[논문]두 평면 전극 사이의 절연체 구조물에 의해 유도되는 양의 유전영동을 이용한 삼차원 입자 정렬기

추현정; 도일; 조영호

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.3.261

두 평면 전극 사이의 절연체 구조물에 의해 유도되는 양의 유전영동을 이용한 삼차원 입자 정렬기
A Three-Dimensional Particle Focusing Channel Using the Positive Dielectrophoresis (pDEP) Guided by a Dielectric Structure Between Two Planar Electrodes 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.3 = no.282, 2009년, pp.261 - 264

추현정 (한국과학기술원 바이오및뇌공학과, 디지털나노구동연구단) , 도일 (한국과학기술원 바이오및뇌공학과, 디지털나노구동연구단) , 조영호 (한국과학기술원 바이오및뇌공학과 및 기계공학과, 디지털나노구동연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

We present a three-dimensional (3D) particle focusing channel using the positive dielectrophoresis (pDEP) guided by a dielectric structure between two planar electrodes. The dielectric structure between two planar electrodes induces the maximum electric field at the center of the microchannel, and particles are focused to the center of the microchannel by pDEP as they flow from the single sample injection port. Compared to the previous 3D particle focusing methods, the present device achieves the simple and effective particle focusing function without any additional fluidic ports and top electrodes. In the experimental study, approximately 90 % focusing efficiency were achieved within the focusing length of 2mm, on both x-z plane (top-view) and y-z plane (side-view) for $2{\mu}m$-diameter polystyrene (PS) bead at the applied voltage over 15 Vp-p (square wave) and at the flow rate below 0.01 ${\mu}l$/min. The present 3D particle focusing channel results in a simple particle focusing method suitable for use in integrated microbiochemical analysis system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 추가적인 유량 유입부과 채널 상단의 전극 공정 없이 간단하고 효과적인 삼차원 입자 정렬이 가능한 삼차원 입자 정렬기를 제안하였고, 이를 실험적으로 검증하였다. 제안한 정렬기는 2 µm의 지름을 갖는 PS 입자를 x-z 평면(top view)과 y-z 평면(side view)상에서 각각 90% 이상의 효율로 정렬함을 확인하였다.
유체역학과 음의 유전 영동을 모두 사용한 입자정렬은 측면의 두 개의 유체 유입부로 폭 방향으로 입자를 정렬하고 유로 상/하단의 전극에 따른 음의 유전 영동에 의해 유로의 높이 방향으로 입자를 정렬하는 방법이다. 이에 본 논문에서는 추가적인 유체 유입부나 상/하단의 전극 공정이 필요하지 않은 간단하고 효과적인 정렬기를 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 삼차원 입자 정렬기는 두 평면 전극 사이에 절연체 구조물이 위치함으로써 양의 유전 영동에 의해 입자들이 채널 중앙에 정렬되도록 하였다(Fig. 1). 두 평면 전극 사이에 교류 전압을 인가하였을 때, 전기장의 최고치는 채널의 중앙인 절연체 구조물 상단에 형성하게 된다(Fig.
유로의 폭과 높이는 각각 50 µm 로 설계하였고, 절연체 구조물의 높이는 채널 높이의 반인 25 µm, 폭은 공정 조건을 고려하여 10 µm 로 설계하였다.
이때 입자의 정렬 지역은, 측정된 평균입자의 위치를 정렬지역의 중앙이 되도록 정의된다. 입자 정렬 효율은 양의 유전 영동에 의한 x-y 평면에서의 입자 움직임(Fig. 2)과 유체의 흐름에 따른 z 축에서의 입자 움직임(Fig. 3)을 통해 예측하였다. Figure 5 는 Fig.

대상 데이터

인가된 전압 신호는 15 kHz, 15 Vp-p 사각파를 사용하였고, 0.01 µl/min의 유량 조건을 사용하였다.
제작된 소자의 정렬 유로(focusing channel) 끝단에서 입자의 분포를 측정하기 위해 전기전도도가 0.2 mS/m인 증류수에 108/ml 으로 희석된 지름이 2 µm 폴리스틸렌(Polystyrene) 입자를 사용하였다.

데이터처리

유로의 폭과 높이는 각각 50 µm 로 설계하였고, 절연체 구조물의 높이는 채널 높이의 반인 25 µm, 폭은 공정 조건을 고려하여 10 µm 로 설계하였다. 본 입자 정렬기의 정렬 성능은 정렬효율(focusing efficiency)을 통해 평가하였다. 입자 정렬효율은 전체 입자 수에 대한 5 μm × 5 μm 의 정렬 지역(focusing region)에 정렬되는 입자의 수로 정의된다.

성능/효과

정렬 효율은 x-z 평면(top view)과 y-z 평면(side view) 모두에서 약 90% 인 것으로 측정되었다. 이는 기존의 상부 및 하부 전극을 동시에 사용하여 입자를 정렬하였을 때의 효율⁽³⁾보다 개선된 결과이며, 본 연구를 통해 추가적인 유량유입부 없이 하부 전극만을 사용하면서도 유로의 중앙으로 삼차원 입자 정렬이 가능함을 증명하는 것이다.
정렬 효율은 x-z 평면(top view)과 y-z 평면(side view) 모두에서 약 90% 인 것으로 측정되었다. 이는 기존의 상부 및 하부 전극을 동시에 사용하여 입자를 정렬하였을 때의 효율⁽³⁾보다 개선된 결과이며, 본 연구를 통해 추가적인 유량유입부 없이 하부 전극만을 사용하면서도 유로의 중앙으로 삼차원 입자 정렬이 가능함을 증명하는 것이다.
본 논문에서는 추가적인 유량 유입부과 채널 상단의 전극 공정 없이 간단하고 효과적인 삼차원 입자 정렬이 가능한 삼차원 입자 정렬기를 제안하였고, 이를 실험적으로 검증하였다. 제안한 정렬기는 2 µm의 지름을 갖는 PS 입자를 x-z 평면(top view)과 y-z 평면(side view)상에서 각각 90% 이상의 효율로 정렬함을 확인하였다. 이와 같은 입자 정렬기는 다른 분석시스템의 요소들과 집적화하기 적합한 장점을 가지고 있기 때문에 미소 생화학 분석시스템에 널리 사용될 수 있을 것이다.

후속연구

제안한 정렬기는 2 µm의 지름을 갖는 PS 입자를 x-z 평면(top view)과 y-z 평면(side view)상에서 각각 90% 이상의 효율로 정렬함을 확인하였다. 이와 같은 입자 정렬기는 다른 분석시스템의 요소들과 집적화하기 적합한 장점을 가지고 있기 때문에 미소 생화학 분석시스템에 널리 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	종래의 삼차원 입자 정렬기에는 무엇이 있는가?	종래의 삼차원 입자 정렬기는 유체역학적(Hydrodynamic) 입자 정렬기(2,6)나 음의 유전 영동을 이용한 입자 정렬기,(3,7) 혹은 앞선 두 가지 방법을 모두 이용한 입자 정렬기(8)가 있었다. 유체 역학적인 입자 정렬(2,6)은 시료 유입부를 제외한 4개의 추가적인 유체 유입부를 두고 각 유체유입부의 정확한 유량 조절에 의해 입자를 정렬하는 방법이다.
	간단하고 효과적인 삼차원 입자 정렬이 가능한 삼차원 입자 정렬기의 장점은?	제안한 정렬기는 2 µm의 지름을 갖는 PS 입자를 x-z 평면(top view)과 y-z 평면(side view)상에서 각각 90% 이상의 효율로 정렬함을 확인하였다. 이와 같은 입자 정렬기는 다른 분석시스템의 요소들과 집적화하기 적합한 장점을 가지고 있기 때문에 미소 생화학 분석시스템에 널리사용될 수 있을 것이다.
	유체 역학적인 입자 정렬이란?	종래의 삼차원 입자 정렬기는 유체역학적(Hydrodynamic) 입자 정렬기(2,6)나 음의 유전 영동을 이용한 입자 정렬기,(3,7) 혹은 앞선 두 가지 방법을 모두 이용한 입자 정렬기(8)가 있었다. 유체 역학적인 입자 정렬(2,6)은 시료 유입부를 제외한 4개의 추가적인 유체 유입부를 두고 각 유체유입부의 정확한 유량 조절에 의해 입자를 정렬하는 방법이다. 음의 유전영동을 이용한 입자 정렬은(3,7) 유로의 상/하단에 전극을 두어 음의 유전 영동에 의해 입자를 유로 중앙으로 밀어내는 방법이다.

참고문헌 (9)

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Wang, Z., El-Ali, Z., Engelund, M., Gotsaed, T., Perch-Nielsen, I., Mogensen, K., Snakenborg, D., Kutter, J. and Wolff, A., 2004,“Measurements of Scattered Light on a Microchip Flow Cytometer with Integrated Polymer Based Optical Elements,” Lab chip., Vol.4, pp. 372-377

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