Ultrasonic alignment of micro-particles and live cells in PDMS micro-fluidic channel

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we demonstrated the alignment of polystyrene latex microspheres (diameter of 1~45 µm), bio-functionalized superparamagnetic beads (diameter 2.8 µm), and live cells (average diameter 1~2 µm) using an ultrasonic standing wave (USW) in a PDMS microfluidic channel (330 µm width) attached on a Si substrate for bio-assay applications. To generate a standing wave inside the channel, ultrasound of 2.25 MHz resonance frequency (for the channel width) was applied by two ultrasound transducers installed at both sides of the channel which caused the radiation force to concentrate the micro-particles at the single pressure nodal plane of USW. By increasing the frequency to the next resonance condition of the channel, the particles were concentrated in dual nodal planes. Migration time of the micro-particles towards the single nodal plane was recorded as 108 s, 17 s, and 115 s for polystyrene particles of 2 µm diameter, bio-functionalized magnetic beads, and live cells, respectively. These successful alignments of the bio-functionalized magnetic beads along the desired part of the channel can enhance the performance of a sensor which is applicable for the bio-hybrid system and the alignment of live cells without any damage can be used for sample pre-treatment for the application of lab-on-a-chip type bioassays.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 바이오 분석 응용 프로그램에 Si기질을 부착한 PDMS 미세유체 체널의 330 µm의 폭을 가지는 초음파 정상파(Ultrasonic standing wave)를 이용하여 1~45 µm의 직경을 가지는 폴리스티렌 라텍스 미세구체의 정렬, 직경 2.8 µm의 바이오 기능이 강화된 초상자성 비드 그리고 평균 직경 1~2 µm 의 생체세포의 정렬을 구현하였다.
미세유체채널 내부에 정상파를 생성하기 위해 2.25MHz의 공진 주파수가 발생하도록 채널의 양측면에 각각 초음파 트랜스듀서를 설치하였으며, 이를 통하여 발생되는 음향방사력은 미세입자들을 초음파 정상파의 단일압력 nodal plane에 집중시켰다.
미세입자들을 이중 nodal plane에 집중시키기 위하여 주파수를 채널의 2차 공진 주파수까지 증가시켰다. 미세입자들이 단일 nodal plane에서 이중 nodal plane으로 정렬되기까지의 시간은 2 µm직경의 폴리에틸렌 입자가108초, 바이오기능이 강화된 자성 비드가 17초 그리고 생체세포가 115초가 소요되었다.
본 연구를 통하여 바이오기능이 강화된 자성 비드를 채널 내부의 원하는 지점에 정렬함으로써 bio-hybrid system에 적용 가능한 센서의 성능을 향상시킬 수 있었다. 또한 생체세포를 손상없이 정렬함으로써 lab-on-a-chip 타입의 생물검정법에 필요한 샘플 전처리 과정에 본 기법의 적용가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1: Introduction 1
• References 5
• Chapter 2: Theoretical background 7
• 2.1 Acoustics 7
• 2.1.1 Sound 7
• 2.1.1.1 Travelling waves 8
• 2.1.1.2 Standing waves 9
• 2.1.1.3 Ultrasound 10
• 2.1.1.4 Attenuation of sound waves 11
• 2.1.2 Acoustic Radiation Force due to standing wave 13
• 2.1.3 Acoustic streaming 16
• References 17
• Chapter 3: Materials and Method 20
• 3.1 Polystyrene microspheres 20
• 3.2 Bio-functionalized magnetic beads 20
• 3.2.1 Superparamagnetic beads 20
• 3.2.2 Flurescent-labeled biotin 21
• 3.2.3 Conjugation of biotin with beads 21
• 3.3 Live cells (Cyanobacteria) 24
• 3.4 Generation of ultrasonic force by two transducers 24
• 3.5 PDMS Channel fabrication 26
• 3.6 Experimental setup 29
• References 30
• Chapter 4: Results and discussion . 31
• 4.1 Alignment of polystyrene microspheres 31
• 4.2 Alignment of bio-functionalized magnetic beads 33
• 4.3 Alignment of live cells (Cyanobacteria) 35
• 4.4 Viability of live cells 37
• 4.5 Alignment time 40
• References 43
• Conclusion 44
• Publication list 45
• 초록. 46