This dissertation deals with two researches of optoelectronic tweezers (OET) using a liquid crystal display (LCD). The OET is an optical image-driven dielectrophoretic technique that permits high resolution and high throughput at the same time for manipulating single particles or biological cells. First research is developing a new portable microfluidic platform, “lab-on-a-display,” that microparticles are manipulated by OET on an LCD. Without lens or optical alignments, the LCD image directly forms virtual electrodes on the photoconductive layer for dielectrophoretic manipulation. Due to the portability and compatibility for disposable applications, this new platform has potential for programmable particle manipulation or chip-based bioprocessing including cell separation and bead-based analysis. Second research is about a grayscale OET which allows adjustment of the electric field strength at each position of OET. A grayscale light image was used to pattern vertical electric field strength on an OET. As an electric field depends on the brightness at each point, the brighter light patterns generate the stronger electric field in the OET. Its feasibility for application to cell manipulation was demonstrated by aligning highly motile protozoan cells in vertical direction. Depending on the brightness of each pixel, the behaviors of aligned cells varied due to the different electric field strength to each cell.
본 연구는 광전자집게(OET)와 액정표시장치(LCD)를 사용한 미세입자 조작 기술에 관한 것이다. 광전자집게는 전기유체 현상을 조절하는데 있어 영상 즉 빛으로 조절하는 기술로서, 기준전극층과 유체를 담는 방과 광감지층으로 구성된다. 이 기술은 광감지층 위에서 고해상도의 전기장 형성을 가능하게 하는데, 이것을 통해 작은 입자나 세포를 다루는데 있어 고 해상도와 큰 처리량을 동시에 얻을 수 있다.
먼저 영상표시장치 위의 실험실을 뜻하는 ‘랩온어디스플레이 lab-on-a-display’ 기술을 개발하였다. 이 기술은 렌즈나 광학적 정렬 없이 LCD의 영상을 바로 광전자집게로 전달하여 광감지층에 가상 전극을 형성시켰다. 이 기술은 휴대하기에 좋고 한 번 쓰고 버리는 용도에 적합하며, 세포의 조작이나 칩 상에서의 바이오 조작에 유용할 것으로 예상한다. 영상의 번짐과 빛의 색상에 따른 흡수 차이 등, 광전자집게에서 영향을 주는 여러 현상과 요인을 분석하였으며, 또한 생물학적 응용을 찾기 위하여 혈액 세포, 효모, 난자 등 다양한 세포를 조작하였다.
나아가서 움직이는 세포를 조작하기 위하여 광전자집게의 각 위치에서 각기 전기장의 세기를 조절할 수 있도록 하는 ‘회색조 광전자집게 Grayscale OET’를 개발하였다. 회색조 영상을 이용하여 각 위치의 빛의 밝기를 다르게 해주었고 이것을 통하여 밝은 곳에서는 더 전기장이 강하도록 어두운 곳에서는 비교적 전기장이 약하도록 하였다. 세포를 조작하는 목적으로서 매우 빠르게 움직이는 섬모충을 수직방향으로 잡는 것으로 그 성능을 시연하였다. 빛의 밝기에 따라 다른 전기장이 인가됨을 여러 위치에서 빛의 밝기에 따라 세포의 행동이 달라짐을 통하여 확인하였다. 세포가 잡히는 과정은 전기적 조타(Electro-orientation)에 의해 세포의 몸통이 수직으로 정렬되고, 계속하여 세포가 앞으로만 이동하기 때문임을 확인하였고, 이를 통하여 세포의 운동성을 측정할 수 있었다. 화학물질 자극에 따른 세포 운동성의 변화도 측정하고자 시도하였으나, 이것은 세포의 개개성과 임의적인 움직임 때문에 신뢰성 있는 결과를 주지 못하였다.
광전자집게 기술은 현재까지 여러 연구자에게 매력적인 연구 주제였다. 생물학적이거나 상업적인 응용처를 찾으려는 노력에 대해서는 아직 뚜렷한 성과가 나타나지 않고 있기는 하지만, 많은 새로운 것들을 발견해 내었으며 다양한 시도를 해왔기 때문에 그 가능성은 충분하다.
