다중예각 평면 교차전극을 이용한 입자 크기에 따른 측면방향 변위 Deterministic Lateral Displacement as a Function of Particle Size Using a Piecewise Curved Planar Interdigitated Electrode Array원문보기
본 논문에서는 유체흐름방향과 예각으로 놓여있는 평면 교차전극 위를 지나가는 입자의 크기에 따른 측면방향 변위에 대하여 소개한다. 아울러, 유체흐름방향과 평면 교차전극 사이의 각도에 따른 측면방향 변위의 변화를 보인다. 본 논문에서는 선전하(line charge) 모델을 이용하여 크기가 다른 세 종류의 형광 polystyrene(PS) 입자의 측면방향 변위를 이론적으로 예측하였다. 크기에 따른 입자의 측면방향 변위의 변화를 이용하여, 크기별로 입자를 연속적으로 분리할 수 있는 측면방향 유전영동 미세분리기를 개발하였다. 3, 5, 10 ${\mu}m$ PS 입자의 혼합물을 이용하여 분리한 실험결과로 부터 개발된 측면방향 유전영동 미세분리기는 3 ${\mu}m$ PS 입자를 99.86%, 5 ${\mu}m$를 98.82%, 10 ${\mu}m$를 99.69%의 높은 효율로 각각 분리할 수 있음을 확인하였다. 이로부터 제안된 측면방향 유전영동 미세분리기는 다종 혼합물로부터 다양한 크기의 입자들을 한 번에 분리하는 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 유체흐름방향과 예각으로 놓여있는 평면 교차전극 위를 지나가는 입자의 크기에 따른 측면방향 변위에 대하여 소개한다. 아울러, 유체흐름방향과 평면 교차전극 사이의 각도에 따른 측면방향 변위의 변화를 보인다. 본 논문에서는 선전하(line charge) 모델을 이용하여 크기가 다른 세 종류의 형광 polystyrene(PS) 입자의 측면방향 변위를 이론적으로 예측하였다. 크기에 따른 입자의 측면방향 변위의 변화를 이용하여, 크기별로 입자를 연속적으로 분리할 수 있는 측면방향 유전영동 미세분리기를 개발하였다. 3, 5, 10 ${\mu}m$ PS 입자의 혼합물을 이용하여 분리한 실험결과로 부터 개발된 측면방향 유전영동 미세분리기는 3 ${\mu}m$ PS 입자를 99.86%, 5 ${\mu}m$를 98.82%, 10 ${\mu}m$를 99.69%의 높은 효율로 각각 분리할 수 있음을 확인하였다. 이로부터 제안된 측면방향 유전영동 미세분리기는 다종 혼합물로부터 다양한 크기의 입자들을 한 번에 분리하는 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
This paper presents the lateral displacement of a particle passing over a planar interdigitated electrode array at an angle as a function of particle size. The lateral displacement was also measured as a function of the angle between the electrode and the direction of flow. A simplified line charge ...
This paper presents the lateral displacement of a particle passing over a planar interdigitated electrode array at an angle as a function of particle size. The lateral displacement was also measured as a function of the angle between the electrode and the direction of flow. A simplified line charge model was used for numerical estimation of the lateral displacement of fluorescent polystyrene (PS) beads with three different diameters. Using the lateral displacement as a function of particle size, we developed a lateral dielectrophoretic (DEP) microseparator, which enables the continuous discrimination of particles by size. The experiment using an admixture of 3-, 5-, and $10-{\mu}m$ PS beads showed that the lateral DEP microseparator could continuously separate out 99.86% of the $3-{\mu}m$ beads, 98.82% of the $5-{\mu}m$ beads, and 99.69% of the $10-{\mu}m$ beads. The lateral DEP microseparator is thus a practical device for the simultaneous separation of particles according to size from a heterogeneous admixture.
This paper presents the lateral displacement of a particle passing over a planar interdigitated electrode array at an angle as a function of particle size. The lateral displacement was also measured as a function of the angle between the electrode and the direction of flow. A simplified line charge model was used for numerical estimation of the lateral displacement of fluorescent polystyrene (PS) beads with three different diameters. Using the lateral displacement as a function of particle size, we developed a lateral dielectrophoretic (DEP) microseparator, which enables the continuous discrimination of particles by size. The experiment using an admixture of 3-, 5-, and $10-{\mu}m$ PS beads showed that the lateral DEP microseparator could continuously separate out 99.86% of the $3-{\mu}m$ beads, 98.82% of the $5-{\mu}m$ beads, and 99.69% of the $10-{\mu}m$ beads. The lateral DEP microseparator is thus a practical device for the simultaneous separation of particles according to size from a heterogeneous admixture.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 다중예각 평면 교차전극을 이용하여 크기에 따라 입자를 분리할 수 있는 측면 방향 유전영동 미세분리기를 제안하고, 이를 설계, 제작, 평가하였다. 평면 교차전극은 선전하 모델을 이용하여 크기에 따른 입자의 측면방향 변위와 유체 흐름방향과 평면 교차전극 사이의 각도에 따른 측면 방향 변위를 수식적으로 계산하였고, 형광 PS 입자를 이용하여 측정한 측면방향 변위 값과 비교하였다.
제안 방법
쾌속조형(rapid prototype) 기술로 제작된 폴리머 몰드와 SU-8이 패터닝된 유리기판을 고정시키고 수지와 경화제가 10:1 비율로 섞여있는 액체 상태의 PDMS를 부은 후 80℃에서 30분간 가열하였다. PDMS를 폴리머 몰드와 유리 기판에서 분리하여 PDMS 몰드를 완성시킨 후, 1.5 mm 지름의 입구와 출구를 형성하였다. 평면 교차전극이 형성되어 있는 하부유리기판과 유체채널이 형성되어 있는 PDMS 몰드를 산소 플라즈마(oxygen plasma)를 처리하여 접합함으로써 측면방향 유전영동 미세분리기가 Fig.
7(a)와 (b)에서 보이는 바와 같이 유체흐름방향과 평면 교차전극이 이루는 예각이 줄어들수록 측면 방향 변위는 증가한다. Table 1에서는 입자의 크기와 유체흐름방향과 평면 교차전극이 이루는 예각에 따라 측정된 측면방향 변위 값을 정리 하였고, 선전하 모델을 이용하여 수식적으로 계산한 측면 방향 변위 값과 비교하였다.
25 mm 내부직경 모세튜브(Teflon ® FER 1/16-inch tubing, Upchurch Scientific, USA)로 연결되었다. 각각의 출구로 빠져나가는 PS 입자들의 개수를 측정하기 위하여 형광 검출이 가능한 현미경을 사용하였다.
평면 교차전극은 선전하 모델을 이용하여 크기에 따른 입자의 측면방향 변위와 유체 흐름방향과 평면 교차전극 사이의 각도에 따른 측면 방향 변위를 수식적으로 계산하였고, 형광 PS 입자를 이용하여 측정한 측면방향 변위 값과 비교하였다. 또한, 제작된 측면방향 유전영동 미세분리기를 이용하여 크기가 다른 세 종류의 PS 입자로 이루어진 혼합물로부터 크기별로 입자를 분리하고, 각각의 출구에서 분리된 입자의 상대적인 비율을 정량화하였다.
본 논문에서는 측면방향 유전영동력과 다중예각 평면교차전극을 이용하여 입자의 크기와 유체흐름방향과 평면 교차전극이 이루는 예각의 변화에 따른 입자의 측면방향 변위를 예측 및 측정하였고, 이를 이용한 측면방향 유전영동 미세분리기를 개발하였다. 직경이 3, 5, 10 μm 크기의 형광 PS입자들을 이용한 실험결과로부터 입자의 크기가 커질수록 그리고 유체 흐름방향과 평면교차전극 사이의 예각이 작아질수록 측면변위가 증가함을 알 수 있었다.
유체채널을 형성하기 위해 Cr이 증착되어 있는 유리기판 위에 30 μm 높이의 SU-8 감광제를 코팅한 후, 노광공정을 통하여 채널제작을 위한 패턴을 형성하였다.
유체흐름방향과 9.5°, 14.0°, 18.4°를 이루는 평면 교차전극이 형성된 테스트 칩을 이용하여 일정한 크기의 입자가 특정 예각으로 이루어진 평면 교차 전극을 통과할 때 측면방향 변위의 변화를 관찰하였다.
유체흐름방향과 9.5°를 이루는 평면 교차 전극이 형성된 테스트 칩을 이용하여 크기가 다른 PS 입자들이 평면 교차전극을 통과할 때 측면방향 변위의 변화를 관찰하였다.
입자에 측면방향 유전영동력을 발생시키기 위하여 파형발생기(AFG3021, Tektronix, USA)를 이용하여 평면 교차전극에 12 VP-P 200 kHz 사인파의 외부전압을 인가해주었다.
제한된 채널의 높이(30 μm)를 이용하여 입자의 부양높이가 같아지도록 하였다.
채널을 통과하는 유체의 유량을 제어하기 위하여 두 개의 주사기 펌프(KD100, KD Scientific, USA)를 이용하였다. 유리 주사기(Hamilton, USA)는 유속의 변화를 줄이고 채널 안으로 시료와 버퍼용액을 흘려주기 위해 사용되었고, 유리주사기와 시료, 버퍼 입구는 0.
측면방향 유전영동 미세분리기를 제작하기 위해서 Fig. 3(a)와 같이 하부유리기판(0.7 mm thick Borofloat33 Pyrex, Schott AG)과 채널이 형성되어 있는 polydimethylsiloxane(PDMS)를 접합하였다.
유체채널을 형성하기 위해 Cr이 증착되어 있는 유리기판 위에 30 μm 높이의 SU-8 감광제를 코팅한 후, 노광공정을 통하여 채널제작을 위한 패턴을 형성하였다. 쾌속조형(rapid prototype) 기술로 제작된 폴리머 몰드와 SU-8이 패터닝된 유리기판을 고정시키고 수지와 경화제가 10:1 비율로 섞여있는 액체 상태의 PDMS를 부은 후 80℃에서 30분간 가열하였다. PDMS를 폴리머 몰드와 유리 기판에서 분리하여 PDMS 몰드를 완성시킨 후, 1.
따라서 본 논문에서는 다중예각 평면 교차전극을 이용하여 크기에 따라 입자를 분리할 수 있는 측면 방향 유전영동 미세분리기를 제안하고, 이를 설계, 제작, 평가하였다. 평면 교차전극은 선전하 모델을 이용하여 크기에 따른 입자의 측면방향 변위와 유체 흐름방향과 평면 교차전극 사이의 각도에 따른 측면 방향 변위를 수식적으로 계산하였고, 형광 PS 입자를 이용하여 측정한 측면방향 변위 값과 비교하였다. 또한, 제작된 측면방향 유전영동 미세분리기를 이용하여 크기가 다른 세 종류의 PS 입자로 이루어진 혼합물로부터 크기별로 입자를 분리하고, 각각의 출구에서 분리된 입자의 상대적인 비율을 정량화하였다.
대상 데이터
입자의 궤적을 관찰하기 위해 지름이 3 μm(빨간색), 5 μm(녹색), 10 μm(녹색)의 형광 PS 입자들이 사용되었다.
평면교차 전극은 Cr/Au가 증착되어 있는 유리기판위에 AZ1512 감광제(AZ Electronic Materials, USA)를 이용한 노광공정을 통하여 제작되었다. 유체채널을 형성하기 위해 Cr이 증착되어 있는 유리기판 위에 30 μm 높이의 SU-8 감광제를 코팅한 후, 노광공정을 통하여 채널제작을 위한 패턴을 형성하였다.
성능/효과
직경이 3, 5, 10 μm 크기의 형광 PS입자들을 이용한 실험결과로부터 입자의 크기가 커질수록 그리고 유체 흐름방향과 평면교차전극 사이의 예각이 작아질수록 측면변위가 증가함을 알 수 있었다. 결론적으로 제안된 측면방향 유전영동 미세분리기는 바이오 시료로부터 크기에 따라 목표로 하는 세포를 간편하면서도 정확하게 분리할 수 있다. 또한 Coulter counter가 혈구세포의 개수와 크기를 이용하여 혈액 상을 결정하는데 사용할 수 있는 것처럼, 측면방향 유전영동 미세 분리기도 바이오 시료의 세포 구성요소에 관한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
1 μm 이동하고, 10 μm 입자는 채널 벽으로 움직인다는 것을 알 수 있다. 실험결과로 부터 입자의 부양높이가 제한되었을 때, 입자의 크기가 커질수록 측면방향 변위가 증가한다는 것을 알 수 있다. 부양된 PS 입자가 평면 교차전극의 왼쪽 가장자리로 이동하게 되면 Fig.
이로부터 측면방향 유전영동 미세분리기는 1번 출구에서 3 μm 입자를 99.86%, 2번 출구에서 5 μm 입자를 98.82%, 3번 출구에서는 10 μm 입자를 99.69%의 높은 효율로 분리할 수 있다는 결과를 얻었다.
직경이 3, 5, 10 μm 크기의 형광 PS입자들을 이용한 실험결과로부터 입자의 크기가 커질수록 그리고 유체 흐름방향과 평면교차전극 사이의 예각이 작아질수록 측면변위가 증가함을 알 수 있었다.
후속연구
결론적으로 제안된 측면방향 유전영동 미세분리기는 바이오 시료로부터 크기에 따라 목표로 하는 세포를 간편하면서도 정확하게 분리할 수 있다. 또한 Coulter counter가 혈구세포의 개수와 크기를 이용하여 혈액 상을 결정하는데 사용할 수 있는 것처럼, 측면방향 유전영동 미세 분리기도 바이오 시료의 세포 구성요소에 관한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순환하는 유핵세포를 분리하는 것은 어떤 분야에서 매우 중요한가?
순환하는 유핵세포를 분리하는 것은 임상진단, (1)유전체와 단백질 연구, (2)유전공학 프로토콜, (3)세포 준위의 스크린 시스템, (4)유전자 전달감염, (5)미량의 줄기세포 분리, (6)혈중 종양세포분리(7)와 같은 분야에 매우 중요한 기술이다. 하지만 혈액 속 희귀목표세포는 미량으로 존재하기 때문에 이를 분리하는데에는 기술적인 어려움을 가지고 있다.
연속적 유전영동 미세분리기는 무엇에 기반을 두고 제작되었는가?
이러한 비연속적 분리방법의 문제점을 해결하기 위하여 연속적 유전영동 미세분리기가 개발되어 왔다. 이는 교차 유체흐름,(14) 외피유동(sheath flow), (15,16) 전극 형태, (17~19) 기둥배열,(20)3차원 전극(21) 등에 기반을 두고 제작되었다. 하지만 기존의 연속적 유전영동 미세분리 기는 복잡한 마이크로유체를 조절하기가 어렵고(14,16)분리 효율이 낮으며(17,18) 제작과정이 복잡(20,21)하다는 문제점을 가지고 있다.
유전영동은 어떤 방법인가?
유전영동(Dielectrophoresis)은 다종 혼합물로부터 원하는 입자를 분리할 수 있는 방법 중 하나로써, 불균일한 전기장 하에서 전하를 띄지 않는 입자가 힘을 받는 현상을 이용한다. 유전영동방법은 미세유체시스템에 쉽게 집적시킬 수 있고 자성입자 (9,10)와형광 프로브(11) 같은 표지물질이 필요 없으며 높은 선택성을 가지고 희귀 세포를 분리(12,13)할 수 있다는 장점이 있다.
참고문헌 (24)
Fernandes, P. B., 1998, "Technological Advances in High-Throughput Screening," Current Opinion in Chemical Biology, Vol. 2, No. 5, pp. 597-603.
Yuen, P. K., Kricka, L. J., Fortina, P., Panaro, N. J., Sakazume, T. and Wilding, P., 2001,"Microchip Module for Blood Sample Preparation and Nucleic acid Amplification Reactions," Genome Research, Vol. 11, pp. 405-412.
Mousses, S., Caplen, N. J., Cornelison, R., Weaver, D., Basik, M., Hautaniemi, S., Elkahloun, A. G., Lotufo, R. A., Choudary, A., Dougherty, E. R., Suh, E. and Kallioniemi, O., 2003, "RNAi Microarray Analysis in Cultured Mammalian Cells," Genome Research, Vol. 13, pp. 2341-2347.
Georgiou, G., Stathopoulos, C., Daugherty, P. S., Nayak, A. R., Iverson, B. L. and Curtiss, R., 1997, "Display of Heterologous Proteins on the Surface of Microorganisms: from the Screening of Combinatorial Libraries to Life Recombinant Vaccines," Nature Biotechnology, Vol. 15, pp. 29-34.
Tixier-Mita, A., Jun, J., Sotrovidov, S., Chiral, M., Frenea, M., Pioufle, B. L. and Fujita, H., 2004, "A Silicon Micro-system for Parallel Gene Transfection into Arrayed Cells," in 8th Internation Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Science (MicroTAS'2004), Springer Verlag, Malmo, Sweden, pp. 180-182.
Shizuru, J. A., Negrin, R. S. and Weissman, I. L., 2005, "Hematopoietic Stem and Progenitor Cells: Clinical and Preclinical Regeneration of the Hematolymphoid System," Annual Review of Medicine, Vol. 56, pp. 509-538.
Liberti, P. A., Rao, C. G. and Terstapen, L. W. M. M., 2001, "Optimization of Ferrofluids and Protocols for the Enrichment of Breast Tumor Cells in Blood," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 225, No. 1-2, pp. 301-307.
Jones, T. B., 1995, Electromechanics of Particles, Cambridge University Press, New York, pp. 34-62.
Hu, X. C., Wang Y., Shi, D. R., Loo, T. Y. and Chow, W. C., 2003, "Immunomagentic Tumor Cell Enrichment is Promising in Detecting Circulating Breast Cancer Cells," Laboratory/Clinical Translational Research, Vol. 64, No. 2, pp. 160-165.
Zigeuner, R. E., Riesenberg, R., Pohla, H., Hofstetter, A. and Oberneder, R., 2003, "Isolation of Circulating Cancer Cells fom Whole Blood by Immunocytochemistry in Vitro," The Journal of Urology, Vol. 169, No. 2, pp. 701-705.
Fu, A. Y., Spence C., Scherer A, Arnold, F. H. and Quake, S. R., 1999, "A Microfabricated Fluorescence- Activated Cell Sorter," Nature Biotechnology, Vol. 17, pp. 1109-1111.
Gascoyne, P. R. C., Wang, X.-B., Huang, Y. and Becker, F. F., 1997, "Dielectrophoretic Separation of Cancer Cells from Blood," IEEE Transactions on the Industry Applications, Vol. 33, No. 3, pp. 670-678.
Huang, Y., Yang, J., Wang, X.-B., Becker, F. F. and Gascoyne, P. R. C., 1999, "Cell Separation on Microfabricated Electrodes Using Dielectrophoretic /Gravitational Field-Flow Fractionation," Analytical Chemistry, Vol. 71, No. 5, pp. 911-918.
Markx, G. H. and Pethig, R., 1995, "Dielectrophoretic Separation of Cells: Continuous Separation," Biotechnology and Bioengineering, Vol. 45, No. 4, pp. 337-343.
Doh, I. and Cho, Y.-H., 2005, "A Continuous Cell Separation Chip using Hydrodynamic Dielectrophoresis (DEP) Process," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 121, No. 1, pp. 59-65.
Li, Y., Dalton, C., Crabtree, H. J., Nilsson, G. and Kaler, K. V. I. S., 2007, "Continuous Dielectrophoretic Cell Separation Microfluidic Device," Lab on a Chip, Vol. 7, pp. 239-248.
Choi, S. and Park, J.-K., 2005, "Microfluidic System for Dielectrophoretic Separation Based on a Trapezoidal Electrode Array," Lab on a Chip, Vol. 5, pp. 1161-1167.
Lin, J. T. Y. and Yeow, J. T. W., 2007, "Enhancing Dielectrophoresis Effect through Novel Electrode Geometry," Biomedical Microdevices, Vol. 9, No. 6, pp. 823-831.
Kralj, J. G., Lis, M. T. W., Schmidt, M. A. and Jensen, K. F., 2006, "Continuous Dielectrophoretic Size-Based Particle Sorting," Analytical Chemistry, Vol. 78, No. 14, pp. 5019-5025.
Cummings, E. B., 2003, "Streaming Dielectrophoresis for Continuous-flow Microfluidic Devices," IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, Vol. 22, No. 6, pp. 75-84.
Durr, M., Kentsch, J., Muller, T., Schnelle, T. and Stelzle, M., 2003, "Microdevices for Manipulation and Accumulation of Micro- and Nanoparticles by Dielectrophoresis," Electrophoresis, Vol. 24, No. 4, pp. 722-731.
Han, K.-H. and Frazier, A. B., 2008, "Lateral- Driven Continuous Dielectrophoretic Microseparators for Blood Cells Suspended in a Highly Conductive Medium," Lab on a Chip, Vol. 8, No. 7, pp. 1079-1086.
Gascoyne, P. R. C. and Vykoukal, J. V., 2004, "Dielectrophoresis-Based Sample Handling in General- Purpose Programmable Diagnostic Instruments," Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 1, pp. 22-42.
Chan, K. L., Gascoyne, P. R. C., Becker, F. F. and Pethig, R., 1997, "Electrorotation of Liposomes: Verification of Dielectric Multi-shell Model for Cells," Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Lipids and Lipid Metabolism, Vol. 1349, No. 2, pp. 182-196.
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