanlı mikro kanal üretimi ve

karakterizasyonu

Üretilen mikro-akışkan sistemlerin

ayrıştırma performanslarına göre

karakterizasyonu

Maliyet analizi

Haftalar

Yapılacaklar

13

2.TASARIM TEORĠSĠ VE SEÇĠM KRĠTERLERĠ

2.1 Dönel Kanallar

2.1.1 Dean akıĢı

Dönel mikrokanallarda kanalın duvara yakın ve merkezine yakın bölgelerinde akış

hızları eşit olmadığından ikincil bir akış oluşur. Merkeze yakın bölgede akışkana

etkiyen atalet kuvveti, duvara yakın bölgeye göre daha fazla olur. Bunun sonucunda

akış merkezden dışa doğru hareket etmeye yönelir ve radyal yönde basınç gradyeni

oluşur. Kanal kapalı olduğundan göreceli olarak durağan durumda olan duvara yakın

akışkan, merkezcil basınç gradyeni ile iç yarıçapa doğru hareket eder. Bu hareket iki

simetrik vortis oluşturur. Dean sayısı bu akışın büyüklüğünü açıklar. Dean sayısı

(2.1)

olduğu bilinmektedir. Burada H kanalın yüksekliği, R ise dönellik yarıçapıdır.

( oranın ikincil akışın şekli üzerinde önemli etkileri vardır. Artan Dean sayısı

ile simetrik vortislerin merkezi dış duvara doğru hareket eder[56].

ġekil 2.1: Dean akışında oluşan ters simetrik iki vorteks.

2.1.2 Atalet etkisinin ve Dean akıĢının uygulama alanları

Dean akışı, laminer akışlarda akışkanları karıştırmak için birçok çalışmada

kullanılmıştır. Mikrokanalların geometrileri çok küçük boyutlarda olduğundan

türbülanslı akış elde edilememektedir. Dean akışında dönel kanal geometrisiyle

oluşan simetrik ve birbirine zıt yönlü akışlar, akışkanların karıştırılması için

kullanılmıştır. Difüzyon yöntemi ile karıştırma işlemi uzun süreler gerektirmektedir.

14

Daha hızlı karıştırma işlemi sağlayan Dean akışı, bu sebeple pek çok çalışmada

kullanılmıştır.

Yalnızca atalet etkisi kullanılarak mikrokanal içindeki parçacıkların belirli denge

bölgelerinde toplanmaları gerçekleştirilmiştir. Parçacıkların denge konumuna hızlı

gelmeleri açısından bu sistemin pek çok avantajı vardır; fakat küçük hacimli numune

gerektiren sistemlerde etkili çalışmamaktadır [57].

Atalet etkisinin ve dean akışının beraber kullanıldığı uygulamalarda mikrokanal

içindeki farklı boyutlardaki polistren parçacıklar ayrılmıştır. Bu sistemin etkisi

ayrıştırma verimini artırmak ve parçacık konsantrasyonunu artırmak şeklindedir.

Seo ve diğerleri, spiral dönel kanalın merkezine “S” şeklinde bir yapı ekleyerek

parçacık ayrışma işlemi verimini artırmayı hedeflemişlerdir. Yapılan çalışmada 3

µm, 6 µm, 10 µm polistren parçacıklar kullanılmıştır. Çalışma sonucunda 10 µm’lik

parçacık iç yarıçapa yakın olan çıkışta, dış yarıçaptaki çıkışa göre 660 kat daha fazla

konsantrasyonda olduğu gözlemlenmiştir [58,59].

Di Carlo ve diğerleri, simetrik ve asimetrik kanallar kullanarak parçacıkların

fokuslanma mekanizmalarını incelemişlerdir. Yapılan deneylerde 2 – 17 µm arasında

parçacık boyutları kullanılmıştır. Kanal hidrolik çapları ise 10 – 87 µm arasında

değişmektedir. Yapılan çalışmalar sonucunda simetrik kanallarda çift fokus elde

edilirken, asimetrik kanallarda tek fokus elde edilmiştir [60].

2.1.3 Dönel mikrokanallarda parçacık ayrıĢtırma mekanizması

Mikrokanallarda yapılan çalışmalarda akışkan olarak suyun kullanılması ve küçük

kanal boyutlarından dolayı Re sayısı 1’in altında olacak şekilde çalışmalar

yapılmıştır. Re sayısı 1’in üstünde yapılan çalışmalarda sisteme etkiyen atalet

kuvvetlerinin önemli etkilerinin farkına varılmasıyla bu çalışmalara ağırlık

verilmiştir; çünkü atalet kuvvetlerinin kullanılması parçacık ayrıştırma verimini ve

hızını artırmaktadır. Atalet kuvvetlerinin temel etkisi, parçacık üzerine etkiyen

viskoz kuvvetleri yenerek parçacığın akış yönüne dik hareket etmesini sağlamaktır.

Bu etki parçacıkların fokuslanmasını sağlamaktadır.

Parçacığın yer değiştirme miktarı parçacığın çapı ile orantılıdır; parçacığın kütlesi ya

da yoğunluğu etki etmemektedir.

Dönel mikrokanallarda kanalın iç yarıçapa yakın olan kısmında akış hızı daha büyük

olduğundan dış kısımdan içeriye doğru akış hareket eder. Bu akış içerisinde ikincil

bir akışı, Dean akışını, oluşturur. Dean akışı ile kanal kesitinde birbirine simetrik ve

15

zıt yönlü iki vorteks oluşur. Kanal kapalı olduğundan akışkan merkezcil basınç

gradyeninin etkisiyle iç yapıçapa doğru hareket eder.

Dönel mikrokanallarda, Dean akışına bağlı olarak parçacıkların üzerine sürüklenme

kuvveti etki eder. Dean akışının büyüklüğü Dean sayısı ile açıklandığı bilinmektedir.

√

√

(2.2)

Denklemde Re, Reynolds sayısı; R kanalın dönellik yarıçapıdır. Doğrusal kanallarda

Dean sayısı sıfır olmaktadır. Kanal kesit alanını (Dh) ve akış debisini artırmak Dean

sayısını artırır; bu da Dean sürüklenme kuvvetinin artmasına yol açar.

Ortalama Dean hızı yukarıda verilen De için şu şekildedir[61,62].

(2.3)

Dean sürüklenme kuvveti (FD)[108],

(2.4)

denklemi ile hesaplanır. Denklemde ap parçacık çapı, ise viskozitedir.

Akışkana etkiyen net kaldırma kuvveti, Re sayısı 1’in üzerinde olduğu zaman

görülür. Bu durumda dönel mikrokanallarda akışkana etkiyen iki kuvvet oluşur;

Dean sürüklenme kuvveti ve net kaldırma kuvveti. Parçacığın akış çizgisine dik

yönde yer değiştirmesini sağlayarak fokuslanmasını hızlandıran önemli kuvvet atalet

kuvvetleridir.

Laminer hız profilinin parabolik yapısı atalet kaldırma kuvveti oluşturur. Bu kuvvet

parçacıkları kanalın merkezinden kanalın duvarlarına doğru hareket ettirir.

Parçacıklar kanalın duvarlarına yaklaştığında, duvara yakın kısımda akış hızı

merkeze göre daha az olduğundan basınç artışı oluşur. Basınç artışı sebebiyle çeper

etkisi ile oluşan kaldırma kuvveti meydana gelir ve atalet kaldırma kuvveti ile ters

yönlüdür. Parçacıkları kanal duvarından merkeze doğru hareket etmesini sağlar.

Zıt yönlü iki kuvvet net atalet kaldırma kuvvetini (FL) oluşturur. Net atalet kaldırma

kuvveti [64];

(2.5)

şeklinde hesaplanabilir. Burada yoğunluk, ortalama akış hızı, parçacık çapı,

karakteristik uzunluk yani hidrolik çap ’tır.

16

ġekil 2.2: Dönel mikrokanallarda parçacıklara etkiyen atalet kuvvetleri. a) Kayma

etkisi ile oluşan atalet kuvvetleri b) Çeper etkisi ile oluşan atalet kuvveti

Parçacığın fokuslanması için gerekli kanal uzunluğu;

(2.6)

şeklinde hesaplanabilir.

Parçacıkların fokuslanma bölgesine hareket edebilmesi için gerekli uzunluğu veren

ifade

ile değişmektedir. Bu, parçacık çapında veya karakteristik uzunlukta

yapılan küçük bir değişiklik bile gerekli kanal uzunlunu önemli ölçüde

etkilemektedir.

oranını artırmak parçacık hareketini hızlandıracağından önemli

ölçüde daha kısa uzunlukta fokuslanmayı sağlayacaktır [65].

ġekil 2.3: Dönel mikrokanallarda parçacıklara etkiyen sürüklenme kuvvetlerinin ve

atalet kuvvetlerinin gösterilişi.

17

2.1.4 Tasarım kriterleri

Dönel mikrokanallarda parçacıkların fokuslanması için bazı kriterlerin sağlanması

gerekmektedir.

Temel olarak Re sayısı 1’den büyük olduğunda parçacıklar üzerine etkiyen Dean

sürüklenme kuvvetinden ve net atalet kaldırma kuvvetinden söz edildi. Bu kuvvetler

parçacıkların kanal içerisindeki konumlarına göre şiddet ve yön olarak değişiklik

göstermektedirler. Parçacıkların denge konumuna gelebilmeleri bu iki kuvvetin

oranına bağlıdır(FL/FD). Net atalet kaldırma kuvvetinin, Dean sürüklenme kuvvetine

oranı FL/FD, 1’e eşit olduğunda parçacıklar denge konumunda sıraya dizilirler [66-

70]. FL/FD oranı 1’den büyük olduğunda atalet kuvvetleri baskın durumdadırlar.

Atalet kuvvetleri parçacıkları denge konumuna hareket etmesini sağladığından FL/FD

oranı 1’den büyük olmadır. Aksi durumda sürüklenme kuvvetinin baskın olduğu

durumda parçacıklar denge konumundan uzaklaşacak ve karışacaklardır.

Parçacıkların denge konumuna gelebilmeleri için ayrıca ap/Dh oranının 0,07’den

büyük olması gerekmektedir (ap/Dh>0,07). Farklı boyutlarda iki parçacık

ayrıştırılmak istendiğinde büyük çaplı parçacık kanalın iç çeperine daha yakın

bölgede fokuslanacaktır. Bunun sebebi net atalet kuvvetinin ve sürüklenme

kuvvetinin parçacık çapından farklı şekilde etkilenmeleridir (

. Parçacık

üzerine etkiyen net atalet kaldırma kuvveti, sürüklenme kuvvetinden daha büyüktür

[71,72].

2.2 Doğrusal Kanallar

Bu ayrıştırma tekniği atalet kuvvetlerinin etkilerine bağlı olarak polistren

parçacıkların kanal çevresi etrafında denge konumuna göç etmeleri ile

gerçekleşmektedir. Parçacıklar denge konumunda fokuslandıktan, iki farklı çıkışın

birinden çıkartılarak ayrıştırma gerçekleştirilmiş olur. Atalet kuvvetleri ile ilgili ilk

deney, Serge ve Sildenberg tarafından yapılmıştır. Bu çalışmada parçacıklar kanalın

merkezinden kanal yarıçapının 0,62’si kadar uzakta denge konumuna geldiği

görülmüştür ve bu etki “Tubular Pinch Etkisi” olarak bilinmektedir [73].

Di Carlo ve diğerleri atalet kuvvetleri kullanarak doğrusal kanallarda fokuslamayı

gerçekleştirmişlerdir. Bu çalışmada dağınık şekilde mikrokanala giren parçacıklar

çıkışta kanal kesitinde dört simetrik denge pozisyonuna göç etmişlerdir(Şekil

2.4).Reynold sayısı arttığında parçacıkların duvara yaklaştığı görülmüştür.

18

ġekil 9: Dikdörtgen mikrokanalda rastgele dağılmış parçacıkların tubular pinch etkisi

ile oluşan denge pozisyonları

Asgar ve diğerleri atalet kuvvetleri ile fokuslanmanın sağlanması ayrıca kanalın kesit

oranına da bağlıdır. Kesit oranı kanalın yüksekliğinin genişliğine oranıdır.

Parçacıklar kanalın uzun kenarı iki çizgi şeklinde denge konumuna gelmişlerdir

(Şekil 2.5c).

H: kanal yüksekliği, W: kanal genişliği olmak üzere hidrolik çap:

(2.7)

ġekil 2.5: Atalet etkileri ile parçacıkların (a) yuvarlak, (b) kare, (c) dikdörtgen kesitli

mikro kanaldaki denge pozisyonları

Şekil 2.5daire, kare ve dikdörtgen kesitli mikrokanallarda atalet etkilerini

göstermektedir. Daire kesitli mikrokanallarda, atalet kuvvetleri ile parçacıklar

19

ap/Dh>0.07 olduğunda kanal çevresi etrafında dengeye gelirler ve bu mekanizma

tubular pinch etkisi olarak adlandırılır. Ortalama kayma etkisi parçacık boyutu

artıkça artığından, ap/Dh oranı artması ile parçacıkların denge konumları kanalın

merkezinden çeperlere doğru gerçekleşir. Kare kesitli mikrokanallarda düşük

Reynolds sayılarında (Re<100), atalet kuvvetlerine ve kayma etkilerine bağlı olarak

sekiz denge pozisyonu oluşmaktadır. Reynolds sayısı arttırıldığında (Re>500), sekiz

denge pozisyonu dörde azalmakta ve sadece kanalın köşelerinde dengelenmektedir.

Dört köşedeki denge pozisyonları parçacıkların filtrelenmesi ve ayrıştırılması

açısından kolaylık getirse de yüksek basınç düşüşleri bu yöntemi birçok

mikroakışkan uygulamasında tercih edilmemesine yol açmıştır. Dikdörtgen kesitli

mikrokanallar kullanılarak, dar kesitte daha büyük kayma etkileri elde edilmiştir.

Yüksek kesit oranına sahip mikrokanallarda (AR=H/W>1), kanalın genişliği

boyunca etkiyen daha büyük kayma kuvvetleri, parçacıkların kanalın yüksekliği

boyunca dengeye gelmelerini sağlar (Şekil 2.5c). Böylece kanalın merkezinde

parçacık bulunmayan bir bölge oluşmaktadır. En dar kesit boyunca, daha büyük

atalet kaldırma kuvvetleri ayrıca fokuslanma için gerekli kanal uzunluğunu

azaltmaktadır. Pek çok mikroakışkanuygulamasında parçacık ayrıştırılması için kısa

uzunluklar gerektirdiğinden avantajlıdır[74].

2.2.1 GeniĢleyen daralan doğrusal mikrokanallar

Doğrusal mikrokanallarda parçacığın fokuslanma mekanizması atalet etkilerinin iki

bileşeni ile açıklanabilir; çeper etkisi ile oluşan kaldırma kuvveti ve kayma etkisi ile

oluşan kaldırma kuvveti.

Park ve diğerleri, dar bir mikrokanalda ani genişleme gerçekleştiğinde, çeper etkisi

ile oluşan kaldırma kuvveti sıfıra kadar düşecek ve parçacıklar kayma etkisi ile

oluşan kaldırma kuvvetini yok etmek için genişleme alanının merkezine doğru

hareket edeceklerdir [75,76]. Fakat mikrokanalın bir tarafı sürekli çeper etkisi ile

oluşan kaldırma kuvveti bileşenine sahipken, kanalın diğer kısmında genişleme etkisi

görülmektedir. Bu mikrokanalda iki adet fokus görülmesinin asıl sebebi budur.

Kanalın daralma kısmından önce açılı bir yol oluşturulması, kanal içindeki kuvvet

dengesini sağlamak için yapılmıştır; çünkü parçacıklara etkiyen çeper etkisi ile

oluşan kaldırma kuvveti kanal duvarına diktir. Kanalın daralma kısmında açı

oluşturularak, bu kuvvetin parçacık üzerinde direkt etki etmesi engellenmektedir.

20


FG:Kayma etkisi ile oluşan atalet kuvveti FW:Çeper etkisi ile oluşan

atalet kuvveti



atalet kuvveti



atalet kuvveti

21

3.PDMS TABANLI MĠKROKANAL ÜRETĠMĠ

PDMS tabanlı mikrokanalların üretimi üç temel aşamadan oluşmaktadır: Litografi,

PDMS döküm ve plazma yapıştırma. Şekil 3.1’de üretim işlemi şematik olarak

gösterilmektedir.

ġekil 3.1 : PDMS mikrokanalların üretim şeması

3.1 Asetat Maske Üretimi

Tasarımda kullanılan mikrokanallar, TANNER TOOLS L_EDIT 13.0 programında

çizilmiş ve A4 asetat kağıt üzerine 10000 DPI’da bastırılmıştır. Maskenin şeffaf

ġekil 3.2 : Asetat maske

22

mikrokanal bölgesi UV ışığı geçirirken, siyaha boyanan kısmı geçirmeyecektir. Bu

şekilde litografi işleminde sadece UV ışığın geçtiği yerlerde katılaşma sağlanacaktır.

3.2 Si-pul(wafer) Üzerine Fotorezist Kaplanması

Si-pul ilk olarak DI su (De-iyonize su ) le yıkanmış ve azot gazı ile kurutulmuştur.

Kaplama malzemesi olarak SU-8 kullanılmaktadır. Bu malzemenin viskozitesi

yüksek olduğundan Si-pul üzerine eşit olarak kaplamak çok zaman almaktadır.

Spinner(Laurell WS 400 B) kullanarak kaplama işlemi kısa sürede yapılmaktadır.

ġekil 3.3: Si-pulun spinnera yerleştirilmesi.

Spinnera Si-pulu yerleştirirken merkezlemenin yapılması önemlidir. Aksi takdirde

üniform olmayan merkezkaç kuvvetlerinin etkisiyle farklı SU-8 yükseklikleri

oluşabilir. Bu nedenle Si-pul tutucu kullanılmaktadır.

ġekil 3.4: Si-pul üzerine SU-8 dökülmesi.

23

Si-pul yerleştirildikten sonra merkezine yaklaşık 4ml SU-8 dökülür. Hava

kabarcığının olmaması için dökme işlemi Si-pula yakın ve yavaş bir şekilde

yapılmalıdır.

İstenen kaplama kalınlığını elde etmek için Şekil 3.5’de verilen MicroChem

firmasının önerdiği değerlere göre iki aşamada kaplama yapılır;

ġekil 3.5 : İstenen SU-8 kalınlığı için gereken dönme hızları [55].

1- 100 rpm hızlanma ile 500 rpm’de 10 saniye (SU-8’in yayılması için)

2- 300 rpm hızlanma ile 3000 rpm’de 30 saniye (İstenilen SU-8 yüksekliği için)

Bu şekilde 25μm civarında SU-8 yüksekliği elde edilmektedir.

3.3 Litografi

Kaplama işleminden sonra, Si-pulun 95 °C’de 15 dakika PRAZITHERM marka

sıcak tabla üzerinde ısıtılması gerekir.Isıtma işlemi ile ilgili MicroChem firmasının

önerdiği değerler Çizelge 3.1’de gösterilmektedir. Bu aşama sonunda SU-8, Si-pul

ile güçlü bağlar oluşturur ve bağlanma enerjisi artar.

24

Çizelge 3.1 :SU-8 kalınlığına göre gereken ön ısıtma süreleri [55].

Kalınlık

(μm)

Isıtılma Süresi

(Dakika)

4 – 10 2 – 3

8 – 15 5 - 10

20 – 50 10 - 15

30 - 80 10 - 30

40 - 100 15 - 45

ġekil 3.6: Si-pulun sıcak tablada ısıtılması

Isıtma sonrası Si-pul Litografi cihazına (OAI Model 200) yerleştirilir. Si-pul üzerine

de maske yerleştirilir. Litografi cihazı için MICROCHEM firmasının hazırladığı

yükseklik-UV enerjisi değerleri tabloda gösterilmektedir.

Çizelge 3.2 :SU-8 yüksekliğine göre uygulanması gereken enerji miktarları [55].

Yükseklik

( μm )

UV Enerjisi

( Mj/cm2

)

4 - 10 100 - 200

8 - 15 125 - 200

20 - 50 150 - 250

30 - 80 150 - 250

40 - 100 150 - 250

25

ġekil 3.7 : Litografi cihazı.

İstenen yükseklik için uygulanması gereken enerji 250MJ/cm2’dir. Bu enerjiyi

sağlamak için 8 saniye Litografi işlemi uygulanır. İşlem sonunda maske, Si-pulun

üzerinden alınır ve Si-pula 2 aşamalı ara ısıtma uygulanır. MICROCHEM firmasının

ara ısıtma için belirlediği değerler tabloda verilmiştir.

Çizelge 3.3 :SU-8 yüksekliğine göre uygulanması gereken ara ısıtma süreleri [55].

Yükseklik

( μm )

Ara Isıtma Zamanı (

65 °C )

(Dakika)

Ara Isıtma Zamanı (

95 °C )

(Dakika)

4-10 1 1-2

8-15 1 2-4

20-50 1 3-5

30-80 1 3-5

40-100 1 3-5

Buna göre; Si-pul sıcak tablalarda öncelikle 65 °C’ de 1 dakika, ardından 95 °C ’ de

5 dakika bekletilir.

26

3.4 SU-8’e Developer Uygulanması

Litografi ve ara ısıtma aşamalarından sonra UV ışığı alan bölgelerdeki SU-8

katılaşmıştır. UV ışığı almayan bölgelerdeki SU-8’i Si-puldan uzaklaştırmak için

SU-8 developer kimyasalı kullanılır. Bu işlem için gerekli süre firmanın hazırladığı

tabloda gösterilmektedir.

Çizelge 3.4 :SU-8 yüksekliğine göre kimyasalda bekletme süreleri [55]

Yükseklik

( μm )

Kimyasalda Bekletme Süresi

( Dakika )

4-10 1-3

8-15 4-6

20-50 5-8

30-80 6-12

40-100 7-15

Bu tabloya göre; Si-pul SU-8 developer içine konularak yaklaşık 7 dakika çalkalanır.

Sonrasında Si-pul DI su ile yıkandıktan sonra azot gazı ile kurutulur ve 150 °C’deki

sıcak tabla üzerinde yaklaşık 2 saat bekletilir.

ġekil 3.8:SU-8 kaplanmış Si-pula, SU-8 developer uygulanması

27

3.5 SU-8 Master’ın Karakterizasyonu

Üretilen SU-8 master mikroskopta (Olympus DP 72) incelenerek hatalı yapı olup

olmadığı kontrol edilir. Bu işlemden sonra SU-8 Master’ın yüksekliği Profilometre

(Ambious XP 300 Plus Series) ile ölçülür. Bu işlemde SU-8 yüksekliğinin küçük bir

aralıkta değişmesi istenir.

ġekil 3.9: Profilometre analizi örneği

3.6 SU-8 Master Üzerine PDMS Dökülmesi

Mikrokanal için saydamlık ve cam yüzeye kuvvetli bir şekilde yapışma

özelliklerinden dolayı genellikle PDMS kullanılır. 45-50 gram sıvı PDMS’e karşılık

10/1 ağırlık oranında katılaştırıcı eklenerek iyice karıştırılır. Diğer yandan; SU-8

ġekil 3.10: PDMS karışımının SU-master üzerine dökülmesi.

master alüminyum folyo kaplanmış petri kabına yapıştırılır. SU-8 master üzerine

PDMS karışımı yavaşça dökülür ve vakum fırınına konulur. PDMS, içinde hava

28

kabarcığı kalmayana kadar yaklaşık 45 dakika bekletilir. Ardından 75 °C’de 2 saat

ısıtılarak PDMS’in katılaşması sağlanır.

PDMS soğuması için en az 12 saat bekletilir. Sonra, neşter kullanılarak hava aldırılan

PDMS SU-8 master üzerinden çıkarılır. Böylece kanal profili PDMS üzerinde elde

edilir. PDMS’de kanal profilinin olduğu maske kısmı kesilir ve puncher ile kanalın

giriş ve çıkış delikleri açılır.

ġekil 3.11: Vakum fırını ġekil 3.12: Plazma işlemi

3.7 Plazma ile PDMS ile Cam Lamelin YapıĢtırılması

PDMS ve cam lamel, izopropil alkol ve sonra DI su ile temizlenerek azot gazı ile

kurutulur. Sonrasında 45 °C’deki sıcak tablada yaklaşık 15 dakika alkol ve suyun

tamamen kuruması sağlanır. PDMS ve cam yüzeyi 3M marka bant ile temizlendikten

sonra PDMS kanal tarafı yukarı bakacak şekilde plazma cihazına (Harrick Plasma

PDC-002, ABD) yerleştirilir. Cihaz önce vakuma alınır ve sonrasında içeriye saf

oksijen gazı verilir. Plazma yüksek konumunda 30-40 saniye uygulanır. Daha sonra

yüzeye dokunulmadan PDMS kanallar ters çevrilerek cam lamel üzerine yapıştırılır

ve PDMS’in üzerine el ile hafifçe baskı yapılır. Son olarak bağ kuvvetlerini artırmak

için, 75 °C’deki sıcak tablada 15 dakika bekletilerek işlem tamamlanır.

29

4.KARAKTERĠZASYON

Üretimi tamamlanan mikrokanalların karakterizasyon işlemi mikroskop ile yapılır.

Parçacık hareketinin görüntüleri, 1360x 1024 çözünürlükte üst üste çekilen 50 resmin

biriktirilmesiyle elde edilir.

Parçacıkların fokuslanmasını incelemek için mikroskop programında bulunan

yoğunluk-mesafe grafiği kullanılır. Şekil 4.1’de örnek bir grafik gösterilmektedir.

ġekil 4.1: Yoğunluk – Mesafe grafiği

Deneyde kullanılan parçacık çözeltisi; 100 ml DI su içerisine 0,5ml 9,9μm çapındaki

floresanlı parçacık konsantresi eklenerek hazırlanır. Deneye başlamadan önce bu

çözelti manyetik karıştırıcıda( IKA RH basic 2) en az 5 dakika karıştırılarak homojen

bir karışım oluşturulur.

ġekil 4.2: Manyetik karıştırıcı

30

Karışımdan 20ml çözelti, daha önce içerisinden su geçirilerek temizlenmiş enjektöre

çekilir. Sonrasında enjektör pompaya (Harvard Apparatus Model II Plus Syringe

Pump) yerleştirilir.

ġekil 4.3: Enjektör pompası ġekil 4.4: Kanalın görüntülenmesi

PDMS kanalların üzeri 3M marka bant ile temizlendikten sonra mikroskoba

yerleştirilir. Kanal giriş ve çıkışında kullanılan ince boruların içerisinden su geçirilir.

Sonrasında ince borular enjektöre ve PDMS kanala takılarak giriş-çıkış bağlantıları

tamamlanır.

Pompaya debi, birim ve enjektör çapı değerleri girilerek deneye başlanır. Girilen debi

değerinde yaklaşık 15 dakika beklendikten sonra bir sonraki debi değeri girilir.

Böylece sistemin kararlı hale gelmesi sağlanır.

ġekil 4.5: Deney düzeneği

31

5.MALĠYET ANALĠZĠ

Proje maliyeti hesaplanırken kullanılan malzemelerin birim fiyatları elde edilmiştir.

Kullanılan miktarlar bazı malzemeler için kesin, bazıları içinse yaklaşık olarak

belirlenip malzeme maliyeti hesaplanmıştır.

Çizelge 5.1:Bir adetmikrokanalın üretim ve deney maliyeti (Dolar kuru 1,82 TL,

Euro kuru 2,32 TL alınmıştır)

Kullanılan

Malzeme

Birim Fiyatı Kullanılma

miktarı

Maliyeti

SU-8 2,0414 €/ml 4ml 8,1656 € (18,92

TL)

PDMS 139,57 €/kg 50gr 7,67 € (17,82 TL)

Silisyum Pul 40,12 TL/adet 1 40,12TL

İzopropil Alkol 3,75TL/lt 0,5 lt 1,87 TL

Geliştirici 11,25 TL/lt 0,2 lt 2,25 TL

Katılaştırıcı PDMS’e dahil 5 gr

N2 gazı 182,95TL/ 200

bar

3 bar 2,74 TL

O2 gazı 179,66TL/ 200

bar

1 bar 0,9 TL

Maske 6,13$/adet 1 6,13 $ ( 11,15 TL)

Polistren Yeşil

Parçacık

20,3$/ml 0,5ml 10,15 $ (18,47

TL)

Lamel 1,5TL/adet 1 1,5TL

Laboratuvar k. 50$/saat 10 500 $ ( 910 TL)

Toplam 10025, 74 TL

32

Ayrıca projenin çok büyük bir kısmı İTÜ MEMS Laboratuvarı’nın kullanımıyla

gerçekleştiği içinyaklaşık bir laboratuvar işletme maliyeti (cihaz, yazılım kullanımı

ve klima sisteminin çalıştırılması) belirlenmiştir.

Proje kapsamında toplamda altı adet kanal kullanılmıştır. Dolayısıyla proje maliyeti

6154,44 TL olarak hesaplanmıştır..

33

6.DENEYSEL ÇALIġMALAR VE SONUÇLAR

Mikrokanallarda farklı boyutlarda parçacıkların atalet etkisiyle ayrıştırlıması

incelenirken, öncelikli olarak parçacıkların fokuslanması, denge pozisyonlarının

konumu ve sayısı incelenmektedir. Farklı boyutlardaki parçacıkların farklı

bölgelerde sıralanarak hareket etmesi, bu bölgelere uygun geometrilerde çıkış

tasarlanarak yüksek verimli ayrıştırmayı mümkün kılmaktadır. Atalet etkisiyle

ayrıştırmada, parçacıkların fokus kalitesi ve denge sayısı mikrokanal geometrisine

güçlü şekilde bağlı olduğu için, farklı kanal tiplerinin incelenmesi bu çalışmanın

temel amacını oluşturmaktadır. Bu nedenle, genişleyen-daralan doğrusal kanallar ve

dönel kanallar kullanılarak ayrıştırma verimi incelenmiştir.

Parçacık fokuslanmasını inceleyebilmek için tek tip parçacık boyu (9,9 μm)

kullanılmıştır. Sıvı-parçacık karışımı %0,5 hacim oranı kullanılarak hazırlanmıştır.

Akış debileri, parçacık Reynolds sayısına göre belirlenmiş olup, doğrusal kanallarda

debiler 30 dakika aralıklarla 20 µl/dak, dönel kanallarda ise 10 dakika aralıklarla 250

µl/dak farklarla artırılmıştır. Yapılan çalışmalarda, atalet kaldırma kuvvetlerinin

Rep>1 olduğu durumlarda daha baskın hale geldiği ve parçacığın denge konumuna

doğru hareket etmesini sağladığı bilinmektedir[77]. Tüm deneyler mikroskop

yazılımında 50 adet görüntünün biriktirilmesi ile analiz edilmiştir.

6.1 GeniĢleyen-Daralan Doğrusal Kanal Deney Analizleri

Doğrusal kanallarda genişleyen daralan geometri çalışmaları yapılmıştır. Daralan

kesitlerdeki açılar değiştirilerek parçacıklar üzerine etkiyen atalet kuvvetleri etkileri

çalışılmıştır. Parçacık fokuslanması bu çalışmada farklı debi değerlerinde elde

edilmiştir. Diğer ölçüler sabit tutularak mikrokanalın daralan kısmının girişindeki

açılar değiştirilmiştir.

Parçacık çapının kanal hidrolik çapına oranı 9.9µm’lik parçacık için daralan bölgede

0,2475, genişleyen bölgede 0,1732 olarak hesaplanmıştır ( ap/Dh = 0,1732 > 0.07).

Kanal genişleme-daralma bölgesi 80 adettir. Sistem 1 giriş, 2 çıkışlı olarak

tasarlanmıştır. Görüntüler kanalın çıkış bölgesinden alınmıştır.

34

ġekil 6.1:Doğrusal mikrokanal tasarımında belirlenen genişlikler ve açı değerlerinin

şematik gösterimi.

Çizelge 6.1: Doğrusal mikrokanallar için genişleme ve daralma kısımlarında

belirlenen genişlikler ve üç farklı açı değeri.

Genişlik 100µm

Genişlik 40µm

Yükseklik 40µm

α 30 45 60

Parçacıkların fokuslanma mekanizmasını etkileyen önemli parametrelerden biri

parçacık Reynolds sayısı (Rep) dır:

(6.1)

(6.2)

Burada ap parçacık çapı Dh hidrolik çap, ρ yoğunluk, µviskozite, Uf ortalama akış

hızıdır.

Doğrusal kanal tasarımları için debilere göre Rep sayıları Çizelge 6.2’de

belirtilmiştir.

35

Çizelge 6.2: Debi değerlerine genişleme ve daralma bölgelerinde göre hesaplanan

Rep sayıları

Debi

(µl/dak)

Rep

GeniĢleme Bölgesi

Rep

Daralma Bölgesi

90 0,64 2,29

105 0,75 2,68

120 0,85 3,06

140 1,00 3,57

160 1,14 4,08

180 1,28 4,59

200 1,42 5,10

6.1.1 30˚lik doğrusal mikrokanal deney sonuçları ve analizleri

30˚’lik Doğrusal mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekil 6.2’de gösterilmiştir.

AKIġ DEBĠSĠ

(µl/dak) 30˚ Doğrusal Kanal

90

105

120

140

160

ġekil 6.2: 30˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Parçacık Görüntüleri

36


Genişliği(µ)-Rep Grafikleri

90µl/dak debide,mikrokanalın daralan bölgesinde tek fokus oluştuğu gözlenmiştir.

Kanalın genişleyen bölgesinde ise iki fokus çizgisi gözlenmiş fakat daralan

bölgedeki fokus çizgisinin genişleyen bölgede çok yoğun olması, gözlemlenen ikinci

fokus çizgisinin ihmal edilebilir olabileceğini göstermektedir.

105µl/dak debide, fokuslanma davranışı benzer olmakla birlikte, fokusun

yoğunluğununarttığı gözlenmiştir. Buna ek olarak, kanalın genişleyen bölgesinde

fokusun genişlediği görülmüştür.

120µl/dak debide,kanalın daralan bölgesinde birbirine çok yakın iki fokus

gözlenmiştir. Kanalın genişlen bölgesinde ise bu iki fokus çizgisinin birbirinden

uzaklaştığı gözlenmiştir.

140µl/dakdebide, kanalın hem daralan, hem de genişleyen bölgelerindeki iki fokus

birbirinden uzaklaşmaya başlamıştır.

160µl/dakdebide, fokus çizgisi sayısı artmış, fokus yoğunluğu da buna bağlı olarak

azalmıştır. Parçacıklar dağılmaya başlamıştır.

37


45˚’lik Doğrusal mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekilde 6.4’te

gösterilmiştir.

AKIġ DEBĠSĠ


90

105

120

140

160

180

200


90 µl/dak debide, kanalın her bölgesinde tek fokus gözlenmiştir. 30˚’lik eğime sahip

genişleyen-daralan kanalda, 90 µl/dak debide sadece kanalın daralan bölgesinde

oluşan tek fokus, bu kanalda genişleyen bölgede de gözlemlenmiştir.

105 µl/dak debide, fokuslanma davranışı benzer olmakla birlikte, fokusun

yoğunluğununarttığı gözlenmiştir. Buna ek olarak, kanalın genişleyen bölgesinde


38



120 µl/dak debide, kanalın genişleyen bölgesinde iki fokus, daralan bölgesinde ise

tek fokus oluştuğu gözlenmiştir. 30˚’lik eğime sahip genişleyen-daralan kanalda, 120

µl/dak debide kanalın her iki bölgesinde oluşan iki fokusun bu kanalda daralan

bölgede yerini tek fokusa bıraktığı görülmüştür.

140 µl/dak debide, kanalın daralan bölgesinde birbirine çok yakın iki fokus

gözlenmiştir. Kanalın genişlen bölgesinde ise bu iki fokus çizgisinin birbirinden

uzaklaştığı gözlenmiştir.

160 µl/dak debide, fokuslanma davranışı benzer olmakla birlikte, üçüncü fokus

çizgisi gözlenmiştir. Buna ek olarak yoğun olan fokus çizgisinin kanal merkezinden

üst çepere doğru uzaklaştığı gözlenmiştir.



bölgesinde ise birden fazla fokus gözlenmiştir. Ayrıca daha yoğun olan fokus

çizgisinin kanal çeperine daha çok yaklaştığı gözlenmiştir.

200 µl/dak debide, fokuslanma davranışı 180 µl/dak debi ile oldukça benzerlik

göztermektedir.


60˚’lik doğrusal mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekil 6.6’da gösterilmiştir.

90µl/dak debide, mikrokanalın daralan bölgesinde tek fokus oluştuğu gözlenmiştir.

Kanalın genişleyen bölgesinde ise iki fokus çizgisi gözlenmiş fakat daralan

bölgedeki fokus çizgisinin genişleyen bölgede çok yoğun olması, gözlemlenen ikinci

39

AKIġ DEBĠSĠ


90

105

120

140

160

180

200


ġekil 6.7:60˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal


40

fokus çizgisinin ihmal edilebilir olabileceğini göstermektedir. 30˚’lik ve 45˚’lik

eğime sahip genişleyen-daralan kanallara kıyasla, aynı hızlardaki parçacık fokus

çizgisi yoğunluğunun bu kanalda daha fazla olduğu gözlenmiştir.

105 µl/dak debide, fokuslanma davranışı benzer olmakla birlikte, fokusun

yoğunluğunun arttığı gözlenmiştir. Buna ek olarak, kanalın genişleyen bölgesinde


120 µl/dak debide, kanalın her bölgesinde tek fokus gözlenmiştir. 45˚’lik eğime

sahip genişleyen-daralan kanalda, 120 µl/dak debide sadece kanalın daralan

bölgesinde oluşan tek fokus, bu kanalda genişleyen bölgede de gözlemlenmiştir.

140 µl/dak debide, kanalın daralan bölgesinde birbirine çok yakın iki fokus

gözlenmiştir. Kanalın genişlen bölgesinin bitimine yakın bölgede ise bu iki fokus

çizgisinin birbirinden uzaklaştığı gözlenmiştir.

160 µl/dak debide, çift fokus dağılmaya başlamış, ve kanalın her bölgesinde üç fokus

çizgisi gözlenmiştir.

180 µl/dak debide, kanalın her bölgesinde 140 µl/dak debide olduğu gibi tekrar iki

fokus gözlenmiştir. Fakat bu debide fokus çizgileri, kanal merkezinden uzaklaşıp,

kanal üst çeperine doğru yaklaşmıştır. Ayrıca daha az yoğun olan fokus çizgisi, kanal

çeperine daha çok yaklaşmış olarak gözlenmiştir.



bölgesindeki iki fokusun kanal merkezinden uzaklaşarak birbirlerine daha çok

yaklaştığı gözlenmiştir.

6.1.4 Fokus yoğunluk analizleri

Yapılan deneylerdeki profil analizleri mikroskop yazılımı ile yapılmıştır. Bu analizle

hangi fokus çizgilerinin ihmal edilebileceği karar verilebilmektedir. Bunu

gerçekleştirmek amacıyla her görüntü için profil grafikleri alınmıştır. Örnek olarak

Şekil6.8’de ölçüm yapılan bir grafik ve fokus bölgeleri gösterilmiştir.

Grafiğin X ekseni mikroskobun algıladığı piksel sayısını göstermektedir. Kanalın

genişliği iki mavi çizgi arasındaki piksel sayısı ile ifade edilmektedir ve µm

cinsinden ifade etmek için düzeltme yapılması gerekmektedir. Kanal genişliğitasarım

parametrelerinden biri olduğundan karşılaştırma yapabilmek için tüm veriler gerçek

değerlerine çevrilmiştir. Y ekseni ise parçacık yoğunluğunu göstermektedir. Kanal

kesiti boyunca farklı değerler almaktadır. Bu eksende ölçülen yoğunluk mikrokanalın

41

belirli kısmından geçen parçacık miktarı anlamına da gelmektedir. Bu açıdan bu

değer farklı açı tasarımlarının karşılaştırmasında kullanılabilir.

ġekil 6.8: Örnek Bir Profil Analiz Grafiği

Yüksek yoğunluklu parçacık fokus akış çizgisi elde etmekönemlidir; fakat bu akış

çizgisinin dar yüksek yoğunluklu fokus olması daha da önemlidir. Bu sebeple

tasarımların karşılaştırılmasında yoğunluk/fokus genişliği kullanılmıştır.

Yoğunluk/fokus genişliği aynı mikrokanalı karşılaştırmak için kullanılabilir; fakat

farklı açılı kanalları karşılaştırbilmek için debi değerinin bu formüle adapte edilmesi

gerekmektedir. Bu gereksinimler sonucunda akış debisinin de eklenmesiyle

karşılaştırma yapacağımız formül Denklem 6.3 ile gösterilmiştir.

(6.3)

Veriler profil grafiklerinden alınarak ve karşılaştırma değeri hesaplanarak Rep-

Karşılaştırma değeri grafikleri çizdirilmiştir. Üst fokus, parçacıkların tasarımda düz

olan mikrokanal çeperine yakın bir bölgede denge konumuna ulaştığı anlamına

gelmektedir; alt fokus ise genişleme ve daralmanın sağlandığı çepere yakın

fokuslandığı anlamına gelmektedir. Tek fokus ise parçacıkların sadece tek bir akış

çizgisinde dengeye geldiği ve diğer fokusların ihmal edilebileceği anlamına

gelmektedir.

Bu grafikler değerlendirilmesi sonucunda şu sonuçları çıkarabiliriz;

30˚’lik doğrusal mikrokanalda 90 ve 105 µl/dak debilerinde tek fokus görülmüştür.

120 ve 140 µl/dak debilerinde iki fokus görülmüştür. 160 µl/dak debisinde üç adet

fokus görülmektedir ve yoğunlukları giderek azalmaktadır.

42

ġekil 6.9: 30˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi) –

Rep Grafiği


– Rep Grafiği

45˚’lik doğrusal mikrokanalda 90 ve 120 µl/dak debilerinde karşılaştırma değerleri

eşit gibi görünse de kanal kesiti içindeki konumları farklıdır. En iyi fokus 105

µl/dak’da elde edilmiştir. 160 µl/dak’dan sonra parçacıklar kanalın üst kısmında

fokuslanmışlardır.

43


– Rep Grafiği

60˚’lik doğrusal mikrokanalda 105 µl/dak’ya kadar olan debi değerlerinde fokus

yoğunluğu artmıştır. 160 µl/dak’da kanalın daralma kısmında iki fokus görülürken

genişleme kısmında üç adet fokus görülmektedir. 180 µl/dak ve 200 µl/dak’da ise

fokus kanalın üst kısmında oluşmuştur.

6.2 DönelMikrokanal Deney Analizleri

Dönel kanallarda, tüm ölçüler sabit tutulup, kanalın dönüş açısının 180˚, 225˚ ve

270˚ olarak tasarlanması ile atalet kuvvetlerinin ve dean akışının parçacıklara etkisi

incelenmek istenmiştir. Mikrokanal ölçüleri Şekil 6.12’de gösterilmiş olup, değerleri

Çizelge 6.3’de belirtilmiştir.

Kanalların karakterizasyonu için 0,5 ml yeşil florosan(9,9μm) parçacık, 0,5ml

kırmızı florosan parçacık 100ml DI su ile karıştırılarak karışım

hazırlanmıştır.250µl/dak’dan 3750µl/dak’ya kadar 10 dakika aralıklarla 250µl/dak

arttırılarak deneyler yapılmıştır.Parçacıkların fokuslanmasında etkili olan Dean sayısı

ve parçacık Reynolds sayıları hesaplanmıştır (Çizelge 6.4)

44

ġekil 6.12:Dönel mikrokanal tasarımları a) 180˚ b) 225˚ c) 270˚

Çizelge 6.3: Dönel mikrokanal tasarımında kullanılan genişlikler ve açılar

W - Kanal Genişliği (μm) 330

H - Kanal Yüksekliği(μm) 40

R - Dönellik Yarıçapı(μm) 2000

α 180 225 270

Çizelge 6.4:Dönel mikrokanallar için Reynolds ve Dean sayıları, ataleαααt

kuvvetlerinin Dean sürüklenme kuvvetine oranı

µl/dak Re De FL/FD

250 22,52 3,01 3,72

500 45,05 6,02 4,81

750 67,57 9,02 5,58

1000 90,09 12,03 6,21

1250 112,61 15,04 6,75

1500 135,14 18,05 7,22

1750 157,66 21,06 7,64

2000 180,18 24,06 8,03

2250 202,70 27,07 8,38

2500 225,23 30,08 8,72

6.2.1 180˚lik dönel mikrokanal deney sonuçları ve analizleri

Daha önce yapılmış olan çalışmalarda, 180˚ dönüşe sahip dönel mikrokanallarda

simetrik kanal geometrisi sebebiyle çift fokus görüldüğü bildirilmiştir. Di Carlo ve

diğerleri, Dean sayısının çok büyük olduğu debi değerlerinde tek fokus gözlemlemiş,

bu tek fokusun kanalın dönüş bölgesinden önce yakın olduğu çeperden, dönüş

45

bölgesinden sonra diğer çepere doğru yer değiştirdiğini ayrıca rapor etmişlerdir[68].

Ayrıca aynı çalışmada kanal asimetrisinin artması ile daha düşük debilerde tek fokus

oluştuğu gözlemlenmiştir.

180˚’lik dönel mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekil 6.13’de gösterilmiştir.

250 500 750 1000 1250

1500 1750 2000 2250 2500

ġekil 6.13: 180˚ dönel mikrokanal deney görüntüleri

ġekil 6.14: 180˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği

250 µl/dak ve 500 µl/dak debilerde, kanal merkezine yakın oluşan tek fokus

gözlenmiştir.

750 µl/dak -1250 µl/dak debi aralığında, kanal çeperlerine yakın iki fokus çizgisinin

oluştuğu gözlenmiştir. Daha düşük debilerde kanal merkezinde görülen tek fokus

çizgisi yer değiştirerek, kanal çeperlerine yakın iki fokus çizgisine dönüşmüştür.

1500 µl/dak - 2250 µl/dak debi aralığında çift fokus durumunun devam etmekte

olduğu, buna ek olarak fokus çizgilerinin debi arttırıldıkça birbirine yaklaştığı

gözlenmiştir. Debi arttırıldıkça akış profili değişmekte ve kayma oranı CL

46

düşmektedir. Ayrıca dean vorteksleri de büyümekte ve dean sürüklenme kuvveti

artmaktadır. Bunun sonucunda parçacık denge pozisyonları kanal merkezine doğru

yer değiştirmekte ve böylece iki fokus birbirlerine yaklaşmaktadır (Şekil 6.14).

2500 µl/dak debide daha düşük debilerde gözlenen çift fokusun birleşerek tek fokus

çizgisi oluşturduğu gözlenmiştir.


Di Carlo ve diğerleri 180˚ dönel mikrokanallarda asimetrik özellikleri kanal genişliği

ile veya eğrisellik yarıçapı ile sağlayarak oluşan çift fokusun bozulacağından

bahsetmişlerdir [68].225˚ dönel mikrokanal diğer parametreler sabit

tutularakdönellik açısının değiştirilmesi ile ve çift fokusu bozabilmek için

tasarlanmıştır.


250 500 750 1000 1250

1500 1750 2000 2250 2500


250 µl/dak ve 500 µl/dak debilerde, kanal çeperlerine yakın şekilde iki fokus

gözlenmiştir.

750 µl/dak - 2250 µl/dak debi aralığında çift fokus durumunun devam etmekte

olduğu, buna ek olarak fokus çizgilerinin debi arttırıldıkça birbirine yaklaştığı

gözlenmiştir. Debi arttırıldıkça akış profili değişmekte ve kayma oranı CL

düşmektedir. Ayrıca dean vorteksleri de büyümekte ve dean sürüklenme kuvveti

artmaktadır. Bunun sonucunda parçacık denge pozisyonları kanal merkezine doğru

yer değiştirmekte ve böylece iki fokus birbirlerine yaklaşmaktadır (Şekil 6.16).

2500 µl/dak debide daha düşük debilerde gözlenen çift fokusun birleşerek tek fokus

çizgisi oluşturduğu gözlenmiştir.

47

ġekil 6.16:225˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği


270˚ dönel mikrokanal tasarımı, daha önce Asgar ve diğerleri tarafından çalışılmış

olan spiral mikrokanal geometrisi yüksek ayrıştırma verimi sağlamaktadır. Fakat bu

kanalın dezavantajı paralel tasarımlara elverişli olmaması ve oldukça büyük yer

kaplamasıdır. Bu noktadan hareketle 270˚ dönel mikrokanallar tasarlanmıştır.


250 500 750 1000 1250

1500 1750 2000 2250 2500


250 µl/dak debide kanal merkezine yakın oluşan tek fokus gözlenmiştir.

500 µl/dak debilerde, tek fokus durumunun devam etmekte olduğu, fakat fokus

çizgisinin kanal merkezinden kanal çeperine doğru yer değiştirdiği gözlenmiştir.

48

750 µl/dak -1250 µl/dak debi aralığında, kanal çeperlerine yakın iki fokus çizgisinin

oluştuğu gözlenmiştir. Daha düşük debilerde kanal merkezinde görülen tek fokus

çizgisi,bu debi aralığında kanal çeperlerine yakın iki fokus çizgisine dönüşmüştür.

1500 µl/dak - 2500 µl/dak debi aralığında kanal merkezine yakın tek fokus durumu

gözlenmiştir. Daha düşük debilerde kanal çeperine yakın iki fokus çizgisi, kanal

merkezine yakın tek fokus çizgisine dönüşmüştür(Şekil 6.18).

ġekil 6.18:270˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(μ)- Dean Sayısı Grafiği

6.2.3 Fokus yoğunluk analizleri

Mikroskop yazılımından alınan fokus yoğunluğu ve genişliği değerlerine göre

Denklem 6.3 kullanılarak karşılaştırma değerleri hesaplanmıştır. Çizelge 6.4’te

hesaplanan Dean sayılarına göre çizdirilen karşılaştırma değerleri Şekil 6.19 ve Şekil

6.20’de gösterilmiştir.

Tüm kanal tiplerinde düşük debi değerlerinde yeşil parçacıklar kanal profiline

yayılmış şekilde görülmektedir. Kanal asimetrisine bağlı olarak artan debi

değerlerinde çift veya tek fokus görülmektedir.

Şekil 6.19a’da 180˚ dönel mikrokanalda çift fokus görülmektedir. Fokus

birbirlerinden ayrık değildir. Yüksek Dean sayılarında tek fokus görülmüştür. Bunun

sebebi artan Dean sayısı ile atalet kuvveleri (FL) ve Dean sürüklenme kuvveti (FD)

kuvvetleri artmaktadır. Fakat atalet kuvvetleri, sürüklenme kuvvetinden daha fazla

arttığından FL/FD oranı artmakta ve parçacıklar denge konumuna gelmektedirler.

49

Şekil 6.19b’de 225˚ dönel mikrokanal simetrik ve asimetrik tasarımlar arasında geçiş

oluşturmaktadır. Ancak 225˚ dönel mikrokanal daha fazla simetrik özellikler

göstermektedir. Bu sebeple yoğun olarak çift fokus görülmektedir.

ġekil 6.19: a)180˚ve b) 225˚ Dönel mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x

Akış Debisi) – Dean Sayısı grafiği

Şekil 6.20’de 270˚dönel mikrokanaldaki asimetrik etkiler görülebilir. Düşük Dean

sayılarından itibaren tek fokus görülmeye başlanmıştır. Kararlı tek fokus bölgesi

De=18’den itibaren görülmektedir. Tek fokusların görülmesinin sebebi kanalın tam

asimetrik özellikte tasarlanmış olmasıdır. Çift fokus düşük debilerde ve çok küçük

bir aralıkta görülmektedir.

ġekil 6.20:270˚ Dönel mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi) –

Dean Sayısı grafiği

a) b)

51

7.DEĞERLENDĠRMELER

30˚, 45˚ ve 60˚ doğrusal mikrokanal tasarımlarında, çeper etkisi ile oluşan kaldırma

kuvveti x ve y bileşenleriyle açıklanmıştır. Çeper etkisi ile oluşan kaldırma

kuvvetinin y bileşeni kanalın alt kısmında oluşan fokusu dağıtıcı etki

oluşturmaktadır. Bu da daralan kısmın alt tarafındaki fokusun dengelenmiş halde

kalmasını engellemektedir. Kanalın alt kısmında meydana gelen fokus üzerindeki bu

etki, parçacıkların bu kuvveti dengelemek için kanalın üst kısmına doğru hareket

etmeleri ile sonuçlanmaktadır.

Farklı açılı mikrokanallarda farklı debilerde tek fokus elde edilmesinin sebebi, çeper

etkisi ile oluşan kaldırma kuvvetinin x bileşeni ile açıklalanabilir. Bu bileşen akış

yönüne ters yönde etki ettiğinden, ana akışın parçacık üzerindeki etkilerini

azaltmaktadır. Daralma açılarına bağlı olarak, x bileşenin büyüklüğü farklı değerler

almaktadır. 60˚’lik tasarımda çeper etkisi ile oluşan kaldırma kuvvetinin x bileşeni en

büyük değerini alırken, 45˚’lik tasarımda 60˚’ye göre daha az ve 30˚’lik tasarımda en

küçük değeri almaktadır. x bileşeninin büyüklüğü arttıkça, parçacığa ana akış

yönünde etki eden toplam kuvvet azalacağından, parçacığın hareketi daha fazla

engellenmiş olur. 60˚’lik doğrusal mikrokanallarda daha yüksek debilerde tek fokus

elde edilmesinin asıl sebebi budur. Çünkü parçacıklara etki eden çeper etkisi ile

oluşan kaldırma kuvvetinin x bileşeni arttıkça, y bileşeni parçacıkları daha fazla

etkietmektedir. Bu nedenle yüksek debilerde parçacıklar kanalın üst kısmına doğru

hareket ederek tek fokus elde edilebilmektedir.

180˚, 225˚ ve 270˚ dönel mikrokanal tasarımlarının hepsinde gözlemlenen ilk bulgu

debi artışı ile fokus çizgilerinin kanal çeperinden uzaklaşmasıdır. Parçacıkların fokus

çizgilerinin hız arttıkça kanal çeperlerinden uzaklaşması teorik verilerle de

uyuşmaktadır. Dönel kanalın iç dönüş bölgesinde FL kuvvetinin yönü kanal çeperine

doğruyken, FD kuvvetinin yönü kanal merkezine doğrudur. Hız arttıkça, FL kuvvetine

etkileyen kayma oranı CL düştüğü için, parçacık fokuslanması gittikçe kanal

merkezine doğru yaklaşmaktadır.

52

Deneysel verilere göre, parçacıkların denge konumuna geldikleri ve tek fokus

oluşturdukları FL=FD durumunun teorik hesaplarda saptanan akış hızından daha

düşük hızlarda gerçekleşmektedir. Bunun nedeninin, CL katsayısının hız arttıkça

düşmesinin teorik hesaplara dâhil edilememesi olduğu söylenebilir.

Dönel mikrokanallarda en iyi fokus durumu 270˚ dönel mikrokanallarda tespit

edilmiştir. Tek fokus durumunun bu kanallarda 1500 μl/dak debiden itibaren

sağlanabildiği ve daha geniş bir aralıkta ayrıştırma çalışmalarının yapılabileceği

gözlenmiştir.

Daha önce yapılmış çalışmalar arasında dönel profile sahip geometriler içerisinde en

yüksek verim spiral kanallardan (≈ 360˚ dönellik) alınmıştır[78]. Bu çalışmada da en

iyi sonucun 270˚ dönel kanallardan alınması neticesinde, dönellik açısındaki

artmanın parçacık fokuslanması verimini arttırdığı söylenebilir. Spiral geometriye

göre 270˚ dönel kanalların paralel kanallardan oluşan mikroakışkan sistemlere daha

uygun olması, daha az yer kaplaması önemli avantaj olarak gösterilebilir.

Dönel kanal tasarımlarında çıkış bölgesi ölçüleri tayin edilirken, teorik hesaplar ve

daha önceki çalışmalar göz önünde bulundurulmuş, (önceki çalışmalarda tek fokus

çizgisinin kanal çeperlerine yakın şekilde elde edilmiş olduğu bildirilmiştir.) ve

birbirine eşit iki çıkışa sahip mikrokanallar tasarlanmıştır. Deneysel sonuçlara göre,

dönel kanallarda yüksek debilerde elde edilen tek fokusun kanal merkezine yakın

şekilde oluştuğu gözlendiğinden, bu çalışmada yapılmış olan kanal tasarımının çıkış

bölgelerinin 2 yerine 3 adet alınması ve deneysel verilere göre yeniden tasarlanması

gerekmektedir. Tasarımlarda dönellik açısını paralel mikrokanal tasarımına uygun

şekilde 270˚’den daha fazla arttırmak mümkün olmamaktadır.

Genişleyen-daralan doğrusal kanallarda en iyi fokuslanma durumu 105 µl/dak debide

saptanırken, dönel kanallarda 2500 µl/dak debiye kadar tek fokus durumunun

gözlenmesi, daha hızlı sonuç alınabilmesi açısından dönel kanalları avantajlı hale

getirmektedir. Bunun yanı sıra, genişleyen-daralan doğrusal kanallarda daha düşük

debilerde çalışıldığından oluşan fokus çizgisi konumu daha kolay kontrol edilebilir

ve oluşan fokus genişliği, dönel mikrokanallarda oluşan fokus çizgisine göre daha

dardır. Bu da daha yüksek oranda parçacık ayrıştırılmasını sağlamaktadır. Ayrıca

doğrusal kanallarda, düşük debilerde akış içerisinde oluşan basınç farkları az

olmaktadır. Bu durum ileride mikro akışkan sistemleriyle yapılacak hücre

ayrıştırması işlemlerinde hücrelerin zarar görmeden ayrıştırılabilmesine imkân

sağlayacaktır.

53

Sonuçlardan elde edilen temel bulgular;

Tüm kanallarda tek fokus bölgesi gözlenmiştir.

Dönel kanalların tümünde oldukça yüksek hızlarda tek fokus bölgesi elde

edilirken (≈2500 µl/dak), genişleyen-daralan doğrusal kanallarda en iyi sonuç

105 µl/dak’da alınmıştır.

Dönel kanallarda dönellik açısının artmasının daha verimli bir ayrıştırma

sağlayabileceği tespit edilmiştir.

Bu çalışmadan alınan sonuçlar doğrultusunda, kanal çıkış bölgeleri deneysel

verilere göre yeniden tasarlanarak farklı boyutlardaki parçacıkların

ayrıştırılma veriminin ölçülmesi, daha ileri aşamada ise canlı hücrelerle

deneylerin yapılması planlanmaktadır.

Mikro akışkan sistemlerinin medikal alanlardaki farklı kullanımlarına bağlı olarak

artan bir ivme ile geliştiği ve yaygınlaştığı bilinmektedir. Akışın kontrolü üzerine bir

çok mikro akışkan sistemi geliştirilmesine rağmen, parçacıkların sistemdeki

davranışlarının belirlenmesinde yapılan çalışmalar oldukça azdır. Parçacık

ayrıştırmasına amacıyla tasarlanan mikro akışkan sistemleri, hücre ayrıştırma

sistemlerine temel oluşturacaktır.

Son zamanlarda sağlık, elektronik ve enerji alanlarında yapılan

çalışmalar,nanoparçacıkların geniş bir uygulama potansiyeline sahip olduğunu

göstermektedir. İnsan sağlığını ve çevreyi nanoparçacıkların beklenmeyen

etkilerinden korumak amacıyla, nanoparçacıkların ayrıştırılması ve filtrelenemesi

önem arzetmektedir. Bu sebeple, parçacıkların akışkan içerisindeki davranışını

anlamak ve kontrollerini sağlamak açısından mikro akışkan sistemlerinin

tasarlanması gerekmektedir.

55

KAYNAKLAR

[1] Nguyen, N.T. & Wereley, S.T. (2006). Fundamentals and Applications of

Microfluidics, Artech House, Inc., 2nd ed.

[2] Tabeling, P. (2005). Introduction to Microfluidics, Oxford University Press.

[3] Pamme, N. (2007). Continuous flow separations in microfluidic devices, Lab on

a Chip, vol. 7 pp. 1644–1659.

[4] Yamada, M. & Seki, M. (2005). Hydrodynamic filtration for on-chip

particleconcentration and classification utilizing microfluidics, Lab on

a Chip,vol. 5 pp. 1233–1239.

[5] Tsutsui, H. & Ho, C.M. (2010). Cell separation by non-inertial force fields in

microfluidic systems, Mechanics Research Coımmunications, vol. 36

pp.92–103.

[6] Lenshof, A. & Laurell, T. (2010). Continuous separation of cells and particles

inmicrofluidic systems, Chem. Soc. Rev., vol. 39 pp. 1203–1217.

[7] Deng, T., Prentiss, M., & Whitesides, G.M. (2002). Fabrication of

magneticmicrofiltration systems using soft lithography, Applied

Physics Letter,vol. 80 pp. 431–463.

[8] Pamme, N. & Manz, A. (2004). On-chip free-flow magnetophoresis:

Continuousflow separation of magnetic particles and agglomerates,

Anal. Chem.,vol. 76 pp. 7250–7256.

[9] Carr, C., Espy, M., Nath, P., Martin, S.L., Ward, M.D., & Martin, J.

(2009).Design, fabrication and demonstration of a magnetophoresis

chamber with 25 output fractions, J. Magn. Magn. Mater., vol. 321

pp. 1440–1445.

[10] Blankenstein, G. (2002), Micro-flow system for particle separation and

analysis,United States Patent 6432630B1.

[11] Inglis, D.W., Riehn, R., Austin, R., & Stur, J.C. (2004). Continuous

microfluidicimmunomagnetic cell separation, Appl. Phys. Lett., vol.

85 pp. 5093–5095.

[12] Furlani, E.P. (2007). Magnetophoretic separation of blood cells at microscale,

J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 40 pp. 1313–1319.

[13] Han, K.H. & Frazier, A.B. (2004). Continuous magnetophoretic separation

ofblood cells in microdevice format, J. Appl. Phys., vol. 96 pp. 5797–

5802.

[14] Zborowski, M., Ostera, G., Moore, L., Milliron, S., Chalmers, J., &

Schechter, A. (2003). Red blood cell magnetophoresis, Biophys. J.,

vol. 84 pp.2638–2645.

56

[15] Huang, R., Barber, T.A., Schmidt, M.A., Tompkins, R.G., Toner, M.,

Bianchi, D.W., Kapur, R., & Flejter, W.L. (2008). A microfluidics

approach forthe isolation of nucleated red blood cells (nrbcs) from the

peripheral blood of pregnant women, Prenat. Diagn., vol. 28 pp. 892–

899.

[16] Petersson, F., Nilsson, A., Jonsson, H., & Laurell, T. (2005). Carrier

mediumexchange through ultrasonic particle switching in microfluidic

channels,Anal. Chem., vol. 77 pp. 1216–1221.

[17] Goddard, G.R., Martin, J.C., Graves, S.W., &Kaduchak, G. (2006).

Ultrasonicparticle concentration for sheath-less focusing of particles

for analysis in a flow cytometer, Cyrometry, vol. 69A pp. 66–74.

[18] Goddard, G.R., Sanders, C.K., Martin, J.C., Kaduchak, G., & Graves, S.W.

(2007). Analytical performance of an ultrasonicparticle focusing flow

cytometer, Anal. Chem., vol. 79 pp. 8740–8746.

[19] Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., & Huang, T.J. (2008).

Focusingmicroparticles in a microfluidic channel with standing

surface acousticwaves (ssaw), Lab. Chip., vol. 8 pp. 221–223.

[20] Bhagat, A.A.S., Bow, H., Hou, H.W., Tan, S.T., Han, J., & Lim, C.T.

(2010).Microfluidics for cell separation, Med. Biol. Eng. Comput., vol.

48 pp.999–1014.

[21] Chou, C.F. & Zenhausern, F. (2003). Electrodeless dielectrophoresis for micro

total analysis systems, IEEE Eng. Med. Diol. Mag., vol. 22 pp. 62–67.

[22] Ozuna-Chacon, S., Lapizco-Encinas, B.H., Rito-Palomares, M., Martinez-

Chapa, S.O., & Reyes-Betanzo, C. (2008). Performance

characterization of an insulator-based dielectrophoretic

microdevice,Electrophoresis, vol. 29 pp. 3115–3122.

[23] Ateya, D.A., Erickson, J.S., Howell, P.B.J., Hilliard, L.R., Golden, J.P., &

Ligler, F.S. (2008). The good, the bad, and the tiny: a review of

microflow cytometry, Anal. Bioanal. Chem., vol. 391 pp. 1485–1498.

[24] Cummings, E.B. & Singh, A.K. (2000). Dielectrophoretic trapping without

embedded electrodes, Proceedings of SPIE conference

micromachining microfabrication, vol. 4177 pp. 164–173.

[25] Ai, Y., Joo, S.W., Jiang, Y., Xuan, X., & Qian, S. (2009). Transient

electrophoreticmotion of a charged particle through a converging-

divergingmicrochannel: effect of direct current dielectrophoretic

force, Electrophoresis,vol. 30 pp. 2499–2506.

[26] Chou, C.F., Tegenfeldt, J.O., Bakajin, O., Chan, S.S., Cox, E.C., Darnton,

N., Duke, T., & Austin, R.H. (2002). Electrodeless dielectrophoresis

ofsingle- and double-stranded dna, Biophys. J., vol. 83 pp. 2170–2179.

[27] Prinz, C., Tegenfeldt, J.O., Austin, R.H., Cox, E.C., & Sturm, J.C.

(2002).Bacterial chromosome extraction and isolation, Lab. Chip.,

vol. 2 pp.207–212.

[28] Ying, L.M., White, S.S., Bruckbauer, A., Meadows, L., Korchev, Y.E., &

Klenerman, D. (2004). Frequency and voltage dependence of

57

thedielectrophoretic trapping of short lengths of dna and dctp in a

nanopipette,Biophys. J., vol. 86 pp. 1018–1027.

[29] Clarke, R.W., White, S.S., Zhou, D., Ying, L., & Klenerman, D.

(2005).Trapping of proteins under physiological conditions in a

nanopipette,Anal. Chem., vol. 44 pp. 3747–3750.

[30] Gallo-Villanueva, R.C., Rodriguez-Lopez, C.E., Diaz-de-la Garza, R.I., &

Reyes-Betanzo, C. (2009). Dna manipulation by means of insulator-

based dielectrophoresis employing direct current electric fields,

Electrophoresis, vol. 30 pp. 4195–4205.

[31] Kang, K., Kang, Y., Xuan, X., & Li, D. (2006). Continuous separation of

microparticles by size with dc-dielectrophoresis, Electrophoresis, vol.

27 pp. 694–702.

[32] Hawkins, B.G., Smith, A.E., Syed, Y.A., & Kirby, B.J. (2007). Continuous-

flow particle separation by 3d insulative dielectrophoresis using

coherently shaped, dc-biased, Anal. Chem., vol. 79 pp. 7291–7300.

[33] Cummings, E.B. & Singh, A.K. (2003). Dielectrophoresis in microchips

containing arrays of insulating posts: theoretical and experimental

results, Anal. Chem., vol. 75 pp. 4724–4731.

[34] Xuan, X., Raghibizadeh, S., & Li, D. (2006). Wall effects on electrophoretic

motion of spherical polystyrene particles in a rectangular

poly(dimethylsiloxane) microchannel, J. Colloid Interface Sci., vol.

296 pp. 743–748.

[35] Zhu, J. & Xuan, X. (2009a). Dielectrophoretic focusing of particles in a

microchannel constriction using dc-biased ac electric fields,

Electrophoresis, vol. 30 pp. 2668–2675.

[36] Thwar, P.K., Linderman, J.J., & Burns, M.A. (2007). Electrodeless direct

current dielectrophoresis using reconfigurable field-shaping oil

barriers.

[37] Barbulovic-Nad, I., Xuan, X., Lee, J.S.H., & Li, D. (2006). Dc-

dielectrophoretic separation of microparticles using an oil droplet

obstacle.

[38] Zhu, J. & Xuan, X. (2009). Particle electrophoresis and dielectrophoresis in

curved microchannels.

[39] Zhu, J., Tzeng, J.T., & Xuan, X. (2009). Dielectrophoretic focusing of

microparticles in curved microchannels, in Proceedings of the ASME

2009 international mechanical engineering congress and exposition,

IMECE2009-11876, Lake Buena Vista, FL.

[40] Ai, Y., Park, S., Zhu, J., Xuan, X., Beskok, A., & Qian, S. (2010). Dc

electrokinetic particle transport in an l-shaped microchannel,

Langmuir, vol. 26 pp. 2937–2944.

[41] Davison, S.M. & Sharp, K.V. (2008). Transient simulations of the

electrophoretic

motion of a cylindrical particle through a 90 corner, Microfluid

Nanofluid, vol. 4 pp. 409–418.

58

[42] Zhu, J., Tzeng, T.R., & Xuan, X. (2010). Continuous dielectrophoretic

separation

of particles in a spiral microchannel, Electrophoresis, vol. 31 pp.

1382–1388.

[43] Gossett, D.R., Weaver, W.M., Mach, A.J., Hur, S.C., Tse, H.T.K., Lee, W.,

Amini, H., & Di Carlo, D. (2010). Label-free cell separation and

sorting in microfluidic systems, Anal. Bioanal. Chem. , vol. 397 pp.

3249–3267.

[44] Brody, J.P., Osborn, T.D., Forster, F.K., & Yager, P. (1996). A planar

microfabricated fluid fitler, Sen. Actu. A. Phys., vol. 54 pp. 704–708.

[45] Chen, X., Cui, D.F., Liu, C.C., & Li, H. (2008). Microfluidic chip for blood

cell separation and collection based on crossflow filtration, Sen. Actu.

B. Chem., vol. 130 pp. 216–221.

[46] Mohamed, H., Turner, J.N., & Caggana, M. (2007). Biochip for separating

fetal

cells from maternal circulation, J. Chromatogr, vol. 1162 pp. 187–192.

[47] Choi, S., Song, S., Choi, C., & Park, J.K. (2007). Continuous blood cell

separation by hydrophoretic filtration, Lab. Chip., vol. 7 pp. 1532–

1538.

[48] Zheng, S., Lin, H., Liu, J., Balic, M., Datar, R., Cote, R.J., & Tai, Y. (2007).

Membrane microfilter device for selective capture, electrolysis and

genomic analysis of human circulating tumor cells, J. Chromatogr. A.,

vol. 1162 pp. 154–161.

[49] Yamada, M. & Seki, M. (2005). Hydrodynamic filtration for on-chip particle

concentration and classification utilizing microfluidics, Lab. Chip.,

vol. 5 p. 1233.

[50] Yamada, M., Kano, K., Tsuda, Y., Kobayashi, J., Yamato, M., Seki, M., &

Okano, T. (2007). Microfluidic devices for size-dependent separation

of liver cells, Biomed. Microdevices, vol. 9 pp. 637–645.

[51] Sugaya, S., Yamada, M., , & Seki, M. (2011). Observation of nonspherical

particle behaviors for continuous shape-based separation using

hydrodynamic filtration, Biomicrofluidics, vol. 024103.

[52] Aoki, R., Yamada, M., Yasuda, M., & Seki, M. (2009). In-channel focusing of

flowing microparticles utilizing hydrodynamic filtration, Microfluid

Nanofluid, vol. 6 pp. 571–576.

[53] Yamada, M., Nakashima, M., & Seki, M. (2004). Pinched flow fractionation:

Continuous size separation of particles utilizing a laminar flow profile

in a pinched microchannel, Anal. Chem., vol. 76 p. 5465.

[54] Sai, Y., Yamada, M., Yasuda, M., & Seki, M. (2006). Continuous separation

of particles using a microfluidic device equipped with flow rate

control valves, J. Chromatogr., vol. A, 1127 p. 218.

[55] MicroChem. Su-8 3000 data sheet: Permanent epoxy negative photoresist.

[56] Di Carlo, D.(2009). Inertial microfluidics, Lab. Chip., vol. 9 pp. 3038–3046.

59

[57]Liu R., Stremler M., Sharp K., Olsen M., Santiago J., Adrian R., Aref H.

and Beebe D. (2000). Passive mixing in a three-dimensional

serpentine microchannel, J. Microelectromech. Syst., 9, 190– 197.

[58] Seo J., Lean M. H., and Kole A. (2007). Membraneless microseparation by

asymmetry in curvilinear laminar flows, J. Chromatogr. A, vol. 1162,

pp. 126-131.

[59] Seo J., Lean M. H., and Kole A. (2007). Membrane-free microfiltration by

asymmetric inertial migration, Appl. Phys. Lett., vol. 91, p. 033901.

[60] Di Carlo D., Irimia D., Tompkins R. G., and Toner M. (2007). Continuous

inertial focusing, ordering, and separation of particles in

microchannels, PNAS, vol. 104, pp. 18892-18897.

[61] Ookawara S., Higashi R., Street D., and Ogawa K. (2004). Feasibility study

on concentration of slurry and classification of contained particles by

microchannel, Chem. Eng. J., vol. 101, pp. 171-178.

[62] Ookawara S., Street D., and Ogawa K. (2006). Numerical study on

development of particle concentration profiles in a curved

microchannel, Chem. Eng. Sci., vol. 61, pp. 3714-3724.

[63] Stokes G. G. (1843). On some cases of fluid motion, Trans. Camb. Philos. Soc.,

vol. 8, pp. 105-137.

[64] Asmolov E. S. (1999). The inertial lift on a spherical particle in a plane

Poiseuille flow at large channel Reynolds number, J. Fluid Mech., vol.

381, pp. 63-87.

[65] Di Carlo D., Irimia D., Tompkins R. G., and Toner M. (2007). Continuous

inertial focusing, ordering, and separation of particles in

microchannels, PNAS, vol. 104, pp. 18892-18897.

[66] Hampton R. E., Mammoli A. A., Graham A. L., Tetlow N., and Altobelli S.

A. (1997). Migration of particles undergoing pressure-driven flow in a

circular conduit, J. Rheol., vol. 41, pp.621-640.

[67] Bhagat A. A. S., Kuntaegowdanahalli S. S., and Papautsky I. (2008).

Enhanced particle filtration in straight microchannels using shear-

modulated inertial migration, Phys. Fluids, vol. 20, p. 101702.

[68] Di Carlo D., Edd J. F., Irimia D., Tompkins R. G., and Toner M. (2008).

Equilibrium separation and filtration of particles using differential

inertial focusing, Anal. Chem., vol. 80, pp. 2204-2211.

[69] Bhagat A. A. S., Kuntaegowdanahalli S. S., and Papautsky I. (2008).

“Continuous particle separation in spiral microchannels using Dean

flow based differential migration,” Lab Chip, vol. 8, pp. 1906-1914.

[70] Kuntaegowdanahalli S., Bhagat A.A.S., Kumar G., Papautsky I. (2009).

Inertial microfluidics for continuous particle separation in spiral

microchannels, Lab Chip, 9:2973–2980.

[71] Russom A., Gupta A.K., Nagrath S., Di Carlo D., Edd J.F., Toner M.

(2009). Differential inertial focusing of particles in curved lowaspect-

ratio microchannels. New. J. Phys., vol. 11 p. 075025.

60

[72] Gossett D.R., and Di Carlo D. (2009). Particle focusing mechanisms in curving

confined flows. Anal Chem, 81:2459–2465.

[73]Segre, G. & Silberberg, A.(1961). Radial particle displacements in poiseuille

flow of suspensions, Naturepp. 189–209.

[74] Di Carlo, D., Edd, J.F., Irimia, D., Tompkins, R.G., & Toner, M.(2008).

Equilibrium separation and filtration of particles using differential

inertial focusing, Anal. Chem., vol. 80 pp. 2204–2211.

[75] Park, J., Song, S., & Jung, H. (2009). Continuous focusing of microparticles

using inertial lift force and vorticity via multi-orifice microfluidic

channels, Lab Chip, vol. 9 pp. 9:939–948.

[76] Park, J. & Jung, H.(2009). Multiorifice flow fractionation: Continuous size-

based separation of microspheres using a series of

contraction/expansion microchannels, Anal. Chem., vol. 81 pp. 8280–

8288.

[77] Kim, Y. & Yoo, J.(2008). The lateral migration of neutrally-buoyant spheres

transported through square microchannels, J. Micromech. Microeng.,

vol. 18.

[78] Bhagat A. A. S., Kuntaegowdanahalli S. S., Kaval N., Seliskar C. J., and

Papautsky I.(2009). Inertial microfluidics for sheat-less high

throughput flow cytometry, Biomed Microdevices., vol. 10

61

EKLER

EK A.1 :Teknik Resimler

63

ÖZGEÇMĠġ

Ad Soyad: Alperen Acemoğlu

Doğum Yeri ve Tarihi: Karabük, 13.01.1989

Adres: Halide Edip Adıvar Mah. Akar Sok. Akar Apt. No:5 Şişli - İstanbul

Lise:Öğretmen Eyüp Topçu Anadolu Lisesi

Ad Soyad: Yahya Ubeyde Güngör

Doğum Yeri ve Tarihi: Ankara, 27.07.1988

Adres: Çamlık Cad. Plato Sok. No: 23 Göktürk Mah Eyüp - İstanbul

Lise: Özel Samanyolu Fen Lisesi

Ad Soyad: Yavuz Selim Balcı

Doğum Yeri ve Tarihi: Artvin, 04.01.1991

Adres: Mecidiyeköy Mah. Dereboyu Cad. No:114 Şişli - İstanbul

Lise: Nafi Güral Fen Lisesi

Bitirme tasar m projesi

Career

Transcript of Bitirme tasar m projesi