Impedance-Based Analysis of Biofluids: (I) Hematological Tests Using Electrochemical Impedance Spectroscopy and (II) Microfluidic Differential White Blood Cell Counting in Peritoneal Dialysate for Peritonitis Monitoring

Abstract

본 논문은 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 활용하여 생체유체(biofluid)의 전기적 응답을 정량적으로 분석하고, 이를 혈액학적 지표 추출 및 세포 계수 기술로 확장한 연구이다. 기존의 광학 기반 혈액 분석법은 높은 정밀도를 제공하지만 복잡한 장비 구성과 시약 의존성으로 인해 현장진단(Point-of-Care, POC) 환경에서의 활용이 제한적이다. 이에 본 연구에서는 생체 시료의 전기적 특성을 이용하여 혈액의 물리·화학적변화를 분석하고, 이를 기반으로 한 미세유체 임피던스 센싱 기술을 개발함으로써 전기적 진단 접근법의 차세대 응용 가능성을 제시하였다. 연구의 제1부에서는 혈액의 전기적·유전적 특성을 결정하는 주요 생리·물리 인자를 규명하고, 이를 반영한 정량적 임피던스 모델을 확립하기 위해 네 가지 연속 연구(Study I–IV)를 수행하였다. Study I에서는 혈액 임피던스의 온도 의존성을 체계적으로 분석하여 주파수별 온도 보정식을 제시하고, 표준화된 측정 환경을 확립하였다. Study II에서는 적혈구 세포질을 다상 콜로이드 매질로 간주하고, 헤모글로빈의 이중 수화층(double hydration shell)을 반영한 세포질모델을 제안하여 복합 유전 응답을 설명하였다. Study III에서는 적혈구의 배향 효과를 고려한 비등방성(anisotropic) 임피던스 모델을 도입하고, 선호 배향 인자(preferred orientation factor, γ)를 통해 세포 정렬 정도를 정량화하였다. Study IV에서는 삼투압 변화에 따른 적혈구의 형태 및 전기적 응답을 분석하고, 앞선 모델들을 통합하여 각 삼투 조건에서의 전기적 특성을 수치적으로 해석하였다. 그 결과, 복소 임피던스 데이터로부터 주요 혈액학적 지표(MCV, RBC, HCT, MCH, MCHC 등)를 도출하였으며, 상용 임상장비(XN-1000, Sysmex)와 비교 시 5.6% 미만의 오차로 높은 일치도를 확인하였다. 연구의 제2부에서는 전기 임피던스 기반 백혈구(white blood cell, WBC) 감별 및 계수를 위한 통합형 마이크로유체 임피던스 플랫폼(integrated microfluidic impedance system)을 설계하고, 시뮬레이션 및 실험을 통해 성능을 검증하였다. 관성 미세유체(inertial microfluidics) 원리를 적용한 Y축 및 Z축 정렬 구조를 단일 칩에 집적하여 백혈구의 3차원 정렬(threedimensional focusing)을 구현하였으며, 평균 90% 이상의 정렬 효율을 확보하였다. 정렬된 WBC는 전극 기반 임피던스 감지부를 통해 비표지형(label-free) 방식으로 감별 및 계수되었고, PBMC와 PMN 시료를 이용한 단일 세포 실험에서 86–97%의 계수 정확도를, 혼합 시료 감별실험에서 96%의 감별 정확도를 달성하였다. 이상의 결과를 통해 혈액 임피던스가 세포 형태, 구조, 배향, 삼투 상태 등 복합적인 생리학적 요인을 반영하는 정량 지표임을 확인하였다. 또한, 제시된 미세유체-전극 통합 플랫폼은 복잡한 광학계나 시약 처리 없이도 세포의 전기적 응답만으로 형태학적 차이를 구분할 수 있음을 입증하였다. 본 연구는 EIS 기반 분석 기술을 이론적 모델링에서 실제 센서 구현으로 확장함으로써, 소형화·비표지형·실시간 진단이 가능한 차세대 전기 임피던스 분석 플랫폼의 학문적·응용적 기반을 확립하였다. 향후 본 기술은 혈액 질환 진단, 체액 모니터링, 감염성 질환의 조기 진단을 위한 현장진단(Point-of-Care) 시스템으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.|This dissertation presents a comprehensive study on the electrical characterization of biofluids using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and its application to hematological analysis and microfluidic cell counting technologies. Conventional optical hematology analyzers provide high precision but require complex instrumentation and reagent-based processing, which limits their applicability in point-of-care (POC) environments. To overcome these limitations, this work aims to develop quantitative impedance-based approaches capable of analyzing the physicochemical variations of blood and implementing them in a microfluidic impedance sensing platform, thereby demonstrating the potential of EIS as a next-generation biofluid diagnostic method. In the first part of the study, the fundamental electrochemical and dielectric properties of blood were investigated to identify the key physiological and physical parameters influencing its impedance response. Four consecutive studies (Study I–IV) were conducted to establish a quantitative impedance model that reflects these factors. In Study I, the temperature dependence of blood impedance was systematically analyzed, and frequency-dependent temperature correction functions were proposed to provide a standardized measurement framework. In Study II, the erythrocyte cytoplasm was modeled as a multi-phase colloidal medium by incorporating the double hydration shells of hemoglobin, thereby explaining the complex dielectric behavior of intracellular media. In Study III, an anisotropic impedance model was introduced to account for erythrocyte orientation in flow, and the alignment was quantified through a preferred orientation factor (γ). In Study IV, osmotic effects on erythrocyte morphology and impedance response were analyzed, integrating the previously developed models to numerically interpret electrical variations under different tonicities. From these results, six major hematological parameters—mean corpuscular volume (MCV), red blood cell count (RBC), hematocrit (HCT), hemoglobin concentration (Hb), mean corpuscular hemoglobin (MCH), and mean corpuscular hemoglobin concentration (MCHC)—were extracted from the impedance spectra and showed strong agreement with clinical reference measurements, with errors below 5.6%. The second part of the research focused on the development and validation of an integrated microfluidic impedance platform for label-free discrimination and counting of white blood cells (WBCs). A single-chip design integrating Y- and Z-axis inertial focusing structures was implemented to achieve three-dimensional hydrodynamic focusing with an average efficiency exceeding 90%. The aligned WBCs were detected and classified through electrode-based impedance sensing without labeling. Experiments using peripheral blood mononuclear cell (PBMC) and polymorphonuclear leukocyte (PMN) samples demonstrated 86–97% single-cell counting accuracy and 96% discrimination accuracy for mixed samples. These results demonstrate that blood impedance reflects not only electrical properties but also morphological and physiological factors such as cell geometry, orientation, and osmotic state. Furthermore, the proposed microfluidic–electrode integrated platform confirms the feasibility of label-free, reagent-free, and real-time electrical discrimination of biological cells. This research establishes both theoretical and experimental foundations for miniaturized impedance-based diagnostic technologies and suggests their potential expansion into POC applications for blood analysis, biofluid monitoring, and early detection of infection-related diseases.