Mikro Partikül Ayrıştırmaları İçin Düşük Maliyetli Pasif Mikroakışkan Sistemleri Tasarımı Ve Üretimi

Abstract

Bir çok kimyasal ve biyolojik prosesin önemli bir parçası olan filtrasyon işlemleri, üzerine en çok çalışılan MEMS teknolojilerinden birisidir. Son yıllarda, bir çok araştırma grubu, parçacık fokuslanma mekanizmasını kavrayabilmek ve en yüksek parçacık fokuslama verimine sahip optimum kanalı tasarlamak için çalışmaktadır. Mikrokanallar vasıtasıyla sıvı içerisinde parçacık ayrıştırma işlemleri, manyetik alan veya akustik etkiler gibi dış etmenler ile gerçekleştirilebildiği gibi taşıyıcı sıvının akışından dolayı oluşa etkilerden yararlanılarak da gerçekleştirilmektedir. Bu tez kapsamında, taşıyıcı akışkana dışarıdan herhangi bir kuvvetin etki etmemesi prensibine uygun pasif bir mikrokanal tasarlanılmıştır. Dış kuvvetler altında çalışan mikro ayrıştırma sistemlerinin bir çok avantajı bulunsa da, yüksek üretim maliyetleri ve enerji kaynağına ihtiyaçlarından dolayı kapladıkları alanın büyük olması gibi dezavantajları bulunmaktadır. Pasif kanal teknolojisi temel olarak taşıyıcı sıvının hareketi sırasında, sıvı içerisinde bulunan parçacıklara etki eden kuvvetlerle gerçekleşmektedir. Parçacıkların ayrışmasında, bu kuvvetlerin yanısıra kullanılan geometrininde etkisi olduğu düşünülse bile, sisteme etki eden kuvveti belirleyen en önemli etkenin sistemin geometrisinin olduğu bilinmelidir. Doğrusal geometriye sahip bir tasarıma sahip mikrokanallarda parçacıklar, etki eden eylemsizlik kuvvetlerinden dolayı birbirlerinden ayrıştırılırken, eğrisel geometrideki kanallarda ise parçacıklara eylemsizlik kuvvetlerinin yanısıra etki eden ikincil kuvvetlerde bulunmaktadır. Dean sürüklenme kuvveti bu anlamda eğrisel kanallarda gerçekleşen oldukça önemli bir mekanizmadır. Doğrusal veya eğrisel bir mikrokanal içerisinde parçacıklara temel olarak 2 kuvvet etki etmektedir, bunlar sürüklenme ve kaldırma kuvvetleridir. Sürüklenme kuvvetleri, parçacıklara akış yönünde etki ettiğinden dolayı parçacıkların hızlanmasına neden olmaktadır. Kaldırma kuvvetleri ise, akışa dik bir eksende parçacıklara etki ettiğinden dolayı ayrıştırmada etkili olan kuvvetlerdir. Bir parçacığa etki eden kaldırma kuvvetlerinin bazıları birincil dereceden yani direk olarak parçacığa etki etmektedir. Bunlar kayma gradyanı kaynaklı kaldırma kuvveti ve duvar etkisi kaynaklı kaldırma kuvvetleridir. Bu iki kuvvetin yanısıra, eğrisel kanal geometrilerinde etkisi görülmekte olan ikincil kuvvetler bulunmaktadır. İkincil kuvvetler parçacıklara direk olarak etkide bulunmamakta ama bu kuvvetlerin akışkanda gerçekleştirdikleri değişiklerden dolayı parçacıkların ayrışmasında rol oynamaktadırlar. Yapılan deneysel çalışmalarda doğrusal geometriye sahip mikrokanallarda parçacık fokuslanma mekanizmaları ve kanal geometrisinin fokuslanma mekanizmasına olan etkisi incelenmiştir. Bu alanda detaylı literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Doğrusal kanal geometrisine ait yapılan ilk çalışmada, kanalın yarıçapının yaklaşık 0.60 ında sistemde bulunan parçacıkların dengeye ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmaların devam ettirilmesiyle, kanal kesit geometrisine bağlı olarak parçacıkların belirli bölgelerde fokuslandıkları tespit edilmiştir. Eğrisel kesiti olan bir kanalda parçacıklar merkezden eşit uzaklıkta bulunan bir hat üzerinde fokuslanırken, karesel kesiti olan bir kanalda parçacıklar merkezden eşit uzaklıkta olacak şekilde kanal kenar merkezlerinde 4 katlama simetrisinde fokuslanırlar. Sistemin dikdörtgen bir kesite sahip olması durumunda ise parçacıklar, merkezden eşit uzaklıkta olacak şekilde sadece uzun kenarların merkezlerinde 2 katlama simetrisinde fokuslanmaktadırlar. Deneysel çalışmada, düşük maliyetinden dolayı polidimetilsiloksan (PDMS) mikrokanal üretim malzemesi olarak kullanılmıştır. Litografi yöntemiyle üretilen PDMS mikrokanal yapıları, cam ile birleştirilerek nihai ürün elde edilmiştir. Parçacık fokuslanma deneyleri de-iyonize su içerisinde çözülmüş olan 9.9 ve 3.0 mikron çaplı fluresan parçacıklar ile gerçekleştirilmiştir. Mikrokanal geometrisi olarak, kanalın tek tarafına eşit boyutlarda ve birbirini tekrar edecek şekilde dar ve geniş bölgeler yapılmıştır. Dar ve geniş bölgelerden oluşan bu sistem kendini 80 defa tekrar etmektedir. Dar bölgelerin genişlikleri geniş bölgelerin 0.40 ı kadardır. Bu sistemde, daha önceden literatürde benzer bir tasarım olan çift taraflı daralma ve genişleme geometrisiyle belirlenen mekanizmaya uygun bir mekanizma gözlemlenmiştir. Bu geometri ile yapılan ilk çalışmada, birbirinden ayrık ve neredeyse eşit yoğunlukta 2 farklı fokuslanmış parçacık hattı gözlemlenmiştir. Bu fokuslanmış parçacık hatları kanalın engebeli ve düz olan bölümlerinde fokuslanmışlardır. Özgün olarak tasarlanan ve mekanizması incelenen geometri ise, tek taraflı daralma ve genişleme geometrisine sahip kanallarda dar bölgegirişlerine farklı açılara sahip eğik rampalar eklenmiştir. Sisteme eklenen bu rampaların taban ile yaptığı açının 30, 45 veya 60 derece olmasına göre fokuslanma mekanizmasının ve fokuslanma bölgelerinin değiştikleri gözlemlenmiştir. Kanaldaki temel geometriye dahil edilen rampaların etkisiyle, literatürde bahsedilen fokuslanma bölgeleri sayısı düşürülerek, parçacıkların kanalın tek bir bölgesinde fokuslanması sağlanmıştır. Geometriye dahil edilen rampaların, fokuslanma mekanizmasına olan etkisi bir teori ile yorumlanmıştır. Öngörülen teoriye göre, parçacıklara rampanın etkisiyle normalden daha erken bir duvar etkili kaldırma kuvveti etki etmektedir. Burada önemli olan durum ise bu kaldırma kuvvetinin rampadan dik bir şekilde olması ve akış yönüne dik olmamasıdır. Parçacık üzerinde, rampanın etkisiyle oluşan bu kuvvetin y bileşeni akış yönüne dik olduğundan parçacığın eksenel yer değiştirmesini yönetmektedir ve normalden daha uzun süre etki ettiğinden dolayı parçacıkların tek bir bölgede yani kanalın üst ve engelsiz kısmında birikmesini sağlamaktadır. Rampa yapısının etkisiyle, sistemde oluşan ve normal olarak bir kaldırma kuvveti olan duvar kaynaklı kaldırma kuvvetinin x bileşini ise akışa dik bir yönelmeye sahip değildir, bunun aksine bu kuvvet akışa paralel ve ters yönlüdür. Sistemde oluşan bu sıradışılık sayesinde parçacıklara etki eden sürüklenme kuvveti azalmakta ve parçacıkların rölatif hızları düşmektedir. Daha yüksek açılı rampalarda etki eden kaldırma kuvvetinin x bileşeni daha büyük olduğundan dolayı bu sistemlerde daha yüksek hızlarda tek olarak fokuslanmış parçacık hatları gözlemlenebilmektedir. Örneğin; 60 derece lik rampaya sahip mikrokanal tasarımında, diğerlerinden farklı olarak 120 mikrolitre/dak debide kararlı ve tek adet fokuslanmış parçacık hattı bulunmaktadır. Geometriye rampa sisteminin dahil edilmesi üzerine yapılan çalışmanın yanı sıra kanal geometrisine ait bir başka özellik daha incelenmiştir. Kanalın kesitine ait birimsiz bir faktör olan kesit oranı üzerine literatürde bazı çalışmalar bulunmaktadır. Yapılan deneysel çalışmada kanal derinliği 60 mikron dan 40 mikron a indirilerek kanal kesit faktörünün azalması sağlanmıştır. Geri kalan tüm geometrik özellikler ise sabit tutulmuştur. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, kanalın kesit oranının azalmasıyla birlikte parçacık fokuslanma mekanizmasının değiştiği gözlemlenmiştir. Önceki çalışmalarda, düşük debilerde (105 - 120 mikrolitre/dak) kanalın üst kısmında sadece tek fokuslar elde edilirken, bu sistemde düşük debilerde (105 - 120 mikrolitre/dak) kanalın alt yani engelli kısmında tekli fokuslar elde edilmiştir. Önceki çalışmalarda, yüksek debilerde (160 - 180 mikrolitre/dak) parçacıkların tekli fokusların dağıldığı veya iki ayrı fokuslanmış parçacık hattında dengelendiği gözlemlenmişken, kesit oranı azaltılmış sistemde yüksek debilerde (160 - 180 mikrolitre/dak) parçacıkların kanalın üst kısmında tek ve oldukça dengeli bir şekilde fokuslandıkları gözlemlenmiştir.Particle separation which is an important part for chemical and biological processes is one of the most studied technology in MEMS. In recent years, several research groups studied on this subject for understanding the particle focusing mechanism and defining the optimum microchannel design for the highest particle focusing yield. Particle separation in microchannels can rely on external forces like magnetic field or acoustic effects, but it can also rely on the effects of the flow of carrier fluid. In passive microchannels, particle focusing mechanism only relies on the effects of the flow on the particle. Mainly, a particle is affected by two forces when flowing with a carrier fluid. These are drag forces and lift forces. Drag forces are parallel to the fluid flow direction and move the particle in that direction. Lift forces are applied to the particle as perpendicular to the fluid flow resulting in changing the particle position in lateral axis. In microchannels with curved geometry, particles are also affected by secondary forces inside the fluid flow which is not directly affecting the particles but rather changing fluid’s flow properties thus affecting the particles. In this experimental study, passive microchannels has been both due to their low fabrication cost using single lithography mask, and the separation mechanism solely depends on the mechanical forces, which in turn, they do not adversely affect the cells, when they are used for biological cell separation applications. In this study, Polydimethylsiloxane (PDMS) is used as low cost microchannel material. Particle focusing characterization has been done using DI water solution with spherical fluorescent particles of 9.9 and 3.0 micron in diameter. For microchannel design, evenly placed contraction and expansion parts isare used on one side of themicrochannel. 80 contraction /expansion partsis areused inside the whole microchannel and the width of contraction part is 40% lower that the width of the expansion part. In this design, two district and equally distributed focused particle streamlines have been obtained. The distinctive part of this experimental study is to make an angular modification at the entrance of contraction part. Particle focusing mechanisms and changes in focused particle streamline positions have been studied at 30, 45, and 60 degree angles. We have observed single focused particle streamlines at low flow rates of 105 and 120 microliter per minute. Due to these angular parts added to the basic geometry of the microchannel system, particle-focusing mechanism has been altered. Because of these angular parts, lift forces have become more effective on the particles by having x and y components compare to design without angled entry where particles are affected only perpendicular to the fluid flow direction. Y component of the lift force affects the particle so as to change the particle s lateral position. X component of the lift force is parallel to the fluid flow and opposite of its direction. Because of this, x component of the lift force acts like as reducing the drag force effect on the particle. Increasing the angle value of these ramps leads to single focused particle streamlines at higher flow rates (60 degree ramp yields single focused particle streamline at 120 microliter per minute). At last, the effect of aspect ratio of the microchannel was studied. For this reason, depth of the microchannel was decreased. This caused the particle focusing mechanisms so that the particles tend to obtain a single focused particle streamline at different locations of the microchannel at different flow rates (105 and 120 microliter per minute yields single focused particle streamline at bottom of the microchannel. 180 and 200 microliter per minute yields single focused particle streamline at top of the microchannel)