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Jan 20, 2024

벡터 구조광을 이용한 광학 트래핑 및 형광 제어

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17690(2022) 이 기사 인용

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여기서 우리는 나노 크기의 양자점으로 마이크로 크기의 폴리머 비드를 기능화하고 모든 디지털 전 광학 구성에서 현장 형광 측정을 통해 광학 트래핑 및 트위징을 시연합니다. 우리는 광학 트래핑 환경을 비활성화하는 것부터 크기, 접착 및 응집 제어에 이르기까지 이를 촉진하는 데 필요한 화학의 개요를 설명합니다. 벡터 구조의 빛을 활용하는 새로운 홀로그램 광학 트래핑 설정을 소개합니다. 이를 통해 균일한 조명과 맞춤형 강도 그라데이션 환경을 위한 전파 불변 플랫탑 빔을 포함하여 순수 스칼라에서 순수 벡터로 조정 가능한 형태의 빛을 전달할 수 있습니다. 마지막으로, 우리는 이것이 어떻게 비선형 효과가 아닌 선형(공간 모드)에 의해 단일 파장 트랩에서 표백을 억제하여 화학용 광학 분야의 초기 분야를 발전시킬 수 있는지 보여줍니다.

광학 트래핑 또는 트위징은 집중된 빛의 운동량 전달을 통해 나노 크기에서 마이크로 크기의 입자를 조작하는 것을 설명합니다. 광학 트위징은 1970년 Arthur Ashkin에 의해 가우스 빔1으로 처음 시연되었으며 반세기가 지난 후에도 이 빔은 여전히 ​​광학 트래핑 실험2을 지배하고 있습니다. 그러나 광학 핀셋에 구조화된 빛3(빛의 강도, 위상 및 편광을 변경하여)을 사용하면 입자를 가두는 것뿐만 아니라 이동, 회전 및 방향을 지정하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 구조적 광 트랩은 오늘날 잘 확립된 기술이며4,5 대부분의 구조적 빔은 홀로그램을 통해 생성되므로 홀로그램 광학 핀셋(HOT)6,7이라고 불립니다.

HOT를 사용하면 트랩 배열을 생성하여 여러 입자를 동시에 트랩하면서 이 배열 패턴을 동적으로 변경할 수 있으므로 입자를 고도로 제어된 조작이 가능합니다8,9,10,11. 갇힌 입자(베셀 빔)에 의해 왜곡된 후 스스로 재구성되는 구조화된 빔은 여러 평면에서 트래핑을 허용하는 반면, 원거리 베셀 빔은 혼잡한 환경에서 트래핑을 지원하는 광학 차폐로 사용될 수 있습니다. 구조화된 광선은 트랩 강도를 향상시키는 것으로 나타났을 뿐만 아니라14 Airy 광선은 예를 들어 특정 궤적을 따라 입자를 안내하여 샘플에서 입자를 선택적으로 제거할 수 있습니다15,16. 꽃잎 빔을 사용하면 굴절률이 서로 다른 입자를 동시에 트랩할 수 있으며 동결파는 트랩의 안정성과 3D 제어를 증가시킬 수 있습니다. 빛이 선형 운동량을 전달한다는 사실은 잘 알려져 있으며 이는 빛이 입자를 가둘 수 있는 이유입니다. 그러나 빛은 LG(Laguerre-Gaussian) 빔과 같이 궤도 각 운동량(OAM)을 전달할 수도 있습니다. 이러한 OAM 운반 빔을 사용함으로써 광학 핀셋은 입자의 회전 제어도 얻습니다.

지금까지 HOT 연구는 주로 진폭과 위상이 변조된 구조화된 빔(스칼라 빔이라고 함)에 중점을 두었습니다. 반면, 벡터 빔은 편광 구조로도 구성되어 있습니다. 즉, 공간적으로 변하는 편광 패턴을 가집니다. 벡터 빔을 이용한 트래핑은 광학 핀셋에서 탐구된 구조광의 가장 최근 방법이며 이미 트래핑 커뮤니티4,5,23에 유익한 것으로 입증되었습니다. 예를 들어 방사형 편광 벡터 빔은 단단히 집중되었을 때 가장 작은 스폿 크기를 달성하는 것으로 유명하며24,25 이 속성은 더 강한 축 광학 트랩을 만드는 데 사용되었습니다. 첫 번째 벡터 HOT는 Bhebhe et al.28에 의해 시연되었으며, 이는 벡터 및/또는 스칼라 빔의 동적 배열을 사용하여 광학 트래핑을 가능하게 했습니다.

광학 핀셋에 구조화된 빛을 사용하면 강력한 기술이 될 수 있으며, 더욱이 이 도구를 형광 분광기와 결합하면 입자에 힘을 가할 수 있을 뿐만 아니라 트랩 내 분자의 화학적, 구조적 변화를 관찰할 수도 있습니다. 이러한 이유로 단일 분자 형광과 결합된 광학 핀셋은 오늘날 생물학 연구에서 매우 귀중하고 선구적인 도구입니다29,30,31. 그러나 형광 현미경을 광학 핀셋에 통합하는 것은 사소한 일이 아닙니다. 트래핑 광은 형광 실험에 사용되는 여기광보다 최대 6배 높은 강도를 갖기 때문입니다. 고강도 트래핑 광은 형광단의 광표백을 초래하며, 이는 형광단이 비형광이 되는 돌이킬 수 없는 과정입니다. 완전히 이해되지는 않았지만 광표백은 일반적으로 이미 여기된 전자가 계속해서 광자를 흡수하고 결과적인 해리로 인해 형광 신호가 영구적으로 손실될 때 발생합니다. 광학 핀셋에서 광표백을 최소화하는 가장 널리 사용되는 솔루션은 두 가지 소스, 즉 트래핑을 위한 비공진 고강도 레이저와 여기를 위한 공진 저강도 소스를 사용하는 것입니다34,35. 그런 다음 이 두 소스는 공간36,37,38 또는 시간39,40에서 분리됩니다. 구조광을 사용하여 광학 핀셋에 형광 분광학을 통합하는 데 도움을 줄 수 있는 가능성을 조사한 연구는 거의 없으며 현재까지 구조광의 벡터 특성을 활용한 연구는 없으며 그룹은 광표백을 줄이기 위해 소용돌이 또는 '도넛' 트래핑 빔을 사용하여 조사한 것뿐입니다. 42,43. 최근 Zhang과 Milstein은 트랩 중심 아래 1 \(\upmu \text{m}\)에 위치한 유기 염료의 광표백 수명이 별도의 트랩 및 여기 소스를 사용하면서 소용돌이 빔으로 트랩함으로써 연장될 수 있음을 보여주었습니다.