WO2019182186A1 - Vertical nanogap dielectrophoretic electrode, manufacturing method therefor, and particle capture and separation method using same - Google Patents

Vertical nanogap dielectrophoretic electrode, manufacturing method therefor, and particle capture and separation method using same Download PDF

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insulator layer
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유용상
유의상
김철기
이택진
서민아
김재헌
전영민
이선미
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한국과학기술연구원
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    • G01N27/447Systems using electrophoresis

Definitions

  • the present invention relates to a sandwich-type dielectric electrophoresis, in which a first electrode surface having a continuous plane and a patterned plane second electrode surface having a plurality of holes are spaced apart by vertical nanogaps formed of an insulator layer of tens to hundreds of nm thick. For large area electrode pairs and their use.
  • the existing experimental process is a field for researching and developing the foundation and core technologies underlying the commercialization of a micro total analysis system, that is, lab-on-a-chip, through the micro-microfluidics field.
  • the micro-analysis system is divided into parts having various functions because chemical and biological experiments and analyzes undergoing various experimental steps and reactions are comprehensively implemented in a single unit provided on one bench. , A microfluidic circuit part, and a controller that plays a key role of controlling the microfluidic circuit part.
  • the passive separation method is a method of separating particles using flow energy for supplying a sample without providing energy from the outside, and has an advantage in that fine particles can be separated without additional equipment other than the micro flow path.
  • this passive separation method has a problem in that fine microfluidic flow control between sample flow and sheath flow is required to align the initial positions in the microfluid before the particles are separated.
  • the electrophoretic separation method may cause electrolysis in an electrolyte solution such as a cell medium, and thus, a cell-friendly solution cannot be used as a separation solution.
  • a cell-friendly solution cannot be used as a separation solution.
  • the activity of the cell is affected by an applied voltage, so there may be a restriction when a separate harvest is used for the purpose of cell therapy.
  • a plurality of holes are composed of another electrode which is electrically spaced through an insulator layer having a nanometer thickness, and includes a patterned array, and the insulator layer is formed by using an electrode pair having holes having the same pattern as the electrode.
  • a low voltage that is, exhibits a dielectrophoretic effect without generating heat, thereby adjusting the frequency of alternating current applied thereto, thereby controlling the behavior of the particles contained in the fluid in contact with the electrode pair. It was confirmed that the present invention can be collected or dispersed within, and completed the present invention.
  • a first aspect of the invention is a first conductor layer sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor layer, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, and the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have the same pattern. It provides a layered structure having one or more holes formed into.
  • a second aspect of the present invention is the first conductor electrode sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor electrode, wherein the pair of dielectric electrophoretic electrodes has holes selectively formed in one electrode, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and the first conductor electrode is continuous,
  • the insulator layer and the second conductor electrode provide a dielectrophoretic electrode pair having one or more holes formed in the same pattern.
  • the sixth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided is a method for separating certain particles from a mixture comprising several particles in a fluid using an apparatus designed to be in contact with a fluid containing a sample.
  • FIG. 6 shows simulations of (A) electric field distribution in an electrode pair (patterned gold and ITO) spaced with PVP as a conductor layer according to one embodiment of the present invention, and (B) polystyrene particles having a diameter of 1 ⁇ m.
  • Fig. 14 shows the Clausius-Mossotti curve with frequency.
  • FIG. 9 is a diameter of a patterned gold-ITO electrode spaced by a 100 nm thick SiO 2 layer in accordance with an embodiment of the present invention by applying an alternating current voltage of a frequency corresponding to a positive dielectrophoretic force SEM shows the process of collecting the polystyrene particles of 1 ⁇ m size.
  • FIG. 10 is a view showing the collection of anthracnose microbe (Bacilus Subtilis) which is a biomaterial using a patterned gold-ITO electrode according to an embodiment of the present invention.
  • a second aspect of the present invention is the first conductor electrode sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor electrode, wherein the pair of dielectric electrophoretic electrodes has holes selectively formed in one electrode, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and the first conductor electrode is continuous,
  • the insulator layer and the second conductor electrode provide a dielectrophoretic electrode pair having one or more holes formed in the same pattern.
  • a fourth aspect of the present invention provides a method for preparing a layered structure including a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and a photosensitive resin layer in which a pattern is designed; Forming a second conductor layer on the layered structure to be spaced apart from the first conductor layer by an insulator layer and a photosensitive resin layer; The remaining photosensitive resin layer is removed together with the second conductor layer formed on the top thereof, so that the second conductor formed in a pattern opposite to the pattern of the photosensitive resin layer on the layered structure in which the first conductor layer and the insulator layer are sequentially stacked.
  • the fifth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided are methods for capturing specific particles in a fluid, using devices designed to be in contact with a fluid containing a sample.
  • the sixth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided is a method for separating certain particles from a mixture comprising several particles in a fluid using an apparatus designed to be in contact with a fluid containing a sample.
  • the present invention requires high voltage to capture and / or separate particles by using the principle of electrophoresis, which requires a high voltage in order to exert the effects of conventional electrophoresis, thereby resulting in electrolysis of the electrolyte, which occurs in the reaction system using the high voltage. Separation was possible when applied to biomaterials due to protein denaturation and / or cell damage due to heat. However, in order to overcome the disadvantage that recovery and use for the original purpose are limited, excellent genophoretic effect is obtained even when a low voltage is applied. It is based on developing an electrode structure that can be exerted.
  • the present invention sequentially stacked first conductor layer; Insulator layer; And a second conductor layer, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, and the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have the same pattern. It is possible to provide a layered structure having one or more holes formed.
  • the layered structure may be manufactured in a large area of several cm 2 or more, and includes holes formed from a few to several hundreds to millions or more by adjusting the size of the holes and the spacing between the holes included therein. By using this, it is possible to control the large-capacity biomaterial with an even and / or uniform force.
  • the holes may each independently have an area of 50 nm 2 to 10,000 ⁇ m 2 , but are not limited thereto.
  • the hole may be circular, but is not limited thereto.
  • the holes may be formed in various forms that can be achieved using nanofabrication technology known in the art.
  • the formation of the “same pattern” may mean that the shape and the size of the hole of the insulator layer at the second conductor layer and the corresponding position are the same, but do not mean that the shape and size of the entire hole are the same.
  • one or more holes in one layered structure may each independently have the same or different shape and / or size from each other.
  • the electrophoresis can be expressed by the following equation: the electrophoretic force F DEP received when a particle is placed in a medium to which an alternating frequency of ⁇ is applied, for example, a fluid.
  • etching of the insulator layer is required in the manufacturing process, so that the material of the insulator layer is selected according to the process to be used, or conversely, a specific material is used as the material of the insulator layer. If you choose to design the manufacturing process accordingly.
  • a pattern may be easily etched by treating with a corrosive agent selected according to the type of polymer, for example, a specific solvent.
  • the electrophoretic effect is a phenomenon caused by an uneven electric field, and the electrode pair of the present invention has one electrode in a continuous plane and the other in which holes are spaced in parallel with each other by an insulator layer of nm level.
  • etching by etching may be performed using dry and / or wet etching methods.
  • a dry etching method may be selected, and the execution time may be determined in consideration of the etching rate of each layer according to the selected method.
  • the insulator layer includes a polymer film such as PVP
  • a wet etching method may be selected in consideration of the fact that only the polymer film can be selectively removed by a simple method of treating with a specific solvent.
  • the second conductor layer may be a dry etching method and a complex method of etching the insulator layer by a wet etching method, but is not limited thereto.
  • the etching method may be selected in consideration of the material of each constituent layer, an etching method known in the art, and / or a convenience and economy of performing the process.
  • the second conductor layer may include a third step of forming a structure to which the conductor is added.
  • the layered structure of the first step may be stacked in order of the first conductor layer, the insulator layer, and the photosensitive resin layer, or in the order of the first conductor layer, the photosensitive resin layer, and the insulator layer.
  • the electrophoretic electrode pair having a hole selectively formed in one electrode according to the present invention the circuit having an electrically connected with the AC power supply, the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed includes a sample.
  • a device designed to be in contact with a fluid in a similar principle to the particle capture method described above, it can be used to separate certain particles from a mixture comprising N kinds of particles in a fluid (N is two or more natural waters).
  • n is an arbitrary number identifying the type of particles, where 1 ⁇ n ⁇ N, a natural number,
  • the fluid containing the particles of interest in a novel separation device having the electrophoretic electrode pairs of the invention connected thereto may be repeated to separate the mixed particles in the same manner by transmitting the and applying a changed frequency in the novel separation device.
  • a device including the electrode pair of the present invention and designed to apply an alternating current power is contacted with a fluid containing polystyrene particles having a diameter of about 1 ⁇ m and having a size similar to that of a virus and varying frequencies. It was confirmed that the particles could be collected or dispersed at a low voltage of 100 mV by applying an alternating voltage of (FIGS. 7 to 9). Furthermore, it was confirmed that it can be applied to anthrax mimetics which are biomaterials, for example, Bacillus subtilis, to collect them (FIG. 10). This indicates that the electrode pair of the present invention can be applied to a device for collecting viruses of similar size by the electrophoretic effect. Furthermore, considering that ultrafine dust, which is of great interest recently, is larger than 2.5 ⁇ m particles, the electrode pair of the present invention may be applied to a (ultra) fine dust collection and / or removal device that can be driven at low voltage.
  • Example 1 with patterned holes on one side SiO 2 in Spaced Large area vertical Nanogap Fabrication of Array
  • a 100 nm thick ITO layer was formed on a glass substrate patterned with a 1 cm ⁇ 1 cm area with a 4 mm ⁇ 3 mm area, and then SiO 2 at 100 nm thickness using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) apparatus. The layer was deposited. Thereafter, a 100 nm thick gold layer was formed on the SiO 2 layer by thermal evaporation. Subsequently, the photosensitive resin (AZ152, Microchemical) was spin coated and heated to form a photosensitive resin layer.
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • a photomask having an array-shaped pattern in which a series of holes having a diameter of 30 ⁇ m was arranged at intervals of 30 ⁇ m was placed, and irradiated with ultraviolet rays on the photomask to develop and remove the masked portion.
  • the second conductor layer and the insulator layer exposed to the lower end of the hole pattern by performing inductively coupled plasma (ICP) etching on the layered structure in which the hole array pattern is formed of the photosensitive resin are formed in the same form as the pattern. Etched.
  • ICP inductively coupled plasma
  • Example 2 with patterned holes on one side With PVP Spaced Large area vertical Nanogap Fabrication of Array
  • a 180 nm thick ITO layer was spin-coated and heated a polyvinylphenol (PVP) solution on a glass substrate patterned with a 1 cm ⁇ 1 cm area to form a 110 nm thick insulator layer of PVP.
  • the photosensitive resin (AZ1512) was spin-coated and heated on the PVP layer to form a photosensitive resin layer.
  • a photomask having an array-shaped pattern in which a series of holes having a diameter of 30 ⁇ m was arranged at intervals of 30 ⁇ m was placed, and irradiated with ultraviolet rays on the photomask to develop and remove the masked portion.
  • a 120 nm thick gold thin film was formed on the patterned surface on the laminate structure including the patterned photosensitive resin layer by thermal deposition. Thereafter, the film was treated with acetone to remove the residual photosensitive resin pattern and the unnecessary gold thin film formed on the surface thereof, thereby obtaining a gold thin film layer having a hole array pattern. Furthermore, the hole portion not covered by the patterned gold thin film was used as a mask by treating it at 150 W for 2 minutes and 15 seconds through reactive ion etching using oxygen gas at a flow rate of 100 sccm at 100 mTorr pressure. Part of the PVP insulator layer exposed to was selectively removed.
  • one electrode which is spaced apart by an insulator nanogap made of several mm 2 and several cm 2 , respectively, is formed continuously and another electrode having a plurality of hole array patterns is formed.
  • the manufacturing process of the electrode pair including the schematic shown in Figures 3 and 5A.
  • the appearance of the electrode pairs thus prepared was visually observed, and the fine hole array pattern and the cross section were confirmed by SEM, and the results are shown in FIGS. 4 and 5B.
  • PS polystyrene
  • the force acting on the particle by the electrophoretic phenomenon is determined by the conductivity of the material surrounding the particle, the permittivity and the frequency of the applied alternating voltage, which can be calculated according to the following equation.
  • is the frequency of alternating current applied to the dielectric electrophoretic electrode pair
  • ⁇ * p is the permittivity of the particles to be collected
  • ⁇ * m is the permittivity of the fluid.
  • the particles tended to disperse when an alternating current of 1 MHz, which is arranged at the boundary of the hole and collected in the hole, has a Clausius-Mossottie value close to zero.
  • the electrode pairs prepared according to the present invention are capable of capturing particles by dielectric kinetic force at low voltage, and furthermore, by virtue of this principle, can separate specific particles from mixtures of particles of different sizes and / or permittivity.
  • a Bacillus subtilis spore incubated for 16 to 20 hours at 37 ° C. was contacted with a device having a gold-ITO electrode pair having a hole array having a diameter of 10 ⁇ m, and a 3 V alternating voltage at a frequency of 100 kHz. was applied, and it was confirmed by SEM that bacteria were collected in the electrode hole, and the results are shown in FIG. 10.
  • FIG. 10 when the AC voltage was applied, the Bacillus subtilis was collected on the electrode and arranged along the boundary of the patterned hole. This indicates that the electrophoresis using the electrode pair of the present invention enables the capture and / or separation of actual biomaterials such as bacteria present in the fluid.

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Abstract

The present invention relates to a sandwich-shaped wide-area electrode pair for dielectrophoresis, the electrode pair having two electrode surfaces, each of which is a patterned flat surface having a continuous flat surface and a plurality of holes, that are spaced apart by a vertical nanogap formed of an insulator layer having a thickness of tens to hundreds of nm; and a use thereof. A first aspect of the present invention provides a layered structure comprising a first conductor layer, an insulator layer, and a second conductor layer which are sequentially stacked, wherein the insulator layer has a predetermined thickness to be selected within a range of 5 to 1000 nm, and the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have one or more holes formed into the same pattern.

Description

수직 나노갭 유전영동 전극, 이의 제조방법 및 이를 이용한 입자 포집 및 분리 방법Vertical Nanogap Dielectrophoretic Electrode, Manufacturing Method thereof and Particle Collection and Separation Method Using the Same
본 발명은 연속적인 평면을 갖는 제1전극면과 복수의 홀을 갖는 패턴화된 평면인 제2전극면이 수십 내지 수백 nm 두께의 절연체층으로 형성된 수직 나노갭으로 이격된, 샌드위치 형태의 유전영동용 대면적 전극쌍 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a sandwich-type dielectric electrophoresis, in which a first electrode surface having a continuous plane and a patterned plane second electrode surface having a plurality of holes are spaced apart by vertical nanogaps formed of an insulator layer of tens to hundreds of nm thick. For large area electrode pairs and their use.
최근 생명공학 및 의료공학 분야의 발전은 나노기술과 마이크로 기반의 패터닝 기술을 토대로 한 미세전자기계시스템(microelectromechanical systems; MEMS) 기술을 기반으로 기술 개발 노력이 활발히 이뤄지고 있다. 특히 미세 수술기구 및 초소형 내시경, 약물전달 시스템(drug delivery system)으로 활용하기 위한 체내 삽입형 바이오 센서 개발 및 초미세 캡슐 개발은, 생명 공학의 응용분야와 함께 시스템 생물학의 주요 수단으로 사용되고 있다. 유전자와 단백질을 스크리닝하거나, 진단할 수 있는 DNA 칩과 단백질 칩, 그리고 실험실을 하나의 칩으로 옮겨놓은 랩온어칩(Lap-on-a-chip) 등이 대표적인 예일 수 있다.Recently, the development of biotechnology and medical engineering field is actively developing technology based on microelectromechanical systems (MEMS) technology based on nanotechnology and micro-based patterning technology. In particular, the development of in-vehicle biosensors and microcapsules for use as microsurgical instruments, microscopic endoscopes, and drug delivery systems has been used as a major means of system biology along with biotechnology applications. Examples include DNA chips and protein chips for screening and diagnosing genes and proteins, and Lap-on-a-chip, which moves a laboratory into a single chip.
이러한 시스템을 구현하기 위하여, 기존의 실험 공정은 마이크로 미세유체공학 분야를 통해 미세종합분석시스템(micro total analysis system) 즉, 랩온어칩의 상용화에 기초가 되는 기반과 핵심기술을 연구 및 개발하는 분야를 중심으로 성장하여, 마이크로 단위의 생명공학 진단 시스템을 발전시켜 왔다. 상기 미세종합분석시스템의 경우, 여러 실험 단계와 반응을 거치는 화학 및 생물학 실험과 분석이 한 실험대 위에 구비된 단일 유닛에서 종합적으로 구현되는 시스템이기 때문에 다양한 기능을 가진 부분으로 나뉘어지며, 크게 시료 채취부, 미세유체 회로부, 그리고 이들을 제어하는 가장 핵심적인 역할을 수행하는 제어부(controller)로 구성될 수 있다. 따라서 랩온어칩을 구현하기 위해서는, 미세채널로 회로를 만들어 시료의 전처리, 분리, 희석, 혼합, 생화학 반응, 검출 등을 연속적으로 수행할 수 있도록, 하나의 칩에 소형화, 집적화시킬 수 있어야 한다. 현재까지 이러한 모든 기능이 통합된 랩온어칩 개발보다는 몇 가지 기능을 수행할 수 있는 랩온어칩, 정확한 의미로는 특정기능을 수행하는 바이오유체소자(bio-fluidic device) 분야의 개발에 머무르고 있는 실정이다. 이 경우 바이오 물질을 유체 혹은 수용액 내에서 이송 및 분리, 이를 통한 정제할 수 있는 미세유체공학의 역할은 매우 중요하다.In order to realize such a system, the existing experimental process is a field for researching and developing the foundation and core technologies underlying the commercialization of a micro total analysis system, that is, lab-on-a-chip, through the micro-microfluidics field. Has grown to develop microbial biotechnology diagnostic systems. The micro-analysis system is divided into parts having various functions because chemical and biological experiments and analyzes undergoing various experimental steps and reactions are comprehensively implemented in a single unit provided on one bench. , A microfluidic circuit part, and a controller that plays a key role of controlling the microfluidic circuit part. Therefore, in order to implement a lab-on-a-chip, it is necessary to miniaturize and integrate a single chip so as to make a circuit with microchannels and to continuously perform pretreatment, separation, dilution, mixing, biochemical reaction, and detection of a sample. So far, rather than developing a lab-on-a-chip that integrates all of these functions, we are currently developing a lab-on-a-chip that can perform some functions, or in the bio-fluidic device, which actually performs a specific function. to be. In this case, the role of microfluidics that can transport and separate biomaterials in a fluid or an aqueous solution and purify them is very important.
현재 미세유체공학을 이용하여 입자를 분리하는 방법은 크게 능동적 분리방법(active separation method)과 수동적 분리방법(passive separation method)으로 나눌 수 있다.Currently, the method of separating particles using microfluidics can be largely divided into an active separation method and a passive separation method.
이중 수동적 분리방법은 외부로부터 에너지를 제공하지 않고 시료공급을 위한 유동에너지를 이용하여 입자를 분리하는 방법으로, 미세유로 이외에 부가적인 장비 없이 미세입자를 분리할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 수동적 분리방법은 입자를 분리하기 전에 미세유로 내 초기 위치를 동일하게 정렬시켜주기 위한 시료유동(sample flow)과 제어유동(sheath flow) 간의 정교한 미세유량제어가 필요하다는 문제점이 있다.The passive separation method is a method of separating particles using flow energy for supplying a sample without providing energy from the outside, and has an advantage in that fine particles can be separated without additional equipment other than the micro flow path. However, this passive separation method has a problem in that fine microfluidic flow control between sample flow and sheath flow is required to align the initial positions in the microfluid before the particles are separated.
반면, 능동적 분리방법은 전기장과 같은 외부 에너지장을 이용하여 입자를 분리하는 것으로, 대표적인 예로 모세관 전기영동과 유전영동 분리법이 있다. 이중 모세관 전기영동은 주로 단백질 또는 DNA와 같이 극성을 띄는 물질을 크기별로 분리하는데 이용되고 있으나 분리시 높은 전압을 필요로 하며, 세포와 같은 비극성 입자를 분리할 수 없다는 단점이 있다. 이에 반해 유전영동 분리법은 불균일한 전기장에 노출된 입자가 입자의 크기와 종류에 따라 받는 유전영동력의 차이를 이용하기 때문에 비극성 분자나 세포 등도 전처리 과정 없이 분리할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 유전영동 분리법은 세포 배지와 같은 전해질 용액 내에서 전기분해를 일으킬 수 있으므로 세포친화적인 용액은 분리용액으로 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 세포와 같은 바이오 물질의 경우 인가된 전압에 의해 세포의 활성이 영향을 받으므로 분리 수확물을 세포치료용의 목적으로 사용하고자 할 때에는 제약이 있을 수 있다.On the other hand, the active separation method is to separate particles using an external energy field such as an electric field, and representative examples include capillary electrophoresis and dielectric electrophoresis separation. Double capillary electrophoresis is mainly used to separate polar substances such as proteins or DNA by size, but requires a high voltage for separation and has a disadvantage in that nonpolar particles such as cells cannot be separated. On the contrary, the method of dielectrophoretic separation has the advantage of separating nonpolar molecules or cells without the pretreatment process by using the difference in the dielectrophoretic force that the particles exposed to the non-uniform electric field depending on the size and type of particles. However, the electrophoretic separation method may cause electrolysis in an electrolyte solution such as a cell medium, and thus, a cell-friendly solution cannot be used as a separation solution. In addition, in the case of a biomaterial such as a cell, the activity of the cell is affected by an applied voltage, so there may be a restriction when a separate harvest is used for the purpose of cell therapy.
본 발명자들은 인가되는 외부 에너지에 의한 손상 없이 유전영동법을 적용하여 세포 등의 바이오 물질을 포집 및/또는 분리할 수 있는 방법 및 장치를 발굴하고자 예의 연구 노력한 결과, 연속적인 하나의 전극과 수십 내지 수백 나노미터 두께의 절연체층을 통해 전기적으로 이격되어 있으면서 복수의 홀이 패턴된 어레이를 포함하는 다른 하나의 전극으로 구성되고, 상기 절연체층에는 전극과 동일한 패턴의 홀이 형성되어 있는 전극쌍을 이용하여, 이들 전극쌍에 교류 전압을 인가하면, 낮은 전압 즉, 열을 발생하지 않고도 유전영동 효과를 나타내어 이에 인가되는 교류의 주파수를 조절함으로써 이와 접한 유체 내에 포함된 입자의 거동을 조절 예컨대, 입자를 홀 내에 포집하거나 분산시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.The present inventors have diligently researched to find a method and apparatus capable of capturing and / or isolating biomaterials such as cells by applying genetic electrophoresis without damaging the applied external energy. A plurality of holes are composed of another electrode which is electrically spaced through an insulator layer having a nanometer thickness, and includes a patterned array, and the insulator layer is formed by using an electrode pair having holes having the same pattern as the electrode. When an alternating voltage is applied to these electrode pairs, a low voltage, that is, exhibits a dielectrophoretic effect without generating heat, thereby adjusting the frequency of alternating current applied thereto, thereby controlling the behavior of the particles contained in the fluid in contact with the electrode pair. It was confirmed that the present invention can be collected or dispersed within, and completed the present invention.
본 발명의 제1양태는 순차적으로 적층된 제1전도체층; 절연체층; 및 제2전도체층;을 포함하는 층상형 구조물로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체층은 연속이나, 절연체층 및 제2전도체층은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 층상형 구조물을 제공한다.A first aspect of the invention is a first conductor layer sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor layer, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, and the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have the same pattern. It provides a layered structure having one or more holes formed into.
본 발명의 제2양태는 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍으로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 유전영동 전극쌍을 제공한다.A second aspect of the present invention is the first conductor electrode sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor electrode, wherein the pair of dielectric electrophoretic electrodes has holes selectively formed in one electrode, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and the first conductor electrode is continuous, The insulator layer and the second conductor electrode provide a dielectrophoretic electrode pair having one or more holes formed in the same pattern.
본 발명의 제3양태는 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는, 제1양태의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a first method for preparing a layered structure comprising a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, a second conductor layer, and a photosensitive resin layer in which a desired pattern is designed. step; A second step of selectively etching the insulator layer, the second conductor layer, and the photosensitive resin layer by etching according to the designed pattern; And a third step of removing the remaining photosensitive resin layer, the method of producing a layered structure having a hole of the first aspect.
본 발명의 제4양태는 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계; 잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계; 및 에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 포함하는, 제1양태의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법으로서, 상기 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것인 제조방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a method for preparing a layered structure including a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and a photosensitive resin layer in which a pattern is designed; Forming a second conductor layer on the layered structure to be spaced apart from the first conductor layer by an insulator layer and a photosensitive resin layer; The remaining photosensitive resin layer is removed together with the second conductor layer formed on the top thereof, so that the second conductor formed in a pattern opposite to the pattern of the photosensitive resin layer on the layered structure in which the first conductor layer and the insulator layer are sequentially stacked. A third step of forming a structure to which a conductor layer is added; And a fourth step of selectively etching the insulator layer to have the same pattern as the second conductor layer by etching, wherein the layered structure of the first step has a layered structure. Is laminated in the order of the first conductor layer, the insulator layer, and the photosensitive resin layer, or in the order of the first conductor layer, the photosensitive resin layer, and the insulator layer.
본 발명의 제5양태는 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제2양태에 따른 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는 방법을 제공한다.The fifth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided are methods for capturing specific particles in a fluid, using devices designed to be in contact with a fluid containing a sample.
본 발명의 제6양태는 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제2양태에 따른 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 수종의 입자를 포함하는 혼합물로부터 특정 입자를 분리하는 방법을 제공한다.The sixth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided is a method for separating certain particles from a mixture comprising several particles in a fluid using an apparatus designed to be in contact with a fluid containing a sample.
본 발명은 하나의 전극에 선택적으로 형성된 일련의 패턴화된 홀을 가지며, 절연체층에 의해 형성된 수직 나노갭에 의해 이격된 전극쌍을 제공하여, 상기 형성된 복수의 홀에서 동시에 유전영동 효과를 나타내어 특정 성질의 입자를 선택적으로 포집할 수 있으므로, 이러한 현상을 토대로 미세 입자의 혼합물로부터 원하는 입자만을 회수하거나 특정 입자를 선택적으로 제거하는 데에 유용하게 적용할 수 있다. 또한, 이러한 현상은 낮은 전압에서 구현할 수 있으므로 열을 발생하지 않으므로 바이오 물질에까지 그 적용 분야를 확장할 수 있다.The present invention has a series of patterned holes selectively formed in one electrode, and provides electrode pairs spaced by vertical nanogaps formed by an insulator layer, thus exhibiting a dielectrophoretic effect simultaneously in the formed plurality of holes. Since the particles of the nature can be selectively collected, it can be usefully applied to recover only the desired particles from the mixture of fine particles or to selectively remove specific particles based on this phenomenon. In addition, this phenomenon can be implemented at low voltage, and thus does not generate heat, thereby extending its application to biomaterials.
도 1은 본 발명에 따른 패턴화된 수직 나노갭 전극을 이용한 유전영동(dielectrophoresis)에 의한 입자의 포집 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.1 is a diagram schematically illustrating the principle of trapping particles by dielectrophoresis using a patterned vertical nanogap electrode according to the present invention.
도 2는 각각 (좌) 균일한 및 (우) 불균일한 전기장 구배 하에서 입자가 받는 힘을 나타낸 도이다.Figure 2 shows the force the particles receive under (left) uniform and (right) uneven electric field gradients, respectively.
도 3은 본 발명에 따른 전도체층으로서 SiO2로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.3 is a schematic view showing electrode pairs (patterned gold and ITO) spaced with SiO 2 as a conductor layer according to the present invention and a method of manufacturing the same.
도 4는 본 발명의 방법을 이용하여 수십 mm2의 대면적으로 제조된, 100 nm 두께의 SiO2 층으로 이격되고, 다양한 크기의 패턴으로 형성된 홀을 포함하는 금 전극과 ITO 전극으로 된 수직 나노갭 전극의 형태 및 단면을 육안 및 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.Figure 4 is a vertical nanostructure consisting of ITO electrodes and gold and gold electrodes containing holes formed in patterns of various sizes, separated by a 100 nm thick SiO 2 layer, made of a large area of several tens of mm 2 using the method of the present invention. The figure which shows the shape and cross section of a gap electrode observed with the naked eye and a scanning electron microscope (SEM).
도 5는 (A) 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체층으로서 PVP로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO) 및 이의 제조방법을 개략적으로, (B) 이에 따라 제조된 실물 수직 나노갭 전극의 형태 및 단면을 육안 및 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.FIG. 5 schematically illustrates (A) an electrode pair (patterned gold and ITO) spaced with PVP as a conductor layer according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same, (B) a real vertical nanogap electrode manufactured accordingly The figure which showed the result of observing the form and cross section of with naked eye and SEM.
도 6은 (A) 본 발명의 일 실시예에 따른 전도체층으로서 PVP로 이격된 전극쌍(패턴된 금 및 ITO)에서의 전기장 분포 및 (B) 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자에 대해, 시뮬레이션에 의해 도출한, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 나타낸 도이다.6 shows simulations of (A) electric field distribution in an electrode pair (patterned gold and ITO) spaced with PVP as a conductor layer according to one embodiment of the present invention, and (B) polystyrene particles having a diameter of 1 μm. Fig. 14 shows the Clausius-Mossotti curve with frequency.
도 7은 산출된 곡선의 클라우시우스-모소티 값이 양인 영역과 음인 영역에서 각각 선택된 10 MHz 및 100 KHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 교류 전압을 인가하여 입자의 포집 및 분산을 반복적으로 유도한 결과를 나타낸 도이다.FIG. 7 repeatedly shows the collection and dispersion of particles by applying an alternating voltage of 100 mV while changing the frequency to 10 MHz and 100 KHz selected in the positive and negative regions of the Klausius-Mossito of the calculated curve, respectively. The results are shown.
도 8은 산출된 곡선의 클라우시우스-모소티 값이 양인 영역과 음인 영역에서 각각 선택된 (A) 100 KHz 및 (B) 1 MHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 교류 전압을 인가하여 입자의 분산 및 포집을 유도한 결과를 나타낸 도이다.8 shows the dispersion of particles by applying an alternating voltage of 100 mV while changing the frequency to (A) 100 KHz and (B) 1 MHz selected in the positive and negative regions of the Klausius-Mossotti value of the calculated curve, respectively. It is a figure which shows the result which induced collection.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 100 nm 두께의 SiO2 층으로 이격된, 패턴화된 금-ITO 전극에 양의 유전영동력(dielectrophoretic force)에 상응하는 주파수의 교류 전압을 인가하여 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자를 포집하는 과정을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.9 is a diameter of a patterned gold-ITO electrode spaced by a 100 nm thick SiO 2 layer in accordance with an embodiment of the present invention by applying an alternating current voltage of a frequency corresponding to a positive dielectrophoretic force SEM shows the process of collecting the polystyrene particles of 1 ㎛ size.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 금-ITO 전극을 이용한 바이오 물질인 탄저균 모사체(Bacilus Subtilis)의 포집을 나타낸 도이다.FIG. 10 is a view showing the collection of anthracnose microbe (Bacilus Subtilis) which is a biomaterial using a patterned gold-ITO electrode according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 제1양태는 순차적으로 적층된 제1전도체층; 절연체층; 및 제2전도체층;을 포함하는 층상형 구조물로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체층은 연속이나, 절연체층 및 제2전도체층은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 층상형 구조물을 제공한다.A first aspect of the invention is a first conductor layer sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor layer, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, and the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have the same pattern. It provides a layered structure having one or more holes formed into.
본 발명의 제2양태는 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍으로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 유전영동 전극쌍을 제공한다.A second aspect of the present invention is the first conductor electrode sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor electrode, wherein the pair of dielectric electrophoretic electrodes has holes selectively formed in one electrode, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and the first conductor electrode is continuous, The insulator layer and the second conductor electrode provide a dielectrophoretic electrode pair having one or more holes formed in the same pattern.
본 발명의 제3양태는 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는, 제1양태의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a first method for preparing a layered structure comprising a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, a second conductor layer, and a photosensitive resin layer in which a desired pattern is designed. step; A second step of selectively etching the insulator layer, the second conductor layer, and the photosensitive resin layer by etching according to the designed pattern; And a third step of removing the remaining photosensitive resin layer, the method of producing a layered structure having a hole of the first aspect.
본 발명의 제4양태는 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계; 잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계; 및 에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 포함하는, 제1양태의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법으로서, 상기 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것인 제조방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a method for preparing a layered structure including a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and a photosensitive resin layer in which a pattern is designed; Forming a second conductor layer on the layered structure to be spaced apart from the first conductor layer by an insulator layer and a photosensitive resin layer; The remaining photosensitive resin layer is removed together with the second conductor layer formed on the top thereof, so that the second conductor formed in a pattern opposite to the pattern of the photosensitive resin layer on the layered structure in which the first conductor layer and the insulator layer are sequentially stacked. A third step of forming a structure to which a conductor layer is added; And a fourth step of selectively etching the insulator layer to have the same pattern as the second conductor layer by etching, wherein the layered structure of the first step has a layered structure. Is laminated in the order of the first conductor layer, the insulator layer, and the photosensitive resin layer, or in the order of the first conductor layer, the photosensitive resin layer, and the insulator layer.
본 발명의 제5양태는 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제2양태에 따른 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는 방법을 제공한다.The fifth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided are methods for capturing specific particles in a fluid, using devices designed to be in contact with a fluid containing a sample.
본 발명의 제6양태는 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제2양태에 따른 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 수종의 입자를 포함하는 혼합물로부터 특정 입자를 분리하는 방법을 제공한다.The sixth aspect of the present invention includes a circuit in which the electrophoretic electrode pair according to the second aspect having a hole selectively formed in one electrode is electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is Provided is a method for separating certain particles from a mixture comprising several particles in a fluid using an apparatus designed to be in contact with a fluid containing a sample.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 유전영동 원리를 이용하여 입자를 포집 및/또는 분리함에 있어서, 종래 유전영동 효과를 발휘하기 위하여 높은 전압을 요구하여 이로 인해 수반되는 전해질의 전기분해, 상기 높은 전압을 이용한 반응계에서 발생하는 열에 의한 단백질 변성 및/또는 세포 손상 등으로 인해 바이오 물질에 적용시 분리는 가능하였으나, 회수하여 본래의 목적으로 사용하는 것이 제한되는 단점을 극복하기 위하여, 낮은 전압을 인가하여도 우수한 유전영동 효과를 발휘할 수 있는 전극 구조물을 개발한 것에 기초한다. 구체적으로, 2개 전도체 필름으로 구성된 전극을 구성하되, 양 전극은 수십 내지 수백 나노미터 두께의 절연체층에 의해 이격되어 전기적으로 분리되며, 하나의 전극면과 이와 대응되는 절연체층에만 동일한 패턴의 홀 어레이가 형성된 전극쌍을 고안하여, 상기 양 전극에 교류 전압을 인가하는 경우 각각의 홀에서 유전영동 현상을 발생시킬 수 있도록 하였으며, 서브 V 수준의 낮은 전압을 인가하더라도 주파수를 적절히 조절하여 마이크론 수준의 입자의 거동을 조절, 예컨대, 홀 내에 포집하거나 유체 내로 분산시킬 수 있는 것이 본 발명의 특징이다.The present invention requires high voltage to capture and / or separate particles by using the principle of electrophoresis, which requires a high voltage in order to exert the effects of conventional electrophoresis, thereby resulting in electrolysis of the electrolyte, which occurs in the reaction system using the high voltage. Separation was possible when applied to biomaterials due to protein denaturation and / or cell damage due to heat. However, in order to overcome the disadvantage that recovery and use for the original purpose are limited, excellent genophoretic effect is obtained even when a low voltage is applied. It is based on developing an electrode structure that can be exerted. Specifically, an electrode composed of two conductor films is formed, and both electrodes are electrically separated from each other by an insulator layer having a thickness of several tens to hundreds of nanometers, and holes of the same pattern are formed on only one electrode surface and the corresponding insulator layer. By designing an electrode pair in which an array is formed, it is possible to generate a dielectric phenomenon in each hole when an alternating voltage is applied to both electrodes, and even if a low voltage of sub V is applied, the frequency is properly adjusted to achieve a micron level. It is a feature of the present invention that the behavior of the particles can be controlled, for example captured in the holes or dispersed into the fluid.
본 발명은 순차적으로 적층된 제1전도체층; 절연체층; 및 제2전도체층;을 포함하는 층상형 구조물로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체층은 연속이나, 절연체층 및 제2전도체층은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 층상형 구조물을 제공할 수 있다.The present invention sequentially stacked first conductor layer; Insulator layer; And a second conductor layer, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, and the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have the same pattern. It is possible to provide a layered structure having one or more holes formed.
구체적으로, 상기 층상형 구조물은 수 cm2 이상의 대면적으로 제조할 수 있으며, 이에 포함되는 홀의 크기 및 홀 간의 간격을 조절하여 적게는 수 개 내지 수 백개로부터 많게는 수 백만개 이상까지 형성된 홀을 포함하므로, 이를 이용하여 균등 및/또는 균일한 힘으로 대용량 바이오 물질의 제어가 가능할 수 있다.Specifically, the layered structure may be manufactured in a large area of several cm 2 or more, and includes holes formed from a few to several hundreds to millions or more by adjusting the size of the holes and the spacing between the holes included therein. By using this, it is possible to control the large-capacity biomaterial with an even and / or uniform force.
예컨대, 상기 홀은 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 한편, 상기 홀은 원형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 홀은 당업계에 공지된 나노제조기술(nanofabrication technology)를 이용하여 달성할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.For example, the holes may each independently have an area of 50 nm 2 to 10,000 μm 2 , but are not limited thereto. The hole may be circular, but is not limited thereto. For example, the holes may be formed in various forms that can be achieved using nanofabrication technology known in the art.
상기 "동일한 패턴"으로 형성된다는 의미는 제2전도체층과 이에 상응하는 위치에서 절연체층이 갖는 홀의 형태와 크기가 서로 동일함을 의미할 수 있으며, 전체 홀의 형태와 크기가 동일함을 의미하지는 않는다. 예컨대, 하나의 층상형 구조물에서 1 이상의 홀은 각각 독립적으로 서로 동일하거나, 상이한 모양 및/또는 크기를 가질 수 있다.The formation of the “same pattern” may mean that the shape and the size of the hole of the insulator layer at the second conductor layer and the corresponding position are the same, but do not mean that the shape and size of the entire hole are the same. . For example, one or more holes in one layered structure may each independently have the same or different shape and / or size from each other.
상기 제1전도체층 및 제2전도체층은 서로 동일하거나 상이한 전도성 물질로 된 필름일 수 있다.The first conductor layer and the second conductor layer may be films of the same or different conductive materials.
상기 본 발명의 층상형 구조물은 전기를 통할 수 있는 제1전도체층과 제2전도체층이 소정의 두께를 갖는 절연체층으로 이격된 샌드위치 형태의 구조물로서, 상기 절연체층을 통해 제1전도체층과 제2전도체층은 전기적으로 분리된 평행한 전극으로 작용할 수 있다.The layered structure of the present invention is a sandwich-type structure in which an electrically conductive first conductor layer and a second conductor layer are spaced apart from an insulator layer having a predetermined thickness, and the first conductor layer and the first conductor layer are formed through the insulator layer. The biconductor layer can act as an electrically separated parallel electrode.
이에 따라, 본 발명은 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍으로서, 상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며, 상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 유전영동 전극쌍을 제공한다.Accordingly, the present invention is a first conductor electrode sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor electrode, wherein the pair of dielectric electrophoretic electrodes has holes selectively formed in one electrode, wherein the insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and the first conductor electrode is continuous, The insulator layer and the second conductor electrode provide a dielectrophoretic electrode pair having one or more holes formed in the same pattern.
본 발명에서 용어, "유전영동(dielectrophoresis; DEP)"은 불균일한(non-uniform) 전기장(electric field)에 놓였을 때, 유전체(dielectric) 입자에 힘이 가해지는 현상을 의미하는 것으로, 이러한 힘은 입자의 하전을 필요로 하지 않으며, 모든 입자는 전기장 존재 하에 유전영동 활성을 나타낼 수 있다. 이때, 가해지는 힘 즉, 유전영동력(force of dielectrophoresis; FDEP)의 세기는 전기장의 주파수는 물론 입자가 담겨진 매질(medium) 및 입자 자체의 전기적 특성, 입자의 모양과 크기에 의존한다. 따라서, 특정 주파수의 전기장을 이용하여 입자를 조절, 예컨대, 입자의 배향 및/또는 거동을 조절할 수 있다. 상기 유전영동의 원리를 도 2에 도식화하여 나타내었다.As used herein, the term “dielectrophoresis (DEP)” refers to a phenomenon in which a force is applied to a dielectric particle when placed in a non-uniform electric field. It does not require the charging of silver particles, and all particles can exhibit electrophoretic activity in the presence of an electric field. In this case, the strength of the applied force, that is, the force of dielectrophoresis (F DEP ), depends on the frequency of the electric field as well as the electrical properties of the medium in which the particles are contained and the particles themselves, and the shape and size of the particles. Thus, an electric field of a particular frequency can be used to control the particles, such as controlling the orientation and / or behavior of the particles. The principle of the electrophoresis is shown schematically in FIG.
상기 유전영동을 이론적으로 살펴보면, 입자가 주파수, ω의 교류가 인가된 매질, 예컨대, 유체에 놓였을 때 받게 되는 유전영동력(FDEP)은 아래의 식으로 표현될 수 있다.In theory, the electrophoresis can be expressed by the following equation: the electrophoretic force F DEP received when a particle is placed in a medium to which an alternating frequency of ω is applied, for example, a fluid.
Figure PCTKR2018003920-appb-I000001
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상기 식에서, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, εm은 입자를 둘러싼 유체(매질)의 유전율, R은 상기 입자의 반경, E는 전기장의 크기이며, Re(fCM(ω))는 인가되는 교류의 주파수에 대한 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이다. 상기 방정식에 있어서, 입자에 가해지는 유전영동력의 부호를 결정하는 인자는 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이며, 이는 하기의 방정식으로 계산될 수 있다.Where ω is the frequency of alternating current applied to the pair of electrophoretic electrodes, ε m is the permittivity of the fluid (medium) surrounding the particles, R is the radius of the particles, E is the magnitude of the electric field, and Re (f CM (ω) ) Is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function for the frequency of the alternating current applied. In the above equation, the factor that determines the sign of the dielectrophoretic force applied to the particles is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function, which can be calculated by the following equation.
Figure PCTKR2018003920-appb-I000002
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이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다.Where ω is the frequency of alternating current applied to the dielectric electrophoretic electrode pair, ε * p is the permittivity of the particles to be collected, and ε * m is the permittivity of the fluid.
이는 주파수, ω의 교류 하에서 입자의 유전율이 매질의 유전율보다 큰 경우, 양의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되므로, 즉, Re[fCM]>0, 이때의 DEP를 양의 DEP라 칭하고, 이러한 상태에서 입자는 전기장의 구배가 큰 쪽으로 움직이게 된다. 이와 반대로, 입자의 유전율이 매질의 유전율보다 작은 경우, 음의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되므로, 즉, Re[fCM]<0, 이때의 DEP를 음의 DEP라 칭하고, 이러한 상태에서 입자는 전기장의 구배가 적은 쪽으로 움직이게 된다.This is because if the dielectric constant of the particle under the alternating frequency, ω is greater than the dielectric constant of the medium, it will have a positive Klausius-Mossottie value, i.e. Re [f CM ]> 0, DEP at this time is called positive DEP, In this state, the particles move toward a larger gradient of the electric field. Conversely, if the dielectric constant of the particle is smaller than the dielectric constant of the medium, it has a negative Klausius-Mossottie value, that is, Re [f CM ] <0, DEP at this time is called negative DEP, and in this state Will move toward the less gradient of the electric field.
예컨대, 상기 제1전도체 전극 및 제2전도체 전극은 각각 독립적으로 구리(copper), 금(gold), 은(silver), 백금(platinum) 및 팔라듐(palladium)으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속; 구리, 금, 은, 백금 및 팔라듐으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속과 그라파이트, 텔루륨(tellurium), 텅스텐(tungsten), 아연(zinc), 이리듐(iridium), 루테늄(rithenium), 비소(arsenic), 인(phosphorus), 알루미늄(aluminum), 망간(manganese), 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 함유하는 합금(alloys) 또는 복합체; 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 전도성 탄소물질; 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 티타늄 산화물(TiO2), 루테늄 산화물(RuO2), 이리듐 산화물(IrO2), 및 백금 산화물(PtO2)로 구성된 군으로부터 선택되는 혼합 금속 산화물(mixed metal oxides)의 소재로 된 필름 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the first conductor electrode and the second conductor electrode may each independently be selected from the group consisting of copper, gold, silver, platinum, and palladium; One or more metals selected from the group consisting of copper, gold, silver, platinum and palladium and graphite, tellurium, tungsten, zinc, iridium, ruthenium, arsenic ( alloys or composites containing at least one material selected from the group consisting of arsenic, phosphorus, aluminum, manganese, silicon; Conductive carbon materials selected from the group consisting of graphite, graphene and derivatives thereof; Or a mixed metal oxide selected from the group consisting of indium tin oxide (ITO), titanium oxide (TiO 2 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), and platinum oxide (PtO 2 ) mixed metal oxides), but may be in the form of a film, but is not limited thereto.
상기 절연체층은 절연적 특성을 지닌 비전도성 물질을 제한없이 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 절연체층은 SiO2, Nb2O5, TiO2, Al2O3, 또는 MgO 등의 금속 산화물 또는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP) 등의 폴리머로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 원하는 수준에서 균일한 두께로 형성할 수 있는 한, 소재의 종류 및 형성되는 층의 두께는 제한되지 않는다. 다만, 본 발명의 전극쌍의 형태적 특징상 제조공정에 있어서 절연체층의 선택적인 식각을 필요로 하는 바, 사용하고자 하는 공정에 따라 절연체층의 소재를 선택하거나, 반대로 절연체층의 소재로 특정 물질을 선택한 경우 이에 따라 제조공정을 설계할 수 있다. 예컨대, 절연체층으로 폴리머 필름을 포함하는 경우 폴리머의 종류에 따라 선택되는 부식제 예컨대, 특정 용매로 처리함으로써 손쉽게 식각하여 패턴을 형성할 수 있다.The insulator layer may be formed using any non-conductive material having insulating properties without limitation. For example, the insulator layer may be formed of a metal oxide such as SiO 2 , Nb 2 O 5 , TiO 2 , Al 2 O 3 , or MgO, or a polymer such as polyvinylpyrrolidone (PVP), but is not limited thereto. It doesn't work. The type of material and the thickness of the layer to be formed are not limited as long as it can be formed to a uniform thickness at a desired level. However, due to the morphological characteristics of the electrode pair of the present invention, selective etching of the insulator layer is required in the manufacturing process, so that the material of the insulator layer is selected according to the process to be used, or conversely, a specific material is used as the material of the insulator layer. If you choose to design the manufacturing process accordingly. For example, in the case of including the polymer film as the insulator layer, a pattern may be easily etched by treating with a corrosive agent selected according to the type of polymer, for example, a specific solvent.
상기 절연체층의 두께가 5 nm 미만으로 얇은 경우, 이의 양면에 위치한 제1전도체 및 제2전도체 사이의 거리가 가까워져 절연체의 유무와 무관하게 전자가 전달되는 '터널링 효과'에 의해, 상기 층상형 구조물 전체가 하나의 도체와 같이 거동하며 제1전도체층과 제2전도체층은 더이상 개별 전극으로 작동하기 어렵다. 따라서, 절연층의 두께는 터널링 효과를 허락하지 않는 절연체층의 특징에 따라 최소 두께로 결정되며, 이는 선택되는 각 전극 및 절연체층의 소재에 따라 상이할 수 있다. 반면, 상기 절연체층의 두께가 나노 수준을 벗어나 마이크로미터 수준에 도달하면, 예컨대, 절연체층의 두께가 1000 nm를 초과하게 되면, 유효한 입자 포집에 요구되는 가용 전압이 커지게 되어 유체 내에 버블 또는 반응계의 과도한 발열을 유발하여 유전영동 효과 및 효율성 및/또는 민감성이 현저히 저하될 수 있다. 전술한 바와 같이, 유전영동 효과는 불균일한 전기장에 의해 나타나는 현상이며, 본 발명의 전극쌍은 연속적인 평면인 하나의 전극과 nm 수준의 절연체층에 의해 서로 평행하게 이격된 홀이 형성된 다른 하나의 전극 즉, 서로 상이한 형태의 대치되는 전극에 의해 형성되는 불균일한 전기장에 의해 유전영동 효과를 나타내는 것임을 고려할 때, 절연층의 두께가 증가하면 상대적으로 홀에 의한 결함이 작아지므로 이에 따른 유전영동 효과의 감소를 유도할 수 있다. 따라서, 절연체층의 두께 및/또는 홀의 크기는 이에 도입되는 포집 또는 분산시키고자 하는 입자의 크기를 고려하여 상호 유기적으로 조절할 수 있음은 당업자에 자명하다.When the thickness of the insulator layer is less than 5 nm, the layered structure is formed by a 'tunneling effect' in which electrons are transferred regardless of the presence or absence of an insulator due to a distance between the first conductor and the second conductor located on both sides thereof. The whole behaves like one conductor, and the first conductor layer and the second conductor layer are no longer capable of acting as separate electrodes. Thus, the thickness of the insulating layer is determined as the minimum thickness according to the characteristics of the insulator layer which does not allow the tunneling effect, which may be different depending on the material of each electrode and the insulator layer selected. On the other hand, when the thickness of the insulator layer reaches the micrometer level beyond the nano level, for example, when the thickness of the insulator layer exceeds 1000 nm, the available voltage required for effective particle capture becomes large, thereby causing bubbles or reaction systems in the fluid. Excessive heat generation of can cause significant reductions in the effects of electrophoresis and efficiency and / or sensitivity. As described above, the electrophoretic effect is a phenomenon caused by an uneven electric field, and the electrode pair of the present invention has one electrode in a continuous plane and the other in which holes are spaced in parallel with each other by an insulator layer of nm level. Considering that the electrode exhibits dielectric effect due to non-uniform electric field formed by opposing electrodes of different types, the increase in the thickness of the insulating layer results in relatively small defects caused by holes. May lead to a decrease. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that the thickness of the insulator layer and / or the size of the holes can be controlled organically in consideration of the size of particles to be collected or dispersed therein.
상기 본 발명에 따른 층상형 구조물 및 유전영동 전극쌍은 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는 공정을 통해 제조할 수 있다. 예컨대, 상기 제조방법은 당업계에 공지된 다양한 소재의 적층 및 식각 방법을 조합하여 수행할 수 있다. 각 단계를 수행하는 구체적인 방법은 선택된 각 층의 소재에 따라 선택할 수 있다.The layered structure and the electrophoretic electrode pair according to the present invention is a layer comprising a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, a second conductor layer, and a photosensitive resin layer in which a desired pattern is designed. A first step of preparing a pictograph structure; A second step of selectively etching the insulator layer, the second conductor layer, and the photosensitive resin layer by etching according to the designed pattern; And it may be prepared through a process comprising a third step of removing the remaining photosensitive resin layer. For example, the manufacturing method may be performed by combining the lamination and etching methods of various materials known in the art. The specific method of performing each step may be selected according to the material of each selected layer.
예컨대, 에칭에 의해 식각하는 단계는 건식 및/또는 습식 에칭방법을 사용하여 수행할 수 있다. 각 구성 층이 기지의 소재 및 두께로 형성된 경우, 건식 에칭방법을 선택할 수 있으며, 이때 수행 시간은 선택된 방법에 따른 각 층의 식각률(etching rate)을 고려하여 결정할 수 있다. 한편, 절연체층으로 PVP 등의 고분자 필름을 포함하는 경우, 특정 용매(etchant)로 처리하는 간단한 방법으로 해당 고분자 필름만을 선택적으로 제거할 수 있는 점을 고려하여, 습식 에칭방법을 선택할 수 있다. 또는 필요에 따라, 제2전도체층은 건식 에칭방법으로, 절연체층은 습식 에칭방법으로 식각하는 복합적인 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 각 구성층의 소재, 당업계에 공지된 식각 방법 및/또는 공정 수행의 편의성과 경제성을 복합적으로 고려하여 식각 방법을 선택할 수 있다.For example, etching by etching may be performed using dry and / or wet etching methods. When each component layer is formed of a known material and thickness, a dry etching method may be selected, and the execution time may be determined in consideration of the etching rate of each layer according to the selected method. On the other hand, when the insulator layer includes a polymer film such as PVP, a wet etching method may be selected in consideration of the fact that only the polymer film can be selectively removed by a simple method of treating with a specific solvent. Alternatively, if necessary, the second conductor layer may be a dry etching method and a complex method of etching the insulator layer by a wet etching method, but is not limited thereto. The etching method may be selected in consideration of the material of each constituent layer, an etching method known in the art, and / or a convenience and economy of performing the process.
또한 상기 본 발명에 따른 층상형 구조물 및 유전영동 전극쌍을 제조하는 다른 방법은 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계; 상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계; 및 잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계를 포함할 수 있다. 이때, 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것일 수 있다.In addition, another method for manufacturing a layered structure and a dielectric electrophoretic electrode pair according to the present invention is a layer comprising a first conductor layer, an insulator layer of a constant thickness selected from the range of 5 to 1000 nm, and a photosensitive resin layer devised pattern A first step of preparing a pictograph structure; Forming a second conductor layer on the layered structure to be spaced apart from the first conductor layer by an insulator layer and a photosensitive resin layer; And removing the remaining photosensitive resin layer together with the second conductor layer formed on the upper side thereof, and forming the first conductor layer and the insulator layer on the layered structure in which the first conductor layer and the insulator layer are sequentially stacked in a pattern opposite to the pattern of the photosensitive resin layer. The second conductor layer may include a third step of forming a structure to which the conductor is added. In this case, the layered structure of the first step may be stacked in order of the first conductor layer, the insulator layer, and the photosensitive resin layer, or in the order of the first conductor layer, the photosensitive resin layer, and the insulator layer.
상기 제조방법에 있어서, 제1단계에서 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로 적층된 층상형 구조물을 사용하는 경우, 상기 제3단계 이후 에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 식각 과정에서는 절연체층 상에 형성된 패턴화된 제2전도체층이 마스크로 작용할 수 있다. 상기 제4단계는 당업계에 공지된 건식 또는 습식 에칭방법을 이용하여 수행할 수 있다.In the manufacturing method, when using a layered structure stacked in the order of the first conductor layer, the insulator layer, and the photosensitive resin layer in the first step, the same pattern as the second conductor layer by etching after the third step A fourth step of selectively etching the insulator layer may be further included. In the etching process, the patterned second conductor layer formed on the insulator layer may serve as a mask. The fourth step may be performed using a dry or wet etching method known in the art.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른, 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍은, 유전영동 효과에 의해 이에 도입된 입자의 움직임을 조절할 수 있으므로, 이들 전극쌍에 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는데 사용할 수 있다.As described above, according to the present invention, the electrophoretic electrode pair having a hole selectively formed on one electrode can control the movement of particles introduced thereto by the electrophoretic effect, so that the pair of electrodes together with the AC power supply unit It can be used to capture specific particles in a fluid using a device having an electrically connected circuit and designed to contact the fluid containing the sample with the electrode surface on which the hole of the pair of dielectric electrophoretic electrodes is formed.
구체적으로, 상기 입자의 포집은 하기 방정식 1을 이용하여 포집하고자 하는 입자에 대한, 인가되는 교류 주파수에 따른 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 곡선을 도출하는 제1단계; 및 상기 제1단계로부터 도출한 곡선에서 클라우시우스-모소티의 실수부가 양의 값을 나타내는 범위에서 선택되는 주파수의 교류를 인가하는 제2단계를 포함하는 방법에 의해 달성될 수 있다:Specifically, the collection of the particles is a first step of deriving a Clausius-Mossotti (CM) curve for the particles to be collected using the following equation 1 according to the applied alternating frequency; And a second step of applying an alternating current of a frequency selected from a range in which the real part of Klausius-Mossotti represents a positive value in the curve derived from the first step:
[방정식 1] Equation 1
Figure PCTKR2018003920-appb-I000003
Figure PCTKR2018003920-appb-I000003
상기 방정식에서,In the above equation,
ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,ω is the frequency of alternating current applied to the
ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율(permittivity),ε * p is the permittivity of the particle
ε* m은 유체의 유전율임.ε * m is the permittivity of the fluid.
또한, 본 발명에 따른, 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍은, 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 전술한 입자 포집 방법과 유사한 원리로, 유체 중의 N종의 입자를 포함하는 혼합물(N은 2 이상의 자연수)로부터 특정 입자를 분리하는 데에 사용될 수 있다.In addition, the electrophoretic electrode pair having a hole selectively formed in one electrode according to the present invention, the circuit having an electrically connected with the AC power supply, the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed includes a sample. Using a device designed to be in contact with a fluid, in a similar principle to the particle capture method described above, it can be used to separate certain particles from a mixture comprising N kinds of particles in a fluid (N is two or more natural waters).
구체적으로, 하기 방정식 1-1을 이용하여 분리하고자 하는 개별 입자들의, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 도출하는 제1단계; 상기 제1단계로부터 도출된 곡선으로부터 클라우시우스-모소티의 실수부가 일부 입자(들)에 대해서는 양 또는 음의 값을, 이와 분리하고자 하는 다른 입자(들)에 대해서는 이와 반대의 값을 나타내는 주파수를 선택하는 제2단계; 및 상기 제2단계로부터 선택된 주파수의 교류를 인가하는 제3단계를 포함하는 방법에 의해 달성될 수 있다:Specifically, a first step of deriving the Clausius-Mossotti curve according to the frequency of the individual particles to be separated using the following equation 1-1; From the curve derived from the first step, the frequency of the real part of Klausius-Mossotti shows a positive or negative value for some particle (s) and vice versa for other particle (s) to be separated from it. Selecting a second step; And a third step of applying alternating current of the frequency selected from the second step:
[방정식 1-1]Equation 1-1
Figure PCTKR2018003920-appb-I000004
Figure PCTKR2018003920-appb-I000004
상기 방정식에서,In the above equation,
ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,ω is the frequency of alternating current applied to the
n은 입자의 종류를 구분하는 임의의 숫자로서, 1≤n≤N인 자연수,n is an arbitrary number identifying the type of particles, where 1≤n≤N, a natural number,
ε* pn은 입자 n의 유전율,ε * pn is the permittivity of particle n,
ε* m은 유체의 유전율임.ε * m is the permittivity of the fluid.
본 발명의 방법으로 포집 및/또는 분리할 수 있는 입자는 서브 마이크로미터 내지 수 마이크로미터 직경을 갖는 바이러스, 미생물 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이를 토대로, 본 발명의 포집 및/또는 분리 방법은 유체 중의 예컨대, 수중의 박테리아나 미생물의 존재를 검출하거나, 나아가 박테리아나 미생물의 존재가 확인된 유체로부터 이들 물질을 제거하는 데에 사용될 수 있다.Particles that can be collected and / or separated by the method of the present invention may be, but are not limited to, viruses, microorganisms, and the like, having a submicrometer to several micrometer diameter. Based on this, the collection and / or separation methods of the present invention can be used to detect the presence of bacteria or microorganisms in a fluid, for example, or to remove these substances from a fluid in which the presence of bacteria or microorganisms has been confirmed.
나아가, 본 발명의 입자 분리 방법은 상기 제3단계에서 포집 또는 배제된 입자(들)에 대해 제2단계 및 제3단계를 1회 이상 반복하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Further, the particle separation method of the present invention may be performed by repeating the second step and the third step one or more times with respect to the particle (s) collected or excluded in the third step, but is not limited thereto.
본 발명의 입자 분리 방법에서 반복되는 단계는 인가되는 교류의 주파수를 변경하여 수행하되, 일차 분리에 사용한 장치를 그대로 이용하거나, 이와 병렬로 연결된 동일한 장치를 이용하여 연속적으로 수행할 수 있다. 예컨대, 일차적인 입자의 분리를 수행한 후, 홀 내에 관심 입자를 포함하여 2종 이상의 입자가 잔류하여 이들 입자로부터 관심 입자를 분리하고자 하는 경우에는, 상기 일차 분리 후 홀 내에 포집된 입자들을 제외한 유체 내에 분산된 입자들을 제거한 후, 동일한 유전율의 신선한 유체를 채우고 동일 장치에 일차 분리에서와 상이한 주파수의 교류를 인가하거나, 일차 분리에서와 상이한 유전율을 갖는 유체를 채우고 주파수는 유지한 채로 반복적인 분리를 수행할 수 있다. 또는 분리하고자 하는 관심 입자가 일차 분리에서 홀 내에 포집되지 않고 유체 내에 다른 입자와 함께 분산된 경우에는, 이와 연결된, 본 발명의 유전영동 전극쌍을 구비한 신규한 분리 장치에 관심 입자를 포함하는 유체를 전송시키고 상기 신규한 분리 장치에서 변경된 주파수를 인가하여 동일한 방식으로 혼합 입자를 분리하는 단계를 반복 수행할 수 있다.The repeated steps in the particle separation method of the present invention may be performed by changing the frequency of alternating current applied, but may be performed continuously using the same device used for the primary separation, or using the same device connected in parallel thereto. For example, in the case where two or more kinds of particles, including particles of interest, remain in the holes after separation of the primary particles, and the particles of interest are to be separated from these particles, the fluid except for the particles collected in the holes after the primary separation After removing the dispersed particles within, fill the fresh fluid of the same permittivity and apply alternating frequency of alternating frequency to the same device as in the primary separation, or fill the fluid with a different permittivity as in the primary separation and repeat the separation while maintaining the frequency Can be done. Or when the particles of interest to be separated are not collected in holes in the primary separation and are dispersed together with other particles in the fluid, the fluid containing the particles of interest in a novel separation device having the electrophoretic electrode pairs of the invention connected thereto. It may be repeated to separate the mixed particles in the same manner by transmitting the and applying a changed frequency in the novel separation device.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 본 발명의 전극쌍을 구비하고, 교류 전원을 인가할 수 있도록 고안된 장치를, 바이러스와 유사한 크기를 갖는 직경 약 1 μm 크기의 폴리스티렌 입자를 포함하는 유체와 접촉시키고 다양한 주파수의 교류 전압을 인가함으로써 100 mV의 낮은 전압으로 상기 입자를 포집 또는 분산시킬 수 있음을 확인하였다(도 7 내지 9). 나아가, 바이오 물질인 탄저균 모사체, 예컨대, 바실러스 서브틸리스(Bacilus Subtilis)에 적용하여 이를 포집할 수 있음을 확인하였다(도 10). 이는 본 발명의 전극쌍을, 유전영동 효과에 의해 이와 유사한 크기의 바이러스를 포집하는 장치에 적용할 수 있음을 나타내는 것이다. 나아가, 최근 큰 관심의 대상인 초미세먼지가 이보다 큰 2.5 ㎛ 수준의 입자임을 고려할 때, 본 발명의 전극쌍은 저전압에서 구동 가능한 (초)미세먼지 포집 및/또는 제거 장치에 적용할 수 있을 것이다.In a specific embodiment of the present invention, a device including the electrode pair of the present invention and designed to apply an alternating current power is contacted with a fluid containing polystyrene particles having a diameter of about 1 μm and having a size similar to that of a virus and varying frequencies. It was confirmed that the particles could be collected or dispersed at a low voltage of 100 mV by applying an alternating voltage of (FIGS. 7 to 9). Furthermore, it was confirmed that it can be applied to anthrax mimetics which are biomaterials, for example, Bacillus subtilis, to collect them (FIG. 10). This indicates that the electrode pair of the present invention can be applied to a device for collecting viruses of similar size by the electrophoretic effect. Furthermore, considering that ultrafine dust, which is of great interest recently, is larger than 2.5 μm particles, the electrode pair of the present invention may be applied to a (ultra) fine dust collection and / or removal device that can be driven at low voltage.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are intended to illustrate the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example 1: 일면에 패턴화된 홀을 갖고 양면이  1: with patterned holes on one side SiOSiO 22 in 이격된Spaced 대면적 수직  Large area vertical 나노갭Nanogap 어레이의 제조 Fabrication of Array
1 cm×1 cm 면적으로 패터닝된 유리 기판 상에 100 nm 두께로 ITO 층을 4 mm×3 mm 면적으로 형성한 후, PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition) 장치를 이용하여 100 nm 두께로 SiO2 층을 증착시켰다. 이후, 열증착기로 100 nm 두께의 금 층을 SiO2 층 상에 형성하였다. 이어서, 감광성 수지(AZ152, Microchemical)를 스핀코팅하고 가열하여 감광성 수지층을 형성하였다. 상기 감광성 수지층이 형성된 면에 일련의 직경 30 ㎛의 홀이 30 ㎛ 간격으로 배열된 어레이 형태의 패턴을 갖는 포토마스크를 위치시키고 상기 포토마스크 상에 자외선을 조사한 후 현상하여 마스킹된 부분을 제거하였다. 이상과 같이 감광성 수지로 홀 어레이 패턴이 형성된 층상형 구조물에 유도결합플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 에칭을 수행하여 홀 패턴의 하단에 노출된 제2전도체층 및 절연체층을 상기 패턴과 동일한 형태로 식각하였다. 상기 ICP 에칭을 통한 식각시 식각률은 제2전도체층을 구성하는 금 및 절연체층을 구성하는 SiO2에서 상이한 바, 제1절연체층은 유지하되 제2전도체층 및 절연체층을 선택적으로 제거할 수 있도록, 이들 각 층의 두께 및 해당 소재에 대한 식각률을 고려하여 처리 시간을 산출하였다. 구체적으로, ICP 에칭에 의한 SiO2 식각의 경우, 아르곤 가스 15 sccm, CHF3 가스 90 sccm 하에 4 mTorr 압력에서 ICP 2700 W, 바이어스 75 W로 헬륨 5 mTorr 압력으로 약 230 nm/초의 조건으로 식각하였다. 한편, 금 층의 경우, 아르곤 가스 8 sccm, Cl2 가스 4 sccm 하에 0.5 Torr 압력에서 ICP 1000 W, 바이어스 150 W로 헬륨 5 mTorr 압력으로 약 130 nm/초의 조건으로 식각하였다.A 100 nm thick ITO layer was formed on a glass substrate patterned with a 1 cm × 1 cm area with a 4 mm × 3 mm area, and then SiO 2 at 100 nm thickness using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) apparatus. The layer was deposited. Thereafter, a 100 nm thick gold layer was formed on the SiO 2 layer by thermal evaporation. Subsequently, the photosensitive resin (AZ152, Microchemical) was spin coated and heated to form a photosensitive resin layer. On the surface on which the photosensitive resin layer was formed, a photomask having an array-shaped pattern in which a series of holes having a diameter of 30 μm was arranged at intervals of 30 μm was placed, and irradiated with ultraviolet rays on the photomask to develop and remove the masked portion. . As described above, the second conductor layer and the insulator layer exposed to the lower end of the hole pattern by performing inductively coupled plasma (ICP) etching on the layered structure in which the hole array pattern is formed of the photosensitive resin are formed in the same form as the pattern. Etched. The etching rate during etching through the ICP etching is different from the gold constituting the second conductor layer and SiO 2 constituting the insulator layer, so that the first insulator layer is maintained but the second conductor layer and the insulator layer can be selectively removed. In addition, the processing time was calculated in consideration of the thickness of each of these layers and the etching rate for the corresponding material. Specifically, in the case of SiO 2 etching by ICP etching, etching was performed at about 230 nm / sec at 5 mTorr pressure with ICP 2700 W and a bias of 75 W at 4 mTorr pressure under 15 sccm of argon gas and 90 sccm of CHF 3 gas. . On the other hand, in the case of the gold layer, under 8 sccm of argon gas and 4 sccm of Cl 2 gas, ICP 1000 W at 0.5 Torr pressure and 150 W bias were etched under helium 5 mTorr pressure at about 130 nm / sec.
실시예Example 2: 일면에 패턴화된 홀을 갖고 양면이  2: with patterned holes on one side PVP로With PVP 이격된Spaced 대면적 수직  Large area vertical 나노갭Nanogap 어레이의 제조 Fabrication of Array
180 nm 두께의 ITO 층이 1 cm×1 cm 면적으로 패터닝된 유리 기판 상에 폴리비닐페놀(polyvinylphenol; PVP) 용액을 스핀코팅하고 가열하여 PVP로 된 110 nm 두께의 절연체층을 형성하였다. 이어서 상기 PVP 층 상에 감광성 수지(AZ1512)를 스핀코팅하고 가열하여 감광성 수지층을 형성하였다. 상기 감광성 수지층이 형성된 면에 일련의 직경 30 ㎛의 홀이 30 ㎛ 간격으로 배열된 어레이 형태의 패턴을 갖는 포토마스크를 위치시키고 상기 포토마스크 상에 자외선을 조사한 후 현상하여 마스킹된 부분을 제거하였다. 상기 패턴화된 감광성 수지층을 포함하는 적층 구조물 상의 패턴화된 면에 열증착 방식으로 120 nm 두께의 금 박막을 형성하였다. 이후, 아세톤으로 처리하여 잔여 감광성 수지 패턴 및 이의 표면에 형성된 불필요한 금 박막을 제거하고 홀 어레이 형태의 패턴을 갖는 금 박막층을 획득하였다. 나아가, 100 mTorr 압력에서 100 sccm 유속의 산소 가스를 이용한 반응성 이온 식각(reactive ion etching)을 통해 150 W로 2분 15초 동안 처리하여 패턴된 금 박막을 마스크로 사용하여 이에 의해 가리워지지 않은 홀 부분에 노출된 PVP 절연체층의 부분을 선택적으로 제거하였다.A 180 nm thick ITO layer was spin-coated and heated a polyvinylphenol (PVP) solution on a glass substrate patterned with a 1 cm × 1 cm area to form a 110 nm thick insulator layer of PVP. Subsequently, the photosensitive resin (AZ1512) was spin-coated and heated on the PVP layer to form a photosensitive resin layer. On the surface on which the photosensitive resin layer was formed, a photomask having an array-shaped pattern in which a series of holes having a diameter of 30 μm was arranged at intervals of 30 μm was placed, and irradiated with ultraviolet rays on the photomask to develop and remove the masked portion. . A 120 nm thick gold thin film was formed on the patterned surface on the laminate structure including the patterned photosensitive resin layer by thermal deposition. Thereafter, the film was treated with acetone to remove the residual photosensitive resin pattern and the unnecessary gold thin film formed on the surface thereof, thereby obtaining a gold thin film layer having a hole array pattern. Furthermore, the hole portion not covered by the patterned gold thin film was used as a mask by treating it at 150 W for 2 minutes and 15 seconds through reactive ion etching using oxygen gas at a flow rate of 100 sccm at 100 mTorr pressure. Part of the PVP insulator layer exposed to was selectively removed.
실험예 1: 수직 나노갭 어레이의 형상 분석Experimental Example 1: Shape Analysis of Vertical Nanogap Array
상기 실시예 1 및 2에 따라, 각각 수 mm2 및 수 cm2 면적으로 제조된, 절연체로 된 나노갭으로 이격되고, 연속적으로 형성된 하나의 전극과 복수의 홀 어레이 패턴이 형성된 다른 하나의 전극을 포함하는 전극쌍의 제조 과정을 도 3 및 5A에 도시화하여 개략적으로 나타내었다. 또한 이와 같이 제조된 전극쌍의 외형을 육안으로 관찰하고, 미세 홀 어레이 패턴 및 단면은 SEM으로 확인하여, 그 결과를 도 4 및 5B에 나타내었다.According to Examples 1 and 2, one electrode, which is spaced apart by an insulator nanogap made of several mm 2 and several cm 2 , respectively, is formed continuously and another electrode having a plurality of hole array patterns is formed. The manufacturing process of the electrode pair including the schematic shown in Figures 3 and 5A. In addition, the appearance of the electrode pairs thus prepared was visually observed, and the fine hole array pattern and the cross section were confirmed by SEM, and the results are shown in FIGS. 4 and 5B.
실험예 2: 유전영동법을 이용한 폴리스티렌 비드의 포집 및 분산Experimental Example 2: Collection and Dispersion of Polystyrene Beads Using Genetic Electrophoresis
본 발명에서는 바이러스 입자와 크기 및 성질이 유사한 직경 1 ㎛의 폴리스티렌(polystyrene; PS) 입자를 사용하여, 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조한 전극쌍의 바이러스 등의 생물학적 물질의 검출에서 응용 가능성을 확인하였다.In the present invention, the use of polystyrene (PS) particles having a diameter and a diameter of 1 μm similar to those of the virus particles, the possibility of application in the detection of biological substances such as viruses of the electrode pair prepared according to Examples 1 and 2 above. Confirmed.
먼저, 실제 실험에 앞서, 시뮬레이션을 통해 유전영동 현상을 예측하였다. 유전영동 현상에 의해 입자에 작용하는 힘은 입자의 이를 둘러싼 물질의 전도도, 유전율 및 인가되는 교류 전압의 주파수에 의해 결정되며, 이는 하기 방정식에 따라 산출할 수 있다.First, before the actual experiment, the genetic phenomena were predicted through simulation. The force acting on the particle by the electrophoretic phenomenon is determined by the conductivity of the material surrounding the particle, the permittivity and the frequency of the applied alternating voltage, which can be calculated according to the following equation.
Figure PCTKR2018003920-appb-I000005
Figure PCTKR2018003920-appb-I000005
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, εm은 입자를 둘러싼 유체의 유전율, R은 사용하는 입자의 반경, E는 전기장의 크기이며, Re(fCM(ω))는 인가되는 교류의 주파수에 대한 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이다. 상기 방정식에 있어서, 입자에 가해지는 유전영동력의 부호를 결정하는 인자는 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 함수의 실수부이며, 이는 하기의 방정식으로 계산될 수 있다.Where ω is the frequency of alternating current applied to the pair of dielectrophoretic electrodes, ε m is the permittivity of the fluid surrounding the particles, R is the radius of the particles used, E is the magnitude of the electric field, and Re (f CM (ω)) is applied. It is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function for the frequency of the alternating current. In the above equation, the factor that determines the sign of the dielectrophoretic force applied to the particles is the real part of the Clausius-Mossotti (CM) function, which can be calculated by the following equation.
Figure PCTKR2018003920-appb-I000006
Figure PCTKR2018003920-appb-I000006
이때, ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수, ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율, ε* m은 유체의 유전율이다. 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유전영동 전극쌍에 교류 전압을 인가하였을 때, 발생하는 전기장의 분포를 도 6(A)에, 상기 수식을 통해 이론적으로 도출된 폴리스티렌 입자에 대한 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 함수를 도 6(B)에 나타내었다. 나아가, 교류 전압 인가시 폴리스티렌 입자에 대한 교류 주파수 의존적 클라우시우스-모소티 그래프를 도 8(B)에 나타내었다. 도 6(B)에 나타난 바와 같이, 폴리스티렌 입자에 대한 클라우시우스-모소티 값은 1 MHz를 기준으로 그 특성이 변화하는 것으로 나타났으며, 구체적으로, 1 MHz 미만의 주파수에서 양의 수치를, 1 MHz 초과의 주파수에서는 음의 수치를 나타내었다.Where ω is the frequency of alternating current applied to the dielectric electrophoretic electrode pair, ε * p is the permittivity of the particles to be collected, and ε * m is the permittivity of the fluid. The distribution of the electric field generated when an alternating voltage is applied to the electrophoretic electrode pairs prepared according to Examples 1 and 2 according to the frequency for the polystyrene particles theoretically derived through the above formula is shown in FIG. The Klausius-Mossotti function is shown in Figure 6 (B). Furthermore, an alternating frequency dependent Klausius-Mossoti graph for polystyrene particles upon alternating voltage is shown in FIG. 8 (B). As shown in FIG. 6 (B), the Klausius-Mossottie value for the polystyrene particles was found to change its characteristics on the basis of 1 MHz, specifically, a positive value at a frequency below 1 MHz, Negative values were shown at frequencies above 1 MHz.
상기 도 6(B)의 그래프로부터, 상기 2개 방정식을 통해 산출되는 교류 전압 인가 시 입자에 가해지는 유전영동력을 입자의 움직임과 결부시키면, 양의 유전영동력을 받는 입자는 전극을 향하여 이동하는 반면, 음의 유전영동력을 받는 입자는 전극을 등지는 방향으로 이동할 것으로 예상되었다.From the graph of FIG. 6 (B), when the dielectric force applied to the particles when the AC voltage is calculated through the two equations is combined with the movement of the particles, the particles subjected to positive dielectric force move toward the electrode. On the other hand, the negatively electrophoretic particles were expected to move in the direction of the electrode.
상기 이론적 계산으로 예측한 결과가 실제 본 발명의 유전영동 전극쌍을 이용하여 구현 가능한지 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 2에 따라 제조한 전극쌍의 홀 어레이 패턴이 형성된 면에 직경 1 ㎛ 크기의 폴리스티렌 입자를 포함하는 유체(18.2 MΩ 이상의 3차 증류수)와 접하도록 장치를 구성하고 전기적으로 연결된 양 전극에 교류 전원을 연결하여 유전영동 현상을 유도한 후 교류의 주파수에 따른 유체 내 입자의 거동을 비디오로 찍어 확인하였다. 구체적으로, 실시예 1에 따라 제조된 전극쌍을 구비한 장치에는 100 kHz 및 10 MHz로 주파수를 변경하면서 100 mV의 전압을 인가하고, 실시예 2에 따라 제조된 전극쌍에는 0.1 V의 낮은 전압으로 100 kHz 및 1 MHz 주파수의 교류를 인가하여 입자의 거동을 측정하고, 그 결과를 각각 도 7과 8에 나타내었다.In order to confirm whether the result predicted by the theoretical calculation can be implemented using the electrophoretic electrode pair of the present invention, the hole array pattern of the electrode pairs prepared according to Examples 1 and 2 has a diameter of 1 μm. The device is configured to be in contact with a fluid containing polystyrene particles (tertiary distilled water of 18.2 MΩ or more), and an AC power source is connected to both electrically connected electrodes to induce dielectric phenomena. It was confirmed by taking a video. Specifically, a voltage of 100 mV is applied to a device having an electrode pair manufactured according to Example 1 while changing the frequency to 100 kHz and 10 MHz, and a low voltage of 0.1 V is applied to the electrode pair prepared according to Example 2. The behavior of the particles was measured by applying alternating current at 100 kHz and 1 MHz frequencies, and the results are shown in FIGS. 7 and 8, respectively.
도 7에 나타난 바와 같이, 양의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 100 kHz의 교류가 인가되는 경우, 입자는 전극을 향하는 방향으로 유전영동력을 받아 홀 내에 포집되어 전극과 인접하게 홀의 테두리를 따라 배열되었으나, 음의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 10 MHz의 교류가 인가된 경우에는 이와 반대 방향으로 작용하는 힘을 받아 입자들이 홀의 외부로 또는 전극과 멀어지는 홀의 중앙부로 분산 이동되는 경향을 나타내었으며, 이는 주파수를 변경함에 따라 반복적으로 관찰되었다. 또한, 도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 전극쌍에 있어서도, 이와 유사하게 양의 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 100 kHz의 교류가 인가된 경우 입자들은 전극 방향으로 이동하여 즉, 홀의 경계면으로 배열되어 홀 내에 포집되는 반면, 0에 가까운 클라우시우스-모소티 값을 갖게 되는 1 MHz의 교류를 인가한 경우에는 입자들이 분산되는 경향을 나타내었다. 이는 본 발명에 따라 제조된 전극쌍은 낮은 전압에서 유전영동력에 의한 입자의 포집 나아가, 상기 원리에 의해 크기 및/또는 유전율이 상이한 입자들의 혼합물로부터 특정 입자를 분리할 수 있음을 나타내는 것이다.As shown in FIG. 7, when an alternating current of 100 kHz having a positive Klausius-Mossottie value is applied, the particles are collected in the hole under the electrophoretic force toward the electrode, and the edge of the hole is adjacent to the electrode. When alternating current is applied, a 10 MHz alternating current with negative Klausius-Mossoti values is applied, which tends to disperse the particles out of the hole or toward the center of the hole away from the electrode. It was observed repeatedly as the frequency was changed. In addition, as shown in FIG. 8, even in the electrode pair prepared according to Example 2, when an alternating current of 100 kHz having a positive Klausius-Mossett value is applied, the particles move toward the electrode. That is, the particles tended to disperse when an alternating current of 1 MHz, which is arranged at the boundary of the hole and collected in the hole, has a Clausius-Mossottie value close to zero. This indicates that the electrode pairs prepared according to the present invention are capable of capturing particles by dielectric kinetic force at low voltage, and furthermore, by virtue of this principle, can separate specific particles from mixtures of particles of different sizes and / or permittivity.
실험예 3: 유전영동법을 이용한 박테리아의 포집Experimental Example 3 Collection of Bacteria Using Genetics
본 발명의 전극쌍을, 유전영동법을 이용한 바이오 물질의 포집에 적용할 수 있는지 확인하기 위하여, 폴리스티렌 입자 대신에 탄저균 모사체인 바실러스 서브틸리스를 함유하는 시료를 이용하여 상기 실험예와 유사한 방법으로 시험하였다.In order to confirm that the electrode pairs of the present invention can be applied to the collection of biomaterials using dielectric electrophoresis, a sample containing Bacillus subtilis, an anthrax mimic, instead of polystyrene particles was tested in a similar manner to the above experimental example. It was.
구체적으로, 직경 10 ㎛의 홀 어레이를 갖는 금-ITO 전극쌍을 구비한 장치에 37℃에서 16 내지 20시간 배양한 바실러스 서브틸리스 포자(spore)를 접촉시키고, 100 kHz 주파수의 3 V 교류 전압을 인가하고, 상기 전극 홀 내에 박테리아가 포집된 것을 SEM으로 확인하여, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에 나타난 바와 같이, 상기 교류 전압 인가시 바실러스 서브틸리스는 전극에 포집되어, 패턴된 홀의 경계를 따라 배열되었다. 이는 본 발명의 전극쌍을 이용한 전기영동법에 의해 유체 중에 존재하는 실제 바이오 물질 예컨대, 박테리아의 포집 및/또는 분리가 가능함을 나타내는 것이다.Specifically, a Bacillus subtilis spore incubated for 16 to 20 hours at 37 ° C. was contacted with a device having a gold-ITO electrode pair having a hole array having a diameter of 10 μm, and a 3 V alternating voltage at a frequency of 100 kHz. Was applied, and it was confirmed by SEM that bacteria were collected in the electrode hole, and the results are shown in FIG. 10. As shown in FIG. 10, when the AC voltage was applied, the Bacillus subtilis was collected on the electrode and arranged along the boundary of the patterned hole. This indicates that the electrophoresis using the electrode pair of the present invention enables the capture and / or separation of actual biomaterials such as bacteria present in the fluid.

Claims (13)

  1. 순차적으로 적층된 제1전도체층; 절연체층; 및 제2전도체층;을 포함하는 층상형 구조물로서,A first conductor layer sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor layer, comprising:
    상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며,The insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm,
    상기 제1전도체층은 연속이나, 절연체층 및 제2전도체층은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 층상형 구조물.Wherein the first conductor layer is continuous, but the insulator layer and the second conductor layer have one or more holes formed in the same pattern.
  2. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 홀은 각각 독립적으로 50 nm2 내지 10,000 ㎛2의 면적을 갖는 것인 층상형 구조물.The holes are each independently a layered structure having an area of 50 nm 2 to 10,000 μm 2 .
  3. 순차적으로 적층된 제1전도체 전극; 절연체층; 및 제2전도체 전극;을 포함하며 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 유전영동 전극쌍으로서,A first conductor electrode sequentially stacked; Insulator layer; And a second conductor electrode, comprising: a pair of dielectric electrophoretic electrodes having holes selectively formed in one electrode;
    상기 절연체층은 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께를 가지며,The insulator layer has a constant thickness selected from 5 to 1000 nm,
    상기 제1전도체 전극은 연속적이나, 절연체층 및 제2전도체 전극은 동일한 패턴으로 형성된 1 이상의 홀을 갖는 것인 유전영동 전극쌍.Wherein the first conductor electrode is continuous, but the insulator layer and the second conductor electrode have one or more holes formed in the same pattern.
  4. 제3항에 있어서,The method of claim 3,
    상기 제1전도체 전극 및 제2전도체 전극은 각각 독립적으로 구리(copper), 금(gold), 은(silver), 백금(platinum) 및 팔라듐(palladium)으로 구성된 군으로부터 선택되는 금속; 구리, 금, 은, 백금 및 팔라듐으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속과 그라파이트, 텔루륨(tellurium), 텅스텐(tungsten), 아연(zinc), 이리듐(iridium), 루테늄(rithenium), 비소(arsenic), 인(phosphorus), 알루미늄(aluminum), 망간(manganese), 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 함유하는 합금(alloys) 또는 복합체; 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 전도성 탄소물질; 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 티타늄 산화물(TiO2), 루테늄 산화물(RuO2), 이리듐 산화물(IrO2), 및 백금 산화물(PtO2)로 구성된 군으로부터 선택되는 혼합 금속 산화물(mixed metal oxides)의 소재로 된 것인 유전영동 전극쌍.The first conductor electrode and the second conductor electrode are each independently selected from the group consisting of copper, gold, silver, platinum, and palladium; One or more metals selected from the group consisting of copper, gold, silver, platinum and palladium and graphite, tellurium, tungsten, zinc, iridium, ruthenium, arsenic ( alloys or composites containing at least one material selected from the group consisting of arsenic, phosphorus, aluminum, manganese, silicon; Conductive carbon materials selected from the group consisting of graphite, graphene and derivatives thereof; Or a mixed metal oxide selected from the group consisting of indium tin oxide (ITO), titanium oxide (TiO 2 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), and platinum oxide (PtO 2 ) Dielectrophoretic electrode pairs that are made of mixed metal oxides).
  5. 제3항에 있어서,The method of claim 3,
    상기 절연체층은 SiO2, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP), Nb2O5, TiO2, Al2O3, 및 MgO로 구성된 군으로부터 선택되는 소재로 된 것인 유전영동 전극쌍.The insulator layer is a dielectrophoretic electrode pair of a material selected from the group consisting of SiO 2 , polyvinylpyrrolidone (PVP), Nb 2 O 5 , TiO 2 , Al 2 O 3 , and MgO.
  6. 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 제2전도체층, 및 원하는 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계;A first step of preparing a layered structure including a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from a range of 5 to 1000 nm, a second conductor layer, and a photosensitive resin layer having a desired pattern;
    에칭에 의해 절연체층, 제2전도체층, 및 감광성 수지층을 고안된 패턴에 따라 선택적으로 식각하는 제2단계; 및A second step of selectively etching the insulator layer, the second conductor layer, and the photosensitive resin layer by etching according to the designed pattern; And
    잔류하는 감광성 수지층을 제거하는 제3단계를 포함하는, 제1항의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법.A method of manufacturing a layered structure having the hole of claim 1, comprising a third step of removing the remaining photosensitive resin layer.
  7. 제1전도체층, 5 내지 1000 nm 범위에서 선택되는 일정한 두께의 절연체층, 및 패턴이 고안된 감광성 수지층을 포함하는 층상형 구조물을 준비하는 제1단계;A first step of preparing a layered structure including a first conductor layer, an insulator layer having a constant thickness selected from 5 to 1000 nm, and a photosensitive resin layer devised pattern;
    상기 층상형 구조물에 절연체층 및 감광성 수지층에 의해 제1전도체층과 이격되도록 제2전도체층을 형성하는 제2단계;Forming a second conductor layer on the layered structure to be spaced apart from the first conductor layer by an insulator layer and a photosensitive resin layer;
    잔류하는 감광성 수지층을 이의 상단에 형성된 제2전도체층과 함께 제거하여, 상기 제1전도체층과 절연체층이 차례로 적층된 층상형 구조물 상에 감광성 수지층의 패턴과 반대 이미지의 패턴으로 형성된 제2전도체층이 추가된 구조물을 형성하는 제3단계; 및The remaining photosensitive resin layer is removed together with the second conductor layer formed on the top thereof, so that the second conductor formed in a pattern opposite to the pattern of the photosensitive resin layer on the layered structure in which the first conductor layer and the insulator layer are sequentially stacked. A third step of forming a structure in which a conductor layer is added; And
    에칭에 의해 제2전도체층과 동일한 패턴을 갖도록 절연체층을 선택적으로 식각하는 제4단계를 포함하는, 제1항의 홀을 갖는 층상형 구조물의 제조방법으로서,A method of manufacturing a layered structure having a hole according to claim 1, comprising a fourth step of selectively etching the insulator layer to have the same pattern as the second conductor layer by etching.
    상기 제1단계의 층상형 구조물은 제1전도체층, 절연체층, 및 감광성 수지층 순으로, 또는 제1전도체층, 감광성 수지층, 및 절연체층 순으로 적층된 것인 제조방법.The layered structure of the first step is laminated in the order of the first conductor layer, the insulator layer, and the photosensitive resin layer, or in the order of the first conductor layer, the photosensitive resin layer, and the insulator layer.
  8. 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제3항의 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 특정 입자를 포집하는 방법.The dielectric electrophoretic electrode pair of claim 3 having a hole selectively formed in one electrode has a circuit electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is in contact with a fluid including a sample. A method of capturing specific particles in a fluid using an apparatus.
  9. 제8항에 있어서,The method of claim 8,
    하기 방정식 1을 이용하여 포집하고자 하는 입자에 대한, 인가되는 교류 주파수에 따른 클라우시우스-모소티(Clausius-Mossotti; CM) 곡선을 도출하는 제1단계; 및A first step of deriving a Clausius-Mossotti (CM) curve according to an applied alternating frequency for particles to be collected using Equation 1 below; And
    상기 제1단계로부터 도출한 곡선에서 클라우시우스-모소티의 실수부가 양의 값을 나타내는 범위에서 선택되는 주파수의 교류를 인가하는 제2단계를 포함하는 방법에 의해 달성되는 것인 입자 포집 방법:A method for collecting particles, the method comprising: a second step of applying an alternating current of a frequency selected from a range in which the real part of Klausius-Mossotti represents a positive value in the curve derived from the first step:
    [방정식 1]Equation 1
    Figure PCTKR2018003920-appb-I000007
    Figure PCTKR2018003920-appb-I000007
    상기 방정식에서,In the above equation,
    ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,ω is the frequency of alternating current applied to the
    ε* p는 포집하고자 하는 입자의 유전율(permittivity),ε * p is the permittivity of the particle
    ε* m은 유체의 유전율임.ε * m is the permittivity of the fluid.
  10. 일측 전극에 선택적으로 형성된 홀을 갖는 제3항의 유전영동 전극쌍이 교류 전원 공급부와 함께 전기적으로 연결된 회로를 구비하고, 상기 유전영동 전극쌍의 홀이 형성된 전극면이 시료를 포함하는 유체와 접하도록 고안된 장치를 이용하여, 유체 중의 N종의 입자를 포함하는 혼합물(N은 2 이상의 자연수)로부터 특정 입자를 분리하는 방법.The dielectric electrophoretic electrode pair of claim 3 having a hole selectively formed in one electrode has a circuit electrically connected with an AC power supply, and the electrode surface on which the hole of the dielectric electrophoretic electrode pair is formed is in contact with a fluid including a sample. Using a device to separate particular particles from a mixture comprising N particles in a fluid, where N is at least two natural waters.
  11. 제10항에 있어서,The method of claim 10,
    하기 방정식 1-1을 이용하여 분리하고자 하는 개별 입자들의, 주파수에 따른 클라우시우스-모소티 곡선을 도출하는 제1단계;A first step of deriving a Clausius-Mossotti curve according to frequency of individual particles to be separated using Equation 1-1;
    상기 제1단계로부터 도출된 곡선으로부터 클라우시우스-모소티의 실수부가 일부 입자(들)에 대해서는 양 또는 음의 값을, 이와 분리하고자 하는 다른 입자(들)에 대해서는 이와 반대의 값을 나타내는 주파수를 선택하는 제2단계; 및From the curve derived from the first step, the frequency of the real part of Klausius-Mossotti shows a positive or negative value for some particle (s) and vice versa for other particle (s) to be separated from it. Selecting a second step; And
    상기 제2단계로부터 선택된 주파수의 교류를 인가하는 제3단계를 포함하는 방법에 의해 달성되는 것인, 입자 분리 방법:Achieved by a method comprising a third step of applying an alternating current of a frequency selected from said second step:
    [방정식 1-1]Equation 1-1
    Figure PCTKR2018003920-appb-I000008
    Figure PCTKR2018003920-appb-I000008
    상기 방정식에서,In the above equation,
    ω는 유전영동 전극쌍에 인가되는 교류의 주파수,ω is the frequency of alternating current applied to the
    n은 입자의 종류를 구분하는 임의의 숫자로서, 1≤n≤N인 자연수,n is an arbitrary number identifying the type of particles, where 1≤n≤N, a natural number,
    ε* pn은 입자 n의 유전율,ε * pn is the permittivity of particle n,
    ε* m은 유체의 유전율임.ε * m is the permittivity of the fluid.
  12. 제10항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 제3단계에서 포집 또는 배제된 입자(들)에 대해 제2단계 및 제3단계를 1회 이상 반복하여 수행하는 것인, 입자 분리 방법.Particle separation method, wherein the second step and the third step is repeated one or more times for the particle (s) collected or excluded in the third step.
  13. 제12항에 있어서,The method of claim 12,
    인가되는 교류의 주파수를 변경하여 수행하되, 제10항에서 사용한 장치를 이용하거나, 이와 병렬로 연결된 동일한 장치를 이용하여 연속적으로 수행하는 것인, 입자 분리 방법.Performing by changing the frequency of the alternating current is applied, it is carried out continuously by using the device used in claim 10, or using the same device connected in parallel.
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