[논문 리뷰] One-dimensional linear array of cylindrical posts for size-based deterministic separation of binary suspensions

R. Devendra, Germán Drazer|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 04.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 입자 크기에 따라 분리 가능한 결정론적 방법으로 이원성 혼합물에 대한 일차원(1D) 원통형 기둥 배열을 제안한다. 입자 크기에 따른 공간 차폐 효과와 강제 각도를 활용하여 더 큰 입자는 굴절시키고, 더 작은 입자는 입자보다 큰 간극을 통해 투과시키며, 임계 전이 각도 근처에서 투과 확률이 급격히 증가함에 따라 고순도 분리가 가능하다. 이는 막 여과 없이도 효율적이고 막힘에 강한 분획화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We investigate the motion of suspended particles past a single line of equally spaced cylindrical posts that is slanted with respect to the driving force. We show that such a one-dimensional array of posts can fractionate particles according to their size, with small particles permeating through the line of posts but larger particles being deflected by the steric barrier created by the posts, even though the gaps between posts are larger than the particles. We perform characterization experiments driving monodisperse suspensions of particles of different size past the line of posts over the entire range of forcing orientations and present both the permeation probability through the individual gaps between the posts as well as the fraction of permeating particles through the one-dimensional array. In both cases, we observe a sharp transition from deflection to permeation mode that is a function of particle size, thus enabling separation. We then drive binary mixtures at selected orientations of the line of posts and demonstrate high purity and efficiency of separation.

연구 동기 및 목표

• 이원성 입자 혼합물에 대한 연속적인 크기 기반 분리에 적합한 단순하고 결정론적인 마이크로유체 기법을 개발하는 것.
• 단일 1D 기둥 배열이 입자 지름보다 큰 간격을 가진 경우에도 입자 크기에 따라 분획화할 수 있는지 조사하는 것.
• 이원 혼합물에서 분리 순도와 효율을 극대화하기 위한 최적의 강제 각도를 규명하는 것.
• 1D 구성에서의 공간 장벽 효과가 더 큰 입자를 선택적으로 굴절시키고 더 작은 입자를 투과시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 다중 구성 성분 분리에 대한 이 방법의 확장 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• SU8 광리소그래피를 사용하여 유리 슬라이드에 원통형 기둥 배열(지름 19.5 µm, 중심 간격 40 µm)을 제작하였다.
• 다양한 강제 각도에서 투과 확률를 측정하기 위해 단일 분포 입자(4.32 µm, 10 µm, 15 µm, 20 µm)의 실리카 입자 혼합물 사용.
• 기둥 선에 대해 다양한 각도에서 일정한 외부 힘을 적용하고, 현미경을 통해 입자 궤적을 기록하였다.
• 기둥 간 틈새를 통과한 입자의 비율인 투과 분율(rp)을 정의하였으며, 기둥 배열을 따라 굴절된 입자의 비율인 굴절 분율(rd = 1 - rp)을 정의하였다.
• 입자 크기에 따라 투과 확률이 급격히 증가하는 임계 전이 각도를 확인하였다.
• 선택된 각도에서 이원 혼합물을 테스트하여 분리 순도와 효율을 평가하였으며, 궤적 시각화 및 입자 행동의 통계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기둥 간격이 입자보다 큰 경우에도 1D 원통형 기둥 배열이 이원성 혼합물의 입자 크기에 따라 분획화할 수 있는가?
• RQ2 기둥 선에 대한 강제 각도가 서로 다른 크기의 입자의 투과 또는 굴절에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 투과 확률이 급격히 증가하는 임계 전이 각도는 무엇이며, 이는 입자 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 임계 전이 각도에서 이원 혼합물의 분리 순도와 효율은 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ5 기둥 수가 투과 임계값과 분리 해상도에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 강제 각도가 증가함에 따라 단일 분포 혼합물에서 굴절에서 투과 모드로의 급격한 전이가 관찰되었으며, 이 임계 전이 각도는 입자 크가 증가함에 따라 증가하였다.
• 4.32 µm 입자에 대해서는 임계 전이 각도가 약 18°였고, 15 µm 입자에 대해서는 약 24°였으며, 이는 크기 기반 분리를 가능하게 하였다.
• 더 큰 입자에 대한 임계 전이 각도에서, 더 작은 입자(예: 4.32 µm)는 거의 100% 투과( rp ≈ 1)하였고, 더 큰 입자(15 µm)는 완전히 굴절( rp ≈ 0)되어 고순도 분리를 나타내었다.
• 10 µm와 20 µm의 이원 혼합물에서 최적의 분리는 약 θ ≈ 23°에서 발생하였으며, 10 µm 입자는 완전히 투과하고 20 µm 입자는 완전히 굴절되었다.
• 더 작은 입자의 투과 분율은 기둥 수가 증가함에 따라 증가하여, 더 긴 배열이 효과적인 임계 각도를 낮추는 것으로 나타났다.
• 막 여과 기반 필터와 비교해 막힘에 덜 취약한 이유는 기둥 간격이 입자 크기를 초과하기 때문이며, 분리는 입자 크기 기반의 공간 장벽과 방향성 힘에 의존하므로 여과 막의 구멍 크기 기반 배제 메커니즘이 아니기 때문이다.