Mıkroakışkan Çıplerde Tek Parçacık Impedans Ölçüm Sıstemı Tasarımı

Abstract

Son yıllarda, kanser hastalığı dunyada, birçok ülkede, en önemli ölüme nedeni olan hastalıklardan birisidir. Geleneksel tanıların yöntemleri zaman alıcı, karmaşık süreç ve ayrıca sıkı laboratuvar koşulları gerektirir. Klasik yaklaşımlarda, hücrelerin çoğalmasını, farklılaşma, protein veya gen ekspresyonu, ilaç tepkisi ve toksisite deneyleri gibi özelikleri anlamak için, hücreleri grup olarak gözönüne alıp ve incelemek yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir hücre grubu tarafından tarif edilen hücre parametreleri, hücre gruplarından elde edilmiş ve ortalama olarak gösterilebilir, ancak tam olarak tek tek hücrelerin özelliklerini gösteremez. Üstelik, heterojenlik hücrelerinin popülasyonda tahmin edilemez. Bu nedenle karmaşık hücresel prosedürü anlamak için ve genomik bilgi hücresel olayları anlamak için tek hücreli analiz gerekmektedir. Bu analiz, biyolojik ölçümlerde ve tibbi araştırmada önemli olduğu gösterilmektedir. Bu çalışmada biyo sıvı numuneleri ele alma amacıyla, MEMS teknikleri ile "lab-on-a-chip" adlanan cihazlar imal edilmiştir. Biyo sıvı numunelerin ele alınması biyoloji ve kimyada çok uygulanabilir. Buda, yüksek çözünürlüklü, çok hızlı ve ucuz analiz ve sentez gibi faydalara neden olmaktadır. Ayrıca, tek hücre manipüle fırsatı verir. Bu cihazlar ilaç enjeksiyonu ve gen tanıtımı gibi amaçlarda hücre mühendisliğinde önemli bir teknolojidir. Mekanik, optik, biyo-kimyasal ve elektriksel teknikler gibi yongaları üzerinde hücrelerin manipüle edilmesi için kullanılan çeşitli yaklaşımlar vardır. Elektrik tekniği veya elektrokınetik (DC / AC), avantajlı özelliklere sahiptir. Onlar biyo-hedeflere karşın, temassızlardır. Elektrik tekniği veya elektrokınetik (DC / AC) parçacıkların kontrol etmek için, bir elektrik alanının gradyanı kuvvetini kullanılmaktadır (ya da elektrik neden olduğu ve yardımı ile sıvı ile aynı anda akar). Böylece hücrelerein deforme ve invaziv zararını önlemektedir. Son birkaç yıl içinde, elektrokinetik akım alternativi (ACEK, ana güç girişi olarak alternatif akım kullanılarak) araştırmacıların ilgisini kazanmaktadır. Buda mikroakışkan hareketi için büyük bir potansiyel göstermiştir. Bir üniform olmayan elektrik alanı, süspansiyon ortamında polarize parçacık ve sonraki asimetrik elektrik kuvveti eylemleri ile etkileşimeye girebilir. Buna dielektroforez denir (DEP) (Pohl and Pollock, 1978). Bu teknik, tutucu, manipüle ve hücreler, virüsler, proteinler ve DNA gibi bioparticles ayrılması gibi biyolojik işlemlerde önemli bir uygulama alanı vardır. Yüksek frekanslı AC alanları (> 100 kHz) kullanarak DEP yöntemine göre hücre tutması için birçok faydası vardır. Böylece, elektroliz ve elektrot-elektrolit arayüzleri kimyasal reaksiyonlarını en aza indirir. Ayrıca, biyolojik hücrelerin membran şarjının azaltılması ve elektrikli kontrol ederek, birkaç saniye içinde tek veya küme hücrelerin tam manipülasyonun yapılması gibi faydalara neden olmaktadır. Iki türlü DEP kuvvetleri bulunmaktadır, pozitif DEP (pDEP) ve negatife DEP (nDEP). Pozitif DEP (pDEP) parçacıkları model verilmiş elektrotlar doğrusunda çekmektedir, buda hücre liziz sorununa neden olmaktadır. Negatife DEP (nDEP) parçacıkları istenmeyen birleştirme bölgeden itmektedir. Son zamanlarda, negatif DEP kullanan tek hücrelerinin aktif pozisyon kontrolü, yüksek verimli, tek hücreli izolasyonu için geliştirilmiştir. Ayrıca, mikroakışkan cihazları hücre esaslı tahliller için geliştirilmiştir. Pozitif DEP (pDEP) ile negatife DEP (nDEP) karşılaştırılmasında, yaygın olarak kullanılan hücre kültür ortamında, sadece nDEP süspansiyon halinde olan hücrelerle yapılabilir. Oysa. hücreler bulunan ortama göre daha polarize olduğunu garanti etmek için pDEP, düşük iletkenliğe sahip ortam içinde yapılmalıdır. Tek hücre analizi için, hücre impedans analizi hızla geliştirilmiştir, ayrıca biyolojik ölçümunde etkili bir yöntem haline gelmiştir. Bir hücrenin sıcaklığı, elektrik iletkenliği ve hareket, doğrudan ya da dolaylı olarak impedans özelliklerini etkileyebilir. Bu nedenle, Hücre impedans karakteristiği biyolojik karakteristik davranışlarını anlamak için kullanılabilir. Tek hücreleri üzerinde ölçümler patolojik dokulara göre elektriksel özellikleri hakkında daha doğru bilgi sağlamaktadır. Bu projenin amacı, solüsyondan tek bir parçacık yakalamak ve parçacığın özellikleri hakkında bilgi almak için bunun empedans ölçümünü almaktır. Bu hedefe, Ledit (V13) kullanılarak elektrotlar ve mikrokanal yapıları tasarlanmıştır ve bunların her biri için lazer yazar kullanarak maske tasarlanmıştır. Cam kalıbı üzerine elektrotlar elde etmek için standart photolithograpy teknolojisi ve kaldırma süreci kullanılmaktadır. Bu çalışmada Titanyum olan metal tabaka cam alt-tabaka üzerinde elektron akımı fiziksel buhar depozisyonu ile tevdilmiştir. Kanal bölgesini tanımlamak için fotolitografi kullanımıyla, mikrokanal için bir Poli-di-metil-siloksan (PDMS) çip oluşturulmuştur. Sonra PDMS yapılarak, kalıp yapısı içine dökülüp, sertleştirilmiş ve nihayet alt tabaka kalıbidan soyulmuştur. Yüzey işlemini oksijen plazma temizleyici kullanarak yapıldıktan sonra, tamamlanan PDMS yapısı cam tabanı ile birleştirilmiştir. Çip yakalama boşlukları, ana kanal, DEP veya harekete geçirme elektrotlar, ve hassas elektrotlardan oluşmaktadır. İlk olarak, parçacıklar girişiden içeri alınır ve ana kanal üzerinden hareket eder. Bir parçacık harekete geçiren elektrotlara geldiğinde, negatif DEP etkisinden dolayı yakalama boşlukları tarafına hareket eder. Empedans tespiti elektrot tepkisi periyodik alternatif akım (AC) sinyalinin uygulanması ile ilişkilidir. Empedans tespıtı solüsyonda parçacık olmadan ve bir parçacık ile, her iki durumda hassas elektrotlarla ölçülmektedir. Daha sonra, iki hassas elektrotlar arasında parçacık yakalandıktan sonra empedans değişikliği ölçülmesi sağlanmaktadır. Yakalama boşluklarında yerleştirilen drenaj kanalı ve hassas elektrotlar, parçacığı istenen yerlere izolasyon edmesini sağlamaktadir. Bu Yüksek Lisans tezi projesi mikroakışkan cihazı veya lab-on-a-chip tek parçacık impedans ölçümü üzerine yapılmıştır. Geliştirilen cihaz, tek bir parçacığı tuzaklaması için geliştirilmiştir. Tek bir parçacığı tuzaklamak için nDEP elektrotlarını entegre çalıştırarak ve sıvı akışlarını basınç odaklı kontrol ederker gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, geliştirilen cihaz, duyarlı elektrotları kullanarak hücrenin impedans ölçmek için kullanılmıştır. Önerilen teknik, çeşitli kanser hücrelerinin ayırt edebilir. Empedans farklı voltaj aralıklarında (0,1-2 V) ve 3 KHz ve 500 KHz frekanslar aralığında ölçülmektedir. Empedans artışı hassas elektrotlar arasındaki elektrik yolu tedricen bloke edilmesiyle izah edilebilir. Geniş bir frekans aralığında empedans olçümünde, her elektrot çift tabakalı kapasitesıi olduğuna göre, frekans arttıkça empedans azaldığını göstermektedir. Ayrıca, parçacık deneylerinde, bu artış oranı düşük frekanslarda daha belirgindi. Buna ek olarak, artan voltajlarda, frekansların çoğunda empedansın hafif bir azalması görulmektedir. DI su ve 150 mM NaCl için elde edilen sonuçların karşılaştırmasına göre 150 mM NaCl daha az empedans büyüklüğünü göstermektedir. Bu özellik, süspansiyon ortamının iletkenliği artışı ile tanımlanabilir. DI su’da artan empedans ortalamasi 10.13% ve NaCl’de 10.20% 'dir. Polistiren taneciklerin empedans değerlendirme için farklı solüsyonlar kullanılmiştır, ancak her iki durumda’da empedans artışında sonuçlar birbirine yakındır (10%).

In recent years, cancer has become the number one killer in many countries and conventional diagnosis are very invasive, time-consuming, complicated process, and need stringent laboratory conditions. Traditional approaches study a group of cells which the results are averages and cannot exactly show individual cells. Hence single cell analyze is needed to associate cellular events with genomic information and plays an important role in biological measurement and medical research. The so-called “lab-on-a-chip” devices for handling samples in bio fluids are very applicable in biology and chemistry as they have lost of profits such as high resolution, very fast and inexpensive for analyzing and synthesizing and give the opportunity of manipulating of single cells, which is a key technology in cell engineering such as drug injection and gene introduction. For single cell analysis, cell impedance analysis has developed rapidly and has become an effective method of biological measurement. The temperature, electric conductivity and mobility of a cell can influence its impedance characteristics directly or indirectly so the cell impedance characteristic can be used to understand biological characteristic behavior. This Master’s Thesis project presents a microfluidic chip for single-particle impedance measurement. The device with integrated actuation electrodes utilizes the DEP and controlled pressure-driven liquid flows to capture the single particle and sensing electrodes to measures the impedance of particle. The impedance was measured at different voltages ranges (0.1-2 V) between 3 KHz and 500 KHz. The impedance increase can be explained by a gradual blockage of the electrical path between the sensing electrodes. The impedance measurement over wide frequency range revealed that the impedance decreased as the frequency increased because of the double-layer capacitance on each electrode. In addition, the increment ratio was more evident for the particle experiment at the low frequency. Also it is obvious that with increasing the voltage, it was a slight decrease in impedance in most of frequencies. Furthermore comparison of the obtained results for DI water and 150mM NaCl shows less impedance magnitudes for 150mM NaCl which can be described due to increase of the conductivity of the suspending medium. The mean of impedance increased in DI water is 10.13% and in Nacl is 10.20%. Although different solutions are used for impedance evaluation of polystyrene particles, results in both case are close to each other with approximately 10% increasing.