This thesis presents a DNA(Deoxyribose Nucleic Acid) extractor based on an electrophoresis using periodic crossed electric fields in a micropillar array. The DNA extractor immobilizes target DNA molecules in the micropillar array by adjusting the period of the crossed electric fields, thus providing a starting-point independent target DNA extraction method without separation time mornitoring process. DNA molecules longer than 20 kbp(kilo base pare) are reoriented in the micropillar array when the direction of the electric field is changed. The reorientation time, depending on the DNA molecule size, results in the size-dependent mobility of DNA molecules for a given electric field. Under the crossed field, the DNA molecules, whose reorientation time is longer than the period of the crossed field, are trapped in the micropillar array. The trapped DNA molecules are extracted after a given time interval. In the present study, we applied the electric fields, crossed at 120°, to the DNA molecules in the micropillar array distributed in 120° direction. The DNA extractor, having nanometer entropic barriers, was fabricated by micromachining processes. The velocity of three different DNA molecules has been measured at E=5V/0.8cm in the fabricated DNA extractor. This resulted in the reorientation times of 4.80±0.44sec, 7.12±0.75sec, and 9.88±0.30sec for λ DNA(48.5 kbp), DNA from micrococcus(115 kbp), and T4 DNA(169.8 kbp), respectively. We found that T4 DNA, whose reorientation time is approximately 10 seconds, cannot come out of the micropillar array when the crossed electric field of 5V/0.8cm is applied alternately at a 10 second interval. We have demonstrated that the present DNA extractor separates DNA molecules longer than a critical value. This critical value can be adjusted by the magnitude and the period of the crossed electric field applied in the micropillar array.

본 논문에서는 MEMS 기술을 이용하여 제작한 극미세구조물내에서 교차전기영동법에 의한 극미세DNA추출기를 설계, 제작하고 특정 크기 이상의 DNA 추출에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 본 논문의 극미세DNA추출기는 주기적으로 교차되는 전기장내에서 일정 크기 이상의 DNA분자들은 극미세구조물을 벗어나지 못하게 하고, 그 이하 크기의 DNA분자들은 교차전기장에 따라 이동할 수 있도록 하였다. 따라서 본 극미세DNA추출기는 특정 크기이상의 DNA를 추출함에 있어서 샘플주입점의 위치에 무관하고 분리와 추출 진행과정을 관찰할 필요가 없다는 장점을 지니고 있다. 전기영동시 DNA 분자의 진행경로에 존재하는 극미세구조물들간의 간격에 비해 DNA분자의 크기가 큰 경우, DNA분자는 외부에서 인가되는 전기장 방향을 따라 길게 펼쳐져 정렬하여 진행하게 되며, 이때 전기장의 방향을 바꿔주면, DNA분자의 크기에 따라 전기장 방향으로 진행하기 위해 재정렬하는 시간이 달라지게 된다. 이러한 효과를 이용하여 교차적으로 인가되는 전기장의 주기를 일정시간 이하로 함으로써, 재정렬 시간이 긴 특정 크기 이상의 DNA분자의 진행을 막아 극미세구조물 내부에 잡아둘 수 있게 하였다. 이때 인가되는 전기장 사이의 교차각도가 120°일 때 DNA분자들의 재정렬이 가장 빠르고, 극미세구조물의 경우도 이와 같은 각도로 배열할 때 극미세구조물 사이에 균일한 전기장 통로가 형성되어, 교차 전기장을 따라 일정한 속도로 DNA분자가 진행하였다. 이와 같이 설계된 극미세DNA 추출기는 MEMS 제조공정으로 제작되었다. 제작된 추출기내에서 형광 염료로 염색된 3종류의 DNA를 형광현미경으로 관측함으로써, 극미세구조물내에서 각각의 진행 속도와 제정렬시간을 측정하였다. 0.8cm 거리의 전극 양단에 5V를 인가하였을 때, DNA분자의 재정렬 시간은 λ DNA(48.5 kbp)의 경우 4.80±0.44sec, micrococcus DNA (115 kbp)의 경우, 7.12± 0.75sec, 그리고 T4 DNA(169.8 kbp)의 경우 9.88±0.30 sec로 각각 측정되었다. 또한 외부 인가전기장 5V/0.8cm, 교차 주기 10초의 교차전기영동을 실시하여 상기 3종의 DNA중 T4 DNA가 극미세구조물 내부에서 진행하지 못하고 잡혀있음을 확인하였다. 따라서 제작된 극미세DNA추출기의 이론 및 실험적 연구를 통하여 극미세구조물을 통과하는 DNA분자의 교차전기장의 주기를 변화시킴으로써 추출하고자 하는 DNA분자의 크기를 결정할 수 있었으며, 이때 결정된 값보다 작은 DNA분자는 극미세구조물 영역을 빠져나가고 극미세구조물에 남아있는 원하는 크기의 DNA분자를 선택적으로 추출 할 수 있음을 확인하였다.