[논문]입자 이동 제어를 위한 유전영동: 이론, 전극 구조 및 응용분야

이민지; 김지혜; 구형준

doi:10.9713/kcer.2019.57.2.149

입자 이동 제어를 위한 유전영동: 이론, 전극 구조 및 응용분야
Dielectrophoresis for Control of Particle Transport: Theory, Electrode Designs and Applications 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.2, 2019년, pp.149 - 163

이민지 (서울과학기술대학교 화공생명공학과) , 김지혜 (서울과학기술대학교 화공생명공학과) , 구형준 (서울과학기술대학교 화공생명공학과)

초록
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영구 또는 유도 쌍극자를 가지는 물질은 불균일한 전기장 하에서 전기장의 구배 방향을 따라 힘을 받게 되는데, 이 힘에 의한 물질의 이동을 유전영동(dielectrophoresis, DEP)이라 한다. DEP 힘의 크기와 방향은 입자와 매질의 유전율과 전도도, 그리고 가해지는 교류 전기장의 주파수에 의해 영향을 받게 되므로, 이러한 변수를 제어함으로써 입자의 이동을 정확하게 조작할 수 있다. 또한, 전기영동과는 달리 쌍극자가 유도되는 모든 입자에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 DEP 기술은 미세 유체 공학은 물론 바이오 센서, 마이크로 칩 분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 본 논문은 먼저 DEP의 기본원리를 설명하고, DEP를 이용한 연구에서 주로 사용되는 대표적인 마이크로 전극의 구조에 대해 논의한다. 그리고, DEP의 대표적 응용분야인 입자의 분리 및 포집, 자기조립(self-assembly) 연구를 소개한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Under non-uniform electric field, a directional force along the electric field gradient is applied to matter having permanent or induced dipoles. The transport of particles by the directional force is called dielectrophoresis (DEP). Since the strength and direction of the DEP force depend on parameters, such as permittivity and conductivity of particles and surrounding media, and frequency of the applied AC electric field, particle can be precisely manipulated by controlling the parameters. Moreover, unlike electrophoresis, DEP can be applied to any particles where dipole is effectively induced by electric field. Such a DEP technique has been used in various fields, ranging from microfluidic engineering to biosensor and microchip research. This paper first describes the fundamentals of DEP, and discusses representative microelectrode designs used for DEP study. Then, exemplary applications of DEP, such as separation, capture and self-assembly of particles, are introduced.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. The number of publications searched by the keyword of “dielectrophoresis”, from 1980 to 2017 (Web of Science).
그림 Fig. 2. (a) A particle in a uniform electric field. There is no net movement of the particle. (b) Particles in non-uniform electric fields. The particles migration by DEP depending on the electric field density. The left and right images show p-DEP and n-DEP, respectively.
그림 Fig. 3. Change of real part of CM factor according to frequency. (CM factor vs frequency). (a) For σ_p < σ_m and ε_p > ε_m. (b) For σ_p > σm and ε_p < ε_m.
그림 Fig. 4. (a) The polynomial electrode design. (b) The simulated electric field distribution above a polynomial electrode (Source: Modified figure adapted from reference-9).
그림 Fig. 5. DEP of latex particles of diameter 557 nm with polynomial electrode design: (a) Particle collection at the center of the polynomial electrodes by n-DEP under 5 MHz AC voltage, (b) particle arrangement around the electrodes by p-DEP under 500 kHz AC voltage (Source: Modified figure adapted from reference-13). (c) Separation of E. coil (n-DEP) and M. lysodeikticus (p-DEP) under 100 kHz AC voltage (Source: Modified figure adapted from reference-14). (d) Collection of latex particles of 93 nm diameter by n-DEP at 15 MHz AC voltage (Source: Modified figure adapted from reference-15).
그림 Fig. 6. (a) The interdigitated electrode design (Source: Modified figure adapted from reference-9). (b) The simulated electric field distribution above an interdigitated electrode (Source: Modified figure adapted from reference-18).
그림 Fig. 7. Experiments utilizing interdigitated electrode design. (a) 3D continuous separation system based on chevron-shaped interdigitated electrode (Source: Modified figure adapted from reference-25). (b) Separation of viable and nonviable cells above interdigitated electrodes while a voltage with a frequency of 5 MHz is applied in a medium conductivity of 5 μS/cm. Black part is glass substrate and the other part (white) is electrode. (c) Continuous separation using viable and nonviable yeast cells while a voltage with a frequency of 5 MHz is applied in a medium with conductivity of 5 μS/cm (Source: Modified figure adapted from reference-26). (d) Separation of the normal blood cells and the cancer cells MDA231 (Source: Modified figure adapted from reference-28).
그림 Fig. 8. (a) Castellated electrode design. (b) Simulated electric field distribution on the castellated electrode design (Source: Modified figure adapted from reference-9).
그림 Fig. 9. Three distinctive patterns of yeast cell aggregation depending on the conductivity of the medium and the frequency of the applied AC voltage. (a) The 'pearl-chain' pattern of yeast cells is formed at frequency above 10 kHz for a low conductivity medium (5 μS/cm) and above 200 kHz for high conductivity medium (150 μS/cm). (b) The diamond and triangular patterns of yeast cells were observed between 10 - 100 kHz for the high conductivity medium (150 μS/cm). (c) The diamond pattern of yeast cells was observed at frequency below 500 Hz in both the low conductivity medium (5 μS/cm) and the high conductivity medium (150 μS/cm) (Source: Modified figure adapted from reference-34). (d) Capture rates of yeast cells by applied voltage in microfluidic AC-DEP chip (Source: Modified figure adapted from reference-36). (e) Schematic illustration of three different types of microparticles and the top views of DEP immunodevices (Source: Modified figure adapted from reference-37).
그림 Fig. 10. (a) Re[f_CM] values according to polystyrene particle size; DEP separation in a polystyrene particle mixture with different sizes: (b) 15 μm particle separation in a 5 and 15 μm particle mixture by 500 kHz AC field, (c) 5 μm particle separation in a 1 and 5 μm particle mixture by 450 kHz AC field (Source: Modified figure adapted from reference-38).
그림 Fig. 11. (a) A schematic diagram of collecting E. coli from a solution using DEP for application to a biosensor (Source: Modified figure adapted from reference-72) (b), (c) is a schematic diagram of a device. (b) Hela cells (target cells) and red blood cells (non-target cells) randomly distributed in the electrodes. (c) The target cell was collected at the center when DEP was applied (Source: Modified figure adapted from reference-73).
그림 Fig. 12. (a) A schematic diagram of collecting Salmonella bacteria by DEP. (b) The different degrees of trapping by DEP depending on the concentrations of Salmonella: (top) differential interference contrast (DIC) images, (bottom) fluorescent images (Source: Modified figure adapted from reference-74).
그림 Fig. 13. (a) Optical images before(above) and after(below) separation of live/dead cells by DEP. The red arrows represent live cells that remain on electrodes after dead cell removal by fluid flow. (b) The number of cells that remain on electrodes before and after separation by DEP (Source: Modified figure adapted from reference-43). (c) Simulation (-) and experimental (●) result of separation of red blood cells and white blood cells using DEP in microfluidic channels (Source: Modified figure adapted from reference-46).
그림 Fig. 14. Effect of the operating parameters on the assembly speed of microwires: (a) electric field intensity; (b) electrolyte. In all experiment the other parameters were kept constant (Source: Modified figure adapted from reference-93).
그림 Fig. 15. (a), (b) SEM images showing gold nanorod particles aligned between electrodes; Darkfield polarized images acquired as the sample was rotated in a plane between crossed polarizers, at (c) maximum brightness (45° and 135°), (d) extinction (0° and 90°) (Source: Modified figure adapted from reference-95).
그림 Fig. 16. (a) The SWNTs arranged according to the frequency. Scale bar=2 μm [96]; Assembly of (b) MWCNTs [100] and (c) SWCNTs (Source: Modified figure adapted from reference-101).
표 Table 1. Summary of parameters affecting the microwire growth by DEP-induced Au particle assembly. The general trends are given for three growth characteristics within the ranges studied (Source: Adapted from reference-94)
그림 Fig. 17. (a) Comparison of sensitivity of the gas sensors with Fig. 16 (b) and (c) electrodes (Source: Modified figure adapted from reference-102). (b) pH-dependent impedance change of the aligned-SWCNT based sensor (Source: Modified figure adapted from reference-103).
그림 Fig. 18. (a) A schematic diagram of a GO-based chemical sensor. GO is aligned and connected between two electrodes by DEP. (b) A SEM image of GO aligned between the electrodes. (c) The change in resistance depending on the different H₂ concentrations in environmental air (Source: Modified figure adapted from reference-104).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DEP 기술의 활용 분야는 어디가 있는가?	또한, 전기영동과는 달리 쌍극자가 유도되는 모든 입자에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 DEP 기술은 미세 유체 공학은 물론 바이오 센서, 마이크로 칩 분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 본 논문은 먼저 DEP의 기본원리를 설명하고, DEP를 이용한 연구에서 주로 사용되는 대표적인 마이크로 전극의 구조에 대해 논의한다.
	유전영동(dielectrophoresis, DEP)이란 무엇인가?	영구 또는 유도 쌍극자를 가지는 물질은 불균일한 전기장 하에서 전기장의 구배 방향을 따라 힘을 받게 되는데, 이 힘에 의한 물질의 이동을 유전영동(dielectrophoresis, DEP)이라 한다. DEP 힘의 크기와 방향은 입자와 매질의 유전율과 전도도, 그리고 가해지는 교류 전기장의 주파수에 의해 영향을 받게 되므로, 이러한 변수를 제어함으로써 입자의 이동을 정확하게 조작할 수 있다.
	자기영동의 세포의 고유자성 방법의 한계는 무엇인가?	자기영동은 자기입자를 이용하는 방법과 세포의 고유자성을 이용하는 방법으로 구분된다. 하지만 두번째 방법은 세포의 경우 고유 자성이 매우 약하고 수 마이크로미터 크기의 세포에서는 충분한 자기력을 유도하기 어렵다는 한계가 있다[4]. 열영동은 현탁 매질에서 온도 구배에 의해 입자가 이동하는 현상을 말한다[5].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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