[논문]캔틸레버(Cantilever) 형태의 전극 어레이(array)를 이용한고속 분리 시스템

이정훈; 김영호; 김영근; 김병규

doi:10.5369/jsst.2010.19.2.112

캔틸레버(Cantilever) 형태의 전극 어레이(array)를 이용한고속 분리 시스템
High throughput sorting(HTS) system using a cantilever-type electrode array 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.19 no.2, 2010년, pp.112 - 117

이정훈 (한국항공대학교, 항공우주 및 기계공학부) , 김영호 (한국항공대학교, KAU Robotics Center) , 김영근 (한국항공대학교, 항공우주 및 기계공학부) , 김병규 (한국항공대학교, KAU Robotics Center)

Abstract ▼ AI-Helper

A high-throughput sorting (HTS) system has been designed to separate target particles using a negative dielectrophoretic (n-DEP) force. The system consists of a meso-sized channel and a cantilever-type electrode(CE) array designed to separate a large number of target particles by discerning subtle difference of weight and dielectric material property of the particles. Using the polystyrene beads with various sizes of 10, 25 and $50{\mu}m$, the developed system exhibits high-throughput sorting of about 200 beads/sec and more than 80 % of separation efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 수직 방향으로 만들어진 채널을 통해 입자들이 이동시 입자에 작용하는 중력과 캔틸레버 형태의 전극으로 구성된 array에 전계를 걸때 입자에 작용하는 유전영동력의 상호작용을 이용하여 연속적인 흐름 내에서 특정 입자를 분리하는 방법을 제안하였다^[12-13]. 먼저, 유전영동은 균일한 매질(medium)속에서 극성이 없는 입자는 불균일한 교류 전기장에 노출되면 그 전기장의 전압, 주파수, 그리고 입자와 매질(medium)의 유전율(permittivity)과 전도도(conductivity)에 따라 유전영동을 받는다^[14-16].
본 연구에서는, 메소 크기 채널(meso-sized channel)내 캔틸레버 형태의 전극 어레이(cantilever-type electrodes array)를 기반으로 한 고속 분리(high throughput sorting: HTS) 시스템을 제안하여 고속(high throughput) 및 고효율(high efficiency)로 많은 양의 특정 입자를 분리할 수 있는 가능성을 제시하였다. 특히 인가전압이 26.
그러나 80 %~90 % 이상의 분리 효율로 특정세포를 분리할 수 있음에도 불구하고 미세펌프를 이용하여 유체를 제어해야 한다는 점에서 이미 상업적으로 사용되고 있는 대용량 기기들에 비해, 처리속도 능력은 여전히 한계로 지적되어 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 미세 펌프 없이 입자의 무게와 캔틸레버 형태의 전극(cantilever-type electrode: CE)에서 발생시키는 전계를 이용하여 많은 양의 특정 입자들을 분리할 수 있는 고속 분리(high throughput sorting: HTS)시스템을 제안하고자 한다. 고속 분리 시스템은 중력 방향으로 이동하는 입자의 경로에 입자를 배열시켜서 입자의 크기와 유전특성에 따른 주파수의 변화에 따른 편향을 통해 특정 입자만을 고속으로 분리할 수 있다.
마찬가지로, 실험 결과 입자들이 중력에 의해 채널 하부 방향으로 이동하나 전압을 인가한 경우 편향 현상이 일어나 이동 방향이 바뀐 것을 볼 수 있다. 이와 같이 전압을 인가하였을 때와 전압을 인가하지 않았을 때 비드의 편향 정도 및 유무에 따라 분리기의 가능성을 확인하였다. 실험 결과 입자들은 네거티브 유전 영동 힘을 받게 되면서 편향이 시작되고, 최대 200 µm의 속도로이동하더라도 특정 입자(polystyrene bead:10 µm)가 정확하게 편향될 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

2. The concept of particle separation near the cantilever-type electrode array in a meso-sized channel.

제안 방법

또한, 해석 결과의 검증을 위해 같은 조건의 10 µm 지름의 폴리스틸렌 비드를 사용하여 실험을 진행하였다.
본 논문에서 제안한 고속 분리 시스템은 negative DEP와 중력을 사용하여 입자를 분리하였고 기본적인 분리 개념은 Fig. 2와 같다. 먼저, 경사면(inclined plane: IP)을 따라 이동하는 입자의 이동 벡터와 중력 방향 벡터의 합 벡터 방향을 따라 입자가 이동한다.
실험은 25 µm와 50 µm 비드 각각의 편향 정도에 따른 전압 조건을 측정한 후 두 개의 비드를 혼합하여 분리되는 전압 조건을 확인하는 실험을 진행하였다.
이러한 점에 기초하여 25 µm와 50 µm 비드를 분리하는 실험을 수행하였다.
제안된 고속 분리기를 포함한 시스템의 구성은 전계를 발생시키는 함수발생기, 전극을 포함하는 분리모듈, 입자의 이동을 관찰할 수 있는 현미경으로 구성되어 있다. 고속 분리기 내 구성요소는 매질을 담기 위한 컨테이너(container)와 입자가 주입되는 모듈(separation module)과 미세 전극이 장착 된 모듈(electrode arrays)로 구성되어 있다.
캔틸레버 형태의 전극 배열을 기반으로 한 고속 분리 시스템을 검증하기 위해 수치해석을 수행하였다. 해석은 상용코드인(CFD-ACE®)를 이용하여 정지된 유체 내 10 µm 지름의 폴리스틸렌 비드(polystyrene bead)를 주입하였을 때, 전압을 인가하지 않았을 경우 중력에 의한 비드의 이동 경로와 비드의 유전특성을 고려한 전압(72 MHz, 3.
하지만 분리 시 발생하는 입자간 상호 영향력으로 인한 분리 효율 저하와 분리하고자 하는 대상 입자의 크기가 20 µm 이하일 경우 중력에 따른 침강 속도의 한계를 확인하였다.
해석은 상용코드인(CFD-ACE®)를 이용하여 정지된 유체 내 10 µm 지름의 폴리스틸렌 비드(polystyrene bead)를 주입하였을 때, 전압을 인가하지 않았을 경우 중력에 의한 비드의 이동 경로와 비드의 유전특성을 고려한 전압(72 MHz, 3.5 Vp-p)을 인가하였을 경우 비드의 편향 정도를 확인하였다.

대상 데이터

또한, 해석 결과의 검증을 위해 같은 조건의 10 µm 지름의 폴리스틸렌 비드를 사용하여 실험을 진행하였다. 실험 시 매질은 유전영동의 영향을 조절하기 위한 완충제(4 % bovine serum albumin(BSA) in ddHO)를 사용하였고, 전압은 72 MHz, 3.5 Vp-p를 인가하였다. 그 결과 Fig.

성능/효과

각 비드의 이동 속도와 전극 길이(500 µm)를 고려하면 제안된 고속 분리기 시스템은 약 200 beads/sec의 처리 속도를 갖는 것을 알 수 있다.
5 Vp-p를 인가하였다. 그 결과 Fig. 5와 같이 수치적 해석 결과와 실험 결과가 일치하는 것을 확인하였다. 수치적 해석 결과, 전압을 인가하지 않았을 경우 입자들은 중력에 의해 메소 크기의 채널 하부 방향으로 침강하고 유전특성에 따른 전압을 인가하였을 경우 유전영동에 의해 편향 현상이 발생하고 그 결과 미세 전극 윗면을 이동하는 것을 확인할 수 있다.
그결과 (Fig. 6)에서와 같이 25 µm와 50 µm 비드 모두 28MHz, 3.5Vp-p 전압 조건에서는 X 영역뿐만 아니라 Y 영역에서도 편향되었고, 혼합된 비드 역시 같은 조건에서 편향되었다.
5 Vp-p의 조건이 되면 25 µm와 50 µm 크기의 비드 입자 간 전기적 유전 특성에 의해 두드러진 편향 차이가 발생된다는 점을 반복된 실험에 의해 확인할 수 있었다. 또한 비드의 속도 관찰을 통해 이시스템 사용 시 최대 약 200 beads/sec의 처리 속도를 갖는 것을 알 수 있었다. 하지만 분리 시 발생하는 입자간 상호 영향력으로 인한 분리 효율 저하와 분리하고자 하는 대상 입자의 크기가 20 µm 이하일 경우 중력에 따른 침강 속도의 한계를 확인하였다.
beads/ml로 이 이상의 농도로 농축될 경우 입자간 상호 영향력의 증가로 분리 효율이 현저히 저하된다. 또한 사용된 비드의 농도에 따라 침강 속도 및 경사면을 이동하는 속도도 달라짐으로 실험 시 농도를 일정하게 유지하였다.
5와 같이 수치적 해석 결과와 실험 결과가 일치하는 것을 확인하였다. 수치적 해석 결과, 전압을 인가하지 않았을 경우 입자들은 중력에 의해 메소 크기의 채널 하부 방향으로 침강하고 유전특성에 따른 전압을 인가하였을 경우 유전영동에 의해 편향 현상이 발생하고 그 결과 미세 전극 윗면을 이동하는 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로, 실험 결과 입자들이 중력에 의해 채널 하부 방향으로 이동하나 전압을 인가한 경우 편향 현상이 일어나 이동 방향이 바뀐 것을 볼 수 있다.
실험 결과 입자들은 네거티브 유전 영동 힘을 받게 되면서 편향이 시작되고, 최대 200 µm의 속도로이동하더라도 특정 입자(polystyrene bead:10 µm)가 정확하게 편향될 수 있음을 확인하였다.
특히 인가전압이 26.473 MHz, 3.5 Vp-p의 조건이 되면 25 µm와 50 µm 크기의 비드 입자 간 전기적 유전 특성에 의해 두드러진 편향 차이가 발생된다는 점을 반복된 실험에 의해 확인할 수 있었다.

후속연구

하지만 분리 시 발생하는 입자간 상호 영향력으로 인한 분리 효율 저하와 분리하고자 하는 대상 입자의 크기가 20 µm 이하일 경우 중력에 따른 침강 속도의 한계를 확인하였다. 따라서 향후에는 주입되는 비드의 적정 농도 제어 및 미세 제어 펌프의 도입을 통해, 고속 처리와 고효율 처리가 동시에 가능한 시스템을 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DACS란?	DACS(dielectrophoretically activated cell sorter)는 세포의 고유 전기적 특성과 세포에 가해지는 교류 전기장의 상호작용에 의한 세포분리 방법이다[9]. 유전영동은 단일 세포의 전기적 특성파악[10], 병원균조사 바이러스와 거대분자의 조직을 통해 세포를 분리하는데 비파괴성, 효율성이 입증되었고 의학진단, 마이크로 생물학 등 여러 분야에서 응용되었다[6,11].
	유전영동의 특징은?	본 논문에서는 수직 방향으로 만들어진 채널을 통해 입자들이 이동시 입자에 작용하는 중력과 캔틸레버 형태의 전극으로 구성된 array에 전계를 걸때 입자에 작용하는 유전영동력의 상호작용을 이용하여 연속적인 흐름 내에서 특정 입자를 분리하는 방법을 제안하였다[12-13]. 먼저, 유전영동은 균일한 매질(medium)속에서 극성이 없는 입자는 불균일한 교류 전기장에 노출되면 그 전기장의 전압, 주파수, 그리고 입자와 매질(medium)의 유전율(permittivity)과 전도도(conductivity)에 따라 유전영동을 받는다[14-16].
	기존에 제안된 세포 분리기의 문제는?	본 저자의 그룹에 의해서도 세포 분리기(dielectrophoretically activated cell sorter: DACS)가 이미 제안된 바 있다[9]. 그러나 80 %~90 % 이상의 분리 효율로 특정세포를 분리할 수 있음에도 불구하고 미세펌프를 이용하여 유체를 제어해야 한다는 점에서 이미 상업적으로 사용되고 있는 대용량 기기들에 비해, 처리속도 능력은 여전히 한계로 지적되어 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 미세 펌프 없이 입자의 무게와 캔틸레버 형태의 전극(cantilever-type electrode: CE)에서 발생시키는 전계를 이용하여 많은 양의 특정 입자들을 분리할 수 있는 고속 분리(high throughput sorting: HTS)시스템을 제안하고자 한다.

참고문헌 (16)

J. Park, B. Kim, S. K. Choi, S. Hong, S. H. Lee, and K. I. Lee, "An efficient cell separation system using 3D-asymmetric microelectrodes", Lab on a Chip, vol. 5, pp. 1264-1270, 2005.

상세보기
U. Kim, Chih-Wen Shu, Karen Y. Dane, Patrick S. Daugherty, Jean Y. J. Wang, and H. T. Soh, "Selection of mammalian cells based on their cell-cycle phase using dielectrophoresis", PNAS, vol. 104, pp. 20708-20712, 2007.

상세보기
M. Boettcher, M. Jaeger, M. Kirschbaum, T. Mueller, T. Schnelle, and C. Duschll "Gravitation-driven stress-reduced cell handling", ABC, vol. 390, pp. 857-863, 2007.
U. Kim and H. Tom Soh "Simultaneous sorting of multiple bacterial targets using integrated dielectrophoretic？magnetic activated cell sorter", LapChip, 2009.
Colin Daltona and Karan V.I.S. Kaler "A cost effective, re-configurable electrokinetic microfluidic chip platform", Sensors and actuators B, vol. 123, pp. 628-635, 2007.

상세보기
H. Hwang, D. H. Lee, Wonjae Choi, and J. K. Park "Enhanced discrimination of normal oocytes using optically induced pulling-up dielectrophoretic force", Biomicrofluidics, vol. 3. 2009.

상세보기
Malyan, B. and Balachandran, W, "Sub-micron sized biological particle manipulation and characterization", J. Electrostatics, vol. 51-52, pp. 15-19, 2001.

상세보기
J. Park, B. Kim, S. K. Choi, S. Hong, S. H. Lee, and K. Lee, "An efficiency cell separation system using 3D-asymmetric microelectrode", lab chip, vol. 5, pp. 1264-1270, 2005.

상세보기
J. An, J. Lee, S. Lee, J. Park, and B. Kim, "Separation of malignant human breast cancer epithelial cells from healthy epithelial cells using an advanced dielectrophoresis-activated cell sorter(DACS)", ABC, vol. 394, pp. 1618-2642, 2009.
L. Cui, D. Holmes, and H. Morgan, "The dielectrophoretic levitation and separation of latex beads in microchips", Electrophoresis, vol. 22, pp. 3893-3901, 2001.

상세보기
X. B. Wang, Y. Huang, X. J. Wang, F. F. Becker, and P. R. C. Gascoyne, "Dielectrophoretic manipulation of cells with spiral electrodes", Biophysical Journal, vol. 72, pp. 1887-1899, 1997.

상세보기
H. Maenaka, M. Yamada, M. Yasuda, and M. Seki, "Continuous and size-dependent sorting of emulsion droplets using hydrodynamics in pinched microchannels", Langmuir, vol. 24, pp. 4405-4412, 2008.

상세보기
J. A. Davis, D. W. Inglis, K. J. Morton, D. A. Lawrence, L. R. Huang, S. Y. Chou, J. C. Sturm, and R. H. Austin, "Deterministic hydrodynamics: Taking blood apart", PNAS, 103, pp. 14779-14786, 2006.

상세보기
최은표, 김병규, 박정열, "다층 버스 바를 이용한 극 한 면적의 진행파 유전영동 미세입자 분류기", 센서 학회지, 제18권, 제2호, pp. 139-146, 2009.
Pethig R, "Dielectric and electronic properties of biological materials", JohnWiley & Sons, Chichester, 1979.
최성용, 박제균, "유체영동 기반의 입자분리현상을 이용한 세포 크기 측정방법", 센서학회지, 제17권, 제4호, pp. 245-249, 2008.

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