Meyer Haber | Meyerhaber.com

Geçen sayıdaki yazımızda, “Medikal dünyasına düşen bomba - Mikrofluidikler” başlığımızla ilgili yorumlar için teşekkür ederiz. Başlığı bu şekilde seçmemizin sebebi bu teknolojinin yapabileceği pozitif etkilere ait spekturumun genişliğini dile getirmek olduğunu belirtmemizde fayda olduğunu düşünmekteyiz. Aksine bombanın birebir kelime anlamı gibi herhangi bir patlama etkisi bulunmamaktadır. Bu yazımızda, konunun okuyucular tarafından daha iyi algılanabilmesi için gelişiminden itibaren bir yazı dizisine başlamayı uygun gördük. Daha sonra, pratik uygulamalarla ilgili olan ilk yazımızın ikinci bölüme geçeceğiz.

Mikrofluidiler, küçük hacimli (mikro, nano, piko ve hatta femtolitre hacimli) sıvılarla (bkz. Şekil 2) çalışan mikro-boyuttaki cihazların araştırması ve gelişimi ile ilgili bir teknolojidir (bkz. Şekil 1). Cihazların boyutları milimetre ile mikrometre arasında değişmekte olup en az bir boyut mikrometre cinsinden (ör. cihazın kanalları) ölçülmektedir (bkz. Şekil 3).

Şekil-1. Mikroflüidikler ve bilim-mühendislikle ilgili konular

Şekil-2. Ölçüler

Komple sistemin minyatürizasyonu her ne kadar faydalı olsa da, mikrofluidik sistemin bir şartı değildir. Anahtar husus, mikrofluidiklerde bulunan sıvının (akışkanın) mikroskopik a olmasıdır. Mikrofluidik cihazlar, makro-boyutlu cihazlardan farklı bir yapı ve tasarıma sahiptir. Mikro-dünyaya hakim fiziksel miktarlar değiştiğinden (son zamanlarda boyut etkisi de bilinir), geleneksel cihazların boyutlarını küçültmek her zaman mümkün değildir. Mikro-dünyada, sıvı akışı laminer olma eğilimde olup, yüzey kuvvetleri ve yüzey gerilmeleri duruma hakim olmaya başlamakta ve bu yüzden, makro-boyutta görülmeyen etkiler önem kazanmaktadır. Bu nedenle, mikrofluidiklerin tanımı; sıvı davranışındaki değişiklerle sonuçlanan küçük-boyutlu ölçeklere ait genel durumlara atıf yapmaktadır.

Şekil-3. Çeşitli mühendislik ve biyolojik bileşenlerin boyut kıyaslaması

Mikrofluidiklerin ölçek etkisi:

Mikrofluidikler, makrofluidiklerle aynı fiziksel yapıya sahip olup, ölçek etkisinden dolayı farklı etkilerin hakimiyeti söz konusudur. Mikrofluidiklerdeki farklılıklar daha hızlı ısıl difüzyon, yarı hakim laminer (katmanlı) akış, kapiler fonomenle ilgili yüzey kuvvetleri ve elektriksel çifte katman (EDL-Electic double layer) olarak sıralanabilir. Mikrofluidik kanallarında, laminer akış düşük Reynolds sayısına göre hakimiyet kurmaktadır. Diğer bir deyişle, akış türbülanssız olarak kolay ve leverişli duruma gelmektedir. Reynolds sayısı, belirli bir akış içindeki eylemsiz kuvvetlerle yapışkan kuvvetler arasındaki oranın ölçümü olup, akışın laminer veya türbülanslı olduğunu gösterir. Kanallar içindeki akışlarda, 1500- 2000’den küçük Reynolds sayısı, laminer akışı; bu aralıktan büyük olduğunda ise, türbülanslı akışa doğru bir eğilimin olduğunu göstermektedir.

Elektriksel çifte katman (EDL) formasyonu, sıvının kanallar içinde mekanik değil de elektronik olarak hareket etmesine olanak sağlamaktadır. Birçok katı yüzey, elektrolitle (sıvı: ör., su) kontağa geçtiğinde, bir yüzey elektrik yükü elde edilir. Yüzey yükü daha sonra bir elektrik alanı etkileyerek etrafında, elektrolit içinde ters yükteki iyonları çekmekte ve aynı yükteki iyonları itmektedir. Arka arkaya oluşan yüzey yükü, bu şekilde yüzeyin yanında bir bölge oluştur ve buna elektriksel çifte katman (EDL) denilmektedir.

Ölçeklerin küçük boyutlara düşürülmesi, bazı teknolojik yetkinlikleri de beraberinde getirmektedir. Bunlardan biri, gaz kabarcıklarından ve kirliliklerden kaçınılabilmesidir. Mikrofluidik cihazların laboratuar ortamından ziyade uygulama alanı için tasarlandığı ve numuneyi sisteme sunma gerçeğini dikkate aldığımızda, kirlilik ve gaz kabarcıklarından kaçınabilme, mikrofluidikler için en önemli tasarım konularından biridir. Birçok filtreleme teknikleri güvenilir operasyonu sağlamak için kullanılmakta olup, tek bir makro parçacık veya gaz kabarcıkları, doğru çalışmayı engelleyebilmektedir.

Diğer önemli bir yetkinlik ise numune hacminin azaltılmasıdır. Bunun neticesinde reaktif tüketiminin yanı sıra, aynı zamanda daha düşük tespit algılama sinyali faydası elde edilir. Buna rağmen, iyileştirilmiş etiketlerin, tespit metotlarının ve numunenin ön-konsantrasyonunun kullanımı ile bu problemler sıklıkla çözülebilir. Bununla birlikte, numunedeki hedeflenen molekül konsantrasyonu hacim azaltımı için zaman zaman yetersiz olup, bu nedenle daha etkin ayrım teknikleri, doğrudan, örneğin bir proseste saf olmayan (impure) numunelerin kullanımının gelişimine katkı sağlayacaktır.

Ayrıca, sıvı buharlaşma; numune hacmi azaldıkça ve yüzeyin hacme olan oranı arttıkça önemli hale gelmekte ve buharlaşma “daha etkin” olmaktadır. Diğer bir yandan, aynı zamanda numunenin ön-konstrasyonundan yararlanılabilmektedir. Mikrofluidiklerin son olmamak kaydı ile diğer bir yetkinliği de montaj, paketleme ve entegrasyon olarak ifade edilebilir. Tüm sistem bileşenleri yük seviyesinde güvenilir olsa bile, doğru bir şekilde monte edilmezlerse, sistemin güvenilirliliği düşük seviyede olmaktadır. Bağlantılar yüksek basınca dayanıklı olmalıdır. Paketleme sistemi sert çevrelerden korumalı, bununla birlikte numunenin girişine imkan verir şekildedir. Birçok durumlarda, sistem hava-geçirmez olup, numune girişi için bazı yerlerde açılmalıdır. Bazı durumlarda, fluidik yolların yanı sıra aynı zamanda optik ve elektronik olanlar da aynı hizada olmalıdır.

Gelecek sayımızda mikrofluidiklerle ilgili malzemeler, mikrofluidik yapıların fabrikasyonu, post-processing, mikrofluidik sistemlerin simulasyonu ve modellenmesi, mikrofluidik bileşenler, mikrofluidiklerin avantajları, uygulamaları ve ilgili kaynaklardan bahsedeceğiz. Bir sonraki sayımızda görüşmek üzere…

Hakan Esgin / MEYER