[논문 리뷰] Viscophoretic particle transport

Vahid Khandan, Vincent J.P. Boerkamp외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 22.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 급격하고 안정적인 점도 기울기를 갖는 마이크로유체 장치에서 점성포르티크 운반을 실험적으로 입증하며, 이론적 예측을 훨씬 초월하는 이송 속도를 규명한다. 고해상도 형광 현미경 및 상관 분석을 통해 저자들은 점성포르티크 운반을 정량화하고, 점성포르티크와 확산포르티크의 상호작용을 통한 나노입자 포획을 위한 새로운 방법을 제시한다.

ABSTRACT

Viscosity is a fundamental property of liquids and determines the diffusivity of suspended particles. A gradient in viscosity leads to a gradient in diffusivity, yet it is unknown whether such a gradient can lead to directed transport of particles. In this work, we generate a steep, stable viscosity gradient in a microfluidic channel and image the resulting transport of suspended nanoparticles at the single-particle level using high-resolution microscopy. We observe high viscophoretic drift velocities that significantly exceed theoretical predictions. In addition, we utilize viscophoresis for a new type of particle trap. We provide a first quantification of a transport phenomenon that is of importance in any system and any application exhibiting viscosity gradients, for example in separation using membrane technology as well as in inter- and intracellular biomolecular transport.

연구 동기 및 목표

• 단일 입자 수준에서 점도 기울기에 의해 유도되는 나노입자의 점성포르티크 운반을 실험적으로 조사하는 것.
• 공간에 따라 변화하는 확산도를 갖는 시스템에서 Itô-Stratonovich 역설을 해결하기 위해 실제 이송 속도를 측정하는 것.
• 정밀한 입자 조작을 위한 강한 안정성과 기울기를 갖는 점도 기울기를 생성하고 유지할 수 있는 마이크로유체 플랫폼을 개발하는 것.
• 점성포르티크와 확산포르티크의 상호작용을 탐색하여 새로운 입자 농축 및 포획 전략을 개발하는 것.
• 다양한 확률 과정 해석(α = 0, 1/2, 1)에 기반한 이론적 예측과 비교하여 점성포르티크 이송 속도를 정량화하는 것.

제안 방법

• 폴리디메틸실록산(PDMS)과 부리실리케이트 유리로 마이크로유체 장치를 제작하고, 산소 플라즈마 표면 활성화 및 실란 기반 기능화를 통해 음전하 표면을 형성하여 형광 나노입자를 반발시키는 조건을 구축하였다.
• 유량 비율을 점도 비율의 역수로 조절하는 이중 입구 시스템을 설계하여 안정적이고 급격한 점도 기울기를 생성하였다.
• 402 nm, 520 nm, 680 nm 레이저와 sCMOS 카메라를 탑재한 수제 TIRF 현미경 장치를 사용하여 200–500 fps의 고속 영상 촬영을 수행하였으며, 효과적 픽셀 해상도는 180–360 nm였다.
• 빠른 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 적용한 쌍상관함수(pair correlation function, pCF) 분석을 통해 평균 제곱이동(MSD)을 정량화하고, 여덟 개의 각도 영역에서 방향성 확산 계수를 추출하였다.
• 증가하는 지연 시간에 따라 pCF의 중심 이동을 분석하여 이송 속도를 계산함으로써 단일 나노입자의 정밀한 속도 측정이 가능해졌다.
• 8 nm, 28 nm, 110 nm의 캑복실기 형광 비드를 사용하여 다양한 확산도 영역에서 입자 크기에 따른 점성포르티크 효과를 조사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안정적이고 급격한 점도 기울기에서 나노입자의 점성포르티크 이송 속도의 크기는 얼마이며, 이론적 예측과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ2 공간에 따라 변화하는 확산도 필드에서 점성포르티크 운반을 가장 잘 기술하는 확률 과정은 무엇인가? (Itô, Stratonovich, 또는等온 모델)
• RQ3 기울기 전역에서 입자 크기와 확산도의 변화가 순수 이송 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 점성포르티크와 확산포르티크를 조합하여 마이크로유체 시스템에서 활성적인 입자 포획 및 농축을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이전에 통합 측정만을 통해 유추된 점성포르티크 운반의 존재를 단일 입자 수준에서 실험적으로 어떻게 뒷받침할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 큰 입자(예: 110 nm)에서 점성포르티크 이송 속도가 이론적 예측을 훨씬 초월함을 확인하여 강한 비평형 운반 효과를 규명하였다.
• 관측된 이송 속도는 Itô(α = 0) 또는 Stratonovich(α = 1/2) 해석과 일치하지 않으며, 콜로이드 시스템에 가장 적합한 등온 모델(α = 1)을 지지하는 결과를 보였다.
• 2 μm × 5 μm 횡단면을 갖는 마이크로채널에서 안정적이고 급격한 점도 기울기를 구현하여 입자 운동의 정밀한 제어 및 관찰가능성을 확보하였다.
• 점성포르티크와 확산포르티크의 조합을 통해 마이크로채널의 특정 영역에서 나노입자의 효과적인 포획 및 농축이 가능함을 입증하여 새로운 마이크로유체 원리를 제시하였다.
• 고해상도 pCF 분석을 통해 방향성 확산 이방성을 규명하였으며, 점도 감소 방향으로 MSD가 증가함을 확인하여 낮은 점도 쪽으로의 순수 이동을 뒷받침하였다.
• 최대 500 fps의 고시간 해상도로 단일 입자 수준에서 이송 속도를 정량화하여 확산 운동과 정방향 운동을 정확히 측정할 수 있었다.