광학 핀셋

광학 핀셋(원래 단일 빔 경사력 트랩이라고 불림)은 고도로 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용하여 원자, 나노 입자 및 물방울과 같은 미세한 물체를 핀셋과 유사한 방식으로 잡고 움직이는 과학 기구입니다.만약 물체가 추가적인 지지 없이 공기나 진공에 고정되어 있다면, 그것은 광학 부상이라고 불릴 수 있다.

레이저광은 입자와 주변 매체 간의 상대 굴절률에 따라 매력 또는 반발력(일반적으로 피코뉴턴 정도)을 제공합니다.빛의 힘이 중력에 대항할 경우 부상할 수 있습니다.갇힌 입자들은 보통 미크론 크기이거나 더 작다.유전체나 흡수 입자도 갇힐 수 있습니다.

광학 핀셋은 생물학 및 의학(예를 들어 단일 박테리아, 정자 세포 또는 혈액 세포와 같은 세포, 또는 DNA와 같은 분자를 잡고 보유하기 위해), 나노 공학 및 나노 화학(단일 분자에서 물질을 연구하고 만드는 데), 양자 광학 및 양자 광학(단일 입자와 끈의 상호작용을 연구하기 위해)에 사용된다.ht) Arthur Ashkin에 의한 광학 트위징의 개발은 2018년 노벨 물리학상을 수상했다.

역사와 발전

미크론 크기의 입자에 대한 광학 산란과 경사력의 발견은 벨 ^[1]연구소에서 일하는 과학자 아서 애쉬킨에 의해 1970년에 처음 보고되었다.몇 년 후, 애쉬킨과 동료들은 현재 일반적으로 광학 트위저라고 불리는 것, 즉 현미경 입자를 ^[2]3차원으로 안정적으로 유지할 수 있는 촘촘하게 집중된 빛의 빔에 대한 첫 번째 관찰을 보고했다.2018년, Ashkin은 이 개발로 노벨 물리학상을 수상했다.

1986년 논문의 저자 중 한 명인 Steven Chu는 중성 ^[3]원자의 냉각과 포획에 관한 그의 연구에서 광학 트위싱을 계속 사용할 것이다.이 연구로 추 교수는 1997년 클로드 코헨 타누지, 윌리엄 D와 함께 노벨 물리학상을 수상했다. 필립스^[4]인터뷰에서 스티븐 추는 애쉬킨이 어떻게 ^[5]원자를 가두는 방법으로 광학 트위싱을 처음 상상했는지를 설명했다.애슈킨은 더 큰 입자(지름 10만~1만 나노미터)를 가둘 수 있었지만, 공명 레이저광과 자기 경사 트랩(cf)을 이용해 중성 원자(지름 0.1 나노미터)를 가둘 수 있게 되었다.자기 광학 트랩).

1980년대 후반 Arthur Ashkin과 Joseph M. Dziedzic은 담배 모자이크 바이러스와 ^[6]대장균을 개별적으로 포획하기 위해 이 기술을 생물 과학에 처음으로 적용하는 것을 시연했다.1990년대 이후 카를로스 부스타만테, 제임스 스푸디치, 스티븐 블록과 같은 연구자들은 분자 규모의 생물학적 모터를 특징짓기 위해 광학 트랩 힘 분광법을 최초로 사용했다.이러한 분자 모터는 생물학에서 어디에나 존재하며 세포 내에서 이동과 기계적 작용을 담당합니다.광학 트랩은 이러한 생물 물리학자들로 하여금 단일 분자 수준에서 나노 스케일 모터의 힘과 역학을 관찰할 수 있게 해주었다; 광학 트랩 힘 분광법은 그 이후로 이러한 힘을 생성하는 분자의 확률적 특성에 대한 더 많은 이해를 이끌어냈다.

광학 핀셋은 생물학의 다른 분야에서도 유용한 것으로 입증되었다.그것들은 합성 생물학에서 인공 ^[7]세포의 조직 같은 네트워크를 구축하고, 생화학 ^[7]반응을 시작하기 위해 합성 막을^[8] 함께 융합하기 위해 사용됩니다.그들은 또한 유전자 연구와 염색체 구조와 역학 ^[10]연구에 널리 사용된다.2003년에 광 핀셋의 기술은 세포 분류 분야에 적용되었다. 표본 영역에 큰 광학 강도 패턴을 생성함으로써 세포 고유의 광학 특성에 ^[11][12]따라 세포를 분류할 수 있다.광학 핀셋은 또한 세포 골격을 탐사하고, 생체 ^[13]고분자의 점탄성 특성을 측정하며, 세포 운동성을 연구하는 데 사용되어 왔다.표적 분자 유도 클러스터링 후 리간드 코팅 나노 입자 클러스터를 광학적으로 포착하고 광학적으로 검출하는 생체 분자 분석법이 2011년에^[14] 제안되어 ^[15]2013년에 실험적으로 입증되었다.

몇몇 다른 업적 또한 2001,[16]트래핑에 강하게 2010,[17][18][19] 큰 정밀도에서 2016[20][21]의 원자들뿐만 아니라 2018[22][23]에 3차원 assemblings의 2차원 배열에 있고 양자 시뮬레이터에서 196의 프로그램 가능 배열을 얻기 위해 그 기술을 이용해서 뒤엉킨 쌍 교류하고 한 원자가 가두고 있다. 2021[24][25][26]에 256원자

2001년에 효과적으로 증명된 카피차-디락은 입자의 빔에 영향을 주기 위해 고정된 빛의 파장을 사용한다.

연구자들은 또한 ^[3][27]연구 예산이 적은 사람들이 사용할 수 있도록 광학 핀셋을 크고 복잡한 기구에서 작고 단순한 기구로 변환하는 작업을 해왔다.주된 과제는 힘 측정과 형광/이미징 데이터를 유체 소자와 결합하여 물체를 포착하거나 조건을 조작하는 것이다.

물리

개요

광학 핀셋은 고집중 레이저 빔을 통해 극소량의 힘을 가함으로써 나노미터와 미크론 크기의 유전체 입자를 조작할 수 있다.빔은 일반적으로 현미경 목표를 통해 전송함으로써 초점이 맞춰집니다.빔 웨이스트라고 하는 초점 빔의 가장 좁은 점은 매우 강한 전계 구배를 포함합니다.유전체 입자는 빔의 중심인 가장 강한 전계 영역으로 구배를 따라 흡인된다.또한 레이저광은 빔의 전파 방향을 따라 빔의 입자에 힘을 가하는 경향이 있습니다.이것은 운동량의 보존에 기인한다: 작은 유전체 입자에 의해 흡수되거나 산란된 광자는 유전체 입자에 운동량을 전달한다.이를 산란력이라고 하며 그림과 같이 입자가 빔 웨이스트의 정확한 위치에서 약간 하류로 이동하게 됩니다.

광학 트랩은 매우 민감한 기기이며 서브미크론 유전체 ^[28]입자의 서브나노미터 변위를 조작 및 검출할 수 있습니다.이러한 이유로, 그들은 종종 그 분자에 부착된 구슬과 상호작용함으로써 단일 분자를 조작하고 연구하는데 사용된다.DNA와 그것과 상호작용하는 단백질과^[29] 효소는 일반적으로 이런 방식으로 연구된다.

정량적 과학적 측정의 경우 대부분의 광트랩은 유전체 입자가 트랩 중심에서 거의 떨어지지 않도록 작동됩니다.그 이유는 변위가 작은 한 입자에 가해지는 힘은 트랩의 중심으로부터의 변위에 대해 선형이기 때문이다.이런 식으로 광학 트랩은 후크의 법칙을 따르는 단순한 스프링에 비유할 수 있습니다.

상세도

광학적 포획 동작의 적절한 설명은 포획된 입자의 포획에 사용되는 빛의 파장에 대한 상대적인 크기에 따라 달라집니다.입자의 치수가 파장보다 훨씬 큰 경우에는 간단한 광선 처리로도 충분하다.빛의 파장이 입자 치수를 크게 초과하면 전계 내에서 전기 쌍극자로 취급할 수 있다.트래핑 빔 파장의 크기 순서 내에서 치수의 유전체 물체의 광 트래핑의 경우, 유일하게 정확한 모델은 적절한 경계 조건을 사용하여 시간 의존형 또는 시간 조화형 맥스웰 방정식의 처리를 포함한다.

광선 광학

포착된 입자의 지름이 빛의 파장보다 훨씬 큰 경우에는 광선광학으로 포착 현상을 설명할 수 있다.그림과 같이 레이저에서 방출되는 개별 광선은 유전체 비드에 들어가고 나올 때 굴절됩니다.그 결과 광선은 원래와는 다른 방향으로 방출됩니다.빛에 관련된 운동량이 있기 때문에, 이 방향의 변화는 운동량이 변화했음을 나타냅니다.뉴턴의 제3법칙으로 인해 입자에 동등하고 반대되는 운동량 변화가 있을 것이다.

대부분의 광트랩은 가우스 빔(TEM₀₀ 모드) 프로파일 강도로 작동합니다.이 경우 그림의 오른쪽 부분과 같이 입자가 빔의 중심에서 변위하면 트랩의 중심으로 되돌아가는 순력이 생긴다.이는 트랩의 중심보다 더 강한 빔이 트랩의 중심을 향해 더 큰 운동량 변화를 주고 트랩에서 더 작은 운동량 변화를 주기 때문이다.중심. 순 운동량 변화 또는 힘은 입자를 트랩 중심으로 되돌립니다.

입자가 빔의 중심에 위치할 경우 개별 광선이 대칭으로 입자를 통해 굴절되어 순 횡력이 발생하지 않습니다.이 경우 순력은 트랩의 축방향에 따라 레이저광의 산란력을 상쇄합니다.이 축방향 경사력이 산란력에 의해 상쇄됨으로써 비드가 빔 웨이스트의 약간 하류에 안정적으로 갇히게 됩니다.

표준 핀셋은 중력 방향으로^[30] 전파되는 포획 레이저로 작동하며 반전 핀셋은 중력에 대항해 작동합니다.

전기 쌍극자 근사

포착입자의 지름이 빛의 파장보다 현저히 작을 경우 레일리 산란 조건을 충족시켜 불균일한 전자장에서의 점 쌍극자로 취급할 수 있다.전자기장의 단일 전하에 가해지는 힘을 로렌츠 힘이라고 합니다.

$\displaystyle \mathbf {F_{1} =q\left(\mathbf {E}(\mathbf {x} _{1})+{\frac {dt}\times \mathbf {B} \오른쪽).}$

다이폴에 가해지는 힘은 위의 방정식의 전장에 대해 전하마다 하나씩 두 개의 항을 대입하여 계산할 수 있습니다.쌍극자의 편광은 p ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle q\mathbf{}}$ d$,$ ${\displaystyle$ \$mathbf {$p} $=q\mathbf${$d},}$입니다. $여기$서$$d {\$displaystyle \mathbf {d}$는 두 전하 사이의 거리입니다.점 쌍극자의 경우 ${\displaystyle {}_{}}$는 $x{\displaystyle {\mathbf{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathbf{}}_{}{}_{}}$- ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ 2${\displaystyle {}_{}}$ ${{displaystyle \mathbf {x} _{1}-\mathbf {x}$ _$$${2}$ 두 전하가 반대 부호를 갖는 것을 고려하면 힘은 형태를 취한다.

$(\displaystyle {displaystyle {f}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {x} _{1} )-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2} + {\frac {d(\mathbf {x} _{1} - {d}) {d}) {d})\&=q\left(\mathbf {E}(\mathbf {x} _{1} +\left(\mathbf {x} _{1} -\mathbf {x} _{2})\cdot \cdla \right)\mathbf {E}(\mathbf {E} _1\fright)\\\end {aligned}}$

${\displaystyle {E\mathbf{}}_{}}$ 1$(\$이$($가) 소거됩니다.전하$q{\displaystyle }$ {$style$q$\}$를 곱하면 $위치{\displaystyle \mathbf{}}$x {\$displaystyle \mathbf {x$가 편광 p$${\$displaystyle \mathbf {p$로 변환됩니다.

${\displaystyle {displaystyle \mathbf {F} &=left(\mathbf {p} \cdot \cdot \cdla \right)\mathbf {p} {dt} \times \mathbf {B} \\&=alpha left \[\mathbf {D}$

여기서, 두 번째 등식에서, 유전체 입자는 선형이라고 가정되었다($즉{\displaystyle \mathbf{}}$, p $=$ ${\displaystyle \alpha \mathbf{}}$E {\$displaystyle \mathbf {p$} =\$alpha \mathbf {E}$}).

마지막 단계에서는 (1) A Vector Analysis Equality, (2) 패러데이의 유도 법칙의 두 가지 등식이 사용됩니다.

1. $\displaystyle \left(\mathbf {E} \cdot \cdla \right)\mathbf {E} = \sqla \left\frac {1}{2} - \mathbf {E} \times \left(\la \times \mathbf {E} \right)$
2. $\displaystyle \times \mathbf {E} =-{\frac \frac \mathbf {B} {\frac t}}$

첫째, 벡터 등식은 위의 힘 방정식의 첫 번째 항에 삽입될 것이다.맥스웰 방정식은 벡터 등식의 두 번째 항으로 대체될 것이다.그러면 시간 미분을 포함하는 두 항을 하나의 ^[31]항으로 결합할 수 있습니다.

${\displaystyle {displaystyle {frac {1}{2}} - \mathbf {E} \times \left(\displayla \times \mathbf {E} \right) + {\frac {d\mathbf {E} \times} \times\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}-\mathbf {E} \times \frac {d\mathbf {B} {dt}}\right} + {\frac {d\mathbf {E} {d}}}\times\mathbf} \times {E} \t} \t} \times {Right}\&=\alpha \left [{\frac {1}{2}\frac E^{d}+{\frac {dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\]\\\end {aligned}}$

마지막 등식의 두 번째 항은 표면을 통과하는 단위 면적당 힘을 설명하는 포인팅 벡터에 대한 곱셈 상수를 통해 관련된 양의 시간 미분입니다.레이저¹⁴ 빛의 주파수 ~ 10Hz보다 훨씬 긴 주파수에서 샘플링할 때 레이저의 힘은 일정하기 때문에 이 항의 도함수는 평균 0이며 힘은 다음과^[32] 같이 쓸 수 있습니다.

${\displaystyle \mathbf {F} = flac {1} {2} \ alpha \ pi n _ { 0 } a ^ {3} {c}} \ flac { m^ {2} + 2 } \ right } \ flac I ( \ mathbr ) 、 。$

$여기$서 두 번째 부분에는 구형 유전체 입자의 유도 쌍극자 모멘트(MKS 단위)를 포함했다. $p{\displaystyle \mathbf{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \alpha \mathbf{}}$E (${\displaystyle r}$ ,${\displaystyle }$t ) ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 4}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {n\mathrm{}}_{}^{}}$ 0 ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ 0 ${\displaystyle {}_{}{}^{}}$ ${\displaystyle {3\mathrm{}}^{}}$( ${\displaystyle {}^{}{2\mathrm{}}^{}}$ -${\displaystyle 1}$)${\displaystyle }$/ ( ${\displaystyle {}^{}{2\mathrm{}}^{}}$ +${\displaystyle 2}$ ) ${\displaystyle E\mathbf{}}$($r$ , ${\displaystyle t}$) = \ $mathbf { e }$$\mathbf {E}(\mathbf$ {r$}(\$mathbf ${$r},$t$ ($여기서 {displaystyle$ a$}$는 입자의 반지름, ${\displaystyle {n\mathrm{}}_{}}$0(\$displaystyle n_{0})$은 입자의 굴절률, m ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle {n\mathrm{}}_{}}$ 0${\displaystyle {}_{}{n\mathrm{}}_{}}$1(\$displaystyle$ m=$n_0}/n_{$1})은$$ 입자와 매체 사이의 상대 굴절률)이다.전계 진폭의 제곱은 위치의 함수로서 빔의 강도와 같습니다.따라서 이 결과는 점 쌍극자로 취급될 때 유전체 입자에 가해지는 힘이 빔의 강도에 따른 기울기에 비례한다는 것을 나타낸다.즉, 여기서 설명하는 경사력은 입자를 가장 강도 높은 영역으로 끌어당기는 경향이 있다.실제로 빛의 산란력은 트랩의 축방향의 경사력에 반하여 작용하여 최대 강도의 약간 하류로 변위하는 평형위치가 된다.레일리 근사 아래, 우리는 또한 산란력을 다음과 같이 쓸 수 있다.

${\displaystyle \mathbf {F} _{\text{f}(\mathbf {r}) = pi cn_{0}^{3}\aphilon _{0}{2}I(\mathbf {r}) {\hatz} = frac {0pi {4} {k}}$

산란은 등방성이기 때문에 순운동량은 전진방향으로 전달된다.양자 수준에서 우리는 동일한 광자가 동시에 생성되고 소멸되는 전방 레일리 산란으로 경사력을 상상하고, 산란(방사)에서는 입사 광자가 동일한 방향으로 이동하며 동위원소적으로 '산란'한다.운동량을 보존함으로써, 입자는 광자의 원래 모멘타를 축적해야 하며,^[33] 후자에 전진력을 발생시킨다.

고조파 전위 근사

가우스 빔에서 원자의 상호작용을 연구하는 유용한 방법은 원자가 경험하는 강도 프로파일의 고조파 전위 근사치를 보는 것입니다.2-레벨 원자의 경우, 경험되는 잠재력은 AC 스타크 시프트와 관련이 있습니다.

$\displaystyle \mathbf\Delta E_{\text{\text}AC Stark}}=mathbfrac {3\pi c^{2}\Gamma \mu }{2\Omega _{0}^{3}\mathbf {I(r,z)}}$

$\gamma {\displaystyle \mathrm{}}${ $displaystyle$$$\ $Gamma }$ 、$$μ { \ $displaystyle$ \ mu$$ $}$ 、 ${\displaystyle o_{}}${ $displaystyle$ \ $o }$ 、$${\ $frequency{\displaystyle }$ frequency {\ {\ {\ {\ 、 ${\$ \ $displaystyle$\$delta }$는 $레이저{\displaystyle }$ 주파수와 전이 프리와의 디튜닝 또는 차이입니다.quency.

가우스 빔 프로파일의 강도는 파장$({\displaystyle }$ ${\displaystyle )}$ $)(\displaystyle$(\$lambda$ 최소 허리$({\displaystyle }$ ${\displaystyle w_{}}$o$$)(\$displaystyle (w_{o$ 및${\displaystyle }$빔의 전력( ${\displaystyle P_{}}$ ${\displaystyle o}$$$)($P_{o$으로 특징지어집니다.다음 공식은 보 종단을 정의합니다.

${\displaystyle I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}}}}}}$

${\displaystyle w(z)=w_{0}{\displayrt {1+\leftfrac}\frac {z}{z_{R}}\right}{2}}$

${\displaystyle z_{R}=blac {pi w_{0}^{2}}{\displayda }}$

${\displaystyle P_{0}=pi frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^2}$

빔의 반경 및 축 방향 모두에서 이 가우스 전위를 근사하려면 강도 프로파일을 r ${\displaystyle =}$ {$displaystyle$ r$=$ $0{\displaystyle }$ ${\$${\displaystyle \mathrm{displaystyle}}$ z=0} 및 z $=$ 0 {\displaystyle z$=0}$에 $대해{\displaystyle }$$$z {\$displaystyle$ r$$$}$의 ${\displaystyle 2차}$까지 확장해야 하며 고조파 ${\displaystyle \frac{\mathrm{전위}}{}}$와 동일해야 합니다.${\displaystyle (}$ ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}{}^{}}$ 2${\displaystyle {}^{}{z\mathrm{}}^{}}$ 2 + ${\displaystyle {}_{}^{}{}^{}}$ ${\displaystyle {r\mathrm{}}^{}}$ 2 $r$2$$) { displaystyle {$frac {1}$ {2} m ( \ $메가$_ {$z$}^2$}$ $z^{2}$ + \ $메가$_ {$r }^{$2}$r^{2}$} $。$이러한 확장은 고정 전력을 가정하여 평가됩니다.

${\displaystyle\frac{1}{2!}}{\frac {\frac ^{2}I}{\partial z^{2}}{\Biggr}_{r,z=0}z^{2}=blac{2}P_{0}\lambda^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}=paramfrac {1}{2}m\opega _{z}^{2}z^{2}}$

${\displaystyle\frac{1}{2!}}{\frac {\frac ^{2}I}{\partial r^{2}}{\Biggr}_{r,z=0}r^{2}=blac{4}P_{0}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}=pic frac {1}{2}}m\omega _{r}^2}r^{2}}$

즉, 고조파 주파수(또는 원자의 광트랩을 고려할 때는 트랩 주파수)를 해결할 때 주파수는 다음과 같이 지정됩니다.

$\displaystyle \mega _{r}=\frac {8}이(가) 없습니다.P_{0}}{\pi mw_{0}^4}}}}}$

$\displaystyle \mega _{z}=\frac {4}이(가) 없습니다.P_{0}\lambda^{2}}{m\pi^{3}w_{0}{6}}}}$

반지름 및 축 방향에 대한 상대 트랩 주파수가 빔 허리 척도의 함수로서 다음과 같이 되도록 합니다.

${\displaystyle {\frac _{r}}{\opega _{z}}=blacrt {2}{\frac {w_{0}\pi}{\pi}}{\flacda }}}$

광부상

입자를 공중에 띄우기 위해서는 아래쪽으로 내려가는 중력은 광자 운동량 전달에서 발생하는 힘에 의해 대항해야 한다.일반적으로 충분한 강도의 집속 레이저 빔의 광자 방사 압력은 하향 중력에 대항하는 동시에 작은 입자를 현탁 상태에서 고정할 수 있는 안정적인 광학 트랩을 가능하게 하는 측면(측면 대 측면) 및 수직 불안정성을 방지한다.

이러한 유형의 실험에는 용융 실리카 구체, 기름 또는 물방울과 같은 마이크로미터 크기의 투명 유전체 구(지름 수~50마이크로미터)가 사용됩니다.레이저 방사선은 아르곤 이온 레이저 또는 조정 가능한 염료 레이저와 같은 파장에서 고정될 수 있습니다.필요한 레이저 전력은 수십 마이크로미터의 스폿 크기에 초점을 맞춘 약 1와트입니다.구형 광학 공동에서 형태학에 의존하는 공명과 관련된 현상은 여러 연구 그룹에 의해 연구되었다.

금속 미세구 등 빛나는 물체의 경우 안정적인 광학 부상이 이루어지지 않았습니다.거시적 물체의 광학부상도 이론적으로 ^[34]가능하며 나노구조에 ^[35]의해 증강할 수 있다.

부유에 성공한 재료로는 흑액, 산화알루미늄, 텅스텐, ^[36]니켈 등이 있다.

셋업

가장 기본적인 옵티컬(광학식) 트위저 설정에는 레이저(보통 Nd:빔 익스팬더, 샘플 평면에서의 빔 위치 조향을 위해 사용되는 일부 광학, 샘플 평면에서의 트랩을 만들기 위한 현미경 목적 및 응축기, 빔 변위를 측정하기 위한 위치 검출기(예: 사분면 포토다이오드), CCD 카메라에 결합된 현미경 조명원.

Nd:YAG 레이저(1064 nm 파장)는 생물학적 시료 작업에 사용되는 일반적인 레이저입니다.이는 이러한 시료(대부분 물)가 ^[37]이 파장에서 흡수 계수가 낮기 때문이다.생물학적 물질(때로는 시신경이라고도 함)의 손상을 최소화하기 위해 낮은 흡수가 바람직하다.아마도 광학 트위저 설계에서 가장 중요한 고려사항은 목적의 선택일 것입니다.안정된 트랩은 목표물의 수치 개구부(NA)에 의존하는 경사력이 산란력보다 클 것을 요구한다.적절한 목표는 일반적으로 1.2와 1.4 ^[38]사이의 NA를 갖는다.

대체 방법이 사용 가능하지만, 위치 검출을 위한 가장 간단한 방법은 샘플 챔버에서 나오는 트랩 레이저를 사분면 포토 다이오드로 촬영하는 것입니다.빔의 가로 방향 편향은 원자력 현미경법(AFM)을 사용하여 측정하는 방법과 유사하게 측정됩니다.

레이저에서 방출되는 빔을 확장하여 대상물의 구멍을 채우면 더 촘촘하고 회절 제한이 있는 ^[39]스팟이 생성됩니다.샘플에 대한 트랩의 횡방향 변환은 현미경 슬라이드의 변환으로 실행할 수 있지만, 대부분의 트위저 설정에는 빔을 변환하도록 설계된 추가 광섬유가 있어 번역의 자유도를 높일 수 있습니다.이 작업은 그림에서 "빔 스티어링"으로 표시된 두 렌즈 중 첫 번째 렌즈를 번역하여 수행할 수 있습니다.예를 들어, 이 렌즈가 가로 평면에서 변환되면 그림에 그려진 빔에서 가로 방향으로 편향되는 빔이 발생합니다.빔 조향 렌즈와 목표 사이의 거리를 적절하게 선택한 경우, 이는 목표를 입력하기 전에 유사한 처짐과 그에 따른 수평 변환에 해당하게 된다.광트랩의 초점인 빔 웨이스트의 위치는 초기 렌즈의 축방향 변위에 의해 조정될 수 있습니다.이러한 축방향 변위는 빔을 분산시키거나 약간 수렴하게 하고, 그 결과 샘플 ^[40]챔버 내의 빔 웨이스트의 축방향 변위 위치가 됩니다.

샘플 평면의 시각화는 보통 이색미러를 사용하여 반대 방향의 광로에 결합된 별도의 광원을 통해 조명을 통해 이루어집니다.이 빛은 CCD 카메라에 입사하여 외부 모니터로 표시하거나 비디오 추적을 통해 포착된 입자의 위치를 추적하는 데 사용할 수 있습니다.

대체 레이저 빔 모드

대부분의 광 핀셋은 기존의₀₀ TEM 가우스 빔을 사용합니다.그러나 고차 레이저 빔을 포함한 많은 다른 빔 유형이 입자를 가두는 데 사용되었습니다.Hermite-Gaussian 빔(TEM_xy), Laguerre-Gaussian(LG) 빔_pl(TEM) 및 Bessel 빔.

Laguerre-Gauss 빔을 기반으로 한 광학 핀셋은 광학적으로 반사되고 ^[41][42][43]흡수되는 입자를 잡는 독특한 기능을 가지고 있습니다.라게르-가우스 빔은 ^[44][45]입자를 회전시킬 수 있는 명확한 궤도 각 운동량도 가지고 있습니다.이 작업은 빔의 외부 기계적 또는 전기적 스티어링 없이 수행됩니다.

0차 이상의 베셀 빔은 모두 독특한 트위징 기능을 가지고 있습니다.그들은 밀리미터 간격으로 심지어 ^[46]장애물 주위에 있는 여러 개의 입자를 가두고 회전시킬 수 있다.

마이크로머신은 빛의 스핀과 궤도 각운동량 때문에 고유의 회전 메커니즘으로 인해 이러한 독특한 광학 빔에 의해 구동될 수 있습니다.^[47]

멀티플렉스 광학 핀셋

일반적인 셋업에서는 1개의 레이저를 사용하여1개 또는 2개의 트랩을 만듭니다.일반적으로 레이저 빔을 2개의 직교 편광 빔으로 분할하여 2개의 트랩이 생성됩니다.3개 이상의 트랩을 사용한 광 핀셋 조작은 1개의 레이저 빔을 여러 개의 광 핀셋 ^[48]간에 시분할하거나 여러 개의 트랩으로 회절 분할함으로써 실현할 수 있습니다.음향 광학 디플렉터 또는 검류계 구동 미러를 사용하면 단일 레이저 빔을 초점 평면 내의 수백 개의 광학 핀셋 간에 공유하거나 확장된 1차원 트랩으로 확산시킬 수 있습니다.특별히 설계된 회절 광학 소자는 단일 입력 빔을 임의의 3차원 구성에서 수백 개의 연속 조명 트랩으로 분할할 수 있습니다.트랩 형성 홀로그램은 또한 각 트랩의 모드 구조를 개별적으로 지정할 수 있으므로 예를 ^[49]들어 광학 소용돌이, 광학 핀셋, 홀로그래픽 라인 트랩의 어레이를 만들 수 있습니다.공간광변조기와 함께 구현될 때, 이러한 홀로그래픽 광학 트랩은 또한 물체를 ^[50]3차원으로 움직일 수 있다.강도와 위상의 부드러움이 제어되는 임의의 공간 프로파일을 가진 고급 형태의 홀로그래픽 광학 트랩은 미세 조정에서 초경량 ^[51]원자까지 과학의 많은 분야에서 응용될 수 있습니다.초강력 원자는 양자 ^[52]컴퓨터의 실현에도 사용될 수 있다.

싱글 모드 광섬유

표준 광섬유트랩은 광트랩과 같은 원리에 의존하지만 광섬유를 통해 전달되는 가우스 레이저 빔에 의존합니다.광섬유의 한쪽 끝을 렌즈상 패싯으로 성형하면 싱글 모드 표준 파이버에 의해 반송되는 거의 가우스 빔은 파이버 선단으로부터 어느 정도 떨어진 곳에 집속됩니다.이러한 어셈블리의 효과적인 수치 개구부는 일반적으로 완전한 3D 광학 트랩을 허용하기에 충분하지 않고 2D 트랩에만 사용됩니다(광학적 트래핑과 물체의 조작은 표면이 ^[53]접촉하는 경우에만 가능합니다).파이버 선단에 거의 접촉하지 않는 트래핑 포인트를 가진 단일 파이버에 기초한 진정한 3D 광학 트래핑은 비표준 고리형 코어 파이버 배치 및 전체 내부 반사 ^[54]형상을 기반으로 실현되었습니다.

한편, 파이버의 단부가 성형되어 있지 않으면, 파이버로부터 나오는 레이저가 발산하기 때문에, 파이버의 마주보는 양단으로부터의 경사도와 산란력의 밸런스를 취해 안정된 광트랩을 실현할 수 있다.경사력은 입자를 가로 방향으로 가두는 반면, 축 광학력은 두 개의 섬유에서 나오는 두 개의 반대 전파 빔의 산란력에서 나옵니다.이러한 갇힌 비드의 평형 z 위치는 두 산란력이 서로 동일한 지점입니다.이 작품은 A가 개척한 것입니다.경찰 등, Opt. 18,1867(1993)에 이어 J.국 등, 물리 이 기술을 사용하여 미립자를 늘린 목사 84, 5451(2000).입력 전력을 섬유 양끝으로 조작함으로써, 다른 개별 세포골격 표현형(즉, 인간 적혈구와 마우스 섬유아세포)을 구별하기에 충분한 감도로 세포의 점탄성 특성을 측정하는 데 사용할 수 있는 "광학적 신장"이 증가할 것이다.최근 실시된 한 실험은 암세포와 비암세포를 서로 반대되는 두 개의 비집중 레이저 ^[55]광선에서 구별하는 데 큰 성공을 거두고 있다.

멀티모드 광섬유 기반 트랩

이전 버전의 광섬유 기반 레이저 트랩은 싱글 모드 빔만을 사용했지만, M. Kreysing과 동료들은 최근 짧은 광섬유 조각에서 추가적인 광모드를 주의 깊게 들뜨게 함으로써 단순한 트래핑 지오메트리를 실현할 수 있다는 것을 보여주었다.이를 통해 연구자들은 현미경에서 다양한 인간 세포 유형(개별 세포와 군집)의 위치를 파악할 수 있었다.표준 광 핀셋에 비해 이른바 "광학 셀 회전 장치" 기술의 주요 장점은 이미지 광학에서 트랩을 분리하는 것입니다.이 모듈러형 설계와 생물학적 재료와의 높은 호환성은 의학 연구 및 생명 ^[56]과학에서 이 새로운 세대의 레이저 트랩의 큰 가능성을 보여줍니다.최근에는 적응광학을 기반으로 광셀 회전 장치 기술이 구현되어 작동 중 광트랩을 동적으로 재구성하여 ^[57]샘플에 맞게 조정할 수 있게 되었습니다.

셀 정렬

가장 일반적인 세포 분류 시스템 중 하나는 형광 이미징을 통한 흐름 세포 측정법을 사용한다.본 발명의 방법에서는 어시스트 플로우 중에 각 셀의 특정 형광 특성에 근거하여 생물 셀의 현탁액을 2개 이상의 용기로 분류한다.셀이 "가둬진" 전하를 사용함으로써 셀은 형광 강도 측정에 따라 분류됩니다.분류 프로세스는 전하를 기반으로 셀을 용기로 전환하는 정전 편향 시스템에 의해 수행됩니다.

광학적으로 구동되는 선별 프로세스에서 셀은 광학 풍경, 즉 2D 또는 3D 광학 격자로 흐른다.유도 전하가 없으면 셀은 고유의 굴절률 특성에 따라 정렬되며 동적 정렬을 위해 재구성할 수 있습니다.광격자는 회절광학 ^[11]및 광학소자를 사용하여 작성할 수 있다.

반면에, K. 라다박 외.는 공간광변조기를 사용하여 명암 패턴을 투영하여 광학적 정렬 프로세스를 ^[58]가능하게 했습니다.K. 샤오, D.G. Grier는 홀로그램 비디오 현미경을 적용하여 이 기술이 크기와 ^[59]굴절률에 대한 1000분의 1 분해능으로 콜로이드 구체를 분류할 수 있다는 것을 증명했습니다.

정렬의 주요 메커니즘은 광학 격자점의 배치입니다.광격자를 통해 셀이 흐를 때 광격자점으로부터의 광구배력(광핀셋의 물리학 참조)과 직접 경쟁하는 입자 항력에 의한 힘이 발생한다.광격자점의 배치를 변경함으로써 광력이 우세하고 편향된 바람직한 광로가 있다.셀 흐름의 도움을 받아 선호되는 광로를 따라 유도되는 결과력이 있습니다.따라서 유량과 광구배력의 관계가 있다.이 두 가지 힘을 조정함으로써 양호한 광학 선별 효율을 얻을 수 있다.

정렬 환경에서 힘의 경쟁은 효율적인 광학 정렬에 성공하기 위해 미세 조정이 필요합니다.그 필요성은 주로 힘의 균형에 관한 것이다; 유체 흐름으로 인한 드래그 힘 및 강도 스폿의 배치로 인한 광학 경사력.

세인트루이스 대학의 과학자들.Andrews는 영국 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC)로부터 광학 분류 기계에 대한 상당한 자금을 지원받고 있습니다.이 새로운 기술은 기존의 형광 활성화 세포 ^[60]분류에 필적할 수 있다.

에버네센트 필드

증발장은 전체^[61] 내부 반사 중에 "누출"되는 잔류 광학장이다.이 빛의 "누출"은 기하급수적인 속도로 사라집니다.에버넨트 분야는 나노미터 해상도 이미징(마이크로스코피)에서 많은 응용 분야를 발견했으며, 광학 마이크로매니플레이션(광 핀셋)은 그 어느 때보다 연구에 관련성이 높아지고 있습니다.

광 핀셋에서는 빛이 광도파로(복수전반사)를 통해 전파될 때 연속 증발장이 생성될 수 있다.결과적으로 발생하는 증발장은 방향 감각을 가지며 그 전파 경로를 따라 미립자를 추진시킬 것이다.이 작품은 S. Kawata와 T에 의해 최초로 개척되었다.1992년 스기우라는 자기장이 100나노미터 ^[62]정도의 입자에 근접하게 결합될 수 있다는 것을 보여주었다.

이 필드의 직접 결합은 프리즘에서 미립자까지의 간격을 가로지르는 광자 터널링의 한 종류로 취급됩니다.그 결과 지향성 광학 추진력이 발생합니다.

최근 갱신된 에바네센트의 필드 광 핀셋은 확장된 광경 패턴을 이용하여 다수의 입자를 도파로를 사용하지 않고 동시에 바람직한 방향으로 유도한다.이것은 렌즈 없는 광학 트래핑(LOT)이라고 불립니다.입자의 질서 있는 이동은 잘 정의된 광전위 웰(도파관 교체)을 만드는 Ronchi Rule의 도입으로 도움이 됩니다.이것은 입자가 선형의 밝은 테두리에 갇히는 동안 증발장에 의해 추진된다는 것을 의미합니다.현재, 집중된 순간적인 분야를 연구하는 과학자들 또한 있다.

최근에 제안된 또 다른 접근방식은 표면 플라스몬을 사용하는데, 표면 플라스몬은 금속/유전체 계면에 국소화된 향상된 증발파이다.평평한 금속/유전체 계면에서 표면 플라스몬에 노출된 콜로이드 입자에 의해 경험된 향상된 힘 장은 처음으로 광력 현미경을 사용하여 측정되었으며, 총 힘 크기는 일반적인 증발파에 ^[63]비해 40배 더 강합니다.표면에 금으로 된 미세한 섬들을 무늬화함으로써 이들 섬들에서 선택적이고 평행한 포획이 가능하다.후자의 광학 핀셋의 힘은 펨토뉴턴 ^[64]범위에 있습니다.

증발장은 또한 광도파관이나 광나노섬유 ^[65][66]표면 근처에 차가운 원자와 분자를 가두는 데 사용될 수 있다.

간접적 접근

UC 버클리 대학의 전기 공학 및 컴퓨터 과학 교수인 Ming Wu는 새로운 광전자 핀셋을 발명했습니다.

Wu는 광전도 표면을 통해 저전력 발광 다이오드(LED)에서 광에너지를 전기에너지로 변환했다.이 아이디어는 LED가 미세한 투영을 통해 광전도 재료를 켜고 끌 수 있도록 하는 것입니다.광학적 투영을 통해 광학적 패턴을 쉽게 변환할 수 있기 때문에 다른 광학적 풍경을 전환하는 높은 유연성을 얻을 수 있다.

조작/트위칭 프로세스는 라이트 패턴에 의해 작동되는 전기장 간의 변화에 의해 수행됩니다.입자는 유도된 전기 쌍극자 때문에 작동 지점에서 끌어당기거나 밀어냅니다.액체 속에 부유된 입자는 전계 구배에 영향을 받기 쉬우며 이를 유전영동이라고 합니다.

한 가지 분명한 장점은 전기 전도율이 셀마다 다르다는 것입니다.살아있는 세포는 낮은 전도성 매체를 가지지만 죽은 세포는 최소한의 전도성 매체를 가지거나 전도성 매체를 가지지 않는다.이 시스템은 약 10,000개의 세포나 입자를 동시에 조작할 수 있을 것이다.

Kishan Dholakia 교수의 이 새로운 기술에 대한 코멘트를 참조하십시오.Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (2005년 8월 1일)뉴스와 뷰

이 시스템은 살아있는 대장균 박테리아와 20마이크로미터 폭의 입자를 10마이크로와트 미만의 광학 출력을 사용하여 이동할 수 있었습니다.이는 [직접] 광학 핀셋에 필요한 전력의 10만분의 1입니다."^[67]

광바인딩

단색 레이저 빔 내에 미립자 클러스터가 갇힐 때, 광학적 포집 내 미립자의 구성은 미립자 간의 광학적 포집력 재분배에 크게 의존한다.미립자 군집 사이의 이러한 빛의 힘의 재분배는 군집 전체에 새로운 힘의 균형을 제공합니다.그래서 우리는 미립자 집단이 빛에 의해 어느 정도 결합되어 있다고 말할 수 있다.광결합의 첫 번째 실험 증거 중 하나는 Michael M.에 의해 보고되었다.번즈, 장막 푸르니에, 그리고 진 에이.골로브첸코는 ^[68]원래 T에 의해 예측되었지만티루나마찬드란.^[69]광결합에 관한 많은 최근 연구 중 하나는 키랄 나노입자 시스템의 경우 결합력의 크기는 레이저 빔의 편광과 상호작용하는 입자 ^[70]자체의 핸드니스에 의존하며, 에난티오머 분리 및 광학 나노 자극과 같은 영역에서 응용될 수 있다는 것을 보여주었다.

형광 광학 핀셋

형광을 나타내는 샘플의 조작과 화상화를 동시에 실시하기 위해 형광 현미경과^[71] 함께 광학 핀셋을 제작하거나 C 트랩^® 등의 일체형 용액으로 제작할 수 있다.이러한 기구는 형광 라벨이 부착된 단일 또는 소수의 생물학적 분자를 연구할 때 또는 형광을 사용하여 갇힐 물체를 추적하고 시각화하는 경우에 특히 유용하다.

이 접근법은 매우 효율적인 다단계 효소적^[72] 접근에 의해 생성된 길고 강한 테더를 사용하여 동적 단백질 복합체의 동시 감지 및 이미징을 위해 확장되었으며,^[73] 작동 중인 세분화 기계의 조사에 적용되었다.

다른 이미징 기술과 결합된 핀셋

'표준' 이외의 형광 광 핀셋은 현재 여러 색상의 Confocal, Widefield, STED, FLET, TIRF 또는 IRM으로 제작되고 있습니다.

이를 통해 단백질/DNA 국재 결합, 단백질 접힘, 운동 단백질 힘 생성, 세포골격 필라멘트 및 운동 역학 시각화, 미세관 역학, 액체 방울(구조학) 조작 또는 융합과 같은 애플리케이션을 사용할 수 있습니다.이들은 상관관계가 없는 '학구적' 설정 및 Lumicks의 C-trap과 같은 완전히 통합된 솔루션에서 구축되고 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 공중부양
• 레이저 기사 목록
• 양자 광학
• 원자 광학
• 양자 제어

레퍼런스

외부 링크

• 비디오: 레이저 빔으로 다이아몬드 부상