Mikroakışkan sistemlerde empedans bazlı kan hücresi tespiti
Impedance-based blood cell detection in microfluidic systems
Yazar: İSMAİL BİLİCAN
Danışman: PROF. DR. TALİP KIRINDI
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Tıbbi Biyoloji = Medical Biology
Dizin: Biyosensörler = Biosensors

Özet:
Bu tez çalışmasında hücrelerin sayımı, tanımlanması ve sınıflandırılması için yaygın bir teknik olan empedans akış sitometrisi tekniği kullanılarak mikroakışkan bir sistem geliştirilmiştir. Bu çalışmada kapasitif-impedimetrik biyosensörler araştırılarak, mikroakışkan sistemin duyarlılık sınırlarının geliştirilmesi ve bunun bir sonucu olarak kan hücresi tespiti yapılabilmesi hedeflenmiştir. Hücreler elde edilmesi ve manipüle edilmesi zor parçacıklar olduğundan mikroakışkan sistemi geliştirmek için hücre ile eşdeğer elektriksel özelliğe sahip olan 6 µm çapındaki polistiren mikro küreler kullanılmıştır. Mikroakışkan sistem içerisinden mikro küre taşıyan 2.5 S/m iletkenliğine sahip bir sıvı geçirilerek, sıvı içerisindeki mikro küreler elektriksel empedans ölçümü yoluyla tespit edilmiştir. Mikroakışkan sistemin hassasiyetini artırmak için sonlu elemanlar metodu ile simülasyonlar yapılarak parçacıkların kanal içerisindeki konum ve boyutlarına bağlı olarak verdiği sinyaller hesaplanmıştır. Empedans değişiminin elektro aktif bölgede yer değiştiren parçacığın hacmi ile orantılı olduğunu göstermek için ise farklı boyutlardaki elektrot ve kanalların performansı teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. En uygun kanal ve elektrot geometrisini bulabilmek için öncelikle elektrot boyutu sabit tutularak farklı kanal boyutlarına sahip mikroçiplerde, daha sonra kanal boyutu sabit tutularak farklı elektrot boyutlarına sahip mikroçiplerde deneyler yapılmıştır. Kanal ve elektrot genişliği azaldıkça mikro kürenin empedans değişiminin arttığı ve elde edilen sonuçlarında Maxwell mixture teorisi ile uyumlu olduğu gösterilmiştir. Bu ön çalışmalardan yola çıkarak 4, 6 ve 8 µm çaplarındaki polistiren mikro küreleri yüksek hassasiyet ile ayırt edebilen bir elektrot ve kanal yapısı geliştirilmiştir.
Hücre sınıflandırma cihazları saniyede binlerce hücre analizi yapabilir fakat genellikle küçük bir örnek hacminin kullanımı için uygun olmayan komplike makinalardır. Bu çalışmada empedansa dayalı mikroakışkan sistem içerisinde alınan bir damla kan örneği kullanılarak kırmızı kan hücreleri sayılmış ve kan örneğindeki farklı mikro parçacıklar tespit edilmiştir. Bu sayede kan sayım cihazı teknolojisine dair bir altyapı geliştirilmiştir. Bu altyapı ile kan hastalıklarının tespitine yönelik, çok az miktarda kan ile dahi cevap verebilen, portatif sistemlerin geliştirilebilmesinin zemini oluşturulmuştur.

Abstract:
In this dissertation, a microfluidic system was developed by using the impedance flow cytometry technique that is in common use for cell counting, identification, and classification. Through investigation of capacitive-impedimetric biosensors, this work aimed to improve the sensitivity levels of the microfluidic system and to identify blood cells as a result of it. Since it is difficult to obtain and manipulate cells, 6 µm polystyrene micro beads having equivalent electrical properties with cells were employed to develop the microfluidic system. By passing a fluid, which has 2.5 S/m conductivity and carriers the micro beads within the microfluidic system, the micro beads were identified impedimetrically. To improve the sensitivity of the microfluidic system, simulations were performed with the Finite Element Method (FEM) to calculate the signals that the particles give depending on their locations and sizes within the channels. In order to show that the impedance change is proportional on the volume of the particle changing its location within the electro-active region, the performances of electrodes and channels with different dimensions were investigated both theoretically and experimentally. To find the optimum channel and electrode geometries, firstly, experiments were performed with microchips with fixed electrode dimensions and varying channel dimensions. This was followed by employing microchips with fixed channel dimensions and varying electrode dimensions. It was shown that the impedance change of the bead increases as the channel and electrode widths decrease and the results match well with the Maxwell mixture theory. With these primary works, an electrode-channel structure was developed which can sort 4, 6, 8 µm diameter polystyrene beads with high sensitivity.
Cell classification devices can perform thousands of cell analyses within seconds, but they are not suitable for the use of small volume samples. In this work, impedance based microfluidic system was used to count red blood cells and sense different micro particles from a drop of blood sample. Thanks to that, an infrastructure was developed for the blood counter technology. With this infrastructure, a ground was formed to develop portable systems, even sensitive to very small volume blood samples, for the diagnosis of hematologic diseases.