Continuous inertial separation of airborne bacteria and viruses in a curved microchannel

Abstract

공기 중에 부유되어있는 병원성 바이러스와 박테리아들은 예로부터 수많은 사람들의 목숨을 앗아갔을 뿐만 아니라 엄청난 양의 재산 손실을 야기해왔다. 그 결과, 기상의 병원성 미생물들을 모니터링 하기 위해서 빠르고 효율적인 바이오에어로졸 샘플링 방법이 지속적으로 요구되어 왔다. 다행히도 공기중의 바이러스와 박테리아는 그 크기 범위가 각각 20 nm에서 300 nm, 500 nm 에서 2 μm로 한정되어 있기 때문에 기상의 입자들을 크기 별로 분리해내는 기술이 가능성 높은 해결책으로 제시되고 있다. 본 연구에선, 값싸고, 휴대 가능하며, 실시간 측정이 가능한 바이오 에어로졸 검출기 및 관련 장비들의 개발에 사용될 수 있는 바이오에어로졸 분리기를 개발하였다. 본 분리기는 입자들의 관성 차이와 공기 유동으로 발생하는 딘 와류(Dean vortices)를 이용하여 기상의 바이러스와 박테리아를 그보다 큰 입자들로부터 분리해낼 수 있으며, 더 나아가 기상의 바이러스와 박테리아를 각각 분리해낼 수 있도록 제작되었다. 본 분리기의 전체 시스템은 수치해석을 통해 설계되었으며, 소프트-리소그래피(soft-lithography)방법을 사용하여 분리기를 실제 제작하였다. 제작된 분리기는 여러 크기의 표준 PSL 입자들을 사용하여 그 성능을 평가하였으며, 실제 미생물인 Adenovirus와 S. epidermidis를 사용하여 본 분리기의 성능을 입증하였다. 이때 각 바이오에어로졸의 분리 효율은 에어로졸 측정 장비들과 생물학적 측정방법인 qPCR 방법을 이용하여 측정하였다. 분리기는 90°로 구부러진 두 개의 미소 곡관과 세 개의 출구로 구성되어 있으며, 각 출구는 바이러스, 박테리아, 그보다 큰 입자들이 각각 빠져나가도록 제작되었다. 첫 번째 출구에선 3 μm 크기 입자들은 약 70%가 분리되어 나갔으나 그보다 작은 바이오에어로졸들은 극소수만이 분리되었다. 두 번째 출구에선 70% 이상의 S. epidermidis가 분리되어 나갔으며, 세 번째 출구에선 약 70%의 Adenovirus가 분리되어 나가는 것을 확인하였다. 또한 본 분리기 내부에서 발생하는 입자 손실률은 10% 미만이었다. 이러한 결과는 본 분리기가 바이오에어로졸들을 훌륭하게 분리해내고 있음을 보여줄 뿐만 아니라 응용 기기 개발로의 활용 가능성이 높음을 암시하고 있다.