서브의 광학적 트래핑

Sep 14, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8615(2023) 이 기사 인용

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광학 핀셋(OT)은 더 작은 크기의 입자를 가두는 데 주로 사용되는 반면, 역전파(CP) 이중 빔 트랩은 생물학적 표본을 포함하여 더 작은 크기와 더 큰 크기의 입자를 모두 가두기 위한 다양한 방법이었습니다. 그러나 CP 트랩은 복잡하고 민감한 시스템으로 OT에 비해 다소 낮은 트래핑 강성 값으로 완벽한 대칭을 달성하기 위해 지루한 정렬이 필요합니다. 더욱이 상대적으로 약한 힘으로 인해 CP 트랩은 가둘 수 있는 입자 크기가 약 100μm로 제한됩니다. 이 논문에서는 대칭이 깨진 새로운 종류의 역전파 광학 핀셋에 대해 논의하고 액체 매질 내부에 100μm보다 큰 입자를 포획하고 조작하는 방법을 실험적으로 시연했습니다. 우리의 기술은 광학적 힘만을 기반으로 작고 상당히 큰 입자(직경 최대 250μm)를 가둘 수 있는 CP 트랩을 형성하는 비대칭 방식으로 자체적으로 접히는 단일 가우스 빔을 활용합니다. 우리가 아는 한, 이러한 대형 표본의 광학적 트래핑은 이전에 입증된 적이 없습니다. 빔의 역반사와 결합된 트랩의 깨진 대칭은 시스템의 정렬을 크게 단순화했을 뿐만 아니라 나중에 볼 수 있듯이 약간의 정렬 오류에도 견고하게 만들고 트래핑 강성을 향상시켰습니다. 더욱이, 우리가 제안한 트래핑 방법은 매우 낮은 레이저 출력과 개구수 광학을 사용하여 미생물을 포함하여 1 마이크론에서 수백 마이크론에 이르는 다양한 입자 크기와 모양을 트래핑하고 변환할 수 있으므로 매우 다재다능합니다. 이는 결과적으로 광학적으로 갇힌 표본을 이미징하고 연구하기 위한 광범위한 분광학 기술의 통합을 허용합니다. 예를 들어, 우리는 이 새로운 기술이 최대 450 μm 길이의 C. elegans 벌레의 동시 3D 트래핑 및 광시트 현미경 검사를 가능하게 하는 방법을 보여줍니다.

레이저는 강력한 광학적 힘, 입자 조작 및 트래핑1,2,3,4,5,6,7,8로 이어지는 고유한 빛-물질 상호 작용을 허용합니다. 광학 트래핑은 풍부한 기초 연구를 가능하게 하는 다양한 응용 분야를 갖춘 다용도 도구로, 발견 이후 과학 및 공학의 수많은 분야에 혁명을 일으켰습니다9,10,11,12,13,14,15. 광학 트랩의 가장 기본적이면서도 강력한 구현은 광학 핀셋으로 알려진 단일 빔 구배 힘 트랩입니다. 이 방법에서는 관심 입자에 가해지는 광학적 힘이 레이저 빔을 가두도록 레이저 빔이 충분히 조밀하게 초점을 맞추면 트랩이 형성됩니다. 이러한 힘은 일반적으로 두 가지 주요 기여로 분류됩니다. 하나는 배경 매질에 비해 굴절률이 더 높은 입자를 레이저 강도가 더 큰 영역으로 끌어당기는 구배력입니다. 두 번째는 주로 빔 전파 방향을 따라 입자를 밀어내는 산란력입니다. 후자의 힘은 입자 트래핑에 대응하여 특히 더 큰 입자(10μm 이상)의 경우 불안정한 트래핑을 초래할 수 있습니다. 따라서 산란력의 부작용을 보상하기 위한 실용적인 접근 방식을 찾는 것은 안정적인 광학 트래핑의 중요한 단계입니다. 일반적인 해결책 중 하나는 높은 NA(개구수) 현미경 대물렌즈를 사용하여 빔의 초점을 촘촘하게 맞춰 축 방향의 산란력을 능가하는 지점까지 경사력이 증가하도록 하는 것입니다. 이러한 포커싱에는 일반적으로 개구수가 1을 초과하는 현미경 대물렌즈(따라서 침지형)가 필요합니다. 이로 인해 작동 거리가 짧고, 시야가 좁으며, 특히 생물학 분야의 실제 응용 요구 사항과 일반적으로 충돌하는 극단적인 국부 강도가 발생합니다. 앞서 언급한 단점을 피할 수 있는 또 다른 접근법은 두 개의 적당히 집중된 역전파(CP) 동일한 빔을 사용하는 것입니다. 여기서 각 빔은 다른 빔의 전방 산란력의 균형을 유지하여 축 안정성을 생성하여 두 빔의 초점 사이에 3D 트랩을 형성합니다. 서스펜션 내부의 이러한 광학 트래핑은 높은 NA 대물렌즈25,26, 낮은 NA 대물렌즈19,31, 두 개의 섬유20,32,33,34, 광학 미러 트랩35,36,37,38,39,40,41, 광학 위상을 사용하여 달성되었습니다. 접합42, 홀로그램 역전파 트랩23,37,40 및 나노입자를 트랩하는 데 이상적인 정상파21,22,23,24,35,36,37,38,39. 이러한 CP 트래핑 구성에서는 수십 마이크론으로 분리된 초점 사이에서 트래핑이 발생하기 때문에 광손상이 완화될 뿐만 아니라 최대 100μm(매크로 트랩이라고도 함)의 더 큰 입자의 가두기가 가능해졌습니다36,37,41 .