Micro Manyetik ve Parçacıklarının Manipülasyonuna Yönelik Sistem Tasarımı

Abstract

Manyetik cımbızlar çeşitli uygulamalar ve ölçümler için hücreleri veya biyomolekülleri manipüle edebilir. Tek moleküllü manipülasyonlar için bir elektromanyetik mikro manipülatör tasarlandı, modellendi ve kontrol edildi. Elektromanyetik cımbız mikron boyutlu süperparamanyetik parçacıkları uygun kontrol mekanizması yardımıyla kontrol edebilir. Bu parçacıklar, hedef biyomoleküllerin yakalanması için reseptörler ile fonksiyonel hale getirilebildiğinden dolayı yüklü partiküller harici bir manyetik alan kullanılarak belirli bir yere taşınabilirler. Manyetik tek kutup ve manyetik devre yaklaşımları, manyetik sistemin dinamik denklemini modellemek için bu çalışmada kullanıldı. Ofset akım tabanlı geri besleme ile doğrusallaştırma yaklaşımı bir kontrolör tasarlanarak, sıfır kararlı-durum hatasıyla geniş çalışma koşulları sağlandı. Tek parçacığın konumunu bulmak için görüntü tabanlı algoritma geliştirilmiştir. Türetilmiş model ve kontrol sistemini doğrulamak için sayısal simülasyonlar yapılır. Tasarlanan manyetik sistem, 1 ila 10 mikrometre çapındaki manyetik bir parçacığı 1 amperden az bir akımla kontrol etmek için 1-100 pN arasında kuvvet uygulayabilmektedir. Manyetik yönlendirici sistemi, tek hücre ayrımı, ve biyosensör gelişmeleri için kullanılabilir.

Magnetic tweezers are able to manipulate cells or biomolecules for various applications and measurements. In this study, an electromagnetic micromanipulator is designed, modeled and controlled for single magnetic bead manipulations. Electromagnetic tweezers are capable of controlling micron sized superparamagnetic particles with the help of appropriate control mechanism. Magnetic particles can be functionalized with receptors in order to capture the target biomolecules, and conjugated particles can be moved to a certain place by using an external magnetic field. Magnetic monopole and magnetic circuit approaches are used to model the dynamic equation of the magnetic system. An offset current based feedback linearizing is devised to ensure wide range of movement conditions with zero steady-state error. Image based algorithm is developed in order to find the position of the single particle. Numerical simulations are carried out in order to validate the derived model and the control system. The designed magnetic system is able to apply magnetic forces in the range of 1-100 pN to control a magnetic particle of 1 to 10 micrometer of diameter with a current less than 1 A. The magnetic micromanipulator system can be used for single cell separation, and biosensor applications.