This thesis presents the development of an integrated optoelectrofluidic system for biological assays based on a microarray format to overcome low reaction efficiency, a significant issue of surface-based sensing system. An analyte depletion problem commonly occurs in immunoassay systems where mass transport of target molecules depends on only diffusion manner, which causes a loss of assay performances. To improve the reaction efficiency, active mass transport of molecules at assay regions was generated by applying an optically-induced AC electrokinetic flow, resulting in an achievement of enhanced immunoassay results. To understand the optoelectrofluidic mass transport, I firstly investigated the effect of an optically-induced AC electroosmosis (ACEO) on focusing colloidal particles. Colloidal particles could be concentrated to a projected region thanks to the optically-induced strong convective flow. Based on these studies, I explored potential of the optoelectrofluidic technology to be effectively utilized in a microfluidic environment where mass transport is limited. Second, I proposed an optoelectrofluidic enhanced immunoreaction based on the optically-induced ACEO. Mass transport phenomena of molecules under the optoelectrofluidic system with a surface-based assay system were investigated by mathematical simulation studies and experiments using an immunoreaction set. The proposed system with an optically-induced convective flow could improve the reaction efficiency with a 2.18-fold enhancement under dynamic light patterns compared to the passive mode by overcoming the diffusion limitation problem. Finally, I presented a novel optoelectrofluidic immunoassay integrated with a microarray format. Multiple convective flows were generated on multiple spots of the microarray by an optical manner, which enhanced mass transport, resulting in a reduction of the reaction time from more than 30 min to 10 min with minimal sample consumption. Based on this enhancing effect, the microarray-integrated optoelectrofluidic system was applied in quantitative immunoassay. Furthermore, the application of multiplex immunoassay was demonstrated by simultaneous multiple protein detection.
본 학위논문에서는 생물학적 분석을 위한 마이크로어레이가 집적된 광전자유체시스템을 제안하였으며, 이는 표면 기반 분석 시스템의 고질적인 목적물질 결핍 문제를 광학적 조작이 가능한 교류전기삼투 유동현상으로 해결한 전 세계적으로 최초의 시도이다. 먼저, 본 연구에서는 광전자유체역학적으로 유도된 교류전기삼투 유동현상을 나노 콜로이드 입자에 적용함으로써, 확산한계 환경 하에서 능동적인 나노물질의 질량수송에 대한 적용 가능성을 실험적으로 확인하였고, 이를 기반으로 미세유체역학 집속 현상을 유도할 수 있었다. 또한 교류전기삼투 유동현상을 표면 기반 생물학적 분석 시스템에 적용함으로써, 확산한계 문제를 유체역학적으로 극복하여 향상된 반응 효율을 얻을 수 있었다. 마지막으로 본 연구에서는 앞서 제안한 광전자유체역학 기술과 생명공학분야에서 널리 사용되는 마이크로어레이를 집적하여 면역분석을 효과적으로 수행할 수 있는 시스템을 개발하였다. 제안된 시스템을 면역분석에 적용한 결과, 1/3 이하의 면역 반응 시간 감소를 확인할 수 있었고, 이를 기반으로 성공적으로 정량분석을 수행하였다. 더불어, 역상 면역 검출법을 적용하여 단백질 다중동시검출을 수행함으로써, 본 시스템의 생물학적 분야 활용 가능성을 보여주었다.
