This thesis presents isomagnetophoresis for microfluidic particle sorting and analysis and successful discrimination results of the subtle difference in the magnetic susceptibility of the polymer particles. Since isomagnetophoresis is based on the conventional magnetophoretic platform, the reliable microfluidic device for magnetophoresis has been established employing the ferromagnetic microstructure. As a demonstration of the magnetophoretic platform, the magnetophoretic purification of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) was carried out in the microfluidic device resulting in about 99.0 % purity. The theoretical analysis model for isomagnetophoresis was defined combining the magnetophoretic velocity, the drag force by Stokes’ law and the fluidic velocity profile in laminar flows. The magnetic susceptibility gradient was generated in the microfluidic channel using gadolinium diethylenetriamine-pentaacetic acid (Gd-DTPA) and D-glucose. In the experiment, the polystyrene (PS;14.78$\pm$0.20㎛ in diameter), poly(methyl methacrylate) (PMMA;15.00$\pm$0.77㎛) and borosilicate (BS;14.01$\pm$1.00㎛ microspheres were sorted and analyzed, where the PS and PMMA particles have similar diamagnetic susceptibility that cannot be distinguished by conventional magnetophoresis. This platform can be applied to label-free discrimination of the biological cells and nanotubes.
본 박사학위 논문 연구는 미세입자 분리 및 분석을 위한 미세유체 제어 기반 등자기영동 기술을 개발하는 것을 목표로 하였다. 등자기영동 기술은 미세입자를 포함하는 유체에 자화율 구배(magnetic susceptibility gradient)를 형성시킴으로써 입자와 유체의 자화율이 같은 지점으로 입자를 분리하는 새로운 개념의 미세 입자 분리 및 분석 방법이다. 미세유체 제어 기반 등자기 영동 기술을 개발하기 위해서는 크게 세가지 개발 단계가 필요하다. 첫번째는 등자기영동의 기반이 되는 자기영동 미세유체 소자 플랫폼 개발, 두번째로 새로운 등자기 영동 기술에 대한 이론적 분석 모델 확립 그리고 마지막으로 그 이론적 모델을 검증하기위한 등자기영동 실험 검증 단계이다. 미세유체 제어 기반 등자기영동 기술은 기본적으로 기존의 자기영동 기반 기술에 기초하기때문에 신뢰도와 재현성 높은 자기영동을 위한 미세유체 제어 소자 개발이 선행되어야 한다. 따라서 신뢰도 높은 자기영동을 위한 미세유체 제어 플랫폼을 개발하기 위해 미세유체 소자를 설계 및 제작하였고 그 소자의 자기영동 성능을 평가하기 위해서 단일벽 탄소 나노튜브의 금속 불순물 제거를 연속적 자기영동 기술로 성공적으로 수행하였다. 이를 통해 미세유체 제어 기반 등자기영 기술의 기반이 되는 자기영동 미세유체 소자 기술을 확립하였고 이후 등자기영동을 위한 실험에 적용 할 수 있다고 결론내릴 수 있었다.
두번째로 등자기영동 기술에 대한 이론적 분석 모델을 수립하였다. 미세 채널 내부에서 입자의 거동을 예측하기 위해서는 입자가 받는 힘으로 부터 입자의 속도 함수를 얻어내야 한다. 본 미세유체 제어 소자에서는 채널의 높이 (20 ㎛)가 입자의 지름 (15 ㎛)과 거의 같기 때문에 채널의 수직방향으로의 움직임은 무시하고 자기력에 의한 수평방향의 움직임(lateral deflection)과 유체의 흐름에따른 움직임만을 고려하였다. 입자에 가해지는 자기력(magnetic force)과 그에 따른 움직임에 의해 발생되는 마찰력 (friction force by Stokes’ law)의 평형관계에 의해 본문에서의 식 (4-1)을 얻을 수 있었다. 입자가 채널 내부를 흘러갈때 입자의 속도는 입자의 중심 좌표의 속도값에 비례한다는 가정하에 미세유체 채널내에서 층류(laminar flow)에 의해 발생되는 속도 분포 함수 (식 (4-4))를 이용하여 예측하였다. 식 (4-1)에 필요한 함수값은 각각의 실험과 FEMM 계산을 통해 얻었으며 이렇게 얻어진 수식을 조합하여 입자의 움직임을 예측할 수 있었다. 이를 실험적으로 검증하기위해 약 15㎛ 의 직경을 갖는 polystyrene (PS), poly(methyl methacrylate) (PMMA) 그리고 borosilicate (BS), 세가지 입자를 실험에 적용하였다. 특히 PS와 PMMA는 그 자기 자화율 (magnetic susceptibility) 값이 거의 같아서 기존의 자기 영동으로는 분리 및 분석이 불가능한 입자이다. BS 입자의 경우 입자 직경의 표준편차가 가장 커서 그에 따른 경로 이탈(lateral deflection) 의 편차도 클 것으로 예측하였고 기존의 자기영동과 새로운 등자기영동의 입자 크기의 영향을 알아볼 수 있는 실험 모델로서 사용하였다. 실험 결과에서 나타난 바와 같이 기존의 자기영동에서는 PS와 PMMA의 출구에서의 입자위치가 중복되어 나타났지만, 본 연구에서 새롭게 제안한 등자기영동에서는 두 입자가 극명하게 차이를 보이면서 미세유체 채널 출구로 나오는 것을 확인할 수 있었다. BS 입자의 경우에도 자기영동에서는 입자위치의 표준편차가 가장 크게 나왔지만 등자기영동에서는 그 편차가 감소하는 경향을 나타내었다. 이 실험적 결과를 이론적 예측값과 비교하기위해 실험에 사용된 모든 변수를 이론적 수식에 입력하여 Matlab？ 프로그램을 통해 그 입자의 경로를 계산해 보았으며 그림 4-14(b)와 그림 4-15(a)와 같이 기존의 자기영동과 새로운 등자기영동에서 그 경로 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었고 실험적 결과와도 일치하는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 이론적 그리고 실험적으로 기존의 자기영동과 새로운 등자기영동에 대해 비교해 보았다. 더 나아가 어떤 상수 값을 통해 보다 간편하게 두 기술을 비교하기위해서 본 연구에서는 새롭게 magnetophoretic distinction coefficient (D)를 정의하였다. D는 두 입자의 자화율 차이에 대한 두 입자의 출구에서의 위치 차이의 비율로 정의내릴 수 있다. D 값으로 비교를 해본 결과 자기영동은 0.67 인데 반해 새로운 등자기영동은 1.62로 크게 향상된 성능을 확인할 수 있었다. 또한 크기에 따른 영향도 보기위해 그림 4-15 (b),(c)에서와 같이 분석 모델을 통해 입자크기가 D 값에 영향을 어떻게 미치는지 알아 보았고 그 결과로서 등자기 영동에서 입자의 영향이 줄어드는 것을 확인하였다.
본 연구는 현재 상자성과 반자성 유체를 주입하여 확산에 의해 자화율 구배를 형성시키는 준등자기영동(quasi-isomagnetophore-sis) 형태를 갖고있다. 이상적인 자기영동을 이루기 위해서는 시간에 따라 유체의 자화율 구배가 변하지 않는 미세유체 소자의 개발이 필요하고 그것은 기존의 하이드로젤(hydrogel)과 같이 미세구조물을 통해 이룰 수 있을 것으로 기대 할 수 있다. 본 연구에서는 등자기 영동이라는 새로운 분석 방법을 제안하여 이론적 모델과 실험적 검증을 수행하였고, 개발된 기반 기술을 이용하여 추후 연구를 통해 생물학적 미세입자(cell, protein 혹은 DNA) 등을 분리하는 것을 과제로 남겨두고 있다. 생물학적 미세입자의 분리는 현재 개발된 플랫폼을 그대로 사용하기 보다는 입자의 특성을 고려하여 미세유체 소자의 설계의 변화가 고려되어야 할 것으로 생각된다.
