MAKALE Şekil 8: Tellür dioksit kristali üzerinde yaratılmış yüzey akustik dalgasının deneysel görüntüsü. (c) Wikicommons

Yayın Tarihi: 6 Nis 2014 | Bahadır Ürkmez

0

MİNYATÜR LABORATUVARLAR – 3

Minyatür Laboratuvar Sistemlerine değineceğim bu yazı ile mikro akışkanlar teknolojileri üzerine hazırlamış olduğum bu yazı dizisini bir ay gecikmeli olarak bitireceğiz. Dizinin önceki yazılarında minyatür laboratuvar uygulamalarının avantajları, neden minyatür laboratuvarlara ihtiyaç duyulduğu, üretim yöntemleri, kullanılan malzemeler gibi temel konulara göz atmıştık. Bu yazılara şu ve şu bağlantıdan ulaşabilirsiniz.

Mikro akışkanlar teknolojisi kullanılarak üretilen sistemler içerideki akışkanı hareket ettiren kuvvetin doğasına göre 5 farklı alt başlık altında toplanabiliyor (Şekil 1). Bu 5 farklı hareket yönteminin çeşitli örneklerinin açıklamalarını aşağıda basitçe inceleyeceğiz.

Şekil 1: Sıvıyı hareket ettiren kuvvetlerin cinsine göre mikro akışkan uygulamalarının sınıflandırılması

Şekil 1: Sıvıyı hareket ettiren kuvvetlerin cinsine göre mikro akışkan uygulamalarının sınıflandırılması

Şekil 2: Kapiler kuvvetlerin etkisi. Sağ taraftaki ince boruda bulunan suyun sol taraftaki kalın borudaki suya göre daha yükseğe çıkmasının nedeni kapiler kuvvetler.

Şekil 2: Kapiler kuvvetlerin etkisi. Sağ taraftaki ince boruda bulunan suyun sol taraftaki kalın borudaki suya göre daha yükseğe çıkmasının nedeni kapiler kuvvetler.

Yanal Akım Testleri – (Kapiler Kuvvetler): En bilinen uygulaması hamilelik testleri olan yanal akım testlerinde sıvılar kapiler kuvvetler sayesinde hareket ederler. Kapiler kuvvetleri lise yıllarımızdan hatırlayabiliriz, hani şu incecik boru içindeki suyun daha kalın borudakine göre bir parça daha yükseğe çıkmasına neden olan kuvvetler(Şekil 2). Sıvı ve sıvıyı çevreleyen katı arasındaki moleküller arası etkileşimler yanal akım testleri içerisindeki sıvıların hareketini sağlıyor. Yanal akım testlerinin yapılabilmesi için gerekli kimyasal sıvılar üretim sırasında test çubuğunun içine depolanıyorlar. Test kullanıldığında test edilecek örnek ile kimyasallar tepkimeye giriyorlar. Yanal akım testlerinin sonuçları genellikle gözle görülebilir renk değişiklikleri ile belirleniyorlar(Şekil 3).

Yanal akım testleri bir çok alanda kullanıyorlar. Özellikle sağlık alanında kullanımları çok yaygın. Vücut sıvılarındaki biyomarkörlerin belirlenmesi esasına dayalı sağlık testleri ile hamilelik, bazı metabolizma hastalıkları, kan şekeri, kalp krizi gibi önemli sağlık kontrollerinde yanal akım testleri kullanılıyor. Ayrıca şarbon, salmonella ve virüsler gibi bulaşıcı hastalığa sebep olan organizmaların varlığının belirlenmesi ile uyuşturucu ve zehirli madde tespitleri de aynı prensiple çalışan testler ile yapılıyor. Yapılan test başına çok düşük olan maliyetleri ve basitlikleri nedeni ile evde yapılabilecek testlerin bir çoğu yanal akım testleri ile gerçekleştiriliyor. Ancak karmaşık analizlerin yapılamaması, farklı ihtiyaçlara yanıt verememeleri nedeni ile kullanım alanları sınırlı.

Şekil 3: Yanal Akım Testlerini en bilinen örneği: Hamilelik testi. Sağdaki koyu kontrol çizgisi testin doğru yapıldığına işaret ederken soldaki açık mor çizgi testin pozitif sonuç verdiğini, testi yapan kadının hamile olduğunu gösteriyor. Gözle görülebilir renk değişikliğinin en basit örneği. (c) Wikicommons

Şekil 3: Yanal Akım Testlerini en bilinen örneği: Hamilelik testi. Sağdaki koyu kontrol çizgisi testin doğru yapıldığına işaret ederken soldaki açık mor çizgi testin pozitif sonuç verdiğini, testi yapan kadının hamile olduğunu gösteriyor. Gözle görülebilir renk değişikliğinin en basit örneği. (c) Wikicommons

Doğrusal Hareket Cihazları – (Basınç Cihazları): Bu cihazlar içerisinde sıvılar en basit anlamı ile tıpkı bir şırınga ile iğne yapılırken ilacın zerk edilmesi gibi doğrusal bir kanal içinde ittiriliyorlar. Bu yöntemle sıvıları hareket ettiren cihazlar içerisinde kanalların çeşitli dallara ayrılması ya da farklı yollardan giderek değişik testlerin yapılması mümkün değil. Test sırasında kullanılacak katı ve sıvı kimyasallar (reagent/reaktif) tek kullanımlık kartuşlar içerisinde depolanıyorlar.

Abbott Point of Care firması tarafından üretilen taşınabilir, kartuşlu i-Stat cihazı.

Abbott Point of Care firması tarafından üretilen taşınabilir, kartuşlu i-Stat cihazı.

Abbott Point of Care tarafından üretilen i-STAT(Şekil 4) analiz cihazları doğrusal hareket ve tek kullanımlık kartuş yöntemi ile test yapan cihazların örneklerinden bir tanesi. Ölçülecek kan parametresine göre değişik testleri tek bir cihaz üzerinde yapmak mümkün. Kartuşlar test edilen kan örneği ile kontamine olduğundan tek kullanımlık olmak durumunda. Kullanılan kartuş çöpe giderken (tercihen biyolojik atık çöplerine ama henüz ülkemizde evden şırınga, kartuş v.s. toplayan bir sistem yok) elektronik olarak kalibrasyonu ve gerekli testleri yapan cihaz farklı testler için tekrar kullanılabiliyor.

Doğrusal hareket cihazlarının en önemli avantajları görece olarak test başına düşük maliyetleri ile katı ve sıvı kimyasalları uzun süreli depolamaya ve sonra kullanmaya izin veren kartuşlu çözümleri. Ancak test edilen sıvının doğrusal hareket etmesi nedeni ile sıvıyı ayırma, farklı testler yapabilme ya da paralel işlem yapmanın mümkün olmaması doğrusal hareket cihazlarının uygulama alanlarını kısıtlıyor.

Basınçlı Laminar Akım Cihazları – (Basınç Cihazları): İlk yazımızdan hatırlayacağınız gibi minyatür laboratuvarlar içerisinde hareket eden sıvıların laminar akış rejiminde olması gerekiyor. Teorik modeller ve hesaplamalar akışın düzenli olduğu yani laminar olduğu durumları hassas bir şekilde betimleyebiliyorlar. Sıvıları mikro kanallar içerisinde hareket ettirmek için şırıngalar, mikro pompalar, titreşen zarlar gibi farklı yöntemlerle basınç uygulanıyor. Test edilecek örnekler ve kimyasallar genellikle minyatür laboratuvarın giriş kısmına enjekte ediliyor.

Sıvıların hız profillerinin tahmin edilebildiği, kontrol edilebilen yayınım (difüzyon) karakteristikleri ve durağan fazların bulunması laminar akım cihazlarının bir çok farklı alanda kullanılmasına olanak sağlıyor. Günümüzde bir çok minyatür laboratuvar parça sayım ve ayırma işlemleri için laminar akım yöntemlerini kullanıyor. Öte yandan nükleik asit temelli tanı sistemleri en çok ilgi çeken uygulamalardan.

Laminar akım prensibi ile çalışan minyatür laboratuvarlarda en az iki sıvı akımının mikro kanalların kesişim noktalarında (Şekil 5) birbirlerine temas ederek örneğin biyokimyasal reaksiyonu başlatması ya da sıvı akışlarını düzenlemesi en basit çalışma yöntemlerinden. Kesişim noktalarında sıvı akışlarının düzenlenmesine akış odaklanması adı veriliyor. Mikro ölçekli (örneğin canlı hücreler) nesneleri odaklanmış akış içinde ayırmak ya da sıralamak oldukça kolay. Bu işlemleri yapabilmek için geometrik engeller, manyetik kuvvetler, akustik kuvvetler gibi değişik teknolojiler kullanılıyor. Bütün bu teknolojilerin ortak özelliği uygulanan kuvvetin ayrılacak ya da sıralanacak nesneleri etkilerken sıvı akımına etkilerinin olmaması ya da çok az olması.

Şekil 5: Mark, Haeberle et. al. tarafından gösterildiği üzere mikro kanalların kesişim noktalarında akış odaklanması. 2 farklı sıvı akışı kesişim noktalarında yanda gelen (oklar) sıvılar sayesinde tek akış haline odaklanıyorlar.

Şekil 5: Mark, Haeberle et. al. tarafından gösterildiği üzere mikro kanalların kesişim noktalarında akış odaklanması. 2 farklı sıvı akışı kesişim noktalarında yanda gelen (oklar) sıvılar sayesinde tek akış haline odaklanıyorlar.

Bu cihazların en önemli avantajı örneklerin sürekli olarak işlenebilmesine olanak vermesi. Örneğin klinik verilerin sürekli takip edilmesi gereken durumlarda, su kalitesinin daimi olarak kontrolünde ya da hücrelerin düzenli ve sürekli olarak ayrılması gereken durumlarda çok önemli olan sürekli işlem özelliği tercih edilen bir özellik. Ancak bu cihazlarda basınç kaynağının tek kullanımlık minyatür çipe bağlanması gerekliliği cihazların taşınabilirliğine olumsuz etkileri var. Ayrıca basınç kaynaklarını çipe doğru şekilde bağlanması işlem için gerekli manuel adımları arttırarak uygulama zorluğuna yol açıyorlar.

Santrifüj Tabanlı Minyatür Laboratuvarlar: Kendi etrafında dönen mikro yapının ürettiği merkezcil, Euler ve Corilois kuvvetleri ile mikro akışkanların hareketini sağlandığı sistemlerdir. İşlenecek örnekler radyal olarak içeriden dışarıya doğru işlenirler (çemberin içinden dışına doğru gibi). Merkezkaç kuvvetinin (biliyorsunuz merkezkaç yalancı bir kuvvet aslında merkezcil kuvvete tepki olarak dışa hareket ediyor dönen cisimler) etkisi ile sıvılar radyal olarak dışa hareket ediyorlar.

Merkezcil kuvvetlerin örneklerle kimyasalları karıştırma ve karışımı bir noktadan diğerine iletme teknolojilerinin geçmişi 1960’lara kadar gidiyor. Mikroakışkan sistemleri tek bir dönme ekseni ile hareket ettirmenin çeşitli avantajları var. Bunlardan ilki tek dönen eksen ile sıvıları harekete geçirebilmenin, ya da karıştırmanın pompa gibi makro ölçekli aygıtlara bağlanmayı gerektirmiyor oluşu. Diğer bir avantajı ise basit yapıları nedeni ile güvenilir ve dayanıklı oluşları. Bunların yanı sıra dönen eksenin frekansının hassas bir şekilde kontrol edilerek istenen akışın kolayca sağlanabilmesi.

Santrifüj kuvvetleri ile çalışan sistemler aynı anda bir çok işlemi birbirilerine paralel olarak yaparak yüksek verimli ve hızlı işlemler yapabiliyorlar. Paralel işlemler için gerekli sıvı miktarının 1µL’nin altına indiği santrifüj teknolojisi ile çalışan modern sistemler çok değerli sıvıların ve kimyasalların tüketimlerini en aza indirerek farklı alanlarda tercih ediliyorlar. Yine de sıvıların basınçla hareket ettirildiği sistemler kadar yaygın değiller. Plazmanın ayrılması, DNA özütleme, protein tabanlı tahliller, klinik kimya tahlilleri santrifüj teknolojisi ile çalışan minyatür laboratuvar çiplerinin kullanıldığı alanlar.

Elektrokinetik Tabanlı Minyatür Laboratuvarlar: Parçacık içeren heterojen sıvıların üzerine etki eden dış bir kuvvet aracılığı ile sıvı katmanlarında istenilen hareketin sağlandığı bu sistemlerde elektrik yüklü parçacıklara ya da elektrik dipollere etki eden elektrik alanları uygulanarak istenilen işlemlerin yapılması sağlanıyor. Elektrokinetik etkilerden bir tanesi olan elektroozmos ile bütün bir sıvının hareketi sağlanabilirken elektroforez ya da dielektroforez yöntemi ile farklı parçacıkların birbirinden ayrılması sağlanabiliyor(Şekil 6, 7 ).

Şekil 6: Elektroforez etkisi. (c) Wikicommons

Şekil 6: Elektroforez etkisi. (c) Wikicommons

En basit elektrokinetik sistemlerin hareketli parçalara ihtiyaç duymaması, sıvıların dışarıdan uygulanan elektrik alanları ile yönlendirilmesi ve analiz edilebilmesi nedeni ile mikroakışkan uygulamalarının ilk yıllarından bu yana sıklıkla kullanılan sistemler olmalarına yol açmış. Günümüzde bir çok firma kapiler elektroforez (kapiler kanallar içinde elektroforez) tabanlı minyatür çipleri µBA sistemlerinde kullanıyor. DNA ve protein analizinde alınan örneğin elektroozmotik kuvvetler ile hareketinini sağlandığı ve kapiler elektroforez ile ayrıştırılarak test edildiği çipler tahlillerin ve analizin dakikalar içerisinde tamamlanmasına olanak sağlıyor.

Şekil 7: a – elektroozmotik akış    b – elektroforez ile ayrılma c – dielektroforez. (Kaynaktan uyarlandı)

Şekil 7: a – elektroozmotik akış b – elektroforez ile ayrılma c – dielektroforez.

Akustik Dalga Platformları: Yakın zamanda yüzey akustik dalgaları kullanılarak mikro akışkanların karıştırılması, harekete geçirilmesi ve hızlandırılması araştırmacıların ilgisini çekmekte. Ses hızının katı yüzeyde ve sıvılardaki farklılığından ötürü araştırmacılar yüzeyde yaratılan dalgaları kullanarak mikro akışkanları istekleri doğrultusunda hareket ettirmek için çalışmalar yapmaktalar. Hidrofobik bir yüzey üzerinde yerleştirilen sıvı damlasının yüzey üzerinde yaratılan akustik dalgalara yüzeyden farklı tepki vermesi ile yapılabilecek testler ve olası uygulamaları konusunda araştırmalar devam etmekte.

Şekil 8:  Tellür dioksit kristali üzerinde yaratılmış yüzey akustik dalgasının deneysel görüntüsü. (c) Wikicommons

Şekil 8: Tellür dioksit kristali üzerinde yaratılmış yüzey akustik dalgasının deneysel görüntüsü. (c) Wikicommons

Teknolojisi, uygulamaları ve teorisi ile disiplinler arası bir çalışma gerektiren bu sistemler günümüz bilim dünyasının en çok ilgisini çeken konuların arasında yer alıyor. Her yıl yayınlanan binlerce makale, alınan patentler µBA sistemlerinin önümüzdeki yıllarda yaşamımızın içinde sıklıkla karşılaşacağımıza işaret ediyor. Bu yazı dizisinde derya deniz bir alan olan minyatür laboratuvar, mikro bütüncül analiz sistemlerinin yüzeyini konuya uygun olarak mikro miktarlarda da olsa kazımaya çalıştım. Meraklı okuyucular yazı dizisinin altındaki kaynaklardan okumaya ve araştırmaya devam edebilirler. Ayrıca bu sayımızda yayınlanan Tevfik Uyar’ın “Nanogelecek ve Respirositler” isimli yazısı da nano ölçekli gelecek hakkında fikir edinmek isteyen okuyucularımızın mutlaka okunması gereken bir yazı.


Kaynaklar: Bu yazının ana kaynağı Royal Society of Chemistry tarafından yayınlanan Chemical Society reviews isimli dergide yayınlanan “Microfluidic platforms for lab-on-a-chip applications” isimli makaledir. Yazı içinde geçen kavramlar, bilgiler gerek gördüğüm durumlarda yazı dizisini hazırlarken kullandığım diğer kaynaklardan ve internetten kontrol edilmiştir.

Etiketler: , , , , , , ,


Yazar

#direngezi, #direnülkem diyen Boğaziçi Makina Mühendisliği mezunu çapulcu, yalansavar.org’da yazar. Ege Üniversitesi'nde Eleştirel Düşünce dersi vermesine rağmen hayatını çimento ve mineral sektörüne danışmanlık, proje hizmetleri vererek kazanıyor.






Yorum yapın (Facebook, Twitter gibi hesaplarınız geçerlidir.)

Back to Top ↑