Image-based bioassays in microfluidic devices

Abstract

Son zamanlarda, mikroakışkan uygulamalar, tıbbi bozuklukların teşhisini ve izlenmesini amaçlayan minyatür cihazlarla, standart laboratuvar prosedürlerinin yerini almıştır. İyi tanınan geleneksel mikroskobik teknikler, hala alışılagelmiş olarak mikroakışkan teknolojilerinde görüntüleme için kullanılmaktadır. Ancak bu mikroskopların hantal ve pahalı yapıları, yeni nesil hasta başı test cihazları ile uyumlu değildir. Minyatür cihazlarda optik elemanların uygulanması, ölçüm doğruluğu ve kesinliğinin yanı sıra taşınabilir enstrümantasyon sunar. Spesifik olarak, lenssiz görüntüleme teknolojilerinin mikro teknolojilerle entegrasyonu, yeni cihazlar geliştirmenin yolunu açmıştır. Bu tezde entegre lenssiz holografik mikroskopların iki farklı uygulaması sunulmuştur. İlk uygulama, boyutlarına ve morfolojilerine göre kanda sirküle eden tümör mikroembolilerini lökositlerden ayırmak, saflaştırmak ve izole etmek için yeni bir lenssiz holografik mikroskop entegreli mikroakışkan tabanlı filtreleme yönteminin geliştirilmesini içermektedir. Geliştirilen yöntem, mikrofiltrasyon ve lenssiz holografik mikroskop teknolojilerinin avantajlarını kullanarak, ticari hücre ayırma cihazlarıyla karşılaştırılabilir şekilde kanda sirküle eden tümör mikroemboli ayırma verimliliği ve saflığı sağlamıştır. Ayrıca, lenssiz holografik mikroskop entegre manyetik levitasyon tabanlı sıvı viskozitesi ve özkütle ölçümü olarak başka bir yeni yöntem tanıtılmıştır. Bu yöntemde, sıvıların özkütle ve viskozitelerini belirlemek için mikrosensör olarak mikropartiküller ölçüm yapılacak sıvı içinde kullanılmıştır. Bu parçacıkların levitasyon yüksekliği ve hızı sıvının özkütlesi ve viskozitesi ile ilişkilendirilmiştir. Bu tez kapsamında sunulan, mikroakışkan tabanlı teknolojilere entegre lenssiz holografik mikroskop sistemleri, uygun maliyetli ve taşınabilir görüntü tabanlı yeni cihazların geliştirilmesinin önünü açabilecektir.

Recently, microfluidic applications have replaced standard laboratory procedures with miniature devices aiming at diagnosing and monitoring medical disorders. Well-recognized conventional microscopic techniques' are still traditionally used for imaging in microfluidic technologies. However bulky and expensive nature of these microscopes is not compatible with next-generation point-of-care devices. Implementation of optical elements in miniaturized devices offers portable instrumentation as well as measurement accuracy and precision. Specifically, the integration of lensless imaging technologies with micro technologies has paved the way to develop novel devices. With this interest, two different applications of integrated lensless holographic microscopes were presented in this thesis. The first application includes the development of a new method of lensless holographic microscope-integrated microfluidic-based filtering to separate, purify and isolate circulating tumor microembolus from leukocytes according to their size and morphology. By using the advantages of microfiltration and lensless holographic microscope technologies, the developed method provides separation efficiency and purity of circulating tumor microembolus comparable with commercial cell separation devices. Another novel method, a lensless holographic microscope integrated magnetic levitation-based viscosity and density measurement of solutions, was introduced. The principle utilizes the use of microparticles as a kind of microsensor to correlate their levitation heights and velocities to the densities and viscosities of the solutions, where these particles are spiked. In the scope of this thesis, integrated lensless holographic microscope systems into microfluidic-based technologies may pave the way for the development of cost-effective and portable image-based novel devices.