In this master’s thesis, we present a microfluidic device integrated with ZnO nanowire array that aims for rapid detection and analysis of bacterial cells towards widespread use in real fields applications. The proposed detection and analysis of bacterial cells involves three steps: (1) cell manipulation, (2) cell lysis, and (3) detection and analysis of DNA. First, cell manipulation step is performed by hydrodynamic trapping of bacterial cells in the microfluidic device using fishnet-like cage structure array. The fishnet-like cage structures are fabricated by integration of ZnO nanowire array into microslit structures. Since ZnO nanowires synthesized by hydrothermal method are dense and robust enough to endure the moving bacterial cells, they can be trapped at the fishnet-like cages within the microfluidic device without any complicated experimental setup and delicate system control. Second, cell lysis step is conducted by synergic cell wall damage of bacterial cells based on both hydrodynamic (shear-force based) lysis and photocatalytic lysis. For hydrodynamic lysis, moving bacterial cells in the microfluidic device experience collision and friction with ZnO nanowire array. ZnO nanowires are used as the mechanical scratching sources based on their geometry characterized by sharp tips and high aspect ratio. For photocatalytic lysis, bacterial cell wall is disrupted by oxidative damage in the presence of ZnO nanowires and UV light. Through these lysis mechanisms, we can collect DNA for further assay. Lastly, detection and analysis of DNA is achieved by PCR based method which amplifies DNA templates including target sequence after extraction of them from target bacterial cells. It can be demonstrated that the proposed sample preparation strategy can be used for PCR based detection method without serious degradation of DNA templates.
본 학위논문에서는 박테리아 세포의 조작과 용해를 위해 나노선이 집적되어 있는 미세유체소자를 개발하였다. 또한 산화아연 나노선 어레이가 박테리아 세포를 수력학적으로 포획하기 위한 필터로 사용이 가능하고, 기계적인 긁힘 효과와 광촉매 반응을 기반으로 박테리아 세포의 용해를 위한 자극 물질로 활용이 가능함을 증명하였다. 실험에 앞서, 나노선이 집적된 미세유체소자를 디자인하고 제작하였다. 그물망 형상의 포획 구조물은 수열합성법을 통해 기판에 수직하게 정렬된 형태로 제작된 산화아연 나노선을 미세슬릿 구조물 사이에 집적시킴으로써 만들 수 있었다. 그리고 마이크로미터 이하 크기의 박테리아 세포를 걸러줄 수 있을 만큼 산화아연 나노선 어레이가 조밀한 배열을 가지고 있음을 확인하였다. 다음으로 제작된 미세유체소자를 이용하여 박테리아 세포의 조작과 용해에 응용하였다. 세포 조작 단계에서, 산화아연 나노선의 조밀한 배열의 도움으로 그물망 형상의 포획 구조물이 박테리아 세포의 수력학적 포획에 효과적임을 관찰할 수 있었다. 수력학적 포획 방법은 비싼 실험 장비나 복잡한 원리를 필요로 하지 않기 때문에, 미세유체소자 내에서 박테리아 세포를 원하는 위치에 배열할 수 있는 유용한 방식으로 활용될 수 있다. 세포 용해 단계에서, 박테리아 세포의 세포벽을 허물어주기 위해서 수력학적 용해와 광촉매적 용해의 두 가지 원리를 적용하였다. 수력학적 용해 방법은 박테리아 세포와 산화아연 나노선 어레이 사이의 기계적인 충돌과 마찰로 인해 세포벽이 손상을 입는 과정을 유도하여 주는 방법이며, 광촉매적 용해 방법은 광촉매 물질인 산화아연 나노선 어레이와 자외선의 존재로 인해 광촉매 반응이 활성화되어 박테리아 세포벽이 산화되는 것을 유도하는 방법이다. 이 두 가지 방법 모두, 세포벽의 손상 여부를 확인해주는 분석 방법을 통해 그 효용성이 입증될 수 있었다. 마지막으로 위에서 제시한 두 가지 방법의 시너지 효과를 유도하는 용해 방법으로 DNA를 추출하여 PCR 방법을 통해 검출하는 과정을 보였다. 이러한 결과를 통해, 본 연구에서 제시한 세포의 조작과 용해 방법이 실제로 일상 생활에서 PCR을 기반으로 하는 박테리아 검출 방법에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
