Pathogenic airborne viruses and bacteria have resulted in the loss of many lives and have caused a great deal of damage to property. For monitoring of pathogenic airborne micro-organisms, effective and rapid sampling method is required and technology for size separation of airborne particles has high potential to accomplish the purpose.
In this thesis, an airborne microorganism separator for use in low-cost, portable, real-time airborne microorganism sensors, detectors and other devices was developed. The micro-fluidic inertial separator can separate airborne viruses and bacteria from larger aerosols as well as separate viruses from bacteria using their inertial difference and Dean vortices in the air-flow.
The entire system was designed by numerical simulation and analysis. In addition, its performance was evaluated experimentally using airborne standard polystyrene latex (PSL) particles. In addition, two airborne microorganisms, Adenovirus 40 and Staphylococcus epi-dermidis, were used to verify the performance of the separator. The separation ratios of each bioaerosol were measured using real-time aerosol measurement instruments and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) analysis.
The system was composed of two 90° curved microchannels and three outlets for sep-arating the virus, bacteria and larger particles, respectively. About 70% of 3-μm particles but almost none of the bioaerosols were separated out at the first outlet. In addition, more than 70% of S. epidermidis and ~70% Adenovirus were separated out at the second and third out-lets, respectively. Unwanted particle loss in the system was less than 10%. The results indi-cated not only good separation of bioaerosols but also the potential of our separator for use in bioaerosol applications
공기 중에 부유되어있는 병원성 바이러스와 박테리아들은 예로부터 수많은 사람들의 목숨을 앗아갔을 뿐만 아니라 엄청난 양의 재산 손실을 야기해왔다. 그 결과, 기상의 병원성 미생물들을 모니터링 하기 위해서 빠르고 효율적인 바이오에어로졸 샘플링 방법이 지속적으로 요구되어 왔다. 다행히도 공기중의 바이러스와 박테리아는 그 크기 범위가 각각 20 nm에서 300 nm, 500 nm 에서 2 μm로 한정되어 있기 때문에 기상의 입자들을 크기 별로 분리해내는 기술이 가능성 높은 해결책으로 제시되고 있다.
본 연구에선, 값싸고, 휴대 가능하며, 실시간 측정이 가능한 바이오 에어로졸 검출기 및 관련 장비들의 개발에 사용될 수 있는 바이오에어로졸 분리기를 개발하였다. 본 분리기는 입자들의 관성 차이와 공기 유동으로 발생하는 딘 와류(Dean vortices)를 이용하여 기상의 바이러스와 박테리아를 그보다 큰 입자들로부터 분리해낼 수 있으며, 더 나아가 기상의 바이러스와 박테리아를 각각 분리해낼 수 있도록 제작되었다.
본 분리기의 전체 시스템은 수치해석을 통해 설계되었으며, 소프트-리소그래피(soft-lithography)방법을 사용하여 분리기를 실제 제작하였다. 제작된 분리기는 여러 크기의 표준 PSL 입자들을 사용하여 그 성능을 평가하였으며, 실제 미생물인 Adenovirus와 S. epidermidis를 사용하여 본 분리기의 성능을 입증하였다. 이때 각 바이오에어로졸의 분리 효율은 에어로졸 측정 장비들과 생물학적 측정방법인 qPCR 방법을 이용하여 측정하였다.
분리기는 90°로 구부러진 두 개의 미소 곡관과 세 개의 출구로 구성되어 있으며, 각 출구는 바이러스, 박테리아, 그보다 큰 입자들이 각각 빠져나가도록 제작되었다. 첫 번째 출구에선 3 μm 크기 입자들은 약 70%가 분리되어 나갔으나 그보다 작은 바이오에어로졸들은 극소수만이 분리되었다. 두 번째 출구에선 70% 이상의 S. epidermidis가 분리되어 나갔으며, 세 번째 출구에선 약 70%의 Adenovirus가 분리되어 나가는 것을 확인하였다. 또한 본 분리기 내부에서 발생하는 입자 손실률은 10% 미만이었다. 이러한 결과는 본 분리기가 바이오에어로졸들을 훌륭하게 분리해내고 있음을 보여줄 뿐만 아니라 응용 기기 개발로의 활용 가능성이 높음을 암시하고 있다.
