정사각형 미세유로 내 전단 박화 유체에서 입자 정렬 및 집속

Abstract

생물학이나 의학분야에서 세포나 입자를 분석하는 기술은 중요한 기술로 간주되고 있다. 세포를 분석하는 장비는 이미 사용되고 있지만 장비의 크기가 매우 커서 보편적으로 사용하기가 어렵고 비용이 매우 비싸다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 보완하고자 최근 마이크론 단위의 미세유로장치를 이용해 세포 및 마이크론 크기의 미세입자를 분석하는 랩온칩(Lab on a chip) 분야의 연구가 활발히 진행되고 있다. 미세입자를 분석하기 위해서는 입자의 정렬이 선행되어야 한다. 미세유로장치 내에서 미세입자를 정렬시키는 방법 중 수동적인 방법은 어떠한 외력도 필요로 하지 않아 크게 주목 받고 있다. 수동적 입자 정렬법 중에서 매질의 점탄성을 이용한 입자 정렬 방법이 넓은 유량 범위에서 이용 가능한 장점이 있어 최근에 연구가 활발히 진해되고 있다. 이 방법은 특히 직선형 유로와 같은 극히 간단한 형상의 채널에서 입자 정렬이 가능하다는 장점이 있다. 미유체장치에서 입자 정렬시의 평형위치는 유체의 유변학적 물성에 따라 달라진다는 것이 여러 연구에 의해 보고되고 있다. 전단 박화는 점탄성 유체의 보편적인 특성인데, 기존 연구에 의하면 전단 박화 현상이 입자의 평형위치 분산의 원인으로 간주되므로 응용적 측면에서 한계를 보인다고 알려져 있다. 본 연구에서는 생체 고분자인 xanthan gum의 농도와 이온세기를 조절하여 정상상태 전단 점도와 선형점탄성이 유사한 두 가지 용액을 이용해 입자의 평형위치를 살펴보았다. 낮은 이온강도(DI water)의 용액에서 입자가 채널의 중앙위치를 따라 3차원적으로 집속 되는 반면, 비교적 높은 이온강도(PBS)의 용액에서는 입자가 사각형 유로의 네 모서리로 이동하였다. 두 용액의 전단점도와 선형점탄성 특성이 거의 일치함에도 불구하고 입자의 평형위치가 상반된 결과를 나타내었다. 반면 대 변형 전단 흐름(LAOS) 테스트에서 탄성의 비선형적인 차이를 확인하였으며, 이러한 유변학적 물성이 입자의 평형위치 결정에 중요한 요소임을 확인하였다. 본 연구는 전단 박화가 반드시 입자 집속에 불리한 것이 아님을 보여주는 실험결과로 의의가 있다고 판단된다. 본 연구에서 추가적으로 서로 다른 크기의 입자를 섞은 후 입자의 거동을 살펴 본 결과 두 입자가 서로 다른 위치에 거동 밴드를 형성하는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 고속 입자 계수 및 세포 분리 등에 널리 활용될 수 있을 것이라고 기대 된다.