Light as a tool -Optical tweezer 화학부 권준엽

History of studying Optical force 케플러가 혜성의 꼬리를 관측 → 혜성의 꼬리가 휘어져 보이는 것은 “태양빛의 압력 때문일 것이다.”로 추측. → 실제 현상은 전혀 다른 것이지만,광압(광력)에 대한 최초의 의문이 되었다. 맥스웰이 빛에 대한 전자기학적 이론을 완성(1873) → 전자기장이 단위부피당 일정한 에너지가 가해지는 것처럼 압력을 가한다.(Radiation pressure) Lebedev, E.F.Nichols와 G.F.Hull이 직접 빛의 압력을 실험적으로 계산해냈다.(1903)

History of studying Optical force 아인슈타인의 광량자설 → 빛을 양자역학적 관점으로 바라볼 수 있게 되었다.(1917) 컴프턴 의 실험- 아인슈타인의 광량자설을 통해 나온 빛의 운동량을 실험적으로 구해 빛의 운동량의 존재를 입증하였다.(1920) http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/modern/light_quantum/photon/photon6.html

Optical trapping A. Ashikin이 입자에 가해지는 Radiation pressure를 계산하던 중, 작은 입자는 작은 질량 때문에, 받는 힘의 크기가 작지만 가속도가 크게 생겨남을 발견하여 이를 이용해 작은 입자를 포획하여 움직일 수 있을 것으로 생각했다. 빛을 이용하여 콜로이드 용액상의 TMV를 하나씩 조작, 이동시키는 것을 성공시킨다.(1981) Steven Chu는 원자에 레이져를 가해 고정시키는 원자냉각(Atom cooling)에 성공한다.(1986) (1997년 노벨 물리학상)

Optical tweezer 빛이 물체를 만나 반사, 굴절하여 진행방향이 바뀐다. → 운동량이 변화한다. → 힘의 방향이 바뀐다. 입자의 크기가 가해지는 빛의 파장보다 크면(r>>λ) 기하광학적으로 적용되며, 입자의 크기가 가해지는 빛의 파장보다 작으면 파동광학적으로 작용한다.(r<<λ)

Optical tweezer 광학집게(Optical tweezer)는 빛과 입자의 관계를 기하광학적으로 이용하여 입자를 포획한다. 입자 내부에서 빛의 운동량 변화로 생겨난 힘의 합이 붙잡는 힘(F trap)이 되어 입자를 빛으로 고정시킬 수 있다.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997) p.4854

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997) p.4854

Requirements for Optical tweezer Gaussian beam의 형태를 갖는 TEM00레이저가 필요하다. → 빛의 밀도(분포)가 균일하면 입자에 작용하는 Gradient force(F grad)가 상쇄되어 없어진다. 입자의 굴절률이 주변(medium)의 굴절률보다 커야 한다.→ 작다면 밖으로 튕겨나간다. 입자에 작용하는 F trap이 입자 내부의 열적요동에 의한 힘, 중력, 액체의 흐름으로부터 가해지는 힘을 모두 합한 것보다 커야 한다.

Applications of Optical tweezer 세포분류(Cell sorting) 작은 힘의 직접적인 측정과 적용 (measurement and Application of small forces) 마이크로칩 상의 작은 입자들의 조작(Manipulation of small particles in microchip) 마이크로 입자들의 실시 3차원적 조작 (4D control of micro-sized particles) 홑분자 분광학의 핵심 도구 (Tool for Single molecule spectroscopy.)

Limitations of current Optical tweezer. 파장이 긴 IR laser를 사용하지만 밀도(Intensity)가 높은 지점에서는 에너지가 크기 때문에 생체분자를 파괴하거나 변형시킬 우려가 있다. 굴절률이 주변의 용매(medium)에 비해 작다면, 입자를 붙잡을 수 없다. 입자가 빛을 반사하거나 흡수한다면 Scattering force와 Absorption force가 F grad를 넘어서기 때문에 붙잡을 수가 없다. 크기가 작은 보통의 분자에는 적용할 수 없다.

Progress for Opitcal tweezer Non-Gaussian beam을 이용한 Optical trapping에 대한 연구가 진행중이다. TEM01방식의 도넛형의 laser(ex. Photonic-crystal laser)를 사용해서 입자를 빛의 Intensity가 높은 지점을 피하게 하여 붙잡을 수 있다.

Electronics letters Vol.43 No.2

Progress for Opitcal tweezer 금속입자는 빛을 반사하기 때문에 지금까지는 빛이 입자와 만나서 생기는 Repulsive force를 이용해서 입자를 고정하였다. 금속입자 표면에서 Surface plasmon에 의해 유도된 Creeping wave를 사용하면, 보통의 광학집게처럼 F grad를 만들 수 있다.

Optics Letters Vol.23 No.3 p.218