Droplet-based microfluidics has the various potential applications in the chemical processes and biological analysis systems for microreaction, crystallization, screening, etc. In order to utilize the droplet-based microfluidic for the chemical or biological processes, the generation and the manipulation of the droplets must be developed. Previous studies have selected the oil/water system to form the dispersed droplets in microfluidic channel. In this study, the aqueous two-phase system (ATPS) which is made by dissolving tetrabutylammonium bromide (TBAB) and ammonium sulfate (AS) with deionized water is used in order to realize the droplet-based microfluidic system. AS-rich phase of ATPS shows the electrophoretic attraction to the positive electrode under electric field. This phenomenon can be applied to active generation and manipulation of the droplets.
Firstly, the droplet sorting has been demonstrated in the microfluidic device. By applying the electric potential with pulsed signal, the electrophoretic force could successfully change the direction of the moving droplet into the branched channel. And the number of droplets which passed through the specific channel could be controlled when the duration of electric signal was adjusted. This method is expected to realize the automatic sorting of droplets if combined with detection system of color or florescence intensity.
Secondly, the droplet merging, which is one of the important techniques to investigate the microreaction in droplet-based microfluidic device, has been demonstrated by electrohydrodynamic manner. From experimental results, the coalescence of droplets depends on the configuration which is the distance and angle between two droplets before the electric potential is applied along the channel. The successful droplet merging was occurred when the two droplets approached each other with the distance under $200 \microm$. And the synthesis of Prussian blue pigment was performed by the droplet merging method which is investigated in this study in order to verify the feasibility of this method.
The results of simulation which involved a level set method to describe the interface of the immiscible two-phase shows the disturbance of the velocity field. The electrophoretic motion of a droplet causes the recirculating flow near the droplet, and this recirculating flow drives the coalescence of droplets. Finally, by numerical simulation with the level set method, the mechanism of droplet merging was analyzed.
마이크로 플루이딕스는 1mm보다 작은 마이크로스케일에서 유체의 현상을 연구 혹은 그 현상을 활용하는 기술을 말한다. 마이크로 플루이딕스를 이용하여 기존의 생물 혹은 화학 공정을 소형화하면, 싼 가격과 적은 양의 시료를 사용하여 빠른 반응 속도와 높은 분해능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 최근 몇 년간 마이크로 플루이딕 시스템에서 수십~수백 마이크로미터의 크기를 가지는 액적을 이용한 연구가 많이 수행되고 있다. 액적 기반의 마이크로 플루이딕스는 층류 흐름을 사용하는 소자와는 다른 다양한 장점을 지녔는데, 특히 마이크로 반응기로 활용 가능하다는 점이 큰 특징이다. 이에, 본 연구에서는 수성이상계를 이용한 액적 기반의 마이크로 플루이딕 시스템을 디자인 하고, 이를 사용하여 마이크로 채널 내에서의 액적의 제어를 수행하였다.
본 연구에서 이용한 수성이상계는 Tetrabutylammonium bromide (TBAB)와 Ammonium sulfate (AS)를 일정 농도 이상으로 물에 용해시켜 만들게 된다. 이 때, TBAB-rich 상과 AS-rich 상의 두 부분으로 상분리가 일어나게 되며, 이는 마이크로 채널내에서 액적을 생성할 수 있을 정도의 계면 장력을 가진다. 또한, 전기장을 인가하면 AS-rich 상이 양극 쪽으로 끌려가는 전기영동 움직임이 나타난다. 이 현상을 이용하면, 다양한 형태로 액적의 제어가 가능해 진다.
첫째로, 전기장을 이용한 액적의 소팅에 관한 실험을 수행하였다. 액적의 소팅은 생성된 여러 개의 액적 중 특정 물질을 포함하는 혹은 일정한 규칙에 의해 우리가 원하는 액적을 원하지 않는 액적과 서로 다른 채널로 흐르게 하는 형태로 구현된다. 본 연구에서는 서로 다른 색상을 가지는 액적을 앞서 설명한 AS-rich 상의 전기영동 움직임을 이용하여, 원래 진행하던 채널에서 분리, 다른 채널을 향해 흐르게 만들어 주었다. 이러한 액적의 소팅을 이용하면, 기존의 방식 보다 빠르고 편리하게 생물 화학적 물질의 Screening을 진행할 수 있을 것이 기대된다. 다만, 본 연구의 결과 보다 더 빠른 소팅 속도가 필요한데, 소팅 속도는 유체의 속도 및 채널의 모양에 따라 증가될 수 있음을 이어진 실험을 통해 알아보았다.
다음으로, 본 연구에서는 액적의 융합이 가능한 마이크로 디바이스를 디자인하고, 성공적인 융합이 가능함을 보였다. 이전에 수행된 액적 융합의 경우 대부분 두 액적이 거의 접촉해 있거나 근접해 있는 상황에서 외력을 가하는 형태와 채널의 구조를 변형시켜 앞서가는 액적의 속도를 느리게 만들어 두 액적을 만나게 하는 형태이나, 본 연구에서는 일반 직선 채널에서 거리 차를 가지는 형태일 때도 성공정인 융합을 성공시킬 수 있었다. 이 현상은 채널 내에 전기장을 가했을 때, 액적은 전기영동 움직임을 보이며 빠르게 진행되고, 이로 인해 액적 주변에 회전 흐름이 생기는 것이 원인 임을 레벨셋 방법을 이용한 전사모사를 통하여 밝혀내었다. 본 연구에서 수행한 액적 융합에 대한 실험과 전산모사의 결과를 고려해 보았을 때, 채널의 디자인 혹은 유체의 속도가 변하더라도 성공적인 액적 융합이 일어나기 위한 조건을 예측 가능하리라 생각된다.
마지막으로, 기본적인 반응인 Prussian Blue 입자 합성을 본 연구에서 제안한 액적 기반의 마이크로 플루이딕 소자를 이용하여 성공적으로 수행하였다. 이것은 수성이상계를 이용한 액적 융합이 마이크로 반응기로 활용 가능함을 보여준다.
