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Next Generation Optical Tweezer (차세대 광학 집게 )

Optical tweezer: - Road to Touchless Surgery

최성수 교수

선문대학교 나노과학과

케플러는 행성운행 운동 법칙을 발견한 것으로 유명하나 태양의 광 운동량 또는 방사 압력(radiant pressure)때문에 혜성의 꼬리 부분이 태양으로부터 항상 멀리 하고 있다는 것을 인지하고 1609년 지구에서 달까지 광을 이용하여 우주 여행을 할 수 있을 것이라고 제안 하였으며, 같은 해 1609년에 Kepler의 첫 번째 법칙을 발표하였다. 광을 이용하여 여행한다는 이야기는 오늘날까지 아직 실현가능성은 없어 우주공상과학 이야기에 지나지 아니한다. 그러나 적어도 Bell lab 의 Ashkin 박사에 의하여 광을 이용하여 물체를 제어 조절하는 기술이 개발되었으니 실로 400 년 만에 인간의 꿈이 현실로 나타났다고 말할 수 있겠다.

거시 세계의 물체를 광의 에너지를 이용하여 움직인다는 것은 실용가능성이 희박하나 원자세계와 같이 작은 마이크론 크기의 물체를 광학적으로 제어 조작하는 것은 현재 현실화되고 있으며 아주 흥미로운 일이라고 하겠다. 광자(photon)는 운동량(p = h/? , h : Plank 상수)을 가지고 있어 이러한 운동량을 이용하여 물체를 움직일 수 있다. 원자가 광자(photon)를 흡수하거나 발산할 때, 뉴톤의 운동량보존 법칙에 의존하여 원자의 운동량은 변하게 된다. 이와 같은 이유로 미세입자가 광을 굴절 또는 반사시킴으로서, 광속(光束, light beam)방향을 바꾸면 미세입자는 힘의 영향을 받게 된다. 전자장의 급격한 변화에 따른 경사힘(gradient force)이 발생하고 이러한 힘은 미세입자를 움직이고 제어 조작할 수 있다.

미국 AT&T Bell Lab dmlAshkin 박사는 1970년 빛을 이용하여 광 포획(optical trap) 장치를 처음 개발하였으며, 미세입자의 중력에 상쇄하는 광자빔(photon beam)들의 방사압력(radiation pressure)을 이용하여 부양 포획(Leviation trap )을 실현시켰다. 1986년에는 Ashkin박사는 gradient force 만을 이용하여 미세 입자를 포획할 수 있음을 실험적으로 증명하였고, 현재 광학 집게(opticla tweezer)라고 불리우는 방법이 실험실에 탄생하게 된 것이다.

2. 이론적 배경

다음그림은 단일 레이자 빔(single laser beam) 의 초점에 생성되는 gradient force를이용하여 생체분자 또는 유전체 입자 (polystynre bead)를 초점에 포획하는 것을 보여 주고 있다. 또한 즉 광의 집중도가 떨어지는 초점 전 또는 후의 빛이 발산되는 부문에서는 radiation pressure 가 우세함을 표시하고 있다. [그림 1. 왼쪽]

그림 1. (왼쪽) Intensity gradients in the converging beam draw small objects, such as a colloidal particle toward the ,while the beam's radiation pressure tends to blow them down the optical axis. Under conditions where the gradient force dominates, a particle can be trapped in three dimensions near the focal point. (오른쪽) Schematic diagram showing the force on a dielectric sphere due to refraction of two rays of light, 1 and 2. The resultant force on the bead due to refraction is towards the .

그림1의 오른쪽은 두개의 광선 ray 1과 ray 2의 굴절에 의한 유전체구에 작용하는 힘을 나타내고 있다. 초점에 집중하는 광선이 유전체 구면에 도달하면 일부는 반사하고 내부로 진행하는 광선은 Snell 의 법칙을 만족하게된다. [n1 sin(1)= n2 sin(2)]n1, n2는 각각 유체와 유전체구( polystyrene bead) 의 굴절율이고, 1, 2는 각각 구에 입사하는 입사각, 굴절각을 의미하게된다. 유체(물)의 굴절율은 1.3 정도이고 유전체구의 구는 1.5 정도이다. 광 속도는 (c/n)로 주어짐으로 운동량의 변화가 생기고 이러한 결과로 전체적인 운동량의 변화와 힘의 결정된다. 결론적으로, 유전체구에 작용하는 결과힘(resultant forc)은 초점에 모여지는 강한 전자장의 세기의 변화로부터 발생하며, 이는 그림과 같이 유전체구를 초점으로 끌어주게 된다. 그림1의 왼쪽 도면은 광선의 집중하는 정도에 따라 전자장의 변화에 따른 경사힘(gradient force)과, 광이 진행하는 방향으로 작용하는 방사힘(radiant force)의 크기를 초점으로부터의 거리에 따른 위치적인 개념도이다.

(1) 빛을 이용하여 입자를 포획하는 방법:

optical tweezer는 주변의 매질보다 보다 더 큰 굴절율을 가진 광학적으로 투명한 입자들이 최대 레이저 강도를 가지는 초점으로 이끌리게 되는 현상을 이용한 것이다. 초점을 주변으로 옮기게 되면 포획된 입자는 같이 움직이게 된다. 크기가 10nm에서 최대 10micrometer 까지 유전체나 생물체를 잡아 움직일 수 있게 되며, 비록 광학적 힘의 크기가 10-12 newton (pico Newton. pN) 정도이나 생체분자와 같은 micron 크기의 세계에서는 질량에 의한 중력 또는 열에 의한 운동보다는 아주 우세하다.

광학집게는 미세기기를 다루는 데에 있어서 많은 장점이 있다. 즉 직접 물리적인 접촉이 없는 미세기기내의 기어를 조작하고 각각 다른 두 trap 지점의 두개의 입자들을 동시에 회전시키고, 방향을 고정할 수도 있고, 또한 두개의 입자들을 같이 합쳐 하나의 결합체로 만들 수 있다.

다음의 왼쪽 그림은 flagellum를 이용하여 coverglass 위에 부착된 생체분자 (E. coli cell)를 small bead를 다시 부착시키고 laser 광으로 붙잡고 회전시키는 것을 나타내어주고 있다. 오른쪽 그림은coverglass에 F1-ATPase가 부착되고 가운데 위치한 g-subunit 가 광에 의하여 회전함을 보혀주고 있다.

그림 2. (왼쪽) Bacterial flagellar motor. An E. coli cell is anchored to the surface of a coverglass via its flagellum and rotates around the point of attachment. The cell body pushes against the trapped bead. (오른쪽) The F1- ATPase is anchored to the surface of a coverglass. The rotation of its -subunit (in the center of the molecule) relative to the rest of the molecule is visualized by an attached to fluorescent actin filament

orbital angular momentum ( 궤도 각 운동량 )은 광의 기울어진 wavefronts 특성과 아주 밀접한 관계가 있다. spin 운동량은 photon 하나당 그 크기는 h/2? 로 주어지나 특히 레이저 빔의 일반적인 평면 진행 특성파는 Gausian waveform을 가지고 있으며, 궤도 운동량을 가진 LG (Lauguerre_Gausian Mode) 빔은 광자 하나 당 가지는 운동량 h/2? 보다 큰 궤도 각 운동량을 가지며 optical vortex를 형성하게 된다. 큰 궤도 각 운동량은 미세 입자들을 회전 시킬 만큼의 큰 회전력(torque)을 가지고 있다.

(2) piconewton level 의 photonic force 의 model

일반적으로 초점에 trap 되는 유전체구로서 polystyrene bead를 사용하며 이러한 현상은 광학적 힘(photonic force)의 복원력과 상관되어져 F = -kx 로 주어진다. 여기에서 k는 trap stiffness 라고 불리우며 이러한 개념을 이용하여 마이크론 크기의 구를 약 10 nm 의 정확도까지 측정 가능하다. Trap stiffness 는 광학 집게(optical tweezer)의 구조와 bead의 크기에 따라 결정되어지며 일반적으로는 약 50 pN/mm 주어지며 해상도는 0.5 pN 정도이다.

3. 응용

지난 약 20년간 optical tweezer는 생물학에 있어서 molecular motor, 물리학의 Bose-Einstein condensation 분야의 실험에까지 아주 다양하게 이용되어 왔다.

optical tweezer의 가장 중요한 특성은 생체시스템의 외부 세계와의 물리적인 접촉을 하지 아니하고 제어 및 조작이 가능하다는 것이다. 즉 미세 유체기기와 병합한 optical tweezer는microfluidic device 내의 microchannel 의 막힌 부문을 광학적으로 제거하고 수리하는 기능을 가지고 있다. 또한 micropump, micro valve 와 같은 미세부품 제작, 수선 등 의 중요한 기반 기술이 되며 광을 이용한 분석용 microarray는 lab-on-a -chip 기술의 중요한 한 부속품이 될 것이다. 이러한 미세기기의 제작을 위하여서 병렬형 trap array를 만들어 시도하고 있다. 이러한 초미세공간(nanoscale region)에서 단일 분자(single molecule)를 제어 하고 분석하는 문제점은 두가지로 나누어진다. 첫째 기존의 laser trapping 방법은 초점의 공간이 광학축으로 약 ( 1- 1.5 ) micrometer 길게 타원형의 공간을 만들어 비교적 넓고 single molecule trap 에는 trap 공간이 너무크다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여서 소멸파 또는 근접장 파의 특성 즉 진행방향으로 파장의 해당하는 거리에서 기하급수적으로 소멸하는 특성을 이용하면 나노스케일의 공간에서 단일 분자 즉 DNA 와 같은 아주 작은 분자들을 제어할 수 있다.

두번째 문제로서는 trap과 같이 화학적, 물리적으로 분석하는 기술에 있어서 trap은 beam의 세기가 분석하는 beam 보다 최소한 10배이상 커야 한다는 것이다. 따라서 분석시에 많은 noise 가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위하여서는 각각 다른 probe 즉 trapping probe와 analysis probe를 따로 사용하는 spatially separated probe 방식이 있다. 또 다른 하나의 방식은 시간적인 차이를 두고 trapping beam과 analysis beam을 주사하는 기술인데 이에는 trapped 분자가 분석기간 동안 확산되지 아니하고 계속 trap 되어질 수 있느냐 하는 문제점이 있다.

끝으로 이러한 기술의 발전은 10내지 20년 사이에 원격 진단기기의 개발 및 특히 치료분야에 있어서 물리적인 접촉 방식이 아닌 광을 비추어 진단하고 외과 수술을 행하는 Toulchless Surgery 기술이 개발 시행 될 것으로 보인다.

References

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