This thesis presents practical applications of optoelectrofluidic platform for measurement and detection of biomolecules. Optoelectrofluidics refers to the study of the motions of particles or molecules and their interactions with surrounding fluid and electric field, which is induced or perturbed in an optical manner. Here a simple and most widely-used optoelectrofluidic platform, called optoelectrofluidic tweezers (OET), has been utilized for manipulating micro-/nanoparticles and molecules. Although many types of OET platform has been developed and many studies for programmable manipulation of various target objects using it has been reported until now, any practical applications such as measurement and detection of biological molecules has never been demonstrated. Here, in order to apply an optoelectrofluidic platform for measurement of molecular mobility and detection of human tumor markers, separation and concentration of microparticles, and dynamic control of colloidal assembly and local chemical concentration have been performed at first. In addition, the frequency-dependent behavior of micro-/nanoparticles and molecules in an optoelectrofluidic device has been investigated. On the basis of the basic studies about the optoelectrofluidic manipulation of micro-/nanoparticles and molecules, new schemes for measuring diffusion coefficient of molecules and for conducting sandwich immunoassays have been developed. The optoelectrofluidic technologies provide a simple, rapid and easy way to measure the diffusion coefficients of various dextran molecules, and to detect human tumor marker based on surface-enhanced Raman scattering. These measurement and detection technologies based on optoelectrofluidics open a new way for simple, automated, fast, accurate and precise measurement and detection of biomolecules. In addition, this thesis provides future perspectives about practical applications of optoelectrofluidics in biology and chemistry fields.
본 학위논문에서는 광전자유체제어 기술을 이용한 생체분자의 측정과 검출에 관한 연구를 수행하였다. 광전자유체제어 기술이란, 광학적인 방법을 통해 전기동역학적 힘을 유도하여 미세입자나 유체의 운동을 제어할 수 있는 기술이다. 1995년에 전기장에 적외선 레이저를 조사하여 유체의 온도가 국부적으로 상승하도록 함으로써 전열효과에 의한 유동이 발생하게 한 바 있으며, 2000년에는 전압이 인가된 전극에 특정한 패턴의 자외선을 조사하여 전하를 지닌 미세입자가 전기영동에 의해 전류밀도가 높은 방향, 즉 자외선이 조사된 방향으로 이동시키는 방법이 보고된 바 있다. 2005년 발표된 광전자집게 기술은 전극 상에 비정질 실리콘과 같은 우수한 광전도성 물질을 증착시킨 형태로써, DMD와 같은 디스플레이 장치를 거친 백색광 패턴을 광전도성층에 조사하면, 빛이 조사된 영역에만 전류가 도통하여 가상의 전극이 형성되는 원리를 이용한 광전자유체제어 기술이다. 이러한 광전자집게 기술은 움직이는 영상으로 세포와 같은 미세입자들의 유전영동을 유도하고, 자유자재로 구동할 수 있도록 한다. 이러한 광전자집게 기술은 특정한 형태의 전기장을 형성시키기 위한 고정된 전극 패턴을 복잡한 공정과정을 통해 제작할 필요가 없고, 빛의 패턴만을 바꾸어 줌으로써 다양한 형태의 전극을 자유롭게 형성시키고 제어할 수 있다. 또한, 단순한 평판 구조를 지닌 소자의 특성상 저비용 대량생산에 용이하고, 대면적, 대용량 프로세스, 휴대용 장치를 위한 집적화와 저전력 구동에 유리하다. 뿐만 아니라, 값비싼 레이저 광원이나 복잡한 광학 부품이 요구되는 기존의 광학 집게와 달리, 광학적으로 유도된 전기동역학적 원리를 사용하기 때문에, 10만배 이상 약한 광원에 의해서도 미세입자의 조작이 가능하다는 장점이 있다.
본 연구에서는 광전자집게 기반의 광전자유제제어 기술을 이용하여 생체분자의 측정과 검출에 관한 연구를 수행하였다. 이에 앞서, 교류 전기삼투 및 유전영동과 같은 다양한 전기동역학적 원리에 대한 이해를 위해 간단한 등가회로모델을 바탕으로 실험적으로 얻은 자료와 함께 이론적인 기초 연구를 수행하였다. 또한 LCD 기반 시스템과 형광 현미경 기반 시스템을 이용하여, 고분자성 미세입자와 생체분자의 광전자유체역학적 거동 특성을 조사하였으며, 미세입자의 빠른 농축과 분리, 조립, 생체 분자의 농도 조절 기술 등을 개발하였다.
미세입자의 농축과 분리를 위해서는, LCD 영상에 의해 유도되는 교류전기삼투 유동과 음의 유전영동을 이용하였다. 광전자유체제어 소자에 10 kHz 주파수의 교류전압을 인가하여, $1\mum$ 지름의 폴리스티렌 입자를 $1\mum$와 $6\mum$ 입자가 섞여있는 혼합물로부터 30초 내에 빠른 속도로 분리해내고, 이와 동시에 농축하는데 성공하였다. 이러한 결과는 입자의 크기와 교류전압의 주파수에 의존하는 전기동역학적 원리의 특성에 의한 것으로, 100 Hz 부터 10 kHz 범위에서 미세입자의 거동에 대한 이론적 연구도 수행하였다.
미세입자 조립의 광전자적 조절은 프로젝터 기반의 광전자유체 제어시스템을 이용하여 이루어졌다. $3\mum$ 폴리스티렌 입자를 사용하였으며, 1 kHz 이하의 주파수 영역에서 입자의 조립에 영향을 미치는 교류삼투 유동, 정전기적 상호작용 등에 관한 연구를 수행하였다. 광전자유체제어 소자에 조사된 빛 패턴을 조절함으로써, 미세입자 패턴을 조절하고, 이와 동시에 인가전압의 주파수를 조절함으로써, 미세입자 패턴의 내부 조립 특성, 즉 미세입자간 거리를 자유자재로 조절할 수 있었다.
마지막으로, 형광현미경에 집적된 광전자유체제어 소자를 이용하여, 하나의 광원만으로 유체 내 국소적인 영역에서의 생체분자 농도를 조절하고, 이와 동시에 검출할 수 있도록 하였다. 이 때 빛에 의해 유도된 교류삼투유동 및 정전기적 상호작용에 의해 형광 관찰을 위한 입사광 영역에서의 생체분자의 농도가 시공간적으로 조절됨을 확인하였으며, 이러한 현상은 분자의 종류, 인가 전압의 크기와 주파수, 빛 패턴 등에 의존하는 것을 실험적으로 확인하였다.
본 연구에서는 앞서 수행한 미세입자 및 생체분자의 조작에 관한 연구들을 바탕으로, 광전자유체제어 기술을 기반으로 한 생체분자의 측정 및 검출과 관련된 실질적인 응용 기술을 개발하였다. 광전자유체제어 기술은 오랫동안 세계적으로 많은 주목을 받아왔으나, 그에 관한 연구 경향은 나노선, 나노튜브, 세포, DNA 등 다양한 물질들을 조작하고 패턴화하는데 집중되어 왔다. 그러나 이러한 조작 기술을 바탕으로 실질적인 생화학적 응용 기술은 아직까지 개발된 바 없다.
본 연구에서는 광전자유체제어 소자 내에서의 생체분자의 거동 특성을 이용하여 생체분자의 확산계수를 쉽고 빠르게 측정할 수 있는 기술을 개발하였다. 먼저 100 Hz 주변의 저주파 교류전압이 인가된 상태에서 빛이 조사된 영역으로부터 빠른 속도로 퍼지게 되는 원리를 이용하여, 분자가 존재하지 않는 고갈 영역을 형성시켰다. 이 후 전기장을 제거하여 퍼졌던 분자들이 확산을 통해 다시 고갈 영역에 채워지는 현상을 관찰하여 10, 40, 500 kDa의 형광 덱스트란 분자의 확산계수를 측정할 수 있었다. 형광현미경을 이용하여 분자의 농도 변화를 실시간으로 관찰하였으며, 빛이 조사되는 영역을 조리개를 이용하여 조절함으로써 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있었다. 측정된 확산계수는 각각 $125.1\plusmm7.1$, $46.1\plusmm2.9$, and $22.5 \plusmm1.7$ $\times10^{-8}cm^{2}/s$ 였으며, 이는 기존의 형광 광표백 기법을 이용해 측정된 값들과 매우 잘 일치하였다. 이러한 광전자유체제어 기술을 이용한 분자 확산 계수 측정방법은 기존의 확산계수 측정방법과 달리, 강한 레이저 광원이나 초고속 카메라, 광표백 현상, 유체구동을 위한 요소들을 요구하지 않으며, 빛 패턴 조절을 통해 측정의 정밀도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 광전자유체제어 기술을 기반으로 한 영상 기반 샌드위치 면역분석법을 개발하여, 수백 nL에 불과한 미세 유체 방울 내에서 암 표지 물질을 빠르게 고감도로 검출하는데 성공하였다. 프로그램화된 LCD 영상으로 미세입자와 분자, 나노입자의 농축, 혼합, 분리를 제어함으로써 자동화된 면역분석법을 수행할 수 있었다. 지지층으로 쓰이는 미세입자들은 유전영동, 교류전기삼투, 중력 등의 영향으로 움직이는 LCD 영상으로부터 멀어져서 농축된다. 반면 형광표지 나노입자 또는 SERS 표지 나노입자의 경우에는 교류전기삼투 유동에 의해, 농축된 미세입자들로부터 분리된다. 이러한 현상을 이용하여 암 표지물질인 AFP를 매개로 하여 미세입자에 달라붙은 SERS 표지 은 나노입자의 경우에는 세척이 되지 않고, 달라붙지 않은 나노입자들만 세척을 함으로써, 상기 미세입자에 붙은 나노입자의 양을 SERS 신호를 통해 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 방법을 적용하여 0 ng/mL 부터 1.5 ng/mL 까지 존재하는 AFP의 양을 정량적으로 측정할 수 있었으며 검출한계는 20 pg/mL로 측정되었다. 또한 500 nL 이하의 미세유체방울 내에서 5분 이내에 결과를 얻어낼 수 있었으며, 프로그램화된 LCD 영상을 이용하여 여러 번의 실험을 한번에 자동으로 수행할 수도 있었다. 본 기술은 SERS 뿐만 아니라, 형광 등 다양한 면역분석법에 적용할 수 있으며, 간단하게 적은 양의 샘플만으로 자동화된 면역분석을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
마지막으로, 광전자유체제어 기술의 생물학적 응용을 위하여 해결 되어야 할 과제 및 전망을 제안하였다. 광전자유체제어 기술은 복잡한 전극 구조와 전기구동 시스템, 미세채널이나 펌프 등의 유체조작 시스템 없이도 미량의 유체 샘플 내에서 빛을 이용하여 자유자재로 미세입자를 구동할 수 있는 기술이다. 또한 본 연구에서는 이러한 미세조작 기술을 바탕으로 생체분자의 측정 및 검출을 위한 새로운 응용기술을 제안하였다. 하지만, 광전자유체제어 기술은 근본적으로 전기동역학적원리를 사용하기 때문에, 기술의 성능이 샘플의 전기적 특성과 인가된 전압신호의 주파수에 매우 의존한다는 특성이 있다. 따라서 더 높은 광전도성을 지닌 새로운 물질 또는 새로운 소자의 개발이 요구되며, 전기공학적, 유체역학적, 전기동역학적인 이론에 대한 깊은 고찰이 요구된다. 또한 단순한 소자의 구성은 이용상의 편리성과 제조단가, 유연성, 휴대성 등에는 매우 유리하나, 두 종류 이상의 유체를 다루는 복잡한 과정의 실험을 수행할 때에는 매우 불리하다. 따라서 미세유체 조작을 위한소자의 집적화가 요구되며, 이러한 연구는 이미 활발히 진행 중이다.
본 기술을 바탕으로 항원의 다중동시검출을 수행하기 위하여, 개선된 광전자유체제어 면역분석 기술을 개발할 예정이며, 금속 나노입자 및 미세입자를 패턴화하여 SERS 검출을 위한 능동 소자를 개발하고자 한다. 또한 광학적 검출의 한계를 뛰어넘기 위해, 특이 물질 결합으로 인한 미세입자의 운동성 변화를 통해 단백질간 상호작용을 정량화할 수 있는 새로운 검출기술을 개발하고자 한다. 광전자유체제어 기술이 단순한 조작 기술로써의 기능을 뛰어넘어, 실용적인 응용 기술로 발전되기 위해서는 생체분자의 검출이나 측정과 같은 기술의 개발이 필수적으로 요구된다. 따라서, 본 연구를 통해 광전자유체제어 기술의 응용 분야가 더욱 확대되고, 기술적 가치가 크게 향상될 것으로 기대된다.
