지난 10년 동안 관성 미세유체는 상당한 관심을 끌었으며 입자와 유체를 집중, 농축 및 분리하는 다양한 채널 설계가 입증되었습니다. 유체 관성이 무시할 수 있고 흐름이 매우 낮은 레이놀즈 수(Re ≪ 1)를 갖는 스톡스 유동 영역 내에 거의 유지되는 기존의 미세 유체 기술과 달리 관성 미세 유체는 중간 레이놀즈 수 범위(~1 < Re < ~100)에서 작동합니다.
이 중간 범위에서 관성 및 유체 점도는 모두 유한하며 (i) 관성 이동 및 (ii) 2차 흐름을 포함하여 관성 미세 유체의 기초를 형성하는 몇 가지 흥미로운 효과를 가져옵니다. 높은 처리량, 단순성, 정확한 조작 및 저렴한 비용의 우수한 기능으로 인해, 관성 미세 유체 공학은 특히 낮은 풍부한 표적을 가진 샘플에 대한 세포 샘플 처리에 대한 매우 유망한 후보입니다.
이 글은 독자들이 관성 미세 유체 시스템의 메커니즘과 기본 물리학에 익숙해지도록 미세 채널에서 입자의 기본 운동학에 대해 논의합니다. 그런 다음 마이크로 채널 구조에 따른 관성 미세 유체 시스템의 최근 개발 및 주요 응용 프로그램에 대한 포괄적인 검토를 제시합니다. 마지막으로, 우리는 입자 조작을 위해 미세 유체에서 유체 관성을 사용하는 관점에 대해 논의합니다. 관성 미세 유체 공학의 탁월한 이점으로 인해 이 유망한 기술은 가까운 장래에 여전히 매력적인 주제가 될 것이며 생물학, 의학 및 산업 분야에서 더 새로운 디자인과 추가 응용 프로그램이 등장할 것입니다.
미세유체학은 수십에서 수백 마이크로미터 규모의 유체와 입자의 거동, 정밀한 제어 및 조작을 다루는 과학이라고 합니다. Microfluidics는 또한 LOC(lab-on-a-chip) 또는 μTAS(micro total analysis system)라고 하는 생물의학 및 화학 응용을 위한 플랫폼으로 간주됩니다. 생물학적 입자와 주변 미세 환경의 정확한 제어 및 조작의 이점을 누리는 이 매혹적인 기술은 기존의 거시적 규모의 플랫폼 ( 예: 원심분리기, 유세포 분석기 등)에 비해 월등한 이점을 가지고 있습니다 .). 미세 유체 공학의 이점에는 (i) 샘플 및 시약 부피 감소, (ii) 빠른 샘플 처리, (iii) 높은 감도, (iv) 저렴한 비용, (v) 향상된 휴대성, (vi) 고도로 통합되고 자동화되어 사람의 개입과 오류를 줄입니다.
바이오 입자의 포커싱, 분리 및 분별과 같은 정확한 조작은 미세 유체 공학의 필수 기능입니다. 예를 들어, 단일 라인을 따라 미세 입자의 3차원 초점 및 정렬은 온칩 유세포 분석의 중요한 구성 요소인 단일 세포 수준 검출 및 분석을 허용합니다. 미세 유체 시스템에서 입자를 조작하기 위해 많은 기술이 이미 제안되고 개발되었습니다. 이러한 기술은 조작하는 힘의 원천에 따라 능동형과 수동형으로 나눌 수 있다. 유전 영동 (DEP), 자기영동(MP), 음향영동(AP) 및 광학 핀셋과 같은 능동 기술은 외력장에 의존하는 반면, 수동 기술은 채널 기하학 또는 핀치된 흐름 분획과 같은 고유 유체역학적 힘에 전적으로 의존합니다. 이 기술은 일반적으로 대상 입자를 보다 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 실시간으로 조정할 수 있습니다. 그러나 효과적인 기능을 달성하려면 외력장이 유체역학적 항력을 극복해야 하기 때문에 유속은 항상 제한됩니다. 대조적으로, 수동 미세 유체 기술은 항상 매우 간단하고 견고하며 상대적으로 더 높은 유속으로 작동합니다.
수동형 미세유체 기술 중 관성 미세유체는 정밀한 조작, 간단한 구조, 높은 처리량으로 인해 최근 큰 주목을 받고 있다. 미세 유체 공학에서 유체 관성은 무시할 수 있다는 상식과 달리, 관성 미세 유체는 유체의 관성과 점도가 모두 유한한 Stokes 영역과 난류 영역(Re ~ 2000) 사이의 중간 범위(~1 < Re < ~ 100)에서 작동합니다. 유체의 유한 관성은 (i) 관성 이동 및 (ii) 2차 흐름을 포함하여 관성 미세 유체의 기초를 형성하는 몇 가지 흥미로운 관성 효과를 가져옵니다.
- 항력은 물체가 유체를 통과할 때 또는 상대적으로 유체가 물체를 지나갈 때 발생합니다. 항력의 근원은 유체의 요소를 움직이는 물체의 방해가 되지 않도록 변위시켜야 할 필요성에 있습니다. 움직이는 구형 입자에 대한 항력은 다음과 같이 표현할 수 있습니다. 여기서 S는 움직이는 입자의 단면적, a는 입자의 직경입니다.
- 이것은 실제로 잘 알려진 Stokes 항력 공식으로, 특히 입자 v t에 대한 유체의 상대 속도가 매우 작은 경우 단순하기 때문에 분석 분석에 널리 사용됩니다.
- 브라운 운동은 유체(액체 또는 기체)에 잠긴 부유 입자의 무작위 운동으로, 기체 또는 액체의 빠른 원자 또는 분자와의 빈번한 충돌로 인해 발생합니다. 확산은 입자-유체 시스템에서 어디에나 있습니다. 아인슈타인 - 또는 Smoluchowski 이론에 따르면, 평균 자승 거리는 시간의 입자가 확산한다는 t는 다음과 같이 표현된다:
l 〈r 2〉 = 6 Dt
관성 이동은 직선 채널 입구에 무작위로 분산된 입자가 충분한 거리를 두고 여러 평형 위치로 측면 이동하는 현상으로 50여 년 전에 처음 관찰되었습니다. 관성 이동의 첫 번째 관찰 이후, 이 현상의 기본 메커니즘을 탐구하기 위해 많은 실험적 연구와 이론적 분석이 수행되었습니다. 이 현상은 입자 크기가 마이크로 채널의 특성 치수와 유사한 미세 유체 기술이 출현할 때까지 실제 적용을 찾지 못했습니다. 관성 이동 현상은 두 가지 관성 효과의 반작용에 의해 널리 인식되어 왔습니다. 1) 전단 구배 양력 F LS, 유체 속도 프로파일의 곡률 및 입자와의 상호 작용으로 인해 입자가 채널 중심에서 멀어지도록 유도하고 2) 벽 양력 F LW , 부유 입자와 인접 입자 사이의 유동장 상호 작용 결과 벽에서 입자를 밀어내는 벽. 입자의 관성 평형 위치는 이러한 두 관성 양력 사이의 균형으로 인해 발생하며 일반적으로 원형 수로에서 수로 중심선에 대한 수로 반경의 약 0.6배입니다.
2차 흐름은 일반적으로 곡선 수로 또는 외란 장애물이 있는 직선 수로에서 나타납니다. 곡선 수로에서 2차 유동은 곡률 내에서 중앙과 벽 근처 영역의 유체 운동량 불일치로 인해 반경 방향의 압력 구배에 의해 유도됩니다. 채널 중심선 근처의 유체 요소는 벽 근처의 것보다 더 높은 운동량을 가지므로 바깥쪽으로 흐르고 채널 벽 근처에 상대적으로 정체된 유체 요소를 원주를 따라 안쪽으로 밀어 딘 와류라고 하는 두 개의 역회전하는 흐름을 형성합니다. 관성 초점에서 이 2차 흐름을 도입하면 몇 가지 이점이 있습니다. 예를 들어, Dean 와류는 메인 스트림에 수직인 입자에 추가적인 점성 항력을 부과하여 관성 평형 위치를 수정할 수 있습니다. 관성 양력과 2차 유동 항력의 비율에 따른 입자의 크기 의존 차동 집속( F L / F D) 완전한 입자 분리를 약속합니다. 또한 Dean vortex는 2차 흐름의 혼합 효과로 인해 채널 길이/풋프린트를 줄여 입자가 평형 위치에 더 빨리 도달하도록 돕습니다.
마이크로 채널의 구조가 관성 미세 유체 장치의 기능과 성능을 결정하는 가장 중요한 매개변수이기 때문에 기능적 미세 채널의 구조에 따른 관성 미세 유체의 최근 진행 상황에 대한 포괄적인 검토를 제시합니다. 마지막으로 현재 조사의 한계에 대해 논의할 것이다. 그런 다음 우리는 관성 미세 유체 공학의 몇 가지 미래 방향을 제안합니다. 이 리뷰가 관성 미세유체학 분야를 처음 접하는 독자들에게 종합적인 가이드 역할을 할 수 있기를 바랍니다. 적절한 배경 지식을 가진 독자의 경우 리뷰가 기본 메커니즘에 대한 확장된 이해를 제공합니다.
결론적으로, 지난 수십 년 동안 관성 미세 유체에 대한 상당한 발전이 이루어졌지만 몇 가지 상용 프로토타입이 개발되었음에도 불구하고 관성 미세 유체 자체는 아직 초기 개발 단계에 있습니다. 원시 영토의 넓은 지역이 탐사와 개발을 기다리고 있습니다. 우리는 높은 처리량, 간단한 구조 및 낮은 비용과 같은 기술의 우수한 장점으로 인해 가까운 장래에 관성 미세 유체 공학이 응용 분야를 확장하면서 뜨거운 연구 주제로 남을 것이라고 믿습니다.
< 출 처 >
논문 제목: Fundamentals and applications of inertial microfluidics: a review
저 자: Jun Zhang, Sheng Yan, Dan Yuan, Gursel Alici, Nam-Trung Nguyen, Majid Ebrahimi Warkiani and Weihua Li
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