In microfluidics, magnetophoresis refer to the movement of beads in a solution by an external magnetic field. The beads are attracted in the direction of high magnetic flux density or are pushed in the direction of low magnetic flux density due to the difference in magnetic susceptibility between the beads and the solution surrounding the beads. This magnetophoresis based microfluidic technology is easy to be integrated with other technology thus it is widely utilized for sample pretreatment and detection. However, as with other microfluidic technology, there are limits to the need for several electronic equipment for their operation. In this thesis, we developed a handheld microfluidic platform capable of rapid sample pretreatment and detection without any electrical equipment. With this goal, three magnetophoresis-based microfluidic technology have been developed. First, we developed magnetophoresis technology under static-fluid environment that does not require electrical pumps. To align the beads in the microchannel to initial position with the same magnetic flux density, micro-sized pillar array was designed in the microchannel and a manually operable syringe was connected to the microchannels. In order to overcome the error of the results by the residual flow after stopping the operation of the syringe, the difference of velocity between beads under the same environment was utilized. Second, we developed a vertical magnetophoresis that does not require the initial alignment process of the injected beads. The beads in the capillary tubes, which are erected to the magnet, are gathered at specific height that balances the three different forces (gravity force, magnetic repulsive force, and buoyance force). The beads labeled with magnetic nanoparticles are formed at low height in the capillary tube. In other technology, finger-powered microfluidic devices capable of sample pretreatment based on immunomagnetic separation and colorimetric detection based on magnetic nanoparticle were designed. As a result, this platform was able to detect $10^2$ CFU/mL of Escherichia coli O157:H7.
미세유체공학에서의 자기영동은 외부 자기장에 의한 용액 내 입자의 움직임을 말한다. 이 입자는 그 입자를 둘러싸고 있는 용액과의 자화율 차이에 의해 자속밀도가 높은 방향으로 끌려가거나 자속밀도가 낮은 방향으로 밀려나는 힘을 받는다. 이 자기영동 기반의 미세유체기술은 다른 기술과의 접목에 용이하기 때문에 시료 전처리 및 검출을 위해 많이 활용되고 있지만, 다른 미세유체기술과 마찬가지로 구동을 위해서 많은 전자 장비들을 필요로 하는 한계점이 존재하였다. 본 학위논문에서는 전자 장비 없이 빠른 전처리 및 검출이 가능한 휴대용 미세유체플랫폼을 개발하였다. 이를 구현하기 위한 3가지 자기영동 기반의 미세유체기술을 개발하였다. 먼저, 펌프에 의존하는 동적 유체 환경에서 벗어나 펌프가 필요 없는 정적 유체 환경에서의 자기영동기술을 개발하였다. 미세유체채널 내에서 입자를 자속밀도가 동일한 위치로 정렬시키기 위해 채널 내에 마이크로 구조물을 디자인하고 미세유체채널에 수동 조작이 가능한 시린지를 연결하였다. 시린지의 조작을 멈춘 후에도 발생하는 잔존 유속에 의한 오차를 해결하기 위해, 동일한 환경에 놓인 입자 간의 속도 차를 이용하였다. 두 번째 기술로, 입자의 초기 정렬 과정이 필요 없는 수직 자기영동 기술을 개발하였다. 자석과 수직하게 세워진 모세관 내의 입자들은 중력, 자기척력, 부력에 의해 초기 정렬 과정 없이 힘의 균형을 이루는 높이로 모여 밴드를 형성하게 된다. 나노 자성입자가 표지가 된 입자는 그 밴드가 낮은 높이에서 형성이 된다. 마지막 기술로, 면역자기분리법 기반의 시료 전처리와 나노 자성입자 기반의 비색 검출법을 수행 가능한 손가락으로 구동되는 미세유체칩을 설계하였다. 그 결과로 식중독의 주요 원인으로 알려진 Escherichia coli O157:H7을 $10^2$ CFU/mL까지 검출이 가능했다.
