Development of robust and automated processing of preconcentrated analytes toward the commercialization of nanoelectrokinetic molecular diagnostic platform = 나노전기수력학 기반 분자진단 상용화를 위한 사전농축 분석물질의 강건하고 자동화된 처리법 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ion Concentration Polarization (ICP) serves as a fundamental mechanism in nanoelectrokinetics. The high electric field gradient near the ion-depletion zone across a nanojunction serves as a powerful driving force for ion transport and other charged species. In microfluidic systems with low Reynolds numbers and laminar flow, this phenomenon serves as a dominant electrokinetic force. Leveraging these capabilities, extensive research has been conducted in various applications, including seawater desalination, water treatment, high sensitivity biosensing and diagnostics, sample separation and purification, and, recently, ion transistors.
Despite these advancements, however, significant hurdles remain for the commercialization of this technology. Primarily, the inherent nature of microfluidic systems imposes limitations on throughput, and scaling up these systems presents substantial technical challenges. Furthermore, increasing the applied voltage to enhance processing speed induces stronger electric field gradients, which generate severe vortices, leading to instability in the preconcentration process. Additionally, since enrichment behaviors vary depending on the target analytes and optimal conditions differ for each case, the operation of these systems has traditionally relied on the empirical judgment of skilled researchers. These limitations have hindered the development of user-friendly devices and raised the barrier to entry for commercial deployment.
In this thesis, two major studies were conducted to overcome the limitations of ICP-based platforms. First, a real-time feedback control system was introduced to precisely manipulate the preconcentration phenomenon in ICP in accordance with the user's intention. The proposed system achieves stable control using only the basic ICP setup—fluorescence microscopy for monitoring and a voltage source for regulation—without requiring additional hardware. Second, a label-free detection technology for target nucleic acids was developed by integrating a multi-channel ICP platform with the CRISPR/Cas system. This diagnostic platform integrates the sensitivity enhancement of ICP preconcentration with the high specificity of the dCas9 molecule, while maximizing analytical efficiency through a multi-channel architecture.
Based on this research, ICP-based platforms in nanoelectrokinetics are expected to extend beyond the academic realm and make significant contributions to industrial applications and commercialization.

국문 초록 (Abstract)

이온농도분극 현상은 나노전기수력학의 핵심 메커니즘 중 하나로서, 나노 접합부 인근에 형성되는 이온 공핍층과 강한 전기장 구배를 통해 전하를 띤 물질을 효과적으로 전달 및 제어하는 역할을 한다. 특히 레이놀즈 수가 낮아 층류가 지배적인 미세유체 시스템 내에서, ICP 현상은 입자 제어를 위한 강력한 구동력으로 작용한다. 이러한 특성을 바탕으로 해수 담수화, 수처리, 고감도 바이오 센싱, 시료의 분리 및 정제, 그리고 최근의 이온 트랜지스터에 이르기까지 폭넓은 응용 연구가 진행되고 있다.
그러나 기존 연구 성과에도 불구하고, 이온농도분극 기술의 상용화에는 여전히 해결해야 할 난제들이 존재한다. 우선 미세유체 시스템의 태생적 특성으로 인한 처리 용량의 한계와 스케일업의 기술적 장벽이 있다. 또한, 처리 속도 향상을 위해 인가 전압을 높일 경우, 과도한 전기장 구배로 인해 강력한 와류가 발생하여 시료 농축의 불안정성을 초래한다. 더불어 대상 물질의 특성에 따라 최적 농축 조건이 상이하여, 기존 시스템은 숙련된 연구자의 경험적 판단에 의존해야만 했다. 이러한 운용의 복잡성과 불안정성은 범용 기기로서의 발전을 저해하고 상용화의 진입 장벽을 높이는 주요 원인이 되어왔다.
본 논문에서는 이온농도분극 현상 기반 플랫폼이 지닌 이러한 한계를 극복하기 위해 크게 두 가지의 연구를 수행하였다. 첫째, 이온농도분극 현상에서 발생하는 시료의 농축을 사용자의 의도에 따라 정밀하게 제어할 수 있는 실시간 피드백 제어 시스템을 도입하였다. 본 연구에서 제안하는 시스템은 형광 현미경을 통한 농축 현상 모니터링과 전압 제어 장치를 연동하여, 추가적인 하드웨어 없이 기본 구동 장치만으로 안정적인 농축 제어를 구현하였다. 둘째, 멀티채널 기반의 나노전기수력학 플랫폼과 CRISPR/Cas 시스템을 결합하여 무표지 타겟 핵산 검출 기술을 개발하였다. 이는 ICP 농축 효과를 통한 민감도 향상과 dCas9 단백질의 높은 특이성을 결합한 것으로, 멀티채널 구조를 통해 분석 효율을 극대화한 진단 플랫폼이다.
본 연구는 나노전기수력학 분야에서 ICP 기술의 안정성과 활용성을 높임으로써, 해당 기술이 학문적 연구 단계를 넘어 실질적인 산업화 및 상용화에 기여할 수 있는 토대를 마련할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study Background 1
• 1.1.1. Ion Concentration Polarization 1
• 1.1.2. Preconcentration on the ion concentration polarization system 5
• 1.2. Purpose of Research 8
• Chapter 2. Real-time feedback control for engineered nanoelectrokinetic preconcentrator 12
• 2.1. Introduction 12
• 2.2. Methods 18
• 2.2.1. Micro/nanofluidic device fabrication 18
• 2.2.2. Experimental setup and optical measurement 19
• 2.2.3. Real-time feedback control algorithm and software 20
• 2.2.4. Sample preparation 26
• 2.3. Results and Discussion 28
• 2.3.1. Preconcentration plug control of fluorescence molecules 28
• 2.3.2. Preconcentration plug control of fluorescence particles 35
• 2.3.3. Multiplexed switch control 41
• 2.4. Conclusion 47
• Chapter 3. Deep Learning-Assisted Label-free Molecular Diagnosis Platform Mediated by dCas9 and Multiplexed Nanoelectrokinetic Selective Preconcentration 50
• 3.1. Introduction 50
• 3.2. Methods 58
• 3.2.1. Chip Design and Nanojunction Fabrication 58
• 3.2.2. Sample preparation for EGFR and MYD88 nucleic acids detection 60
• 3.2.3. Sample preparation for MTB and SARS-CoV-2 detection 63
• 3.2.4. Fluorescence-Based Detection 65
• 3.2.5. Electric Field Configuration 67
• 3.2.6. Imaging and Data Acquisition 68
• 3.2.7. Deep Learning Model Training 69
• 3.3. Results and Discussion 71
• 3.3.1. label-Free Multiplexed Detection of Cancer-Related Single-Nucleotide Variants 71
• 3.3.2. Deep Learning-Assisted Pathogen Detection (Tuberculosis and SARS-CoV-2) 80
• 3.4. Conclusion 87
• Chapter 4. Conclusion 90
• Bibliography 94
• Abstract in Korean 99