This study presents a continuous size-dependent particle separator using a negative dielectrophoretic (DEP) virtual pillar array. Two major problems in previous micromechanical size-dependent particle separators were particle clogging in the mechanical sieving structures and a fixed range for the separable particle sizes. The proposed particle separator uses a virtual pillar array induced by negative DEP force in place of a mechanical pillar array, thus eliminating the clogging problems. Repulsive negative DEP force is induced by applying voltage to a spot electrode on a substrate. It is possible to adjust the size of separable particles, as the size of the virtual pillars is a function of a particle diameter, applied voltage, and flow rate.
The separation purity, the effective barrier size, and the separation position of polystyrene (PS) beads with diameters of 5.7 ± 0.28 μm-, 8.0 ± 0.80 μm, 10.5 ± 0.75 μm, and 11.9 ± 0.12 μm were measured under two types of the applied voltage (500 kHz sinusoidal waves of 10 $V_{rms}$ and 8 $V_{rms}$) and the flow rates (0.40 μl $min^{-1}$ and 0.30 μl $min^{-1}$) to characterize the size-dependency of particle separation. The medium conductivity was 200 mS $m^{-1}$ which kept DEP characteristics of the PS beads constant. The 5.7 μm-, 8.0 μm-, 10.5 μm-, and 11.9 μm-diameter PS beads were separated at separation purity of 95%, 92%, 50%, and 63%, respectively, at an applied voltage of 500 kHz, 10 $V_{rms}$ (root mean square voltage) sinusoidal wave and a flow rate of 0.40 μl $min^{-1}$. The 10.5 μm- and 11.9 μm-diameter PS beads had relatively low separation purity of 50% and 63%, respectively. However, at an applied voltage of 8 $V_{rms}$ and a flow rate of 0.40 μl $min^{-1}$, 11.9 μm-diameter PS beads were separated with separation purity that exceeded 99%. Additionally, 5.7 μm-diameter PS beads were separated with separation purity that exceeded 99%, at an applied voltage of 500 kHz, $V_{rms}$ and a flow rate of 0.30 μl $min^{-1}$.
The separation purity of red blood cells (RBCs) and white blood cells (WBCs) were characterized to verify the feasibility of cell separation application. RBCs (5.4 ± 1.3 μm-diameter) and WBCs (8.1 ± 1.5 μm-diameter) were separated with the separation purity that exceeded 99% at the applied voltage of 500 kHz, 10 $V_{rms}$ sinusoidal wave, a flow rate of 0.11 μl $min^{-1}$, and a medium conductivity of 500 mS $m^{-1}$. The extracted WBCs had separation purity of more than 99%.
Therefore, the proposed particle separator achieves clog-free size-dependent particle separation and is shown to be capable of the size tuning of separable particles. It can potentially be used for the separation of a range of microparticles.
본 논문에서는 음의 유전영동 가상 기둥 어레이를 이용한 연속적 입자 크기 분류기를 제안한다. 기존의 입자 크기 분류기 들은 기계적 체(sieving) 구조물에서 입자들의 막힘(clogging)이 생기고, 분리 입자들의 크기 범위를 능동적으로 조정하지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 이에 본 입자 분류기는 기계적 기둥 어레이를 대신하여, 음의 유전영동력에 의해 생성된 가상 기둥 어레이를 이용하여 입자들의 막힘 문제를 해결한다. 가상 기둥 어레이는 기판 위에 형성된 점전극 어레이에 전압을 인가한 후, 음의 유전영동력을 유발시켜 형성한다. 가상 기둥의 크기는 입자의 크기, 인가전압, 유량 등의 함수로 나타나므로, 인가전압, 유량들을 변화시켜 분리 입자들의 크기 범위를 조절할 수 있다. 점전극 어레이의 주요 치수인 피치 (λ), 오프셋 $(\Delta λ)$, 공극 (g)은 각각 70 μm, 26.5 μm, 60 μm 로 설계되어 10 μm 근방의 입자들을 분리할 수 있게 하였다.
인가전압 및 유량 변화에 따른 가상 기둥 입자 분류기의 성능을 정량화하기 위하여, 200 $mSm^{-1}$ 의 전도도를 가지는 용액에서, 인가전압(500 kHz sinusoidal wave of 10 $V_{rms}$, 8 $V_{rms}$) 과 유량 조건(0.40 μl $min^{-1}$, 0.30 μl $min^{-1}$) 을 바꿔가며, 직경 5.7 ± 0.28 μm, 8.0 ± 0.80 μm, 10.5 ± 0.75 μm, 11.9 ± 0.12 μm 폴리스틸렌 입자들의 분리도를 측정하고, 각 입자들에 대한 가상 기둥의 크기, 분리 위치를 분석하였다. 실험결과로, 인가전압 10 $V_{rms}, 유량 0.40 μl $min^{-1}$ 에서 직경 5.7, 8.0, 10.5, 11.9 μm 입자들이 각각 95%, 92%, 50%, 63%의 분리도로 분리되었다. 직경 10.5, 11.9μm입자들은 각각 50, 63%의 낮은 분리도를 가지나, 인가전압 8 $V_{rms}$, 유량 0.40 μl $min^{-1}$ 에서 직경 11.9 μm입자들이 99% 이상의 분리도로 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 인가전압 10 $V_{rms}$, 유량 0.30 μl $min^{-1}$ 에서 직경 5.7 μm입자들이 99% 이상의 분리도로 분리 됨을 확인하였다. 따라서, 인가전압과 유량을 변화시킴에 따라 가상 기둥의 크기와 분리위치를 변화시킬 수 있음을 실험을 통해 검증하였다. 인가전압 10 $V_{rms}$, 유량 0.40 μl $min^{-1}, 용액 전도도 200 $mSm^{-1}$에서, 직경 5.7 ~ 10.5 μm 입자들은 92% 이상의 분리도를 가지고 분리되며, 인가전압 8 $V_{rms}$, 유량 0.40 μl $min^{-1}$, 용액 전도도 200 $mSm^{-1}$에서, 직경 10.5 ~ 11.9 μm 입자들은 99% 이상의 분리도로, 인가전압 10 $V_{rms}$, 유량 0.30 μl $min^{-1}$, 용액 전도도 200 $mSm^{-1}$ 에서 직경 5.7 ~ 8.0 μm 입자들은 99% 이상의 분리도로 분리됨을 확인하였다. 따라서, 가상 기둥 입자 분리기의 입력 조건에 따른 입자 분리 성능을 검증하였다.
세포 분리 실험으로의 적용가능성을 확인하기 위하여, 적혈구, 백혈구를 분리하고, 각각의 분리도를 측정하였다. 5.4 ± 1.3 μm의 직경을 가지는 적혈구와 8.1 ± 1.3 μm의 직경을 가지는 백혈구는 인가전압 10 $V_{rms}$, 유량 0.11 μl $min^{-1}$, 용액 전도도 500 $mS m^{-1}$ 에서 99% 이상의 분리도로 분리되어, 백혈구의 추출 수율을 99%로 높일 수 있었다. 또한, 용액 전도도 100 $mS m^{-1}$ 에서 감소된 DEP 특성(Clausius-Mossotti factor의 실수부)으로 인하여 백혈구의 분리 위치가 용액 전도도 500 $mS m^{-1}$일 때 보다 74% 감소됨을 확인하여, 입자의DEP 특성을 조절하여 분리입자 크기영역을 조절할 수 있음을 증명하였다.
본 논문은 기존의 기계적 입자 크기 분류기 에서 발생하는 입자의 막힘 현상을 해결함과 동시에, 인가전압과 유량조절을 통해 분리 입자들의 크기 범위를 조절하였다. 제안한 입자 분류기는 생화학 분석을 위한 세포 및 기능성 입자들의 전처리 및 분리에 적용될 수 있을 것이다.
