그래핀

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1975(2023) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 3월 14일에 게시되었습니다.

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이 연구는 2.5 nm 미만의 반경을 가진 생체 입자를 조작하고 분류하기 위해 그래핀 나노리본 기반의 광유체 핀셋으로 구성된 새로운 디자인을 제안합니다. 제안된 구조는 Maxwell의 MST(Stress Tensor Analysis)를 적용한 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 통해 수치적으로 조사되었습니다. 제안된 구조의 정전기적 응답을 얻기 위해 유한요소법(FEM)이 사용되었습니다. 핀셋 주 경로는 미세유체 흐름이 나노입자를 이 채널 쪽으로 이동시키는 구조 중앙의 기본 채널입니다. 미세유체의 항력과 관련하여 나노입자는 주 채널의 길이를 따라 이동하는 경향이 있습니다. 그래핀 나노리본은 수직 방향으로 움직이는 나노입자에 광학적 힘을 가하기 위해 서로 다른 거리에서 메인 채널 근처에 고정됩니다. 이와 관련하여, Si 기판의 hBN 층에 삽입된 하위 채널은 특정 나노입자 크기 및 지수에 대한 주요 경로에서 바이오 입자를 벗어납니다. 입사광보다 최대 900배 더 큰 전기장이 강화된 강렬한 핫스팟이 그래핀 리본 내부와 주변에서 구현됩니다. 그래핀 나노리본과 메인 채널 사이의 간격을 조정하면 특정 크기의 개별 입자를 다른 입자와 분리하여 원하는 하위 채널로 유도할 수 있습니다. 또한, 우리는 채널 사이의 간격이 큰 구조에서 입자가 약한 전계 강도를 경험하여 나노입자를 감지, 포획 및 조작하기에 불충분한 낮은 광학력을 초래한다는 것을 입증했습니다. 그래핀 리본의 전기장 강도 변화와 관련된 그래핀의 화학적 전위를 변화시킴으로써 우리는 구조적 매개변수가 일정하게 유지되는 동안 나노입자 정렬의 조정 가능성을 실현했습니다. 실제로 적용된 게이트 전압을 통해 그래핀 페르미 준위를 조정하면 원하는 반경을 가진 나노입자가 빠르게 분류됩니다. 또한, 우리는 제안된 구조가 굴절률을 기준으로 나노입자를 분류할 수 있음을 보여주었습니다. 따라서 주어진 광유체 핀셋은 암세포, 작은 크기의 바이러스 등의 생체 입자를 쉽게 감지할 수 있습니다.

미세유체 및 광유체 시스템의 개발은 물리학, 생물학, 화학, 의학, 포토닉스 등 다양한 분야에서 혁명을 촉발할 것입니다. 이러한 유체 시스템의 고유한 특성에는 빠르고 비파괴적인 성능, 저비용, 고효율, 다양한 응용 분야 및 소형 설치 공간이 포함됩니다. 또한 미세유체 세포 분류 시스템은 박테리아 세포 분류1,2 및 유전영동력3을 위한 유체의 동전기적 동원과 같은 세포 이동 또는 흐름의 능동적 제어를 위한 다양한 방법으로 많은 주목을 받았습니다. 그럼에도 불구하고, 매우 강한 자기장, 낮은 속도 및 완충제 비호환성 하에서 세포의 취약성은 기존 미세유체 설계의 효율성을 손상시킵니다. 유체역학적 흐름 제어에서 세포를 조작하고 분류하는 또 다른 기술은 온칩 또는 오프칩을 기반으로 하며, 이는 높은 전기장에서 세포의 취약성이 적기 때문에 살아있는 세포를 분류하는 데 사용됩니다. 그러나 이 방법은 기계적 스위치의 느린 사이클 시간과 각 사이클4,5에서 상대적으로 많은 양의 유체로 인해 어려움을 겪습니다.

이 연구 계열에서는 Ashkin et al.에 의해 세포 포획 및 조작을 위한 광학 핀셋이 처음 소개되었습니다. 19876년. 빛의 운동량 변화로 인해 발생하는 집속된 레이저 빔의 복사 압력이 물리적 접촉 없이 유체 매질에서 단일 세포나 입자를 가두거나 밀어내는 것으로 조사되었습니다. 입자에 가해지는 힘은 입자의 크기와 광학적 특성은 물론 주변 유체 매체에 따라 달라집니다. 이 광학적으로 유도된 방법은 미세유체 매체에서 세포 분류 네트워크에 대한 새로운 유망한 접근 방식을 열었습니다. 최초의 단일 세포 분류 시스템이 7에 도입되어 단일 세포가 부과된 광학적 힘에 의해 갇히거나 분류될 수 있었습니다. 따라서 이 기술은 비침습적 특성과 단일 세포로 작동하는 능력과 관련하여 언급된 문제를 해결했습니다.