This paper presents a novel microfluidic device for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array (TEA). In this methodology, particles with different dielectric properties are separated by a microfluidic system that is composed of the TEA for the dielectrophoretic deflection of particles under the negative dielectrophoresis (DEP) and poly(dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic channel with a sinuous and expanded region. Polystyrene microparticles are exposed to an electric field generated from the TEA in the microfluidic channel and dielectrophoretically focused to make all of them lined up to one sidewall. When these particles arrive at the region of another TEA for dielectrophoretic separation, they are separated having different positions along the perpendicular direction to the fluid flow due to their different dielectrophoretic velocities. To evaluate the separation process and performance, both the effect of the flow rate on dielectrophoretic focusing and the influence of the number of trapezoidal electrodes on dielectrophoretic separation are investigated. Now that this method utilizes the TEA as a source of DEP, non-specific particle adhering to the electrode surface can be prevented: conventional separation approaches depending on the positive DEP force suffer from this problem. In addition, since various particle types are continuously separated, this method can be easily applicable to separation and analysis of various dielectric particles with high particle recovery and selectivity.
본 연구에서는 마이크로 채널 혹은 랩온어칩(lab-on-a-chip)에서 음의 유전영동력에 의해 미세입자를 유체의 흐름방향에 수직으로 편향시킬 수 있는 사다리꼴 전극을 새롭게 제안하고 평가하였다. 주로 양의 유전영동력을 이용하여 입자를 분리하는 기존의 분리방법들은 전극과 미세입자간의 불특정한 흡착 때문에 세포의 회수율 및 분리효율이 낮아지는 단점이 있다. 비록 음의 유전영동력을 이용해 세포를 분리하는 방법인 dielectrophoretic levitation이 이러한 흡착문제를 해결하기 위한 방법으로 제시된 바 있지만, 이 또한 입자를 시간에 따라 순차적으로 분리하기 때문에 세포분리 후의 분석 프로세스 목적으로 이용하기엔 부적합하다.
본 논문에서는 음의 유전영동력을 이용해 입자를 연속적으로 분리할 수 있는 사다리꼴 전극을 새롭게 제안함으로써 앞선 문제점을 해결하였다. 즉, 사다리꼴 전극은 전극과 미세입자간의 불특정한 흡착을 방지함으로써 미세입자의 분리효율을 높이고 연속적 분리기능을 구현함으로써 세포 분리용 마이크로 시스템 등 의료용으로 적용이 가능하도록 하였다.
미세입자가 사다리꼴 전극 위에서 유체유동의 수직방향으로 편향되며 분리되는 원리는 다음과 같다. 일반적으로 음의 유전영동력을 갖는 입자는 전기장의 강도가 감소하는 영역으로 향하게 된다. 사다리꼴 전극은 사다리꼴 긴변의 모서리에서는 강한 전기장의 세기를 갖는 반면 짧은 변에서는 약한 전기장의 세기를 갖게 되므로 음의 유전 영동력을 갖는 생화학적 입자가 미세유체채널 내에서 선택적으로 편향될 수 있는 것이다. 이 때 입자가 받는 유전영동력에 따라 입자편향의 정도가 다르기 때문에 입자의 편향 정도를 이용하여 입자의 분리 및 그의 유전적 특성을 분석할 수 있게된다.
사다리꼴 전극을 이용한 유전영동분리 시스템을 구현하기 위해 PDMS를 주형으로 하는 공정방법으로 마이크로 유체 디바이스의 채널을 제작하였고 유리 웨이퍼에 금 전극을 패터닝한 후 제작한 칩을 플라즈마 처리를 통해 접합하였다.
사다리꼴 전극에서 발생되는 불균일한 전기장과 polystyrene 비드의 상호작용에 의해 발생하는 비드의 움직임을 관찰하고 전기장 simulation 결과와 비교하였다. 또한, 분리에 앞서 입자를 동일한 위치로 정렬시켜주기 위한 과정인 dielectrophoretic focusing을 수행하였다. 각기 10, 30, 과 60 μl $h^{-1}$ 의 유속 하에서, 6 ㎛ 지름의 비드의 경우, 45.5 ± 2.5, 35.5 ± 12.5, 와 30.0 ± 18.0 ㎛ 범위 내에서 그리고 15 ㎛ 지름의 비드의 경우, 43.0 ± 2.0, 40.5 ± 3.5, and 30.0 ± 15.0 ㎛ 범위 내에서 미세채널의 한쪽 벽으로 focusing시킬 수 있었다. 이렇게 한쪽 벽으로 정렬된 미세입자들이 분리를 위한 사다리꼴 전극에 노출되게 되면 서로 다른 유전적 성질을 갖는 입자들이 미세채널 내에서 서로 다른 위치를 갖으며 분리되는 것을 확인할 수 있엇다. 이 때, 분리된 입자가 갖는 위치는 각기 6 ㎛ 지름의 비드의 경우, 41.0 ± 6.0, 38.0 ± 7.0, and 35.5 ± 5.5 ㎛ 그리고 15 ㎛ 지름의 비드의 경우, 24.0 ± 9.0, 13.5 ± 6.5, and 8.5 ± 4.5 ㎛ 이였다.
본 연구에서 제안한 사다리꼴 전극은 생화학적 실험에서 빈번히 수행되는 ligands, antibodies, 또는 nucleic acids 등의 분석을 위한 기능성 마이크로 비드 및 다양한 종류의 미세입자의 분리에 응용할 수 있으며, 본 시스템에 집적화된 펄스카운터 및 코울터 카운터 (coulter counter) 등을 이용할 경우, 모든 과정이 일체화된 휴대용 랩카드 형태의 분리 기반 생물입자 분석시스템을 구현할 수 있다.
