Portable devices for In-Vitro characterization based on ultrasound

Abstract

Bu projede taşınabilir kartuş tabanlı lab-on-a-chip platformu öneriliyor. Ve bu platformun ana algılama mekanizması yüksek frekanslı akustik dalgalar ile çalışmaktadır. Biyolojik ölçümler için iki farklı transdüserin uygulanabilirliği incelenmiştir. Kan pıhtılaşma zamanı ölçümleri için ise çinkooksit (ZnO) tabanlı piezoelektrik transdüserler kullanılmıştır. Yöntem olarak kan ile dolu olan bir mikroakışkan kanaldan akustik yansımaların genliğinin ölçülmesi kullanımıştır. Mikroakışkan kanal hacmi 1 mikro-litre gibi düşük bir değer olabilir. Düşük maliyetli tek kullanımlık cam kartuş ise ölçümlerin yapılması için tasarlanmıştır. Kartuş iki cam alt tabakadan ve kanalın bulunduğu bir çift taraflı şerit tabakadan oluşur. Cam alt tabakalarından biri kartuşun dış yüzeyi üzerinde elektrik bağlantıları da sağlanmışbir şekilde 400 MHz'de çalışan bir mikroişlenmiş ZnO transdüsere sahiptir. Transdüser ise kanalı dolduran sıvı içinde akustik darbeleri üretmek için kanal ile hizalanmıştır. Kanalın üstünden gelen yansımalar sıvı içinden yayılmakta ve bu nedenle onların genlik ve fazları sıvının özelliklerinden dolayı etkilemektedir. Deneylerde tüm kan herhangi bir numune hazırlanmadan kullanılmıştır. Pıhtılaşma sırasında kan akışmazlığı değişir dolayısıyla kanalın üst kısmından gelen yansıma genliği izlenerek pıhtılaşma süresi ölçülebilir. Kanın sadece 1 mikro-litre gerektiren yöntem kalsiyum ile test edilmiş ve parsiyel tromboplastin (aPTT) reaktifler ile aktive edilmiştir. Önerilen yöntem, hastanın kendisini test etmek için kullanabileceği pıhtılaşma zamanını ölçen düşük maliyetli ve taşınabilir bir sistem için potansiyele sahiptir. İkinci transdüser CMUTs olarak yapılmıştır. Bu teknolojiyi akışmazlık ölçümleri için sıvıların içine batırılan bir biyolojik sensör olarak tanıtıyoruz. Membran tipi rezonatörler için sınır koşulları kalite faktörünü arttırmak amacıyla değiştirilmiştir. Bu değişim sensöre yüksek hassasiyet kazandırmıştır. Kalite faktöründeki iyileşme sonlu eleman analizi kullanarak gösterilmiştir.

We propose a portable cartridge based lab-on-a-chip platform. The main sensing mechanism uses high frequency acoustic waves. Feasibility of two different transducers has been investigated for biological measurements. We used zincoxide (ZnO) based piezoelectric transducers for blood coagulation time measurements. The method is based on the measurement of amplitude of acoustic reflections from a microfluidic channel which is filled with blood. The volume of the microfluidic channel could be as low as 1 micro-litre. A low cost disposable cartridge made of glass has been designed to perform the measurements. The cartridge is composed of two glass substrates and a double sided tape layer where the channel is defined. One of the glass substrates has a micromachined ZnO based transducer that operates at 400 MHz on the outer surface of the cartridge where electrical connections are also provided. The transducer is aligned with the channel to generate acoustic pulses in the fluid that is filling the channel. The reflections coming from the top of the channel propagate through the liquid therefore their amplitude and phase are affected by the fluid properties. In the experiments whole blood was used without any sample preparation. The viscosity of the blood changes during coagulation therefore by monitoring the amplitude of the reflection coming from the top of the channel one can measure the coagulation time. The method which requires only 1 micro-litre of blood has been tested with calcium and activated partial thromboplastin (aPTT) reagents. The proposed method has a potential to be used in a low cost portable coagulation time measurement system for patient self-testing. The second transducer was made of CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). We introduce this technology for immersion in liquids as a biological sensor for viscosity measurements. Boundary conditions for membrane type resonators have been modified in order to increase the quality factor. This enabled a sensor with high sensitivity. We demonstrate the quality factor improvement using FEM analysis.