High-Throughput and Portable Biosample Pretreatment Platform for Point-of-Care Diagnostics : Mechanical and Electrokinetic Approaches = 현장 진단을 위한 고 처리량·휴대형 생체 시료 전처리 플랫폼: 기계적·동전기적 방법론

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Living organisms—including humans, animals, and plants—are constantly exposed to diseases caused by pathogens, genetic factors, or environmental influences, underscoring the importance of early and accurate diagnosis for effective treatment. Over the years, diagnostic technologies have advanced, with representative approaches such as molecular diagnostics (e.g., PCR), immunodiagnostics based on antigen–antibody interactions, and physicochemical sensing platforms including electrochemical and optical methods. A critical prerequisite for these diagnostic tools is appropriate sample preparation, as naturally occurring specimens rarely exist in analyzable forms with sufficient purity or concentration. Accordingly, sample pretreatment—encompassing the extraction and liquefaction of target analytes from solid matrices as well as the purification and concentration of liquid-phase samples—plays a pivotal role in enhancing diagnostic performance, though conventional methods often face limitations in combining portability with high throughput for point-of-care applications.
In this dissertation, I focused on developing rapid and compact bio-sample preparation systems that bridge real-world specimens to downstream analytical platforms. i) A twin-screw homogenization device was designed for efficient extraction of target substances from solid complex matrices. By generating high shear forces within a compact area, the platform achieved up to 30-fold faster extraction compared to conventional methods, enabling liquefaction of solid tissues within 1 minute. Its performance was validated through single-cell dissociation of animal tissues and pathogen extraction from plant matrices. ii) An electric-field-assisted membrane device was developed for purification and concentration of nanoscale targets from colloidal samples. Leveraging electrokinetic mechanisms in place of physical blocking, the device achieved a twofold increase in concentration and detection efficiency under lower operating pressures compared to conventional approaches. The system was validated through the concentration and detection of microplastics and bacteria in drinking water. This work establishes a novel sample preparation framework characterized by rapid operation, portability, and continuous processing capability, thereby enabling practical integration with downstream molecular, immunological, and physicochemical diagnostic systems for on-site disease detection.

국문 초록 (Abstract)

인간을 비롯한 동물과 식물 등 대부분의 생물은 병원체, 유전적 요인, 환경적 요인 등에 의해 다양한 질병에 노출되며, 효과적인 치료를 위해서는 신속 정확한 진단이 필수적이다. 이에 따라 환자가 있는 현장에서 검사를 행하여 단 시간 내에 진단이 가능하도록 하는 현장 진단(point-of-care testing, POCT) 기술이 발전되어 왔으며, 특히 코로나19 팬데믹 이후 조기 검진의 중요성이 부각되면서 신속성 및 장비 소형화에 대한 필요성이 대두되었다. 하지만 실제 생체 시료는 분석에 적합한 고순도·고농도 상태로 존재하지 않으므로 고도화된 진단 기술만으로는 실제 현장 시료를 직접 적용하는 데 한계가 있다. 진단 기술의 신속성과 신뢰도를 유지하기 위해서는 현장 진단에 적합한 시료 전처리 기술이 선행되어야 한다. 그러나 기존의 전처리 기술은 신속성과 휴대성을 동시에 만족시키기 어려워 현장 진단 적용에 한계가 존재한다.
본 학위논문에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 복잡한 현장 시료를 다운스트림 분석 플랫폼과 효과적으로 연결할 수 있는 고속·소형 생체 시료 전처리 시스템을 개발하였다. 먼저, 고체 기반 복합 매트릭스로부터 표적 물질을 효율적으로 추출하기 위한 트윈 스크류 기반 기계식 균질화 및 액상화 플랫폼을 설계하였다. 이어서, 콜로이드 기반 액상 시료로부터 나노·마이크로 스케일 표적을 정제 및 농축하기 위한 전기장 기반 멤브레인 시스템을 개발하였다. 마지막으로, 개발된 전처리 기술을 라만분광법 기반 병원균 검출 시스템과 통합하여 실제 검출 단계로의 적용 가능성을 확인하고, 실제 환경에서의 활용 가능성을 검증하였다. 본 연구는 현장 진단 적용을 위해 신속한 처리 속도, 휴대성, 그리고 검출부와 통합 가능하도록 하는 연속 공정이 가능한 새로운 전처리 프레임워크를 제시하며, 현장 시료를 직접 적용 가능한 현장진단 시스템 구현 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Chapter 1: Introduction 1
• 1.1. Necessity of biological sample pretreatment for diagnostics 1
• 1.2. Pretreatment strategies for solid- and liquid-phase biological samples 4
• 1.3. High-throughput and portable pretreatment for point-of-care testing 7
• Chapter 2: Mechanical pretreatment for solid biological samples 11
• 2.1. Introduction 11
• 2.2. Methods 16
• 2.3. Results and discussion 27
• 2.3.1. Design of a compact twin-screw homogenizer 27
• 2.3.2. Tissue dissociation into single-cell suspensions 35
• 2.3.3. Extraction of foodborne pathogens from solid food matrices 42
• 2.4. Conclusion 68
• Chapter 3: Electrokinetic pretreatment of colloidal nanoparticle suspensions 70
• 3.1. Introduction 70
• 3.2. Methods 74
• 3.3. Results and discussion 81
• 3.3.1. Electrokinetic separation and enrichment of nanoparticles 81
• 3.3.2. Comparison with conventional filtration methods 98
• 3.4. Conclusion 112
• Chapter 4: Electrokinetic enrichment and Raman detection of waterborne pathogens 113
• 4.1. Introduction 113
• 4.2. Methods 117
• 4.3. Results and discussion 120
• 4.4. Conclusion 134
• Chapter 5: Conclusions 136
• 5.1. Summary 136
• 5.2. Future perspectives 139
• References 141
• Abstract in Korean 153
• Acknowledgement in Korean 155
• Curriculum Vitae 157