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Acoustofluidic manipulation of microspheres via vertical hydrodynamic focusing and upward migration = 정수역학적 수직 집속과 상향 이동을 통한 마이크로스피어의 음향유체적 조작
서명 / 저자 Acoustofluidic manipulation of microspheres via vertical hydrodynamic focusing and upward migration = 정수역학적 수직 집속과 상향 이동을 통한 마이크로스피어의 음향유체적 조작 / Husnain Ahmed.
저자명 Ahmed, Husnain ; 아흐메드, 하스넨
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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초록정보

Advancements in microfluidic manipulation devices are vital for the development of future lab-on-a-chip technologies with applications in the biological, chemical, and materials sciences. Surface acoustic wave (SAW)-based acoustofluidic separation devices, using low power densities, offer non-contact and label-free sorting capabilities using differences in mechanical properties (density, compressibility, etc.) or sizes of the micro-objects. A particle suspended in a fluid within a microfluidic channel experiences a direct acoustic radiation force (ARF) when travelling surface acoustic waves (TSAW) couple with the fluid at the Rayleigh angle. Most SAW-based microfluidic devices rely on the horizontal component of the ARF to migrate pre-focused particles laterally across a microchannel width. Although the magnitude of the vertical component of the ARF is more than twice the magnitude of the horizontal component, it has been long ignored due to polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel fabrication limitations and difficulties in particle focusing along the vertical direction. In the present work, we have devised a single layered PDMS microfluidic chip for hydrodynamically focusing particles in the vertical plane while explicitly taking advantage of the horizontal ARF component to slow down the selected particles and the stronger vertical ARF component to push the particles in the upward direction to realize continuous particle separation. An acoustofluidic device with a straight PDMS microchannel placed directly on top of a straight interdigitated transducer (IDT) was used to produce high frequency (140 MHz) TSAWs. Contrary to the conventionally used two sheath flows for particle focusing, a single sheath flow was used to pinch the particles close to the bottom of the microchannel. The TSAWs originating from the IDT pushed the focused larger 4.8 $\mu m$ diameter particles in the upward direction to isolate them from smaller 2.0 $\mu m$ or 3.2 $\mu m$ diameter particles. The proposed particle separation device offers high-throughput operation with purity > 97% and recovery rate > 99%. It is simple in its fabrication and versatile due to the single layered microchannel design, combined with vertical hydrodynamic focusing and the use of both the horizontal and vertical components of the ARF. Using the concept of upward migration of particles, another acoustofluidic device was presented for the concentration and separation of four different sized micro-objects inside a single-layered straight polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel without using external pumps. Two parallel placed interdigitated transducers (IDTs) were used to produce high frequency (73 MHz & 140 MHz) traveling surface acoustic waves (tSAWs) that trap and concentrate the 12 $\mu m$ and 4.8 $\mu m$ diameter particles at two different locations inside the PDMS microchannel without the assistance of microfabricated PDMS membrane, while allowing the 2.1 $\mu m$ particles to filter through the chromatography of different size microspheres.

생물학, 화학, 재료과학 분야의 응용에서 미세유체 디바이스의 발전은 미래의 랩온어칩 기술 개발을 위해 중요하다. 낮은 출력 밀도의 표면탄성파 기반의 음향유체적 분리 장치는 마이크로 사이즈의 물체를 크기나 밀도, 압축성 등의 다른 역학적 특성의 차이를 이용한 비접촉, 비표지 분류를 가능하게 한다. 진행표면탄성파가 레일리 각으로 미세유체 채널 내부 유체와 상호작용할 때, 채널 내부 유체에 현탁된 입자는 음향방사력을 받는다. 대부분의 표면탄성파 기반의 미세유체 디바이스는 집속된 입자를 채널 폭을 가로지르는 횡방향으로 이동시키기 위해 음향방사력의 수평방향 성분에 의존한다. 음향방사력의 수직방향의 성분은 수평방향 성분보다 두배 이상의 크기를 갖지만, 폴리디메틸실록세인(PDMS) 미세유체채널 제작과정에서의 제한과 수직방향으로 입자 집속의 어려움 때문에 그 활용이 많이 고려되지 않았다. 이번 연구에서 우리는 수직면으로의 정수역학적 입자 집속을 위한 단일 레이어의 PDMS 미세유체 칩을 고안했다. 선택된 입자를 감속하기 위해 음향방사력의 수평방향 성분을 활용하였으며, 입자의 연속적 분리에서 입자를 윗방향으로 밀기 위해 더 강한 수직방향 성분을 활용하였다. 음향유체 디바이스는 빗살무늬변환기(IDT) 위에 PDMS 채널이 부착되어 있으며, IDT는 고주파수의 진행표면탄성파를 발진하기 위해 사용되었다. 입자 집속을 위해 통상적으로 두 시스 유체를 사용하는 것과 달리, 하나의 시스 유체가 채널 미세채널의 바닥에 입자를 핀치시켰다. IDT로부터 발진한 진행표면탄성파는 먼저 지름 4.8 $\mu m$의 입자를 윗방향으로 밀어 지름 2, 3.2$\mu m$의 입자와 분리시켰다. 제안된 입자 분리 디바이스는 97% 이상의 순도와 99% 이상의 회수율로 높은 처리량을 보여주었다. 우리의 디바이스는 단일 레이어 미세채널 디자인으로 제작이 간단하며, 수직방향의 정수역학적 입자집속과 음향방사력의 수평 및 수직 방향성분 모두를 사용하므로 다용도이다. 우리는 윗방향의 입자 이동의 개념을 이용하여 또다른 음향유체 디바이스를 제시하였다. 이 디바이스는 단일 레이어의 PDMS 채널 내부에서 외부 펌프의 사용 없이 서로 다른 네 가지 크기의 마이크로 사이즈의 입자를 농축하고 분리하였다. 두 개의 평행하게 놓인 IDT는 73 MHz와 140 MHz의 진행표면탄성파를 발진하였다. 채널 내부 다른 두 장소에서 PDMS 막의 도움 없이 지름 12, 4.8 $\mu m$ 입자를 가두고 농축되며, 지름 2.1 $\mu m$ 입자는 다른 사이즈의 마이크로구의 크로마토그래피를 통해 여과되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 17079
형태사항 vi, 42 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 하스넨 아흐메드
지도교수의 영문표기 : Hyung Jin Sung
지도교수의 한글표기 : 성형진
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 References: p. 36-38
주제 Acoustofluidics
particle separation
vertical component
acoustic radiation force
trapping
concentration
chromatography
음향유체역학
입자 분리
수직 방향
음향방사력
트래핑
농축
크로마토그래피
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