We present a two-dimensional particle focusing channel using the positive dielectrophoresis (pDEP) guided by a dielectric structure between two planar electrodes. Compared to hydrodynamic and nDEP focusing methods, the present focusing chip achieve the simple and effective 2D particle focusing without additional fluidic ports and top electrodes, thus being suitable for integrated biological analysis systems.
When AC voltage is applied to two planar electrodes, the dielectric structure between two planar electrodes induces the maximum electric field at the center of the microchannel. Particles are focused into the center of the microchannel by positive dielectrophoresis (pDEP) as they flow from the single sample injection port. We design the dielectric structure and electrodes to focus particles at the center of the microchannel. The channel is designed as 50 μm wide and 50 μm high. The height of the dielectric structure is 25 μm, half of the channel height, with 10 μm width considering adhesion problem of high aspect ratio structure. The length of the electrodes for focusing is designed as 2 mm to achieve more than 90% focusing efficiency estimated from the numerical analysis of the particle trajectory. Focusing efficiency is defined by the number of particles in the focusing region (5 μm × 5 μm) over the number of total particles. Device are fabricated by photolithography and PDMS molding process.
In the experimental study, we observed the distribution of focused particles and obtained focusing efficiency using 2 μm-diameter polystyrene (PS) beads for varying applied voltage and flow rate. The position of focused particles is measured as 0.17 ± 1.8 μm on the x-z plane (top-view) and 3.68 ± 1.9 μm on the y-z plane (side-view) at 20 μm away from the back end (exit) of the dielectric structure with the sample flow rate of 0.01 μl/min and 15 kHz square wave voltage of $15 V_{p-p}$. At the applied voltage over $15 V_{p-p}$ and the fixed flow rate of 0.01 μl/min, approximately 90% focusing efficiency are achieved on both x-z plane (top-view) and y-z plane (side-view). We obtain about 90% focusing efficiency at the flow rate below 0.01 μl/min and the fixed applied voltage of $15 V_{p-p}$. Focusing experiments using 4.5 μm-diameter PS bead and yeast cell also verified that the present focusing channel can be applied to bio-particles having different size and property.
In this paper, we proposed, designed, fabricated, and characterized the two dimensional particle focusing channel using the positive dielectrophoresis (pDEP) guided by a dielectric structure between two planar electrodes. Based on the experiment, we verified that the present focusing chip enables the simple particle focusing which is suitable for integration.
본 논문에서는 두 평면 전극 사이의 절연체 구조물에 유도되는 양의 유전 영동(positive dielectrophoresis)에 의한 이차원 입자 정렬기를 제안하였다. 기존 2D 입자 정렬기에 비해 추가적인 유체 유입부와 상단의 전극 공정이 필요하지 않아 다른 생화학 시스템과 집적화 하기 용이하다는 장점을 가지고 있다.
두 평면 전극 사이에 교류 전압을 인가하면, 전기장의 최고치는 채널의 중앙인 절연체 구조물 상단에 형성하게 된다. 이 때, 입자는 양의 유전 영동에 의해 전기장이 증가하는 방향으로 이동하여 절연체 구조물 상단에 집중되고 유체를 따라 흐르면서 이차원으로 정렬된다. 본 이차원 정렬기는 이론적 예측을 바탕으로 입자 정렬 효율 (focusing efficiency) 이 90% 이상이 되도록 설계 및 제작되었다.
2 μm 입자를 이용하여 절연체 구조물 끝 단에서 정렬된 입자들의 분포와 인가된 전압과 유량의 변화에 따른 정렬 효율을 측정하였다. 절연체 구조물 끝 단에서 20 μm 떨어진 지점에서 정렬된 입자의 위치는 x-y 평면 (top-view)에서 0.17±1.8 μm 이고, z-y 평면 (side-view)에서 -3.68 ± 1.9 μm 이다. 0.01 μl/min의 유량에서 $15 V_{p-p}$ 이상의 전압을 인가하였을 때 정렬 효율은 x-y 평면 (top-view)과 z-y 평면 (side-view) 모두 90% 정도였다. $15 V_{p-p}$의 전압과 0.01 μl/min 이하의 유량에서 정렬 효율은 x-y 평면 (top-view)과 z-y 평면 (side-view) 모두 90% 정도였다. 또한, 본 2D 입자 정렬기는 4.5 μm 입자와 효모 등 다양한 입자의 이차원 정렬에 사용할 수 있음을 보였다.
결론적으로, 제안된 2D 입자 정렬기는 추가적인 유량 유입부과 채널 상단의 전극 공정 없이 간단하고 효과적으로 이차원 입자 정렬이 가능함을 이론과 실험을 통해 확인하였다. 이와 같은 정렬기는 다른 생화학 집적화하기 적합하다는 장점을 가지고 있다.
