7. 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
10. 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
11. 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
13. 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
14.
15. 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 kuvveti16
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
ġekil 2.7: 45˚ Doğrusal kanal tasarımında oluşan atalet kuvvetleri bileşenleri
FG:Kayma etkisi ile oluşan atalet kuvveti FW:Çeper etkisi ile oluşan atalet
kuvveti....................................................................................................... 20
16. xiv
ġekil 2.8: 60˚ Doğrusal kanal tasarımında oluşan atalet kuvvetleri bileşenleri
FG:Kayma etkisi ile oluşan atalet kuvveti FW:Çeper etkisi ile oluşan atalet
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 6.5: 45˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal
Genişliği(µ)-Rep Grafikleri ....................................................................... 38
ġekil 6.6: 60˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Partikül Görüntüleri ....................... 39
ġekil 6.7: 60˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal
Genişliği(µ)-Rep Grafikleri ....................................................................... 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
ġekil 6.11: 60˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi)
– 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
ġekil 6.15: 225˚ dönel mikrokanal deney görüntüleri ............................................... 46
ġekil 6.16: 225˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği ........... 47
ġekil 6.17: 270˚ dönel mikrokanal deney görüntüleri ............................................... 47
17. xv
ġekil 6.18: 270˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği ........... 48
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
18.
19. 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.
20. 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.
21. 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.
22. 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.
23. 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
24. 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].
25. 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].
26. 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
27. 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].
28. 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
29. 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
30. 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].
31. 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
32. 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].
33. 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].
34. 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
35. 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.
36. 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
37. 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.
38. 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.
39. 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.
40. 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
41. 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.
42. 20
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
ġekil 2.7: 45˚ Doğrusal kanal tasarımında oluşan atalet kuvvetleri bileşenleri
FG:Kayma etkisi ile oluşan atalet kuvveti FW:Çeper etkisi ile oluşan
atalet kuvveti
ġekil 2.8: 60˚ Doğrusal kanal tasarımında oluşan atalet kuvvetleri bileşenleri
FG:Kayma etkisi ile oluşan atalet kuvveti FW:Çeper etkisi ile oluşan
atalet kuvveti
43. 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
44. 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.
45. 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.
46. 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
47. 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.
48. 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
49. 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
50. 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.
51. 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
52. 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
53. 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
54. 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..
55. 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.
56. 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.
57. 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
58. 36
ġekil 6.3: 30˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal
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.
59. 37
6.1.2 45˚lik doğrusal mikrokanal deney sonuçları ve analizleri
45˚’lik Doğrusal mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekilde 6.4’te
gösterilmiştir.
AKIġ DEBĠSĠ
(µl/dak)
45˚ Doğrusal Kanal
90
105
120
140
160
180
200
ġekil 6.4: 45˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Parçacık Görüntüleri
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
fokusun genişlediği görülmüştür.
60. 38
ġekil 6.5: 45˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal
Genişliği(µ)-Rep Grafikleri
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.
180 µl/dak debide, kanalın daralma bölgesinde daha önce oluştuğu gözlenen çift
fokus birleşerek, kalın, tek fokus çizgisi oluşturmuştur. Kanalın genişleme
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.
6.1.3 60˚lik doğrusal mikrokanal deney sonuçları ve analizleri
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
61. 39
AKIġ DEBĠSĠ
(µl/dak)
60˚ Doğrusal Kanal
90
105
120
140
160
180
200
ġekil 6.6: 60˚’lik Doğrusal Mikrokanal 9,9µm Parçacık Görüntüleri
ġekil 6.7:60˚’lik doğrusal mikrokanal genişleyen ve daralan kısımlar için Kanal
Genişliği(µ)-Rep Grafikleri
62. 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
fokusun genişlediği görülmüştür.
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.
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.
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
63. 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.
64. 42
ġekil 6.9: 30˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi) –
Rep Grafiği
ġekil 6.10: 45˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi)
– 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.
65. 43
ġekil 6.11: 60˚ Doğrusal mikrokanal için Yoğunluk/(Fokus Genişliği x Akış Debisi)
– 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)
66. 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
67. 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
68. 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.
6.2.2 225˚lik dönel mikrokanal deney sonuçları ve analizleri
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.
225˚’lik dönel mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekil 6.15’de gösterilmiştir.
250 500 750 1000 1250
1500 1750 2000 2250 2500
ġekil 6.15: 225˚ dönel mikrokanal deney görüntüleri
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.
69. 47
ġekil 6.16:225˚ dönel mikrokanal Kanal Genişliği(µ)- Dean Sayısı Grafiği
6.2.3 270˚lik dönel mikrokanal deney sonuçları ve analizleri
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.
270˚’lik dönel mikrokanal deneyinde alınan görüntüler Şekil 6.17’de gösterilmiştir.
250 500 750 1000 1250
1500 1750 2000 2250 2500
ġekil 6.17: 270˚ dönel mikrokanal deney görüntüleri
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.
70. 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.
71. 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)
73. 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.
74. 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.
75. 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.
