Dijital Mikroakışkanlar
Güncelleme tarihi: 9 Nis 2021
Rana Sümeyra Özcan – 2020 YLSY Bursiyeri/ Türkiye Sağlık Enstitüleri Başkanlığı, Sağlık Bilimlerinde Nanoteknoloji Uygulamaları
Yağmurdan sonra yapraklar üzerindeki su damlalarını, su yüzeyinde durabilen böcekleri ve dökülen civanın küre şeklini aldığını görmüşsünüzdür (şekil 1). Tüm bu örneklerin yüzey gerilimi, adezyon ve kohezyon gibi terimlerle ilişkili olduğunu da duymuşsunuzdur. Peki bu olayların neden ve nasıl meydana geldiğini ne kadar iyi biliyoruz? Günlük hayatta karşılaştığımız durumların arkasındaki bilimi keşfetmeye ve bu bilimin teknolojiye nasıl yön verdiğini görmeye hazır mısınız?
Şekil 1: Yüzey gerilimi örnekleri. Yaprak üzerindeki suyun damlacık halini koruması ve su yüzeyinde durabilen böcekler.[1,2]
Sıvı yüzeyi ve temas ettiği madde arasında yüzey gerilimi olarak bilinen çok özel bir kuvvet vardır.[1] Bu kuvvet sıvının ve temas ettiği maddenin cinsine ve özelliklerine göre değişebildiği gibi sıcaklıktan ve sıvının saflık derecesinden de etkilenir.[3] Peki yüzey gerilimi nasıl meydana gelir?
Sıvı içerisinde bulunan moleküllerin dört bir yanı kendisi gibi sıvı molekülleri ile çevrilidir. Bu nedenle bu moleküller kararlı yapıdadır. Sıvı yüzeyindeki moleküller ise o kadar şanslı değildir. Üstlerinde başka su molekülü olmadığından aşağıdaki benzerlerine doğru yönelmek isterler ve birbirlerine daha yakın durarak sıvı yüzeyini örten bir zar gibi davranırlar (Şekil 2).[1]
Şekil 2: Sıvı içerisinde ve yüzeyinde bulunan moleküllere etki eden kuvvetler. Sıvı içinde bulunan A molekülüne etki eden net kuvvet sıfırken B molekülüne etki eden net kuvvet sıfır olmadığından bu molekül aşağıya doğru çekilme eğilimindedir. Böylece sıvı yüzeyi içeri doğru bükülerek sıvıyı örten bir zar görevi görür.[1,2]
Tıpkı sıvı-hava arasında olduğu gibi sıvı-katı arasındaki etkileşim de yüzey gerilimini etkiler. Örneğin suyu seven (hidrofilik) bir yüzeye damlatılan su damlasının yüzey gerilimi düşüktür, böylece bu damla rahatça yayılarak yüzeyi ıslatır. Çünkü hidrofilik yüzeyler ve su molekülleri arasındaki adezyon (yapışma) kuvveti su moleküllerinin kendi içindeki kohezyon (tutma) kuvvetinden daha fazladır ve bu yüzeyler su ile daha fazla iletişim kurmak isterler. Bununla birlikte suyu sevmeyen (hidrofobik) bir yüzeye bırakılan su damlası küresel şeklini korur ve yüzeyi ıslatmaz. Bunun sebebi hidrofobik yüzeylerin su ile iletişime girmek istememesi sonucu su moleküllerinin birbirlerine tutunarak yüzeyden uzaklaşmasıdır. Bu durumda ise kohezyon kuvveti adezyondan büyüktür ve yüzey gerilimi yüksektir (şekil 3).[3]
Şekil 3: Hidrofilik ve hidrofobik yüzeylere damlatılan su moleküllerinin tutumu. Hidrofilik yüzeye damlatılan bir su damlası düşük yüzey gerilimine sahiptir ve yüzeyi ıslatır. Hidrofobik bir yüzey üzerinde ise yüzey gerilimi yüksektir ve ıslatma özelliği düşüktür.[2,3]
Özetlemek gerekirse, bir sıvının yüzey gerilimi, sıvının kendisini nasıl bir damlacık halinde tuttuğunu tanımlayan ve sıvının yüzeyi ıslatma derecesini belirleyen olgudur.[1] Daha ilgi çekici olansa bu olgu ile neler yapabileceğimizdir. Öyleyse bunu görebilmek için gelin dijital mikroakışkanlarla (DMF) tanışalım.
Dijital mikroakışkanlar uygulanan voltajla yüzeyin ıslatılabilirliğini modüle ederler. Elektrik akımı ile sıvı ve yüzey arasındaki etkileşimi değiştirerek sıvının hareketini kontrol ederler.[4] Yukarıda hidrofobik bir yüzeye damlatılan suyun küresel şeklini koruyacağından bahsetmiştik. Oysa ki hidrofobik özellik gösteren dijital bir mikroakışkan çip yüzeyine voltaj uyguladığımızda yüzey suyu sevmeye başlar ve onunla daha fazla iletişim kurabilmek için su yüzey üzerinde yayılır. Bu sayede bitişik elektrotlar boyunca voltajın art arda açılıp kapatılması ile sıvının hareketi elektrostatik olarak kontrol edilir.[5] Bu kontrol pikolitreden mikrolitreye kadar farklı ölçeklerde sıvılar için sağlanabilir.[4] Aşağıda Toronto Üniversitesi’nden Prof. Dr. Wheeler ve ekibinin başarılı bir çalışmasını görüyorsunuz (şekil 4).[6] Bu çalışmada kullanıcılar dijital bir mikroakışkan çip ile damlacıkları hareket ettirerek, birleştirerek ve bölerek manipüle edebiliyorlar.
Şekil 4: Dijital mikroakışkan çip uygulaması. Bir kaynaktan damlacık oluşturma, taşıma, birleştirme ve bölme DMF ile yapılabilecek temel işlemlerdir (Wheeler Lab.’dan alınmıştır).[6]
Elektrik akımı ile damlacıkları yönlendirme yaklaşımı hem zamandan tasarruf hem de örneklerin aktarılması için pipetler ve test tüpleri gibi laboratuvar malzemelerinin kullanımına gerek bırakmayarak maddi tasarruf sağlar. Aynı zamanda ortam programlanabilir ve kontrol edilebilir olduğu için el hatalarını da minimuma indirir.[4,5] Sunduğu bu avantajlar dijital mikroakışkanları immünolojik testler gibi biyolojik metodlar ve çeşitli klinik tanı yöntemleri için uygun hale getirir.[7]
Şekil 5: DMF ile immünolojik test uygulaması. Örnekleri manyetik ayırma bölgesine yönlendirme, karıştırma ve ayırma işlemleri tek bir cihazda pek çok kez tekrarlanabilir (Wheeler Lab.’dan alınmıştır).[6,7]
Wheeler ve ekibine ait çalışmada immünolojik bir test kapsamında antikor kaplı paramanyetik partikülleri ayırmak ve yeniden süspanse etmek için dijital mikroakışkanlar kullanılmıştır (şekil 5).[6,7] Bu yenilikçi yaklaşım geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında reaktif hacimlerini 100 kat, analiz süresini ise 10 kat azaltmıştır. Üstelik klinik tarama için gerekli analitik performans seviyesini de korumuştur.[7] Daha pek çok çalışma ile avantajlarını sergileyen dijital mikroakışkanlar hem doğru sonuç ve hem de hızlı kullanım için büyük bir potansiyele sahiptir.
Referanslar
Lautrup, B. (2011). Physics of Continuous Matter, Second Edition. Hoboken: CRC Press.
Şekil 1, 2 ve 3 https://biorender.com/ ile oluşturulmuştur.
Amoroso, R., Kauffman, L., ve Rowlands, P. (2013). The physics of reality. Singapore: World Scientific Pub. Co.
Choi, K., Ng, A. H., Fobel, R., & Wheeler, A. R. (2012). Digital microfluidics. Annual review of analytical chemistry (Palo Alto, Calif.), 5, 413–440. https://doi.org/10.1146/annurev-anchem-062011-143028
Naderi, A., Bhattacharjee, N., & Folch, A. (2019). Digital Manufacturing for Microfluidics. Annual review of biomedical engineering, 21, 325–364. https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-092618-020341
Ng, A. H., Choi, K., Luoma, R. P., Robinson, J. M., & Wheeler, A. R. (2012). Digital microfluidic magnetic separation for particle-based immunoassays. Analytical chemistry, 84(20), 8805–8812. https://doi.org/10.1021/ac3020627