In this thesis, development of liquid-based optical waveguide system, so-called optofluidic waveguide, in a microfluidic platform and its application to the optical particle manipulation were studied.
In order to overcome the limitations of the two-dimensional liquid-core/liquid-cladding (L2) optical waveguide, which was previously reported, a three-dimensional microfluidic L2 optical waveguide system was demonstrated in a simple single-layer. The core fluid was focused in the vertical direction by a transverse secondary flow (produced by a Dean vortex) and focused in the horizontal direction by two parallel sheath flows. The waveguide intro-duced less optical loss between the core fluid and the channel wall. Diffusion between the core fluid and the cladding fluid was reduced by high fluid velocities. The present system can be considered as a graded-index (GRIN) waveguide due to the diffusion effect between core and cladding liquids. The width of the core fluid was manipulated by adjusting the sheath flow rates. Numerical simulations were conducted to support and interpret the experimental results.
Next, for the application of the L2 optical waveguide, optofluidic particle manipulation in a L2 optical waveguide was considered. For the fundamental study, the force equations de-scribing the radiation forces on a microsphere in an arbitrary refractive index profile were de-rived here using the photon-stream method in a ray-optics regime. A loosely focused Gaussian beam was employed as the radiating illumination beam. The radiation forces on a spherical microsphere were calculated in a time-varying refractive index profile. The refractive index profile of the surrounding medium was evaluated according to the concentration distribution obtained from the diffusion equation. The scattering and gradient forces on a microsphere were calculated for different refractive indices (1.22, 1.33, 1.43, and 1.59), and the radiation forces on a perfectly reflecting microsphere were calculated.
Based on the calculation, a method for particle manipulation in a L2 optical waveguide system was described. Step-index and graded-index waveguides were modeled with consider-ation for, respectively, immiscible and miscible core and cladding fluids. The characteristic motions of four different particles with refractive indices of 1.59, 1.48, 1.37, and 1.22 were examined. The guided beam was assumed to be Gaussian in shape. Results showed that high-refractive-index particles converged at the center of the core fluid due to a positive gradient force, whereas low-refractive-index particles converged at the flow periphery. The nonlineari-ty of the particle motion increased as the flow velocity and the guided beam waist decreased and the laser power and the particle size increased. The initial beam waist of the guided beam in the graded-index waveguide did not significantly affect the characteristics of the particle motion due to the effects of diffusion.
To verify the fundamental study and numerical calculations, optofluidic particle manipulations in a microfluidic channel were demonstrated with an experimental approach. Four different systems were fabricated and evaluated: microfluidic system with single liquid, liquid-core/PDMS-cladding optical waveguide system, liquid-core/liquid-cladding (L2) optical waveguide system, and pinched flow fractionation system, respectively. In a microfluidic system with single liquid, it was shown that the high-refractive-index particle (PSL) was converged to the beam axis, whereas the low-refractive-index particle (hollow glass particle) diverged from the beam axis. These results are coincident with numerical study. In a liquid-core/PDMS-cladding optical waveguide system, high-refractive-index and low-refractive-index particles were focused to the center of the channel and diverged from the center axis of the channel, respectively, along the flow direction due to the opposite direction of the gradient force acting on them. To overcome the shortcomings of the liquid-core/PDMS-cladding optical waveguide system, L2 optical waveguide system was employed and characterized. Finally, enhancement of separation using a pinched flow fractionation system was demonstrated.
본 학위 논문에서는 두 가지 목표를 달성하고자 하였다. 기초 연구로서, 미소채널 내부에서 액체 기반의 광도파관을 구축하고, 이에 대한 응용으로써 액체 기반의 광도파관을 이용한 광학적인 입자/생물세포 제어 시스템을 제안하였다.
2차원 액체-코어/액체-클래딩(L2) 광도파관의 단점을 극복하기 위해, 단순히 하나의 층(single layer)만을 이용하여 3차원 L2 광도파관을 구현하였다. 코어 유체는 딘(Dean) 와류에 의해 수직 방향으로 한 번의 집속이 이루어지게 되고, 그 후 양 옆에서 들어오는 두 개의 클래딩 유체에 의해서 수평 방향으로 집속이 이루어지게 된다. 이를 통해 3차원적인 L2 시스템이 구축 가능하게 된다. 제안된 시스템은 2차원 시스템이 코어 유체가 수직 방향으로 채널의 벽면과 닿게 되면서 생기는 광손실(optical loss)을 차단 가능하게 된다. 제안된 시스템은 코어 유체와 클래딩 유체의 확산 현상에 의해 graded-index (GRIN) 광도파관의 특성을 지니게 된다. 코어 유체의 크기는 클래딩 유체의 유량을 조절하여 제어 가능하게 되고, 이는 유량의 조절을 통해 single-mode 혹은 multi-mode 광도파관을 동적으로 구성할 수 있음을 의미한다. 실험 결과를 해석하고 뒷받침하기 위해 수치해석을 진행하였다.
L2 광도파관의 응용으로서, L2 광도파관을 이용하여 광유체역학적인 입자 제어로의 응용을 제안하였다. 이에 대한 기초 연구로써, 기하광학(ray-optics) 영역에서 광자흐름법(photon-stream-method)을 이용하여 임의의 굴절률 분포에 놓인 입자에 작용하는 광력에 대한 해석식을 도출하였다. 광력의 작용원(source)으로써 가우시안(Gaussian) 형태의 레이저 빔을 사용하였다. 주변 유체의 굴절률 분포는 일차원 확산 방정식을 이용해 도출하였고 이때 입자에 작용하는 두 개의 광력 성분인, 광산란력(scattering force)과 광구배력(gradient force)에 대한 수치해석을 진행하였다. 광크로마토 그래피(optical chromatography)에 많이 사용되고 있는 굴절률이 다른 네 가지의 입자(1.22, 1.33, 1.43, 1.59)에 작용하는 광력에 대해서 해석하였고 이를 토대로 하여 입자가 굴절률을 기반으로 제어 가능함을 확인하였다.
기초 연구를 기반으로 L2 광도파관을 이용하여 굴절률 기반으로 입자를 제어하는 방법에 대해서 제안하였고 시스템에서 입자의 운동 특성을 수치적으로 예측하였다. 서로 섞이지 않거나 혹은 섞이는 두 개의 유체를 이용하여 각각 step-index 와 graded-index 광도파관을 모사하였다. 각각의 시스템에서 굴절률이 다른 네 가지의 입자에 대해서 운동 특성을 계산하였다. 주변 유체에 비해 굴절률이 높은 입자의 경우 양의 광구배력이 작용하여 코어 유체의 중심부로 집속되는 것을 확인하였고, 반대로 주변 유체에 비해 굴절률이 낮은 입자의 경우 음의 광구배력이 작용하여 중심부로부터 멀어지는 것을 확인하였다. 일반적으로 유체의 속도와 광폭(beam waist)이 작을수록, 레이저 세기(laser power)와 입자 크기가 커질수록 입자 운동의 동적 특성이 강해지는 것을 확인하였다. 특징적으로, graded-index 광도파관에서는 코어 유체와 클래딩 유체의 확산 현상에 의해 초기 광폭의 효과가 크지 않음을 도출하였다.
마지막으로 기초 연구와 이를 토대로 한 입자 운동의 수치적인 예측을 검증하기 위해 실험적인 검증 과정을 수행하였다. 네 가지 서로 다른 실험을 수행하였다. 먼저 입자들이 실제로 굴절률 기반으로 제어 가능한지를 평가하기 위해 하나의 유체만을 사용하여 입자에 작용하는 양(+)과 음(-)의 광구배력에 대해서 관찰하였다. 이 때 작동유체가 미소채널 제작에 사용되는 PDMS 물질에 비해 각각 굴절률이 작은 경우와 큰 경우에 대해서 입자의 운동 특성을 측정하였고 이를 통해 굴절률을 기반으로 하여 입자의 제어가 가능함을 확인하였다. 세 번째로 시스템의 유연성을 증대시킬 수 있는 L2 시스템에서 입자의 운동 특성을 측정하였고 시스템의 사용 가능성을 확인하였다. 마지막으로 굴절률 기반으로 분리된 입자들이 급확대관을 이용하면 분리 거리가 증대될 수 있음을 보였다.
추후 연구로서, 본 학위 논문에서 진행된 연구를 기반으로 하여 실제 생물세포의 실험으로의 확장을 통해 최종적으로 굴절률을 기반으로 한 생물 세포의 분리 시스템을 설계o제작하고자 한다.
